Клапан

Изобретение относится к области трубопроводного арматуростроения и предназначено для перекрытия и пропускания потока жидкой или газовой турбулентной среды в гидравлических системах. Клапан содержит корпус с седлом, золотник с центрирующими элементами, входной и выходной каналы, проточную камеру. Задняя стенка проточной камеры максимально приближена к продольной оси клапана и в поперечном сечении представляет собой гладкую кривую, например в виде половины эллипса. Меньший радиус упомянутого эллипса совпадает с наибольшим радиусом золотника. Больший радиус определяется из условия равенства площадей сечения входного канала и проточной камеры при открытом клапане. Изобретение направлено на снижение коэффициента гидравлического сопротивления клапана. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к трубопроводному арматуростроению.

Термин «проточная камера» обозначает наиболее широкую полость в проточном канале арматуры. К этой полости подведены входной и выходной патрубки с внутренними каналами подачи среды, в ней размещены запирающий орган и седло, охватывающее входной канал.

В известном вентиле высокого давления (патент RU 2014533, кл. F 16 К 1/02) проточная камера соосна с запорным органом и седлом, охватывающим входной канал вентиля, в ее поперечном сечении противоположная (задняя) и прилегающая (передняя) к выходному каналу стенки проточной камеры симметричны относительно этой продольной оси вентиля. При таком симметричном расположении при течении жидкой или газовой турбулентной среды в части камеры вблизи задней стенки, которую можно назвать боковым карманом проточной камеры, возникает вихревая застойная зона (Идельчик И.Е. «Аэрогидродинамика технологических аппаратов. Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов». - М.: Машиностроение, 1983 г., с.28). При этом эффективное проходное сечение и пропускная способность входного канала вентиля снижаются, а в скорости и давлении потока возникают дополнительные пульсации, что в итоге приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления вентиля и снижению его пропускной способности.

Клапан сильфонный (полезная модель RU 29354, кл. F 16 К 1/02) также содержит соосную с запорным органом и седлом проточную камеру, поперечное сечение которой относительно этой продольной оси вентиля ограничено симметричными задней и передней стенками. В образовавшемся боковом кармане проточной камеры клапана вблизи задней стенки также возникает вихревая застойная зона, что в итоге приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления клапана и снижению его пропускной способности.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа клапан (полезная модель RU 33198, кл. F 16 К 1/02). Клапан содержит корпус с седлом, золотник с центрирующими элементами, входной и выходной каналы, проточную камеру. Проточная камера соосна с седлом, охватывающим входной канал клапана, и золотником с центрирующими элементами, в ее поперечном сечении противоположная (задняя) и прилегающая (передняя) к выходному каналу стенки проточной камеры симметричны относительно этой продольной оси клапана. При таком симметричном расположении в части камеры вблизи задней стенки при течении жидкой или газовой турбулентной среды возникает вихревая застойная зона. Вихревые структуры или вихревые нити в боковом кармане проточной камеры не попадают в выходной проточный канал, поскольку он занят другими вихревыми структурами входящего потока. Образовавшаяся запертая вихревая структура в боковом кармане проточной камеры, поддерживаемая, обтекаемая и запираемая входящим вихревым турбулентным потоком, находится в положении неустойчивого равновесия. При случайном возмущении входящего потока внутри клапана, например небольшой пульсации давления рабочей среды, вихрь из запертого бокового кармана может попасть в выходной канал, оттесняя вихри входящего турбулентного потока, тем самым снижая эффективное проходное сечение клапана и его пропускную способность. Происходит увеличение коэффициента гидравлического сопротивления клапана и снижение его пропускной способности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение коэффициента гидравлического сопротивления клапана.

Указанная задача решается за счет того, что в клапане, содержащем корпус с седлом, золотник с центрирующими элементами, входной и выходной каналы и проточную камеру, задняя стенка проточной камеры максимально приближена к продольной оси клапана и в поперечном сечении представляет собой гладкую кривую, например в виде половины эллипса, меньший радиус которого совпадает с наибольшим радиусом золотника, а больший радиус определяется из условия равенства площадей сечения входного канала и проточной камеры при полностью открытом клапане.

