резервированный запорный магистральный электропневматический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур

Формула изобретения

1. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур, содержащий корпус с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды, сообщающимися между собой через разделяющие их внутренние кольцевые полости, с центральной вертикально расположенной ступенчатой цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами - главного запорного органа (основного клапана), выполненного заодно с поршнем управления и расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющей расточки и взаимодействия с седлом корпуса, и вспомогательного запорного органа (пилотного клапана), образованного с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с главным запорным органом, и электромагнитный привод, управляющий через шток управления (толкатель) вспомогательным запорным органом, отличающийся тем, что запорный магистральный электропневматический клапан (клапан), включающий в себя корпус, главный и вспомогательный запорные органы, оснащен съемным направляющим цилиндром для основного запорного органа и приводным механизмом и образован в виде единого блока-модуля с возможностью встраивания непосредственно в магистральную линию и выполнен с резервированной системой управления рабочим процессом, сконфигурированной с возможностью избирательной работы клапана на режимах дистанционного управления и управления с фиксированным ручным дублированием электрического сигнала с общими цепями дистанционной и местной сигнализации по положению главного запорного органа в клапане «закрыто-открыто», при этом приводной механизм вспомогательного и, соответственно, главного запорных органов сформирован в виде соединительного устройства из двух составляющих компонентов - электромагнитного привода и резервного привода фиксированного ручного дублирования электрического сигнала, оба привода кинематически связаны со штоком управления запорного клапана и конструктивно и функционально объединены в единый съемный командный блок управления и жестко связаны общим корпусом и крышкой магнитопровода, в корпусе командного блока управления для установки электромагнитного привода образована центральная вертикально расположенная сквозная многоступенчатая расточка с резьбовым участком и направляющей цилиндрической поверхностью для герметичного и соосного подсоединения командного блока управления к направляющему цилиндру запорного клапана, в малую ступень центральной расточки корпуса жестко установлена направляющая гильза с наружным кольцевым опорным буртом из антимагнитного антифрикционного материала со стопом из магнитомягкого материала с центральным отверстием, на внешней стороне средней части корпуса образованы полости вводов электропитания, а на боковой поверхности центральной расточки - радиально направленное сквозное расточное отверстие, при этом электромагнитный привод содержит размещенные коаксиально в крышке магнитопровода две электромагнитные катушки, центральная из них образована с функцией «импульсной» (пусковой) катушки с кратковременным (импульсным) режимом работы, другая - с периферийным расположением, реализована в исполнении «удерживающей» катушки с длительным режимом работы, с меньшими выходной мощностью и энергопотреблением, при этом потребляемые токи на открытие запорных органов клапана и удержания их открытыми в режиме функционирования выбраны в соответствии с соотношением

Jимп/Jудерж=10...16,

где Jимп - потребляемый ток при стартовом открытии клапана при импульсном режиме управления, А,

Jудерж - потребляемый ток, удерживающий запорные органы в открытом состоянии в режиме длительного функционирования, А,

установленный внутри направляющей гильзы подпружиненный якорь-сердечник, жестко связанный с штоком управления клапана и тягой указателя конечных положений главного запорного органа, расположенной осесимметрично штоку управления и снабженной постоянным магнитом, блок сигнализации и переключений для автоматического отключения импульсной катушки при достижении основным запорным органом верхнего положения и выдачи информации о состоянии клапана («открыто»-«закрыто») на панель управления, блок сигнализации и переключений включает в себя трубчатый корпус, в верхней части которого закреплен блок переключений с тремя герконами, в верхней зоне крышки магнитопровода установлен фонарь из светопроницаемого и удароустойчивого материала, внутри фонаря смонтирована плата со светоизлучающими диодами различного цвета, привод фиксированного ручного дублирования электрического сигнала выполнен в виде размещенного в направляющей боковой расточке корпуса командного блока управления приводного вала с кольцевыми уплотнительными элементами на наружной цилиндрической поверхности и ручкой с возможностью ограниченного поворота вала в горизонтальной плоскости на угол 180...190°, а указанная кинематическая связь привода фиксированного ручного дублирования электрического сигнала со штоком управления запорного клапана выполнена в виде образованного на обращенной стороне торцовой стенки приводного вала толкающего пальца с эксцентричным расположением относительно оси поворота с возможностью на такте ручного управления вхождения пальца в зацепление с торцовой поверхностью кольцевого двухстороннего уступа штока управления и формирования пускового сигнала в виде осевого перемещения штока управления в верхнее крайнее рабочее положение или обратно из этого положения в нижнее крайнее исходное состояние, кроме этого приводной вал снабжен фиксирующим элементом, исключающим осевые перемещения вала и ограничивающим его угол поворота, и выполнен в виде цилиндрического штифта, радиально и консольно закрепленного в отверстии вала, свободный конец которого входит в профилированный паз боковой поверхности корпуса.

2. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.1, отличающийся тем, что корпус клапана с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды выполнен в виде монолитной конструкции, а центральная вертикально расположенная расточка корпуса выполнена ступенчатой с формированием на участке меньшей ступени направляющей цилиндрической поверхности, основного седла и двух кольцевых цилиндрических проточек, образующих при взаимодействии с главным запорным органом замкнутые кольцевые полости входа и выхода рабочего тела, причем корпус конструктивно и функционально выполнен по симметричной горизонтально ориентированной схеме расположения впускного и выпускного участков, включая боковые радиальные каналы, напрямую соединяющие кольцевые проточки входа и выхода центральной расточки корпуса с соответствующими отверстиями впускного и выпускного участков, при этом запорный магистральный клапан сформирован в виде соосно размещенных в центральной ступенчатой расточке корпуса и направляющем цилиндре двух пневматически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления главным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло», с общей камерой командного давления, размещенной между указанными устройствами с возможностью сообщения ее через дроссель с источником поступающего давления, устройство управления главным запорным органом состоит из корпуса с основным седлом, с кольцевыми полостями входа и выхода, разделяющего эти полости главного запорного органа с конической уплотняющей частью и соосно закрепленного с корпусом направляющего цилиндра, при этом главный запорный орган подпружинен относительно противоположно лежащего опорного торца и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания и уплотнением на внешней установочной поверхности - большей ступени, с конической запорной частью - на средней ступени, с осевым наружным центрирующим выступом, образующим меньшую ступень со стороны конической уплотняющей части, с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой в меньшей ступени которой жестко и герметично установлена переходная втулка с наружным опорным кольцевым буртом и с внутренней сквозной ступенчатой расточкой, на участке перехода направляющей расточки большей ступени к меньшей ступени сформированы седло и кольцевая коллекторная канавка, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом камеру командного давления и соединение ее с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания через радиально направленные дросселирующие каналы, причем жесткое и герметичное соединение переходной втулки с главным запорным органом выполнено путем ее установки с гарантированным осевым натягом, исключающим осевые перемещения или провороты в любых направлениях, причем главный запорный орган установлен с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения в направляющих расточках неподвижного цилиндра и корпуса и плотного контакта и взаимодействия конической запорной части с седлом входной кольцевой проточки корпуса, при этом центрирующий выступ главного запорного органа выполнен в форме двух смежных участков различного диаметра, из которых участок меньшего диаметра расположен со стороны конической уплотняющей части и образован в виде кольцевого паза с возможностью сообщения с центральным сквозным каналом через радиально ориентированные проходные отверстия, а участок большей ступени сформирован в виде кольцевого двухстороннего уступа (бурта), на периферийной направляющей поверхности которого образованы продольные сквозные равномерно расположенные в окружном направлении полуцилиндрические расточки с разделяющими перемычками - центрирующими элементами с возможностью постоянного сообщения кольцевого паза и кольцевой полости выхода корпуса между собой, причем на внешней поверхности уступа вблизи от кромки паза дополнительно сформирован посредством локального расширения внутренней полости кольцевой наполнитель в виде канавки трапецеидального сечения с заполнением в ней металла с антифрикционными, износостойкими и некорродирующими свойствами, нанесенного, например, путем электродной или плазменно-порошковой наплавки, устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно образовано в виде самостоятельной сборочной единицы с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри охватывающей направляющей расточки переходной втулки главного запорного органа и сообщения внутренних полостей с камерой командного давления, устройство содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы, внутри которой соосно с наружной поверхностью сформированы торцовые направляющие расточки, между которыми образована перегородка со сквозным отверстием, с одной стороны перегородки размещены беззазорно связанные между собой подпружиненные плунжер и шток управления с возможностью в режиме управления ограниченного возвратно-поступательного перемещения, с другой стороны размещен вспомогательный запорный орган, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом и цилиндрической направляющей частью с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью, причем указанный участок снабжен осевым хвостовиком цилиндрической формы, соосно выведенным в зону центрального отводного канала рабочей среды главного запорного органа, при этом вспомогательный запорный орган установлен в расточке гильзы с гарантированным кольцевым зазором и с возможностью одновременного контакта периферийной поверхности направляющей части, конической уплотняющей поверхности и открытого торца двухстороннего уступа с соответствующими поверхностями главного запорного органа и сферической торцовой поверхностью штока управления клапана, причем осевой хвостовик запорного органа сориентирован в центральном канале переходной втулки главного запорного органа с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, кроме того, направляющие расточки гильзы снабжены кольцевыми проточками с прямоугольной формой сечения, выполненными на участках, прилегающих к открытым торцам, а узел соединения устройства управления вспомогательным запорным органом выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец, установленных с гарантированным радиальным натягом в упомянутых проточках с возможностью ограничения осевых перемещений внутренних составляющих элементов устройства, кроме этого, шток управления клапана снабжен наружным кольцевым двухсторонним уступом с развитыми к периферии торцовыми поверхностями.

3. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.2, отличающийся тем, что в клапан, в линию подачи (входа) рабочей среды к вспомогательному запорному органу встроено фильтрующее устройство - средство очистки рабочей среды от механических примесей (частиц), размещенное в наружной кольцевой спрофилированной проточке нагнетания главного запорного органа, фильтрующее устройство выполнено в варианте сборной составной конструкции, состоящей из набора, по меньшей мере, одного слоя фильтрующей сетки в виде ленты и двух обжимающих ее с обеих сторон пружинных плоских сетчатых колец с накладным стыком и с поясом перфорации сквозных отверстий, причем составляющие элементы фильтрующего устройства плотно обжаты по контуру донышка проточки нагнетания и дополнительно зафиксированы в радиальном и окружном направлениях посредством, например, лазерной сварки или пайки периферийно расположенного сетчатого кольца, при этом внешняя поверхность фильтрующего устройства сообщена с кольцевой полостью входа рабочей среды в клапан, а внутренняя с камерой командного давления.

4. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочие уплотняющие поверхности седел корпуса и главного запорного органа выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов, причем каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса, коаксиально расположенного относительно соответствующей направляющей расточки, обращенного меньшим основанием в сторону выходного канала, при этом углы усеченного конуса седла и соответствующей конической части запорного органа выполнены с равными значениями в диапазоне от 45 до 52°, а отношение высоты усеченного конуса седла к диаметру его выходного канала выбрано в соответствии с соотношением

Нук/Dвк=0,06...0,1,

где Нук - высота усеченного конуса седла, мм;

Dвк - диаметр выходного канала седла, мм.

5. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что диаметры сопряжений главного запорного органа с неподвижно закрепленным направляющим цилиндром и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением

Dрц/Dск=1,16...1,22,

где Dрц - уплотнительный диаметр внутренней расточки неподвижно закрепленного направляющего цилиндра, мм;

Dск - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм.

6. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешнее уплотнение установочной поверхности главного запорного органа образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку, при этом манжетное уплотнение выполнено в виде размещенного в канавке с предварительным натягом упругого резинового круглого кольца и манжеты - обечайки из полимерного антифрикционного материала, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра и упругим резиновым кольцом, при этом за исходный наружный диаметр обечайки выбран диаметр внутренней расточки направляющего цилиндра.

7. Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что основные элементы конструкции клапана - корпус, главный запорный орган, направляющий цилиндр выполнены из антимагнитного и коррозионно-стойкого материала, например из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, а участки уплотняющих поверхностей седла корпуса и, соответственно, главного запорного органа образованы электродной или плазменно-порошковой наплавкой, стойкой к коррозии, эрозии и задиранию, с последующим упрочнением термической обработкой до значений средней твердости, причем зеркало направляющего цилиндра клапана подвергнуто гальваническому твердому хромированию и хонингованию с полировкой рабочей поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидропневмоавтоматики, в частности к запорно-регулирующим устройствам, используемым в газодобывающей, газоперерабатывающей, нефтяной, нефтехимической и химической промышленности для регулирования и перекрытия потоков рабочей среды в трубопроводных технологических линиях или магистралях, транспортирующих преимущественно газообразные среды с высокими давлениями и температурой.

Известны электропневматические клапаны прямого действия (см. SU 1000654 A, F16K 31/02, опубл. 28.02.1983 г., бюл. №8 или патент RU 2282771 C1, F16K 31/06, опубл. 27.08.2006 г., бюл. №24). Эти устройства содержат якорь, жестко связанный с запорным органом. В корпусе клапана образовано седло, к которому с помощью пружины прижимается запорный орган. Управление клапаном осуществляется с помощью электромагнитного привода встроенного типа с изолирующей трубкой, в которой размещены якорь и стоп. При подаче электрического сигнала на электромагнитный привод якорь перемещается в направлении стопа, увлекая за собой запорный орган, открывая тем самым затвор-клапан для прохождения рабочей среды.

Недостатком указанных клапанов прямого действия является необходимость использования магнита большой мощности. С увеличением проходного сечения клапана увеличивается рабочий ход запорного органа и, как следствие, увеличивается необходимая для установки клапана в открытое положение мощность электромагнита. С ростом мощности увеличивается масса и, соответственно, рабочая температура электромагнитного привода, что ведет к снижению надежности клапана.

Известен электромагнитный клапан (см. RU 2282090 С1, кл. F16K 31/06, опубл. 20.08.2006 г., бюл. №23), содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое положение, электромагнит, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, две шайбы, одна из которых выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит - с другой стороны.

Указанный клапан позволяет обеспечить снижение мощности, потребляемой клапаном, однако приведение его в открытое состояние исключительно способом ручного управления существенно ограничивает область его применения в промышленности, например в магистральных линиях с автоматической системой управления потоком рабочей среды.

В настоящее время одной из актуальных задач является создание надежной и удобной для эксплуатации конструкции запорного клапана, предназначенного для запирания и свободного пропуска с минимальным сопротивлением рабочей среды. При этом на первый план выдвигается необходимость обеспечения высокой надежности и экономичности работы клапанов при использовании их в системах высокого давления, высокой степени герметичности в закрытом положении, а также в быстродействии срабатывания.

Данным требованиям наиболее полно удовлетворяют клапаны непрямого действия с двумя каскадами управления, нашедшие наибольшее распространение благодаря меньшим энергетическим затратам на управление клапаном и неограниченным возможностям применения в автоматизированных системах.

