Задвижка

 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в качестве запорного или регулирующего устройства в напорных трубопроводах различного назначения. Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности и быстродействия. В задвижке имеется корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами и седлом 4. Шток 5 выполнен с выемкой 13. В центре дисков 7 и 8 выполнены отверстия и между ними установлен клапан 12. Толкатель клапана 12 взаимодействует с выемкой 13 штока 5. Диски 7 и 8 соединены мембранами 10 и вместе с ними образуют мембранную коробку. Диаметр мембранной коробки больше диаметра кольцевого уплотнительного элемента 9. На диске 8 жестко закреплена каретка 14, которая опирается через ролики 15 на стенку корпуса. Ролики 15 связаны сепараторами 16. На диске 7 установлено кольцевое уплотнение 9. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в качестве запорного или регулирующего устройства в напорных трубопроводах различного назначения.

Известны задвижки, содержащие корпус, входной и выходной патрубки с седлами, диски с уплотнительными элементами и механизм прижима дисков к седлам, выполненный, например, в виде рычажно-шарнирного привода (см. например, авт. св. СССР N 567882, кл. F 16 K 3/10, 0,5.08.77, авт.св. N 1086269, кл. F 16 K 3/18, 15.04.84).

Основным недостатком задвижек данного типа является их низкая надежность, сложность конструкции и недостаточное быстродействие, обусловленные необходимостью приложения больших механических сил для перемещения дисков в двух направлениях - вертикальном для вывода из зоны потока рабочей среды и горизонтальном для прижима уплотнительных элементов. Кроме того, такие задвижки имеют увеличенные габариты и массу из-за громоздкости механических узлов.

Другим типом задвижек являются задвижки, в которых перемещение запирающих органов осуществляется гидравлическим или пневматически приводом. При этом запирающие органы, как правило, перемещаются вертикально от механического привода и прижимаются к седлам принудительно с помощью гидравлических или пневматических устройств, приводимых в действие от отдельных пневмогидроприводов (см. авт.св. СССР N 509745, кл. F 16 K 3/10, 14.11.74).

Наиболее близком к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является задвижка, включающая корпус, шток управления и шиберный затвор, выполненный в виде установленной на каретке круглой мембранной коробки, снабженной кольцевым уплотнительным элементом и состоящей из двух жестких дисков, герметично соединенных между собой связкой линзовых компенсаторов или мембран (см. авт.св. СССР N 435408, кл. F 16 K 3/10, 15.11.1971). В данном устройстве полость мембранной коробки соединена с магистралью командного давления через полость штока, а каретка затвора перемещается в корпусе, опираясь на оси роликов, взаимодействующих с направляющими консольными рейками корпуса.

Недостатком задвижки-прототипа является наличие постороннего источника командного давления. В связи с этим требуется дополнительный трубопровод для передачи давления в полость мембранной коробки и отдельные элементы управления командным давлением. Такое конструктивное выполнение снижает надежность и быстродействие задвижки особенно при работе в условиях высокого давления запираемого потока. Кроме того, опоры качения в виде роликов с консольными осями ограниченного сечения и направляющие консольные рейки не могут воспринимать большие нагрузки от статического и динамического давления запираемой среды в момент переключения затвора, а трение при скольжении осей роликов увеличивает нагрузку на привод перемещения.

Недостатком задвижки-прототипа является также то, что тонкие элементы стенок мембранной коробки при высоких перепадах давления между внутренней и наружной ее полостями будут разрушаться от недопустимых деформаций. При увеличении толщины стенок мембран снизится их рабочий ресурс, так как они работают в условиях знакопеременных нагрузок.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции задвижки, повышение ее надежности и быстродействия.

Цель достигается тем, что в известной задвижке включающей корпус, шток управления и шиберный затвор, выполненный в виде установленной на каретке круглой мембранной коробки, снабженной кольцевым уплотнительным элементом и состоящей из двух жестких дисков, герметично соединенных между собой связкой мембран, согласно которыми установлен запорный клапан, имеющий седло, расположенное на диске, прикрепленном непосредственно к каретке, при этом клапан снабжен толкателем, образующим с выемкой на штоке кинематическую пару, а диаметр внутренней полости мембранной коробки превышает наружный диаметр кольцевого уплотнительного элемента.

Дополнительно к этому мембраны, соединяющие диски, скреплены с ними вблизи кромок центральных отверстий и выполнены с возможностью прилегания к торцам дисков всей своей торцевой поверхностью. Кроме того, каретка и корпус снабжены опорными и направляющими плоскостями, между которыми вставлены ролики, связанные сепараторами в виде двух отдельных блоков, при этом направляющие пазы снабжены ограничительными тупиками, причем расстояние от тупиков до открытых концов пазов превышает длину роликовых блоков на 0,5 длины перестановочного хода затвора задвижки.

Для выяснения соответствия критерию "существенные отличия" был проведен поиск решений, содержащих совокупность указанных отличительных признаков. В результате поиска таких решений обнаружено не было, что позволяет считать предлагаемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". Следует обратить внимание, что заявленная совокупность признаков является функционально самостоятельной совокупностью, т.е. все признаки взаимосвязаны друг с другом и их взаимосвязь носит устойчивый характер. Только благодаря этой взаимосвязи достигается положительный эффект, который не может быть получен от простого суммирования признаков, составляющих совокупность.

На фиг. 1 изображена предлагаемая задвижка, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение.

Задвижка включает корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами и седлом 4 затвора. Затвор снабжен органом управления, выполненным в виде штока 5 с рукояткой 6. Затвор содержит два диска 7 и 8. На одном из дисков (диске 7) установлен кольцевой уплотнительный элемент 9. Оба диска соединены между собой мембранами 10 и вместе с ними образуют мембранную коробку, внутренняя полость которой с одной стороны через дроссельное отверстие 11 в диске 7 соединена с входным каналом 2, а с другой стороны через клапан 12, седло которого установлено во втором диске 8, - с выходным каналом 3, при этом торец толкателя клапана 12 установлен с возможностью взаимодействия с поверхностью штока 5, которая в зоне контакта с толкателем имеет выемку 13, образующую на поверхности штока кулачковый профиль. К второму диску жестко прикреплена каретка 14, в боковых пазах которой размещены ролики 15 с рамками сепараторов 16. Каретка имеет канал 17 с направляющим патрубком 18 для пропуска среды через задвижку в открытом ее положении. Шток 5 уложен в канал квадратного сечения, образованный пазами на диске 8 и каретке 14 и может свободно проворачиваться в канале вокруг своей оси рукояткой 6. Продольная фиксация штока относительно затвора обеспечивается узлом 19.

Особенностью конструкции задвижки является длина свободного пространства в боковых пазах каретки 14, ограниченная тупиками пазов и торцами рамок сепараторов при позиции затвора в положении "закрыто". Эта длина должна составлять половину длины полного хода затвора (Н). Зазор (δ ) между дисками 7 и 8 обеспечивает размыкание седла 4 и уплотнительного элемента 9 при сжатии мембранной коробки до соприкосновения ее внутренних поверхностей. При сборке задвижки обеспечивают установку затвора в корпусе при напряженном сжатом состоянии мембранной коробки и гарантированном зазоре δ . За счет упругости мембран роликовые блоки защемлены в пазах и удерживаются в заданном положении без проскальзывания от собственного веса или инерционных нагрузок.

Диаметр внутренней полости мембранной коробки выбирается расчетом в зависимости от необходимого удельного давления на уплотнительный элемент. Дроссельное отверстие 11 в диске 7 подбирается с такими параметрами, чтобы гидравлическое сопротивление входного канала, образованного этим отверстием и направляющей клапана 12, превышало гидравлическое сопротивление выходного канала в диске 8 при полном открытии клапана поворотом штока 5 на соответствующий угол.

Задвижка работает следующим образом.

Для перестановки затвора в положение "открыто" или "закрыто" рукояткой 6 шток 5 поворачивают в положение когда клапан 12 открыт (фиг. 1 и 2). В этом положении затвор задвижки можно перемещать в корпусе в любое положение без взаимного трения уплотнительных поверхностей, поскольку при постепенном перекрытии трубопровода давлением запираемой среды мембранная коробка благодаря указанному выше соотношению гидравлических сопротивлений каналов сжимается на ход δ . Такой же зазор возникает между уплотнением 9 и седлом 4. Нагрузка от перепада давления на затворе воспринимается роликами 15 и корпусом 1. Из этого положения затвор легко перемещается в корпусе, поскольку коэффициент трения качения на роликах составляет малую величину (0,005-0,01).

Для герметичного перекрытия трубопровода рукояткой 6 поворачивают шток 5 на заданный угол. При этом исчезает подпор толкателя клапана 12, и он давлением рабочей среды мгновенно закрывается. Давление в полости мембранной коробки повышается до уровня давления в трубопроводе. Так как торцевая площадь полости коробки больше площади диска, ограниченной кольцевым уплотнением, происходит прижим уплотнения к седлу.

Открытие затвора осуществляют в обратном порядке, поворачивают шток 5 рукояткой 6, открывая тем самым клапан 12 и стравливая давление из полости мембранной коробки. Последняя сжимается под действием давления среды в трубопроводе и уплотнительный узел размыкается, затем перемещают затвор в крайнее верхнее положение. При этом отверстие 17 с направляющим патрубком 18 образуют цилиндрический проточный канал, полностью сохраняющий геометрию потока в трубопроводе.

При начальном передвижении затвора в корпусе из положения "закрыто" блоки роликов 15 прижаты к стенке корпуса давлением среды с большой силой. Поэтому их проскальзывание в пазах исключено. По мере подъема затвора сила прижима ослабевает. Близко к крайнему положению "открыто" сила давления потока среды почти исчезает и ролики прижимаются к стенке только силой упругости мембранной коробки. В этом положении тупики боковых пазов каретки 14 приближаются к рамкам сепараторов 16. Если происходит некоторое рассогласование перемещения левого и правого блока роликов, то один из них раньше уткнется в тупик и при полном подъеме затвора произойдет выравнивание блоков в правильное исходное положение перед обратным движением затвора. При закрытии затвора сила защемления роликов нарастает за счет давления потока на затвор. Так как проскальзывание их при этом исключается, то рассогласование положения роликов левого и правого блоков может составлять незначительную величину, обусловленную неточностью изготовления диаметров роликов. При каждом полном открытии затвора рассогласование устраняется и накопление ошибки положения роликовых блоков не происходит.

В задвижках с небольшим диаметром условного прохода вместо роликов можно применять опоры из антифрикционного материала, например фторопласта. В других случаях, например, для задвижек с большим диаметром условного прохода стабилизацию положения блоков катков можно осуществить другими мерами, например выполняя блоки в виде бесконечных роликовых конвейеров с гибким сепаратором.

Предлагаемая задвижка обладает рядом принципиальных технических преимуществ перед аналогами. Износ поверхностей уплотнения в ней за счет их взаимного трения в момент переключения практически исключен. Вследствие малого хода δ (практически меньше 0,5 мм) мембраны, образующие мембранную коробку, работают в области малых упругих деформаций. В этих условиях достигается большое число рабочих циклов "сжатия-растяжения" мембран. Задвижка сохраняет высокую герметичность уплотнения затвора в условиях вибрации и температурных перепадов, так как все происходящие при этом изменения в уплотнительном узле мгновенно компенсируются упругим поджатием поверхности уплотнения. Все элементы затвора могут выполняться полностью из жаростойких, коррозионностойких и других специальных материалов, расширяющих сферу применения задвижки. Использование предлагаемой задвижки по сравнению с известной позволяет упростить конструкцию, повысить ее надежность и быстродействие.

С учетом оборудования задвижки приводным механизмом могут быть реализованы следующие ее параметры: диаметр условного прохода 40-1200 мм; давление перекрываемой среды 0,2-40 МПа; быстродействие до 1-2 с; предельное число рабочих циклов мембранной коробки до 10⁶ раз; степень герметичности перекрытия трубопровода - до высшего класса.

Высокие параметры задвижки обеспечиваются при сравнительно простой конструкции основных деталей и умеренных требованиях к точности их изготовления. Предлагаемая задвижка позволяет снизить затраты на изготовление арматуры высокого класса, повысить безопасность эксплуатации трубопроводов высокого давления и снизить мощность привода для управления задвижкой.

Наибольший эффект от использования изобретения можно получить в энергетической арматуре высоких параметров, в газопроводах и нефтепроводах большого диаметра, особенно там, где важно снижение перестановочных усилий на органах управления, а также в металлургии в качестве отсечных и регулирующих устройств для управления технологическими потоками кислорода и топлива, подаваемого в сталеплавильные агрегаты. Для таких устройств большое значение имеют быстродействие управления потоками и достижение надежной герметичности запорной арматуры.

Формула изобретения

1. ЗАДВИЖКА, содержащая корпус, шток управления и шиберный затвор, выполненный в виде круглой мембранной коробки, установленной на каретке, снабженной кольцевым уплотнительным элементом и состоящей из двух жестких дисков, герметично соединенных между собой связкой мембран, отличающаяся тем, что в центрах дисков выполнены проходные отверстия, между которыми установлен запорный клапан, имеющий седло, расположенное на диске, прикрепленном к каретке, при этом клапан снабжен толкателем, образующим с выемкой на штоке кинематическую пару, а диаметр внутренней полости мембранной коробки больше наружного диаметра кольцевого уплотнительного элемента.

2. Задвижка по п.1, отличающаяся тем, что мембраны, соединяющие диски, скреплены с ними вблизи кромок центральных отверстий и выполнены с возможностью прилегания к торцам дисков всей своей торцевой поверхностью.

3. Задвижка по п.1, отличающаяся тем, что каретка и корпус снабжены опорными и направляющими плоскостями, между которыми вставлены ролики, связанные сепараторами в виде двух отдельных блоков, при этом направляющие пазы снабжены ограничительными тупиками, причем расстояние от тупиков до открытых концов пазов больше длины роликовых блоков на половину длины перестановочного хода затвора задвижки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2