кран "секторный заслон"

Формула изобретения

1. Кран полнопроходный бессальниковый, включающий стянутые болтами два фланца с проходными отверстиями и расположенный между ними с возможностью поворота плоский шибер, имеющий проходное отверстие, рукоятку поворота, при этом каждый фланец оснащен прокладкой, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, двумя уплотнительными блоками и дополнительными прокладками, каждая из которых имеет проходное отверстие и расположена на соответствующей плоскости шибера таким образом, что их проходные отверстия совмещены между собой, каждый уплотнительный блок состоит из притертых между собой подвижной и неподвижной пластин, в каждой из которых выполнено проходное отверстие, и расположен между основной и дополнительной прокладками таким образом, что подвижная пластина соединена с соответствующей дополнительной прокладкой, а неподвижная пластина - с основной прокладкой, при этом все проходные отверстия соответствуют друг другу по размерам и форме и расположены с возможностью образования единого полнопроходного канала, а проходные отверстия в пластинах каждого уплотнительного блока - еще и с возможностью одновременного перекрытия при повороте шибера.

2. Кран по п.1, отличающийся тем, что на каждой плоскости шибера выполнена выемка для фиксации в ней соответствующих дополнительной прокладки и подвижной пластины.

3. Кран по п.1 или 2, отличающийся тем, что в каждом фланце выполнена выемка для фиксации в ней соответствующих основной прокладки и неподвижной пластины.

4. Кран по п.3, отличающийся тем, что прокладки выполнены из упругого материала, например графлекса.

5. Кран по п.3 или 4, отличающийся тем, что пластины уплотнительных блоков выполнены, например, керамическими.

6. Кран по п.5, отличающийся тем, что пластины уплотнительных блоков имеют дугообразную форму.

7. Кран по любому из пп.1, 3-6, отличающийся тем, что он снабжен механическим приводом для поворота шибера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно, к трубопроводному арматуростроению и может быть использовано в инженерных сооружениях и сетях для транспортирования жидких и газообразных сред высокого давления и температуры, в том числе абразивных, агрессивных и взрывоопасных, где возникает необходимость надежного перекрытия потоков.

Широкое применение и повышенная потребность в прямоточных полнопроходных бессальниковых кранах или задвижках, в которых поток рабочей среды движется прямолинейно вдоль оси без изменения проходного сечения, обусловлено их низким гидросопротивлением, простотой и надежностью.

Известна прямоточная задвижка, содержащая полый разъемный корпус с соосно расположенными присоединительными патрубками, седла с уплотнениями, имеющие проходные отверстия, совпадающие с отверстиями присоединительных патрубков, размещенный в корпусе между седлами плоский круглый шибер с проходным отверстием и сплошным участком для перекрытия проходных отверстий седел, установленный с возможностью поворота на оси, расположенной в его средней части, и привод поворота шибера, связанный с его периферийной частью [1]. Задвижка характеризуется удовлетворительными величинами гидравлического сопротивления и усилия, необходимого для поворота шибера. Недостатком этой задвижки, очевидно, является наличие в ее конструкции седел и уплотнений, которые не предназначены для функционирования в условиях повышенных давлений рабочей среды и допускают незначительные течи в полость корпуса.

Известна задвижка, содержащая полый корпус с соосно расположенными присоединительными патрубками и расточками внутри, в которых размещены снабженные уплотнениями подпружиненные седла с проходными отверстиями, совпадающими с отверстиями присоединительных патрубков, размещенный в корпусе между седлами плоский шибер, установленный с возможностью поворота вокруг центральной оси и имеющий проходное отверстие и сплошной участок для перекрытия проходных отверстий седел, и привод поворота шибера, кинематически связанный с его периферийной частью, при этом шибер выполнен в виде фигурной пластины, имеющей по одну сторону от оси поворота расширенную часть [2]. Конструкция привода шибера обеспечивает его надежную работу, вместе с тем известные задвижки по [1 и 2] сходны между собой и, следовательно, обладают одинаковыми недостатками, ограничивающими область их применения.