Для повышения чувствительности клапанов и стабильности давления, а также для обеспечения эффективной разгрузки клапанов от осевых сил в настоящее время широко используются клапаны с серводействием (см. Т.М.Башта, «Гидравлические приводы летательных аппаратов», Москва, «Машиностроение», 1967 г., с.246, рис.184).

В конструкциях такого типа клапанов помимо основного запорного органа применен вспомогательный запорный орган с уменьшенными геометрическими рабочими параметрами, перемещения которого отслеживает основной запорный орган, перепускающий или закрывающий основной поток рабочей среды под давлением. При открытии вспомогательного запорного органа давление в его камере управления понижается, в результате чего основной запорный орган синхронно открывается. При подаче команды на закрытие вспомогательного запорного органа основной запорный орган автоматически закрывается, причем усилие для открытия клапана с серводействием определяется только площадью запорной части вспомогательного запорного органа и соответствующим управляющим давлением рабочей среды.

Известен двухкаскадный электропневматический магистральный клапан (см. RU 2277664 С1, кл. F16K 31/02, опубл. 10.06.2006 г., бюл. №16), содержащий корпус с основным седлом, подводящим и отводящим патрубками, крышку корпуса с закрепленным под ней электромагнитным приводом в составе обмотки, защитного элемента обмотки, ярма центрального стержня, якоря с уплотнительным диском на торце и возвратной пружины, а также сервопривод в виде цилиндра с загрузочным и разгрузочными отверстиями и управляющим седлом. По сравнению с известными техническими решениями указанный клапан имеет достаточно несложное конструктивное исполнение и отличается рациональными габаритно-массовыми характеристиками и технологичностью изготовления.

Однако при всех конструктивных и технологических преимуществах известный клапан имеет недостаток, заключающийся в том, что его конструкция рассчитана на работу с достаточно низким уровнем давлений рабочей среды от 0 до 2,5 МПа и невысокими температурами этой среды, что обусловлено применением в клапане эластомерных уплотнителей, входящих в состав запорных органов обоих каскадов управления.

Указанные уплотнители, испытывая при более высоких давлениях значительные знакопеременные деформации и перепады давлений и температур, подвергаются усиленному механическому износу, чем снижается надежность и ресурс клапана в целом.

В связи с усложнением трубопроводной арматуры, повышением давлений и скоростей истечения рабочих сред возросли требования к клапанным устройствам в соответствии с особенностями новых условий их работы, основными из которых являются высокие температуры рабочей среды, обусловленные кинетическим нагревом и теплом, выделяемым при работе самим клапаном.

Из приведенного следует, что температурные условия становятся настолько жесткими, что существующие известные клапаны и применяемые в них материалы становятся непригодными. На современном уровне техники работоспособность запорных клапанов магистральных систем должна обеспечиваться и поддерживаться в широком диапазоне давлений от 0 до 16 МПа и температур от минус 50°С до +200°С и в условиях агрессивных воздействий рабочей среды.

Из числа известных аналогов заявляемого технического решения ближайшим аналогом (прототипом) служит электропневмоклапан нормально закрытого типа с двухступенчатым режимом работы (см. патент RU 2267685 С2, 7 F16K 31/02, опубл. 10.01.2006, бюл. №1). Известный электропневмоклапан содержит максимальное количество сходных с заявляемым клапаном конструктивных признаков, а именно: оба клапана нормально закрытого типа с двухступенчатым режимом работы и содержат корпус с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды, сообщающимися между собой через разделяющие их кольцевые полости, с центральной вертикально расположенной цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами - главного запорного органа (основного клапана, выполненного заодно с поршнем управления и расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющей расточки и взаимодействия с седлом и вспомогательного запорного органа (пилотного клапана), образованного с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с первым запорным органом и электромагнитный привод.

Анализ клапана аналога-прототипа показывает, что компоновка его схемного решения позволяет обеспечить работу клапана в целом, однако практическая реализация этой задачи требует определенного конструктивно-технологического усложнения, доработки, введения системы внутренних каналов и ряда уплотнительных устройств, встройка которых накладывает определенные технологические трудности в проводке этих каналов и обеспечении герметичности стыков, жестко соединяемых между собой частей клапана.

Конструкция клапана аналога - прототипа повторяет приведенный выше недостаток клапана-аналога (см. RU 2277664 С1, кл. F16K 31/02, опубл. 10.06.2006 г.), выражающийся в применении запорных органов, уплотняющие элементы которых изготовлены из эластомерных материалов, склонных под воздействием больших перепадов давлений и температур к усиленному механическому износу, чем снижаются показатели надежности и ресурс работы клапана.

Кроме этого, в известном клапане не исключена возможность возникновения автоколебаний (вибраций) главного запорного органа, особенно в клапанах с большими расходами, из-за значительной длины его консольной запорной части и в связи с тем, что вход потока рабочей среды под давлением в полость корпуса осуществляется через боковое отверстие, а выход - через центральное отверстие ступенчатой расточки корпуса. В этих случаях возникают значительные радиальные составляющие активных сил потока, действующих на главный запорный орган и происходят скачкообразные изменения расхода проводимой среды, вследствие чего эксплуатационные характеристики клапана существенно ухудшаются.

Известному клапану присуща большая вероятность снижения герметичности запорных органов из-за отсутствия возможности их самоустановки относительно соответствующих контактных поверхностей седел клапана. Несимметричная схема подсоединения известного клапана к трубопроводам магистральной линии накладывает определенные технологические трудности в организации осуществления монтажа (демонтажа), технических осмотров, обслуживания и ремонта.

Недостатком известных технических решений, включая и прототип, является также отсутствие возможности управления запорным клапаном с помощью вспомогательного привода ручного дублирования электрического сигнала, объективно необходимого для осуществления ручного управления клапаном в случаях проведения пуско-наладочных или ремонтно-восстановительных работ при отключенной системе электропитания. Кроме этого, ручной привод управления в полной мере обеспечивает безотказную эксплуатацию клапана в экстремальных или аварийных ситуациях.

Рост технического уровня эксплуатации магистральных систем с переменным потреблением энергии рабочей среды требует создания запорно-регулирующей аппаратуры с качественно новыми характеристиками. Помимо этого, она должна быть компактной и обладать высокой эксплуатационной технологичностью.

Необходимо отметить, что большинство рассмотренных типов конструкций запорных клапанов, включая конструкцию аналога-прототипа, имеют, как правило, «монофункциональное» применение, поэтому наиболее актуальным на сегодняшний день становится вопрос разработки и создания запорных клапанов универсального применения, сочетающих в себе «многофункциональные» возможности и позволяющих при этом уменьшить существующую номенклатуру конструкций двухкаскадных запорных клапанов.

На существующем уровне техники известные конструкции запорно-регулирующих устройств, включая конструкцию аналога-прототипа, не удовлетворяют разработчиков объектов применения из-за несоответствия запорных устройств специальным требованиям. В частности, требованиям по обеспечению принципов агрегатирования и модульности исполнения составляющих элементов. Выполнение этих условий открывает возможность проводить автономную отработку технических характеристик и испытания, позволяет выполнить встройку запорно-регулирующего устройства непосредственно в технологическую линию или в линию магистральной системы, а также упростить работы, связанные с монтажом, демонтажом и ремонтом непосредственно на объекте применения.

