ПОВОРОТНЫЙ КЛАПАН
ROTARY VALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к поворотному клапану, содержащему корпус, имеющий проход для текучей среды, протекающей через него вдоль центральной оси прохода, поворотный дроссельный диск, установленный в проходе и имеющий шток для поворота диска в любое положение между открытым и закрытым положениями, и ослабляющий поток элемент, установленный в проходе с возможностью перекрытия части поперечного сечения прохода и имеющий идентичные каналы для уменьшения динамического момента, уровня шума и вибраций, вызванных течением текучей среды через клапан.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поворотные клапаны хорошо известны и представляют собой широко используемую конструкцию. Закрывающий механизм имеет форму диска. Диск расположен в центре трубы, и через диск проходит шток, присоединенный к приводу на внешней стороне клапана. Вращение посредством актюатора поворачивает диск либо параллельно, либо перпендикулярно потоку. Обычное применение поворотных клапанов заключается в управлении потоком воды. Также поворотные клапаны используются в противопожарных устройствах и обычно используются на больших трубопроводах, таких как передние и задние всасывающие отверстия и резервуары напорной линии. Поворотный клапан также является типом устройства управления потоком, используемым для старта протекания или прекращения протекания текучей среды через сечение трубы. Если подвести итог, поворотные клапаны полезны как для чистых, так и загрязненных сред, пара, газа, воды или других текучих сред, например в целлюлозно-бумажной промышленности.
Одним из типов поворотных клапанов является тройной отвод, или тройной эксцентриковый поворотный клапан, в котором используется металлическое седло, благодаря которому он способен выдерживать большую тепловую нагрузку. Пример промышленно успешного тройного эксцентрикового поворотного клапана описан в патенте США №4770393 (Hubertson). Высокое поверхностное давление между диском и его седлом делает клапан полезным для применения в целлюлозно-бумажной промышленности, потому что волокна легко перерезаются.
Когда дроссельный диск находится в частично открытом состоянии, происходит падение давления на клапане, и это создает динамический момент и образование вихрей на стороне диска, противоположной той, на которую набегает поток, с результирующими шумом и вибрациями. В патенте США №4691894 (Pyötsiä и др.) предложено уменьшить эти недостатки путем использования ослабляющих элементов в форме перфорированных круговых сегментов пластины и расположения по меньшей мере одного такого элемента выше по течению или ниже по течению от дроссельного диска и, если необходимо, также другого элемента ниже по течению или выше по течению, соответственно, от дроссельного диска. Эти меры уменьшают недостатки до некоторой степени, но желательно их дальнейшее уменьшение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является снижение вышеупомянутых недостатков в большей степени, чем было возможно до сих пор.
В поворотном клапане описанного в первом абзаце типа эта цель достигается тем, что согласно настоящему изобретению каналы образуют угол с центральной осью для направления части текучей среды, которая выходит из каналов, в направлении, отличном от направления потока текучей среды, который протекает вне каналов, при этом несмотря на то, что каналы могут быть ориентированы для направления потока, который выходит из них, по существу к внутренней стенке прохода, указанные каналы преимущественно направляют поток по существу к центральной оси.
Наклонные каналы дают большую потерю энергии, чем та, которая может быть достигнута при направлении каналов параллельно потоку текучей среды, который протекает вне каналов. Результатом является меньшее остаточное падение давления на краю дроссельного диска и, таким образом, меньший шум, так как падение давления на клапане происходит ступенчато, так что, когда текучей средой является жидкость, удается избежать кавитации из-за направленных внутрь взрывов образованных пузырьков, вызванных локальными низкими статическими давлениями. Естественно, измененный поток текучей среды вокруг дроссельного диска также уменьшает динамический момент.
Для достижения необходимого значения потери энергии угол преимущественно находится между 20° и 60°, преимущественно 30°.
Ослабляющий элемент проходит через проход, параллельно дроссельному штоку, и в предпочтительном варианте он имеет первую часть, которая имеет форму сегмента круга и расположена на одной стороне от дроссельного штока и включает все каналы.
Для хорошего управления потерей энергии клапан имеет заданное рабочее направление потока, протекающего через него, и ослабляющий элемент расположен ниже по течению от дроссельного штока и на той же стороне от штока, что и ведущая кромка дроссельного диска.
