КЛАПАН И НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО С КЛАПАНОМ

Изобретение касается предохранительного клапана согласно ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения, насосного устройства, в частности центробежного насоса, в частности главного циркуляционного насоса для электростанций согласно ограничительной части независимого пункта 7 формулы изобретения, а также применения предохранительного клапана в насосном устройстве согласно пункту 13 формулы изобретения.

Насосы такого рода имеют многоступенчатые гидродинамические системы уплотнений с так называемыми контролируемыми утечками. Такие системы торцевых уплотнений дают возможность определенного распределения давления между ступенями системы торцевых уплотнений, а также отвода тепловой мощности отдельных ступеней, составляющей несколько киловатт. Такая контролируемая утечка при нормальном режиме работы запитывается от системы гидравлического затвора, которая, тем самым, также герметизирует систему и препятствует тому, чтобы горячая перемещаемая среда попадала в корпус уплотнения. Для защиты этой части уплотнения от высоких температур и скачков температуры необходимо гарантировать, чтобы в случае неготовности воды гидравлического затвора либо охлаждалась проникающая горячая вода, либо насос останавливался, а клапан утечки закрывался.

В заявке US 2004/0155409 А1 раскрыто устройство в сочетании с механическим уплотнением, которое содержит по меньшей мере две прижимающихся друг к другу поверхности скольжения, расположенные таким образом, что зазор между вращающейся и не вращающейся частями машины уплотняется. Это устройство содержит приспособление для подготовки охлаждающего указанные поверхности скольжения потока уплотняющей среды, причем клапанный узел установлен в соединении с указанным приспособлением для подготовки охлаждающего потока уплотняющей среды, причем работа этого клапанного узла базируется на металлическом элементе с памятью формы, установленным для того, чтобы реагировать на температуру уплотнения и в соответствии с потребностями охлаждения открывать или запирать указанный поток уплотняющей среды.

Из заявки DE 102006047003 А1 известно уплотнительное устройство с уплотнительным средством для герметизации подвижного элемента компрессионной холодильной машины с водой в качестве рабочего вещества, причем это уплотнительное средство по материалу идентично указанному рабочему веществу. Уплотнительное устройство содержит заполненную уплотнительным средством уплотнительную камеру, причем с этим уплотнительным средством в уплотнительной камере может быть достигнуто давление, которое больше, чем давление в негерметизируемой окружающей части этой компрессионной холодильной машины. Уплотнительная камера через соединительный трубопровод соединена с открытым со стороны упомянутой окружающей части резервуаром, в котором уровень поверхности уплотнительного средства имеет геодезическое превышение над уплотнительной камерой.

Из DE 3804183 А1 известно сальниковое уплотнение для центробежных насосов, которое состоит из гидродинамического контактного уплотнительного кольца простого действия, расположенного между уплотнительной камерой и атмосферой, и дросселирующего элемента, расположенного между уплотнительной камерой и внутренним пространством насоса, причем в уплотнительную камеру вводится циркуляционный поток, служащий для охлаждения и отвода частиц загрязнений, отводимых через дросселирующий элемент в сторону насоса. Дросселирующий элемент выполнен в виде гидродинамического контактного уплотнительного кольца, которое шунтируется байпасом, соединяющим уплотнительную камеру с внутренним пространством насоса и создающим целенаправленную утечку.

Действующее гидростатически или гидродинамически сальниковое уплотнение, состоящее из вращающегося с валом кольца и подвижного в осевом направлении статичного кольца, которое посредством двух колец круглого сечения герметизировано относительно корпуса, а с вращающимся кольцом образует радиальные уплотнительные зазоры, через которые течет несжимаемая текучая среда и стабилизирует уплотнительный зазор, известно из заявки DE 3447102 А1. Статическое уплотнительное кольцо содержит при этом полость для приема уплотняющей или соответственно охлаждающей жидкости и несколько расположенных по периметру предварительно натяженных упругих элементов, которые опираются на кольцо, выполняющее функцию клапана ограничения давления.

