Запорно-регулирующий прямоточный кран
Изобретение предназначено для перекрытия и регулирования расхода потоков жидких и газообразных сред, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных, в трубопроводной арматуре. Прямоточный кран содержит корпус в виде тела вращения с продольным сквозным каналом для пропуска рабочей среды и соосным с ним внутренним кольцевым пазом. В пазу расположен уплотнительный блок. Уплотнительный блок состоит по меньшей мере из двух взаимодействующих с корпусом упругих уплотнительных колец и собранных в пакет регулирующих расход дисков с отверстиями для пропуска рабочей среды. Один из дисков установлен с возможностью поворота, а остальные неподвижно закреплены стопорным устройством. Приводное устройство содержит расположенный в пазу и соединенный с поворотным диском кольцевой элемент с ручкой. Ручка проходит наружу через радиальную прорезь в корпусе. Корпус крана выполнен составным из двух соосных с продольной осью крана боковых дискообразных деталей с центральными проходными отверстиями для пропуска среды и установленной между ними кольцевой детали. Упомянутые при соединении их стяжным устройством образуют продольный канал и кольцевой паз. Наибольший диаметр корпуса Dm удовлетворяет соотношению Dm(D-d1), где Dm - диаметр окружности, на которой расположены оси болтов фланцевого соединения, диаметр болтов фланцевого соединения. В дисках уплотнительного блока радиально-симметрично выполнены n0 (n0 = 2,3,4. ..) одинаковых отверстий. В кольцевой детали корпуса выполнена одна или несколько радиальных прорезей. Последние обеспечивают поворот одной или нескольких (соответственно числу прорезей) ручек приводного устройства на угол
0 = 360
/(2n0). Регулирование расхода среды с помощью ручки обеспечивается при выполнении соотношений
0 <
1 или n1 < 2
n1, где
1 = 360
/n1 - центральный угол между соседними болтами фланцевого соединения, n1 - количество болтов фланцевого соединения. Расположенные со стороны подачи среды неподвижный и/(или) поворотный диски пакета выполнены меньшей жесткости, например, имеют меньшую толщину или меньший модуль упругости материала, чем остальные диски. Кольцевой элемент приводного устройства образует с поворотным диском подвижное в осевом направлении соединение, сопряжен своими наружными поверхностями с корпусом и образует с ним подшипник скольжения, а стопорное устройство, выполненное, например, штифтовым, смонтировано на боковых дискообразных деталях корпуса. Такое выполнение обеспечивает повышение надежности работы крана, а также простоту и производительность сборочных и монтажных его операций. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению. Кран предназначен для перекрытия и регулирования расхода потоков жидких и газообразных сред, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных, в аппаратах, оборудовании и системах их транспортирования.
Актуальными проблемами в арматуростроении являются уменьшение массогабаритных характеристик изделий, повышение их надежности, упрощение конструкции и технологии изготовления, удобство сборки, монтажа и обслуживания. Известна конструкция запорно-регулирующего прямоточного клапана, содержащего цилиндрический корпус с охватывающей его снаружи кольцевой ручкой приводного устройства и расположенный внутри сквозного канала корпуса уплотнительный блок. Известная конструкция имеет ряд достоинств, особенно проявляющихся в клапанах малых номинальных проходов и заключающихся, в частности, в уменьшении габаритных размеров изделия, защите уплотнительного блока от внешних воздействий, технологичности изготовления, сборки, и др. Однако наряду с достоинствами конструктивные особенности приведенного клапана сложно непосредственно перенести на краны больших проходных сечений с фланцевым присоединением к трубопроводу -DN 50 и более, поскольку соблюдение требований соответствующих стандартов на размеры фланцев приводит к повышенной материалоемкости корпуса, привода и конструкции в целом. Известен выбранный в качестве прототипа проходной клапан, содержащий корпус с продольным сквозным каналом для текучей среды, между концами которого имеется кольцевой паз. Между концами указанного канала соосно с этим пазом находится кольцевая канавка. В корпусе крана расположены несколько регулирующих дисков, один из которых укреплен поворотно, а остальные - неподвижно. В кольцевом пазу