Клапан регулирующий осевого потока

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре, в частности к регулирующим клапанам, предназначенным для регулирования расхода потока рабочей среды на нагнетательных трубопроводах, и может быть использована на газовых и нефтяных магистралях высокого давления.
Известен регулирующий осесимметричный клапан осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды, (Патент RU №191873 U1, МПК F16K 1/12, F16K 1/226, F16K 47/08, приоритет от 10.01.2019, опубл. 26.08.2019).
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели, является клапан осесимметричный регулирующий, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, при этом полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды, втулку направляющую с каналом в виде кольцевой проточки на внешней поверхности в месте соединения ее с заглушкой обтекателя с каналами в виде проходных окон для перетока среды, (Патент RU №196436 U1, МПК F16K 1/12, F16K 47/14, приоритет от 09.09.2019, опубл. 28.02.2020).
Недостатком известных конструкций является то, что оси штока и рейки находятся в одной плоскости. В процессе эксплуатации клапанов с данными конструкциями возможно возникновение подклиниваний при перемещении затвора в сторону открытия и закрытия, ввиду наличия небольшой площади контакта поверхности штока и рейки с отверстиями, расточенными во втулке направляющей, и наличия «лишней» степени свободы - возможность перемещения рейки и штока зубьями навстречу друг другу, что влечет повышенный износ зубьев штока и рейки, а также возможный выход из строя клапана, нарушение алгоритма работы исполнительного механизма (привода), а именно снижение точности регулирования клапана.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является сохранение стабильной работы клапана за счет повышения точности регулирования клапана исполнительным механизмом (приводом), путем смещения оси штока относительно оси рейки.
Для решения поставленной технической проблемы клапан регулирующий осевого потока, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и размещенный внутри корпуса обтекатель с образованием кольцевого канала, выходную часть которого перекрывает перфорированный отверстиями сепаратор, жестко соединенный с седлом, зафиксированным в выходном патрубке, и размещенный внутри него с возможностью осевого перемещения поршень, закрепленный на рейке реечного механизма, шток которого соединен с приводом, поршень выполнен с разгрузочными каналами на торце, а косозубое зацепление реечного механизма и свободные торцы штока и рейки расположены в сформированных для них полостях, при этом полости косозубого зацепления и торца штока изолированы от давления рабочей среды, втулку направляющую с каналом в виде кольцевой проточки на внешней поверхности в месте соединения ее с заглушкой обтекателя с каналами в виде проходных окон для перетока среды, согласно полезной модели, в корпусе и во втулке направляющей выполнены отверстия со смещением на расстояние не менее чем 2 мм, но не более чем 30 мм, обеспечивающее смещение оси штока относительно оси рейки на указанное расстояние, и смещение зубьев рейки и штока от оси симметрии с возможностью увеличения площади контакта поверхности штока и рейки с отверстиями во втулке направляющей.
Выполнение смещения отверстий во втулке направляющей и корпусе приводит к смещению оси штока относительно оси рейки на расстояние не менее чем на 2 мм, но не более чем на 30 мм, и соответственно смещение зубьев рейки и штока от оси симметрии, благодаря чему увеличивается площадь контакта поверхности штока и рейки с отверстиями втулки направляющей, что обеспечивает надежную и стабильную работу клапана, снижается износ зубьев рейки и штока, повышается точность регулирования клапана исполнительным механизмом (приводом). Исключается «лишняя» степень свободы - возможность перемещения рейки и штока навстречу друг другу, что устраняет вероятность возникновения подклиниваний при перемещении затвора на открытие и закрытие.
При уменьшении величины смещения штока относительно рейки менее 2 мм существует вероятность возникновения подклиниваний при перемещении затвора в сторону открытия и закрытия, ввиду наличия небольшой площади контакта поверхности штока и рейки с отверстиями, расточенными во втулке направляющей, что влечет повышенный износ зубьев рейки и штока, а также возможный выход из строя клапана, нарушение алгоритма работы исполнительного механизма (привода), а именно снижение точности регулирования клапана.
При увеличении величины смещения штока относительно рейки более 30 мм существует вероятность возникновения высоких нагрузок на косозубое зацепление реечного механизма из-за уменьшения площади контакта зубьев рейки и штока, что влечет повышенный износ зубьев рейки и штока, а также возможный выход из строя клапана.
Клапан регулирующий осевого потока поясняется чертежами где:
на фиг. 1 - приведен общий вид клапана регулирующего осевого потока, продольный разрез;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, показан один из каналов, выполненный в виде проходных окон в обтекателе;
на фиг. 3 - вид Б на фиг. 2, показано смещение оси штока относительно оси рейки на расстояние, не менее чем 2 мм, но не более чем 30 мм.
На чертежах позициями обозначены:
1 - корпус
2 - входной патрубок
3 - выходной патрубок
4 - обтекатель
5 - проходной кольцевой канал
6 - сепаратор
7 - радиальные отверстия в сепараторе
8 - седло
9 - втулка прижимная
10 - поршень
11 - полость поршня
12 - отверстия в торце поршня
13 - шток
14 - косозубое зацепление
15 - рейка
16 - втулка направляющая
17 - вертикальное отверстие во втулке направляющей
18 - горизонтальное отверстие во втулке направляющей
19 - отверстие в корпусе
20 - подвижное уплотнение
21 - неподвижное уплотнение
22 - полость косозубого зацепления
23 - уплотнительный элемент
24 - уплотнительный элемент
25 - заглушка обтекателя
26 - уплотнение
27 - канал в виде кольцевой проточки
28 - проходные окна
29 - сальниковый узел.