В совокупности указанные недостатки известного электропневмоклапана аналога-прототипа в достаточной мере снижают эксплуатационные качества и ограничивают его применение, например, в условиях воздействия высоких температур, давлений и значительной энергии потока «сдросселированного» газа, нередко несущего в своем составе посторонние включения, в частности, механические примеси.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание такой эффективной конструкции запорного клапана, которая сочетает в себе возможности и достоинства известных запорных устройств, но имеет при этом более надежную, технологичную и ремонтопригодную конструкцию с одновременным достижением других технико-экономических показателей:

- реализация выполнения запорного клапана в виде единого блока-модуля с возможностью легкого встраивания непосредственно в линию магистральной системы и автономной отработки технических характеристик,

- снижение потерь напора и мощности путем сокращения пути и максимального «спрямления» траектории прохождения основного потока рабочей среды через клапан.

- повышение чувствительности и быстродействия запорных органов и снижение гистерезисных явлений на переходных режимах управления,

- повышение работоспособности и обеспечение герметичности запорных органов клапана в условиях воздействия в широком диапазоне положительных и отрицательных температур и высоких давлений химически активной рабочей среды,

- улучшение и стабилизация параметров герметичности по запорным органам за счет компенсации различных производственно-технологических погрешностей, возникающих при изготовлении и вследствие температурных и упругих деформационных процессов в деталях в период эксплуатации путем возможности их самоустановки на уплотняющие седла и встройки фильтрующего устройства в линию входа рабочей среды к вспомогательному запорному органу,

- расширение эксплуатационных возможностей запорного клапана и повышение безопасности эксплуатации за счет:

- обеспечения управления клапаном как вручную, так и дистанционно с помощью электрического сигнала, формируемого на панели управления,

- повышения экономичности электромагнитного привода путем создания энергосберегающей магнитной катушки с автоматически изменяемой в процессе работы мощностью,

- автоматической выдачи информации о занимаемой позиции основного запорного органа в клапане («закрыто»-«открыто»).

В соответствии с «Правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления» ПБ 12-529-03 («Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», г.Москва, 2003 г., п.2.4.1, с.31-32) обязательным требованием к газопроводной аппаратуре, в частности к запорным клапанам, является наличие питающего напряжения на катушке электромагнита в рабочем состоянии клапана, при этом закрытие клапана может осуществляться только снятием напряжения питания с электромагнита. По этой причине, например, клапаны с импульсным управлением не могут быть использованы в качестве отсечных в системах автоматики с использованием природного газа.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом резервированном запорном магистральном электропневматическом клапане модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур (запорном клапане), содержащем корпус с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды, сообщающимися между собой через разделяющие их внутренние кольцевые полости, с центральной вертикально расположенной ступенчатой цилиндрической расточкой и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами - главного запорного органа (основного клапана), выполненного заодно с поршнем управления и расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющей расточки и взаимодействия с седлом корпуса и вспомогательного запорного органа (пилотного клапана), образованного с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с главным запорным органом и электромагнитный привод, управляющий через шток управления (толкатель) вспомогательным запорным органом, согласно изобретению запорный магистральный электропневматический клапан (клапан), включающий в себя корпус, главный и вспомогательный запорные органы, оснащен съемным направляющим цилиндром для основного запорного органа и приводным механизмом и образован в виде единого блока-модуля с возможностью встраивания непосредственно в магистральную линию и выполнен с резервированной системой управления рабочим процессом, сконфигурированной с возможностью избирательной работы клапана на режимах дистанционного управления и управления с фиксированным ручным дублированием электрического сигнала с общими цепями дистанционной и местной сигнализации по положению главного запорного органа в клапане «закрыто-открыто», при этом приводной механизм вспомогательного и, соответственно, главного запорных органов сформирован в виде соединительного устройства из двух составляющих компонентов - электромагнитного привода и резервного привода фиксированного ручного дублирования электрического сигнала, оба привода кинематически связаны со штоком управления запорного клапана и конструктивно и функционально объединены в единый съемный командный блок управления и жестко связаны общим корпусом и крышкой магнитопровода, в корпусе командного блока управления для установки электромагнитного привода образована центральная вертикально расположенная сквозная многоступенчатая расточка с резьбовым участком и направляющей цилиндрической поверхностью для герметичного и соосного подсоединения командного блока управления к направляющему цилиндру запорного клапана, в малую ступень центральной расточки корпуса жестко установлена направляющая гильза с наружным кольцевым опорным буртом из антимагнитного антифрикционного материала со стоном из магнитомягкого материала с центральным отверстием, на внешней стороне средней части корпуса образованы полости вводов электропитания, а на боковой поверхности центральной расточки - радиально направленное сквозное расточное отверстие, при этом электромагнитный привод содержит размещенные коаксиально в крышке магнитопровода две электромагнитные катушки, центральная из них образована с функцией «импульсной» (пусковой) катушки с кратковременным (импульсным) режимом работы, другая - с периферийным расположением, реализована в исполнении «удерживающей» катушки с длительным режимом работы, с меньшей выходной мощностью и энергопотреблением, при этом потребляемые токи на открытие запорных органов клапана и удержания их открытыми в режиме функционирования выбраны в соответствии с соотношением:

Jимп/Jудерж=10...16,

где Jимп - потребляемый ток при стартовом открытии клапана при импульсном режиме управления, А;

Jудерж - потребляемый ток, удерживающий запорные органы в открытом состоянии в режиме длительного функционирования, А. Установленный внутри направляющей гильзы подпружиненный якорь-сердечник, жестко связанный с штоком управления клапана и тягой указателя конечных положений главного запорного органа, расположенную осесимметрично штоку управления и снабженную постоянным магнитом, блок сигнализации и переключений для автоматического отключения импульсной катушки при достижении основным запорным органом верхнего положения и выдачи информации о состоянии клапана («открыто»-«закрыто») на панель управления, блок сигнализации и переключений включает в себя трубчатый корпус, в верхней части которого закреплен блок переключений с тремя герконами, в верхней зоне крышки магнитопровода установлен фонарь из светопроницаемого и удароустойчивого материала, внутри фонаря смонтирована плата со светоизлучающими диодами различного цвета, привод фиксированного ручного дублирования электрического сигнала выполнен в виде размещенного в направляющей боковой расточке корпуса командного блока управления приводного вала с кольцевыми уплотнительными элементами на наружной цилиндрической поверхности и ручкой с возможностью ограниченного поворота вала в горизонтальной плоскости на угол 180°...190°, а указанная кинематическая связь привода фиксированного ручного дублирования электрического сигнала со штоком управления запорного клапана выполнена в виде образованного на обращенной стороне торцовой стенки приводного вала толкающего пальца с эксцентричным расположением относительно оси поворота с возможностью на такте ручного управления вхождения пальца в зацепление с торцовой поверхностью кольцевого двухстороннего уступа штока управления и формирования пускового сигнала в виде осевого перемещения штока управления в верхнее крайнее рабочее положение или обратно из этого положения в нижнее крайнее исходное состояние, кроме этого приводной вал снабжен фиксирующим элементом, исключающим осевые перемещения вала и ограничивающим его угол поворота, и выполнен в виде цилиндрического штифта, радиально и консольно закрепленного в отверстие вала, свободный конец которого входит в профилированный паз боковой поверхности корпуса,