Заявка DE 3814519 А1 раскрывает термочувствительный клапан с корпусом, через который может протекать текучая среда и в котором коаксиально расположены растягивающаяся и сжимаемая в зависимости от температуры текучей среды первая винтовая пружина с эффектом памяти формы, которая опирается на корпус и вызывает запирание и открытие клапана, и в значительной степени нечувствительная к температуре вторая винтовая пружина, которая вызывает предварительную нагрузку на первую винтовую пружину, корпус содержит седло клапана и запорный элемент клапана, причем указанная термочувствительная первая винтовая пружина одной стороной опирается на корпус, а другой стороной - на обращенную от седла клапана сторону запорного элемента клапана, а вторая винтовая пружина одной стороной опирается на корпус радиально снаружи седла клапана, а второй стороной опирается на обращенную к седлу клапана сторону запорного элемента клапана и противодействует запорному усилию первой винтовой пружины. При этом запорный элемент клапана имеет проемы из внутреннего пространства первой винтовой пружины к кольцевому пространству внутри второй винтовой пружины и радиально снаружи седла клапана.

Задача данного изобретения заключается в том, чтобы создать устройство, которое при прекращении подачи воды гидравлического затвора может провести самостоятельное блокирование контролируемой утечки и в дальнейшем сохранять блокировку.

Эта задача решается посредством расположенного во второй системе трубопроводов предохранительного клапана для блокировки отводимого из камеры потока, теряемого вследствие утечки, когда этот поток достигает определенной температуры, причем этот однажды закрытый предохранительный клапан не в состоянии самостоятельно открываться даже после снижения этой температуры.

При одной предпочтительной реализации насосного устройства в камере предусмотрена многоступенчатая гидродинамическая система уплотнений, надежно герметизирующая эту камеру.

В особом варианте выполнения система уплотнений содержит несколько подпружиненных торцевых уплотнений.

Надежность системы уплотнений повышается дополнительно, если эта система уплотнений содержит управляемое по давлению уплотнение, открытое в рабочем режиме, в частности азотный затвор, водяной затвор или т.п.

Особенно хороший эффект достигается, если по трубопроводу среда отбирается из потока, теряемого вследствие утечки, и подается в полость нагнетания расположенного внутри камеры уплотнения.

Поскольку однажды закрытый предохранительный клапан не в состоянии открыться самостоятельно, пока перед этим предохранительным клапаном имеется избыточное давление, то параллельно предохранительному клапану подключена запорная арматура.

Кроме того, задача данного изобретения решается посредством предохранительного клапана, содержащего термочувствительные исполнительные элементы, расположенные на противоположной пружинному приспособлению стороне прижимного устройства, расширяющиеся при нагревании и при достижении определенной температуры перемещающие шток клапана в направлении седла клапана и при этом запирающие предохранительный клапан, причем этот однажды закрытый предохранительный клапан не в состоянии самостоятельно открываться даже после снижения этой температуры.

Согласно изобретению эти исполнительные элементы изготовлены из сплава с памятью формы или содержат биметаллическую систему. Благодаря этому возникают многогранные возможности выполнения этих исполнительных элементов.

Исполнительные элементы могут быть выполнены в форме кольца или гильзы, состоять из одной или нескольких частей и/или быть образованы по типу тарельчатой пружины, за счет чего они могут быть оптимально подогнаны под конкретные условия в клапанной камере.

В одной предпочтительной модификации изобретения в клапанной коробке имеется участок коробки с уменьшенным внутренним диаметром, который служит центровочным буртиком для указанных исполнительных элементов.