Известно устройство для регулирования перепада давления, содержащее корпус с перекрываемым отверстием, крышку, шибер с проходным отверстием, расположенный между корпусом и крышкой, уплотнительные элементы, рычаг, воздействующий на шибер через валик, при этом шибер выполнен с отверстием в виде петли с вогнутой стороной, причем вогнутость этой стороны соответствует профилю проходного сечения перекрываемого отверстия [3]. Известное устройство отличается простотой конструкции и обеспечивает возможность управления потоком. Вместе с тем, сальниковые уплотнительные элементы известного устройства для обеспечения его нормальной работы в условиях повышенных давлений и температуры являются непригодными, поскольку должны одновременно совмещать в себе несколько взаимоисключающих свойств, например, упругость и постоянство формы, износостойкость и прирабатываемость, а также еще и антифрикционность и термостойкость. Поэтому область применения указанного устройства для регулирования является ограниченной.

Известна задвижка запорная, содержащая два фланца с проходными отверстиями и расположенный между ними с возможностью поворота плоский шибер, имеющий проходное отверстие, рукоятку и упоры-ограничители поворота и сжатый болтами, расположенными на фланцах, при этом каждый из фланцев покрыт эластичной прокладкой, а сверх нее - прокладкой из антифрикционного материала [4]. Такая конструкция задвижки достаточно проста, технологична в изготовлении и монтаже и может быть использована в качестве полнопроходного крана, поскольку обеспечивает хорошие гидродинамические характеристики. Благодаря наличию пакета из двух прокладок с различными свойствами задвижка одновременно обеспечивает высокую герметичность и малое усилие управления шибером. Данное известное техническое решение принято в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог.

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность его использования в сетях с повышенными давлением и температурой рабочей среды. Для работы с высокими давлениями необходимо исключить возможность выдавливания прокладок в зазоры между фланцами и шибером, а также предотвратить формоизменение прокладок до степени потери ими герметизирующих свойств. В этих условиях эластичные свойства (способность воспринимать деформацию без разрушения) прокладок становятся второстепенными, а на приоритетное место выдвигаются упругие свойства, каковые в прототипе не обнаружены. Известно, что при продолжительной работе в условиях повышенных температур обычные материалы (особенно это касается резины) теряют свои свойства, и изделия из них быстро выходят из строя. Это в полной мере касается и прототипа, поскольку износостойкость прокладок в течение всего срока службы крана конструктивно не предусмотрена. Таким образом, указанное известное техническое решение, в силу его конструктивных особенностей, имеет ограничения по применимости.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в обеспечении возможности функционирования крана с диаметром проходного сечения от 10 до 200 мм в условиях повышенных давлений (1...20 МПа) и температур (-40...+450°С) агрессивных, абразивных и взрывоопасных рабочих сред при сохранении всех положительных свойств прототипа.

В конечном итоге указанный технический результат обеспечивает в предлагаемом кране расширение его функциональных возможностей и области применения при сохранении удобства эксплуатации, надежности и долговечности.

Достижение указанного положительного технического результата реализовано в конструкции полнопроходного бессальникового крана, который состоит из стянутых болтами двух фланцев с прокладками и проходными отверстиями и расположенного между фланцами с возможностью поворота плоского шибера с проходным отверстием, рукоятки поворота. Кран снабжен, по меньшей мере, двумя уплотнительными блоками и дополнительными прокладками, каждая из которых имеет проходное отверстие и расположена на соответствующей плоскости шибера таким образом, что их проходные отверстия совмещены между собой, каждый уплотнительный блок состоит из притертых между собой подвижной и неподвижной пластин, в каждой из которых выполнено проходное отверстие, и расположен между основной и дополнительной прокладками таким образом, что подвижная пластина соединена с соответствующей дополнительной прокладкой, а неподвижная пластина - с основной прокладкой, при этом все проходные отверстия соответствуют друг другу по размерам и форме и расположены с возможностью образования единого полнопроходного канала, а проходные отверстия в пластинах каждого уплотнительного блока - еще и с возможностью одновременного перекрытия при повороте шибера.

