ШАРОВОЙ КЛАПАН
BALL VALVE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к ракетно-космической технике, и предназначено в качестве запорного клапана с ручным приводом, предназначенным для пропускания по тракту клапана потока рабочей жидкости при открытом положении клапана и для перекрытия потока рабочей жидкости при закрытом положении клапана, с защитой от повреждения давлением при значительном изменении температуры (нагреве) или ее замерзании.
Известен шаровой клапан, содержащий корпус с фланцами, образующими входное и выходное отверстия клапана, расположенные на одной оси, поворотный привод, обеспечивающий перекрытие седел клапана в закрытом положении или полное открытие проходного сечения клапана в открытом положении. При этом каждое седло состоит из подпружиненного плавающего поршня с ограниченным осевым перемещением (RU №2467233 С2, МПК F16K1/22, F16K5/06, F16K39/06).
Недостатками данной конструкции является поворотный механизм, выполненный в виде неподвижного поршня по вертикальной оси, что приводит к невозможности обеспечения защиты корпуса от повреждения давлением при значительном изменении температуры, нагреве рабочей жидкости или ее замерзании.
Данный клапан эксплуатируется на космической станции в системе СОТР в открытом космосе. Т.к. станция постоянно вращается вокруг Земли, она попадает то на солнечную сторону, то уходит в тень. Проблема заключается в том,что корпус не выдерживал постоянного изменения температуры, образовывались трещины, что приводило к нарушению герметизации системы. В дальнейшем это сказывалось на температуре внутри станции, резкое повышение температуры, сильно отличающееся от комнатной. Клапан находится в системе не в штучном количестве и есть возможность установить демпфер в систему, но это очень не рентабельно с точки зрения изготовления.
Близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является шаровой клапан (RU №2517467 С2, МПК F16K 5/20, F16K 43/00), состоящий из корпуса с входным и выходным штуцерами и двумя седлами в виде кольцевых уплотнительных элементов, имеющими проходные отверстия со сферическими поверхностями для взаимодействия со связанным со штоком шаровым запорным элементом, перекрывающим проходное отверстие. В корпусе клапана со стороны входного штуцера установлен подвижный уплотнительный элемент, выполненный в виде втулки с седлом со стороны шарового запорного элемента и подпружиненный тарельчатой шайбой со стороны входного штуцера. Седло установлено в выходном штуцере со стороны шарового запорного элемента. Места стыка выходного штуцера и подвижного уплотнительного элемента с корпусом герметизируются уплотнительными кольцами. Шток установлен в корпусе и зафиксирован при помощи втулки и стопорного кольца с возможностью вращения вокруг своей оси. При этом выступ штока входит в паз шарового запорного элемента. Верхняя часть штока шестригранной формы для возможности открытия и закрытия шарового клапана стандартным гаечным ключом.
