RU174792U1

RU174792U1 - AXIAL FLOW VALVE

Info

Publication number: RU174792U1
Application number: RU2017102259U
Authority: RU
Inventors: Валерий Петрович Нефёдцев; Дмитрий Николаевич Веремеев; Михаил Вячеславович Погорелов; Василина Сергеевна Саянова
Original assignee: Акционерное общество "Атоммашэкспорт" (АО "Атоммашэкспорт")
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Клапан осевого потока относится к области арматуростроения, в частности к клапанам для газовых магистралей высокого давления. В клапане, содержащем регулирующий орган, совершающий возвратно-поступательные перемещения под действием привода посредством зубчато-реечного механизма, включающего ведущий и ведомый штоки, поверхности ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма в зоне взаимного зацепления покрыты слоем молибдена. Техническим результатом, обеспечиваемым при использовании полезной модели, является долговременная надежная работа клапана без периодического возобновления смазки в реечном механизме и снижение нагрузок на приводной механизм. 3 фиг.The axial flow valve relates to the field of valve engineering, in particular to valves for high-pressure gas lines. In a valve containing a regulating body reciprocating under the action of a drive by means of a rack-and-pinion mechanism including a leading and driven rods, the surfaces of the leading and driven rods of the rack-and-pinion mechanism in the area of mutual engagement are covered with a molybdenum layer. The technical result provided by using the utility model is long-term reliable operation of the valve without periodic renewal of lubrication in the rack and pinion mechanism and reduction of loads on the drive mechanism. 3 of FIG.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области арматуростроения, в частности к клапанам для газовых магистралей высокого давления.The proposed utility model relates to the field of valve engineering, in particular to valves for high-pressure gas lines.

Известен запорно-регулирующий клапан осевого потока, содержащий жестко соединенные между собой наружный корпус с седлом и внутренний корпус, образующие спрямленную осесимметричную проточную часть, разгруженный плунжер с уплотнительными элементами, размещенными во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором и механизмом осевого перемещения плунжера. (Арматура ядерных энергетических установок». Д.Ф. Гуревич и др. Атомиздат, 1978, стр. 90, рис. 4.7.)Known shut-off and control valve of the axial flow containing rigidly interconnected outer casing with a saddle and an inner casing, forming a straightened axisymmetric flow part, an unloaded plunger with sealing elements placed in the inner casing with a landing annular gap and the axial movement of the plunger. (Armature of nuclear power plants. ”DF Gurevich et al. Atomizdat, 1978, p. 90, Fig. 4.7.)

Недостатками конструкции является большая металлоемкость и масса клапана, что вызывает необходимость использования мощных приводов. Массивность элементов, обуславливающая инерционность клапана при открывании, высокие ударные нагрузки, приходящиеся на уплотнительные поверхности затвора, трудности в осуществлении их плавной регулировки, ведет к снижению ресурса и герметичности клапанов. Кроме того, клапан является узкодиапазонным по регулируемым параметрам из-за наличия уплотнительных элементов на плунжере, и ненадежен в условиях пуска и останова энергетических объектов.The design flaws are the large metal consumption and valve mass, which necessitates the use of powerful actuators. The massiveness of the elements, which determines the inertia of the valve when opening, the high shock loads attributable to the sealing surfaces of the shutter, the difficulties in performing their smooth adjustment, leads to a decrease in the resource and tightness of the valves. In addition, the valve is narrow-range in terms of adjustable parameters due to the presence of sealing elements on the plunger, and is unreliable in conditions of starting and stopping power facilities.