Согласно изобретению на обращенной к штоку клапана внутренней поверхности указанного участка коробки выполнен осевой паз, а на штоке клапана выполнен осевой паз, который ориентирован параллельно указанному осевому пазу и в который вставлена шпонка. Образованная таким образом защита от проворачивания имеет функцию, заключающуюся в том, чтобы конусный затвор клапана и седло клапана всегда совмещались в одном и том же месте, а исполнительные элементы не перекашивались.

Задача данного изобретения решается также путем применения предохранительного клапана такого рода в насосном устройстве.

Примеры осуществления данного изобретения представлены на чертежах и ниже будут рассмотрены более подробно. На чертежах показано следующее:

Фиг. 1 - предлагаемое изобретением насосное устройство,

Фиг. 2 - в продольном разрезе предохранительный клапан, применяемый в этом насосном устройстве,

Фиг. 3 - другой вариант выполнения предохранительного клапана, в продольном разрезе,

Фиг. 4 - еще один вариант выполнения насосного устройства по Фиг. 1.

На Фиг. 1 показано насосное устройство 1 в форме главного циркуляционного насоса. Насосное устройство 1 имеет корпус 2 насоса. Корпус 2 насоса определяет внутреннее пространство 3 с впускным отверстием 4 для всасывания перемещаемой среды и выпускным отверстием 5 для выталкивания перемещаемой среды. Внутреннее пространство 3 через отверстие 6 соединено с камерой 7, которая также определяется корпусом 2 насоса.

Вал 8 рабочего колеса проходит из внутреннего пространства 3 через отверстие 6 в камеру 7 и заканчивается вблизи отверстия 9 или в отверстии 9, которое расположено напротив отверстия 6. Посредством помещенного в камеру 7 вблизи отверстия 6 опорного устройства 10 вал 8 рабочего колеса установлен с возможностью вращения вокруг оси А вращения. На находящемся во внутреннем пространстве 3 конце вала 8 рабочего колеса закреплено рабочее колесо 11. Внутри камеры 7 на определенном расстоянии от опорного устройства 10 на валу 8 рабочего колеса закреплено вспомогательное рабочее колесо 12. Находящийся вблизи отверстия 9 конец вала 8 рабочего колеса подсоединен к расположенному коаксиально оси А вращения приводному валу 13 приводного двигателя 14, причем корпус 15 приводного двигателя 14 посредством промежуточного фонаря 16 соединен с корпусом 2.

В камере 7 предусмотрена многоступенчатая гидродинамическая система 17 уплотнений, содержащая несколько подпружиненных торцевых уплотнений 18, 19, 20 и при необходимости управляемое по давлению уплотнение 21, например азотное уплотнение, водяной затвор или т.п., которое в рабочем режиме является открытым. Система 17 уплотнений герметизирует по текучей среде камеру 7 в отверстии 9 относительно окружающего пространства.

Во время работы насосного устройства 1 система 22 гидравлического затвора, по меньшей мере частично образующая контур текучей среды, подводимую через подводящую линию 23 среду, например воду с добавленными в данном случае присадками, называемую в дальнейшем водой гидравлического затвора, подает по первой системе 29 трубопроводов, снабженной несколькими устройствами запорной арматуры 24, 25, несколькими термодатчиками 26, 27 и охлаждающим устройством 28, в камеру 7 между вспомогательным рабочим колесом 12 и системой 17 уплотнений. Вспомогательное рабочее колесо 12 транспортирует при этом часть воды гидравлического затвора через опорное устройство 10. Вода гидравлического затвора может при этом направляться через образованные в опорном устройстве 10 каналы 30 и/или вдоль не представленных на чертеже скользящих опорных поверхностей. Между опорным устройством 10 и отверстием 6 вода гидравлического затвора снова выводится из камеры 7, причем незначительная часть еще транспортируется во внутреннее пространство 3. Вода гидравлического затвора препятствует, тем самым, проникновению перемещаемой среды из внутреннего пространства 3 в камеру 7 и служит охлаждающе-смазочным средством для опорного устройства 10.