согласно изобретению корпус клапана с впускным и выпускным участками для прохода рабочей среды выполнен в виде монолитной конструкции, а центральная вертикально расположенная расточка корпуса выполнена ступенчатой с формированием на участке меньшей ступени направляющей цилиндрической поверхности, основного седла и двух кольцевых цилиндрических проточек, образующих при взаимодействии с главным запорным органом замкнутые кольцевые полости входа и выхода рабочего тела, причем корпус конструктивно и функционально выполнен по симметричной горизонтально ориентированной схеме расположения впускного и выпускного участков, включая боковые радиальные каналы, напрямую соединяющие кольцевые проточки входа и выхода центральной расточки корпуса с соответствующими отверстиями впускного и выпускного участков, при этом запорный магистральный клапан сформирован в виде соосно размещенных в центральной ступенчатой расточке корпуса и направляющем цилиндре двух пневматически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления главным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло», с общей камерой командного давления, размещенной между указанными устройствами с возможностью сообщения ее через дроссель с источником поступающего давления, устройство управления главным запорным органом состоит из корпуса с основным седлом, с кольцевыми полостями входа и выхода, разделяющего эти полости главного запорного органа с конической уплотняющей частью, и соосно закрепленного с корпусом направляющего цилиндра, при этом главный запорный орган подпружинен относительно противоположно лежащего опорного торца и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания и уплотнением на внешней установочной поверхности - большей ступени, с конической запорной частью - на средней ступени, с осевым наружным центрирующим выступом, образующим меньшую ступень со стороны конической уплотняющей части, с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой, в меньшей ступени которой жестко и герметично установлена переходная втулка с наружным опорным кольцевым буртом и с внутренней сквозной ступенчатой расточкой, на участке перехода направляющей расточки большей ступени к меньшей ступени сформированы седло и кольцевая коллекторная канавка, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом камеру командного давления и соединение ее с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания через радиально направленные дросселирующие каналы, причем жесткое и герметичное соединение переходной втулки с главным запорным органом выполнено путем ее установки с гарантированным осевым натягом, исключающим осевые перемещения или провороты в любых направлениях, причем главный запорный орган установлен с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения в направляющих расточках неподвижного цилиндра и корпуса и плотного контакта и взаимодействия конической запорной части с седлом входной кольцевой проточки корпуса, при этом центрирующий выступ главного запорного органа выполнен в форме двух смежных участков различного диаметра, из которых участок меньшего диаметра расположен со стороны конической уплотняющей части и образован в виде кольцевого паза с возможностью сообщения с центральным сквозным каналом через радиально ориентированные проходные отверстия, а участок большей ступени сформирован в виде кольцевого двухстороннего уступа (бурта), на периферийной направляющей поверхности которого образованы продольные сквозные равномерно расположенные в окружном направлении полуцилиндрические расточки с разделяющими перемычками - центрирующими элементами с возможностью постоянного сообщения кольцевого паза и кольцевой полости выхода корпуса между собой, причем на внешней поверхности уступа вблизи от кромки паза дополнительно сформирован посредством локального расширения внутренней полости кольцевой наполнитель в виде канавки трапецеидального сечения с заполнением в ней металла с антифрикционными, износостойкими и некорродирующими свойствами, нанесенного, например, путем электродной или плазменно-порошковой наплавки.

Устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно образовано в виде самостоятельной сборочной единицы с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри охватывающей направляющей расточки переходной втулки главного запорного органа и сообщения внутренних полостей с камерой командного давления, устройство содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы, внутри которой соосно наружной поверхности сформированы торцовые направляющие расточки, между которыми образована перегородка со сквозным отверстием, с одной стороны перегородки размещены беззазорно связанные между собой подпружиненные плунжер и шток управления с возможностью в режиме управления ограниченного возвратно-поступательного перемещения, с другой стороны - размещен вспомогательный запорный орган, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом и цилиндрической направляющей частью с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью, причем указанный участок снабжен осевым хвостовиком цилиндрической формы, соосно выведенным в зону центрального отводного канала рабочей среды главного запорного органа, при этом вспомогательный запорный орган установлен в расточке гильзы с гарантированным кольцевым зазором и с возможностью одновременного контакта периферийной поверхности направляющей части, конической уплотняющей поверхности и открытого торца двухстороннего уступа с соответствующими поверхностями главного запорного органа и сферической торцовой поверхностью штока управления клапана, причем осевой хвостовик запорного органа сориентирован в центральном канале переходной втулки главного запорного органа с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, кроме того, направляющие расточки гильзы снабжены кольцевыми проточками с прямоугольной формой сечения, выполненными на участках, прилегающих к открытым торцам, а узел соединения устройства управления вспомогательным запорным органом выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец, установленных с гарантированным радиальным натягом в упомянутых проточках с возможностью ограничения осевых перемещений внутренних составляющих элементов устройства, кроме этого, шток управления клапана снабжен наружным кольцевым двухсторонним уступом с развитыми к периферии торцовыми поверхностями,

согласно изобретению в клапан, в линию подачи (входа) рабочей среды к вспомогательному запорному органу встроено фильтрующее устройство - средство очистки рабочей среды от механических примесей (частиц), размещенное в наружной кольцевой спрофилированной проточке нагнетания главного запорного органа, фильтрующее устройство выполнено в варианте сборной составной конструкции, состоящей из набора по меньшей мере одного слоя фильтрующей сетки в виде ленты и двух обжимающих ее с обеих сторон пружинных плоских сетчатых колец с накладным стыком и с поясом перфорации сквозных отверстий, причем составляющие элементы фильтрующего устройства плотно обжаты по контуру донышка проточки нагнетания и дополнительно зафиксированы в радиальном и окружном направлениях посредством, например, лазерной сварки или пайки периферийно расположенного сетчатого кольца, при этом внешняя поверхность фильтрующего устройства сообщена с кольцевой полостью входа рабочей среды в клапан, а внутренняя - с камерой командного давления, согласно изобретению рабочие уплотняющие поверхности седел корпуса и главного запорного органа выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов, причем каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса, коаксиально расположенного относительно соответствующей направляющей расточки, обращенного меньшим основанием в сторону выходного канала, при этом угол усеченного конуса седла и соответствующей конической части запорного органа выполнены с равными значениями в диапазоне от 45° до 52°, а отношение высоты усеченного конуса седла к диаметру его выходного канала выбрано в соответствии с соотношением:

Нук/Dвк=0,06...0,1,

где Нук - высота усеченного конуса седла, мм;

Dвк - диаметр выходного канала седла, мм,

согласно изобретению диаметры сопряжений главного запорного органа с неподвижно закрепленным направляющим цилиндром и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением:

Dрц/Dск=1,16...1,22,

где Dрц - уплотнительный диаметр внутренней расточки неподвижно закрепленного направляющего цилиндра, мм;

Dск - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм,

согласно изобретению внешнее уплотнение установочной поверхности главного запорного органа образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку, при этом манжетное уплотнение выполнено в виде размещенного в канавке с предварительным натягом упругого резинового круглого кольца и манжеты - обечайки из полимерного антифрикционного материала, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра и упругим резиновым кольцом, при этом за исходный наружный диаметр обечайки выбран диаметр внутренней расточки направляющего цилиндра, согласно изобретению основные элементы конструкции клапана - корпус, главный запорный орган, направляющий цилиндр выполнены из антимагнитного и коррозионностойкого материала, например, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, а участки уплотняющих поверхностей седла корпуса и, соответственно, главного запорного органа образованы электродной или плазменно-порошковой наплавкой, стойкой к коррозии, эрозии и задиранию, с последующим упрочнением термической обработкой до значений средней твердости, причем зеркало направляющего цилиндра клапана подвергнуто гальваническому твердому хромированию и хонингованию с полировкой рабочей поверхности.

Предложенное техническое решение обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающими достижение поставленной цели - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных показателей запорного электропневматического клапана.