Известен также регулирующий клапан осевого типа, содержащий разгруженный плунжер с уплотнительными поверхностями, размещенный во внутреннем корпусе с посадочным кольцевым зазором (Описание к патенту РФ на изобретение №2267680 «Клапан осевого потока» по Кл. F16K 1/12, опубликовано 01.10.2006 г. ). На плунжере установлен металлический сильфон со складывающейся формой гофр, один конец которого герметично соединен с ним, а другой конец герметично соединен с внутренним корпусом, обеспечивая при сжатии сильфона осевое перемещение уплотнительной поверхности плунжера по направлению к седлу против направления движения рабочей среды, при этом средний диаметр сильфона больше среднего диаметра уплотнительной поверхности седла, а внутренняя полость сильфона сообщена с полостью высокого давления рабочей среды установленной байпасной линией, снабженной запорным клапаном, площадь проходного сечения которого больше площади посадочного кольцевого зазора.An axial-type control valve is also known, which contains an unloaded plunger with sealing surfaces, located in the inner casing with a seating annular gap (Description of the patent of the Russian Federation for invention No. 2267680 "Axial flow valve" according to CL F16K 1/12, published 01.10.2006, ) A metal bellows with a folding corrugation shape is installed on the plunger, one end of which is hermetically connected to it, and the other end is hermetically connected to the inner casing, while compressing the bellows, the axial movement of the sealing surface of the plunger towards the seat against the direction of movement of the working medium, with an average diameter the bellows is larger than the average diameter of the sealing surface of the seat, and the inner cavity of the bellows is in communication with the high-pressure cavity of the working medium installed bypass iey provided with a check valve opening area is larger than a landing area of the annular gap.

Недостатком клапана является сложность конструкции запорного органа, снабженного герметизирующим металлическим сильфоном, поддержание работоспособности которого требует дополнительного обслуживания оборудования байпасной линии. Нарушения и сбои в работе байпасной линии и сильфона приводят к недостаточной герметичности клапана, особенно при высоких давлениях регулируемой среды. Кроме того, наличие байпасной линии ведет к увеличению числа уплотнений в клапане, что снижает его надежность.The disadvantage of the valve is the complexity of the design of the shut-off element equipped with a sealing metal bellows, the maintenance of which requires additional maintenance of the bypass line equipment. Violations and malfunctions in the bypass line and bellows lead to insufficient valve tightness, especially at high pressures of the controlled medium. In addition, the presence of a bypass line leads to an increase in the number of seals in the valve, which reduces its reliability.

Наиболее близким по назначению, технической сущности и достигаемому результату к заявляемому в качестве полезной модели регулирующему клапану осевого потока является регулирующий клапан, содержащий корпус с запирающим элементом в виде поршня, расположенного внутри гильзы с отверстиями, и перемещаемого реечным механизмом, при этом ведомый шток соединен с ведущим штоком реечного механизма и расположен, посредством уплотнителей, в направляющей втулке, имеющей со свободной стороны ведущего штока полость со смазкой. (Патент РФ №77007 на полезную модель «Регулирующий клапан» по Кл. F16K 3/14, опубликован 10.10.2008).The closest in purpose, technical essence and the achieved result to the axial flow control valve claimed as a utility model is a control valve comprising a housing with a locking element in the form of a piston located inside the sleeve with holes and moved by a rack and pinion gear, while the driven rod is connected to the leading rod of the rack and pinion mechanism and is located, by means of seals, in a guide sleeve having a lubricated cavity on the free side of the leading rod. (RF patent No. 77007 for utility model “Control valve” according to Cl. F16K 3/14, published on 10/10/2008).

Недостатком известного клапана является необходимость использования специальной смазки для работы реечного механизма, что требует периодического обслуживания клапана для заполнения смазкой полости во втулке. При высоких температурах и в режимах высоких нагрузок смазка утрачивается и возможно образование мини-контактных «прикипаний» металла штоков к поверхности втулки. При таком характере взаимодействия любые, даже незначительные, отклонения от геометрии контактных поверхностей приводят к возникновению высоких точечных контактных напряжений при прижатии одних поверхностей к другим. Последующий взаимный сдвиг поверхностей вызывает разогрев металла до высоких температур. В этих точках поверхность одной детали «приваривается» к поверхности другой детали. Это неизбежно вызывает появление локальных вырывов металла с последующим развитием задиров и возникновению заеданий и заклиниваний механизма даже при высокой твердости взаимодействующих поверхностей. Это явление тем интенсивнее, чем выше усилия в механизме и чем выше скорость взаимного перемещения деталей, что особенно актуально в регулирующих антипомпажных клапанах, применяемых в системах транспортировки природного газа.A disadvantage of the known valve is the need to use a special lubricant for the operation of the rack mechanism, which requires periodic maintenance of the valve to fill the cavity in the sleeve with grease. At high temperatures and under high load conditions, the lubricant is lost and mini-contact “sticking” of the metal of the rods to the surface of the sleeve is possible. With this nature of the interaction, any, even insignificant, deviations from the geometry of the contact surfaces lead to the appearance of high point contact stresses when one surface is pressed against another. The subsequent mutual shift of the surfaces causes the metal to warm up to high temperatures. At these points, the surface of one part is “welded” to the surface of another part. This inevitably causes the appearance of local tearing of the metal with the subsequent development of scoring and the occurrence of seizing and jamming of the mechanism even with high hardness of the interacting surfaces. This phenomenon is the more intense, the higher the effort in the mechanism and the higher the speed of the mutual movement of the parts, which is especially true in control anti-surge valves used in natural gas transportation systems.

