Шаровые регулирующие клапаны
Шаровые регулирующие клапаны — исполнительные устройства с затвором поворотного типа, выполненным в виде сферы с цилиндрическим отверстием. Они конструктивно несложные, надежные в эксплуатации, дешевые, легкие и герметичные в широком диапазоне регулируемых сред, условных проходов и рабочих давлений.
Основные детали шаровых регулирующих клапанов унифицированы с соответствующими деталями шаровых кранов. Седла шаровых клапанов изготовляют, как правило, из фторопласта или другого эластичного материала (резина, нейлон и т. п.). Благодаря хорошей конфигурации проточной части шаровые регулирующие клапаны особенно эффективны при регулировании потоков высоковязких, кристаллизующихся сред, шламов, пульп с абразивными частицами и т. п.
Так же как и шаровые краны, шаровые клапаны могут быть с плавающим затвором и с затвором в опорах. В клапанах с плавающим затвором под действием давления рабочей среды затвор при закрытии клапана прижимается к выходному седлу, в результате чего создается удельное давление, необходимое для герметичного перекрытия потока. Такие клапаны просты и надежны. Недостатками их являются повышенный износ уплотнительных поверхностей седел и необходимость применения привода с большим крутящим моментом для преодоления момента трения. В клапанах с затвором в опорах удельное давление на седла небольшое, так как большая часть усилия на затвор воспринимается подшипниками. В связи с этим уменьшается необходимый крутящий момент. Недостаток таких клапанов — сложность конструкции и повышенные требования к технологии изготовления.
Регулирующий орган шаровых клапанов в зависимости от его корпуса может иметь четыре исполнения (рисунок 15кл).
а — исполнение I; 6 — исполнение II; в — исполнение III; г — исполнение IV: 1 — корпус; 2 — седло; 3 — затвор; 4 — верхняя крышка; 5 — втулка;
6, 7, 8, 9 — элементы корпуса
Рисунок 15кл — Конструктивные исполнения корпусов шаровых регулирующих клапанов.
В исполнении I (рисунок 15кл, а) корпус 1 состоит из одного основного элемента, имеющего два присоединительных конца. Седла 2 и шаровой затвор 3 монтируют в корпус сверху. Для этого в корпусе имеется отверстие, закрываемое крышкой 4. Крышка 4 обеспечивает также уплотнение приводного вала. Преимущество данного исполнения — доступность внутренних деталей и поверхностей регулирующего органа, а также возможность ремонта или замены деталей без демонтажа клапана с трубопровода. К недостаткам этого исполнения следует отнести значительные габаритные размеры и массу (по сравнению с другими исполнениями), а также достаточно сложную конфигурацию корпуса.
В исполнении II (рисунок 15кл, б) корпус 1 также состоит из одного сплошного элемента, имеющего два присоединительных конца. Седло 2 и затвор 3 монтируются через проход в одном из присоединительных патрубков и фиксируются в корпусе втулкой 5, которая крепится на резьбе или при помощи стопорных винтов. Достоинство данного исполнения — минимальные габаритные размеры и масса, недостатки — меньшая доступность к внутренним поверхностям, сложность конфигурации корпуса и необходимость демонтажа с трубопровода для осмотра, ремонта или замены деталей, находящихся внутри корпуса.
В исполнении III (рисунок 15кл, в) корпус состоит из двух элементов 6 и 7, каждый из которых имеет присоединительный конец к трубопроводу. Между двумя элементами крепятся седла 2 и затвор 3. Элементы корпуса 6 и 7 крепятся друг к другу или на резьбе или при помощи фланцевого соединения. Преимущества данного исполнения — доступность внутренних деталей и поверхностей, а также технологичность изготовления элементов корпуса. Недостаток — необходимость демонтажа клапана с трубопровода для осмотра или ремонта.
В исполнении IV (рисунок 15кл, г) корпус состоит из трех элементов — двух боковых 5, имеющих присоединительные концы к трубопроводу, и центрального 9, несущего узел уплотнения приводного вала. Достоинствами данного исполнения являются высокая взаимозаменяемость и ремонтопригодность, доступность внутренних поверхностей и технологичность изготовления элементов корпуса; недостатком — максимальное по сравнению с другими исполнениями число уплотняемых поверхностей.
Шаровые регулирующие клапаны могут быть как полнопроходными, так и суженными. Полнопроходные клапаны имеют диаметр прохода в шаре. равный диаметру прохода присоединительных концов, а суженные — приблизительно на 20 % меньше. В некоторых конструкциях выходной патрубок выполняется по форме расширяющейся части сопла Вентури.
Полнопроходные клапаны характеризуются весьма малым гидравлическим сопротивлением, практически равным сопротивлению такого же по длине участка трубопровода. Их используют в основном для двухпозиционного управления и тогда, когда необходимо обеспечить минимальную потерю давления на клапане.
Суженные шаровые клапаны имеют большее гидравлическое сопротивление, на них создается больший перепад давления. По этой причине в системах управления суженные клапаны применяют чаще полнопроходных.
Шаровые регулирующие клапаны можно комплектовать самыми различными приводами — пневматическими (поршневыми или мембранными), гидравлическими и электрическими. Вопрос о выборе привода решается, исходя из типа и размера регулирующего клапана, а также из условий его применения.