По той же причине ослабляющий элемент также имеет вторую часть, расположенную по существу на другой стороне от штока и не создающую ограничений для потока текучей среды через ослабляющий элемент.
Далее, если необходимо, указанный ослабляющий элемент может быть первым ослабляющим элементом, и второй ослабляющий элемент может быть расположен выше по течению от дроссельного штока и на диаметрально противоположной стороне от штока относительно передней кромки дроссельного диска. Таким образом, потерей энергии и положением, где это происходит, можно управлять еще лучше.
Далее, по причинам, связанным с изготовлением и легкостью обслуживания, ослабляющий элемент в основном имеет форму диска, корпус клапана предпочтительно имеет внутреннюю кольцевую выемку, в которой расположено уплотнительное кольцо для дроссельного диска, и ослабляющий элемент должным образом удерживает уплотнительное кольцо в кольцевой выемке.
Предпочтительно, второй ослабляющий элемент имеет такую же базовую форму, как первый ослабляющий элемент. Таким образом, второй ослабляющий элемент предпочтительно выполнен в форме сегмента круга, имеет множество идентичных каналов и проходит через проход параллельно штоку дросселя, при этом указанные каналы образуют угол с центральной осью для направления части текучей среды, которая выходит из каналов, в направлении, отличном от направления потока текучей среды, который протекает вне второго ослабляющего элемента. Каналы направляют поток по существу к потоку, проходящему вдоль центральной оси.
Для хорошего управления потерей энергии, каналы имеют отверстия диаметром между 2 и 14 мм, предпочтительно, между 6 и 8 мм, в зависимости от потока и типа текучей среды, протекающей через клапан.
По той же причине ослабляющий элемент имеет толщину в направлении потока через клапан между 8 и 40 мм, в зависимости от размера клапана.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на предпочтительные варианты и приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан вид в аксонометрии предпочтительного варианта выполнения предложенного поворотного клапана с его впускной стороны.
На фиг. 2 показан вид в аксонометрии клапана, изображенного на фиг. 1, но рассматриваемого с его выпускной стороны.
На фиг. 3 показан вид в аксонометрии клапана, изображенного на фиг. 1 и 2, в разобранном состоянии.
На фиг. 4 показан вид в аксонометрии дисковидного ослабляющего элемента, используемого на впускной стороне клапана, изображенного на фиг. 1 и 2.
На фиг. 5 показан вид в аксонометрии в разрезе по линии V-V, изображенной на фиг. 4.
На фиг. 6 показан вид в аксонометрии дисковидного ослабляющего элемента, используемого на выпускной стороне клапана, изображенного на фиг. 1 и 2.
На фиг. 7 показан вид в аксонометрии в разрезе по линии VII-VII, изображенной на фиг. 6.
На фиг. 8 показан вид в аксонометрии в разрезе по линии VIII-VIII, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 9 показан принципиальный разрез поворотного клапана, имеющего одиночный ослабляющий элемент с наклонными каналами согласно изобретению, расположенный ниже по течению от дроссельного диска.
На фиг. 10 показана диаграмма, иллюстрирующая падение давления на клапане, представленном на фиг. 9, с ослабляющим элементом и без него.
На фиг. 11 показан принципиальный разрез предложенного поворотного клапана, имеющего два ослабляющих элемента с наклонными каналами, установленных выше и ниже по течению от дроссельного диска.
На фиг. 12 показана диаграмма, иллюстрирующая падение давления на клапане, представленном на фиг. 11, с ослабляющими элементами и без них.
СПОСОБ (СПОСОБЫ) ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан предпочтительный вариант тройного эксцентрикового поворотного клапана согласно настоящему изобретению. Показанный поворотный клапан изображен с впускной стороны и содержит корпус 1, имеющий проход 2 для текучей среды, протекающей через него вдоль центральной оси 3 (фиг. 5, 7 и 8) прохода 2, поворотный дроссельный диск 4, установленный в проходе 2, и шток 5 для поворота диска 4 в любое положение между открытым положением и закрытым положением. Элемент 11, ослабляющий поток, установлен в проходе 2 для закрытия части поперечного сечения прохода 2 и имеет множество идентичных каналов 12 для уменьшения динамического момента, уровня шума и вибраций, вызванных протеканием текучей среды через клапан. Элемент 11 лучше всего показан на фиг. 4 и 5, при этом на фиг. 4 и 5 направление потока текучей среды - вертикально вниз.