В частном случае изготовления передняя стенка проточной камеры имеет форму, идентичную задней стенке, смещенную относительно продольной оси поперечного сечения проточной камеры в сторону выходного канала на величину «а», определяемую также из условия равенства площадей сечения входного канала и проточной камеры при полностью открытом клапане.

Форма передней стенки проточной камеры может быть также выполнена в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого совпадает с большим диаметром эллипса поперечного сечения задней стенки, а диаметр меньшего основания равен диаметру выходного канала.

На фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемого клапана.

На фиг.2 показана картина вихревых течений в поперечном сечении цилиндрической

проточной камеры прототипа.

На фиг.3 представлено поперечное сечение проточной камеры с эллиптической задней

стенкой и идентичной ей эллиптической передней стенкой.

На фиг.4 представлено поперечное сечение проточной камеры с эллиптической задней

стенкой и конической передней стенкой.

Клапан содержит корпус 1 с седлом 2, золотник 3 с центрирующими элементами 4, входной 5 и выходной 6 каналы, проточную камеру 7. Задняя стенка 8 проточной камеры 7 максимально приближена к продольной оси клапана и в поперечном сечении представляет собой гладкую кривую, например в виде половины эллипса, таким образом, что меньший радиус эллипса равен максимальному радиусу золотника 3, а больший радиус эллипса определяется из условия равенства площадей сечения входного канала 5 и проточной камеры 7 при полностью открытом клапане (при поднятом золотнике 3).

Форма передней стенки 9 проточной камеры 7 может быть идентична задней стенке 8 и смещена относительно продольной оси поперечного сечения проточной камеры в сторону выходного канала на величину «а», определяемую также из условия равенства площадей сечения входного канала 5 и проточной камеры 7 при полностью открытом клапане (при поднятом золотнике 3).

Форма передней стенки 9 проточной камеры 7 может быть также выполнена в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого совпадает с большим диаметром эллипса поперечного сечения задней стенки, а диаметр меньшего основания равен диаметру выходного канала.

Клапан работает следующим образом. Поток рабочей среды поступает из входного канала 5 в проточную камеру 7. Поскольку площадь сечения входного канала 5 меньше площади сечения камеры, то попадающий в нее турбулентный вихревой поток не может заполнить всего сечения, и поэтому распределяется в камере неравномерно, струями (И.Е.Идельчик. «Аэрогидродинамика технологических аппаратов. Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов». - М.: Машиностроение, 1983 г., с.6-9.) На фиг.2 представлена картина течений прототипа в срединной плоскости сечения А-А стандартной проточной камеры цилиндрической формы при поднятом золотнике клапана, без учета центрирующих перьев. Попав из входного канала 5 в проточную камеру 7, направленный перпендикулярно плоскости чертежа вверх входящий турбулентный поток обретает радиальную компоненту скорости. Эта радиальная скорость неравномерна и в азимутальном распределении может быть представлена замкнутой кривой 10 с максимумом, направленным вдоль продольной оси выходного канала 6.

Компонента радиальной скорости потока, направленная вдоль продольной оси выходного канала 6, в первую очередь заполняет внутренний объем проточной камеры 7 вблизи ее передней стенки 9 и вытекает в выходной канал 6.