Другая, не проводимая через опорное устройство 10 часть воды гидравлического затвора образует контролируемый поток, теряемый вследствие утечки, и проходит через торцевые уплотнения 18, 19 по обходным каналам 31 в них. Посредством встроенных в обходные каналы 31, не показанные на чертежах участков дросселирования давление ступенчато понижается, и тем самым происходит распределение давления в торцевых уплотнениях 18, 19, 20. Торцевое уплотнение 20, последнее перед уплотнением 21, не имеет такого обходного канала. Поток, теряемый вследствие утечки, выводится между торцевым уплотнением 19 и торцевым уплотнением 20 из камеры 7 и направляется во вторую систему 32 трубопроводов. После выхода из камеры 7 поток, теряемый вследствие утечки, проходит через запорную арматуру 33, термодатчик 34 и предохранительный клапан 35, причем параллельно предохранительному клапану 35 подключена дополнительная запорная арматура 36, закрытая в нормальном рабочем режиме.

Достижение потоком, теряемым вследствие утечки, температуры, как правило, 100°С связано с автоматическим остановом насосного устройства 1. Это ведет к снижению температуры находящейся в камере 7 воды гидравлического затвора и потока, теряемого вследствие утечки, поскольку вода гидравлического затвора для охлаждения закачивается в камеру 7.

Однако при неполадках в системе 22 гидравлического затвора, например, из-за непоступления подаваемой через подводящую линию 23 воды гидравлического затвора, температура внутри камеры 7 продолжит повышаться, так как транспортируемая в камеру 7 вода гидравлического затвора больше не будет охлаждаться, или горячая перемещаемая среда из внутреннего пространства 3 проникает в камеру 7. Когда вода гидравлического затвора в камере 7 и тем самым поток, теряемый вследствие утечки, достигнут определенной температуры, предохранительный клапан 35 закрывается. Благодаря конструкции предохранительного клапана 35 его открытие исключено даже после понижения температуры.

Представленный детально на Фиг. 2 вариант выполнения предохранительного клапана 35 предусматривает клапанную коробку 37, которая снабжена клапанной камерой 38 и несколькими сквозными проходными отверстиями 39, расположенными вокруг клапанной камеры 38, причем эти сквозные проходные отверстия 39 проходят параллельно центральной продольной оси В клапанной коробки 37. Эти сквозные проходные отверстия 39 на своих концах имеют области 40, 41 с резьбой. На обращенной от запорной арматуры 33 по Фиг. 1 стороне расположена крышка 42 клапанной коробки, которая содержит сообщающееся с клапанной камерой 38 сквозное проходное отверстие 43. Крышка 42 клапанной коробки содержит несколько сквозных проходных отверстий 44, которые ориентированы, перекрываясь со сквозными проходными отверстиями 39. На обращенной к клапанной коробке 37 стороне крышка 42 клапанной коробки снабжена кольцевым пазом 45, выполненным концентрично центральной продольной оси В, в который вложено уплотнительное устройство 46, например, спиральное графитовое уплотнение, кольцевое уплотнение или т.п., и место соединения клапанной коробки 37 с крышкой 42 клапанной коробки герметизировано по текучей среде.

Крышка 42 клапанной коробки имеет заходящий в клапанную камеру 38 кольцевой выступ 47, свободный конец которого выполнен как седло 48 клапана, в контакт с которым размещенный в клапанной камере 38 шток 49 клапана приводится своим конусным затвором 49 клапана. На крышку 42 клапанной коробки опирается пружинное приспособление 50, например, пакет дисковых пружин, обойма с пружинами, волнистая кольцевая пружина или т.п., и прилегает к выполненному кольцеобразно на штоке 49 клапана прижимному устройству 51.