Пропускная характеристика шаровых регулирующих клапанов очень близка к равнопроцентной, что весьма удобно, так как именно равнопроцентная пропускная характеристика предпочтительна в автоматических системах регулирования.
Ввиду малого гидравлического сопротивления шаровые регулирующие клапаны монтируют, как правило, на трубопроводах с меньшим условным проходом. При расчете и выборе исполнительного устройства необходимо учитывать уменьшение пропускной способности системы шаровой клапан – переходники.
Весьма оригинальна и прогрессивна конструкция регулирующих клапанов Camflex, разработанных фирмой »Масонейлан». Эти клапаны универсальны.
В них сочетается большая пропускная способность (по сравнению со всеми односедельными клапанами) с коэффициентом критического расхода более высоким, чем у шаровых клапанов и заслонок. Динамическая стабильность клапана Camflex при любом направлении потока выше, чем у односедельных клапанов и заслонок. Без дополнительных конструктивных элементов клапаны выдерживают температурный диапазон регулируемых сред более 550 оС — от температур сжиженных газов до температур перегретого водяного пара. Клапаны бесфланцевые. Их монтируют между фланцами на трубопроводах. Масса клапанов Camflex меньше, чем односедельных, двухседельных, шаровых клапанов и заслонок при тех же условных проходах и условных давлениях. Надежность клапанов Camflex достаточно высока, а его регулирующий орган, привод и позиционер весьма удобны для обслуживания.
Основной деталью клапана (рисунок 16кл) является затвор 2, выполненный в виде отливки. Дроссельная поверхность затвора сферической формы. Она перекрывает проходное сечение в седле 1 и соединена при помощи двух упругих рычагов 3 со ступицей 4. Ступица жестко соединена с приводным валом 7. Седло представляет собой кольцо с буртиком, которое прижимается к корпусу 10 клапана резьбовой втулкой 11.
а — кинематическая схема: б — регулирующий орган: І — регулируемая среда; ІІ — входной пневматический сигнал: 1 — седло; 2 — затвор;
3 — упругие рычаги; 4 — ступица; 5 — рычаг; 6 — выходной шток;
7 — приводной вал; 8 — ручной дублер; 9 — привод; 10 — корпус;
11 — резьбовая втулка
Рисунок 17кл — Регулирующий клапан Camflex.
В клапане применен привод 9 с чулочной мембраной и противодействующей пружиной. Привод работает в комплекте с пневматическим позиционером (на рисунке 17кл не показан), снабженным сменными кулачками обратной связи для получения различных пропускных характеристик клапана. Клапан снабжен также ручным дублером 8.
Уплотняющая поверхнорть затвора 2 выполнена в виде шарового сегмента и поворачивается на 50° при полном изменении входного пневматического сигнала. Геометрический центр сферической уплотнительной поверхности не совпадает с осью ступицы 4, а следовательно, и с осью приводного вала 7. При изменении входного сигнала, воздействующего на чулочную мембрану привода 9, выходной шток 6 привода через рычаг 5 поворачивает приводной вал 7, вместе с которым поворачивается ступица 4, приближая или отдаляя уплотнительную поверхность затвора относительно седла 1. Уплотнительная поверхность затвора является самоустанавливающейся относительно седла. Благодаря эксцентриситету между геометрическими центрами уплотнительной поверхности затвора и приводного вала достигается плотное перекрытие потока. При этом исключается трение скольжения в седле, свойственное шаровым клапанам. Уплотнение в седле достигается увеличением действующего усилия так же, как и в односедельных клапанах или в заслонках. Дополнительное уплотнение между затвором и седлом достигается благодаря упругой деформации .рычагов 3 затвора. После установки затвора в седле рычаги 3-упруго деформируются таким образом, что дополнительное усилие, .развиваемое приводом, прижимает уплотнительную поверхность затвора к седлу для создания необходимого уплотнения.
Допустимые значения перепадов давления на клапане достаточно велики, их определяют по условному проходу клапана, эффективной площади привода, давлению питания и т. д. Приводы монтируют на клапане так, чтобы клапан был или нормально открытым (НО) или нормально закрытым (НЗ). Позиционер обеспечивает линейную, равно-процентную или специальную пропускную характеристику клапана путем простой замены кулачка обратной связи.
При изменении направления, потока среды пропускная характеристика клапана не меняется. Для уменьшения условной пропускной способности клапана необходимо заменить только седло, затвор при этом остается тот же. Диапазон изменения пропускной способности клапана не менее чем 100 : 1.
Клапан может регулировать потоки сред с температурами от минус 200 до +400 °С. Негерметичность клапана составляет 0,01 % максимальной пропускной способности (в процессе испытания сжатым воздухом при перепаде давления с 3,4 кгс/см2 до нуля). Корпус клапана выполняют из углеродистой или нержавеющей стали, затвор и седло — из нержавеющей стали, закаленной в местах уплотнения, или из стеллита.
Коэффициент усиления разомкнутой системы позиционера — не менее 110. Метрологические показатели (в процентах от полного диапазона): линейность — 2,0; гистерезис — 0,3; повторяемость — 0,2; чувствительность — менее 0,2 %.