шаровой кран

Формула изобретения

1. Шаровой кран, содержащий корпус с патрубком и установленную в нем сферическую пробку, которая связана со штоком, на котором расположены нажимная втулка и сальниковое уплотнение, на торцах корпуса и патрубка, соприкасаемых с пробкой, установлены уплотнительные кольца, а между корпусом и патрубком размещено уплотнение, отличающийся тем, что корпус имеет расточку с цилиндрической и конусной поверхностями, на торце патрубка выполнены цилиндрические поверхности, а уплотнение содержит в себе односторонний клин и цилиндр, расположено в расточке корпуса и состыковано с ее цилиндрической и конусной поверхностями и с цилиндрическими поверхностями патрубка, при этом шток состоит из ступеней с канавкой, в которую входит выступ сальникового уплотнения.

2. Кран по п.1, отличающийся тем, что клин уплотнения имеет поверхность с углом 15°.

3. Кран по п.1, отличающийся тем, что конусная поверхность в расточке корпуса выполнена под углом 15°.

4. Кран по п.2 или 3, отличающийся тем, что клин уплотнения с конусной поверхностью расточки образует клиновое соединение.

5. Кран по п.1, отличающийся тем, что между торцами конусной поверхности расточки корпуса и торцом клина уплотнения выполнен компенсирующий зазор.

6. Кран по п.1, отличающийся тем, что между наружной поверхностью нажимной втулки и внутренней поверхностью корпуса выполнен радиальный зазор.

7. Кран по п.1, отличающийся тем, что между торцом штока и торцом неподвижной относительно штока нажимной втулки образовано радиальное уплотнение.

8. Кран по п.1, отличающийся тем, что канавка в одной из ступеней штока имеет кольцевую форму.

9. Кран по п.1 или 8, отличающийся тем, что в канавке штока выступ сальникового уплотнения со штоком образует кольцевое уплотнение.

10. Кран по п.1, отличающийся тем, что в корпусе и патрубке выполнены гребешки с углом 30° для создания лабиринтного уплотнения с уплотнительными кольцами под сферическую пробку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к запорной арматуре, в частности к конструкциям шаровых фланцевых кранов, используемых в системе трубопроводов, транспортирующих жидкие и газообразные агрессивные среды.

Известный шаровой кран по патенту Японии №56-48754, кл. F16 К 5/06, заявл.24.05.1978 г., опубл.17.11.1981 г. содержит клапанную коробку с размещенным в ней шаровым клапаном, который подгоняют к седлу.

С клапанной коробкой с одной и с другой сторон соединяются входной и выходной каналы, которые с большим усилием стягиваются с коробкой с помощью болтовых креплений.

Наружные уплотнительные кольца, основным материалом которых является расширяющийся графит, устанавливают на седле.

Недостатками известного крана является сложность конструкции из-за пересекающихся с каналами поверхностей, образующих несколько отсеков, что исключает герметичность и надежность конструкции.

Известный шаровой кран по патенту России №2115050, кл.F16 К 5/06, заявл.10.02.1997 г., опубл.10.07.1998 г. содержит корпус, в проходном канале которого размещены сферическая пробка и уплотнения с нажимным элементом, выполненным в виде кольца, размещенного в расточке корпуса.

Нажимной элемент выполнен из упругодеформируемого материала с наружной цилиндрической и внутренней конической поверхностями, контактирующими с соответствующими поверхностями расточки и уплотнения, при этом поверхность нажимного элемента, обращенная в противоположную сторону от сферической пробки, выполнена либо конической, либо сферической вогнутой.

Недостатками известного крана является то, что во время поджатия уплотнений не достигается необходимая герметичность, что снижает долговечность конструкции и ее срок службы.

Известный шаровой кран по авторскому свидетельству бывшего СССР №1551925, кл. F16 К 5/20, заявл.13.06.1988 г., опубл.23.03.1990 г. содержит корпус с патрубком и установленную в нем сферическую упругую пробку, которая связана со штоком, на котором расположены нажимная втулка и сальниковое уплотнение.