Компонента радиальной скорости потока, направленная в противоположном к выходному каналу направлении, заполняет боковой карман вблизи задней стенки 8 проточной камеры и образует т.н. вихревую застойную зону. Кроме двух вышеперечисленных компонент, в структуре скоростей потока в проточной камере есть струи, преимущественно направленные в перпендикулярном к плоскости чертежа направлении вверх и далее в выходной канал 6. Эти турбулентные струи, обтекающие вихревую застойную зону вблизи задней стенки 8 проточной камеры 7, поддерживают, но фактически запирают вихревые структуры 11 в этом боковом кармане. Здесь есть своего рода разграничительная поверхность, опирающаяся на т.н. пограничную кривую 12 и разделяющая боковой карман с вихревыми структурами 11 и основную внутреннюю область проточной камеры 7. Турбулентные струи, находящиеся по направлениям вектора скорости внутри основной области справа от пограничной кривой 12, касающейся внутренней стенки входного канала 5, имеют преимущественное протекание в выходной канал 6. И наоборот, вихревые структуры 11, попавшие в боковой карман вблизи задней стенки 8 проточной камеры 7, могут некоторое время находиться там, образовав тем самым вихревую застойную зону и не попадая в выходной канал 6. Они обтекаются турбулентными струями, расположенными в основной области проточной камеры правее кривой 12, поддерживаются ими в вихревом состоянии, однако в выходной канал какое-то время попасть не могут. Подобное равновесие вихревых структур 11 неустойчиво, при малых возмущениях в основном потоке в клапане, например пульсации давления, некоторые из вихрей 11 могут попасть в основную область проточной камеры 7 и далее в выходной канал 6. При этом какие-то турбулентные струи из основного потока проточной камеры будут оттеснены от выходного канала 6. Тем самым происходит эффективное снижение расхода турбулентной среды во входном канале 5, увеличивается коэффициент гидравлического сопротивления и снижается пропускная способность проточной камеры 7 в целом.

Отсюда можно сделать вывод, что боковой карман с вихревыми структурами 11 вблизи задней стенки 8 проточной камеры 7 является мешающим, содержащим в себе источник дополнительных пульсационных возмущений потока, приводящих к эффективному повышению коэффициента гидравлического сопротивления и снижению проходного сечения проточной камеры.

Пограничная кривая 12 представляет собой максимально приближенную к продольной оси клапана гладкую кривую, которую в первом приближении можно считать, например, близкой к половине эллипса (вдоль большей оси). Реальная форма сечения задней стенки 8 проточной камеры 7 должна быть проведена с учетом максимального радиуса золотника 3. Таким образом, задняя стенка 8 проточной камеры 7 максимально приближена к оси клапана, а ее поперечное сечение представляет собой близкую к половине эллипса (вдоль большей оси) гладкую кривую 13, меньший радиус которой совпадает с максимальным радиусом золотника 3, а больший радиус определяется из условия равенства площадей сечения входного канала 5 и проточной камеры 7 при полностью открытом клапане.

Выполнение сечения задней стенки 8 проточной камеры 7 в виде половины эллиптической кривой 13 (половина эллипса вдоль большей оси) позволяет практически полностью исключить застойную вихревую зону с вихревыми структурами 11 из объема проточной камеры, поскольку в структуре векторов скорости потока в проточной камере 7 практически полностью отсутствуют компоненты, направленные в противоположном к выходному каналу 6 направлении, что в свою очередь приводит к исчезновению источника дополнительных пульсационных возмущений потока в клапане и способствует достижению поставленной цели, а именно к снижению коэффициента гидравлического сопротивления клапана.

Проведенные численные расчеты течений в клапане предлагаемой конструкции с помощью программы CF Design (Blue Ridge Inc., USA) показали, что величина снижения коэффициента гидравлического сопротивления ξ составляет 13÷15%.

1. Клапан, содержащий корпус с седлом, золотник с центрирующими элементами, входной и выходной каналы, проточную камеру, отличающийся тем, что задняя стенка проточной камеры максимально приближена к продольной оси клапана и в поперечном сечении представляет собой гладкую кривую, например в виде половины эллипса, меньший радиус которого совпадает с наибольшим радиусом золотника, а больший радиус определяется из условия равенства площадей сечения входного канала и проточной камеры при открытом клапане.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что передняя стенка проточной камеры имеет форму, идентичную задней стенке, смещенную относительно продольной оси поперечного сечения проточной камеры в сторону выходного канала на величину «а», определяемую из условия равенства площадей сечения входного канала и проточной камеры при открытом клапане.

3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что передняя стенка проточной камеры выполнена в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого совпадает с большим диаметром эллипса поперечного сечения задней стенки, а диаметр меньшего основания равен диаметру выходного канала.