Предпочтительным является вариант исполнения крана, в котором на каждой плоскости шибера выполнена выемка для фиксации в ней соответствующих дополнительной прокладки и подвижной пластины, а в каждом фланце выполнена выемка для фиксации в ней соответствующих основной прокладки и неподвижной пластины, при этом прокладки могут быть выполнены из упругого материала, например, графлекса, а пластины уплотнительных блоков керамическими, причем последние могут иметь дугообразную форму. Вместе с этим возможен также вариант исполнения крана с механическим приводом поворота шибера.

Важнейшими технической характеристикой любого запорно-регулирующего устройства являются величина его гидравлического сопротивления и срок службы при сохранении максимальной герметичности в условиях отсутствия осмотров, регламентных и ремонтных работ. Наиболее сложной задачей является обеспечение герметичности в месте соединения подвижных деталей крана. В настоящем кране для решения этой задачи использованы уплотнительные блоки, пластины которых выполнены из одинакового материала, а их взаимодействующие поверхности представляют собой идеально плоские поверхности, прилегающие друг к другу с зазором, величина которого сравнима с межмолекулярным расстоянием и обеспечивающим наивысший класс герметичности, характеризующийся полным отсутствием проникновения рабочей среды в указанный зазор. При этом пластины обладают высокой жесткостью и изготавливаются прецизионным способом, например, из керамики или с керамическим напылением на рабочих поверхностях, что также обеспечивает низкий коэффициент трения между ними и исключает попадание механических примесей.

Таким образом, кран работает как заслон, а его высокая герметичность обеспечивается при отсутствии сальникового уплотнения за счет неразрывности притертых поверхностей подвижной и неподвижной пластин в процессе полного цикла “открыто-закрыто”. Для герметизации зазоров между уплотнительными блоками и фланцами, а также между уплотнительными блоками и плоскостями шибера предусмотрены основные и дополнительные упругие прокладки, которые также обеспечивают равномерное и гарантированное поджатие подвижной и неподвижной пластин друг к другу. Все прокладки изготавливаются из одинакового материала, обеспечивающего их упругие свойства при любых условиях работы в течение длительного времени. В данном случае под упругими свойствами понимается способность материала сопротивляться деформирующему воздействию и восстанавливать свою форму и объем после прекращения воздействия.

Проходные отверстия для рабочей среды во всех деталях крана имеют одинаковую форму и размеры, предпочтительно совпадающие с диаметром проходного сечения трубопровода, в котором установлен кран, и выполнены таким образом, что образуют, в том числе и с трубопроводом сквозной канал. Таким образом, кран в полностью открытом положении обладает минимальным гидросопротивлением.

Предлагаемое техническое решение иллюстрировано чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид крана (продольный разрез); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - кран, оснащенный механическим приводом поворота шибера; на фиг.4 - узел I на фиг.1, увеличенное изображение уплотнительного блока.

Кран “секторный заслон” содержит фланцы 1 и 2, плоский шибер 3 с рукояткой поворота 4, который укреплен посредством оси 5 между фланцами 1 и 2 с возможностью поворота. Фланцы 1 и 2 стянуты между собой болтами 6 и имеют патрубки 7 и 8, при этом последние для удобства монтажа могут быть выполнены заодно или раздельно с фланцами 1 и 2. Для примера, на фиг.1 фланец 1 и его патрубок 7 изображены как две детали, а фланец 2 и его патрубок 8 - как единая деталь. Кран оснащен двумя основными 9 и дополнительными 10 прокладками и двумя уплотнительными блоками, каждый из которых состоит из притертых между собой подвижной 11 и неподвижной 12 пластин дугообразной формы. Фланцы 1 и 2, шибер 3, прокладки 9 и 10, подвижные 11 и неподвижные 12 пластины имеют проходные отверстия, которые расположены с возможностью образования единого полнопроходного канала 13 в положении крана “открыто”. Каждая дополнительная прокладка и подвижная пластина расположены в выемке 14 шибера 3, а каждая основная прокладка и неподвижная пластина - в выемке 15 фланца 2 или 1. Во фланце 1 выполнена радиальная прорезь 16, края которой ограничивают перемещение рукоятки поворота 4. Возможно оснащение крана механическим приводом 17 для поворота шибера 3. Механический привод 17 может быть выполнен в виде червячной передачи, соединяющей ручку-штурвал 18 с шибером 3.