Существенный недостаток клапанов без демпфера заключается в том, чтобы его заменить космонавтам приходится выходить в открытый космос, а это в свою очередь ведет к остановке основной деятельности экипажа. Кроме того, когда станция разворачивается, т.е. переходит от солнечной стороны в тень, происходит замерзание жидкости, что приводит к разрушению корпуса. Таким образом, замерзание рабочей жидкости в напорных стальных трубопроводах приводит к разрыву труб. Это является одной из главных причин того, что временное прекращение подачи рабочей жидкости ведет к тяжелейшим последствиям. В то же время в специализированных изданиях сообщалось: шаровые клапаны при замерзании в них рабочей жидкости не разрушаются; деформируясь, они, тем не менее, могут эксплуатироваться в дальнейшем. В связи с этим в нашей корпорации были проведены испытания, заключавшиеся в моделировании процессов, происходящих в заполненных шаровых клапанах при воздействии отрицательных температур. Цель исследований состояла в оценке стойкости шаровых клапанов к разрушению при одноразовом воздействии холода в аварийных ситуациях, а также возможности нормального функционирования при чередовании отрицательных и положительных температур. Кроме того, в задачу испытаний входило определение влияния на устойчивость шаровых клапанов качества рабочей жидкости, взятой из различных трубопроводов (холодного, горячего водоснабжения, отопления и т.д.), и величины избыточного давления. Испытания проводили до разрушения стенок клапана с определением числа выдержанных циклов. Были проведены необходимые исследования. В исследованиях использовались 2-ходовые регулирующие клапаны с корректирующим диском DN 10…80 для плавной регулировки рабочей жидкости. Испытания осуществлялись следующим образом. Собранные образцы заполняли рабочей жидкостью, обеспечивая полное удаление из них воздуха, и перекрывали воду шаровым клапаном, перекрывая штуцеры входа 2 и выхода 3 заглушками. Далее образцы помещали в камеру с температурой -100°C, где они выдерживались до промерзания всего объема рабочей жидкости с переходом ее в лед. Затем образцы вынимались и помещались в камеру с температурой +100°C. После этого из них удаляли жидкость, оценивали состояние клапанов и повторяли цикл сначала. (Таким образом, под циклом подразумевается: заполнение жидкостью образца; отсечка рабочего объема закрытием шарового клапана; охлаждение образца в морозильной камере и выдержка его до полного промерзания жидкости; выборка образца из камеры; полное оттаивание льда; осмотр образца на предмет разрушения корпуса, либо возникновение трещин). Затем проводили такое же испытание, но уже с демпфирующим поршнем.
Предварительное вздутие и последующий разрыв стенки корпуса происходит исключительно по образующей. Разрушение по форме напоминает «лодочку» с заостренными концами, края отверстия - ровные. По длине размер отверстия составляет 12-30 мм, по ширине 4-10 мм. Разрыв сопровождается сравнительно негромким резким звуком, напоминающим хлопок. Первоначальные эксперименты по нагружению отрицательными температурами герметически заполненных жидкостью шаровых клапанов показали, что образцы, ранее не подвергавшиеся такому воздействию, выдерживают как минимум однократное замораживание в них жидкости, не разрушаясь. А клапаны с демпфирующим поршнем подвергались многократному нагружению в количестве 50 раз. Все клапаны прошли успешные испытания. До момента разрушения наружный диаметр корпуса увеличивается от цикла к циклу, соответственно уменьшается толщина стенки образца, в месте разрыва она равна половине первоначальной.
Задачей изобретения является создание такого шарового клапана, конструкция которого обеспечила бы защиту корпуса от повреждения давлением при значительном изменении температуры, нагреве рабочей жидкости или ее замерзании.
Сущность изобретения состоит в том, что в шаровом клапане, состоящем из корпуса с входным и выходным штуцерами и двумя седлами, выполненными в виде уплотнительных элементов, имеющих проходные отверстия со сферическими поверхностями для взаимодействия с перекрывающим проходное отверстие шаровым запорным элементом, имеющим паз, с помещающемся в нем выступом, а также удерживаемого накидной гайкой штока с уплотнительным элементом, поворотный механизм выполнен в виде демпфирующего поршня со штоком, при этом накидная гайка выполнена со сквозными отверстиями, а в образованную полость между накидной гайкой и торцом демпфирующего поршня, выполненную с возможностью изменения объема обратно пропорционально изменению объема рабочего тела, находящегося в замкнутой полости шарового запорного элемента в положении закрыто, установлена пружина, сила которой вычисляется по формуле
пр
раб
поршня
F=Р×S,
раб
поршня
где Р - рабочее давление, S - площадь сечения поршня, при этом ход демпфирующего поршня меньше высоты выступа демпфирующего поршня.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности конструкции шарового клапана, обеспечивающей защиту корпуса от повреждения давлением при значительном изменении температуры, нагреве рабочей жидкости или ее замерзании.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 изображен общий вид шарового клапана в закрытом состоянии.
На фиг. 2 изображен общий вид шарового клапана в закрытом состоянии с демпфирующим поршнем, находящимся в крайнем положении.