Для заполнения полости втулки смазкой следует отключить и разобрать клапан, что приводит к отключению трубопровода, его простоям и экономическим потерям.To fill the sleeve cavity with grease, turn off and disassemble the valve, which leads to the shutdown of the pipeline, its downtime and economic losses.

Технической задачей, решаемой при создании полезной модели, является создание необслуживаемой конструкции регулирующего клапана для условий высокого давления и большого диапазона рабочих температур.The technical problem to be solved when creating a utility model is to create a maintenance-free design of the control valve for high pressure and a wide range of operating temperatures.

Техническим результатом, обусловленным заявляемым в качестве полезной модели усовершенствованием конструкции клапана, является долговременная надежная работа клапана без периодического возобновления смазки в реечном механизме и снижение нагрузок на приводной механизм.The technical result due to the claimed improvement of the valve design as a utility model is the long-term reliable operation of the valve without periodic renewal of lubrication in the rack and pinion mechanism and reduction of loads on the drive mechanism.

Для достижения указанного технического результата в клапане, содержащем регулирующий орган, совершающий возвратно-поступательные перемещения под действием привода посредством зубчато-реечного механизма, включающего ведущий и ведомый штоки, согласно полезной модели, поверхности ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма в зоне взаимного зацепления покрыты слоем молибдена.To achieve the indicated technical result, in a valve containing a regulating body reciprocating under the action of a drive by means of a rack-and-pinion mechanism, including the leading and driven rods, according to the utility model, the surfaces of the leading and driven rods of the rack-and-pinion mechanism in the area of mutual engagement are covered a layer of molybdenum.

Покрытие поверхностей ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма в зоне косозубого зацепления слоем молибдена, обладающего свойствами твердой смазки, образует прочный слой со свойствами смазочного материала, что снижает износ элементов косозубого зацепления, исключает их «залипание», исключает задиры трущихся поверхностей и уменьшает нагрузку на приводной механизм, что особенно важно при высоких давлениях рабочей среды. Уменьшение нагрузки на привод повышает надежность срабатывания клапана.The coating of the surfaces of the leading and driven rods of the rack and pinion mechanism in the helical gearing zone with a layer of molybdenum having the properties of solid lubricant forms a strong layer with the properties of the lubricant, which reduces wear of the helical gear elements, eliminates their “sticking”, eliminates the seizure of rubbing surfaces and reduces the load on the drive mechanism, which is especially important at high pressures of the working medium. Reducing the load on the actuator increases the reliability of the valve.

Молибден характеризуется высокой температурой плавления, твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, анти - задирными свойствами, обуславливает защиту зубчато-реечного механизма от абразивных повреждений и выкрашивания при высоких нагрузках, и его использование на поверхностях контактирующих нагруженных деталей повышает надежность и долговечность клапана. Покрытие молибденом поверхности косозубого зацепления зубчато-реечного механизма обеспечивает возможность выполнения их из материалов, имеющих одинаковый коэффициент теплового расширения, что является важным условием для трубопроводной арматуры, работающей в условиях большого диапазона рабочих температур.Molybdenum is characterized by high melting point, hardness, corrosion resistance, wear resistance, anti-scoring properties, determines the protection of the rack-and-pinion mechanism from abrasive damage and chipping at high loads, and its use on the surfaces of contacting loaded parts increases the reliability and durability of the valve. Molybdenum coating of the surface of the helical gearing of the rack-and-pinion mechanism allows them to be made of materials having the same coefficient of thermal expansion, which is an important condition for pipe fittings operating in a wide range of operating temperatures.