На противоположной пружинному приспособлению 50 стороне прижимного устройства 51 расположено несколько термочувствительных исполнительных элементов 52, 53, которые при нагревании расширяются в осевом направлении, т.е. соответственно центральной продольной оси В. Исполнительные элементы 52, 53 выполнены, например, из сплава с памятью формы или содержат биметаллическую систему.

В случае сплавов с памятью формы двунаправленного действия исполнительные элементы 52, 53 при охлаждении снова сжимаются, в случае сплавов с памятью формы однонаправленного действия создается усилие только в одном направлении, при этом возвратное усилие оказывается пружинным приспособлением.

Исполнительные элементы 52, 53 могут быть выполнены, например, в форме кольца или гильзы, состоять из одной или нескольких частей и/или быть образованы по типу тарельчатой пружины. При этом несколько исполнительных элементов 52, 53 окружают шток 49 клапана. В показанном примере осуществления каждый комплект исполнительных элементов 52 или соответственно 53 внутри соединены параллельно, и эти комплекты с помощью крепежного приспособления 54 включены друг с другом последовательно. Такое последовательное подключение предпочтительно для создания большего установочного хода и резервирования исполнительных элементов, а параллельное включение - для создания больших установочных усилий.

Прижимное устройство 51 имеет несколько сквозных проходных отверстий 55, которые перекрываются с имеющимися в исполнительных элементах 52, 53 сквозных проходными отверстиями 56 и выполненными в крепежном приспособлении 54 сквозных проходными отверстиями 57.

Клапанная коробка 37 имеет участок 58 коробки с уменьшенным внутренним диаметром, который служит центровочным буртиком для исполнительных элементов 53. Внутренний диаметр участка 58 коробки несколько больше, чем шток 4 9 клапана, так что он может свободно перемещаться в обоих направлениях вдоль центральной продольной оси В. Участок 58 коробки тоже снабжен сквозными проходными отверстиями 59, которые тоже совмещаются со сквозными проходными отверстиями 55, 56, 57, так что контролируемый поток, теряемый вследствие утечки, во время нормального рабочего режима может беспрепятственно течь через предохранительный клапан.

Для обеспечения максимально быстрого и равномерного прогрева исполнительных элементов 52, 53 указанные сквозные проходные отверстия 55, 56, 57, 59 могут быть расположены так, что в осевом направлении они не перекрываются друг с другом.

Чтобы шток 49 клапана не мог вращаться внутри клапанной камеры 38, и сквозные проходные отверстия 55, 56, 57, 59 больше не совмещались друг с другом, на обращенной к штоку 49 клапана внутренней поверхности участка 58 коробки выполнен осевой паз 60, а на штоке 49 клапана выполнен ориентированный параллельно осевому пазу 60 осевой паз 61, в который вставлена шпонка 62. Такая защита от проворачивания несет также функцию, которая обеспечивает, чтобы конусный затвор 49 клапана и седло 48 клапана попадали друг на друга всегда в одном и том же месте, и исполнительные элементы 52, 53 не перекашивались.

Для подключения предохранительного клапана 35 к показанной на Фиг. 1 второй системе 32 трубопроводов на торцевой стороне клапанной коробки 37 расположен так называемый поясок 63, который стягивается с клапанной коробкой 37 посредством свободного фланца 64, расположенного на противоположной клапанной коробке 37 стороне, и посредством ввинчиваемых в резьбу в области 41 клапанной коробки 37 винтов или резьбовых пальцев 65. Поясок 63 на обращенной к клапанной коробке 37 стороне имеет кольцевой паз 66, в котором расположено уплотнительное устройство 67, герметизирующее по текучей среде место соединения клапанной коробки 37 и пояска 63. Затем поясок 63 приваривается к трубному элементу второй системы 32 трубопроводов.

Таким же образом поясок 68 с кольцевым пазом 69 и уплотнительным устройством 70 посредством свободного фланца 71 и нескольких винтов или резьбовых пальцев 72 стягивается с крышкой 42 клапанной коробки и приваривается к трубному элементу второй системы 32 трубопроводов.

