КЛАПАН РЕГУЛИРУЮЩИЙ ДЛЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
CONTROL VALVE FOR LIQUID METAL

Изобретение относится к арматуростроению, а более конкретно к регулирующим клапанам, работающим в условиях, требующих широкого диапазона и плавности регулирования высокотемпературной рабочей среды, например в массообменных аппаратах ядерных реакторных установок с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем.
Известен регулирующий клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлен стакан и размещенный в стакане с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения плунжер, нижняя часть которого является затвором для седла, установленного в выходном отверстии корпуса (Трубопроводная арматура. Номенклатурный справочник. Том 4. Москва, 2006 г., с. 44).
Недостатком известного регулирующего клапана является ограниченность диапазона регулирования расхода рабочей среды и невозможность изменения пропускной гидравлической характеристики, что уменьшает эффективность регулирования клапаном расхода рабочей среды. Это объясняется тем, что в известном регулирующем клапане стакан выполняет только функцию направляющей для плунжера, а также тем, что диапазон регулирования по длине ограничен диаметром выходного отверстия. Кроме того, при небольшом перемещении плунжера площадь проходного сечения клапана увеличивается очень быстро, что с одной стороны затрудняет точность регулирования на начальной стадии открытия, а с другой - определяет неэффективность регулирования на последующих стадиях открытия.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является регулирующий клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлен стакан со сквозными отверстиями на боковой поверхности и размещенный в стакане с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения плунжер, нижняя часть которого является затвором для седла, установленного в выходном отверстии корпуса (Э.Е. Благов, Б.Я. Ивницкий "Дроссельно регулирующая арматура ТЭС и АЭС", М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр. 59-60).
В известном регулирующем клапане сквозные отверстия на боковой поверхности стакана выполнены не по всей его поверхности, а только в его нижней части, поэтому при перемещении плунжера открытие отверстий происходит неравномерно. Кроме этого, плунжер при перемещении по стакану всей поверхностью граничит с поверхностью стакана, что приводит к задирам и даже заклиниванию плунжера в стакане, особенно это недопустимо при работе с жидкометаллической рабочей средой.
Недостатком известного регулирующего клапана является невозможность обеспечения плавности регулирующей характеристики клапана (изменения расхода рабочей среды, например жидкометаллического теплоносителя) из-за неравномерного увеличения проходного сечения клапана, а также возможность заклинивания плунжера при его перемещении в стакане, обусловленная протяженными трущимися поверхностями и высоким уровнем эксплуатационных температур жидкометаллического теплоносителя (для свинцового теплоносителя: 420°С - НУЭ, 600°С - ННУЭ).
Задачей настоящего изобретения является создание регулирующего клапана, способного надежно и эффективно работать в условиях, требующих широкого диапазона и плавности регулирования высокотемпературной рабочей среды, например жидкого металла.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение плавности регулирующей характеристики клапана (изменения расхода рабочей среды, например жидкометаллического теплоносителя) за счет равномерного без скачков увеличения проходного сечения клапана при надежном без заклинивания перемещении плунжера в вертикальном направлении.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регулирующем клапане, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлен стакан со сквозными отверстиями на боковой поверхности и размещенный в стакане с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения плунжер, нижняя часть которого является затвором для седла, установленного в выходном отверстии корпуса, согласно заявленному изобретению плунжер снабжен дистанционирующими относительно стакана кольцевыми элементами, которые установлены на верхней и нижней концевых частях плунжера, при этом сквозные отверстия на боковой поверхности стакана расположены по спирали с шагом по периметру стакана в диапазоне от 2 до 10 диаметров отверстия и с шагом по высоте стакана в диапазоне от 0,7 до 0,9 диаметра отверстия, а общая площадь отверстий выбрана в пределах от 0,4 до 1,1 площади проходного сечения седла.
Кроме этого, дистанционирующие кольцевые элементы выполнены в виде втулок.
Снабжение плунжера дистанционирующими относительно стакана кольцевыми элементами позволяет уменьшить длину трущихся частей, устранить возможность соприкосновения плунжера и стакана из-за формоизменения, обусловленного высоким уровнем эксплуатационных температур, а также снизить влияние возможных искривлений длинного штока на положение плунжера в стакане, тем самым исключает задиры на трущихся в процессе регулирования поверхностях стакана и кольцевых элементах (втулках) плунжера и возможные заклинивания.
