РАЗГРУЖЕННЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ОСЕВОЙ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ШТОК
BALANCED CONTROL VALVE WITH ADJUSTABLE VALUE OF AXIAL FORCE ACTING ON THE STEM

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и предназначено для увеличения надежности и снижения потерь энергии в разгруженных регулирующих клапанах, предназначенных главным образом для энергетических турбин.
Известна типичная система разгрузки клапана от действующих на него осевых усилий, обусловленных высоким начальным давлением пара, используемая в настоящее время на многих российских турбинах. (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с.).
Клапан состоит из клапанной коробки, входного и выходного патрубков, диффузорного седла, чаши клапана, связанного с разгрузочным цилиндром штока, выполненного совместно с разгрузочным клапаном, дистанционной втулки, ограничивающей ход разгрузочного клапана, окон и, обеспечивающих протечку пара через внутреннюю полость при подъеме золотника, превышающего 20% общего хода, защитных стаканов, седла разгрузочного клапана и буксы.
Недостатки приведенной системы разгрузки регулирующего клапана (аналога), а, следовательно, и всего клапана сводятся к следующим: Система разгрузки привела к значительному увеличению металлоемкости всего клапана, следствием чего явилось не только увеличение его стоимости, но и увеличение силы его удара о седло при аварийной ситуации. Все клапаны с разгрузочными клапанами оказываются свободно подвешенными на головке штока, в результате сохраняется возможность при ошибочной оценке действующих сил самопроизвольного перемещения чаши клапана относительно седла в пределах свободного хода разгрузочного клапана. Подгрузка клапана добавочным паровым усилием при подъемах свыше 20-30% от максимального открытия путем открытия окон для вторичного пропуска пара через внутреннюю полость клапана ведет к появлению под клапаном больших пульсаций давления, обусловленных смешением основного потока пара, проходящего через клапан, с вторичным потоком, идущим через внутреннюю полость клапана. Указанное увеличение амплитуд пульсаций давлений под нижней поверхностью клапана ведет к повышенным динамическим нагрузкам на все элементы клапана, снижая, тем самым его надежность.
Указанные недостатки отсутствуют в разгруженном регулирующем клапане, приведенном на фигуре 1 и принятом нами в качестве прототипа. (Зарянкин А.Е., Лавырев И.П., Щаулов В.В., Черкасов М.А. Дроссельно-регулирующий клапан для паровых турбин с большими объемными расходами рабочих сред // Теплоэнергетика. - 2018. - №8. - С.88-95.
Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Лавырев И.П. Разгруженный регулирующий клапан. Патент РФ №2648800/БИ W10, 28.03.2018.)
На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
1 - Клапанная коробка,
2 - Входной патрубок,
3 - Выходной патрубок,
4 - Диффузорное седло,
7 - Шток,
16 - Букса
17 - Направляющий стакан,
18 - Собственно клапан,
19 - Разгрузочный цилиндр,
20 - Поршень разгрузочного цилиндра, выполненный совместно с крышкой клапанной коробки,
21 - Поршневые кольца,
22 - Внутренняя полость клапана,
23 - Внутренняя полость разгрузочного цилиндра,
24 - Цилиндрическая соединительная втулка, соединяющая шток 7 с разгрузочным цилиндром 19,
25 - Цилиндрический канал, соединяющий внутреннюю полость 22 клапана с камерой разгрузки 23,
26 - Отверстия перфорации на обтекаемой поверхности клапана 18,
27 - Центрирующий диск.
В приведенном на фигуре 1 клапане механизм его разгрузки от осевых усилий осуществляется следующим образом.
z
2
z
z
yо
Поскольку камера разгрузки 23 с помощью отверстий перфорации 26 и каналом 25 всегда соединена с пространством за камерой, то давление в этой камере P всегда равно давлению пара за клапаном Р. Соответственно, внутренняя часть клапана, диаметром D (D - внутренний диаметр камеры разгрузки) оказывается при любых положениях клапана почти полностью разгруженной от действующих паровых усилий. В результате при отрыве клапана от седла необходимо приложить существенно меньшее усилие R, равное
п
шт
0
Здесь D - посадочный диаметр клапана 18, d - диаметр штока 7, Р - начальное давление в клапанной коробке 1, В - барометрическое давление.
n
z
Меняя разницу между диаметрами D и D можно в широком диапазоне менять усилие, необходимое для отрыва клапана 18 от диффузорного седла 4.