Кран имеет маховик со втулкой и крышку, при этом на штоке ниже втулки установлен крестообразный диск, выше которого в крышке закреплены два подпружиненные упора, расположенные в перпендикулярных плоскостях.

На торцах корпуса и патрубка, соприкасаемых с пробкой, установлены уплотнительные кольца, а между корпусом и патрубком расположено плоское прямоугольное уплотнение, выполненное из фторопласта.

Данную конструкцию принимаем за прототип.

Недостатками прототипа являются:

- плоское прямоугольное уплотнение между корпусом и патрубком требует больших усилий для достижения герметичности, большое удельное давление (Р) прилагаемых усилий на элементы резьбовых соединений крана раздавливают уплотнение, что, в целом, разрушает кран, при этом фторопластовое уплотнение "течет", что исключает герметичность,

- неравномерность обжатия уплотнения из-за отсутствия фиксированного положения фланцевых деталей относительно друг друга снижает уплотняющие свойства и долговечность уплотнения,

- во время сборки и монтажа крана болтовые соединения имеют значительные перенапряжения, т.е. работают на пределах прочности металла и при увеличении удельного давления (Р) конструкция крана работает на износ,

- нарушается герметичность сальника и процесс подтяжки нажимной втулки с сальниковым уплотнением трудоемкий при эксплуатации, при этом сальниковое уплотнение изнашивается.

В основу изобретения поставлена задача разработки шарового крана, обеспечивающего усовершенствование конструкции, повышение ее надежности и долговечности путем улучшения условий герметичности за счет снятия перенапряжений на болтовых креплениях крана с помощью клинового соединения, образованного односторонним клином с конусной поверхностью в расточке корпуса под углом 15°, а компенсирующий зазор дает возможность уплотнению заполнять этот зазор фторопластовым материалом для обеспечения соединения двух фланцевых деталей с нулевым зазором, при этом конструкция штока состоит из ступеней и имеет кольцевую канавку, в которой выступ сальникового уплотнения образует кольцевое уплотнение, а при управлении краном между торцом штока и торцом неподвижной относительно штока нажимной втулки образовывается радиальное уплотнение.

Решение поставленной задачи обеспечивает шаровой кран, содержащий корпус с патрубком и установленную в нем сферическую пробку, которая связана со штоком, на котором расположены нажимная втулка и сальниковое уплотнение, на торцах корпуса и патрубка, соприкасаемых с пробкой, установлены уплотнительные кольца, а между корпусом и патрубком размещено уплотнение, за счет того, что корпус имеет расточку с цилиндрической и конусной поверхностями, на торце патрубка выполнены цилиндрические поверхности, а уплотнение содержит в себе односторонний клин и цилиндр, расположено в расточке корпуса и состыковано с ее цилиндрической и конусной поверхностями и с цилиндрическими поверхностями патрубка, при этом шток состоит из ступеней с канавкой, в которую входит выступ сальникового уплотнения.

Для уменьшения удельного давления усилий и улучшения состыковывания клин уплотнения с конусной поверхностью в расточке корпуса образует клиновое соединение, так как клин уплотнения имеет поверхность с углом 15°, а конусная поверхность в расточке тоже выполнена под углом 15°.

Для обеспечения герметичности соединения корпуса с патрубком с нулевым зазором их фланцев, между торцами конусной поверхности расточки корпуса и торцом клина уплотнения выполнен компенсирующий зазор.

Для свободного вращения штока между наружной поверхностью нажимной втулки и внутренней поверхностью корпуса выполнен радиальный зазор.

Во время управления краном при натяжении нажимной втулки скольжение происходит по внутреннему диаметру корпуса, так как между торцом штока и торцом неподвижной нажимной втулки образовано радиальное уплотнение.

