Многофункциональный шаровой кран с герметичным вводом вращения (варианты)
Группа изобретений относится к трубопроводной арматуре и предназначена для регулирования и измерения различных параметров транспортируемой по трубопроводам среды. Шаровой кран содержит корпус с седлом и уплотняющими элементами, поворотную шаровую пробку с цилиндрическим проходным сечением, шток и уплотнение штока. Шток, закрепленный одним концом на поворотной шаровой пробке с помощью резьбы, и уплотнение штока выполнены в виде герметичного ввода вращения. Герметичный ввод закреплен в корпусе крана с помощью прижимного элемента и накидной гайки и состоит из трех притертых между собой по поверхности контакта, керамических шайб. Две из шайб с односторонней полировкой устанавливают неподвижно относительно корпуса крана. Третья (средняя) подвижная керамическая шайба жестко закреплена на разъемном штоке путем свинчивания двух отдельных частей штока по резьбе через уплотнения. Уплотнения установлены в углублениях подвижной шайбы. Подвижная шайба отполирована с двух сторон по поверхностям контакта с неподвижными шайбами. Шток выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным отверстием. Это отверстие соединяет полость проходного сечения шаровой пробки с измерительным прибором. Имеется вариант выполнения шарового крана. Группа изобретений направлена на повышение надежности и долговечности, а также на расширение функциональных возможностей шаровых кранов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройствам в области запорно-регулирующей арматуры и может быть широко использовано для регулирования и измерения различных параметров транспортируемой по трубопроводам среды в системах промышленного и жилищно-коммунального газо-водоснабжения с возможностью установки различных датчиков и других функциональных устройств не прибегая к дополнительным врезкам в действующих трубопроводах.
Одним из наиболее уязвимых мест запорно-регулирующей арматуры, влияющих на ее надежность и долговечность, является уплотнение шпинделя или штока. В большинстве кранов более ранних конструкций например, [а.с. СССР №1516703, 1986] и до настоящего времени применяют в качестве уплотнений штока одно или несколько уплотнительных колец, расположенных в кольцевых канавках штока или корпуса крана,
Известны шаровые краны [RU №2161746, 1999, RU №2098706, 1995], в конструкции которых повышение надежности и долговечности уплотнений штока и поворотной пробки (подверженных износу деталей крана) пытаются решить изменением материала уплотнений или использованием промежуточной прослойки между трущимися поверхностями, а также усовершенствованием технологии изготовления отдельных деталей, устройством переточных каналов и технологии сборки шаровых кранов. Однако такие попытки недостаточно влияют на желаемый результат, хотя сопротивление износу таких уплотнений повышается.
Известен шаровой кран [RU №2031294, 1991], в котором проблему долговечности и надежности уплотнений пытаются решить путем сброса давления на шаровую пробку и другие детали крана через специальный клапан сброса давления, установленный в подпятнике крана, и тем самым уменьшить силу трения между уплотнениями и деталями крана. Это также недостаточно влияет на повышение срока эксплуатации крана, хотя истираемость уплотнений в этом случае несколько снижается.
Наряду с повышением надежности и долговечности уплотнений немаловажной задачей при конструировании запорно-регулирующих устройств является задача измерения параметров транспортируемой среды.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является шаровой кран [RU №2243437, 2002], прототип, содержащий корпус, шаровую пробку, установленную в корпусе с возможностью поворота, входное и выходное концевые соединения, уплотнения и устройство для контроля за герметичностью уплотнений шарового крана путем врезки дополнительных каналов в его корпус.
В этой конструкции по величине давления, измеряемого с помощью манометра, судят о состоянии уплотнений и потере герметичности в процессе эксплуатации шарового крана. Это дает возможность достаточно точно определить износ уплотнений, близкий к критическому, и вовремя произвести замену уплотнений или шарового крана, что повышает надежность его эксплуатации. Однако наличие дополнительных врезок в корпус крана существенно усложняет его конструкцию. Кроме того, не решается вопрос повышения долговечности уплотнений шарового крана.
