Результат интеллектуальной деятельности: КРАН ШАРОВОЙ

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, в частности к трубопроводной запорной арматуре пневмогидросистем ракет-носителей космического назначения, работающих на криогенном топливе и при жестких ограничениях конструкций по массе и гидравлическим потерям, а также к любой отрасли промышленности, использующей гидравлическую технику, где необходимо периодически перекрывать большие расходы жидкостей.

Известны конструкции шаровых кранов, где шаровые пробки выполнены с уменьшенной толщиной стенки, например: известен шаровой кран (патент полезной модели RU 45495), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, проходной канал, сферическую поворотную пробку на опорах.

Известен шаровой кран (патент полезной модели RU 40424), содержащий корпус, входной и выходной патрубки, шаровую пробку, установленные в проточках патрубков упругие седла.

Известен шаровой трехходовой переключающий кран, содержащий размещенную в корпусе с входным и выходным патрубками шаровую пробку, контактирующую с седлом, при этом шаровая пробка, как следует из рисунка, приведенного в описании патента SU №1732099 А1, выполнена пустотелой.

Во всех вышеописанных конструкциях шаровых кранов значительная часть массы приходится на шаровую пробку, доля массы которой в массе всего шарового крана возрастает с увеличением проходного сечения.

Примерные массовые характеристики кранов шаровых-аналогов для сравнения приведены, например, в каталоге «Шаровые краны. Комплексные поставки трубопроводной арматуры» ЗАО «Энергомаш» (www.energomash-nov.rn), где на странице 14 для крана с шаром в опорах с диаметром прохода шара, равным 254 мм, масса крана составляет от 405 кг до 565 кг без учета массы привода. Предлагаемая конструкция крана шарового имеет диаметр прохода шара, равный 270 мм, а его масса составляет 80 кг (вместе с массой привода).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является кран шаровой, содержащий корпус, в котором установлены шток, поворотная шаровая пустотелая пробка с центральным проходным каналом и седла в виде уплотнительных колец, которые имеют сферическую расточку, эквидистантную наружной поверхности шаровой пробки (см. свидетельство на полезную модель RU №10821).

Недостатками этого технического решения, а также вышеописанных конструкций являются большая масса конструкций, так как пробки шаровые в них не имеют в своей внутренней полости элементов, увеличивающих жесткость сферы, что приводит к необходимости выполнения стенок сферы значительной толщины, а значит, значительной металлоемкости. А также вышеописанные конструкции крана шарового имеют ограниченные эксплуатационные возможности из-за невозможности использования их при работе с криогенными средами (например, с жидким кислородом или с жидким водородом) вследствие негерметичности подвижных уплотнений по сферической поверхности в закрытом положении. Предлагаемое устройство крана шарового предназначено в первую очередь для работ с криогенными легко испаряемыми жидкостями. Вынужденные утечки через уплотнения сферической поверхности в полость, расположенную между верхней частью корпуса и шаровым поворотным затвором (застойная полость), приводят к перемещению криогенных жидкостей из потока с высоким давлением в проточной части гидравлической магистрали в застойную полость, находящуюся без повышенного давления, что при наличии значительных притоков тепла (кран шаровой располагается на незначительном удалении от работающего с большим выделением тепла жидкостного ракетного двигателя) может привести к быстрому испарению криогенной жидкости, резкому росту давления во внутренней полости корпуса крана шарового и в конечном итоге - к разрушению его конструкции. Кроме того, организованный отвод через дренажные отверстия испарившейся криогенной жидкости из застойной полости крана шарового обеспечивает исключение негативного воздействия холодной среды на двигатель и препятствует его несанкционированному захолаживанию и отказу при запуске.

Задачей заявляемого технического решения является расширение эксплуатационных возможностей крана шарового за счет повышения надежности при работе с криогенными средами и снижение массы крана шарового - что является определяющим при проектировании ракетной техники.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве крана шарового, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, затвор шаровой, представляющий собой пустотелый тонкостенный шар с центральным проходным каналом, выполненным в виде полого цилиндра, герметично соединенного с наружной поверхностью шара, седла в виде уплотнительных колец, при этом корпус крана имеет сквозные дренажные отверстия, а затвор шаровой снабжен ребрами, расположенными диаметрально противоположно во внутренней полости затвора шарового непосредственно под седлами при закрытом положении затвора шарового, выполненными в виде тонкостенных пластин круглой формы, и шаровыми сегментами с центральными отверстиями под проходной канал.

На фиг.1 представлен общий вид устройства крана шарового в закрытом положении. На фиг.2 представлен общий вид устройства крана шарового в открытом положении. На фиг.3 представлено сечение А-А с фиг.1 при промежуточном положении затвора шарового.

Устройство крана шарового содержит составной корпус 1 (фиг.1) с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3 и размещенный в нем затвор шаровой 4, уплотненный седлами 5. Затвор шаровой 4 выполнен в виде тонкостенной сферы, в полости которой герметично закреплен (например, приварен) полый цилиндр 6. Внутренняя поверхность полого цилиндра 6 образует канал проходной 7 в затворе шаровом 4. Во внутренней полости затвора шарового 4 размещены параллельно продольной оси полого цилиндра 6 диаметрально противоположно ребра 8, выполненные в виде круглых тонкостенных пластин для повышения жесткости конструкции, в которых допускается изготавливать отверстия 9 для уменьшения массы сборки. Ребра 8 расположены таким образом, что при закрытом положении шаровой пробки они располагаются непосредственно под седлами 5. Внутри пустотелого затвора шарового 4 в зонах входа-выхода выполнены упрочняющие шаровые сегменты 10 (фиг.2) с центральными отверстиями 11, которые увеличивают жесткость затвора шарового 4 в местах круглых вырезов в сферической поверхности затвора шарового 4 под полый цилиндр 6.

Устройство снабжено валом привода 12 (привод на фигурах условно не показан) и осью 13, жестко закрепленными на затворе шаровом 4, для крепления в корпусе 1 и поворота затвора шарового 4. Корпус 1 в нижней его части снабжен отверстиями 14 (фиг.1, фиг.2), дренажным отверстием 15 для дренажа рабочей среды из застойной полости, расположенной между верхней частью корпуса 1 и затвором шаровым 4, с выходом за пределы корпуса 1 через дренажное отверстие 15 в магистраль (условно не показана) и отвода в безопасное место.

Кран шаровой работает следующим образом. С целью открытия крана шарового из положения "закрыт" в положение «открыт» для пропуска рабочей среды, например жидкого кислорода, поворачивают затвор шаровой 4 при помощи вала привода 12 таким образом, чтобы канал проходной 7 затвора шарового 4 совпал с отверстиями входного патрубка 2 и выходного патрубка 3. Рабочая среда поступает из входного патрубка 2 и направляется по каналу проходному 7 в затворе шаровом 4 через выходной патрубок 3 в трубопровод (условно не показан). Для перекрытия потока рабочей среды поворачивают затвор шаровой 4 на 90° в обратном направлении либо на 90° далее по ходу. Конструкция крана шарового выполнена симметричной, поэтому кран шаровой может пропускать рабочую среду в любом направлении. При этом часть рабочей среды, проникающей в застойную полость корпуса 1 в процессе поворота затвора шарового 4 при открытии или закрытии (фиг.3) или через зазоры между затвором шаровым 4 и седлами 5 в закрытом или открытом положении, отводится через отверстия 14 корпуса 1 и дренажное отверстие 15 корпуса 1 в безопасное место.

Заявленная конструкция крана шарового позволит расширить его эксплуатационные возможности и уменьшить массу крана шарового.