КЛАПАН ОБРАТНЫЙ С ОСЕВЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ПОТОКА
CHECK VALVE WITH AXIAL DIRECTION OF FLOW

Предлагаемое изобретение относится к области арматуростроения, в частности к клапанам обратным для газовых, нефтяных магистралей высокого давления, для энергетики.
Известен обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, в полости которого расположен внутренний конусообразный корпус, запорный орган, неразрывно связанный со штоком, установленным во внутреннем корпусе посредством направляющей втулки, пружинное устройство для перемещения запорного органа в закрытое положение (SU 1838702 A1, кл. F16K1 5/02, 30.08.1993). Указанный запорный орган имеет конический контактный сегмент для взаимодействия с кольцевой уплотнительной поверхностью наружного корпуса.
Недостатком известного клапана является сложность обеспечения герметичности, требующей высокой степени соосности кольцевой уплотнительной поверхности наружного корпуса и конического контактного сегмента запорного органа. При любой несоосности упомянутых поверхностей возникают зазоры между поверхностью штока запорного органа и поверхностью направляющей втулки, в которой перемещается шток, а наличие указанного зазора приводит к перекосу оси штока и, соответственно, к значительному смещению и перекосу оси уплотнительной поверхности запорного органа относительно оси уплотнительной поверхности наружного корпуса. В то же время наличие зазора определенной величины между поверхностью штока и направляющей втулкой необходимо для обеспечения свободного перемещения запорного органа и, тем самым, надежной работы клапана.
Известен также обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входной и выходной полостями, седло, запорный орган, кинематически, посредством шарового шарнира связанный со штоком силового цилиндра, перемещающимся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющей втулке внутреннего корпуса (DE 3610965 A1, кл. F16K1 5/02, 08.10.1987 г.) Силовой цилиндр, рабочая камера которого сообщена с выходной полостью корпуса через трубку с эжекторным насадком, размещен внутри корпуса на упруго поджатом к седлу запорном органе. Боковая поверхность рабочей камеры силового цилиндра выполнена в виде юбки запорного органа с уплотнительным пояском, взаимодействующим при движении запорного органа с наружной поверхностью камеры постоянного объема как с направляющей, а величина зазора между направляющей поверхностью и уплотнительным пояском выполнена переменной по длине хода запорного органа.
Недостатком известного клапана является сложность кинематической связи штока силового цилиндра и запорного органа для обеспечения установки последнего в седле. С целью обеспечения герметичности клапана необходима высокая точность изготовления как шарового шарнира в соединении запорного органа со штоком силового цилиндра, так и контактирующих поверхностей: внутренней - силового цилиндра и наружной - камеры постоянного объема, что неизбежно приводит к увеличению себестоимости изготовления клапана.
Выполнение кинематической связи штока и запорного органа в виде шарового шарнира требует дополнительных крепежных элементов для фиксации указанного шарнира в запорном органе. В этом случае возникают сложности при обеспечении соосности уплотнительных поверхностей седла и запорного органа, а также минимальной величины зазоров между поверхностью штока и подшипниками скольжения, в которых перемещается шток запорного органа.
В то же время наличие кинематической связи штока с запорным органом не гарантирует беззазорного контакта поверхности запорного органа с уплотнительной поверхностью седла в закрытом положении клапана. При наличии зазора определенной величины между поверхностью штока и подшипниками скольжения, необходимого для обеспечения свободного перемещения запорного органа и надежной работы клапана, возникает возможность изменения положения запорного органа относительно уплотнительной поверхности седла. Центр вращения запорного органа (и его уплотнительной поверхности) располагается в центре шарового шарнира узла крепления штока к запорному органу, а центр вращения силового цилиндра расположен в середине расстояния между наружными торцами опорных подшипников, в которых установлен шток. Из-за геометрического несовпадения центров вращения указанных элементов возможен перекос оси штока относительно центра вращения силового цилиндра, что приводит к смещению оси шарового шарнира относительно оси уплотнительной поверхности седла и, как следствие, к появлению зазора между уплотнительными поверхностями седла и запорного элемента.
Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан с осевым направлением потока, содержащий наружный корпус с входным и выходным каналами, в полости которого расположен внутренний конусообразный корпус запорного органа и седло (US 5921276 A, кл. F16K 15/06, 13.07.1999). В полости внутреннего конусообразного корпуса подвижно, посредством механизма перемещения установлен запорный орган с уплотнительной поверхностью в виде части сферы, тора или другой криволинейной или конической поверхности. Механизм перемещения запорного органа включает пружину сжатия, установленную на штоке, неразрывно связанном с запорным органом и перемещающимся в подшипниках скольжения, зафиксированных в направляющей втулке. Пружина служит для перемещения запорного органа при закрывании клапана, открывание которого происходит под действием гидродинамических сил проходящего через клапан потока рабочей среды. Седло выполнено в виде кольца с конической поверхностью, контактирующей с уплотнительной поверхностью запорного органа при закрывании клапана.
Недостатком известного клапана является сложность обеспечения герметичности при уплотнении металл по металлу, т.к. необходимо обеспечить высокую степень соосности уплотнительных поверхностей седла и запорного органа, а также минимальную величину зазоров между поверхностью штока и подшипниками скольжения, в которых перемещается шток запорного органа. Наличие зазоров определенной величины между поверхностью штока и подшипниками скольжения необходимо для обеспечения свободного перемещения запорного органа и надежной работы клапана, а их увеличение приводит к перекосу оси штока и, соответственно, к значительному перекосу оси запорного органа и смещению его уплотнительной поверхности относительно оси и уплотнительной поверхности седла. В результате изменения положения запорного органа относительно уплотнительной поверхности седла происходит уменьшение площади контакта указанных элементов и снижение степени герметичности клапана.
Техническим результатом данного изобретения является повышение надежности клапана путем повышения степени герметичности при снижении себестоимости изготовления.
Для достижения указанного технического результата в обратном клапане с осевым направлением потока, содержащем наружный корпус с входным и выходным каналами, во внутренней полости которого размещены с образованием кольцевого канала жестко закрепленный обтекатель, во внутренней полости которого установлен подпружиненный запорный орган с уплотнительной поверхностью в виде части сферы и неразрывно закрепленным в нем штоком, перемещающимся вдоль оси потока в подшипниках скольжения, и кольцевое седло с контактной конической поверхностью согласно изобретению центр части сферы уплотнительной поверхности запорного органа в закрытом положении клапана расположен в середине расстояния между наружными торцами опорных подшипников штока запорного органа, а образующая уплотнительной конической поверхности седла перпендикулярна радиусу упомянутой части сферы.
Расположение центра части сферы, формирующей уплотнительную поверхность запорного органа, в середине расстояния между наружными торцами опорных подшипников штока запорного органа в закрытом положении клапана и выполнение конической уплотнительной поверхности седла с образующей, перпендикулярной к радиусу указанной сферы, обеспечивает совмещение геометрических центров вращения фигур, формирующих поверхность запорного органа и перемещающего его штока и постоянный контакт уплотнительной поверхности запорного органа с уплотнительной поверхностью седла при перекосе штока запорного органа, возникающем из-за наличия определенного зазора между штоком запорного органа и опорными подшипниками, необходимого для безотказного перемещения запорного органа. Перпендикулярность образующей конической поверхности седла радиусу части сферы в уплотнительной поверхности запорного органа делает ее касательной к упомянутой части сферы и обеспечивает постоянство контакта поверхности седла с указанной сферической поверхностью, что повышает герметичность клапана.
Расположение центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в любой другой точке приводит к появлению зазора между уплотнительными поверхностями седла и запорного органа. Кроме того, чем больше расстояние между центрами указанных сферических поверхностей, тем больше величина зазора, возникающего при перекосе запорного органа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображен описываемый обратный клапан, продольный разрез;
на фиг.2 схематично показано положение запорного органа при расположении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в середине расстояния между наружными торцами подшипников штока запорного органа;
на фиг.3 схематично показано возникновение перекоса штока и положение запорного органа при расположении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в середине расстояния между наружными торцами подшипников штока запорного органа;
на фиг.4 схематично показано положение запорного органа при смещении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в сторону седла;
на фиг.5 схематично показано положение запорного органа при возникновении перекоса при смещении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в сторону седла;
на фиг.6 схематично показано положение запорного органа при смещении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в сторону, противоположную седлу;
на фиг.7 схематично показано положение запорного органа при возникновении перекоса при смещении центра сферы уплотнительной поверхности запорного органа в сторону, противоположную седлу.
