Отсечной клапан

 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для использования в системах автоматической аварийной отсечки каналов вентиляции промышленных помещений, через которые возможен выход в окружающую среду вредных продуктов взрывной аварии, в технологических установках и локализующих системах химической и атомной промышленности. Отсечной клапан содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями. В корпусе размещены седло, запорный орган и пиропривод. Седло выполнено с возможностью пластической деформации. Запорный орган - в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер. Сферический наконечник контактирует с седлом. Седло выполнено в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа. Толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа определенным соотношением: отношение толщины стенки к радиусу запорного органа больше 0,04, но меньше 0,1. Изобретение направлено на расширение области применения отсечных клапанов с пироприводом в сторону больших диаметров проходных сечений, снижение усилия торможения запорного органа и снижение требований к соосности седла и запорного органа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к трубопроводному арматуростроению, а именно к быстродействующим отсекателям трубопроводов. Изобретение может быть использовано в системах автоматической аварийной отсечки каналов вентиляции промышленных помещений, через которые возможен выход в окружающую среду вредных продуктов взрывной аварии, в технологических установках и локализующих системах химической и атомной промышленности.

Известен блок пироклапанов (патент РФ 2068143, МКИ 6 F 16 К 17/40, опубл. 20.10.96), содержащий корпус с двумя впускными и соответствующими им выпускными отверстиями, в полости корпуса размещен шток механизма переключения, срабатывающий от пиропривода, размещенного в корпусе. Во впускных отверстиях установлены нормально открытые обратные клапаны, снабженные фиксаторами открытого положения тарелей. Фиксаторы связаны со штоком и установлены с возможностью расфиксации тарелей при срабатывании пиропривода. После расфиксации тарели обратных клапанов перемещаются под действием приводных пружин в положение "закрыто" и отсекают одновременно оба канала.

Недостатками данного блока пироклапанов является невысокое быстродействие и надежность вследствие того, что привод тарелей клапанов осуществляется пружинами, а не давлением продуктов сгорания заряда пиросостава.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является запорный пироклапан по авторскому свидетельству СССР 599126, МКИ F 16 К 17/40, опубл. БИ 11 25.03.78.

Пироклапан является дополнением к основному изобретению по авторскому свидетельству СССР 187463 МКИ F 16 К 17/40, опубл. БИ 20 11.10.66 и представляет собой корпус с проточной частью в виде конического седла, в котором заклинивается запорный орган в форме усеченного конуса с уплотнительным пояском. Запорным органом управляет пиромеханизм. К поверхности конического седла подведен входной или выходной канал. Коническое седло выполнено двухслойным. Внешняя оболочка седла изготовлена из материала с повышенным сопротивлением пластической деформации (сталь 12Х18Н10Т), а внутренняя оболочка - из материала, обладающего повышенной пластичностью (латунь ЛС-59-I). После срабатывания пиромеханизма под давлением образовавшихся газов запорный орган перемещается и заклинивается в седле за счет пластической деформации его внутренней оболочки.

Такие клапаны применяют в пневмогидросистемах летательных аппаратов, испытательных стендах, где применяются трубопроводы малого сечения.

Применительно к использованию данного клапана для перекрытия трубопроводов большого сечения, например для каналов вентиляции в локализующих системах, он обладает рядом недостатков: 1. Относительно малый путь торможения запорного органа при его быстром перемещении из исходного в конечное положение. Это в свою очередь приводит к огромному усилию торможения запорного органа, воздействующему на корпус пироклапана, что сильно осложняет неподвижное закрепление клапана на месте применения.

Например, при диаметре запорного органа ~300 мм и такой же длине масса запорного органа из стали будет равна m165 кг. Сталь выбрана из условия, что материал запорного органа должен быть тверже латуни. Длина запорного органа должна быть примерно равной или больше диаметра из условия исключения перекоса запорного органа в седле. Путь торможения запорного органа в этом случае может составлять 0,01. ..0,03 м. Скорость его для оценок возьмем V50 м/с, а диаграмму усилия торможения будем приближенно считать линейной. Тогда максимальное усилие торможения F легко вычислить по формуле При таком усилии торможения, воздействующего на корпус клапана, невозможно обеспечить его неподвижность во время срабатывания.

2. Необходима высокая точность выполнения размеров седла и запорного органа для обеспечения равномерности обжатия внутренней оболочки седла клапана.

Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи расширения области применения отсечных клапанов с пироприводом в сторону больших диаметров проходных сечений.

Достигаемый технический результат заключается в снижении усилия торможения запорного органа, снижении требований к соосности седла и запорного органа и устранении реакций усилий разгона и торможения запорного органа на месте закрепления клапана.

Для этого в известном отсечном клапане, содержащем корпус с впускным и выпускным отверстиями, седло, выполненное с возможностью пластической деформации, запорный орган и пиропривод, запорный орган выполнен в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер, а седло в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника, при этом толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа соотношением 0,04</R<0,1,- толщина стенки втулки, R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.

Это позволяет обеспечить при срабатывании клапана внедрение запорного органа во втулку и застревание его в ней.

В клапан может быть дополнительно введен второй клапан, содержащий запорный орган и седло, выполненные единообразно с деталями первого клапана, имеющий с ним общие корпус и общую камеру сгорания пиропривода, установленный соосно с первым клапаном. При этом камера сгорания размещена между запорными органами, имеющими возможность движения в противоположные стороны.

