Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН

Изобретение относится к области гидравлики и может быть использовано при изготовлении регулирующих клапанов (РК), в проточной части которых в бескавитационных режимах должен "срабатываться" большой перепад давлений.

Известен "Двухседельный клапан высокого давления" по патенту РФ 2056562, МПК F 16 К 11/044, содержащий корпус, в котором выполнены седла, напорный и сбросный каналы. В корпусе размещен подпружиненный шток с двумя уплотнительными кромками, выполненными с возможностью взаимодействия с соответствующими седлами. Каждый из двух дросселей выполнен в виде стержня, связанного одним концом с приводом его возвратно-поступательного перемещения. Другой конец стержня размещен соответственно в напорном и обратном каналах.

- К недостаткам клапана относятся:
- клапан не является регулирующим ввиду дискретности его действия;
- нестабильность гидравлических характеристик клапана;
- наличие кавитации в непрофилированных дросселях, в связи с чем (кроме их кавитационного износа) неизбежна вибрация и акустический шум клапана;
- проблема поддержания работоспособности клапана за счет периодической замены разрушенных кавитацией его элементов - дросселей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому клапану является принятый авторами за прототип регулирующий питательный клапан с двухступенчатым дросселированием фирмы Окано вэлв (Япония), Благов Э.Е., Ивницкий Б. Я. Дроссельно-регулирующая арматура в энергетике. М.: Энергия, 1974, стр. 187, рис. 5-13.

Клапан содержит корпус, имеющий входные и выходные присоединительные патрубки, специальный стакан с цилиндрическими седлами в проточной части, входными окнами, выходной перфорированной втулкой и корпусом разгрузочного устройства. На верхней части корпуса крепится ручной и электрический приводы затвора клапана. Затвор клапана выполнен "с двумя грушами" линейной профилировки и лабиринтным уплотнением разгрузочного устройства.

Недостатками указанного двухступенчатого клапана являются:
- реализация профильной части на затворе, что ограничивает максимальную пропускную способность каждой ступени, определяемую площадью кольца с диаметрами седла и штока затвора клапана при полностью поднятом затворе. Указанное ограничение существенно для двухступенчатой конструкции клапана, поскольку в этом случае пропускная способность каждой из ступеней должна быть больше, чем для одноступенчатого варианта РК;
- отмеченное ограничение площади максимального проходного сечения не обеспечивает возможность реализации наиболее распространенной в автоматизированных технологических процессах равнопроцентной пропускной характеристики;
- выполнение профилей проточной части РК на затворе обуславливает появление на нем значительных переменных по величине осевых усилий при изменении как положения затвора (т.е. нагрузки), так и давлений на входе и выходе РК;
- наличие лабиринтного (многоступенчатого) разгрузочного устройства не устраняет полностью отмеченную выше неуравновешенность затвора;
- отсутствие оптимальной профилировки в паре затвор-седло не обеспечивает бескавитационной работы РК при срабатывании больших перепадов давлений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двухступенчатого регулирующего клапана для бескавитационной надежной работы его при высоких перепадах давлений, срабатываемых в его проточной части.

Указанная задача решается с помощью того, что в двухступенчатом регулирующем клапане, содержащем два последовательно работающих дроссельных устройства, каждое из которых образовано профильными элементами стакана и затвора, а также разгрузочное устройство, причем проходное сечение каждой из ступеней которого представляет собой кольцевой конфузор, образованный цилиндрическим профилем затвора и нелинейным профилем седла, обеспечивающим равнопроцентную пропускную характеристику каждой из упомянутых ступеней в функции подъема затвора.

Указанная пропускная характеристика должна с допустимой погрешностью соответствовать следующему уравнению (стр. 89 упомянутой выше работы Благов Э. В.):
Kv=C₀e^nl,
где Kv - пропускная способность, м³/ч;
С₀ - постоянный коэффициент, определяемый начальными условиями;
е - основание натуральных логарифмов;
n - коэффициент пропорциональности;
l - степень открытия затвора.

В предлагаемой конструкции РК также:
- исключается неуравновешенность затвора (что особенно важно для РК, на которых срабатываются большие перепады давлений), позволяющая использование в его конструкции привода с минимальными энергозатратами;
- за счет указанной профилировки проточной части обеспечиваются бескавитационные режимы работы
На чертеже представлена конструкция предлагаемого клапана (разрез по оси).

Клапан устроен следующим образом.