расположено соединенное с поворотным регулирующим диском приводное приспособление. В поворотном регулирующем диске выполнены отверстия для прохода текучей среды, соответствующие отверстиям в неподвижно укрепленных дисках. Неподвижно укрепленный диск соприкасается своим торцом с торцом поворотного диска, образуя герметичное механическое уплотнение. Приводное приспособление содержит кольцевой элемент, расположенный в кольцевой канавке, и отходящий наружу рычаг, проходящий через кольцевой паз. Поворотный диск вмонтирован в кольцевой элемент. В кольцевой канавке вокруг противоположных поверхностей кольцевого элемента расположены два упругих опорных кольца, создающих продольное давление, поглощающих поперечные усилия относительно кольцевого элемента и образующих вентиляционные отверстия для продувки клапана. Через продольное отверстие поворотного диска проходит стержень, закрепленный в неподвижных дисках. К недостаткам прототипа можно отнести следующее: - повышенная чувствительность связанных между собой посредством центрального стержня регулирующих дисков затвора (особенно изготовленных из хрупкого материала, например керамики) к неизбежно возникающим при монтаже и эксплуатации продольным ударам по отходящему наружу рычагу приводного приспособления, в которое в свою очередь вмонтирован поворотный диск; - нецелесообразность применения конструкции клапана для больших номинальных диаметров и давлений рабочей среды из-за существенного роста массогабаритных показателей, сложности обеспечения высокой герметичности механического уплотнения дисков по причине несогласованности их прогибов под воздействием давления среды, повышенного управляющего усилия на рычаге и недостаточной изгибной прочности дисков затвора; - суженный температурный диапазон работы вследствие жесткого осевого замыкания регулирующих дисков непосредственно с корпусом, что из-за различия коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и дисков может привести в одном случае к разгерметизации клапана по причине снижения контактных давлений между дисками, а в другом - к чрезмерному увеличению управляющего усилия из-за избыточного прижатия дисков друг к другу вплоть до их заклинивания и выходу клапана из строя; - трудности технологической обработки, обусловленные сложностью конструкции корпуса и необходимостью достижения при этом необходимых точностных параметров деталей. В основу изобретения поставлена задача разработки усовершенствованной конструкции запорно-регулирующего прямоточного крана, которая решается путем упрощения конструкции корпуса, оптимизации конструкции деталей уплотнительного блока и приводного устройства и позволяет обеспечить повышение надежности, технологичности конструкции крана, производительности и качества сборки; существенное снижение массогабаритных характеристик при сохранении возможности фланцевого присоединения крана к трубопроводу и ручного управления; повышение герметичности; снижение чувствительности затвора к неизбежным монтажным и эксплуатационным перегрузкам, ударам по ручке; расширение области применения крана за счет увеличения рабочих диапазонов давлений и температур; облегчение монтажа, снижение управляющего момента и повышение удобства эксплуатации. Технический результат достигается тем, что в запорно- регулирующем прямоточном кране, содержащем корпус в виде тела вращения с продольным сквозным каналом для пропуска рабочей среды и соосным с ним внутренним кольцевым пазом, в котором расположен уплотнительный блок, состоящий по меньшей мере из двух взаимодействующих с корпусом упругих уплотнительных колец и собранных в пакет регулирующих расход дисков с отверстиями для пропуска рабочей среды, один из которых установлен с возможностью поворота, а остальные - неподвижно закреплены стопорным устройством, а также стяжное устройство и приводное устройство, содержащее расположенный в пазе и соединенный с поворотным диском кольцевой элемент с ручкой, проходящей наружу через радиальную прорезь в корпусе, корпус крана выполнен составным из двух соосных с продольной осью крана боковых дискообразных деталей с центральными проходными отверстиями для пропуска среды и установленной между ними кольцевой детали, которые при соединении их стяжным устройством образуют продольный канал и кольцевой паз, при этом наибольший диаметр корпуса Dm удовлетворяет соотношению Dm





