Бесфрикционный шаровой клапан, выполненный с приводом, сочетающим линейный двигатель и качающийся цилиндр, и содержащий отделяемые друг от друга клапанный элемент и седло клапана
FRICTIONLESS BALL VALVE WITH AN ACTUATOR COMBINING A LINEAR MOTOR AND AN OSCILLATING CYLINDER AND CONTAINING A SEPARABLE VALVE ELEMENT AND VALVE SEAT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[01] Данное изобретение относится к области бесфрикционных шаровых клапанов, в частности к бесфрикционному шаровому клапану, выполненному с приводом, сочетающим линейный двигатель и качающийся цилиндр, и содержащему клапанный элемент и седло клапана, отделяемые друг от друга.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[02] Обладая огромной мощностью с точки зрения транспортировки и потребления нефти, Китай имеет нефтепроводы протяженностью более 20000 километров, и с каждым годом этот показатель все больше увеличивается. Шаровые клапаны, представляющие собой элементы для регулирования расхода потока в трубопроводах, широко используются в трубопроводах для транспортировки нефти и газа. Благодаря небольшому сопротивлению текучей среде, быстрому открыванию/закрыванию и простоте эксплуатации шаровые клапаны находят широкое применение в нефтяной промышленности, химической промышленности, на энергетических станциях и в других отраслях промышленности. Уплотнение шаровых клапанов обеспечивается с помощью предварительно заданных натягов между шаровыми корпусами и седлами клапанов, а также усилием, оказываемым давлением жидкости на уплотнительные поверхности седел клапанов.
[03] Обычные шаровые клапаны, как правило, имеют следующие недостатки: 1) в процессе открытия/закрытия клапанов шаровые корпусы всегда плотно прилегают к седлам клапанов, в результате чего при повороте возникает большая сила трения, и после многократного длительного использования указанные корпусы и седла клапанов сильно изнашиваются; 2) после частой эксплуатации в течение длительного периода времени элементы клапанов изнашиваются, поэтому в открытом/закрытом состоянии клапаны протекают или работают ненадлежащим образом, и срок их службы сокращается; 3) операция открытия/закрытия является чрезвычайно трудоемкой и часто ограничена условиями эксплуатации, в том числе температурой и давлением перекрываемого потока. В случае крупногабаритных шаровых клапанов их приводные устройства спроектированы неподходящим образом, а редукторы скорости и другие элементы имеют большие размеры и, следовательно, неудобны с точки зрения установки, и все это влияет на характеристики эксплуатации и не отвечает потребностям современного промышленного производства.
[04] В настоящее время на рынке доступны два вида бесфрикционных шаровых клапанов. К одному виду относятся бесфрикционные эксцентриковые шаровые клапаны, в которых клапанные элементы приводятся в действие эксцентриковыми тягами исполнительного механизма с обеспечением сдвига в виде единого целого вдоль нижних центральных осей для отделения от седел клапанов, так что в процессе открытия/закрытия клапанов отсутствует сила трения. К другому виду относятся бесфрикционные полноповоротные шаровые клапаны, в которых клапанные элементы имеют в целом клиновидную форму, при этом клапанные элементы и створки клапанов изготовлены по отдельности и сопрягаются друг с другом для перемещения, так что вертикальное смещение вверх-вниз может быть преобразовано в горизонтальное смещение створок клапанов с обеспечением работы без трения. Однако недостатком обоих указанных видов бесфрикционных шаровых клапанов является сложная конструкция приводных механизмов, при этом бесфрикционные эксцентриковые шаровые клапаны не обеспечивают надлежащий эффект уплотнения, вследствие чего они не могут использоваться в центральных трубопроводах.
СУЩНОСТЬ
[05] Для решения проблем, существующих в уровне техники, в данном изобретении предложен бесфрикционный шаровой клапан, выполненный с приводом, сочетающим линейный двигатель и качающийся цилиндр, и содержащий клапанный элемент и седло клапана, отделяемые друг от друга. Идеи прямого электрического привода, распределения разных видов мощности, а также комбинации клапанного элемента и седла клапана, выполненных с возможностью отделения друг от друга, применены к современной конструкции бесфрикционного шарового клапана так, что обеспечено выполнение задач точного управления силовым элементом, создания простой и высокоэффективной конструкции привода, получения более надежного источника распределенной выходной мощности и отсутствия контактного трения между корпусом клапана и седлом клапана в процессе открывания/закрывания корпуса клапана.