На фиг. 2 поворотный клапан, изображенный на фиг. 1, показан с выпускной стороны. Ослабляющий поток элемент 10, по существу подобный ослабляющему элементу 11, установлен в проходе 2 для закрытия части поперечного сечения прохода 2 и имеет множество идентичных каналов 12 для уменьшения динамического момента, уровня шума и вибраций, вызванных текучей средой, протекающей через клапан. Элемент 10 лучше всего показан на фиг. 6 и 7, при этом на фиг. 6 и 7 направление потока текучей среды - вертикально вверх.
Для уменьшения динамического момента и образования вихрей на стороне дроссельного диска, противоположной той, на которую набегает поток с образованием шумов и вибраций, согласно настоящему изобретению и, как лучше всего показано на фиг. 5 и 7, каналы 12 образуют угол α с воображаемой центральной плоскостью, которая проходит вдоль центральной оси 3 и на которой эта ось расположена, для направления части текучей среды, которая выходит из каналов 12, в направлении, отличном от направления потока текучей среды, который протекает вне каналов 12.
Наклонные каналы 12 обеспечивают большую потерю энергии, чем достигается при их расположении параллельно направлению потока текучей среды, который протекает вне каналов 12. Результатом является меньшее остаточное падение давления на краю дроссельного диска 4 и, таким образом, меньшее количество шума, так как падение давления на клапане происходит пошагово с обеспечением отсутствия кавитации вследствие направленных внутрь взрывов образовавшихся пузырьков, вызванных локально низкими статическими давлениями, в случае когда текучей средой является жидкость. Естественно, измененный поток текучей среды вокруг дроссельного диска 4 также уменьшает динамический момент.
Для достижения требуемой величины потери энергии, угол α обычно находится между 20° и 60°, предпочтительно, около 30°. Кроме того, несмотря на то что каналы 12 могут быть ориентированы для направления потока, который выходит из них, по существу к внутренней стенке прохода 2, указанные каналы 12 предпочтительно направляют поток по существу к воображаемой центральной плоскости, которая проходит вдоль центральной оси 3 и на которой эта ось расположена. Это также означает, что клапан имеет заданное рабочее направление потока, и поток в противоположном направлении будет направлять поток, который покидает каналы, к внутренней стенке прохода 2.
Ослабляющие элементы 10, 11 проходят через проход 2 параллельно дроссельному штоку 5, и в показанном предпочтительном варианте выполнения они имеют первую часть 13, которая имеет форму сегмента круга, расположена на одной стороне от штока 5 и содержит все каналы 12.
Для хорошего управления потерей энергии в случае, когда используется один ослабляющий элемент, этот ослабляющий элемент 10 расположен ниже по течению от дроссельного штока 5 и на той же стороне от штока 5, что и передняя кромка диска 4. Независимо от того, используется один или два ослабляющих элемента, элементы 10, 11 по той же причине также имеют вторую часть 14, расположенную по существу на другой стороне от штока 5 и не создающую ограничений потоку текучей среды через ослабляющие элементы 10, 11. Затем по причинам, связанным с изготовлением и легкостью обслуживания, ослабляющие элементы 10, 11 имеют по существу форму диска, как показано на чертежах, и ослабляющий элемент 11, расположенный на впускной стороне клапана, показан имеющим два противоположных отверстия для его крепления к корпусу 1 клапана посредством винтов, в то время как другой ослабляющий элемент 10, расположенный на выпускной стороне, показан имеющим четыре выступа с отверстиями для крепления винтов. Если необходимо, одно монтажное отверстие в каждом из ослабляющих элементов может быть смещено от симметричного расположения для обеспечения невозможности неправильной установки.
