В следующей части рубрики «Обзор патентов» предлагаем к ознакомлению разработку полезной модели всережимного запорно-регулирующего клапана для работы с жидкими и газообразными средами, которая относится к трубопроводной арматуре для объектов энергетики и газонефтехимии, отличающихся высокими параметрами рабочих сред – температура до + 650 °С, давление до 40 МПа. Главная задача клапана заключается в регулировании и перекрытии потока жидких и газообразных рабочих сред. Автором и патентообладателем стал Евгений Бокач.
Клапан обладает корпусом с входным и выходным патрубками, крышкой с жестко закрепленным обтекателем, в полости которого размещен зубчато-реечный механизм, состоящий из вал-шестерни и штока. На штоке закреплен затвор. Зубчато-реечный механизм имеет эксцентриково-циклоидальное зацепление, а уплотнительная поверхность затвора и седла выполнены конической формы, на которых имеются лабиринтные канавки. Затвор уплотнен в обтекателе упругими уплотнительными кольцами S-образного профиля.
Зубчато-реечный механизм с эксцентриково-циклоидальным зацеплением обеспечивает плавное перемещение затвора, соответственно обеспечивается плавный прирост площади проходного сечения и высокая точность поддержания заданных параметров в процессе регулирования. Наличие лабиринтных канавок на затворе и седле образует лабиринтное уплотнение, снижающее давление и скорость потока, и дает возможность использовать клапан при пусковых режимах. Съемная крышка даст возможность провести ремонт клапана без вырезки из трубопровода. К запорно-регулирующей арматуре предъявляются такие требования, как обеспечение надежного и качественного регулирования технологических параметров, бескавитационный режим работы, герметичность в течение всего срока эксплуатации, надежность, безопасность, долговечность, ремонтопригодность без вырезки из трубопровода.
Так, известен запорно-регулирующий клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с седлом и внутренний корпус, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, а также разгруженный плунжер с уплотнительными элементами во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизмом осевого перемещения плунжера. Изделие является узкодиапазонным по регулируемым параметрам из-за наличия уплотнительных элементов на плунжере и ненадежен в условиях пуска и останова энергообъектов. Недостатки конструкции – большая металлоемкость и масса клапана. Это вызывает необходимость использования мощных приводов. Массивность элементов предопределяет их инерционность при открывании клапана, обуславливающую в свою очередь высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, что создает трудности в осуществлении их плавной регулировки и ведет к снижению герметичности и ресурса клапанов. Помимо этого, в выходном канале клапана в результате воздействия на поверхность деталей седла и плунжера турбулентного потока транспортируемой жидкости и возникающих в нем кавитационных процессов происходит эрозионный износ поверхностей последних. Клапан требует дополнительного упрочнения поверхностей деталей, контактирующих с рабочей средой, что резко повышает его стоимость.
Также в документах о новой разработке описывается осевой запорно-регулирующий дисковый клапан (патент на изобретение № 2375627), включающий установленное в корпусе неподвижное седло с пропускными профилированными периферийными окнами, контактирующее с монолитным золотником, выполненным с вырезами, цилиндр золотника, в котором установлен поршень, расположенный на одной оси с золотником и седлом вдоль оси трубопроводной части корпуса, пазы на уплотняющей поверхности золотника, ребра жесткости, прижимное устройство, контактирующее с золотником, крышку корпуса и шпиндель. Продукция оснащена рычажным механизмом, соединяющим шпиндель с золотником и выполненным в виде жестко скрепленного со шпинделем рычага, взаимодействующего посредством пальца с универсальным шарниром, выполненным по меньшей мере из трех серег и тяги, соединенных между собой пальцами, и закрепленным на золотнике посредством пальца. Недостаток – сложная конструкция шарнира, которая в ходе эксплуатации приводит к заклиниванию, что снижает надежность клапана, а также использование клапана при высоких параметрах рабочей среды.
