Конструирование и расчет клапанов и вентилей

В технике (двигателях внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и пр.) клапаном принято называть диск, снабженный штоком, скользящим в направляющем отверстии, предназначенный для перекрывания потока среды путем перемещения клапана вдоль оси и посадки eгo на седло. В арматуростроении клапаном называют все устройство (затвор), служащее для перекрывания потока в трубопроводе с помощью диска — тарелки клапана, при поступательном движении шпинделя штока вдоль оси потока, перпендикулярно к плоскости седла.

Поступательное движение шпинделя обеспечивает простоту конструкции и возможность быстрого перемещения тарелки клапана, но требует значительных усилий для управления клапаном и дополнительных устройств для фиксации тарелки в нужном положении. Вентиль представляет собой клапан со шпинделем, ввинчиваемым в резьбу неподвижной ходовой гайки, расположенной в крышке или бугеле. Применение резьбы, обладающей свойствами самоторможения, позволяет оставлять тарелку клапана в любом положении с уверенностью, что это положение сохранится и не будет самопроизвольно изменяться под действием давления среды. Использование резьбы позволяет применять малые усилия на маховике для управления вентилем. Вентиль отличается простотой конструкции и создает хорошие условия для обеспечения надежной плотности при закрытом положении затвора. В силу этих причин вентили получили очень широкое распространение, главным образом в запорной арматуре.

Вентили в промышленности наиболее широко используются на трубопроводах малого диаметра и по мере увеличения условного диаметра трубопровода, начиная с Dy = 50 мм, уступают место задвижкам. Так, уже при диаметрах Dy = 200...250 мм вентили используются редко. При больших диаметрах трубопроводов (свыше Dу = 250 мм) вентили, как правило, не применяются. Это объясняется тем, что тарелка вентиля воспринимает на себя и передает полностью на шпиндель усилие, создаваемое давлением среды на площадь тарелки. При больших диаметрах прохода и высоких давлениях усилие на шпинделе возрастает настолько, что вентиль становится трудноуправляемым. Помимо этого, вeнтили запорные обычной конструкции имеют, как правило, высокий коэффициент гидравлического сопротивления (ζ = 3..5 и более). При больших диаметрах прохода применение вентилей создает большие потери энергии в связи с большим транспортируемой по трубопроводу среды и вызывает излишние расходы из-за необходимости соответственно повышать начальное давление в системе.

Положительным качеством вентиля является сравнительно небольшой ход тарелки, необходимый для полного открытия вентиля. Для этой цели тарелку вентиля достаточно поднять на 1/4 диаметра отверстия в седле, тогда как для открытия задвижки необходимо клин или диск переместить на величину, равную диаметру отверстия, т. е. в четыре раза больше. Поэтому вентиль имеет значительно меньшую гaбаритную высоту, чем задвижка тoгo же диаметра прохода, но строительная длина eгo (рас стояние между наружными торцами проходных фланцев вентиля) больше, чем в задвижке, причем с увеличением диаметра прохода эта разница увеличивается.

По месту расположения вентиля на трубопроводе различают проходные (рис. 3а) и угловые (рис. 3б) вентили. Первые устанавливаются на горизонтальном или вертикальном участке трубопровода, вторые на месте поворота трубопровода. Угловые вентили имеют меньшее гидравлическое сопротивление, однако область их применения ограничена поворотными участками трубопровода. Прямоточные вентили (рис. 4), шпиндель которых расположен под углом к оси прохода, имеют относительно малое сопротивление, но ход шпинделя для полного открывания вентиля значительно больше, чем в обычных.

Как правило, вентили конструируются и устанавливаются так, чтоб движение среды происходило «под клапан», т. е. Навстречу движению тарелки клапана при закрывании (рис. 3а). Обратное движение среды, т. е. «на клапан», осуществляется редко и применяется главным образом в вентилях большого диаметра прохода, для; неответственных установок, с целью разгрузить шпиндель от больших продольных усилий сжатия. В связи с возможным несовпадением центра приложения гидродинамического давления среды на тарелку с точкой соприкосновения ее со шпинделем мoгут возникнуть напряжения изгиба в шпинделе, которые при больших диаметрах тарелки достигнут значительной величины. Серьезным недостатком конструкции вентиля с подачей среды «на клапан» является также то обстоятельство, что здесь сальник все время находится под действием давления среды даже при закрытом положении вентиля.

Вентили большого диаметра прохода снабжаются внутренним (рис. 3б) или наружным (рис. 5б) обводом для тoгo, чтобы по возможности выровнять давление по обе стороны тарелки и этим снизить необходимое усилие для открывания вентиля. Таким путем также уменьшается вероятность возникновения гидравлического удара в системе. Внутренний обвод создается с помощью вспомогательного клапана, устанавливаемого на тарелке вентиля. В больших вентилях среда подается «на клапан», и перепад давлений прижимает тарелку к седлу. При подъеме шпинделя Сначала открывается вспомогательный клапан обвода, а тарелка вентиля остается прижатой к седлу (рис. 5а). После тoгo как давление за вентилем выровняется с давлением до вентиля до нужной величины, производят дальнейший подъем тарелки вен- тиля и открывают основной проход. Наружный обвод создается вспомогательным вентилем, соединяющим обе полости главного вентиля (рис. 5б). Выравнивание давления осуществляется открытием вспомогательного вентиля.

По расположению ходовой резьбы можно выделить вентили с внутренней и наружной резьбой. В вентилях с внутренней резьбой она выполняется непосредственно в крышке до сальника, и работа резьбового соединения происходит при соприкосновении с рабочей средой (рис. 6, а и б), так как сальник расположен выше резьбы. Такие конструкции обычно применяются для небольших диаметров прохода, если среда не имеет коррозионных свойств, ядовитых и агрессивных компонентов и если вентиль не работает при высокой температуре или высоком давлении. Вентили с наружной резьбой (рис. 3 и 4) применяются во всех ответственных случаях. Такая конструкция облегчает уход, смазку и ремонт резьбового соединения.

Вентили можно разделить на сальниковые (рис. 3-6) и сильфонные (рис. 7). В последних сальниковые устройства, обеспечивающие плотность подвижного соединения шпиндель — крышка, заменены сильфонными. Благодаря наличию сильфона (в пределах срока eгo работы) исключаются какие бы то ни было протечки между шпинделем и крышкой. Сильфонные вентили используются лишь в случае особой необходимости, так как срок работы сильфона ограничен, а замена сильфона представляет собой сложную операцию.

продолжение статьи

Смотри также:
Конструирование и расчет запорной арматуры, введение
Конструирование и расчет задвижек