Задачей заявляемого устройства является повышение надежности и долговечности уплотнений штока шарового крана, упрощение конструкции при одновременном увеличении его функциональных возможностей, а также расширение области его применения.
В первом варианте поставленная задача решается тем, что шток, закрепленный одним концом на поворотной шаровой пробке с помощью резьбы и уплотнение штока, выполнены в виде герметичного ввода вращения (ГВВ), закрепленного в корпусе крана с помощью прижимного элемента и накидной гайки и состоящего из трех, притертых между собой по поверхности контакта, керамических шайб, две из которых с односторонней полировкой устанавливают неподвижно относительно корпуса крана, а третья (средняя) подвижная керамическая шайба, жестко закрепленная на разъемном штоке путем свинчивания двух отдельных частей штока по резьбе через уплотнения, установленные в углублениях подвижной керамической шайбы, отполирована с двух сторон по поверхностям контакта с неподвижными керамическими шайбами, при этом шток выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным отверстием, соединяющим полость проходного сечения шаровой пробки крана с измерительным прибором.
Уплотнение в виде узла из трех керамических шайб, средняя из которых полирована с двух сторон и зафиксирована от вращения относительно штока путем изготовления выступа на внешней поверхности штока (в виде квадрата, или прямоугольника, или другой конфигурации) и соответствующего гнезда в углублении подвижной керамической шайбы, заодно со штоком вращается между двумя неподвижными керамическими шайбами, установленными вместе с уплотнениями неподвижно относительно корпуса крана, наиболее эффективно в случае использования шарового крана в устройствах с повышенной температурой окружающей и транспортируемой среды и значительно увеличивает срок эксплуатации крана. Такая конструкция уплотнения штока, когда при повороте ручки крана упругие уплотнения ГВВ относительно корпуса крана остаются неподвижными, а трение происходит по поверхности контакта полированных керамических шайб, позволяет произвести более миллиона включений и выключений крана (опытные данные) без видимых изменений поверхности контакта. При эксплуатации шарового крана в условиях воздействия агрессивных сред детали крана изготавливают из материалов устойчивых к воздействию агрессивных сред, например керамики, ситала или металлокерамики, что также расширяет область применения шарового крана.
В ряде случаев ГВВ может быть изготовлен со штоком в виде сплошного цилиндрического стержня, при этом весь узел уплотнения закрепляют в корпусе крана через неподвижные уплотнения с использованием прижимного элемента, например плоской пружины и прижимной гайки, а конец штока с сечением в виде квадрата или прямоугольника свободно входит в гнездо такой же конфигурации на шаровой пробке крана, что упрощает конструкцию узла уплотнения и его сборку в целом.
Во втором варианте задача решается тем, что уплотнение штока выполнено в виде ГВВ, состоящего из шарового узла, включающего седла с уплотнениями, которые установлены неподвижно относительно корпуса крана, и шток, выполненный заодно со сплошной сферической пробкой, при этом ГВВ закреплен в корпусе крана с помощью прижимного элемента и накидной гайки, а шток, соединенный с шаровой пробкой с помощью резьбы, имеет по меньшей мере одно сквозное отверстие.
ГВВ в виде узла из шарового затвора также является достаточно надежным уплотнением штока. Эта надежность и долговечность обеспечивается малым износом уплотнений подвижной сферической пробки, поскольку отсутствует проходное отверстие в самом шаре, при этом эффективность уплотнения сферической пробки штока как бы удваивается (нижнее уплотнение в случае его износа дублируется верхним уплотнением). Кроме того, имеется возможность относительно свободного доступа для смазки трущихся поверхностей уплотнений и возможность поджатия уплотнений с помощью прижимной гайки и пружины по мере износа уплотнений, что значительно продлевают срок эксплуатации такого уплотнения.