Клапан регулирующий осевого потока содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и обтекатель 4, формирующие проходной кольцевой канал 5 (фиг. 1). На выходе из канала 5 установлен сепаратор 6 с радиальными отверстиями 7. Сепаратор 6 закреплен седлом 8 и втулкой прижимной 9 в выходном патрубке 3. Внутри сепаратора 6 с возможностью осевого перемещения установлен поршень 10. Полость 11 поршня 10 сообщается с полостью выходного патрубка 3 посредством отверстий 12, выполненных в торце поршня 10. Механизм перемещения поршня 10 выполнен в виде реечного механизма и содержит шток 13, взаимодействующий посредством косозубого зацепления 14, с рейкой 15. В корпусе 1 установлена втулка направляющая 16. Во втулке направляющей 16 выполнены два взаимно перпендикулярных отверстия: вертикальное 17 и горизонтальное 18.
Вертикальное отверстие 17 выполнено соосно отверстию 19, выполненному в корпусе 1, в них расположен шток 13. В горизонтальном отверстии 18 втулки направляющей 16 расположена рейка 15. Горизонтальное отверстие 18 выполнено соосно входному патрубку 2, выходному патрубку 3 и полости 11 поршня 10. Отверстие 18 между подвижным уплотнением 20 и неподвижным уплотнением 21 и отверстия 17 и 19 образуют полость 22 косозубого зацепления 14 со смещением оси штока 13 относительно оси рейки 15.
Отверстие 19 в корпусе и отверстие 17 во втулке направляющей 16 выполнены со смещением на расстояние не менее чем 2 мм, но не более чем 30 мм. Выполнение в корпусе 1 и во втулке направляющей 16 отверстий 19 и 17 со смещением, обеспечивает смещение оси штока 13 относительно оси рейки 15 на указанное расстояние, и соответственно смещение зубьев рейки 15 и штока 13 от оси симметрии, благодаря чему увеличивается площадь контакта поверхности штока 13 и рейки 15 с отверстиями 17 и 18, расточенными во втулке направляющей 16, и исключается «лишняя» степень свободы - возможность перемещения штока 13 и рейки 15 навстречу друг другу, что устраняет вероятность возникновения подклиниваний при перемещении затвора на открытие и закрытие.
Полость 22 изолирована уплотнительными элементами 23 и 24 от давления рабочей среды. Отверстие 18 во втулке направляющей 16 со стороны свободного торца рейки 15 изолировано от полости входного патрубка 2 заглушкой 25, установленной в обтекателе 4 с уплотнением 26, и соединено с полостью 11 поршня 10 двумя каналами 27 и 28 (фиг. 2). Один канал 27 выполнен в виде кольцевой проточки на внешней поверхности втулки направляющей 16 в месте соединения ее с заглушкой 25 обтекателя 4. Другой канал выполнен в виде проходных окон 28 в обтекателе 4. Канал 27 и проходные окна 28 служат для увеличения проходного сечения и перетока среды в большом объеме из внутреннего пространства втулки направляющей 16 и полости заглушки 25 в полость 11 поршня 10, а также для снижения массы корпуса 1 клапана. Для герметичности полости 22 косозубого зацепления 14 относительно внешней среды в корпусе 1 сверху отверстия 19 расположен сальниковый узел 29.
Работает клапан следующим образом.
Регулируемая среда поступает во входной патрубок 2 и, проходя кольцевым каналом 5, сформированным корпусом 1 и обтекателем 4, через радиальные отверстия 7 сепаратора 6, поступает в выходной патрубок 3. При необходимости уменьшения объема регулируемой среды (при закрывании клапана), поршень 10 посредством рейки 15 и штока 13 косозубого зацепления 14, смещается приводом в правое положение, перекрывая отверстия 7 сепаратора 6. Объем проходящей регулируемой среды определяется числом открытых отверстий 7 в сепараторе 6. При полностью перекрытых отверстиях сепаратора клапан закрыт.
Открытие клапана производится приводом, задающим движение штоку 13, соединенному посредством косозубого зацепления 14 с рейкой 15, который перемещает в левое положение поршень 10. При этом давление рабочей среды в полости 11 поршня 10 равно давлению в выходном патрубке 3 за счет наличия отверстий 12 в торце поршня 10, сообщающих указанные полости. Поршень 10 полностью разгружен.
Давление рабочей среды в горизонтальном отверстии 18 втулки направляющей 16, сформированного для торца рейки 15, равно давлению в полости 11 поршня 10 за счет наличия каналов 27 и канала 5 обтекателя 4, сообщающих указанные полости, а, значит, и давлению в полости выходного патрубка 3. Шток 13 полностью разгружен.
Полость 22 косозубого зацепления 14 изолирована от давления рабочей среды посредством уплотнительных элементов 20, 21, 23, 24, благодаря чему на торец ведущего штока 13 не действует усилие от давления рабочей среды при перемещении поршня 10, а относительно внешней среды герметичность полости 22 косозубого зацепления 14 обеспечивается уплотняющим сальниковым узлом 29.
Таким образом, результатом усовершенствования конструкции клапана регулирующего осевого потока является повышение его надежности, сохранение стабильной работы клапана, повышение точности регулирования клапана исполнительным механизмом (приводом) путем выполнения в корпусе и во втулке направляющей отверстий со смещением на расстояние, не менее чем 2 мм, но не более чем 30 мм, обеспечивающее смещение оси штока относительно оси рейки на указанное расстояние, и смещение зубьев рейки и штока от оси симметрии с возможностью увеличения площади контакта поверхности штока и рейки с отверстиями во втулке направляющей.