Отличительной особенностью предлагаемого клапана является то, что его основные составляющие части, взаимодействующие между собой автоматические устройства управления главным и вспомогательным запорными органами вместе со штоком управления (толкателем) и приводным механизмом, конструктивно и функционально объединены в единый модульный блок с горизонтально ориентированными участками впуска и выпуска рабочей среды.

Предложенная конструкция обуславливает:

- возможность легкой встройки запорного клапана непосредственно в линию магистральной системы;

- возможность автономной отработки рабочих параметров;

- удобное проведение технических осмотров и ремонтно-восстановительных работ;

- достижение высокой степени герметичности и минимально допустимых перетоков в режиме закрытия запорных органов в условиях воздействия высоких температур и перепадов давлений рабочей среды за счет применения уплотнения вида «металл-металл» и фильтрующего устройства в линии подачи к вспомогательному запорному органу и придания уплотняющим поверхностям конической формы, способствующей самоцентрированию запорных органов в процессе работы относительно своих седел.

Образование в главном запорном органе наружного центрирующего выступа со стороны расположения уплотняющей запорной части с возможностью постоянного контакта с направляющей расточкой корпуса обеспечивает лучшую установку по седлу и позволяет повысить эффективность уплотнения запорной части и исключить вероятность возникновения пневмоударов, автоколебаний и вибраций клапана при прохождении рабочей среды, а образование гарантированного кольцевого зазора по наружной поверхности двухстороннего уступа вспомогательного запорного органа обеспечивает его стабильное положение и плотный контакт с уплотняющей поверхностью седла главного запорного органа.

Выполнение приводного механизма в виде единого съемного командного блока управления, состоящего из электромагнитного привода с автоматически изменяемой в процессе работы мощностью, резервного привода ручного дублирования электрического сигнала и блока сигнализации переключений, позволяет осуществлять управление запорным клапаном как вручную, так и дистанционно с помощью электросигнала, формируемого нажатием одной из кнопок панели управления с автоматическим удержанием запорных органов в открытом положении с выдачей информации о занимаемой позиции основного запорного органа в клапане («открыто»-«закрыто») через линию дистанционной сигнализации.

Использование в качестве внешнего уплотнения главного запорного органа рационального сочетания упругого резинового кольца и облегающей его манжеты-обечайки из полимерного антифрикционного материала, например из фторопласта, позволяет минимизировать величину трения перемещения запорного органа и повысить ресурс работы клапана в целом.

Цилиндрический хвостовик вспомогательного запорного органа, соосно выведенного в зону центрального отводного канала главного запорного органа, обеспечивает выравнивание окружной неравномерности потока и снижение пульсаций при высоких скоростях истечения газовой среды.

Выполнение основных элементов конструкции клапана-корпуса, главного запорного органа и направляющего цилиндра из антимагнитной и коррозионностойкой стали, например из стали 12Х18Н10Т обуславливает:

- высокую устойчивость клапана к воздействию агрессивных сред,

- снижение влияния индуктивности на работу электромагнитного привода.

В целом предлагаемое техническое решение вызвано необходимостью обеспечения компактности размещения заявляемого клапана как в простых магистральных и технологических газовых линиях или системах, так и в магистральных линиях с автоматической системой управления потоком рабочей среды с выдачей в обоих случаях информации о занимаемой позиции основного запорного органа и удобства обслуживания и подсоединения к нему соответствующих трубопроводов питания.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показан общий вид, разрез резервированного запорного магистрального электропневматического клапана модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур с двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 53 и 54 управления главным 7 и вспомогательным 10 запорными органами со съемным командным блоком управления 15. Электрические сигналы управления отсутствуют;

- на фиг.2 показано место А на фиг.1 - конструктивное исполнение седла 9 главного запорного органа 7;

- на фиг.3 показано место Б на фиг.1 - конструктивное исполнение внешнего уплотнительного устройства 60 главного запорного органа 7;

- на фиг.4 показан разрез Ж-Ж на фиг.1 - конструктивное исполнение кольцевого двухстороннего уступа (бурта) 73 главного запорного органа 7 с наружными, продольными, сквозными, равномерно расположенными в окружном направлении, полуцилиндрическими расточками 74 для прохождения рабочей среды в направлении кольцевой полости выхода 5;

- на фиг.5 показано место В на фиг.1, разрез съемного командного блока управления 15 - приводного механизма для вспомогательного 10 и главного 7 запорных органов;

- на фиг.6 показано место Г на фиг.1, разрез автоматического устройства 54 управления вспомогательным запорным органом 10;

- на фиг.7 показан общий вид, разрез резервированного запорного магистрального электропневматического клапана модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур с двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 53 и 54 управления главным 7 и вспомогательным 10 запорными органами со съемным командным блоком управления 15. Поданы электрические сигналы управления на электромагнитный привод 11 блока управления 15;

- на фиг.8 показан общий вид, разрез резервированного запорного магистрального электропневматического клапана модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур с двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 53 и 54 управления главным 7 и вспомогательным 10 запорными органами. Электрические сигналы управления отсутствуют.

Приводной вал 42 резервного привода фиксированного ручного дублирования электрического сигнала 14 повернут от исходного положения в положение «ОТКРЫТО» на угол 180°...190°. Вспомогательный 10 и главный 7 запорные органы кинематически приведены в открытые положения.

Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа, высоких давлений и температур (запорный клапан) (фиг.1) содержит корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 участками для прохода рабочей среды, сообщающимися между собой через разделяющие их внутренние кольцевые полости входа 4 и выхода 5 с центральной вертикально расположенной ступенчатой цилиндрической расточкой 6 и соосно размещенными в ней двумя последовательно открываемыми подпружиненными запорными органами - главного запорного органа 7, выполненного заодно с поршнем управления 8 и расположенного с возможностью осевого перемещения относительно направляющей расточки и взаимодействия с седлом 9 (фиг.2) корпуса 1, и вспомогательного запорного органа 10, образованного с уменьшенными геометрическими параметрами по сравнению с главным запорным органом 7, и электромагнитный привод 11, управляющий через шток управления 12 вспомогательным запорным органом 10.

Запорный клапан, включающий в себя корпус 1, главный 7 и вспомогательный 10 запорные органы со штоком управления 12, оснащен съемным направляющим цилиндром 13 для главного запорного органа 7 и приводным механизмом, состоящим из электромагнитного привода 11 и резервного привода 14 фиксированного ручного дублирования электрического сигнала.

Оба привода кинематически связаны со штоком управления 12 запорного клапана и конструктивно и функционально объединены в единый съемный командный блок управления 15 и жестко связаны общим корпусом 16 и крышкой магнитопровода 17. В корпусе 16 (фиг.3) для установки электромагнитного привода 11 образована центральная вертикально расположенная сквозная многоступенчатая расточка 18 с резьбовым участком 19 и направляющей цилиндрической поверхностью 20 для герметичного и соосного подсоединения блока управления 15 к направляющему цилиндру 13.

В малую ступень 21 центральной расточки 18 жестко установлена направляющая гильза 22 из немагнитного и антифрикционного материала с наружным кольцевым опорным буртом 23 и стопом 24 из магнитомягкого материала с центральным отверстием 25. На внешней стороне средней части корпуса 16 образованы полости вводов электропитания 26, а на боковой поверхности центральной расточки 27 - радиально направленное расточное отверстие 28.

Электромагнитный привод 11 содержит размещенные коаксиально в крышке магнитопровода 17 две электромагнитные катушки, центральная из них, 29 - импульсная, другая - 30 с периферийным расположением выполнена с функцией «удерживающей» катушки с меньшей выходной мощностью.

