КЛАПАН ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ ОСЕСИММЕТРИЧНЫЙ

Заявляемый в качестве полезной модели клапан запорно-регулирующий осесимметричный относится к устройствам, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин и установок, предназначен для регулирования расходных параметров рабочей среды: пара, воды, газа, агрессивных жидкостей и других сред с высокой рабочей температурой до 600°С и высоким давлением до 25 МПа, и может использоваться в различных технологических линиях ТЭЦ, АЭС и нефтехимического производства.
Известен осевой запорно-регулирующий дисковый клапан с разгрузочным устройством, который имеет разгруженный золотник, расположенный вдоль оси трубной части корпуса на одной оси с седлом. (1. Описание к патенту RU №2325573 С2 по Кл. F16K 3/08. «Осевой запорно-регулирующий клапан с разгрузочным устройством», опубликовано 27.05.2008 г.). В цилиндре золотника установлен поршень, образующий с ним разгрузочную камеру. Герметичность поршня обеспечивается эластичным радиальным кольцом из фторопласта, резины или эластомера.
Недостатком конструкции данных клапанов является наличие мягких уплотнений, которые ограничивают возможность эксплуатации данных клапанов для рабочих сред с температурой не более 200°С, и износ контактирующих поверхностей в узлах золотник-седло, золотник-стержень, что ведет к увеличению зазора в конической передаче, и, соответственно, к ухудшению условий регулировки расходной характеристики рабочей среды.
Известен запорно-регулирующий прямоточный клапан осевого потока, содержащий разгруженный плунжер, внутренняя поверхность которого герметизирована эластичными уплотнениями по отношению к выходной полости при перекрытом проходном сечении клапана. (2. Описание к патенту RU №2375627 С1 по Кл. F16K 3/08. «Осевой запорно-регулирующий клапан», опубликовано 10.12.2009 г.).
Недостатком конструкции известного запорно-регулирующего прямоточного клапана осевого потока является также использование мягких уплотнений, которые не позволяют эксплуатировать клапаны при температуре рабочей среды более 200°С.
Известен запорно-регулирующий клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с седлом и внутренний корпус, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженный плунжер с уплотнительными поверхностями, размещенный во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизм осевого перемещения плунжера. (3. Гуревич Д.Ф. и др. Арматура ядерных энергетических установок, М., Атомиздат, 1978, стр.90, рис.4.7.)
Герметизация клапана осевого потока в закрытом положении обеспечивается уплотнением плунжера по внутренней поверхности седла посадкой на два уплотнительных пояска, выполненных на плунжере, что является недостатком конструкции, т.к. обеспечить одновременно посадку двух уплотнительных металлических поясков плунжера с одинаковыми удельными давлениями на седло практически невозможно. Одно из двух уплотнений будет негерметичным, что обуславливает возникновение явления гистерезиса в значениях управляемых клапаном расходных параметров среды, ведущее к снижению надежности клапана. При использовании данной конструкции для перекрытия рабочей среды с большим давлением для создания двойного уплотнения плунжера на поверхности седла потребуются большие усилия привода.
Наиболее близким техническим решением по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели запорно-регулирующему клапану осевого потока является клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с приваренным к нему во входном патрубке седлом и внутренний корпус, образующие осесимметричную проточную часть, разгруженный плунжер с узлом герметизации относительно внутреннего корпуса, выполненный в виде сильфона, соединенного концевыми втулками с плунжером и внутренним корпусом. Внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном. (4. Описание к патенту: RU №2267680 С1 по Кл. F16K 1/12. «Клапан осевого потока», опубликовано 10.01.2006 г.).