Кроме того, есть клапан регулирующий с осевым потоком для объектов энергетики (патент на изобретение № 2455543), который содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, закрепленный посредством пилона на крышке верхнего разъема внутренний корпус-обтекатель, в полости которого размещен зубчато-реечный механизм, связанный с механизмом осевого перемещения разгруженного поршня, контактирующего с седлом, установленным в выходном патрубке. Седло выполнено с направляющим кольцевым выступом в зоне контакта с поршнем, выполненным с вогнутой торцевой поверхностью, по периметру которой сформирована ответная контактной поверхности направляющего кольцевого выступа седла поверхность, при этом направляющий кольцевой выступ седла выполнен с диффузорным сечением, а седло снабжено рассекателем потока, установленным на наружной торцевой поверхности седла и выполненным в виде перфорированной пластины, отверстия на которой выполнены с переменным шагом перфорации. Недостаток – низкая надежность разъема корпус-крышка в результате воздействия давления среды на затвор, обтекатель, пилон, крышку при закрытом клапане, а также сложность конструкции, требующей специального оборудования для изготовления, и, соответственно, высокая стоимость и низкая конкурентоспособность на рынке трубопроводной арматуры.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по назначению, технической сущности и достигаемому результату является клапан запорно-регулирующий осесимметричный (патент на полезную модель № 112970). Он содержит снабженный седлом наружный корпус и жестко соединенный с ним обтекатель, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения разгруженный плунжер, размещенный в направляющей втулке обтекателя и оснащенный узлом герметизации. Наружный корпус выполнен со съемной крышкой, сопряжение съемной крышки и наружного корпуса выполнено в виде ответных кольцевых проточек и снабжено уплотнением, расположенным в полости проточки меньшего диаметра, сформированной ограничительным кольцевым выступом на съемной крышке, и обтекатель закреплен на съемной крышке посредством пилона, а плунжер центрирован относительно втулки разрезными центрирующими кольцами, размещенными в кольцевых канавках, выполненных на поверхности плунжера по его краям, и узел герметизации плунжера выполнен в виде наборов из разрезных уплотнительных и прижимных колец, размещенных в кольцевых канавках на его поверхности между канавками с разрезными центрирующими кольцами, при этом наборы разрезных уплотнительных и прижимных колец представлены парой одинаковых разрезных уплотнительных колец, установленных на разрезном прижимном кольце, кроме того, диаметр полости направляющей втулки, в которой размещен плунжер, превышает диаметр контактной линии плунжера с седлом и наружный диаметр плунжера. Недостаток присутствует и здесь. В частности, это наличие нерегулируемых протечек через зазоры разрезных колец уплотнения плунжера в обтекателе и сложность конструкции, требующей специального оборудования для изготовления. Соответственно образуется высокая стоимость и низкая конкурентоспособность на рынке трубопроводной арматуры.
Таким образом, полезная модель выполняет задачу создания надежного в эксплуатации и простого в изготовлении, обслуживании и ремонте запорно-регулирующего всережимного клапана для широкого использования на объектах энергетики и газонефтехимии при всевозможных режимах эксплуатации. Такой результат достигается за счет корпуса с входным и выходным патрубками, крышки с жестко закрепленным обтекателем, в полости которого размещен зубчато-реечный механизм из вал-шестерни и штока и с закрепленным на штоке запорным узлом. Он отличается тем, что зубчато-реечный механизм имеет эксцентриково-циклоидальное зацепление, а уплотнительная поверхность затвора и седла выполнены конической формы, на которых имеются лабиринтные канавки. При этом затвор уплотнен в обтекателе упругими уплотнительными кольцами S-образного профиля.
