СОПЛОВОЙ ОБРАТНЫЙ КЛАПАН
NOZZLE CHECK VALVE

Настоящее изобретение относится к сопловому обратному клапану. Обратные клапаны для газообразной и жидкой среды используются, например, в трубопроводах газа и жидкости для как можно более быстрой автоматической остановки обратного потока без какого-либо воздействия, таким образом предотвращая проблемы, включающие гидравлический удар, повреждение оборудования, такого как насосы, и смешивание трубопроводных жидкостей и газов. Сопловые обратные клапаны, иногда называемые также осесимметричными обратными клапанами, действуют быстрее, чем обратные клапаны других типов, такие как обратные клапаны с двойной тарелкой и поворотные обратные клапаны. Чем быстрее клапан может закрыться при возникновении обратного потока, тем слабее будет удар, возникающий при резкой остановке жидкости, начавшей течь в обратном направлении.
Основным принципом работы соплового обратного клапана является использование тарелки, которая перемещается в осевом направлении под влиянием движущегося в нормальном направлении потока текучей среды против запирающего усилия, как правило, пружины. Когда поток перекрывается, тарелка перемещается в осевом направлении, запирая и предотвращая обратный поток. В сопловом обратном клапане наиболее употребительной конструкции используется грибовидный поршень для запирания потока. Заявитель и его ассоциированная компания Noreva GmbH используют грибовидную конструкцию уплотняющей тарелки для клапанов меньших размеров, с номинальным диаметром до 12 дюймов (30 см). Для больших размеров заявитель и компания Noreva GmbH используют конструкцию обратного соплового клапана, содержащего сопло, проходящее в осевом направлении в корпусе клапана на верхней по потоку стороне корпуса, обеспечивая кольцевое проточный канал, который может быть закрыт кольцевым запорным элементом. Кольцевая тарелка обычно удерживается в правильном положении с помощью листовых пружин, толкающих тарелку в закрытое положение. Пример такого устройства раскрыт в полезной модели Германии DE 20214781 U1. Другие производители используют тарелки с грибовидными трубками поршня для всех размеров клапанов.
Существует множество режимов использования трубопроводов, при которых расход газа периодически падает ниже минимального рабочего расхода. В такие периоды с низким расходом газа тарелки грибовидного типа могут не открываться из-за своей массы или много времени находиться в полузакрытом положении, и, таким образом, коэффициент потока и потеря давления значительно отличаются от нормальных параметров потока, для которых предусмотрены и сконструированы эти клапаны. Некоторые изготовители, использующие тарелки грибовидного типа на клапанах большего условного диаметра, имеют запорный штифт, прикрепленный к грибовидной тарелке для остановки вращения тарелки в течение длительных периодов, в течение которых она не находится ни в полностью открытом, ни в полностью закрытом положении.
В клапане компании Noreva с кольцевой тарелкой, опирающейся на плоские пружины, тарелка является значительно более легкой, чем в аналогичном клапане с грибовидной тарелкой. Легкость тарелки имеет большое значение для обеспечения быстрого закрывания, которое уменьшает удар при резкой остановке жидкости, начавшей течь в обратном направлении. Листовая пружинная опора является более сложным устройством, требующим обеспечения плавного перемещения и попытки минимизировать вибрацию тарелки, даже если клапан работает вне заданных параметров потока, когда он подвергается турбулентному и пульсирующему потокам жидкости, для ограничения риска саморазрушения, к которому может привести такая вибрация.
В немецкой полезной модели DE 202010010935 компании Noreva Gmbh и в патентном документе ЕР 2405163 А1 компании Cameron International Corporation раскрыто альтернативное средство для установки кольцевой тарелки в сопловой обратный клапан. В этом устройстве кольцевая тарелка содержит три перемычки, соединенные с центральной втулкой, выполненной с возможностью осевого перемещения на удлинении, выступающем по оси вниз по потоку от сопла. Кольцевая тарелка в сборе может перемещаться против сопротивления пружины из закрытого положения, при котором кольцевой проточный канал заперт, до полностью открытого положения, при котором кольцевая тарелка упирается в верхний по потоку конец диффузора, расположенного ниже по потоку, чем сопло. Тарелки такого устройства тяжелее, чем кольцевая тарелка, опирающаяся на листовые пружины, но все же значительно легче, чем грибовидные тарелки клапанов аналогичных размеров.