Недостатком данной конструкции является наличие сложного узла герметизации, выполненного в виде сильфона, обуславливающего необходимость внешнего выравнивания давления в клапане посредством байпасной линии. Использование сложной системы герметизации клапана снижает его надежность и усложняет работу клапана, для срабатывания которого требуется открывание и закрывание запорного клапана байпасной линии. При этом выполнение узла герметизации в виде сильфона и наличие запорного клапана в байпасной линии усложняет обслуживание клапана осевого потока и введение его в систему автоматизированного управления. Кроме того, седло, приваренное к наружному корпусу, усложняет ремонт самого клапана, т.к. при ремонте седла места его приварки срезаются, а для монтажа седла их необходимо заново восстанавливать.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание простого в изготовлении, обслуживании и ремонте запорно-регулирующего осесимметричного клапана для высокотемпературных рабочих сред и высоких давлений, с использованием приводов малой мощности.
Техническим результатом создания запорно-регулирующего осесимметричного клапана является упрощение конструкции, повышение его надежности и ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается тем, что в запорно-регулирующем осесимметричном клапане, содержащем снабженный седлом наружный корпус и жестко соединенный с ним обтекатель, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения разгруженный плунжер, размещенный в направляющей втулке обтекателя и снабженный узлом герметизации, согласно полезной модели наружный корпус выполнен со съемной крышкой, сопряжение съемной крышки и наружного корпуса выполнено в виде ответных кольцевых проточек и снабжено уплотнением, расположенным в полости проточки меньшего диаметра, сформированной ограничительным кольцевым выступом на съемной крышке, и обтекатель закреплен на съемной крышке посредством пилона, а плунжер центрирован относительно втулки разрезными центрирующими кольцами, размещенными в кольцевых канавках, выполненных на поверхности плунжера по его краям, и узел герметизации плунжера выполнен в виде наборов из разрезных уплотнительных и прижимных колец, размещенных в кольцевых канавках на его поверхности между канавками с центрирующими кольцами, при этом каждый набор из разрезных уплотнительных и прижимных колец представлен парой одинаковых разрезных уплотнительных колец, установленных на разрезном прижимном кольце, ширина которого равна суммарной толщине пары разрезных уплотнительных колец, а разрезы всех трех колец в наборах узла герметизации смещены относительно друг друга, кроме того, диаметр полости направляющей втулки, в которой размещен плунжер, превышает диаметр контактной линии плунжера с седлом и наружный диаметр плунжера, и указанная величина превышения диаметра полости втулки компенсирована наборами разрезных уплотнительных и прижимных колец.
Выполнение наружного корпуса со съемной крышкой, на которой жестко, посредством пилона, закреплен обтекатель, обеспечивает простоту конструкции, ее разборность и возможность обслуживания и ремонта клапана без извлечения (или вырезки) его из технологической линии.
Выполнение сопряжения наружного корпуса и съемной крышки в виде ответных кольцевых проточек и размещение уплотнения по поверхности проточки меньшего диаметра, т.е. в полости, сформированной кольцевой впадиной на поверхности наружного корпуса и ограничительным кольцевым выступом на съемной крышке, контактирующим с фланцевой поверхностью наружного корпуса, и обеспечиваемый при этом контакт «металл по металлу» кольцевого ограничительного выступа на съемной крышке с фланцевой поверхностью наружного корпуса, создает стабильное герметичное сопряжение съемной крышки и наружного корпуса за счет заданной деформации уплотнения, ограниченной высотой ограничительного кольцевого выступа на съемной крышке и определяет совмещение оси обтекателя и оси наружного корпуса, что повышает надежность клапана.
Центрирование плунжера относительно втулки разрезными центрирующими кольцами, установленными в кольцевых проточках по краям плунжера, обеспечивает точность центрирования последнего, а выполнение узла герметизации плунжера в виде наборов из разрезных уплотнительных и прижимных колец, установленных со смещением разрезов, и компенсирующих величину превышения диаметра полости втулки над диаметром контактной линии плунжера с седлом и наружным диаметром плунжера, повышает герметичность клапана, исключает возникновение явления гистерезиса в значениях управляемых клапаном расходных параметров среды. Обеспечение надежного центрирования и герметизации плунжера относительно внутренней поверхности втулки повышает надежность клапана в работе, снижает нагрузки на привод клапана.