где


n1 - количество болтов фланцевого соединения, расположенный со стороны подачи среды неподвижный и (или) поворотный диски пакета выполнены меньшей жесткости, например, имеют меньшую толщину или меньший модуль упругости материала, кольцевой элемент приводного устройства образует с поворотным диском подвижное в осевом направлении соединение, сопряжен своими наружными поверхностями c корпусом и образует c ним подшипник скольжения, а стопорное устройство, выполненное, например, штифтовым, смонтировано на боковых дискообразных деталях корпуса. Кроме того, в уплотнительном блоке диск со стороны подачи среды выполнен в виде кольца, а подвижное соединение приводного устройства и поворотного диска выполнено шлицевым; на внешней радиальной поверхности корпуса выполнена юбка с выемками для ориентации крана относительно болтов фланцевого соединения, а в боковых дискообразных деталях корпуса отверстия для пропуска среды выполнены соответствующими по количеству и конфигурации отверстиям в неподвижных дисках. Общие с прототипом существенные признаки указаны в ограничительной части формулы изобретения. Существенными отличительными признаками заявляемого устройства, обеспечивающими достижение положительного эффекта, являются:
- корпус крана выполнен составным из двух соосных с продольной осью крана боковых дискообразных деталей с центральными проходными отверстиями для пропуска среды и установленной между ними кольцевой детали, которые при соединении их стяжным устройством образуют продольный канал и кольцевой паз;
- наибольший диаметр корпуса Dm удовлетворяет соотношению
Dm < (D-d1),
где D - диаметр окружности, на которой расположены оси болтов фланцевого соединения,
d1 - диаметр болтов фланцевого соединения;
- в дисках уплотнительного блока радиально-симметрично выполнены n0 (n0 - 2,3,4...) одинаковых отверстий;
- одна или несколько радиальных прорезей в кольцевой детали корпуса допускают поворот одной или нескольких (соответственно числу прорезей) ручек приводного устройства на угол


- регулирование расхода среды с помощью ручки обеспечивается при выполнении соотношений



где


n1 - количество болтов фланцевого соединения,
- расположенный со стороны подачи среды неподвижный и (или) поворотный диски пакета выполнены меньшей жесткости, например, имеют меньшую толщину или меньший модуль упругости материала;
- кольцевой элемент приводного устройства образует с поворотным диском подвижное в осевом направлении соединение;
- кольцевой элемент приводного устройства сопряжен своими наружными поверхностями с корпусом крана и образует с ним подшипник скольжения;
- стопорное устройство, выполненное, например, штифтовым, смонтировано на боковых дискообразных деталях корпуса;
Частными существенными отличительными признаками крана являются:
- в уплотнительном блоке диск со стороны подачи среды выполнен в виде кольца, а подвижное соединение выполнено шлицевым;
- на внешней радиальной поверхности корпуса выполнена юбка с выемками для ориентации крана относительно болтов фланцевого соединения;
- в боковых дискообразных деталях корпуса отверстия для пропуска среды выполнены соответствующими по количеству и конфигурации отверстиям в неподвижных дисках. Улучшению технологичности и упрощению конструкции крана способствуют следующие конструктивные решения. Корпус крана выполнен составным из деталей простой конфигурации - двух одинаковых боковых дискообразных и средней кольцевой деталей, которые, будучи соединены стяжным устройством, образуют сложнопрофильный кольцевой паз и продольный канал. Это позволяет автоматизировать, значительно упростить и ускорить процесс механической обработки таких деталей, повысить его точность, и применить для получения заготовок малоотходные массовые технологии, например поковку. Подобные детали гораздо легче поддаются техническому контролю, повышают производительность и качество сборки кранов. Из соотношения (1) следует, что кран целиком располагается внутри вписанного между фланцевыми болтами цилиндра. Это и предложенное конструктивное исполнение корпуса позволяет выполнить кран стяжным, отказавшись от ответных фланцев самого крана, что существенно уменьшает габариты и массу крана (в 8. . . 12 раз по сравнению с задвижками). Для обеспечения фланцевого присоединения крана к трубопроводу достаточно выполнить внешние торцевые поверхности боковых деталей корпуса в виде ответных уплотнительных поверхностей уже установленных на трубопроводе фланцев. Повышение надежности происходит за счет уменьшения числа деталей, определяющих работоспособность крана и фланцевого соединения. Количество используемых во фланцевом соединении болтов зависит от давления среды, номинального диаметра трубопровода, конструкции фланцев, а полный угол поворота ручки приводного устройства ограничивается двумя соседними фланцевыми болтами. С другой стороны, в дисках затвора могут быть выполнены n0 (n0= 2,3,4...) одинаковых радиально-симметричных отверстий, при этом для осуществления цикла "открыто-закрыто" необходимо повернуть ручку крана на полный угол