Зубчато-реечный механизм с эксцентриково-циклоидальным зацеплением обеспечивает плавное перемещение затвора, соответственно гарантируется плавный прирост площади проходного сечения и высокая точность поддержания заданных параметров в процессе регулирования. Наличие лабиринтных канавок на затворе и седле образует лабиринтное уплотнение, снижающее давление и скорость потока, и позволяет применять клапан при пусковых режимах, при этом исключаются условия возникновения кавитации, соответственно, исключается эрозионный износ выходного патрубка, вибрационное воздействие рабочей среды на элементы клапана. Затвор перемещается в обтекателе и уплотнен в нем упругими уплотнительными кольцами S-образного профиля, несколько упругих уплотнительных колец S-образного профиля образуют лабиринт, снижающий давление среды на каждое последующее кольцо, что обеспечивает более высокую герметичность и надежность уплотнения в течение всего срока эксплуатации. Подбор жаропрочных материалов для изготовления сделает возможным регулирование и перекрытие рабочих сред с температурой до +650 °С и давлением до 40 МПа. Наличие съемной крышки позволит выполнить ремонт клапана без вырезки из трубопровода. Заявленный клапан запорно-регулирующий всережимный поясняется рисунками 1 (общий вид клапана в закрытом положении) и 2 (общий вид запорного узла клапана).
Клапан запорно-регулирующий всережимный содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, крышку 4, закрепленную посредством шпилек 5 и гаек 6 к корпусу 1. К крышке 4 жестко закреплен посредством пилона 7 обтекатель 8, в полости которого подвижно вдоль оси клапана, размещен зубчато-реечный механизм 9 с эксцентриково-циклоидальным зацеплением, состоящий из вал-шестерни 10 и штока 11. На штоке 11 закреплен затвор 13 (фигура 2). Затвор 13 уплотнен в обтекателе 8 упругими уплотнительными кольцами S-образного профиля 14 и загерметизирован гайкой 15. Уплотнительная часть затвора 13 имеет форму конуса, на которой имеются лабиринтные канавки Б и уплотнительная поверхность В. Седло 16 закреплено в корпусе 1 и имеет рассекатель 17, коническую уплотнительную поверхность Г, на которой расположены лабиринтные канавки Д.
Исходное положение – клапан закрыт и уплотнен (затвор находится в крайнем правом положении). Уплотнительная поверхность В затвора 13 соприкасается с уплотнительной поверхностью Г седла 16, канавки Б затвора 13 располагаются напротив канавок Д седла 16. Рабочая среда с высокими параметрами поступает во входной патрубок 2.
Регулирование расхода рабочей среды осуществляется при открывании клапана поворотом вал-шестерни 10 приводом клапана 12 посредством зубчато-реечного механизма 9 с эксцентриково-циклоидальным зацеплением, при этом шток 11 с закрепленным на нем затвором 13 перемещается внутри обтекателя 8. При перемещении затвора 13 на открытие уплотнительная поверхность В затвора 13 и уплотнительная поверхность Д седла 16 размыкаются, скорость и давление потока снижаются, проходя через лабиринтные канавки затвора 13 и седла 16. Поток, проходя через рассекатель 17, выравнивается и поступает в выходной патрубок 3. При дальнейшем перемещении затвора 13 в левое положение площадь сечения, образованная уплотнительной поверхностью В затвора 13 и седлом 16, увеличивается, соответственно, увеличивается расход рабочей среды.
При перемещении затвора 13 зубчато-реечным механизмом 9 в крайнее правое положение площадь проходного сечения, образованная уплотнительной поверхностью В затвора 13 и седлом 16, уменьшается, соответственно, уменьшается расход рабочей среды. В крайнем правом положении уплотнительная поверхность В затвора 13 соприкасается с уплотнительной поверхностью Г седла 16, клапан плотно закрыт.
Применение заявленного клапана запорно-регулирующего всережимного на объектах энергетики и газонефтехимии даст возможность использовать клапан для работы с жидкими и газообразными средами во всех режимах регулирования, обеспечивая надежность, безопасность и долговечность. Простота конструкции приведет к уменьшению металлоемкости и низкой себестоимости при изготовлении, а также к снижению затрат на обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации, что делает его конкурентоспособным по техническим, экономическим и эксплуатационным показателям.
Литература
1. Клапан запорно-регулирующий всережимный RU 205201 U1 [Электронный ресурс] // Яндекс.Патенты. URL: https://yandex. ru/patents/doc/RU205201U1_20210702 (дата обращения: 06.09.2021).
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, № 5 (67)