Для упрощения сборки и монтажа и улучшения условий герметичности, канавка в одной из ступеней штока имеет кольцевую форму, при этом выступ сальникового уплотнения в кольцевой канавке штока образует кольцевое уплотнение.

Для создания лабиринтного уплотнения с уплотнительными кольцами под сферическую плавающую пробку, в корпусе и патрубке крана выполнены гребешки под углом 30°.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения:

- повышена надежность и долговечность крана за счет обеспечения герметичности соединения между корпусом и патрубком с помощью клинового соединения, образованного односторонним клином с конусной поверхностью в расточке корпуса,

- обеспечена герметичность с малым крутящим моментом на элементах крепления в кране, при этом клиновое соединение снимает перенапряжения на болтовых соединениях, так как удельное давление (Р) усилий значительно меньше давления (Р₀), отраженного от поверхности клина с углом 15°,

- обеспечена герметичность цилиндра уплотнения с корпусом и патрубком за счет состыковывания цилиндрических поверхностей с соответствующими цилиндрическими поверхностями корпуса и патрубка,

- обеспечение свободного вращения штока без заклинивания нажимной втулки корпуса за счет того, что между наружной поверхностью нажимной втулки и внутренней поверхностью корпуса выполнен радиальный зазор, при этом обеспечивается свободное вращение штока совместно с сальниковым уплотнением, нажимной втулкой и гайкой, установленной сверху штока и являющимися одним целым при вращении,

- обеспечена герметичность штока с корпусом и сальниковым уплотнением за счет того, что при натяжении нажимной втулки между торцом штока и торцом неподвижной нажимной втулки образуется радиальное уплотнение, при этом во время управления краном скольжение происходит по внутреннему диаметру корпуса, а выступ сальникового уплотнения входит в выполненную кольцевую канавку в одной из ступеней штока, образуя кольцевое уплотнение,

- отсутствует перекос соединения между крышкой и патрубком, так как устанавливается нулевой зазор между ними, что обеспечивается наличием компенсирующего зазора, который заполняется материалом при силовых воздействиях от болтового соединения.

Заявляемый шаровой кран поясняется нижеприведенным описанием и чертежами, где:

Фиг.1 - шаровой кран в сечении без рукоятки,

Фиг.2 - выноска I по фиг.1,

Фиг.3 - выноска II по фиг.1,

Фиг.4 - выноска III по фиг.1,

Фиг.5 - корпус крана,

Фиг.6 - выноска IV по фиг.5,

Фиг.7 - патрубок крана,

Фиг.8 - выноска V по фиг.5 и 7,

Фиг.9 - конструкция штока.

По изобретению шаровой кран из коррозионно-стойких сталей, титановых сплавов и других материалов содержит корпус 1 с патрубком (крышкой) 2, которые между собой стянуты с помощью шпильки (болта) 3 с гайкой 4 (см. фиг.1).

Внутри корпуса 1 установлена сферическая свободно плавающая пробка 5, которая связана со штоком 6, на котором расположены нажимная втулка 7 и фторопластовое сальниковое уплотнение 8.

В местах соприкосновения сферической пробки 5 с корпусом 1 и патрубком (крышкой) 2 установлены уплотнительные фторопластовые кольца 9.

Уплотнительные фторопластовые кольца 9 связаны с корпусом 1 и патрубком 2 с помощью гребешков с углом 30°, что определяет высокую степень герметичности затвора шарового крана (см. фиг.1, 8).

Между корпусом 1 и патрубком 2 устанавливается комбинированное фторопластовое уплотнение, представляющее собой односторонний клин 10 с поверхностью под углом 15° и цилиндр 11, который расположен в выполненной расточке корпуса 7 (см. фиг.1, 2).

Фторопластовый клин 10 и цилиндр 11 снимают перенапряжения на болтовом соединении (на шпильке 3 и гайке 4) (см. фиг.1).

В расточке на торце корпуса 1 выполняется ответная поверхности клина 10 конусная поверхность 12 под углом 15°, в сочетании с которой выполняется цилиндрическая поверхность 13 (см. фиг.5, 6).

