ШАРОВОЙ КРАН
BALL COCK

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано в газовой и других отраслях промышленности.
Известен шаровой кран, содержащий корпус с входным и выходным каналами, размещенный в нем шаровой затвор с цилиндрическим осевым отверстием, два седла со стороны входа и выхода, подвижно контактирующие со сферической поверхностью шарового затвора, по меньшей мере одно из которых установлено в крышке, закрывающей один из торцов корпуса, и шток управления шарового затвора, выведенный из корпуса через отверстие в его боковой поверхности, в котором шаровой затвор выполнен из сплава на алюминиевой основе с керамическим покрытием толщиной, например, 0,1÷0,5 мм сферических уплотнительных поверхностей и поверхности цилиндрического осевого отверстия (патент РФ на изобретение №2104434, МПК F16K 5/06. Опубл. 10.02.1998).
Известен также шаровой кран, в цилиндрическом корпусе которого размещен шаровой поворотный затвор со сквозным отверстием, уплотненный эластичными кольцами/седлами и снабженный подводящим и отводящим патрубками, соединяющими кран с трубопроводом с обеих сторон, в котором в месте соединения патрубков с трубопроводом размещены торцевые квадратной формы фланцы, образуя в месте соединения корпуса шарового крана с фланцем по крайней мере один прилив с развитой поверхностью внутри цилиндрического корпуса, на которой выполнены продувочные отверстия с выходом на торцевые квадратной формы фланцы (патент РФ на изобретение №2135870, МПК F16K 5/06. Опубл. 27.08.1999).
Недостатком известных шаровых кранов является то, что герметизация в них осуществляется седлом, находящимся перед шаровой пробкой, что увеличивает крутящий момент, необходимый для управления краном, а также повышает износ седел.
Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является шаровой кран, в котором устранены недостатки вышеописанных кранов, т.е. герметизация крана осуществляется седлом, расположенным за шаровой пробкой, что уменьшает крутящий момент, необходимый для управления краном, а также снижает износ седел.
Шаровой кран-прототип содержит корпус с входным и выходным отверстиями, в котором расположены шаровая пробка, приводимая в движение шпинделем, два седла, каждое из которых состоит из металлической обоймы, в которой размещены эластичный уплотнитель, взаимодействующий с шаровой пробкой, и упругий уплотнитель, размещенный в канавке и взаимодействующий с корпусом крана (Быков А.Ф. «Арматура с шаровым затвором для гидравлических систем». - М.: «Машиностроение», 1971, с. 17-18).
Недостатком этого крана является то, что для работы крана необходимо осуществить осевое перемещение упругого уплотнителя в канавках, что возможно только при высоком давлении транспортируемой среды. Т.е. данный шаровой кран не может быть использован на газопроводах низкого давления (0,002÷1,6 МПа) и сокращает размерный ряд условных проходов до Ду 32.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей крана за счет создания возможности использования крана на газопроводах низкого давления (0,002÷1,6 МПа) и расширения размерного ряда условных проходов до Ду 200.
Поставленная задача решается тем, что в шаровом кране, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, в котором расположены шаровая пробка, приводимая в движение шпинделем, два седла, каждое из которых состоит из металлической обоймы, в которой размещены эластичный уплотнитель, взаимодействующий с шаровой пробкой, и упругий уплотнитель, размещенный в канавке и взаимодействующий с корпусом крана, седла установлены относительно корпуса с зазором, величина которого больше половины допустимой величины деформации упругого уплотнителя, а полость канавки, выполненной на торце седла, соединена с полостью корпуса как минимум одним каналом. При этом упругий уплотнитель размещен в канавке с исключением перекрытия им канала(ов) при прохождении транспортируемой среды.
Установка седел относительно корпуса с зазором, величина которого больше половины допустимой величины деформации упругого уплотнителя, позволяет шаровой пробке с седлами перемещаться при возникновении перепада давления транспортируемой среды, что приводит к устранению зазора между седлом, расположенным за пробкой и корпусом, и увеличению вдвое зазора между седлом, расположенным перед пробкой и корпусом.
При этом соблюдается условие: 2 h>d (1), где h - зазор между седлом и корпусом; d - диаметр (в случае круглого сечения) упругого уплотнителя или ширина (в случае прямоугольного сечения) упругого уплотнителя.
Это создает возможность перетекания транспортируемой среды внутрь корпуса через зазор между упругим уплотнителем и корпусом.
При этом под действием давления транспортируемой среды упругий уплотнитель, установленный на поверхности малого диаметра канавки, перемещается до контакта с поверхностью большого диаметра канавки и, деформируясь, перекрывает зазор между упругим уплотнителем и корпусом. А перетекание транспортируемой среды внутрь корпуса осуществляется по каналу(ам), соединяющему(им) полость канавки с внутренней полостью корпуса.
После выравнивания давления транспортируемой среды между входным отверстием и полостью корпуса крана уплотнитель под действием упругих сил возвращается в исходное положение, т.е. до контакта с поверхностью малого диаметра канавки. В таком положении герметизация крана осуществляется седлом, расположенным за шаровой пробкой. А на седло, расположенное перед шаровой пробкой, усилия транспортируемой среды не действуют. При этом упругий уплотнитель находится в недеформируемом состоянии.