Для облегчения запорного органа плунжер может быть полым, а сферический наконечник в виде шарового сегмента.

Введенные изменения позволяют решить поставленную задачу следующим образом.

Седло, выполненное в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа, позволяет увеличить путь торможения запорного органа и получить необходимую степень герметичности перекрытия трубопровода. Длина и толщина стенки втулки выбираются из условия обеспечения необходимых длины пути и усилия торможения запорного органа и отсутствия потери устойчивости втулки. Герметичность перекрытия клапана обеспечивается плотным обжатием сферического наконечника запорного органа упруго или пластически расширенной втулкой.

Авторами экспериментально получено оптимальное соотношение толщины стенки втулки к радиусу сферического наконечника запорного органа, изготовленных из стали 20. Оно составляет 0,04</R<0,1,- толщина стенки втулки, R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.

Выполнение указанного соотношения позволяет получить достаточно низкое значение усилия торможения при отсутствии потери устойчивости втулки. При этом усилие торможения F запорного органа может быть оценено по полученной авторами полуэмпирической зависимости

где R и - указаны выше,
_т - предел текучести материала втулки,
r - разность радиусов сферы и внутренней поверхности втулки,
k - коэффициент трения между втулкой и сферой,
К_эф - эмпирический коэффициент, зависящий от материалов втулки и сферы, а также от скорости окружной деформации втулки в процессе торможения. Для втулки из стали 20 и сферы из твердой стали, например стали 30 ХГСА, скорости окружной деформации до 170 с^-1, k=0,25 и r/R=0,02...0,04 К_эф2,4.

Так как поверхность запорного органа, контактирующая с седлом, выполнена сферической, а седло в виде цилиндрической втулки, то при изготовлении таких седла и запорного органа не требуется высокой соосности седла и запорного органа из-за самоустановки сферы во втулке, что упрощает технологию изготовления.

Применение в качестве седла клапана пластически расширяемой вытянутой втулки позволяет многократно увеличить путь торможения запорного органа и улучшить зависимость усилия торможения от пути торможения, сделав усилие торможения приблизительно постоянным. Это снижает максимальное значение усилия торможения в десятки раз.

Например, для R=0,15 м, =0,01 м, _т =240 МПа, r/R=0,03 и k=0,25 усилие торможения по формуле (2) будет равно 0,49510⁶ Н.

При разгоне и торможении массивного запорного органа возникают большие осевые усилия разгона и торможения, достигающие для клапана с проходным диаметром ~300 мм десятков тонн. Это делает очень сложной задачу неподвижного закрепления клапана на месте применения. Благодаря объединению двух клапанов в единый корпус и полной симметрии, осевые усилия при разгоне и торможении запорных органов полностью замыкаются внутри корпуса, что устраняет реакции этих усилий на местах крепления и значительно упрощает конструкцию крепления сдвоенного клапана.

Конструкция заявляемого одиночного клапана приведена на фиг.1, а сдвоенного - на фиг.2 в исходном (открытом) положении. Клапан содержит корпус 1 с входным и выходным патрубками для подстыковки трубопроводов. Внутри корпуса соосно ему располагается рабочий цилиндр 2, сообщающийся с камерой сгорания 3, в которой располагается заряд пиросостава 4. В рабочем цилиндре установлен запорный орган 5, выполненный в виде плунжера со сферическим наконечником. На торце корпуса 1 соосно ему установлено седло 6 в виде тонкостенной втулки. При срабатывании клапана от системы задействования инициируется пиросостав 4 в камере 3. Под действием продуктов сгорания пиросостава запорный орган 5 выталкивается из рабочего цилиндра 2 в направлении седла 6. При достижении запорным органом 5 седла 6 происходит перекрытие канала. При дальнейшем движении запорного органа происходит внедрение сферического наконечника во втулку на определенную глубину, его торможение и герметизация места перекрытия за счет упругой или пластической деформации седла. Большие остаточные окружные напряжения в стенке седла обеспечивают надежное удержание запорного органа и герметичность места контакта после останова запорного органа.

Был изготовлен опытный образец клапана в сдвоенном варианте с проходным диаметром 250 мм, с полым плунжером, имеющим сферический наконечник в виде шарового сегмента, который при испытаниях подтвердил заявляемый технический результат. Время перекрытия клапана составило 0,005 с, а путь торможения 140 мм.

Формула изобретения

1. Отсечной клапан, содержащий корпус с впускным и выпускным отверстиями, в котором размещено седло, выполненное с возможностью пластической деформации, запорный орган и пиропривод, отличающийся тем, что запорный орган выполнен в виде плунжера со сферическим наконечником большего диаметра, чем плунжер, контактирующим с седлом, а седло - в виде втулки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра сферического наконечника запорного органа, при этом толщина стенки втулки связана с радиусом запорного органа соотношением

0,04</R<0,1,

- толщина стенки втулки, R - наружный радиус сферического наконечника запорного органа.

2. Отсечной клапан по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введен второй клапан, содержащий запорный орган и седло, выполненные единообразно с деталями первого клапана, и имеющий с ним общие корпус и камеру сгорания пиропривода, установленный соосно с первым клапаном, при этом камера сгорания размещена между запорными органами, имеющими возможность движения в противоположных направлениях.

3. Отсечной клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что плунжер выполнен полым, а сферический наконечник выполнен в виде шарового сегмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2