Для заданного диапазона параметров потока и давления, в котором должен использоваться клапан, ход тарелки клапана, перемещение между закрытым и полностью открытым положениями клапана и жесткость пружины регулируются изготовителем. Как для клапанов с грибовидной тарелкой, так и для клапанов с опирающейся на листовые пружины кольцевой тарелкой эта регулировка может осуществляться только на заводе изготовителя.
В патентном документе ЕР 2405163 А1 компании Cameron International Corporation раскрыт вышеуказанный сопловой обратный клапан, содержащий корпус клапана, сопло, расположенное в верхнем по потоку конце корпуса клапана и обеспечивающее кольцевой проточный канал, и осевой шток, выступающий от нижней стороны сопла. На штоке закреплена осевая тарелка, содержащая три перемычки, соединенные с центральной втулкой. Также на осевом штоке, ниже по потоку чем осевая тарелка, установлены пружина и дистанционирующий элемент, содержащий прорези для вмещения перемычек кольцевой тарелки, причем наружные стенки дистанционирующего элемента определяют внутреннюю окружность первого проточного канала, и диффузор, причем внутренние стенки диффузора определяют наружную окружность первого проточного канала. Второй кольцевой проточный канал определен наружными стенками диффузора и внутренними стенками корпуса клапана. Патентный документ ЕР 2405163 А1 предполагает, что разные конструкции дистанционирующего элемента могут использоваться для параметров потока разных типов. Предполагается, что более длинные или более короткие прорези в дистанционирующем элементе позволяют легче изменить настройки хода кольцевой тарелки. Положение диффузора относительно кольцевого проточного канала определяется длиной осевого штока. Уменьшение диапазона перемещения уплотняющей тарелки путем уменьшения длины прорези в дистанционирующем элементе приводит к тому, что уплотняющая тарелка останавливается близко к корпусу диффузора, и это нарушает плавный поток через второй проточный канал.
Настоящее изобретение позволяет расположить диффузор ниже сопла, определяющего кольцевой проточный канал, причем этот диффузор может перемещаться относительно сопла для увеличения или уменьшения хода уплотняющей тарелки между закрытым положением клапана и его открытым положением, при котором уплотняющая тарелка входит в контакт с диффузором простым и надежным способом.
В соответствии с настоящим изобретением предложен сопловой обратный клапан, содержащий:
корпус клапана;
сопло, расположенное в корпусе клапана и определяющее проточный кольцевой канал;
кольцевую тарелку, расположенную в корпусе клапана и выполненную с возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса клапана для открывания и закрывания проточного канала, и
дистанционирующий элемент, расположенный таким образом, что максимальное возможное перемещение кольцевой тарелки в осевом направлении относительно корпуса клапана определено осевой длиной дистанционирующего элемента.
Настоящее изобретение позволяет пользователю изменить ход тарелки клапана путем замены дистанционирующего элемента на дистанционирующий элемент другой длины. Эту замену можно легко осуществить в рабочей среде пользователя, и она не требует возвращения клапана изготовителю. Это экономит время пользователя и расходы, если пользователю необходимо изменить рабочие параметры установки, в которой установлен клапан.
Краткое описание графических материалов
Настоящее изобретение будет раскрыто ниже с помощью неограничивающего примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг. 1 представлен покомпонентный вид в разрезе соплового обратного клапана в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 представлен покомпонентный вид в аксонометрии соплового обратного клапана в соответствии с изобретением;
на фиг. 3 представлен вид сбоку в разрезе соплового обратного клапана в соответствии с изобретением.
Подробное раскрытие вариантов осуществления
Ссылочные позиции на чертежах обозначают следующие элементы:
10 - корпус клапана
11 - седло клапана корпуса клапана
12 - фланцевый конец, верхний по потоку
13 - фланцевый конец, нижний по потоку
20 - сопло
21 - корпус сопла
22 - перемычка сопла
23 - верхняя по потоку поверхность сопла
24 - нижняя по потоку поверхность сопла
25 - седло клапана сопла
26 - выступающее вниз по потоку осевое удлинение сопла
27 - болтовое отверстие сопла
28 - направляющая втулка сопла и прорезь для центральной втулки тарелки
30 - тарелка
31 - уплотняющее кольцо тарелки
32 - установочная центральная втулка тарелки
33 - центральная втулка тарелки, предназначенная для размещения пружины
34 - перемычка тарелки
40 - диффузор
41 - гнездо пружины диффузора
42 - гнездо дистанционирующего элемента диффузора
50 - пружина
60 - направляющая втулка
70 - стяжной болт
71 - стопорная шайба стяжного болта
80 - дистанционирующий элемент
90 - кольцевой проточный канал
91 - первый проточный канал
92 - второй проточный канал
В контексте настоящего описания под верхом по потоку или верхним по потоку концом подразумевается положение относительно прохождения нормального потока через клапан от верхнего по потоку конца к нижнему.