Все это уменьшает крутящий момент, необходимый для управления краном, и снижает износ седла и упругого уплотнителя, расположенных перед шаровой пробкой.
Упругий уплотнитель установлен на поверхности малого диаметра канавки, а его сечение может иметь или круглую, или прямоугольную форму.
В случае круглого сечения упругого уплотнителя оптимальная ширина канавки составляет 1,7÷2,0 диаметра упругого уплотнителя. А в случае прямоугольного сечения упругого уплотнителя оптимальная ширина канавки составляет 2,2÷2,5 ширины упругого уплотнителя.
Совокупность этих условий позволяет исключить перекрытие упругим уплотнителем канала(ов) при прохождении транспортируемой среды.
Технический результат заключается в соединении полости канавки, выполненной на торце седла, с полостью корпуса крана.
На фиг. 1 изображен общий вид шарового крана в положении «Открыто»; на фиг. 2 - то же в положении «Закрыто»; на фиг. 3 - элемент А на фиг. 2 в начале выравнивания давления транспортируемой среды при круглом сечении упругого уплотнителя; на фиг. 4 - элемент А на фиг. 2 в конце выравнивания давления транспортируемой среды при круглом сечении упругого уплотнителя; на фиг. 5 - элемент А на фиг. 2 в начале выравнивания давления транспортируемой среды при прямоугольном сечении упругого уплотнителя; на фиг. 6 - элемент А на фиг. 2 в конце выравнивания давления транспортируемой среды при прямоугольном сечении упругого уплотнителя.
м
Шаровой кран содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями, в котором установлена шаровая поворотная пробка 4, приводимая в движение шпинделем 5, седла 6 и 7 (фиг. 1, 2), каждое из которых состоит из металлической обоймы 8, в которой размещены эластичный уплотнитель 9, взаимодействующий с шаровой пробкой 4, и упругий уплотнитель 10, взаимодействующий с корпусом 1 крана (фиг. 1, 2). Седла 6 и 7 установлены в корпусе 1 с зазором h, который больше половины допустимой величины деформации упругого уплотнителя 10 (фиг. 1). А полость 11 канавки 12, выполненная на торце 13 седел 6 и 7 (фиг. 3, 5), соединена с полостью 14 корпуса 1, как минимум, одним каналом 15 (фиг. 1, 2). При этом упругий уплотнитель 10, размещенный в канавке 12, установлен на поверхности 16 ее малого диаметра D, с исключением перекрытия им канала(ов) 15 при прохождении транспортируемой среды (фиг. 3, 5).
Шаровой кран работает следующим образом.
1
Поворотом шпинделя 5 на 90° по ходу часовой стрелки устанавливают шаровую пробку 4 в положение «Закрыто» (фиг. 2). При этом герметичность крана на нижнем пределе диапазона рабочих давлений (0,002 МПа) обеспечивается деформацией, упругих уплотнителей 10 (фиг. 1). При увеличении перепада давления транспортируемой среды (0,1÷0,15 МПа) шаровая пробка 4 с седлами 6 и 7 перемещаются, и в конце их хода зазор h между седлом 6 и корпусом 1 устраняется, а зазор h между седлом 7 и корпусом 1 увеличивается вдвое (фиг. 2) при сохранении условия (1). Выравнивание давления между входным отверстием 2 и полостью 14 корпуса 1 осуществляется через зазор h между корпусом 1 и упругим уплотнителем 10 (фиг. 3, 5).
Б
1
При увеличении давления транспортируемой среды (0,15÷0,2 МПа) упругий уплотнитель 10 перемещается до контакта с поверхностью 17 большого диаметра D канавки 12 и, деформируясь, перекрывает зазор h между корпусом 1 и упругим уплотнителем 10, а прохождение транспортируемой среды в полость 14 корпуса 1 осуществляется по каналам 15 (фиг. 4, 6).
M
После выравнивания давления транспортируемой среды между входным отверстием 2 и полостью 14 корпуса 1 уплотнитель 10 под действием упругих сил перемещается в исходное положение до контакта с поверхностью 16 малого диаметра D канавки 12 (фиг. 3, 5). Как показали проведенные в ООО «Газпроммаш» испытания заявленного шарового крана, выравнивание давления между входным отверстием 2 и полостью 14 корпуса 1 составляет 1÷3 с.
В положение «Открыто» шаровую пробку 4 устанавливают поворотом шпинделя 5 на 90° против хода часовой стрелки. При этом под действием упругого уплотнителя 10, расположенного за шаровой пробкой 4, седла 6 и 7 с шаровой пробкой 4 перемещаются в положение «Открыто» (фиг. 1).
Поскольку для работы заявленного шарового крана высокое давление транспортируемой среды не требуется, он может быть использован на газопроводах низкого давления (0,002÷1,6 МПа), а размерный ряд условных проходов расширен до Ду 200.
В ООО "Завод "Газпроммаш", согласно изобретению, разработаны, изготовлены и испытаны шаровые краны, подтвердившие расширение их функциональных возможностей, высокие технико-эксплуатационные показатели и надежную работу.