Устройство в штоке одного или нескольких сквозных отверстий в зону проходного сечения крана позволяет оперативно производить отбор транспортируемой среды для различных анализов, вводить различные среды, например, для очистки внутренней поверхности трубопровода от загрязнений, для охлаждения деталей крана от воздействия высокотемпературной среды (причем вводят среду, аналогичную транспортируемой, но при более низкой температуре), для смешивания транспортируемой среды с другими вспомогательными средами, для ввода смазки между шаровой пробкой и уплотнениями и т.п. Предлагаемая конструкция штока с одним или несколькими отверстиями значительно расширяет технические возможности шарового крана. Используя сквозные отверстия в штоке, можно производить несколько различных измерений одновременно. Например, можно измерять одновременно давление, температуру и расход транспортируемой среды в проходном сечении шаровой пробки.
Кроме того, устройство отверстий в штоке позволяет не только устанавливать первичные датчики в проходном сечении крана (термопара, датчик расхода и др.) без дополнительных врезок в корпус крана, но и заменять их в случае поломки не разбирая крана. Такое техническое решение упрощает конструкцию шарового крана и значительно расширяет область его применения. Герметизация соединительных элементов (проводов, трубок малого диаметра...) также решается достаточно просто с помощью резьбы на противоположном конце штока, прижимной гайки и упругих уплотнений, или с помощью герметика. Упрощение конструкции и его сборки рассматривается применительно к его многофункциональности и в сравнении с прототипом.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технических результатов, которые позволяют улучшить характеристики прототипа, применяя ГВВ с использованием керамических шайб или в виде шарового затвора, собранных в виде одного узла совместно с полым штоком, который соединяет ГВВ с поворотной шаровой пробкой и одновременно с проходным сечением крана, что повышает надежность крана, увеличивает срок его эксплуатации и расширяет область его применения.
Заявляемое устройство отличается от прототипа конструкцией уплотнения штока и конструкцией самого штока, так что эти отличия позволяют повысить надежность и срок эксплуатации шарового крана, а также обеспечить расширение его технических возможностей и области применения.
Заявляемое устройство отличается от известных авторам устройств уплотнением штока повышенной надежности, что повышает надежность и долговечность шарового крана в целом, выполнением отверстий в штоке для измерения параметров транспортируемой среды и других технических задач, что говорит о его многофункциональности, расширении технических возможностей и области применения. Все это позволяет судить о соответствии заявляемого решения поставленной задаче и критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано продольное сечение крана в сборе с уплотнением штока в виде ГВВ с использованием трех керамических шайб и возможностью ввода или отбора среды через сквозное отверстие в штоке, на фиг.2 показано продольное сечение крана в сборе с ГВВ в виде шарового узла с термодатчиком, установленным в сквозном отверстии штока, на фиг.3 приведена схема сборки ГВВ с использованием трех керамических шайб со штоком, который имеет вид сплошного цилиндрического стержня, на фиг.4 приведена схема соединения проходного сечения шаровой пробки с прибором для измерения давления (манометром), на фиг.5 приведена схема сборки ГВВ в виде шарового узла и соединение его с шаровой пробкой.
Шаровой кран с ГВВ в первом варианте (фиг.1) состоит из корпуса 1, уплотнения 2 шаровой пробки 3, нижнего уплотнения 4 ГВВ, уплотнений 5 штока 7, верхнего уплотнения 6 ГВВ, прижимного элемента 8, гайки 9, неподвижной керамической шайбы 12, подвижной керамической шайбы 13, нижней неподвижной керамической шайбы 14, подвижного седла с уплотнением 15 шаровой пробки 3, уплотнения 16 седла 15 относительно корпуса 1, прижимного элемента 17 седла 15, шайбы 18 и концевого патрубка 19.
При использовании ГВВ в виде шарового затвора во втором варианте (фиг.2) шаровой кран состоит из корпуса 1, уплотнения 2 шаровой пробки 3, нижнего уплотнения 4 ГВВ, верхнего уплотнения 6 ГВВ, штока 7, прижимного элемента 8, гайки 9, верхнего и нижнего седла, изготовленных заодно с уплотнениями 10 сферической пробки 11.