Пример выполнения заявляемого клапана осевого потока поясняется чертежами.An example implementation of the inventive axial flow valve is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведен общий вид клапана в разрезе.In FIG. 1 shows a General view of the valve in section.

На фиг. 2 представлен эскиз зубчато-реечного механизма в разрезе.In FIG. 2 is a sectional view of a gear rack mechanism.

На фиг. 3 изображен профиль косозубого зацепления.In FIG. 3 shows a helical gear profile.

Клапан осевого типа содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками и обтекатель 4, формирующие проходной кольцевой канал 5, на выходе из которого установлена перфорированная гильза 6 с радиальными отверстиями 7, зафиксированная втулкой 8 в выходном патрубке. Внутри гильзы, с возможностью осевого перемещения, установлен поршень 9. Полость 10 поршня 9 сообщается с полостью выходного патрубка 3 посредством отверстий 11, выполненных в торце поршня, что обеспечивает выравнивание давления с обеих сторон поршня, тем самым разгружая его. Механизм перемещения поршня включает привод 12 и зубчато-реечный механизм, содержащий ведущий шток 13 и ведомый шток 14, установленные в отверстия 15 и 16 втулки 17, зафиксированной в обтекателе 4 гайкой 18. Отверстие 15, в котором установлен ведущий шток 13, и отверстие 16, в котором установлен ведомый шток 14, выполнены с высокой точностью, причем отверстие 15 соосно отверстию 19, выполненному в корпусе 1.The axial type valve comprises a housing 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles and a cowl 4 forming an annular passage 5, at the outlet of which a perforated sleeve 6 with radial holes 7 is mounted, fixed by a sleeve 8 in the outlet nozzle. A piston 9 is mounted inside the sleeve, with the possibility of axial movement. The cavity 10 of the piston 9 communicates with the cavity of the outlet pipe 3 by means of holes 11 made in the end face of the piston, which ensures pressure equalization on both sides of the piston, thereby relieving it. The piston moving mechanism includes a drive 12 and a rack-and-pinion mechanism comprising a leading rod 13 and a driven rod 14 installed in the holes 15 and 16 of the sleeve 17, fixed in the fairing 4 by the nut 18. The hole 15, in which the leading rod 13 is installed, and the hole 16 , in which the driven rod 14 is installed, is made with high accuracy, and the hole 15 is coaxial to the hole 19 made in the housing 1.

Ведущий шток 13 выполнен с косыми зубьями 20, которые взаимодействуют с аналогичными косыми зубьями 21, выполненными на ведомом штоке 14. Зубья 20 и 21 штоков 13 и 14 соответственно образуют косозубое зацепление, которое обеспечивает перемещение ведомого штока 14 вправо (на фиг. 1) при перемещении ведущего штока 13 вниз, и перемещение ведомого штока 14 влево (на фиг. 1) при перемещении ведущего штока 13 вверх. Косозубое зацепление, обеспечивающее взаимодействие штоков 13 и 14, расположено в полостях отверстий 15, 19 и в полости 22 отверстия 16, ограниченной подвижным уплотнением 23 и неподвижным уплотнением 24. Полость 25 отверстия 16 сообщается с полостью 10 поршня 9 посредством отверстий 26 и, соответственно, с полостью выходного патрубка 3, что выравнивает давление как на поршне 9, так и на штоке 14 клапана и обеспечивает отсутствие усилий от перепада давления в клапане.The leading rod 13 is made with oblique teeth 20, which interact with similar oblique teeth 21 made on the driven rod 14. The teeth 20 and 21 of the rods 13 and 14 respectively form helical gearing, which allows the driven shaft 14 to move to the right (in Fig. 1) when moving the lead rod 13 downward and moving the follower rod 14 to the left (in FIG. 1) while moving the lead rod 13 upward. Helical engagement, which provides the interaction of the rods 13 and 14, is located in the cavities of the holes 15, 19 and in the cavity 22 of the hole 16, limited by the movable seal 23 and the stationary seal 24. The cavity 25 of the hole 16 communicates with the cavity 10 of the piston 9 through the holes 26 and, respectively, with a cavity of the outlet pipe 3, which equalizes the pressure both on the piston 9 and on the valve stem 14 and ensures the absence of efforts from the differential pressure in the valve.