Работа крана
Кран может пребывать в одном из следующих состояний: полностью открытом, полностью закрытом и в каком-либо промежуточном, когда осуществляется регулирование потока рабочей среды. Воздействие управляющего усилия на ручку 14 приводного устройства приводит к повороту диска 10 с отверстиями 0 (фиг. 2) относительно неподвижных дисков 9, 11. Фиксирование поворотного диска в одном из возможных положений приводит к определенному взаимному расположению соответствующих отверстий 0 в поворотном и неподвижных дисках и установке соответствующих такому положению значений площади проходного сечения затвора и суммарного расхода рабочей среды. Обращенные друг к другу стыкующиеся торцевые поверхности регулирующих дисков 9, 10 и кольца 11 выполнены с достаточно малой шероховатостью и жесткими требованиями на неплоскостность. Это обеспечивает при их сжатии с определенным усилием герметичность зон стыков, не пропускающих рабочую среду даже при вращении поворотного диска 10. В любом из состояний крана достигается его герметичность по отношению к внешней среде: у наружных торцов пакета - за счет упругих уплотнительных колец 7, 8, а внутри самого пакета - за счет образования из герметичных стыков непрерывного уплотнительного пояска 23 (фиг. 2) по периметру торцевых поверхностей дисков. Поясок выполняет роль сальникового узла, который в кране отсутствует. Сплошные зоны во всех дисках по размерам несколько больше отверстий для пропуска среды. Поэтому в закрытом состоянии крана, когда отверстия совмещаются со сплошными зонами, по периметру каждого из отверстий также образуется непрерывный уплотнительный поясок 23, чем обеспечивается герметичность крана по отношению к трубопроводу. Наименьшая ширина пояска 23 выбирается достаточной для надежной герметизации с учетом материала дисков, качества обработки поверхностей, усилия их прижатия друг к другу, точности изготовления и сборки крана. В полностью открытом состоянии крана (фиг. 1, 2) отверстия 0 в дисках полностью совмещаются между собой: пропуск среды максимален. При этом ручка 14 находится в крайнем положении "Открыто", упираясь в конец радиальной прорези 15. Клапан герметичен по отношению к внешней среде. При повороте на 60 o (фиг. 2) в другое крайнее положение "Закрыто" ручка 14 упирается в противоположный конец прорези 15 и кран переходит в полностью закрытое состояние. При этом отверстия в дисках попадают на несколько большие по размерам сплошные зоны соседнего диска. Таким образом, кран становится герметичным как по отношению к внешней среде, так и к трубопроводу. В промежуточных положениях ручки 14 отверстия для пропуска среды в дисках не полностью совмещены. Площадь проходного сечения крана меньше, чем в полностью открытом состоянии, и уменьшается по мере поворота ручки к положению "Закрыто". Тем самым осуществляется регулирование перпендикулярно направленного к дискам потока рабочей среды. В любом промежуточном состоянии сохраняется герметичность крана по отношению к внешней среде.
Формула изобретения
Dm

где D - диаметр окружности, на которой расположены оси болтов фланцевого соединения;
d1 - диаметр болтов фланцевого соединения,
в дисках уплотнительного блока радиально-симметрично выполнены n0 (n0 = 2,3,4. . . ) одинаковых отверстий, одна или несколько радиальных прорезей в кольцевой детали корпуса обеспечивают поворот одной или нескольких (соответственно числу прорезей) ручек приводного устройства на угол




где


n1 - количество болтов фланцевого соединения,
расположенные со стороны подачи среды неподвижный и/или поворотный диски пакета выполнены меньшей жесткости, например, имеют меньшую толщину или меньший модуль упругости материала, чем остальные диски, кольцевой элемент приводного устройства образует с поворотным диском подвижное в осевом направлении соединение, сопряжен своими наружными поверхностями с корпусом и образует с ним подшипник скольжения, а стопорное устройство, выполненное, например, штифтовым, смонтировано на боковых дискообразных деталях корпуса. 2. Кран по п. 1, отличающийся тем, что в уплотнительном блоке диск со стороны подачи среды выполнен в виде кольца, а подвижное соединение выполнено шлицевым. 3. Кран по п.1, отличающийся тем, что на внешней радиальной поверхности корпуса выполнена юбка с выемками для ориентации крана относительно болтов фланцевого соединения, а в боковых дискообразных деталях корпуса отверстия для пропуска среды выполнены соответствующими по количеству и конфигурации отверстиям в неподвижных дисках.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6