После отрыва клапана 18 от седла 4 усилие на штоке 7 продолжает расти примерно на 30-35% и достигает максимального значения при открытии клапана на 12-15% от его полного подъема.
n
z
Затем эта сила интенсивно снижается и при подъемах, превышающих 80% от полного открытия клапана, оказывается близкой к нулю, а при толстом штоке 7 усилие на штоке может поменять свой знак, если клапан спроектирован с малой разницей диаметров D и D.
Для рассматриваемого клапана эта ситуация вполне допустима, так как клапан жестко связан со штоком, а шток обычно нагружен мощной пружиной, исключающей вероятность "зависания" клапана в положении полного его открытия.
Однако в аварийных ситуациях это несколько снижает время посадки клапана на седло.
От стандартных клапанов приведенная конструкция принципиальным образом отличается тем, что на цилиндрической соединительной втулке 13 выполнен центрирующий диск 16, наружная поверхность которого очерчена двумя радиусами. Один из них на секторе в 120° равен внутреннему радиусу направляющего стакана 6, а второй радиус на секторе в 240° выполнен на 0,3 мм меньше. В результате практически исключается периодическая вибрация клапана в поперечном направлении и сохраняется его центровка при горизонтальном расположении клапана. Центровка разгрузочного цилиндра 19 внутри направляющего стакана 17 осуществляется поршневыми кольцами 10, обеспечивающими плотность клапана и отсекающими внутреннюю полость разгрузочного цилиндра 23 от внутренней полости клапанной коробки.
Новым решением в рассматриваемом клапане является и выполнение направляющего стакана 17 с системой окон на его боковой поверхности, что серьезно уменьшает загромождение внутренней полости клапанной коробки 1 телом клапана.
Таким образом, в прототипе устранены все серьезные недостатки, присущие аналогичному типовому клапану.
Технической задачей настоящего изобретения является дальнейшее конструктивное упрощение клапана и введение в его конструкцию механизма регулирования величины усилия, действующего на приводной шток, путем обеспечения добавочной паровой нагрузки при больших открытиях клапана.
Конструктивное решение поставленной задачи иллюстрируется фигурой 2, где использованы следующие обозначения:
1 - Клапанная коробка,
2 - Входной патрубок,
3 - Выходной патрубок,
4 - Диффузорное седло,
5 - Крышка клапанной коробки,
6 – Букса,
7 - Шток,
8 - Разгрузочный цилиндр,
9 - Направляющий стакан,
10 - Клапан с перфорированной поверхностью,
11 - Поршневые кольца на поршне разгрузочного цилиндра,
12 - Цилиндрическая соединительная втулка,
13 - Цилиндрический канал в цилиндрической соединительной втулке,
14 - Отверстия перфорации на обтекаемой поверхности клапана,
15 - Боковой цилиндрический канал на поршне разгрузочного цилиндра,
16 - Продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра,
17 - Продольная прорезь на внешней поверхности разгрузочного цилиндра,
18 - Камера разгрузки,
19 - Поперечный канал на разгрузочном поршне,
20 - Продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра,
21 - Поршень разгрузочного цилиндра,
22 - Центрирующий пояс,
23 - Поршневое кольцо в буксе.
Предлагаемый «Разгруженный регулирующий клапан …» в идеологическом плане содержит все те же элементы, которые имеются и в прототипе. Однако, здесь принципиально изменена система разгрузки-подгрузки клапана паровыми усилиями и внесены серьезные (с точки зрения технологии) конструктивные изменения.