Функционирование полнопроходного бессальникового прямоточного крана осуществляется следующим образом.

Кран монтируется в трубопроводе посредством соединения патрубков 7 и 8 с концами труб. При этом направление потока рабочей среды в кране не регламентировано и может быть двухсторонним.

Кран может быть полностью открыт, полностью закрыт или в промежуточном состоянии, когда происходит регулирование потока рабочей среды. На всех чертежах кран изображен в положении “открыто”, когда все проходные отверстия образуют единый полнопроходной канал 13, при этом гидравлическое сопротивление крана практически отсутствует и расход рабочей жидкости максимален. Рукоятка поворота 4 находится в крайнем положении в радиальной прорези 16. При повороте вокруг оси 5 на некоторый угол в другое крайнее положение рукоятка поворота 4 упирается в противоположный конец радиальной прорези 16. Шибер 3, а вместе с ним и подвижные пластины 11 перемещаются в положение, при котором их проходные отверстия взаимно перекрываются с проходными отверстиями неподвижных пластин 12 и кран переходит в полностью закрытое состояние. В промежуточных положениях рукоятки поворота 4 площадь проходного сечения крана меньше, чем в полностью открытом состоянии, и таким образом возможно осуществление регулирования потока рабочей среды. Фиксация положения пластин 11 и 12 относительно шибера 3 и фланцев 1, 2 осуществляется за счет выемок 14 и 15. При этом пластины 11 и 12 вместе с прокладками 10 и 9 без зазора укладываются в выемки 14 и 15, которые также имеют дугообразную форму. Дугообразная (секторная) форма прокладок 10 и 9 и пластин 11 и 12 является оптимальной с точки зрения экономии материала, из которого они изготавливаются, а кроме того, минимизирует поверхность трения между пластинами 11 и 12.

Герметичность перекрытия крана обеспечивается постоянным поджатием притертых между собой керамических поверхностей подвижной 11 и неподвижной 12 пластин друг к другу. Предварительное поджатие обеспечивается при сборке крана за счет контролирования момента затяжки стяжных болтов 6. Постоянство поджатия обеспечивается упругими свойствами графлексовых прокладок 9 и 10 и дополняется действием давления перекачиваемой среды. В процессе эксплуатации притертые между собой керамические поверхности подвижной 11 и неподвижной 12 пластин не только не теряют своих герметизирующих свойств, но еще больше их усиливают, поскольку происходит их дальнейшее притирание (не путать с износом). Кроме того, материалы на основе керамики и графлекса не теряют своих свойств при длительном воздействии на них абразивных и агрессивных сред с высоким давлением и температурой.

Управление краном посредством механического привода 17 осуществляется путем вращения ручки-штурвала 18, которая приводит в действие червячный винт, в то время как червячной шестерней является шибер 3. Угол поворота шибера 3 может определяться по числу оборотов ручки-штурвала 18. Механический привод 17 для поворота шибера 3 имеет преимущество, поскольку обеспечивает плавность перемещения шибера 3 и исключает прямое воздействие на него неконтролируемого усилия.

Кран “секторный заслон” не имеет ограничений неспециального характера к применению его в сетях самого различного назначения и способен безотказно функционировать в течение длительного срока.

Источники информации

1. Патент США N 4432387 А, кл. 137-329.02, 1984.

2. Патент РФ N 2176346, кл. F 16 К 3/06, 2000.

3. Патент РФ N 2191308, кл. F 16 К 3/06, 2000.

4. Патент РФ N 2128307, кл. F 16 К 3/08, 1996. - прототип.