Сборка крана в первом варианте (фиг.1) производится следующим образом. В корпус крана 1 в сборе с уплотнением 2, со стороны входного концевого патрубка 19 вставляют шаровую пробку 3. Затем вставляют подвижное седло 15, уплотнение 16 седла 15, прижимной элемент 17, шайбу 18 и завинчивают с небольшим усилием концевой патрубок 19. Далее производят сборку ГВВ. Сначала производят сборку штока 7, установив уплотнения 5 в углублениях средней керамической шайбы 13 и свинчивая разъемные части штока по резьбе. Свинчивание деталей по резьбе во избежание прокручивания производят с применением герметика, а также с устройством специальных выступов на наружной поверхности штока 7 и соответствующих углублений в средней керамической шайбе 13. Затем устанавливают нижнее уплотнение 4, нижнюю керамическую шайбу 14 и закручивают шток 7 в шаровую пробку 3, прижимая одновременно нижнюю керамическую шайбу 14 с уплотнением 4 к основанию гнезда для установки ГВВ в корпусе 1. Далее устанавливают верхнюю керамическую шайбу 12, верхнее уплотнение 6, прижимной элемент 8 и закрепляют накидной гайкой 9. Усилие прижатия узла уплотнения штока также регулируют с помощью гайки 9. Затем окончательно закрепляют концевой патрубок 19. Для упрощения схемы чертежей корпус 1 шарового крана приведен с одним разъемным концевым патрубком 19. При наличии двух концевых патрубков, входного и выходного, схема сборки крана не меняется.
Если в конструкции шарового крана предусмотрен шток в виде сплошного цилиндрического стержня (фиг.3), то сначала производят сборку корпуса 1 крана с шаровой пробкой 3 и другими деталями, а затем производят сборку ГВВ. Устанавливают уплотнение 4, керамическую шайбу 14, а затем шток 7 устанавливают в гнездо шаровой пробки 3, далее на выступ штока 7 устанавливают одно уплотнение 5 и керамическую шайбу 12, после чего устанавливают верхнее уплотнение 6, прижимной элемент 8 и закрепляют прижимной гайкой (на фиг.3 не показана). Гнездо в шаровой пробке 3 выполнено в форме квадрата или прямоугольника. Такую же конфигурацию имеет нижний конец штока 7. В основании гнезда шаровой пробки 3 имеется зазор, чтобы шток мог свободно перемещаться вверх-вниз в процессе регулировки усилия прижатия ГВВ, при этом в зазоре устанавливают пружину (на фиг.3 не показана), которая давит на торец штока 7 и вместе со штоком прижимает уплотнение 5 в углублении керамической шайбы 13.
Сборку ГВВ, выполненного в виде шарового затвора во втором варианте (фиг.2), производят следующим образом. Если сам шток 7 выполнен заодно со сферической пробкой 11 (фиг.4, 5), то сначала, по описанной выше схеме, устанавливают шаровую пробку 3, предварительно сделав в ней резьбу или гнездо с конфигурацией, соответствующей конфигурации на конце штока 7. Далее производят сборку крана по аналогии со схемой фиг.1, затем устанавливают нижнее уплотнение 4 и нижнее седло 10, которое выполнено заодно с уплотнением сферической пробки 11, закручивают или вставляют в шаровую пробку 3 шток 7 устанавливают верхнее уплотнение 6 и верхнее седло 10 на сферическую пробку 11, устанавливают прижимной элемент 8 и прижимают через шайбу гайкой 9. Шток 7 может быть разъемным. При этом сначала изготавливают сферическую пробку 11 с отверстием для установки штока и уплотнений в углублениях сферической пробки 11, а шток из двух частей свинчивают с использованием уплотнений в выемках сферической пробки 11 по аналогии со сборкой разъемного штока на фиг.1.