Внутри направляющей гильзы 22 размещен подпружиненный якорь-сердечник 31, жестко связанный со штоком управления 12 клапана и тягой указателя конечных положений 32 главного запорного органа 7, расположенную осесимметрично штоку управления 12 и снабженную постоянным магнитом 33. Электромагнитный привод 11 снабжен блоком сигнализации и переключений 34, включающим в себя трубчатый корпус 35, в верхней части которого закреплен блок переключений с тремя герконами 36, 37 и 38. В верхней зоне крышки магнитопровода 17 установлен фонарь 39, а внутри фонаря смонтирована плата 40 со светоизлучающими диодами 41 различного цвета.

Привод фиксированного ручного дублирования электрического сигнала 14 выполнен в виде размещенного в направляющей боковой расточке 28 корпуса 16 приводного вала 42 с уплотнительными элементами 43 и ручкой 44. Кинематическая связь между приводом 14 фиксированного ручного дублирования электрического сигнала и штоком управления 12 выполнена в виде образованного на торцовой стенке 45 приводного вала 42 толкающего пальца 46 с возможностью вхождения его в зацепление с торцовой поверхностью 97 кольцевого двухстороннего уступа 96 штока управления 12. Приводной вал 42 снабжен фиксирующим элементом в виде цилиндрического радиально и консольно установленного штифта 47.

Центральная вертикально расположенная расточка 6 корпуса 1 (фиг.1) выполнена ступенчатой с формированием на участке меньшей ступени направляющей цилиндрической поверхности 48, основного седла 9 (фиг.2) и двух кольцевых цилиндрических проточек 49 и 50, образующих при взаимодействии с главным запорным органом 7 замкнутые кольцевые полости входа 4 и выхода 5 рабочей среды, сообщенные с участками впуска 2 и выпуска 3 через каналы 51 и 52 соответственно.

Запорный магистральный клапан образован в виде соосно размещенных в центральной ступенчатой расточке 6 корпуса 1 и направляющем цилиндре 13 двух пневматически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления: 53 - главным запорным органом 7 и 54 - вспомогательным запорным органом 10. Между устройствами управления 53 и 54 размещена общая камера командного давления 55 (фиг.6), сообщенная через дроссельные отверстия 56 с источником управляющего давления через кольцевую полость входа 4 и входной канал 51 (фиг.1).

Устройство управления 53 главным запорным органом 7 (фиг.1) состоит из корпуса 1 с основным седлом 9 (фиг.2) с кольцевыми полостями входа 4 и выхода 5, разделяющего эти полости главного запорного органа 7 с конической уплотняющей частью 57, и соосно закрепленного с корпусом 1 направляющего цилиндра 13, при этом главный запорный орган 7 подпружинен относительно противоположно лежащего опорного торца 58 и выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической дифференциальной полой втулки с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания 59 (фиг.6) и уплотнением 60 (фиг.3) на внешней установочной поверхности большей ступени 61, с конической запорной частью 57 на средней ступени 62 и с осевым наружным центрирующим выступом 63, образующим меньшую ступень главного запорного органа 7 (фиг.1).

Внутри главного запорного органа 7 образована сквозная многоступенчатая расточка 64, в средней ступени которой жестко и герметично установлена переходная втулка 65 с наружным опорным кольцевым буртом 66 и с внутренней сквозной ступенчатой расточкой 67. На участке перехода большей ступени к меньшей сформировано седло 68 (фиг.6) и кольцевая коллекторная канавка 69, образующая при взаимодействии с вспомогательным запорным органом (пилотом) 10 камеру командного давления 55 и соединение ее с наружной кольцевой спрофилированной проточкой нагнетания 59 главного запорного органа 7 через радиально направленные дросселирующие каналы 56.

Главный запорный орган 7 (фиг.1) установлен с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения в направляющих расточках неподвижного цилиндра 13 и корпуса 1 и плотного контакта и взаимодействия конической запорной части 57 с седлом 9 (фиг.4) входной кольцевой проточки 49 корпуса 1, при этом центрирующий выступ 63 главного запорного органа 7 выполнен в форме двух смежных участков различного диаметра, участок меньшего диаметра образован в виде кольцевого паза 70 с возможностью сообщения с центральным сквозным каналом 71 через радиально ориентированные проходные отверстия 72, а участок большей ступени сформирован в виде кольцевого двухстороннего уступа 73, на периферийной направляющей поверхности которого образованы продольные сквозные, равномерно расположенные в окружном направлении, полуцилиндрические расточки (выемки) 74 (фиг.4) с разделяющими перемычками - центрирующими элементами 75 с возможностью постоянного сообщения полости кольцевого паза 70 (фиг.1) и кольцевой полости выхода 5 корпуса 1 между собой.

На внешней поверхности уступа 73 дополнительно сформирована кольцевая канавка 76 с электродной и плазменно-порошковой наплавкой 77. Устройство управления 54 вспомогательным запорным органом 10 (фиг.6) содержит корпус, выполненный в виде цилиндрической гильзы 78, внутри которой соосно наружной поверхности сформированы торцовые направляющие расточки 79 и 80, между которыми образована перегородка 81 со сквозным отверстием 82. В расточке 79 размещены беззазорно связанные между собой подпружиненный плунжер 83 и шток управления 12 с возможностью осевого перемещения. В расточке 80 размещен вспомогательный запорный орган 10, выполненный с наружным кольцевым двухсторонним уступом 84 и цилиндрической направляющей частью 85 с равномерно расположенными и направленными параллельно центральной оси лысками 86 и с переходом ее в участок с конической уплотняющей поверхностью 87, который снабжен осевым хвостовиком 88 цилиндрической формы, выведенным в зону центрального отводного канала переходной втулки 65.

Вспомогательный запорный орган 10 установлен в расточке 80 гильзы 78 с гарантированным кольцевым зазором 89 и с возможностью одновременного контакта направляющей части 85, конического уступа 87 и открытого торца 90 двухстороннего уступа 84 с соответствующими поверхностями переходной втулки 65 и сферической торцовой поверхностью 91 штока управления 12. Осевой хвостовик 88 запорного органа 10 соосно сориентирован в центральном канале переходной втулки 65 с гарантированным кольцевым зазором 92.

Направляющие расточки 79 и 80 гильзы 78 снабжены кольцевыми проточками 93 и 94, а узел соединения устройства 54 управления вспомогательным запорным органом 10 выполнен в виде плоских пружинных стопорных колец 95, установленных с гарантированным радиальным натягом в проточках 93 и 94 с возможностью ограничения осевых перемещений внутренних составляющих элементов, вспомогательного запорного органа 10, плунжера 83 и штока управления 12. Шток управления 12 снабжен кольцевым двухсторонним уступом 96 (фиг.3) с развитыми к периферии торцовыми поверхностями 97 и 98.

В наружную кольцевую профилированную проточку нагнетания 59 (фиг.6) главного запорного органа 7 встроено фильтрующее устройство 99, состоящее из фильтрующей сетки 100 в виде ленты и двух, обжимающих ее с обеих сторон, пружинных плоских сетчатых колец 101 с поясом перфорации сквозных отверстий 102. Наружное сетчатое кольцо 101 зафиксировано лазерной сваркой 103.

Рабочие уплотняющие поверхности седла 9 (фиг.2) корпуса 1 и седла 68 (фиг.6) главного запорного органа 7 выполнены коническими и притертыми к соответствующим рабочим коническим поверхностям главного и вспомогательного запорных органов 7 и 10 соответственно. Каждая из уплотняющих поверхностей образует боковую поверхность усеченного конуса.