Как лучше всего показано на фиг. 3 и 8, корпус 1 клапана имеет внутреннюю кольцевую выемку 6, в которой расположено уплотнительное кольцо 7 для дроссельного диска 4, при этом элемент 11 удерживает кольцо 7 в кольцевой выемке 6. Конструкция диска 4 и кольца 7 и их совместная работа предпочтительно аналогичны описанному в патенте США №4770393 (Hubertson). Стрелка показывает направление потока через клапан.
Несмотря на то что ослабляющие элементы 10, 11 в основном имеют форму диска, если необходимо, возможно использование ослабляющих элементов другой формы, такой как многоугольная форма или форма сегмента круга, но последняя потребует наличие несколько другого элемента для удерживания уплотнительного кольца 7.
Как показано на фиг. 5 и 7, для хорошего управления потерей энергии каналы представляют собой отверстия 12 с диаметром 0 между 2 и 14 мм, предпочтительно между 6 и 8 мм, в зависимости от потока и типа среды, протекающей через клапан. По той же причине, элемент 10, 11 имеет толщину в направлении потока через клапан между 8 и 40 мм, в зависимости от размеров клапана. Минимальное расстояние d между двумя отверстиями, измеряемое в плоскости каждого элемента 10, 11, находится между 0,5 и 10 мм.
gas
На фиг. 9 показан принципиальный разрез поворотного клапана, имеющего один ослабляющий элемент 10 с наклонными каналами согласно изобретению, установленный ниже по течению от дроссельного диска 4. Соответствующая диаграмма на фиг.10 показывает падение давления на клапане, изображенном на фиг. 9, с ослабляющим элементом 10 и без него. Без элемента 10, имеющего наклонные каналы 12 согласно изобретению, статическое давление текучей среды, которое находится на высоком уровне Р1 на входе в клапан, падает до низкого уровня в самом узком сечении клапана, как показано штриховой линией. Если текучей средой является жидкость, статическое давление может упасть ниже уровня P, при котором в жидкости образуются пузырьки газа. Ниже по течению от самой узкой части, часть статического давления восстанавливается до уровня Р2, и когда статическое давление становится достаточно высоким, схлопывание пузырьков создает кавитацию, которая вызывает эрозионные повреждения, вибрацию и беспокоящий шум. Элемент 10 с наклонными каналами 12 делит падение давления на шаги, как показано сплошной линией.
gas
На фиг. 11 показан принципиальный разрез поворотного клапана, имеющего два ослабляющих элемента 10 и 11 с наклонными каналами согласно изобретению, при этом один элемент установлен ниже по течению, а другой выше по течению от дроссельного диска 4. Соответствующая диаграмма на фиг. 12 показывает падение давления на клапане, изображенном на фиг. 11, с элементами 10 и 11 и без них. Без элементов 10 и 11 с каналами 12 согласно изобретению статическое давление текучей среды, которое находится на высоком уровне Р1 на входе в клапан, падает до низкого уровня в наиболее узком сечении клапана, как показано штриховой линией. Если текучая среда является жидкостью, статическое давление может упасть ниже давления P, при котором в жидкости образуются пузырьки газа. Ниже по течению от наиболее узкого сечения часть статического давления восстанавливается до уровня Р2, и когда статическое давление достаточно высокое, пузырьки охлопываются, создавая кавитацию, которая вызывает эрозионные повреждения, вибрацию и беспокоящий шум. Элементы 10 и 11 с каналами 12 делят падение давления на множество шагов, как показано сплошной линией.
Изобретение не ограничивается иллюстративными примерами, описанными выше и показанными на чертежах, и может изменяться в объеме формулы изобретения. Например, если необходимо, возможно, конечно, обеспечить более одного ослабляющего элемента как ниже по течению, так и выше по течению от дроссельного диска. Если используется только один ослабляющий элемент, также возможна, если необходимо, его установка выше по течению от дроссельного диска.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Поворотные клапаны согласно изобретению применимы для жидкостей, газов и их смесей и, кроме того, также как управляющие клапаны и стопорные клапаны в промышленности, например, целлюлозно-бумажной, энергетической, нефтегазовой, морской, а также как выпускные клапаны для двигателей внутреннего сгорания и как клапаны на случай гидравлического удара в пневматических системах управления потоком.