В таком исполнении шаровой кран работает обычным способом. Открытие шарового крана осуществляют поворотом рукоятки штока 22 (фиг.4) на угол от 0 до 90 градусов, закрытие крана - в обратном направлении, а манометр 23, установленный на штоке 7, поворачивается вместе со штоком. Прижатие уплотнений в углублениях подвижной керамической шайбы 13 обеспечивается выступами на обеих половинках разъемного штока 7 в процессе их свинчивания. Упрощение сборки достигается за счет технологии изготовления отдельных деталей ГВВ с определенной геометрической формой. Керамические шайбы 12, 14 узла уплотнения штока 7 изготавливают с внешним контуром в форме квадрата, чтобы сразу зафиксировать их в корпусе, имеющем такое же по геометрии ответное посадочное место, от их вращения относительно корпуса 1 крана.
Подвижная керамическая шайба 13 выполнена в виде таблетки с углублениями посередине. С одной стороны углубление имеет форму квадрата и на штоке 7 также имеется выступ в виде квадрата, который входит в это посадочное место керамической шайбы 13. С другой стороны подвижной шайбы 13 углубление имеет вид круга и, соответственно, на второй половине штока 7 имеется круглый выступ с отверстиями для штифта. Отверстия для штифта выполнены и со стороны круглого углубления подвижной керамической шайбы 13. Соединение штока 7 с помощью резьбы и установкой штифта в одно из отверстий обеспечивает дополнительную фиксацию штока 7 от раскручивания.
При использовании шарового крана с герметичным вводом вращения, включающем три керамические шайбы, в высокотемпературных средах в качестве уплотнений неподвижных керамических шайб и подвижной керамической шайбы относительно штока могут быть применены материалы с высокой температурой плавления, например, из свинца, олова, отожженой меди и т.п.
1. Шаровой кран, содержащий корпус с седлом и уплотняющими элементами, поворотную шаровую пробку с цилиндрическим проходным сечением, шток и уплотнение штока, отличающийся тем, что шток, закрепленный одним концом на поворотной шаровой пробке с помощью резьбы, и уплотнение штока выполнены в виде герметичного ввода вращения, закрепленного в корпусе крана с помощью прижимного элемента и накидной гайки и состоящего из трех притертых между собой по поверхности контакта керамических шайб, две из которых с односторонней полировкой устанавливают неподвижно относительно корпуса крана, а третья - средняя подвижная керамическая шайба, жестко закрепленная на разъемном штоке путем свинчивания двух отдельных частей штока по резьбе через уплотнения, установленные в углублениях подвижной керамической шайбы, полирована с двух сторон по поверхностям контакта с неподвижными керамическими шайбами, при этом шток выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным отверстием, соединяющим полость проходного сечения шаровой пробки с измерительным прибором.
2. Шаровой кран по п.1, отличающийся тем, что шток, установленный одним концом в шаровой пробке, выполнен в виде сплошного цилиндрического стержня с выступом на внешней поверхности, соответствующим по конфигурации углублению в подвижной керамической шайбе.
3. Шаровой кран по п.1, отличающийся тем, что в сквозном отверстии штока установлен термодатчик, чувствительный элемент которого расположен в проходном сечении шаровой пробки.
4. Шаровой кран по п.1, отличающийся тем, что в сквозном отверстии штока установлен датчик расхода транспортируемой среды, чувствительный элемент которого расположен в проходном сечении шаровой пробки.
5. Шаровой кран, содержащий корпус с седлом и уплотняющими элементами, поворотную шаровую пробку с цилиндрическим проходным сечением, шток и уплотнение штока, отличающийся тем, что шток и его уплотнение выполнены в виде герметичного ввода вращения, состоящего из шарового узла, включающего седла с уплотнениями, которые установлены неподвижно относительно корпуса крана, и шток, выполненный заодно со сплошной сферической пробкой, при этом герметичный ввод вращения закреплен в корпусе крана с помощью прижимного элемента и накидной гайки, а шток, соединенный с шаровой пробкой с помощью резьбы, имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие.
6. Шаровой кран по п.5, отличающийся тем, что в сквозном отверстии штока установлен термодатчик, чувствительный элемент которого расположен в проходном сечении шаровой пробки.
7. Шаровой кран по п.5, отличающийся тем, что в сквозном отверстии штока установлен датчик расхода транспортируемой среды, чувствительный элемент которого расположен в проходном сечении шаровой пробки.