Внешнее уплотнение 60 (фиг.3) установочной поверхности главного запорного органа 7 образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку 104. Манжетное уплотнение состоит из резинового круглого кольца 105 и манжеты - обечайки 106 из полимерного антифрикционного материала, например из фторопласта, имеющей в радиальном сечении П-образную форму, установленной в канавке 104 с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями 107 и 108 с поверхностью внутренней расточки направляющего цилиндра 13 и упругим резиновым кольцом 105. Внутренние полости клапана, находящиеся под давлением, герметизируются относительно окружающей среды соответствующими кольцами и прокладками.

Резервированный запорный магистральный электропневматический клапан работает следующим образом.

В режиме исходного рабочего состояния. К клапану в канал входа 51 подведено номинальное рабочее давление от источника магистральной газовой системы. Электрический сигнал управления отсутствует. Клапан закрыт. Привод ручного управления 14 находится в положении «ЗАКРЫТО». Замкнут контакт нижнего геркона 36 закрытого положения (фиг.1).

Рабочее давление через канал входа 51, кольцевую полость входа 4 корпуса 1, фильтрующее устройство 99 и дроссельные отверстия 56 главного запорного органа 7 поступает в камеру командного давления 55 (фиг.6), откуда через образованные лыски 86 и осевые отверстия во вспомогательном запорном органе 10 проходит во внутренние полости устройств управления 53 и 54 главного и вспомогательного запорных органов. Таким образом давление рабочей среды во внутренних полостях устройств управления 53 и 54 равно давлению входа. В связи с тем, что площадь направляющей и уплотненной части 61 главного запорного органа 7 выполнена больше площади седла 9 (фиг.2) корпуса 1, закрываемой главным запорным органом 7, последний перемещается в сторону расположения выходного канала 52 и закрывает седло 9 с силой, пропорциональной разности вышеуказанных площадей, исключая переток рабочей среды под давлением в кольцевую полость выхода 5.

Одновременно вспомогательный запорный орган 10 рабочим давлением прижимается к седлу 68 (фиг.6) главного запорного органа 7, исключая переток рабочей среды под давлением через центральный отводной канал 71 (фиг.1). Главный 7 и вспомогательный 10 запорные органы дополнительно прижимаются к своим седлам пружинами сжатия, установленными во внутренних полостях устройств управления 53 и 54.

Встройка фильтрующего устройства 99 (фиг.6) в главный запорный орган 7 в линию подвода рабочей среды к вспомогательному запорному органу 10 предотвращает загрязнение дроссельных отверстий (каналов) 56 при прохождении через них рабочей среды и исключает попадание взвешенных частиц-примесей в контактную кольцевую зону закрытия вспомогательного запорного органа 10, что обеспечивает сведение до минимума перетоков рабочей среды в условиях ее возможного загрязнения в условиях эксплуатации. Циркуляция очищенной от посторонних примесей рабочей среды одновременно устраняет возможность защемления и заклинивания подвижных деталей вспомогательного устройства управления 54 (фиг.6) и электромагнитного привода 11 (фиг.1).

В режиме прокачки через клапан рабочей среды под давлением. К клапану в канал входа 51 подведено номинальное рабочее давление от источника магистральной газовой системы. На электромагнитный привод 11 (в «импульсную» катушку 29 и катушку «удерживания» 30) подан электрический сигнал управления. Привод ручного дублирования 14 (ручка 44) находится в положении «ЗАКРЫТО» (фиг.7).

Под действием электрического сигнала управления якорь-сердечник 31 втягивается (перемещается вверх по схеме) вместе с присоединенным к нему штоком управления 12, преодолевая усилие пружин устройств управления 53 и 54. Синхронно штоку 12 в том же направлении перемещается цилиндрическая гильза 78 устройства управления 54 вместе с вспомогательным запорным органом 10, который отходит от седла 68 главного запорного органа 7 (фиг.6), при этом внутренняя полость над запорным органом 7 соединяется через центральный канал 71 (фиг.1) с кольцевой полостью выхода 5.

Благодаря дроссельным отверстиям 56 (фиг.6), проходные сечения которых могут быть выбраны достаточно малыми, происходит резкое падение давления во внутренней полости главного запорного органа 7, что вызывает его подъем на рабочий ход из-за возникновения выталкивающей силы от действующего в кольцевой полости входа 4 (фиг.1) давления рабочей среды.

Основной поток этой среды под давлением через седло 9, кольцевой паз 70 (фиг.1), полуцилиндрические расточки 74 (фиг.4) главного запорного органа 7 и кольцевую полость 5 (фиг.1) корпуса 1 направляется в канал 52 выхода рабочей среды. После прохождения главным запорным органом 7 рабочего хода, а вместе с ним и тяги указателя конечных положений 32 (фиг.5) с магнитом 33, нижний геркон 36 закрытого положения клапана размыкается, а верхний геркон 37 замыкается, чем формируются электрический и световой сигналы об открытии запорного клапана. Одновременно магнитом 33 размыкается переключающий геркон 38 (фиг.5) блока сигнализации и переключений 34, чем достигается отключение импульсной катушки 29, при этом «удерживающая» катушка 30 остается под напряжением с меньшей потребляемой мощностью, но достаточной для удержания запорных органов 7 и 10 в открытом состоянии.

Для закрытия клапана «удерживающая» катушка 30 отключается, при этом запорные органы 7 и 10 возвращаются в исходное закрытое положение, прекращая движение потока рабочей среды через клапан. Таким образом осуществляется двухступенчатый режим работы запорного клапана.

В случаях ручного управления открытием запорного клапана (фиг.8) производится поворот ручки 44 привода ручного дублирования электрического сигнала 14 в направлении «ОТКРЫТО» на угол 180°...190° до упора, при этом боковой, эксцентрично расположенный толкающий палец 46 приводного вала 42, входит в контактное сцепление с торцовой поверхностью 97 двухстороннего уступа 96 штока управления 12 и перемещает его в направлении расположения электромагнитного привода 11 на величину рабочего хода главного запорного органа 7, равного двойному эксцентриситету расположения толкающего пальца 42. Дальнейший процесс происходит аналогично описанному выше, когда открытие запорного клапана осуществляется с помощью электромагнитного привода 11 путем подачи на него электрического сигнала управления.

Предлагаемый запорный клапан с заявленной совокупностью существенных конструктивных признаков обуславливает получение технического результата - возможности создания перспективного ряда резервированных запорных магистральных электропневматических клапанов модульного исполнения для встроенного монтажа, отличающихся эксплуатационной надежностью, долговечностью, высокой герметичностью, безопасностью и расширенной областью использования как в составе устройств автоматики для магистральных газовых систем, так и самостоятельного применения на входе газового технологического оборудования средней и большой мощности и за счет возможности осуществления управления запорным органом клапана как вручную, так и дистанционно с помощью электросигналов, формируемых на пультах управления с выдачей необходимой информации о работе клапана через линию дистанционной сигнализации.

Заявляемый запорный клапан обеспечивает снижение потребляемой мощности более, чем на порядок по сравнению с известными конструкциями электропневматических клапанов и гарантирует безотказное функционирование в широком диапазоне расходов, давлений, температур и применяемых рабочих сред, включая агрессивные среды, при этом преимущественные показатели перед известными техническими решениями практически подтвердились при достаточно несложном конструктивно-технологическом исполнении предложенного клапана, открывающего возможность к осуществлению более удобной и экономной эксплуатации электропневматических клапанов в составе газопроводных магистральных или технологических линий или на других объектах применения.