Между торцами конусной поверхности 12 расточки корпуса 7 и торцом клина 10 уплотнения выполняется компенсирующий зазор 14, который заполняется во время сборки корпуса 7 и патрубка 2 материалом комбинированного фторопластового уплотнения при силовых воздействиях от шпильки 3 и гайки 4 (см. фиг.1, 2).

Конусная поверхность клина 10 состыковывается с конусной поверхностью 12 в расточке корпуса 1, образуя клиновое соединение, а на торце патрубка (крышки) 2 выполняются цилиндрические поверхности 15 и 16 (см.фиг.2, 7).

Цилиндрическая поверхность 16 патрубка (крышки) 2 контактирует с цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1 и цилиндрической поверхностью комбинированного уплотнения (клина 10 и цилиндра 11), замыкая тем самым уплотнение, при этом цилиндрическая поверхность 15 патрубка (крышки) 2 контактирует с цилиндрической поверхностью 13 корпуса 1 (см. фиг.1, 2, 5, 6, 7).

Торец 18 патрубка (крышки) 2 контактирует с торцовой поверхностью 19 комбинированного уплотнения (клина 10 и цилиндра 11), нажимая тем самым на уплотнение в целом до образования нулевого зазора между фланцами корпуса 1 и патрубка 2 (см. фиг.1, 2, 7).

Согласно фиг.1, 3, 9 шток 6 имеет чередующиеся ступеньки 20 и 21 с кольцевой канавкой 22, выполненной в одной из ступенек.

Согласно фиг.1, 3 на шток 6 устанавливается гайка 23, при этом нажимная втулка 7 совместно с сальниковым уплотнением 8 являются одним целым при вращении штока 6.

Согласно фиг.3 между наружной поверхностью нажимной втулки 7 и внутренней поверхностью корпуса 1 выполнен радиальный зазор 24, обеспечивающий свободное вращение штока 6 и исключающий заклинивание нажимной втулки 7 с корпусом 1.

При этом при натяжении нажимной втулки 7 с помощью гайки 23 между торцом штока 6 и торцом нажимной втулки 7 образуется радиальное уплотнение, причем при управлении краном скольжение происходит по внутреннему диаметру корпуса 1.

Сальниковое уплотнение 8 путем поджатия нажимной втулки 7 заполняет кольцевую канавку 22 штока 6, обеспечивая герметичность за счет образования кольцевого уплотнения (см. фиг.3, 9).

Внутри корпуса 1 и патрубка 2 имеется поверхность с гребешком, выполненным под углом 30° для получения лабиринтного уплотнения с уплотнительными кольцами 9 (см. фиг.1, 4, 5, 7, 8).

Работа крана осуществляется следующим образом.

Полное перекрытие или открытие проходного отверстия крана происходит при провороте сферической пробки 5 на угол 90° по часовой стрелке до упора - "закрыто", против часовой стрелки до упора - "открыто".

Клин 10, цилиндр 11 и цилиндрические поверхности 15, 16 уплотнения для создания герметичности между корпусом 1 и патрубком (крышкой) 2 не требуют больших усилий.

Механические усилия от шпильки 3 и гайки 4 между корпусом 1 и патрубком 2 прикладываются с удельным давлением Р, а в клиновом соединении усилия, отраженные от конусных поверхностей клина 10 и расточки корпуса 1, увеличиваются до давления Р₀. Таким образом Р₀>Р, что улучшает герметичность уплотнения между фланцевыми деталями (корпус 1 и патрубок 2) крана и создают гарантированное уплотнение между пробкой 5, корпусом 1 и патрубком 2 за счет фторопластовых колец 9 и гребешков под углом 30° в корпусе 1 и патрубке 2.

Заявляемый шаровой кран позволяет:

- повысить срок службы конструкции во время эксплуатации и обеспечить ее герметичность,

- снизить эксплуатационные издержки по обслуживанию шаровых кранов.