[06] Техническим решением, обеспечивающим реализацию вышеуказанной задачи данного изобретения, является бесфрикционный шаровой клапан, выполненный с приводом, сочетающим линейный двигатель и качающийся цилиндр, и содержащий клапанный элемент и седло клапана, отделяемые друг от друга.
[07] Шаровой клапан содержит набор постоянных кольцевых магнитов, причем на нижнем конце указанного набора установлен блок первичной обмотки, который жестко соединен с выходным валом,
[08] выходной вал проходит в качающийся цилиндр, закрепленный на монтажной раме приводного механизма, и далее жестко соединен с коническим клапанным элементом при помощи штифта, и
[09] внутри качающегося цилиндра установлены неподвижная пластина и скользящее кольцо, которое жестко соединено с выходным валом при помощи шпоночной канавки.
[10] Шаровой клапан также содержит полый сферический корпус, причем верхний конец указанного корпуса клапана жестко соединен с монтажной рамой приводного механизма, и внутри корпуса адаптивным образом установлено седло клапана, имеющее снаружи сферическую форму, а изнутри коническую форму, причем внутренняя часть указанного седла сопряжена с коническим клапанным элементом, при этом в канавку на нижнем конце конического клапанного элемента вставлен спускной болт с гладким стержнем на верхнем конце и с резьбой на нижнем конце, причем указанный болт адаптивным образом жестко соединен с резьбой, выполненной в нижней части полого сферического корпуса клапана.
[11] Кроме того, блок первичной обмотки установлен с образованием воздушного зазора, составляющего 1-2 мм, относительно нижнего конца набора постоянных кольцевых магнитов.
[12] Кроме того, блок первичной обмотки жестко соединен с выходным валом при помощи длинного болта.
[13] Данное изобретение имеет следующие преимущества:
[14] 1) в данном изобретении используются идеи распределения разных видов мощности и сервоэлектрического прямого привода, а также применяется особый вид комбинации линейного двигателя и качающегося цилиндра, что обеспечивает совместное приведение в действие одного и того же выходного вала для создания выходной мощности, при этом выходной вал может одновременно создавать два вида перемещения, а именно линейное движение и поворот, так что отсутствует сложный механизм привода с неполной нагрузкой, обеспечена более высокая эффективность работы, а система является более стабильной и надежной благодаря распределенной выходной мощности,
[15] 2) корпус клапана согласно данному изобретению имеет конструкцию, в которой седло клапана и корпус клапана соединены непосредственным образом, конический клапанный элемент перемещается вверх для его отделения от седла клапана, а затем поворачивается в открытое/закрытое состояние с обеспечением отсутствия трения в процессе открывания/закрывания, так что устранена проблема существующих клиновидных клапанных элементов, связанная с тем, что в процессе их перемещения вверх возникает сила трения, при этом срок службы корпуса клапана существенно увеличен, и
[16] 3) канавка в нижней части клапанного элемента согласно данному изобретению соответствует особой конструкции спускного болта, так что в процессе перемещения вверх и поворота клапанного элемента обеспечена направляющая функция, и после переключения состояния клапана жидкость, оставшаяся в процессе переключения, может быть удалена путем вывинчивания спускного болта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[17] Фиг. 1 изображает схематический разрез конструкции согласно варианту выполнения, когда шаровой клапан полностью закрыт,
[18] фиг. 2 изображает схематический разрез конструкции согласно варианту выполнения, когда шаровой клапан полностью открыт,
[19] фиг. 3 изображает схематический вид внутренней конструкции
качающегося цилиндра 3, и
[20] фиг. 4 изображает общий вид данного изобретения в аксонометрии.
[21] Условные обозначения на чертежах:
1 - набор постоянных кольцевых магнитов, 2 - блок первичной обмотки, 3 - качающийся цилиндр, 31 - первое масляное отверстие, 32 - второе масляное отверстие, 4 - скользящее кольцо, 5 - шпоночная канавка, 6 - монтажная рама приводного механизма, 7 - полый сферический корпус клапана, 8 - конический клапанный элемент, 81 - канавка, 9 - спускной болт с гладким стержнем на верхнем конце и резьбой на нижнем конце, 10 - седло клапана, имеющее сферическую форму снаружи и коническую форму внутри, 11 - штифт, 12 - неподвижная пластина, 13 - выходной вал, 14 - длинный болт.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
[22] Для пояснения целей, технических решений и преимуществ вариантов выполнения данного изобретения ниже приведено четкое и полное описание технических решений, используемых в вариантах выполнения данного изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, изображающие варианты выполнения изобретения. Очевидно, что описанные варианты выполнения представляют лишь некоторые, а не все варианты выполнения. Все другие варианты выполнения, созданные специалистом в данной области техники без затрат творческих усилий на основании вариантов выполнения данного изобретения, находятся в рамках объема правовой охраны данного изобретения. Таким образом, нижеприведенное подробное описание вариантов выполнения данного изобретения, изображенного на прилагаемых чертежах, не ограничивает объем правовой охраны изобретения, а лишь представляет его избранные варианты выполнения.