Конструкция шарового клапана состоит из корпуса 1 с входным штуцером 2 и выходным штуцером 3 и двумя седлами 4 и 5 в виде уплотнительных элементов, например, кольцевых, имеющих проходные отверстия со сферическими поверхностями для взаимодействия с перекрывающим проходное отверстие шаровым запорным элементом 6, в котором выполнен паз 7 для выступа 8 демпфирующего поршня 9. В корпусе клапана со стороны входного штуцера 2 в седло 4 со стороны шарового запорного элемента 6 установлен подвижный уплотнительный элемент 10, выполненный в виде втулки и подпружиненный тарельчатой шайбой 11 со стороны входного штуцера 2. Места стыка входного штуцера 2 и подвижного уплотнительного элемента 10 с корпусом 1 герметизируются уплотнительными кольцами 12. Шток 13 демпфирующего поршня 9 в корпусе 1 подпружинен пружиной 14, удерживаемой накидной гайкой 15. При этом выступ 8 демпфирующего поршня 9 входит в паз 7 шарового запорного элемента 6, а шток 13 может вращаться вокруг своей оси. Благодаря пружине 14 шток 13 может двигаться по вертикальной оси, не выходя из паза 7 шарового запорного элемента 6, так как L1<L2, ход демпфирующего поршня меньше глубины паза 7 шарового запорного элемента 6 (фиг. 1). Между торцом демпфирующего поршня и накидной гайкой 15 образована полость 16 с объемом V2. Верхняя часть штока 13 шестигранной формы для возможности открытия и закрытия шарового клапана стандартным гаечным ключом. Место стыка штока 13 с корпусом 1 герметизируется уплотнительными кольцами 17. Выходной штуцер 3 крепится к корпусу 1 шпильками 18 и гайками 19.
Шаровой клапан работает следующим образом.
Принцип действия шарового клапана основан на перекрытии потока за счет вращения шарового запорного элемента 6 вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. В шаровом запорном элементе 6 выполнено сквозное отверстие, равное внутреннему диаметру трубопровода. В открытом положении ось отверстия в затворе совпадает с осью трубопровода, а в закрытом оси перпендикулярны. Для полного открытия или перекрытия клапана достаточно повернуть шар на 90°.
Герметичное перекрытие потока обеспечивается плотным прилеганием поверхности шарового запорного элемента 6 уплотнительных элементов 4 и 5. В процессе работы затвор шарового клапана должен находиться в одном из крайних положений, - полностью открыт или полностью закрыт. Не допускается эксплуатация шарового клапана при частичном открытии затвора, так как абразивный износ поворотного механизма приведет к нарушению герметичности перекрытия потока.
На изделии шаровой клапан закреплен штуцерами входа 2 и выхода 3 к трубопроводу. Шток 13 в положении «Открыто». Через тракт шарового клапана проходит рабочая среда. При значительных изменениях температуры демпфирующий поршень 9 поднимается, уменьшая объем полости, образованной между накидной гайкой и торцом демпфирующего поршня, давая беспрепятственно увеличиваться объему рабочего тела, находящегося в замкнутой полости шарового запорного элемента с объемом V1 в положении закрыто, при этом V1<V2. Благодаря тому, что со стороны накидной гайки 15 демпфирующий поршень 9 подпружинен пружиной 14, он возвращается в исходное положение. При этом величина силы пружины вычисляется по формуле
пр
раб
поршня
F=Р×S,
раб
поршня
где Р - рабочее давление, S - площадь сечения поршня. Накидная гайка 15 имеет сквозные каналы, соединяющие полость между накидной гайкой и торцом демпфирующего поршня 16 с окружающей средой для выхода объема воздуха. Выступ демпфирующего поршня всегда находится в пазу шарового запорного элемента, так как ход демпфирующего поршня L1 меньше высоты его выступа L2.
Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает защиту корпуса от повреждения давлением при значительном изменении t, нагреве рабочей жидкости или ее замерзании, за счет демпфирующего поршня.