Медиагруппа ARMTORG. Шаровой кран-клапан

Владелец и автор патента: Семенов Владимир Федорович

В новом выпуске журнала «Вестник арматуростроителя» медиагруппа ARMTORG традиционно продолжает рубрику «Обзор патентов». На этот раз мы хотим рассказать о новом изобретении, которое относится к трубопроводной запорно-регулирующей арматуре преимущественно для средних и больших давлений и температур и с контактом металл-металл.

Новая разработка – это шаровой кран-клапан, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, в котором находятся запорный орган с проходным каналом в виде шара или шарового сегмента с нижней опорой вращения и с верхней опорой вращения, эксцентриковая втулка, упругие или жесткие подпружиненные седла с уплотнением, ограничители угла поворота запорного органа и втулки. При этом нижняя опора вращения расположена в эксцентриковой втулке, а они жестко соединены между собой в единое целое снаружи или внутри корпуса. Данный шаровой запорно-регулирующий кран-клапан является трубопроводной арматурой полуоборотного действия с отдельной фазой изменения проходного сечения бесконтактным поворотом запорного органа и фазой уплотнения зазора параллельным микросдвигом запорного органа ортогонально к плоскости седла.

В патенте рассказывается о том, что существуют пробковые шаровые краны с плавающим шаром или шаром на цапфах, которые обладают мягкими или металлическими, подпружиненными седлами, а также сегментный шаровой кран, в котором запорный орган обладает формой части шара, выглядящий как шаровой сегмент. Было отмечено, что часть запорного шарового органа обычно усечена, т. е. понятие «шаровой» чаще используется в отношении к шаровой камере, в которой вращается запорный орган. Открытие/закрытие прохода реализуется за четверть оборота данного компонента, который постоянно прижат к седлам большой силой упругости с добавлением силы давления среды (в закрытом положении). В этом едином движении поворота осуществляются два физически различных процесса. Это изменение сечения прохода и контактное запирание седла запорным органом при постоянно действующей силе трения скольжения запорного органа по седлу. То же касается задвижек. Если седло мягкое, то это обеспечивает потерю упругости, старение сжатого материала, сцепление и разрушение. В случае металлического контакта эта внушительная сила трения становится причиной появления царапин, задиров, трещин и адгезии. Все это приводит к существенному уменьшению порога рабочих давлений и температур, ресурса, надежности и безопасности, повышенному моменту управления и мощности привода. В вентиле единое движение запорного органа к седлу и силовой контакт происходят без трения скольжения и ортогонально к плоскости седла. Для этого национальные и международные стандарты устанавливают уровень предельных контактных напряжений для шаровых кранов и задвижек до 11 раз меньше, чем для вентиля.

Ранее специалисты пытались создать арматуру с двумя раздельными движениями для фазы изменения сечения и фазы запирания в виде свободного поворота шарового запорного органа и его малого перемещения контакта с седлом. Однако новый шаровой кран-клапан значительно упрощает конструкцию и обеспечивает вентильные условия контактного уплотнения, увеличение пороговых значений рабочих давлений и температур, повышение срока службы, надежности и безопасности. Техническим результатом в данном случае выступают плоский механизм двухфазного движения запорного органа и контакт запорного органа его параллельным сдвигом ортогонально к плоскости седла.

На рисунках 1, 2, 3 представлен общий вид, вид сбоку и вид сверху варианта клапана в открытом положении с элементом связи снаружи корпуса. На рисунках 4, 5, 6 показаны последовательные состояния деталей при закрытии. На рисунках 7, 8, 9 представлено то же самое, но уже внутри корпуса. На изображениях 10, 11, 12 показаны последовательные положения деталей на виде рисунка 9 этого варианта клапана при закрытии. Так, шаровой клапан содержит корпус 1 с входным и выходным патрубками 2 с каналами прохода среды, запорный орган 3 с возможностью поворота и каналом для прохода среды. Данный элемент 3 находится в нижней 4 и верхней 5 подшипниковых опорах, которые в свою очередь установлены в верхней 6 и нижней 7 эксцентриковых втулках, которые могут выполнять поворот на подшипниках в корпусе 1. В корпусе размещены упругие или металлические подпружиненные седла 8 с уплотнениями. Углы поворота запорного органа и поворота втулок ограничены упорами. В варианте по п. 1 втулки 6 и 7 объединены в единое целое элементом связи 9, проходящим снаружи корпуса 1 и служащим для передачи момента вращения на нижнюю втулку 7. На верхней опоре 5 установлена рукоять управления 10. Верхняя опора 5 и верхняя втулка 6 уплотнены.