Пример реализации заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показан заявляемый клапан в открытом положении, в разрезе.
На фиг.2 показан заявляемый клапан в разрезе в закрытом положении.
На фиг.3 представлен выносной элемент В на фиг2 - фрагмент плунжера с разрезными уплотнительными, прижимными и центрирующими кольцами.
На фиг.4 представлено сечение Г-Г на фиг 3 - положение разрезов разрезных прижимного и уплотнительных колец.
На фиг.5 показан выносной элемент Ж на фиг.2, поясняющий выполнение сопряжения наружного корпуса и съемной крышки.
Клапан запорно-регулирующий осесимметричный содержит наружный корпус 1, в котором посредством резьбы 2 установлено седло 3, герметизированное уплотнением 4, съемную крышку 5 с жестко соединенным с ней пилоном 6 обтекателем 7, во внутренней полости которого размещена направляющая втулка 8, куда вставлен плунжер 9 с разгружающими отверстиями 10. На поверхности плунжера 9, обращенной к поверхности направляющей втулки 8, выполнены кольцевые канавки 11, 12 - при этом в крайних кольцевых канавках 11 установлены разрезные центрирующие кольца 13, а в кольцевых канавках 12 размещены наборы из пары одинаковых разрезных уплотнительных колец 14 и разрезного прижимного кольца 15. Ширина разрезного прижимного кольца 15 соответствует суммарной толщине разрезных уплотнительных колец 14. Разрезы 16, 17 в разрезных уплотнительных кольцах 14 и разрез 18 в разрезном прижимном кольце 15 смещены относительно друг друга, а суммарная высота наборов из разрезных уплотнительных колец 14 и разрезных прижимных колец 15 компенсирует зазор, обусловленный превышением величины диаметра внутренней полости направляющей втулки 8 над величинами диаметра контактной линии плунжера 9 с седлом 3 и наружного диаметра плунжера 9. Плунжер 9, через Т-образный паз 19, выполненный во внутреннем выступе 20 плунжера 9, соединен с рейкой 21. В отверстии 22, выполненном в съемной крышке 5 установлен вал-шестерня 23, входящий в зацепление с рейкой 21, и герметизированный относительно съемной крышки сальниковым узлом 24, а сверху на крышке 5 закреплен бугель 25 для установки привода 26. Герметизация сопряжения наружного корпуса 1 и съемной крышки 5, выполненного в виде ответных кольцевых проточек 27 и ограничительного кольцевого выступа 28 на съемной крышке, осуществляется шпилечными соединениями 29 и уплотнением 30, помещенным в полость 31, образованную кольцевыми проточками 27 и ограничительным кольцевым выступом 28 на съемной крышке, контактирующим с поверхностью 32 фланца. Величина деформации уплотнения 30 задается высотой ограничительного кольцевого выступа 28. Для выставления осей наружного корпуса 1 и направляющей втулки 8 соосно, а также обеспечения герметизации путем обжатия уплотнения 30 до необходимой толщины, съемная крышка 5, за счет ограничительного кольцевого выступа 28, жестко-контактом «металл по металлу», упирается в наружный корпус 1.
Клапан запорно-регулирующий осесимметричный работает следующим образом:
В открытом положении клапан (см. Фиг.1) полостью А воспринимает поток рабочей среды и обеспечивает осесимметричное протекание ее между обтекателем 7 и совмещенной внутренней поверхностью наружного корпуса и съемной крышки. Плунжер 9, за счет разгружающих отверстий 10, разрезных центрирующих колец 13 и наборов колец из пары разрезных уплотнительных 14 и прижимного 15 колец и, благодаря превышению величины диаметра полости направляющей втулки 8 по отношению к величине наружного диаметра плунжера 9, всегда стремится переместиться в направлении к седлу, (к положению закрытия клапана), независимо от направления перемещения плунжера 9 из-за разности давлений в полостях А и Б, что обеспечивает «выборку» зазора в Т-образном пазу 19 зацепления плунжера 9 и рейки 21, тем самым исключая явление гистерезиса в значениях управляемых клапаном расходных параметров среды, обеспечивая точную регулировку подачи рабочей среды и уменьшая нагрузку на привод 26 при закрытии клапана. В открытом положении клапана давление в полостях А и Б стремится к выравниванию, соответственно уменьшается усилие прижима разрезных уплотнительных колец 14 к направляющей втулке 8 и нагрузка на привод 26.