Выполнение отверстий на боковой поверхности стакана по спирали с шагом по периметру стакана в диапазоне от 2 до 10 диаметров отверстия и с шагом по высоте стакана в диапазоне от 0,7 до 0,9 диаметра отверстия, причем общая площадь отверстий выбрана в пределах от 0,4 до 1,1 площади проходного сечения седла, позволяет обеспечить плавность регулировочной характеристики клапана (изменения расхода теплоносителя от перемещения плунжера) за счет равномерного, без скачков, увеличения проходного сечения клапана при перемещении плунжера в вертикальном направлении с обеспечением требуемого большего или меньшего высотного диапазона регулирования, обеспечить требуемые прочностные характеристики стакана при высоком уровне рабочих температур.
Выбранный шаг расположения отверстий по высоте стакана от 0,7 до 0,9 диаметров отверстия обеспечивает требуемое перекрытие отверстий. Выбор шага менее 0,7 диаметров отверстия нецелесообразен, поскольку уменьшает располагаемый диапазон регулирования расхода, т.е. уменьшает эффективность клапана. При увеличении шага по периметру стакана более 10 диаметров отверстия площадь перекрытия отверстий уменьшается. При шаге менее 2 диаметров отверстия приводит к скачкообразности изменения расхода через регулирующий клапан. Выбор общей площади отверстий в диапазоне от 0,4 до 1,1 площади проходного сечения седла объясняется тем, что увеличение свыше 1,1 не приводит к последующему заметному увеличению расхода через клапан, поскольку расход определяется максимальным проходным сечением седла, а уменьшение менее 0,4 приведет к общему снижению эффективности регулирования расхода.
1
2
3
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен регулирующий клапан (общий вид, разрез), на фиг. 2 изображена развертка стакана регулирующего клапана со спиральным расположением сквозных отверстий на его боковой поверхности, на фиг. 3 показаны графики зависимости расхода рабочей среды от степени открытия отверстий стакана регулирующего клапана: (график G - при равномерном расположении отверстий; график G - при нарастании проходного сечения отверстий по высоте стакана; график G - при уменьшении проходного сечения отверстий по высоте стакана).
Регулирующий клапан содержит корпус 1, в котором установлен стакан 2, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия 3. В стакане 2 расположен плунжер 4, верхняя часть которого неподвижно соединена со штоком 5 с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения плунжера 4 в стакане 2. Плунжер 4 снабжен дистанционирующими относительно стакана кольцевыми элементами 6, 7, которые центрируют плунжер 4 в стакане 2, а также обеспечивают скольжение по поверхности стакана 2. Дистанционирующие кольцевые элементы 6, 7 выполнены в виде втулок, которые установлены на верхней и нижней концевых частях плунжера 4. В корпусе 1 клапана выполнены входные отверстия 8 для рабочей среды, например жидкого металла, в корпус 1. В нижней части корпуса 1 выполнено седло 9, которое установлено на выходном отверстии 10 для рабочей среды. Сквозные отверстия 3 размещены по спирали с шагом а по периметру стакана в диапазоне от 2 до 10 диаметров отверстия и с шагом 8 по высоте стакана в диапазоне от 0,7 до 0,9 диаметра отверстия. При этом общая площадь отверстий выбрана в пределах от 0,4 до 1,1 площади проходного сечения седла клапана.
Регулирующий клапан работает следующим образом.
Регулирующий клапан устанавливают в массообменном аппарате ядерной реакторной установки, например БРЕСТ-ОД-300, расположенном на байпасе циркуляционного насоса. При поднятом вверх плунжере 4 регулирующий клапан находится в положении «открыто», а жидкометаллический теплоноситель из верхней напорной камеры циркуляционного насоса (на чертеже не показаны) через входные отверстия 8 поступает внутрь корпуса 1, затем из корпуса 1 через сквозные отверстия 3 в стакане 2 поступает в узел отвода среды из нижней части корпуса 1 с максимальным расходом. При вертикальном перемещении штока 5 вниз, плунжер 4 перемещается вниз, последовательно перекрывая нижним кольцевым элементом 7 сквозные отверстия 3 в стакане 2. При этом расход через клапан уменьшается в соответствии с распределением сквозных отверстий 3 в стакане 2 и их геометрией. При перемещении плунжера 4 внутри стакана 2 втулки 6, 7 скользят без задиров по внутренней перфорированной поверхности стакана 2, а также исключают протечки жидкометаллического теплоносителя через зазор между стаканом 2 и плунжером 4 (путем ограничения протечки между нижней втулкой 7 и стаканом 2). Полное ограничение расхода теплоносителя через клапан осуществляется путем посадки нижней втулки 7 на седло 9 при последующем опускании плунжера 4 в крайнее нижнее положение. При необходимости перевода клапана в режим регулирования шток 5 перемещается вертикально вверх, перемещая вверх плунжер 4, при этом нижняя втулка 7 плунжера 4 последовательно открывает отверстия 3 в стакане 2. Жидкометаллический теплоноситель проходит через регулирующий клапан с расходом, соответствующим пропускной регулирующей характеристике клапана.