В положении «открыто» (рис. 1, 2, 3, 4) запорный орган 3 отжат от седла 8 эксцентриковыми втулками 6 и 7 в крайнее правое положение. Для понимания на схемах пунктиром показаны невидимые окружности опор и втулок. Возможность поворота запорного органа 3 из положения «открыто» на рисунках 3, 4 против часовой стрелки ограничена корпусным упором (не показан). Поворачиваем по часовой стрелке запорный орган 3 рукояткой 10 на 90° в положение неполного закрытия (рис. 5) до второго корпусного упора (не показан), когда в этом положении контактные поверхности седла 8 и запорного органа 3 эквидистантны. Далее поворачиваем за элемент связи 9 обе втулки 6 и 7 по часовой стрелке на 90°. Втулки перемещают запорный орган 3 параллельно и ортогонально к упругому седлу 8, как это происходит в аналогичном процессе уплотнения в вентиле. Изображение 6 соответствует положению «закрыто» (при этом сдвиге запорный орган 3 скользит по упору как ползун). Открытие клапана из положения «закрыто» производится в обратном порядке: сначала отжимается от седла 8 запорный орган 3 поворотом элемента связи 9 против часовой стрелки на 90°, а затем производится поворот рукояткой 10 органа 3 против часовой стрелки на 90° до упора в корпусе. В результате достигается технический результат: работает плоский механизм двухфазного движения запорного органа с фазой его поворота и фазой его контактного параллельного сдвига ортогонально к плоскости седла.

Стоит отметить, что в варианте по п. 1, когда втулки 6 и 7 соединены в одно целое проходящим внутри корпуса 1 элементом связи 9, этот элемент 9 может быть выполнен в форме стержня или пластины в целях снижения трудоемкости и металлоемкости. Технический результат тот же. Таким образом, рассматриваемая конструкция функционально представляет собой плоский кривошипно-ползунный механизм переменной структуры, где фазе поворота запорного органа 3 соответствует поворот всего механизма как единого целого, а фазе сдвига – обычный поворот кривошипа (втулки) и сдвиг шатуна (запорного органа) как ползуна по корпусному упору угла поворота шатуна. Параметры этого механизма (эксцентриситет, фаза и угол поворота кривошипа, смещение относительно центра шаровой камеры), а также возможное смещение седла и угла его наклона выбираются конструктором для обеспечения технического результата.

В варианте по п. 1, но с наружным элементом связи 9, аналогично работает клапан, в котором запорный орган 3 представляет собой часть шара в виде известной формы шарового сегмента, применяемой в шаровых кранах для регулирования среды. Технический результат, очевидно, тот же. В варианте по п. 2 втулки 6 и 7 соединены в одно целое элементом связи в форме шарового сегмента 11, проходящим уже внутри корпуса 1 (рис. 7-12). В данном варианте запорный орган 3 также имеет форму шарового сегмента. Сегмент 11 может поворачиваться относительно сегмента 3 от оппозитного положения на угол до 90° по часовой стрелке. На верхней втулке 6 установлена рукоятка 12.

Во всех рассмотренных вариантах на запорном органе 3 может быть выполнен поясок 13 сферической, конусной или плоской формы, обладающий повышенной чистотой поверхности, с наплавкой или специальным покрытием. Это существенно сокращает трудоемкость производства и улучшает качество уплотнения. Технический результат тот же.