Предохранительный клапан

Предложенная полезная модель относится к области клапанного агрегатостроения, и может быть использована для стравливания из резервуаров и емкостей сверхнормативного избыточного давления рабочей среды подвергаемой термоциклированию (периодической смене температуры). Предохранительный клапан содержит размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и, выполненный в виде поршня разгрузочный элемент, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненного в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и разгрузочного элемента. Разгрузочный элемент выполнен в виде подпружиненного поршня, с возможностью предварительной регулировки усилия поджатия запорного органа, ось вращения механизма выполнена в виде закладной сферической опоры, которая сцентрирована в подпружиненном плунжере, с возможностью осевого перемещения в нем, а на плунжере жестко закреплены струбцины по обе стороны закладной сферической опоры, между каждой из струбцин и закладной сферической опорой установлено по пакету пружин сжатия, причем один из пакетов состоит из биметаллических тарельчатых пружин. Данная конструкция предохранительного клапана позволяет использовать его в системе защиты и предохранения сосудов и емкостей пневмогидравлических систем объектов, и обеспечит выполнение требований по герметизирующей способности и ресурсу полимерных уплотнений предохранительной арматуры при термоциклировании рабочей среды.

Предложенная полезная модель относится к области клапанного агрегатостроения, и может быть использована для стравливания из резервуаров и емкостей сверхнормативного избыточного давления рабочей среды подвергаемой термоциклированию (периодической смене температуры).

Известен предохранительный клапан, содержащий размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорные органы, связанные между собой рычагом, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения относительно седла запорного органа [Авторское свидетельство СССР №974004 F 16 К 17/06].

Недостатком известного клапана является наличие прямой связи между запорным органом и пружиной, приводящей к пульсации или работе в режиме автоколебания при совпадении собственных частот колебаний пружины и запорного органа при работе в широком диапазоне рабочих давлений, характерном для универсальных стендов при проверке агрегатов автоматики и управления летательных аппаратов.

Известен предохранительный клапан, содержащий размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и, выполненный в виде поршня, разгрузочный элемент, связанные между собой рычагом, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненного в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и поршня [А.С. СССР №1000652, МКИ F 16 K 17/06].

В частности для достижения герметичности поликарбонатных уплотнений запорной арматуры при температуре ниже 80°К рекомендуется

увеличивать контактное давление в них в 3,2 раза по сравнению с потребным для обеспечения герметичности в нормальных условиях, т.е. при температуре 253...293°К [Романенко Н.Т., Куликов Ю.Ф. Криогенная арматура. - М.: Машиностроение, 1978. - 110 с.].

Также известно, что при повышении температуры (больше 373°К) резко уменьшится жесткость полимерных уплотнений запорных органов, а, следовательно уменьшается (по сравнению с нормальными условиями) потребное усилие герметизации, величина которого определяет срок службы уплотнения [Гидропневмотопливные клапанные агрегаты с управляемым качеством динамических процессов: Учебно-справочное пособие / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, А.Н.Кирилин и др.; Под ред. Д.Е.Чегодаева и О.П.Мулюкина. - Самара: СГАУ, 2000. - 546 с.].

Недостатком устройства является нестабильность герметизирующей способности и силового нагружения уплотнителя запорного органа при термоциклировании рабочей среды.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является повышение герметизирующей способности полимерных уплотнений предохранительной арматуры при термоциклировании рабочей среды.

Технический результат достигается тем, что в предохранительном клапане, содержащем размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и, выполненный в виде поршня разгрузочный элемент, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненного в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и разгрузочного элемента, разгрузочный элемент выполнен в виде подпружиненного поршня, с возможностью предварительной регулировки усилия прижатия запорного органа, ось

вращения механизма выполнена в виде закладной сферической опоры, сцентрированной в подпружиненном плунжере, с возможностью осевого перемещения в нем, на котором жестко закреплены струбцины, с одной стороны закладной сферической опоры и струбциной установлен пакет биметаллических тарельчатых пружин, с другой стороны закладной сферической опоры и струбциной установлена, например цилиндрическая пружина сжатия.

Конструктивное выполнение разгрузочного элемента позволяет установить предварительно необходимое усилие прижатия запорного органа.

Перемещение закладной сферической опоры - оси вращения рычага под действием работы пакета биметаллических тарельчатых пружин и например, цилиндрической пружины сжатия позволяет получить:

- изменение величины герметизирующего усилия по уплотнению запорного органа с седлом, что обеспечивает стабилизацию величины протечек через закрытый предохранительный клапан при термоциклировании рабочей среды;

- снижение удельного герметизирующего усилия по уплотнению запорного органа с седлом при росте температуры рабочей среды, что благоприятно сказывается на увеличении ресурса полимерных уплотнений (фторопласт, картон, полиамид, поликарбонат и др.).