Клапан обратный содержит (см. фиг.1) корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, кольцевое седло 4 с конической уплотнительной поверхностью 5, установленное в патрубке 2, запорный орган 6, выполненный в виде подвижного диска 7 с уплотнительной поверхностью в виде части сферы радиусом R, снабженный направляющим штоком 8, и поджатый пружиной 9 к конической уплотнительной поверхности 5 седла 4. Шток 8, закрепленный в запорном органе, установлен в подшипниках 10, размещенных с заданным расстоянием L между наружными торцами в сквозном отверстии 11 обтекателя 12. Обтекатель 12 расположен внутри корпуса 1 с образованием кольцевого пространства, разделенного перемычками и образующего проточную полость 13 для потока среды, перекрываемую запорным органом 6.
Обратный клапан работает следующим образом:
В исходном (закрытом) положении, при отсутствии давления в системе, в которой установлен обратный клапан, запорный орган 6 поджат к уплотнительной поверхности 5 седла 4 действием пружины 9, обеспечивая разобщение полостей входного 2 и выходного 3 патрубков. Давление во входном 2, выходном 3 патрубках и полости 13 одинаково. При возрастании давления в патрубке 2 по сравнению с давлением в патрубке 3 запорный орган 6 из положения "закрыто", под действием напора рабочей среды, преодолевая усилие пружины 9, отходит от уплотнительной поверхности 5 вправо и открывает клапан. Рабочая среда из входного патрубка 2 через проточную полость 13 поступает в выходной патрубок 3 клапана.
При уменьшении перепада давления во входном патрубке 2 снижается расход рабочей среды через клапан и соответственно скорость прямого потока среды уменьшается. Результирующее усилие открытия запорного органа 6 уменьшается и он под действием пружины 9 возвращается в исходное положение, прижимается к уплотнительной поверхности 5 седла 4 и перекрывает проточную полость 13.
По мере перемещения запорного органа 6 к положению «закрыто» перекос оси штока 8 и, соответственно, запорного органа 6, увеличивается и достигает максимальной величины в полностью закрытом положении за счет наличия зазора S между поверхностью штока 8 и поверхностью подшипников 10 под действием массы запорного органа.
При этом, если центр сферической уплотнительной поверхности 7, выполненной радиусом R, запорного органа 6 совпадает с серединой расстояния L между наружными торцами подшипников 10, то зазор между уплотнительной поверхностью 5 седла 4 не образуется, т.е. герметичность клапана сохраняется (см. фиг.2, 3).
Если центр сферической уплотнительной поверхности 7 запорного органа 6 не совпадает с серединой расстояния L между наружными торцами подшипников 10, то образуется зазор f, который приводит к нарушению герметичности клапана в закрытом положении (см. фиг.4, 5, 6, 7).
Следовательно, при несовпадении центра сферической уплотнительной поверхности запорного органа с серединой расстояния L между наружными торцами подшипников для обеспечения герметичности клапана в закрытом положении необходимо зазор между штоком запорного органа и подшипниками делать равным нулю, что делает клапан неработоспособным. Кроме того, нулевой или минимальный зазор не позволяет компенсировать неизбежную несоосность поверхностей подшипников и уплотнительной поверхности седла и исключает самопроизвольную установку запорного органа в седле под действием перепада давления, возникающего на запорном органе в закрытом положении клапана.
При совпадении центра сферической уплотнительной поверхности запорного органа с серединой расстояния L между наружными торцами подшипников зазор между штоком запорного органа и подшипниками не ведет к образованию зазора между контактирующими поверхностями седла и запорного органа и не влияет на герметичность клапана, т.к. уплотнительная поверхность запорного органа перемещается по сферической поверхности, центр которой совпадает с центром самой уплотнительной поверхности. При этом коническая поверхность седла, образующая которой перпендикулярна радиусу уплотнительной поверхности седла, всегда остается касательной к указанной сферической поверхности и, соответственно, к уплотнительной поверхности запорного органа.
Таким образом, клапан сохраняет свою работоспособность даже при снижении точности изготовления, обеспечивая надежную герметизацию клапана за счет выбора оптимальной геометрии запорных поверхностей.
Изготовление подобных клапанов возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций, не требует высокой точности обработки поверхности деталей, обеспечивающих работоспособность клапана, и позволяет снизить себестоимость его изготовления.