[23] Как изображено на фиг. 1-4, бесфрикционный шаровой клапан, выполненный с приводом, сочетающим линейный двигатель и качающийся цилиндр, и содержащий отделяемые друг от друга клапанный элемент и седло клапана, содержит набор 1 постоянных кольцевых магнитов, причем блок 2 первичной обмотки установлен с образованием воздушного зазора, составляющего 1-2 мм, относительно нижнего конца указанного набора 1 и жестко соединен с выходным валом 13 при помощи длинного болта 14, при этом выходной вал 13 проходит в качающийся цилиндр 3, закрепленный на монтажной раме 6 приводного механизма, и далее неподвижным образом соединен с коническим клапанным элементом 8 при помощи штифта 11, а внутри качающегося цилиндра 3 установлены неподвижная пластина 12 и скользящее кольцо 4, жестко соединенное с выходным валом 13 при помощи шпоночной канавки 5. Шаровой клапан также содержит полый сферический корпус 7, причем верхний конец корпуса 7 клапана жестко соединен с монтажной рамой 6 приводного механизма, и внутри корпуса 7 адаптивным образом установлено седло 10 клапана, имеющее сферическую форму снаружи коническую форму внутри, причем внутренняя часть седла 10 сопряжена с коническим клапанным элементом 8, при этом в канавку 81 на нижнем конце конического клапанного элемента 8 вставлен спускной болт 9 с гладким стержнем на верхнем конце и резьбой на нижнем конце, причем указанный болт 9 адаптивным образом жестко соединен с резьбой, выполненной в нижней части полого сферического корпуса 7 клапана.
[24] На фиг. 1 изображен разрез клапана в закрытом состоянии. Линейный двигатель образован набором 1 постоянных кольцевых магнитов и блоком 2 первичной обмотки, которые могут обеспечивать смещение конического клапанного элемента 8 в вертикальном направлении. Качающаяся цилиндрическая часть, образованная качающимся цилиндром 3, скользящим кольцом 4 и неподвижной пластиной 12, может обеспечивать поворот клапанного элемента 8 на 90° для переключения состояния клапана.
[25] На фиг. 2 клапан показан в открытом состоянии. В результате совместной работы механизма линейного двигателя и механизма качающегося цилиндра, расположенных с верхней стороны, конический клапанный элемент 8 переводится на высоту, на которой горизонтальная полость указанного элемента 8 параллельна трубопроводу и полностью совпадает с ним, после чего клапан открывается и имеет место прохождение текучей среды.
[26] Как показано на фиг. 3, внутренняя конструкция качающегося цилиндра 3 может быть образована из двух частей: скользящего кольца 4 и неподвижной пластины 12. Неподвижная пластина 12 полностью жестко соединена с внутренней частью качающегося цилиндра 3, и взаимное положение неподвижной пластины и качающегося цилиндром сохраняется неизменным. На верхней и нижней поверхностях кругового кольцевого участка скользящего кольца 4 выполнены выпуклые круглые кольца, которые адаптивным образом герметично установлены в канавках, выполненных в соответствующих местоположениях на верхней и нижней поверхностях внутренней части качающегося цилиндра 3, при этом скользящее кольцо 4 может поворачиваться вокруг центра круга вдоль направляющих канавок, а часть кольца 4, выступающая из качающегося цилиндра, может играть роль шпонки. Два масляных отверстия работают совместно, при этом, когда первое масляное отверстие 31 используется для подачи масла, а второе масляное отверстие 32 используется для слива масла, скользящее кольцо 4 выполняет поворот по часовой стрелке, а когда первое масляное отверстие 31 используется для слива масла, а второе масляное отверстие 32 используется для подачи масла, скользящее кольцо 4 выполняет поворот против часовой стрелки.
[27] Принцип работы согласно данному изобретению заключается в следующем.