В одном альтернативном варианте выполнения поясок 63 и поясок 68 приварены к клапанной коробке 37 или к крышке 42 клапанной коробки. В еще одном варианте выполнения поясок 63 и клапанная коробка 37, а также поясок 68 и крышка 42 клапанной коробки выполнены за одно целое друг с другом.

В нормальном режиме работы пружинное приспособление 50 противодействует потоку, теряемому вследствие утечки, и препятствует запиранию предохранительного клапана 35, так как упругая сила пружинного приспособления 50 выбрана большей, чем сила, действующая под давлением жидкости на шток 49 клапана. Если температура потока, теряемого вследствие утечки, возрастает вследствие неполадок в контуре воды гидравлического затвора, то исполнительные элементы 52, 53 вытягиваются в осевом направлении и перемещают шток 49 клапана посредством прижимного устройства 51 в направлении седла 48 клапана, при этом предохранительный клапан 35 закрывается, и поток, теряемый вследствие утечки, блокируется. Как только клапан оказывается почти закрытым, на шток 49 помимо запирающего усилия исполнительных элементов 52, 53 действует еще и гидравлическое запирающее усилие. Благодаря этому даже после последующего понижения температуры открытие предохранительного клапана 35 исключается.

Открытие предохранительного клапана 35 после понижения температуры возможно только путем открытия показанной на Фиг. 1 запорной арматуры 36 и связанного с этим снижения давления перед предохранительным клапаном 35 или понижением давления в системе. Пружинное приспособление 50 может тогда вернуть шток 49 клапана снова в его исходное положение и таким образом восстановить работоспособность.

На Фиг. 3 показан еще один вариант выполнения предохранительного клапана 35. Участок 58 коробки со сквозными проходными отверстиями 59 образован на обращенной к пояску 63 торцевой стороне клапанной коробки 37. Направляющий элемент 72 со сквозными проходными отверстиями 73, совмещающимися с сквозными проходными отверстиями 59 прилегает в клапанной камере 38 к участку 58 коробки. Этот направляющий элемент 72 стабилизирует опорную пружину 74, которая прижимает термочувствительный исполнительный элемент 52 к прижимному устройству 51 штока 49 клапана. Тем самым предотвращается неконтролируемое возвратно-поступательное движение или проворачивание исполнительного элемента 52 или, если он выполнен из нескольких частей, его частей или соответственно штока 49 клапана в клапанной камере 38. В порядке альтернативы защита от проворачивания может выполнена такой, как описана в связи с Фиг. 2. Путем выбора подходящего расстояния может быть обеспечен холостой ход между исполнительным элементом 52 и направляющим элементом 72, который может быть использован для регулировки точки переключения и соотношения сил. В данном примере выполнения пружинное приспособление 50 образовано несколькими винтовыми пружинами 75 сжатия, которые расположены в глухих отверстиях 76, выполненных в выступе 47 крышки 42 клапанной коробки, и действуют против потока, теряемого вследствие утечки, и упругой силы опорной пружины 74.

На Фиг. 4 показано изображение насосного устройства 1, по существу соответствующее показанному на Фиг. 1. Поскольку повышение температуры утечки, чреватое серьезными последствиями для агрегата, является единственным случаем, при котором может произойти падение давления перед предохранительным клапаном 35, то давление во второй системе 32 трубопроводов может быть использовано для того, чтобы автоматически активировать управляемое по давлению уплотнение 21, если таковое имеется, и тем самым герметично закрыть насосное устройство 1, и гарантировать герметичность независимо от торцевых уплотнений 18, 19, 20. Для этого между запорной арматурой 33 и предохранительным клапаном 35 через линию 77 из потока, теряемого вследствие утечки, среда отбирается и подается в полость 78 нагнетания в расположенном внутри камеры 7 уплотнении 21.

Перечень ссылочных обозначений: