Отсечной клапан

 

Использование: в области гидропневмоавтоматики. Сущность изобретения: отсечной клапан содержит корпус с входным и выходным отверстиями, входной и выходной полостями, запорный орган и обводной канал. В корпусе размещен поворотный элемент, в котором выполнены входное и выходное сопла, сообщенные соответственно с входной и выходной полостями. Соосно соплам в поворотном элементе выполнен профилированный канал, в котором размещен запорный орган например в виде шара, между концами профилированного канала и соплами установлены цилиндрические насадки с зазорами между их торцами и торцами сопел и сообщенные указанными зазорами с обводным каналом. Профилированный канал выполнен в виде соединенных большими основаниями двух усеченных конусов. 1 ил.

Изобретение относится к автоматизированной пневмогидравлической запорной аппаратуре, в частности к отключающим и отсечным клапанам для трубопроводов, транспортирующих маловязкие жидкости.

Запорно-отсечной клапан является одним из основных устройств для быстрого перекрытия трубопровода в случае аварийного увеличения расхода или изменения направления потока жидкости, что обычно сопутствует аварийным ситуациям.

Известна конструкция отсечного (отключающего) клапана, имеющего цилиндрический корпус с входными отверстиями и установленный в корпусе подпружиненный плунжер, соединенный со сквозным отверстием входа и выхода среды [1] Недостатком известной конструкции клапана является его недостаточная надежность срабатывания, обусловленная тем, что сила, закрывающая клапан, обусловлена только размером проходного отверстия и перепадом давлений на нем за вычетом сил, развиваемых пружинами.

Поэтому при малых расходах, а следовательно, и малых перепадах давлений на клапане, реализация перекрытия клапаном трубопровода затруднена. Кроме того, данная конструкция не обеспечивает работы клапана в обратном направлении, что сужает его функциональные возможности.

Известна конструкция клапана, частично устраняющая эти недостатки и содержащая цилиндрический корпус с входными и выходными отверстиями в торцовых крышках и установленный в корпусе подпружиненный запорный орган в виде плунжера со сквозным клапаном и установленной перегородкой, обводным каналом и дополнительным запорным элементом со смещенным входным отверстием в запорной ступенчатой втулке [2] В этой конструкции по сравнению с [1] надежность повышена за счет увеличения площадей запорных элементов по сравнению с проходными отверстиями для рабочей жидкости, что существенно увеличивает силу закрытия клапана.

Недостатком известной конструкции является малое быстродействие, особенно при малых давлениях и расходах, что объясняется той существенной работой, которую должен произвести при закрытии клапан за счет мощности самого потока транспортируемой жидкости, затрачиваемой на сжатие пружины и преодоление трения в уплотнениях плунжеров. Существенно, что при закрытии возникает некомпенсируемая отрицательная обратная связь, требующая энергии для ее компенсации. Кроме того, клапан не обеспечивает перекрытие потока при изменении направления движения последнего, а наличие пружины и двух взаимосвязанных функционально перекрывающих поток плунжеров существенно снижают надежность работы клапана, особенно при малых мощностях потока.

Задачей изобретения является повышение надежности выполнения основной функции за счет существенного уменьшения количества подвижных элементов, осуществляется перенастройки уровня расхода, при котором происходит перекрытие трубопровода без отключения потока жидкости, а также расширение функциональных возможностей клапана за счет использования его в качестве обратного клапана.

Технический результат достигается за счет того, что в отсечном клапане, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, входной и выходной полостями, запорный орган и обводной канал, в корпусе размещен поворотный элемент, в котором выполнены входное и выходное сопла, сообщенные соответственно с входной и выходной полостями корпуса, соосно соплам в поворотном элементе выполнен профилированный канал, в котором размещен запорный орган, например, в виде шара, между концами профилированного канала и соплами установлены цилиндрические насадки с зазорами между их торцами и торцами сопел и сообщенные указанными зазорами с обводным каналом, а профилированный канал выполнен в виде соединенных большими основаниями двух усеченных конусов.

Сравнение изобретения с прототипом показало, что сопряжение запорного элемента с профилированным каналом обеспечивает ему две степени свободного линейного перемещения, а центрирующие его насадки выполнены соосно входному и выходному соплам, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "новизна".

Сравнение изобретения с известными устройствами показало, что такое конструктивное решение позволяет при уменьшении запорных элементов до одного обеспечить функцию прерывания потока жидкости в прямом направлении при превышении потоком расчетного расхода и при изменении направления потока жидкости. Кроме того, изменение положения, например, оси выходного сопла относительно вертикали, позволяет осуществлять регулирование уровня допустимого расхода практически от максимально расчетного до нуля. Кроме того, выполнение канала профилированным и оснащение его концов цилиндрическими насадками позволяет реализовать положительную обратную связь, увеличивающую силу перекрытия сопел за счет гидродинамических эффектов. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения условию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена конструктивная схема отсечного клапана.

Клапан содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями. В корпусе 1 размещен поворотный элемент 4, в котором выполнены обводной канал 5, входное 6 и выходное 7 сопла, профилированный канал 8, концы которого соединены с цилиндрическими насадками 9 и 10.

В профилированном канале 8 размещен подвижный запорный элемент, выполненный в виде шара 11.

Поворотный элемент 4 размещен в корпусе 1 с образованием двух полостей - входной 12 и выходной 13.

Клапан работает следующим образом.

К входному отверстию 2 подключен трубопровод, по которому поступает рабочая жидкость. При этом шар 11 под действием гидродинамической силы выталкивается жидкостью из цилиндрической насадки 9, а жидкость основным потоком проходит через каналы 5 в сопло 7 и уходит через выходное отверстие 3 в трубопровод, по которому жидкость отводится от клапана к потребителю. Трубопроводы на чертеже не показаны.

При увеличении расхода до предельно заданного шар 11 под действием увеличивающейся гидродинамической силы выталкивается в профилированный канал 8, где занимает место в настолько широком сечении, чтобы за счет уменьшения скоростного потока уменьшилось его лобовое сопротивление и гидродинамическая сила, вызванная этим сопротивлением, уменьшилась и уравновесилась весом шара. Вектор же веса шара (Р_вес) при отклонении оси канала 8 от вертикали будет противодействовать гидродинамической силе потока жидкости в этом же канале. Это в первом приближении можно записать выражением P_вес=P·cosα, где P=ρgV ρ плотность материала шара; g 9,81 м/с² ускорение Земного притяжения; V объем шара; a угол наклона стенки канала 8, на которую опирается шар относительно вертикали к земной поверхности.

Таким образом, чем ближе ось канала 8 к вертикали, а следовательно, и поверхности сечений, в которых находится шар, тем больший рабочий расход жидкости можно осуществить при неизменном расстоянии шара от входного сопла и наоборот.

При максимально допустимом расходе шар занимает самое широкое сечение канала 8, а при увеличении расхода сверх максимально допустимого происходит перемещение шара из самой широкой части канала 8 ближе к выходной насадке 10 в сужающуюся часть профилированного канала, а это вызывает резкое нарастание гидродинамической силы, заставляющей шар, перекатываясь по сужающейся части канала 8, направиться в насадку 10, где он с минимальным зазором перемещается в направлении сопла 7 и полностью перекрывает его. Характерно, что при попадании в сужающуюся хвостовую часть канала 8, шар 11 из-за дросселирования в этой части испытывает все больший перепад давлений по своему мидилевому сечению, а потому сила, его перемещающая, все увеличивается, т.е. осуществляется положительная обратной связь, которая усиливается при приближении шара к торцу сопла 7, так как при этом вступает в силу понижение давления в потоке жидкости из каналов 5 в сопло 7 из-за образования дросселя (а следовательно, и увеличения местной скорости потока) между поверхностью шара 11 и торцем сопла 7. В итоге шар 11 плотно перекрывает выходное сопло 7, отсекая полностью поток жидкости.

В случае же изменения направления потока, что возможно, например, при разрыве подводящей трубы газопровода, шар 11 перемещается опять-таки по суживающейся (начальной) части профилированного канала 8 к насадке 9 и плотно закроет при воздействии аналогичных гидродинамических сил, нарастающих по мере приближения шара 11 к торцу сопла 7, указанное сопло 7. Тем самым осуществляется и вторая функция отсечного клапана при изменении направления потока.

В практике часто встречается необходимость периодически изменять предельно допустимый расход, например, зимой и летом в газовых и тепловых гидросетях из-за разности расходов потребителей. Предлагаемый клапан позволяет легко осуществлять такую регулировку. Для этого он рассчитывается на максимальный расход при вертикальном положении от профилированного канала 8, а на меньшие допустимые расходы клапан настраивается путем поворота вокруг горизонтальной оси. Угол поворота может быть определен как теоретически, так и экспериментально. Механизм поворота и уплотнение на фиг.1 не показаны, чтобы не затенять суть предлагаемого.

В особых случаях, например, при использовании в космосе шар может удерживаться в исходном положении, а также в рабочем, вместо гравитационной силы магнитной силой, либо механической, например пружиной. Однако и в этом случае наличие положительной обратной связи по усилию при закрытии клапана существенно нейтрализует влияние отрицательной обратной связи пружин и способствует плотному перекрытию потока жидкости.

Формула изобретения

Отсечной клапан, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, входной и выходной полостями, запорный орган и обводной канал, отличающийся тем, что в корпусе размещен поворотный элемент, в котором выполнены входное и выходное сопла, сообщенные соответственно с входной и выходной полостями корпуса, соосно с соплами в поворотном элементе выполнен профилированный канал, в котором размещен запорный орган, например, в виде шара, между концами профилированного канала и соплами установлены цилиндрические насадки с зазорами между их торцами и торцами сопл и сообщенные указанными зазорами с обводным каналом, а профилированный канал выполнен в виде соединенных большими основаниями двух усеченных конусов.

РИСУНКИ

Рисунок 1