В корпусе 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками установлен стакан 4, на внутреннем диаметре которого выполнены последовательно профилированное седло первой ступени 5, промежуточная камера 6 и профилированное седло второй ступени 7. Внутри стакана 4 расположен затвор 8 с цилиндрическими поясками на каждой ступени, равными диаметру седел 5 и 7. Два зазора в форме кольцевых конфузоров образуются цилиндрическими поясками затвора 8 и внутренними профилями седел 5 и 7, через которые осуществляется последовательное дросселирование потока. В верхней части стакана 4 выполнена разгрузочная камера 9, в которой перемещается цилиндрический поясок 10 затвора 8, являющийся как бы кольцевым поршнем. Внутри затвора 8 закреплен шток 11, который через уплотнительное кольцо 12 выходит в полость гидроцилиндра 13, где на него установлен поршень 14. В штоке 11 выполнены сверления, которые соединяют полость выходного патрубка 3 с разгрузочной камерой 9.

Перечисленные в предлагаемом двухступенчатом клапане преимущества достигаются за счет реализации следующих конструктивных мероприятий.

А) Для реализации равнопроцентной пропускной характеристики как единственно приемлемой для энергетических установок с разветвленной трубопроводной сетью (характеризующейся квадратичной зависимостью сопротивления от расхода), а также в обеспечение максимального диапазона изменения пропускной способности, профильная часть каждой из ступеней выполнена на стакане, за счет чего достигается увеличение площади проходных сечений РК при полных открытиях затвора.

Б) Затворы первой и второй ступеней РК выполнены с цилиндрическими регулирующими кромками (диаметры которых равны - с допусками ходовой посадки - минимальным диаметрам соответствующих седел). Устройство разгрузки РК, выполненное как верхняя часть затвора, представляет из себя сервомотор с поршнем в виде круглой пластины с цилиндрической кромкой. Указанная конструкция обеспечивает исключение неуравновешенных усилий на затворе как в статических режимах работы, так и при изменении нагрузки и, соответственно, давлений в проточной части РК. При этом усилие на верхнюю плоскость поршня разгрузочного сервомотора (за счет соответствующих соединительных каналов в затворе) определяется давлением на выходе РК.

В) В обеспечение бескавитационности режимов работы РК его проточная часть выполнена с минимальным гидравлическим сопротивлением до проходного сечения и реализацией на выходе его сопротивления типа внезапного расширения.

Минимальное гидравлическое сопротивление на входе потока в проточную часть РК обеспечивается значительной разницей площадей входной камеры перед проточной частью и самой проточной части, а также малыми значениями гидравлического диаметра РК данной конструкции (незначительные площади проходного сечения при достаточно больших величинах смачиваемого периметра).

Минимальные потери на трение в конфузорном канале проточной части обусловлены практически коноидальной формой профилей седел.

Указанная организация плавного изменения конфигурации струи перед проходным сечением обеспечивает достаточно высокие значения коэффициентов кавитации Кс, особенно при малых подъемах затвора.

Клапан работает следующим образом.

В исходном положении клапан закрыт, так как затвор 8 находится в нижнем (по чертежу) положении и его цилиндрические пояски находятся против участков наименьшего диаметра седел 5 и 7. При перемещении поршня 14 сервомотором вверх кольцевые зазоры между седлами 5, 7 и цилиндрическими поясками затвора 8 увеличиваются и соответственно увеличивается проходное сечение клапана в целом.

При работе клапана, то есть при перемещении затвора 8, изменяется соотношение входного и выходного давлений в камерах входного и выходного патрубков, что приводит к неуравновешенному состоянию затвора 8. Для компенсации этого явления полость разгрузочной камеры 9 соединяется с камерой выходного патрубка 3 через отверстия в штоке 11.

Таким образом, реализованный по изобретению двухступенчатый регулирующий клапан отвечает критериям надежности за счет увеличения срока его службы при работе в бескавитационном режиме и срабатывании больших величин перепадов давлений как в установившихся, так и переходных режимах при максимальном изменении пропускной способности РК с обеспечением равнопроцентности этой характеристики.

Заявленное техническое решение не является очевидным, а его технический уровень достаточно высок.

Возможность промышленного применения предлагаемого изобретения не вызывает сомнений, так как:
- устройство предназначено для использования в сфере гидравлики, в различных отраслях народного хозяйства;
- реализация устройства возможна с помощью описанных в заявке технических средств;
- устройство способно обеспечить достижение заявленного технического эффекта.