Полость 27 косозубого зацепления зубчато-реечного механизма герметизирована от внутренних полостей клапана, находящихся под давлением рабочей среды, уплотнениями 23, 24 и уплотнениями 28, 29, что позволяет поддерживать давление в полости 27 зубчато-реечного механизма равное атмосферному. Таким образом, детали зубчато-реечного механизма разгружены от перепада давлений.The cavity 27 of the helical gearing of the rack-and-pinion mechanism is sealed from the internal cavities of the valve, which are under the pressure of the working medium, with seals 23, 24 and seals 28, 29, which allows maintaining a pressure in the cavity 27 of the rack-and-pinion mechanism equal to atmospheric. Thus, the details of the rack-and-pinion mechanism are unloaded from the differential pressure.

При этом характер взаимодействия зубьев 20 и 21 таков, что при перемещении ведущего штока 13 в какую-либо сторону происходит прижатие с определенным усилием поверхностей зубьев 20 к поверхностям зубьев 21 с последующим сдвигом зубьев 20 относительно зубьев 21. Одновременно с этим происходит аналогичное прижатие части цилиндрической поверхности ведущего штока 13 к части поверхности отверстия 15 втулки 17 и части цилиндрической поверхности ведомого штока 14 к части поверхности 16 втулки 17 с последующим сдвигом одних цилиндрических поверхностей относительно других.Moreover, the nature of the interaction of the teeth 20 and 21 is such that when the drive rod 13 is moved in either direction, the surfaces of the teeth 20 are pressed against the surfaces of the teeth 21 with a certain force, followed by a shift of the teeth 20 relative to the teeth 21. A similar pressing of the the surface of the driving rod 13 to the surface part of the hole 15 of the sleeve 17 and the cylindrical surface of the driven rod 14 to the surface part 16 of the sleeve 17 with the subsequent shift of some cylindrical surfaces relative respect others.

Данное явление требует применения однотипных материалов, причем поверхности, контактирующие с уплотнительными элементами, должны быть коррозионностойкими во избежание нарушения герметичности по причине коррозии.This phenomenon requires the use of the same type of materials, and the surfaces in contact with the sealing elements must be corrosion resistant in order to avoid leakage due to corrosion.

Решение этой проблемы, с целью повышения надежности, долговечности и снижения времени на обслуживание клапана, согласно полезной модели, предлагается применением на взаимодействующих поверхностях ведущего и ведомого штоков зубчато-реечного механизма покрытия слоем молибдена 30, 31 - на поверхностях зубьев и 32, 33 - на цилиндрических поверхностях, например газо-плазменным способом.The solution to this problem, in order to improve reliability, durability and reduce valve servicing time, according to a utility model, is proposed by using on the interacting surfaces of the leading and driven rods of the rack-and-pinion gear with a molybdenum layer 30, 31 on the tooth surfaces and 32, 33 on cylindrical surfaces, for example by a gas-plasma method.

Работает клапан следующим образом.The valve operates as follows.

Регулируемая среда поступает во входной патрубок 2 и, проходя кольцевым каналом 5, сформированным корпусом 1 и обтекателем 4, через отверстия 7 гильзы 6 поступает в выходной патрубок 3. При необходимости уменьшения расхода или давления регулируемой среды (при закрывании клапана), поршень 9, посредством ведомого штока 14 и ведущего штока 13, смещается приводом 12 в правое положение, перекрывая отверстия 7 гильзы 6.The adjustable medium enters the inlet pipe 2 and, passing through the annular channel 5 formed by the housing 1 and the fairing 4, through the holes 7 of the sleeve 6 enters the output pipe 3. If necessary, reduce the flow or pressure of the controlled medium (when closing the valve), the piston 9 the driven rod 14 and the leading rod 13, is shifted by the actuator 12 to the right position, blocking the holes 7 of the sleeve 6.