На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого устройства. Предохранительный клапан состоит из: 1 - корпус; 2 - клапан; 3 - седло; 4 - штуцер; 5 - струбцина; 6 - штифт; 7 - струбцина; 8 - крышка; 9 - пружина сжатия; 10 - цилиндр; 11 - поршень; 12 - рычаг; 13 - крышка; 14 - цилиндрическая пружина сжатия; 15 - сферическая закладная опора; 16 - пакет биметаллических тарельчатых пружин; 17 - штуцер; 18 - плунжер; 19 - упор; 20 - цилиндрическая пружина сжатия; 21 - направляющая; 22 - крышка.

В исходном положении (до подачи давления рабочей среды на «Вход») предохранительного клапана к штуцеру 17 герметично закрепленном в крышке 13 корпуса 1, зазор =0, так как плунжер 18 под действием пружины 20 в направляющей 21 с крышкой 22 прижимается до упора 19, при этом конструктивно обеспечено равенство плеч рычага 12 (L₁ =L₂) клапан 2 поджат к седлу 3, на штуцере 4, усилием пружины 9, установленной в поршне 11, через шарнирно-рычажный механизм с осью вращения в виде закладной сферической опоры 15. Усилие пружины 9 регулируется крышкой 8. Конструктивно обеспечено равенство усилий, развиваемых пакетами из биметаллических тарельчатых 16 и цилиндрических 14 пружин сжатия, размещенных между струбцинами 5 и 7, жестко закрепленными штифтом 6, при исходной температуре, соответствующей нормальным климатическим условиям (253...273°К). Это обеспечивает при нормальных климатических условиях постоянство осевого положения закладной сферической опоры 15 в подпружиненном плунжере 18 (L₁=L₂ ).

Принцип работы охарактеризованной конструкции рассмотрим для двух режимов с учетом основного назначения ПК оперативного стравливания из защищаемой системы (резервуары, котлы, сосуды и прочие емкости под давлением) избыточного давления рабочей среды P_ИЗБ в атмосферу или специальные отводные коллекторы (Р_ИЗБ>Р _РАБ) где Р_РАБ - давление рабочей среды допускаемое нормами безопасной эксплуатации сосудов под давлением).

Режим работы ПК без термоциклирования рабочей среды (температура рабочей среды, подводимой на «Вход» ПК постоянна или меняется незначительно).

При подводе в ПК давления рабочей среды Р_РАБ<Р _ИЗБ рычажно-шарнирная система в описанном ранее исходном положении (клапан 2

поджат к седлу 3 отсекая «Выход» ПК от его «Выхода»; зазор x=0; L₁=L₂).

Равновесие сил воздействующих на рычажно-шарнирный механизм ПК, при этом обеспечивается в силу выполнения системы зависимостей:

где - усилие предварительной затяжки цилиндрической пружины сжатия 9 с жесткостью С₉, , здесь - длина пружины 9 в свободном состоянии; - длина посадочного места в конструкции под пружину 9], - усилие предварительной затяжки цилиндрической пружины сжатия 20 с жесткостью .

При росте давления рабочей среды (P _РАБР_ИЗБ) происходит нарушение равновесного положения рычажно-шарнирного механизма вследствие смены знака в неравенстве (3), которое трансформируется в новый вид:

При этом плунжер 18 переместится вправо, преодолевая усилие пружины 20 на некоторый ход, равный появившемуся зазору x (x>0) до нового положения равновесия плунжера 18, описываемого выражением:

Одновременно с перемещением плунжера 18 также вправо на ход x сместится размещенная в плунжере закладная сферическая опора 15, что приведет к соответствующему изменению длин плеч рычага 12. Длина

правой части рычага при этом уменьшится (L₂-х), а левой увеличится (L₁+х).

Соответственно зависимости (1), (3) с учетом (4), (5) трансформируются в новые неравенства:

В силу неравенства (6) правое плечо рычага 12 развернется относительно оси вращения рычага против часовой стрелки на некоторый угол, перемещая при этом хвостовик клапана 2. В результате этого клапан 2 отойдет от седла 3, и избыточное давление рабочей среды будет дренажироваться со стороны «Выход» ПК через выходной штуцер 4.

Дренажирование рабочей среды из штуцера 4 будет производиться до момента времени, когда давление среды достигнет значения меньшего Р_ИЗБ. При Р _РАБ<Р_ИЗБ вступит в силу система зависимостей (1)-(3) и в порядке, обратном вышеизложенному, ПК вернется в исходное положение посадки клапана 2 на седло 3 с прекращением дренажирования рабочей среды со стороны «Выход» (см. исходное положение ПК на чертеже).

Режим работы ПК с термоциклированием рабочей среды (циклические смены температуры рабочей среды, подводимой на «Вход» ПК).

Принцип работы ПК в этом режиме при изменении давления рабочей среды (Р _РАБ<Р_ИЗБ и Р_РАБР_ИЗБ) аналогичен режиму работы ПК в ранее рассмотренном режиме без термоциклирования рабочей среды.