В данном случае внутренняя полость клапана 10 соединяется с внутренней полостью разгрузочного цилиндра 8 более сложным каналом. Здесь цилиндрический канал 13 через поперечный канал 19 в виде боковой прорези в поршне разгрузочного цилиндра 21 связан с продольной прорезью 16 на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра 8, а вершина этой прорези входит во внутреннее пространство разгрузочного цилиндра 8.
Вследствие такого технического решения достигается следующий результат.
z
2
При полностью закрытом клапане 14 давление внутри разгрузочного цилиндра 8 P равняется давлению Р в пространстве за клапаном 10. Это равенство сохраняется до подъема клапана 10 на расстояние, равное  общего хода клапана.
2
0
2
Как уже отмечалось, при больших открытиях клапана 10 происходит интенсивное снижение осевой силы, действующей на клапан, в связи с тем, что при таких подъемах клапана давление под ним Р существенно повышается и, соответственно, снижается перепад давлений ΔР=Р - Р, действующий на клапан 10. (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с.)
Для предотвращения резкого падения осевой силы, действующей на клапан 10 при его подъеме на 30% общего хода боковое отверстие 19 (поперечный канал на поршне разгрузочного цилиндра 21) выходит за пределы боковой продольной проточки 17 на направляющем стакане 9 и соединение внутренней полости разгрузочного цилиндра 8 с пространством за клапаном прерывается.
Одновременно с перекрытием в 5-10% нижняя кромка поршня разгрузочного цилиндра 8 соединяет вторую продольную прорезь 16 с внутренним пространством клапанной коробки 1, повышая давление в клапанной коробке до начального давления пара, и эта ситуация сохраняется до полного открытия клапана.
В результате такого решения шток клапана 10 всегда находится без знакопеременной нагрузки и при аварийной ситуации обеспечивается гарантированное закрытие клапана даже без помощи внешнего нагружения пружиной.
В конструктивном плане по сравнению с прототипом (фигура 2) внесены следующие изменения:
1. Букса 6 представляет собой единую конструкцию, включающую собственно буксу 6, разгрузочный цилиндр 8 и направляющий стакан 9.
2. Функцию центрирующего диска выполняет в предлагаемом клапане центрирующий пояс 22, расположенный в его верхней части и очерченный двумя радиусами: первый радиус на секторе в 120° этот равен внутреннему радиусу направляющего стакана 17, а на секторе в 240° радиус верхней цилиндрической части 18 выполнен на 0,3 мм меньше внутреннего радиуса направляющего стакана 17.
3. Для предотвращения утечки пара вдоль штока 7 в буксу 6 вставлено поршневое кольцо 23.
Таким образом, предлагается разгрузочный регулирующий клапан, состоящий из клапанной коробки, крышки клапанной коробки, буксы, разгрузочного цилиндра, поршня разгрузочного цилиндра, клапана с перфорированной обтекаемой поверхностью, штока, отличающегося тем, что соединение внутренней полости разгрузочного цилиндра с пространством за клапаном осуществляется через продольную прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра, которая перекрывается при подъеме клапана на 40% его полного хода поршнем разгрузочного цилиндра, а при дальнейшем подъеме клапана открывается вторая продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра, обеспечивавшая связь внутренней полости клапанной коробки с внутренней полостью разгрузочного цилиндра.
Кроме того, на верхней цилиндрической части разгруженного клапана выполнен центрирующий кольцевой пояс, шириной 10-15 мм, очерченный на сектора в 120° радиусом, равным радиусу направляющего стакана 9, а второй сектор, равный 240°, выполнен на 0,3 мм меньше радиуса направляющего стакана 9.
Для предотвращения утечки пара вдоль штока клапана на внутренней поверхности буксы установлено поршневое кольцо 23.
Литература:
1. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с.
2. Зарянкин А.Е., Лавырев И.П., Щаулов В.В., Черкасов М.А. Дроссельно-регулирующий клапан для паровых турбин с большими объемными расходами рабочих сред // Теплоэнергетика. - 2018. - №8. - С.88 - 95.
3. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Лавырев И.П. Разгруженный регулирующий клапан. Патент РФ №2648800 БИ W10, 28.03.2018.