На фиг. 3 нижняя половина чертежа изображает клапан в закрытом положении, а верхняя половина чертежа - клапан в открытом положении.
Сопловой обратный клапан в соответствии с изобретением в примере по фиг. 1-3 содержит корпус 10 клапана, соединенный с соплом 20, содержащим корпус 21 сопла и множество радиальных сопловых перемычек 22, соединяющих корпус 21 сопла с внутренним пространством корпуса 10 клапана. Предпочтительно, корпус 10 клапана и сопло 20 могут быть выполнены как цельная отливка. Корпус клапана показан с верхним по потоку и нижним по потоку фланцевыми концами 12, 13 для соединения корпуса клапана с примыкающим трубопроводом. Могут использоваться и другие соединительные концы (приварные, соединяемые встык). Корпус 21 сопла содержит верхнюю по потоку поверхность 23 сопла, отклоняющуюся от центральной точки вниз по потоку, и скошенную вниз по потоку нижнюю поверхность 24 сопла. Сопло 20 дополнительно содержит выступающее вниз по потоку осевое удлинение 26. Осевое удлинение 26 сопла, как правило, может быть выполнено как одно целое с корпусом 20 сопла и предпочтительно как цельная отливка с корпусом 10 клапана и корпусом 20 сопла. Альтернативно, выступающее вниз по потоку осевое удлинение 26 сопла может быть выполнено отдельно и соответствующим образом соединено с корпусом 20 сопла.
Уплотняющая тарелка 30 содержит уплотняющее кольцо 31 тарелки и центральную втулку 32, 33 тарелки, содержащую установочную центральную втулку 32 тарелки и центральную втулку 33 тарелки, предназначенную для размещения пружины, причем центральная втулка 32, 33 и уплотняющее кольцо 31 тарелки соединяются множеством перемычек 34 тарелки. Уплотняющая тарелка 30 установлена на выступающем вниз по потоку осевом удлинении 26 сопла таким образом, чтобы обеспечить осевое перемещение уплотняющей тарелки 30. Предпочтительно, как показано на чертежах, направляющая втулка 60 может быть расположена между выступающим вниз по потоку осевым удлинением 26 сопла и центральной установочной втулкой 32 тарелки. Материал направляющей втулки 60 может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить уменьшенное трение для облегчения осевого перемещения уплотняющей тарелки 30. Часть 33 центральной втулки, предназначенная для размещения пружины, расположена ниже по потоку части 32 установочной центральной втулки тарелки для размещения винтовой пружины 50 и во избежание контакта с направляющей втулкой 60, так что только часть 32 установочной центральной втулки тарелки находится в скользящем контакте с направляющей втулкой 60.
Полый, по существу, цилиндрический дистанционирующий элемент 80, наружный диаметр которого, по существу, равен наружному диаметру направляющей втулки 60, расположен ниже по потоку направляющей втулки 60 и служит для установки осевого положения диффузора 40. Осевое положение диффузора 40, в свою очередь, определяет максимальное осевое перемещение уплотняющей тарелки 30 относительно закрытого положения клапана, при котором верхняя по потоку поверхность уплотняющей тарелки 30 входит в контакт с седлом клапана, образованного частью 11 седла клапана корпуса 10 клапана и частью 25 седла клапана сопла на нижней по потоку поверхности 24 сопла 20. Нижний по потоку конец пружины 50 расположен в гнезде 41 пружины диффузора. Нижний по потоку конец дистанционирующего элемента 80 расположен в гнезде 42 дистанционирующего элемента диффузора. Весь узел фиксируется с помощью стяжных болтов 70, стопорной шайбы 71 стяжного болта и болтовых отверстий 27 сопла, выполненных в сопле 20.