Режим работы ПК при термоциклировании рабочей среды характеризуется особенностями поддержания (увеличения или уменьшения) удельного давления герметизации R_УД в зоне контакта

клапана 2 с седлом 3 при смене температуры рабочей среды при рабочем давлении, меньшим величины Р_ИЗБ .

Очевидно, что снижение температуры подводимой со стороны «Вход» рабочей среды (по сравнению с нормальными климатическими условиями) потребует с целью исключения повышения утечек через закрытую клапанно-седельную пару 2, 3 увеличения величины R _УД в зоне клапанного уплотнения. Данное требование реализуется за счет пакета биметаллических тарельчатых пружин 16, который при отмеченном снижении температуры уменьшает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие. Вследствие этого под действием цилиндрической пружины сжатия 14 (мало чувствительной к изменению окружающей температуры) закладная сферическая опора 15 переместится на некоторый ход х^Т.Ц вправо, уменьшая плечо рычага L₂ до величины (L ₂-x^Т.Ц), и увеличивая плечо рычага L₁ до величины (L₁ +х^Т.Ц).

В результате этого увеличивается момент действия усилия цилиндрической пружины сжатия 9, воздействующей на левое плечо рычага 12, что способствует увеличению величины R_УД в зоне уплотнения

клапанно-седельной пары 2, 3, а, следовательно, и ее герметизирующей способности при низких температурах.

При повышении рабочей среды до нормального расчетного значения пакет биметаллических тарельчатых пружин 16 восстанавливает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие до первоначальных значений при нормальной температуре. Следствием этого явится перемещение закладной сферической опоры 15 на ход х^Т.Ц влево до равенства величин плеч рычага (L₁=L₂ ).

Сверхнормативное повышение температуры рабочей среды (по сравнению с нормальной ее температурой) обуславливает потребность в снижении величины R_УД в зоне клапанного уплотнения клапана 2 с

седлом 3. Это связано с тем, что с ростом температуры в зоне уплотнения резко снижается потребная величина усилия герметизации, а избыточное усилие герметизации (сверх потребного для получения заданной степени герметизирующей способности) резко снижает ресурс клапанного уплотнения. Данное требование по снижению величины R_УД в зоне клапанного уплотнения также реализуется за счет пакета биметаллических тарельчатых пружин 16, который при отмеченном повышении температуры увеличивает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие. Вследствие этого пакет биметаллических тарельчатых пружин 16, преодолевая усилие цилиндрической пружины сжатия 14, переместит закладную сферическую опору 15 на некоторый ход x влево, увеличивая плечо рычага L₂ до величины (L ₂+x), и, уменьшая плечо рычага L₁ до величины (L₁-x).

В результате этого уменьшится момент действия усилия цилиндрической пружины сжатия 9, воздействующей на левое плечо рычага 12, что способствует снижению величины R_УД в зоне уплотнения клапанно-седельной пары.

При достижении температуры рабочей среды расчетной (нормальной) величины пакет биметаллических тарельчатых пружин 16 восстанавливает свои размеры, а, следовательно, и развиваемое усилие до первоначальных значений при нормальной температуре. Это обеспечивает возвращение опоры 15 в исходное положение с равенством плеч рычага 12 (L₁=L ₂).

Величины предельных значений размеров и усилий биметаллических пружин (хромель-копелевые и пр.), определяющих величину рабочего хода х^Т.Ц при термоциклировании, принимаются по тарировочным графикам пружин под температурный режим работы ПК, а сама величина х^Т.Ц вводится в систему зависимостей (1)-(3).

Данная конструкция предохранительного клапана позволяет использовать его в системе защиты и предохранения сосудов и емкостей пневмогидравлических систем объектов, и обеспечит выполнение требований по герметизирующей способности и ресурсу полимерных уплотнений предохранительной арматуры при термоциклировании рабочей среды. К таким объектам можно отнести энергетические установки транспортной техники на криогенном топливе (сжиженный природный газ, жидкий водород) и высокотемпературное оборудование и агрегаты с диссипацией энергии в окружающую среду при совершении рабочего хода (кузнечно-прессовое оборудование; гидроподъемники; пневматические и гидравлические демпферы и виброизоляторы различного назначения.

Предохранительный клапан, содержащий размещенные в сообщенных с нагнетательной полостью параллельных каналах запорный орган и выполненный в виде поршня разгрузочный элемент, ось вращения которого снабжена механизмом ее перемещения, выполненным в виде подпружиненного плунжера, геометрическая ось которого ортогональна геометрическим осям запорного органа и разгрузочного элемента, отличающийся тем, что разгрузочный элемент выполнен в виде подпружиненного поршня, с возможностью предварительной регулировки усилия поджатия запорного органа, ось вращения механизма выполнена в виде закладной сферической опоры, которая сцентрирована в подпружиненном плунжере с возможностью осевого перемещения в нем, а на плунжере жестко закреплены струбцины по обе стороны закладной сферической опоры, между каждой из струбцин и закладной сферической опорой установлено по пакету пружин сжатия, причем один из пакетов состоит из биметаллических тарельчатых пружин.