Расход проходящей регулируемой среды определяется числом открытых отверстий 7 в гильзе 6. При полностью перекрытых отверстиях гильзы клапан закрыт.The flow rate of the controlled fluid is determined by the number of open holes 7 in the sleeve 6. With completely closed holes in the sleeve, the valve is closed.

Открывание клапана производится приводом 12, задающим движение ведущему штоку 13, соединенному посредством косозубого зацепления с ведомым штоком 14, который перемещает в левое положение поршень 9, открывая отверстия 7 гильзы 6.The valve is opened by the actuator 12, which sets the motion of the leading rod 13, connected by helical gearing with the driven rod 14, which moves the piston 9 to the left position, opening the holes 7 of the sleeve 6.

Как говорилось выше, подвижные элементы клапана (шток ведущий 13, шток ведомый 14, поршень 9) разгружены от перепада давлений в полостях клапана. Однако, когда клапан находится в закрытом положении, во входном патрубке 2 и всех, сообщающихся с ним полостях, создается высокое давление среды, при этом в выходном патрубке 3 и всех сообщающихся с ним полостях давление может быть значительно ниже (вплоть до атмосферного). В этом (закрытом) положении все эластичные уплотнительные элементы испытывают перепад давления и обжимают уплотнительные поверхности сопрягаемых деталей с усилием, обеспечивающим герметичность. Для открытия клапана к ведущему штоку 13 необходимо приложить усилие, превосходящее силы обжатия уплотнительных элементов и силы трения всего механизма. Благодаря покрытию поверхностей зубьев зубчато-реечного механизма слоями 30, 31 молибдена, а также части цилиндрических поверхностей слоями 32, 33 молибдена не происходит схватывания поверхностей, т.к. молибден обладает низким коэффициентом трения и свойствами, препятствующими возникновению задиров.As mentioned above, the movable valve elements (leading rod 13, driven rod 14, piston 9) are unloaded from the differential pressure in the valve cavities. However, when the valve is in the closed position, a high pressure of the medium is created in the inlet pipe 2 and all the cavities communicating with it, while the pressure in the outlet pipe 3 and all cavities communicating with it can be significantly lower (up to atmospheric pressure). In this (closed) position, all elastic sealing elements experience a pressure drop and compress the sealing surfaces of the mating parts with a force that ensures tightness. To open the valve, it is necessary to apply a force to the driving rod 13 that exceeds the compression forces of the sealing elements and the friction forces of the entire mechanism. Due to the coating of the tooth surfaces of the rack-and-pinion mechanism with molybdenum layers 30, 31, as well as part of the cylindrical surfaces with molybdenum layers 32, 33, the surfaces do not set, because Molybdenum has a low coefficient of friction and properties that prevent the occurrence of scoring.

Наличие молибденового покрытия на элементах зубчато-реечного механизма обеспечивает работоспособность клапана без смазки, роль которой выполняет сам молибден. Это позволяет избежать трудоемкого частого обслуживания клапана по возобновлению смазки на поверхностях зубчато-реечного механизма, повышает при этом надежность и долговечность клапана, исключает потери, связанные с простоем оборудования, вызванного обслуживанием клапана.The presence of a molybdenum coating on the elements of the rack-and-pinion mechanism ensures the valve is operable without lubrication, the role of which is played by molybdenum itself. This avoids the time-consuming frequent maintenance of the valve to resume lubrication on the surfaces of the rack-and-pinion mechanism, while increasing the reliability and durability of the valve, eliminating losses associated with downtime caused by valve maintenance.

Claims

A valve comprising a regulating body reciprocating under the action of a drive by means of a rack-and-pinion mechanism including a leading and driven rods, characterized in that the surfaces of the leading and driven rods of the rack-and-pinion mechanism in the reciprocal meshing area are coated with molybdenum.