Как лучше видно на фиг. 3, наружная сторона сопла 20 и внутреннее пространство корпуса 10 клапана совместно образуют кольцевой проточный канал 90. В открытом положении, изображенном в верхней половине фиг. 3, этот кольцевой проточный канал расположен ниже по потоку первого проточного канала 91 и второго проточного канала 92. Первый проточный канал 91 определен между внутренней поверхностью корпуса 10 клапана и наружной поверхностью диффузора 40, и тарелкой 30. Второй проточный канал 92 определен наружной поверхностью нижней по потоку поверхности 24 сопла и внутренней поверхностью диффузора 40, и тарелкой 30 и наружной поверхностью втулки 32/33 тарелки. При нарушении нормального потока уплотняющая тарелка 30 толкается в осевом направлении вверх, выходит из контакта с диффузором 40 и входит в контакт с седлом 11 клапана корпуса клапана и седлом 24 клапана сопла, таким образом предотвращая обратный поток.
Ход клапана, т.е. перемещение между закрытым положением клапана, при котором уплотняющая тарелка 30 занимает положение наиболее близкое к верхнему по потоку концу клапана в плотном контакте с седлом 11 клапана корпуса клапана и седлом 25 клапана сопла, и открытым положением клапана, при котором нижняя по потоку поверхность уплотняющей тарелки 30 входит в контакт с верхней по потоку стороной диффузора 40, может быть легко изменен с помощью дистанционирующего элемента 80 другой длины, причем более короткий дистанционирующий элемент используется для более короткого хода. Также может быть желательной замена пружины 50 на более короткую или более длинную пружину 50 для более короткого или более длинного дистанционирующего элемента 80 для получения оптимальных параметров открывания и закрывания. Путем обеспечения подходящей глубины болтового отверстия 27 сопла один и тот же стяжной болт 70 может использоваться с дистанционирующими элементами 80 разной длины. Альтернативно, более короткие или более длинные стяжные болты 70 могут использоваться с более короткими или более длинными дистанционирующими элементами 80. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления (не показано), на нижней стороне диффузора 40 может быть установлен второй цилиндрический дистанционирующий элемент, если используется более короткий первый дистанционирующий элемент 80, что позволяет использовать стяжной болт 70 одной длины с более короткими и более длинными первыми дистанционирующими элементами 80.
Уплотняющая тарелка 30 лучше всего представлена на фиг. 1. Уплотняющее кольцо 31 тарелки может, как это видно, иметь такую форму, что его верхняя по потоку поверхность является по существу плоской с обратными скосами на наружной кольцевой кромке и внутренней кромке. Альтернативно кольцо может быть по существу тороидальным или полутороидальным. Угол нижней поверхности уплотняющего кольца тарелки может быть выбран таким образом, чтобы оптимизировать поток и характеристики уплотнения.
Для оптимизации стабильности уплотняющей тарелки 30 и свободы осевого перемещения центр масс уплотняющей тарелки 30 расположен таким образом, что он находится в центре в осевой точке в области контакта между установочной центральной втулкой 32 тарелки и направляющей втулкой 60. Наиболее предпочтительно центр масс расположен на оси приблизительно на полпути вдоль установочной центральной втулки 32 тарелки, например, на расстоянии не более 25% длины установочной центральной втулки 32 тарелки от ее середины, более предпочтительно не более 10% длины установочной центральной втулки 32 тарелки от середины. Для установки направляющей втулки 60 и обеспечения осевого перемещения установочной центральной втулки 32 тарелки по направлению к закрытому положению клапана, то есть осевого перемещения уплотняющей тарелки 30 к верхнему по потоку концу корпуса клапана, в нижнем конце сопла 20 может быть выполнена цилиндрическая прорезь 28 такого размера, чтобы вмещать направляющую втулку 60 и установочную центральную втулку 32 тарелки. Благодаря установке перемычек 34 тарелки на предназначенной для размещения пружины части 33 втулки, расположенной ниже части 32 установочной центральной втулки тарелки и имеющей более широкий внутренний диаметр, чем внутренний диаметр части 32 установочной центральной втулки тарелки и наружный диаметр направляющей втулки 60, перемычки 34 тарелки не препятствуют осевому перемещению уплотняющей тарелки 30 к закрытому положению клапана и позволяют разместить центр масс уплотняющей тарелки 30 в пределах длины части 32 установочной центральной втулки тарелки, находящейся в скользящем контакте с направляющей втулкой 60.