[28] 1) В процессе переключения клапана из закрытого состояния в открытое состояние блок 2 первичной обмотки снабжается энергией для создания магнитного поля, и, поскольку в наборе 1 постоянных кольцевых магнитов магниты расположены с повторяющимся чередованием «северный полюс, южный полюс, северный полюс и южный полюс» (NSNS) и между набором постоянных кольцевых магнитов и блоком 2 первичной обмотки имеется равномерный воздушный зазор, может создаваться электромагнитная сила, так что блок 2 первичной обмотки вытягивается с обеспечением его перемещения вертикально вверх, и выходной вал 13 также приводится в движение с обеспечением его перемещения вертикально вверх. Нижний конец выходного вала 13 соединен с коническим клапанным элементом 8 при помощи штифта 11, так что клапанный элемент 8 перемещается вертикально вверх, и, поскольку коническая поверхность полностью закреплена на исходной высоте, после изменения вертикальной высоты наружная поверхность клапанного элемента 8 немедленно отделяется от внутренней поверхности седла 10 клапана, имеющего сферическую форму снаружи и коническую форму внутри. После подъема на определенную высоту ток в блоке 2 первичной обмотки изменяется так, что устойчивое магнитное поле, создаваемое блоком первичной обмотки, может поддерживаться постоянным на вертикальной отметке высоты, и в этот момент начинает работать качающийся цилиндр 3. Второе масляное отверстие 32 начинает обеспечивать подачу масла, первое масляное отверстие 31 начинает обеспечивать выпуск гидравлического масла, неподвижная пластина 12 всегда остается неподвижной и находится в постоянном контакте со скользящим кольцом, при этом между неподвижной пластиной и скользящим кольцом образовано уплотнение. Скользящее кольцо 4 начинает поворачиваться в канавке против часовой стрелки, и часть скользящего кольца, выступающая из стенки, играет роль шпонки и сопрягается со шпоночной канавкой 5 выходного вала 13, так что вал 13 приводится во вращение против часовой стрелки, а когда расположенный ниже клапанный элемент 8 поворачивается на 90° так, что сквозное отверстие становится параллельным проточной части трубопровода, первое масляное отверстие 31 и второе масляное отверстие 32 прекращают работать на поддержание давления. После этого в блок 2 первичной обмотки подается модулированный ток для создания нисходящей электромагнитной силы, вызывающей перемещение выходного вала 13 и клапанного элемента 8 вертикально вниз, и клапанный элемент 8 перемещается вниз под направляющим воздействием верхней гладкой цилиндрической части спускного болта 9, имеющего гладкий стержень на верхнем конце и резьбу на нижнем конце, и останавливается при опускании до надлежащего положения, чтобы обеспечить полное перекрытие сквозного отверстия и трубопровода. В этот момент клапан полностью открыт.Конический клапанный элемент 8 никогда не соприкасается с седлом 10 клапана, имеющим сферическую форму снаружи и коническую форму внутри.
[29] 2) При переключении клапана между открытым состоянием и закрытым состоянием процесс закрытия клапана согласуется с процессом открытия, и после поднятия клапанного элемента 8 второе масляное отверстие 32 начинает обеспечивать выпуск гидравлического масла, а первое масляное отверстие 31 начинает обеспечивать подачу масла, так что скользящее кольцо 4 поворачивается по часовой стрелке, вызывая поворот выходного вала 13 и клапанного элемента 8 по часовой стрелке на 90°, в результате чего сплошная часть клапанного элемента располагается параллельно трубопроводу. Затем клапанный элемент опускается до фиксированной высоты, и после того, как клапанный элемент полностью прилегает к седлу 10 клапана, имеющему сферическую форму снаружи и коническую форму внутри, трубопровод полностью перекрыт, так что прохождение текучей среды заблокировано.
[30] 3) В процессе выпуска жидкости, оставшейся после переключения состояния клапана, верхняя гладкая стержневая часть спускного болта 9, имеющего гладкий стержень на верхнем конце и резьбу на нижнем конце, участвует в направлении и ограничении перемещения конического клапанного элемента в обоих процессах переключения. После переключения состояния клапана спускной болт 9 вывинчивают снаружи для отделения от нижней части полого сферического корпуса 7 клапана, после чего жидкость, оставшаяся в полости, может быть выпущена.
[31] Вышеизложенное представляет лишь варианты выполнения данного изобретения и не ограничивает объем правовой охраны, предоставляемой данным документом. Любое эквивалентное изменение конструкции или эквивалентное изменение процесса, выполненное с использованием описания и сопроводительных чертежей данного изобретения и примененное прямо или косвенно к другим родственным областям техники, также находится в рамках объема правовой охраны, предоставляемой данным документом.