При закрытии клапана привод 26 поворачивая вал-шестерню 23, через рейку 21 поступательно перемещает плунжер 9 до упора в седло 3, герметично отсекая полость А от полости Б.
Привод 26 можно выбирать, исходя из крутящего момента на валу - шестерне 23, необходимого для перемещения плунжера 9 в сторону открытия клапана, когда плунжер 9 не контактирует с седлом 3.
Для исключения протечек между плунжером 9 и направляющей втулкой 8 разрезы 16, 17 разрезных уплотнительных колец 14 и разрез 18 разрезного прижимного кольца 15 смещены относительно друг друга для взаимного перекрытия. Два разрезных центрирующих кольца 13 обеспечивают равномерный зазор между плунжером 9 и направляющей втулкой 8 обтекателя 7, создавая оптимальные условия для работы наборов разрезных уплотнительных колец 14 и 15, поджимаемых к поверхности втулки 8 разностью давлений рабочей среды на входе и выходе из кольцевой канавки 12.
В положении клапана «Закрыто» поток рабочей среды направляется в полость Б через наборы разрезных уплотнительных 14 и прижимных 15 колец. Уплотнительные кольца 14 прижимаются друг к другу, к боковым поверхностям кольцевых канавок 12 плунжера 9 и к цилиндрической поверхности втулки 8 обтекателя 7. Прижимное кольцо 15 перекрывает радиально щели разрезов 16, 17 уплотнительных колец 14, где давление, из-за высокой скорости потока, ниже, чем в полости Д кольцевой канавки 12. Далее рабочая среда проникает через полость Д в полость Е кольцевой канавки 12 сквозь узкие щели разрезов 16, 17 и 18 в наборах разрезных уплотнительных 14 и прижимных колец 15 с падением давления и скорости потока. Этот процесс повторяется при перетекании рабочей среды в каждую последующую полость, которых обычно на поверхности плунжера 9 может быть не менее пяти штук. В результате на выходе в полость Б объем протечек приближается к нулю.
В положении клапана «Закрыто» к усилию, созданному приводом 26, добавляется усилие, создаваемое разностью площадей, определяемых диаметром направляющей втулки 8 и диаметром контактной линии плунжера 9 с седлом 3, умноженную на разность давлений в полостях А и Б клапана.
Усилие отрыва плунжера 9 от седла 3 (наибольшее усилие на приводе при положении клапана «Закрыто») меньше пускового момента привода, (Мп=1.7 Мн), чем обеспечивается плавное, точное регулирование расходной характеристики рабочей среды и соответственно антипомпажное регулирование насосов, компрессоров.
Таким образом, выполнение заявляемого запорно-регулирующего осесимметричного клапана со съемной крышкой, сопряжение которой с наружным корпусом герметизировано уплотнением с заданной величиной деформации, и на которой, посредством пилона, жестко закреплен обтекатель, центрируемый в наружном корпусе благодаря обеспечиваемому сопряжением наружного корпуса и съемной крышки контакту «металл по металлу», позволяет упростить конструкцию клапана и повысить его надежность, обуславливает возможность присоединения последнего к трубопроводу сваркой, что в 2-3 раза уменьшает нагрузку на трубопровод по сравнению с фланцевыми клапанами, позволяет управление клапаном в автоматическом режиме и обеспечивает проведение оперативного ремонта.
Использование в конструкции запорно-регулирующего осесимметричного клапана для центрирования плунжера в полости втулки разрезных центрирующих колец и наборов из разрезных уплотнительных и прижимных колец позволяет исключить вибрации, обеспечить герметичность и надежность клапана при высоких давлениях и температурах.