Использование уплотняющей тарелки 30, установленной с возможностью осевого перемещения на выступающем вниз по потоку осевом удлинении 26 сопла, позволяет устранить связанные с низким расходом или прерывистым потоком недостатки как грибовидной уплотняющей тарелки (слишком тяжела для открывания, медленное открывание, вращение), так и тарелки, опирающейся на листовую пружину (пульсация), особенно, когда уплотняющая тарелка 30 установлена уравновешенно с центром тяжести тарелки 30, расположенным на оси и в области центральной втулки 32, где центральная втулка 32 находится в контакте с направляющей втулкой 60. Масса узла уплотняющей тарелки 30, состоящего из центральной втулки 32, 33 и перемычек 34, не должна значительно превышать массу кольцевой тарелки без центральной втулки и перемычек, и значительно меньше, чем масса грибовидной уплотняющей тарелки того же размера. Сравнение 24-дюймовых (60-сантиметровых) уплотняющих тарелок с простой конструкцией кольца (кольцевая тарелка без центральной втулки или перемычек для установки на листовые пружины, кольцевой тарелки с центральной втулкой и перемычкой, как описано выше, и грибовидной тарелки представлено в Таблице 1. Масса тарелки, описанной в связи с фиг. 1-3, всего лишь на 20% превышает массу обычной кольцевой тарелки от компании Noreva по сравнению с грибовидной тарелкой, масса которой на 200% больше.
Кроме того, что грибовидная тарелка значительно тяжелее и, следовательно, срабатывает медленнее, чем тарелка с центральной втулкой и перемычками, эта тарелка не сбалансирована так, как это предполагает настоящее изобретение. Поршневая камера грибовидного клапана, как правило, входит в цилиндрическую втулку с возможностью скольжения. Осевое перемещение направляется втулкой, но несбалансированно, поскольку центр масс грибовидной тарелки не находится внутри втулки. Такое несбалансированное направление перемещения может со временем привести к износу компонентов и риску заедания клапана и отсутствия свободного перемещения между открытым и закрытым его положениями.
Хотя кольцевая тарелка с центральной втулкой/перемычками является не такой легкой, как кольцевая тарелка без центральной втулки/перемычек, ее преимущество состоит в том, что она обеспечивает сбалансированное направленное перемещение на осевом удлинении за счет размещения центра масс в точном положении для обеспечения такого перемещения.
Таким образом, сбалансированное направленное перемещение может быть получено с помощью соплового обратного клапана, содержащего:
корпус 10 клапана;
сопло 20, расположенное по центру в области верхнего по потоку конца корпуса 10 клапана и соединенное с указанным корпусом 10 множеством перемычек 22, причем сопло содержит верхнюю по потоку поверхность 23, расширяющуюся от центрального положения в направлении вниз по потоку, и нижнюю по потоку поверхность 24, сужающуюся в направлении вниз по потоку, и дополнительно содержит выступающее вниз по потоку осевое удлинение 26;
проточный канал 90, определенный наружной поверхностью сопла и внутренней поверхностью корпуса клапана;
направляющую втулку 60, установленную на указанном осевом удлинении 26 сопла;
кольцевую тарелку 30, содержащую уплотняющее кольцо 31 тарелки, соединенное с центральной втулкой 32 множеством перемычек 33, причем эта центральная втулка установлена на указанной направляющей втулке для осевого перемещения кольцевой тарелки 30 относительно корпуса клапана для открывания и закрывания проточного канала 90;
диффузор 40, расположенный в области нижней по потоку стороны корпуса 80 клапана;
пружину 50, расположенную между кольцевой тарелкой 30 и диффузором 40;
в котором центр масс кольцевой тарелки 30 расположен на центральной оси тарелки 30 в том месте, где центральная втулка 32 входит в скользящий контакт с направляющей втулкой 60.
Предпочтительно, центр масс кольцевой тарелки 30 расположен на центральной оси тарелки 30 на расстоянии не более 20% длины находящейся в скользящем контакте с направляющей втулкой 60 части центральной втулки 32 от середины этой части центральной втулки 32. Более предпочтительно центр масс кольцевой тарелки 30 расположен на центральной оси тарелки 30 в центре находящейся в скользящем контакте с направляющей втулкой 60 части центральной втулки 32.
Применение кольцевой тарелки с центральной втулкой и перемычками дополнительно обеспечивает устройство для простой регулировки хода клапана. Путем простого изменения длины цилиндрического дистанционирующего элемента 80, при необходимости совместно с длиной пружины 50 и стяжных болтов 70, можно увеличить или уменьшить расстояние между верхней по потоку поверхностью диффузора 40 и областью седла клапана. Это приводит к удлинению или укорочению хода клапана для соответствия разным параметрам потока. Такое изменение можно легко осуществить на месте без необходимости возвращения клапана на завод.