RU2266456C1

RU2266456C1 - Electromagnetic drive for valve

Info

Publication number: RU2266456C1
Application number: RU2004110869/06A
Authority: RU
Inventors: М.И. Новиков (RU); М.И. Новиков; А.И. Сурский (RU); А.И. Сурский
Original assignee: Новиков Михаил Иванович; Сурский Александр Иванович
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-12-20
Also published as: RU2004110869A

Abstract

FIELD: valving.

SUBSTANCE: electromagnetic drive comprises armature provided with rod rigidly connected with the armature and spring-loaded in the direction to the stop and armature. When the drive is switched in, the faces of the armature and the stop are in a contact and are made of trancated cones with generatrices. The generatrices are inclined at an angle of 40° - 50° to the axis of the drive and arranged at the bases of the cones. The ring surfaces of the cones are perpendicular to the axis of the drive. The top of the trancated cone is provided with the ring shoulder whose diameter relates to the outer diameter of the armature as 0.5 - 0.6. The outer sealing flange is provided with radial throttle orifice. The leads of the winding of the drive are connected in parallel to the power source and the source of lowered voltage.

EFFECT: enhanced reliability.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электромагнитных приводов для клапанов, например, для подачи газа в системах регулирования турбинных двигателей и компрессоров.The present invention relates to the field of electromagnetic actuators for valves, for example, for supplying gas to control systems of turbine engines and compressors.

Известен электромагнитный клапан прямого действия с усеченно-коническими, контактирующими во включенном положении, торцовыми поверхностями подпружиненного якоря и стопа магнитопровода (см., например, кн.: Д.Ф.Гуревич, О.Н.Шпаков "Справочник конструктора трубопроводной арматуры", Ленинград, "Машиностроение", ЛО, 1987 г., стр.153, рис.2.125).A known direct-acting solenoid valve with truncated-conical, contacting in the on position, end surfaces of the spring-loaded armature and stop of the magnetic circuit (see, for example, the book: D.F. Gurevich, O.N. Shpakov "Pipeline Valve Design Guide", Leningrad , "Engineering", Leningrad Region, 1987, p. 153, Fig. 2.125).

Известен клапан электромагнитный с магнитопроводом в виде магнитопроводящей, разделенной диамагнитной кольцевой проставкой, втулки с фланцами, с обмоткой и якорем, усеченно-коническая поверхность на одном из торцов которого является одновременно одной из запорных кромок клапана (Патент RU 2159378, C.1, F 16 К 31/02, 2000 г.).A known electromagnetic valve with a magnetic circuit in the form of a magnetically conductive, separated diamagnetic annular spacer, bushings with flanges, with a winding and an armature, a truncated-conical surface at one of the ends of which is simultaneously one of the valve locking edges (Patent RU 2159378, C.1, F 16 By 31/02, 2000).

Известен цилиндрический электромагнитный привод с втягивающимся якорем с усеченно-коническим рабочим зазором с двумя обмотками, соединенными последовательно (см., например, кн.: А.В.Гордон и А.Г.Сливинская "Электромагниты постоянного тока", "Госэнергоиздат", Москва, 1960, Ленинград, стр.292...300) - прототип.Known cylindrical electromagnetic drive with a retracting armature with a truncated-conical working gap with two windings connected in series (see, for example, book: A.V. Gordon and A.G. Slivinskaya "Electromagnets of direct current", "Gosenergoizdat", Moscow , 1960, Leningrad, pp. 292 ... 300) - prototype.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности систем регулирования турбинных двигателей и компрессоров, в частности, путем повышения надежности электромагнитных приводов, устанавливаемых на применяемых в этих системах клапанах для подачи газа (запорных, запорно-регулирующих).The objective of the invention is to increase the reliability of regulation systems of turbine engines and compressors, in particular, by increasing the reliability of electromagnetic actuators installed on the valves used for supplying gas in these systems (shut-off, shut-off and control).

Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном приводе для клапана, содержащем магнитопроводящие корпус и фланец, каркас, состоящий из втулки и магнитопроводящих фланца и стопа, обмотку с клеммами, размещенную на каркасе в корпусе, якорь с жестко связанным с ним и подпружиненным в сторону размыкания стопа и якоря штоком клапана, мембрану с уплотнительными фланцами, опорный фланец и цепь питания, согласно изобретению контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими, выполненными под углом в интервале 40°...50° к оси привода, и расположенных у оснований этих конусов кольцевых поверхностей, перпендикулярных оси привода, с отношением наружных диаметров, являющихся наружным диаметром якоря и ответным ему диаметром на стопе, к внутренним, являющимися, соответственно, диаметром основания образующей усеченного конуса на торце якоря и ответным ему диаметром в основании конуса на стопе, в интервале 1,05...1,15, в вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в пределах 0,5...0,6, в наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие, при этом к клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения, в которых установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот.The specified technical result is achieved by the fact that in the electromagnetic actuator for the valve containing the magnetically conductive body and the flange, the frame consisting of a sleeve and magnetically conductive flange and stop, the winding with the terminals placed on the frame in the body, the armature is rigidly connected to it and spring-loaded to the side opening of the stop and the armature by the valve stem, a membrane with sealing flanges, a support flange and a power circuit, according to the invention, the end surfaces of the armature and the foot contacting in the on position of the drive are made in de truncated cones with generators made at an angle in the range of 40 ° ... 50 ° to the axis of the drive, and located at the bases of these cones of annular surfaces perpendicular to the axis of the drive, with the ratio of the outer diameters being the outer diameter of the armature and its corresponding diameter on the foot , to the internal ones, which are, respectively, the diameter of the base of the generatrix of the truncated cone at the end of the anchor and its corresponding diameter at the base of the cone on the foot, in the range of 1.05 ... 1.15, at the top of the truncated cone of the anchor on the conical surface a ring ledge with a ratio of the diameter of the beginning of the formation of the ledge to the outer diameter of the armature within 0.5 ... 0.6, a radial throttle hole is made in the outer sealing flange, while the circuit from the power voltage bus and the circuit from the bus are connected to the terminals of the drive winding undervoltage, in which a switch is installed with the ability to simultaneously close or open both circuits and another switch with the ability to simultaneously close the power voltage circuit and open the undervoltage circuit supply and vice versa.

Отличительным признаком предлагаемого электромагнитного привода для клапана является то, что контактирующие во включенном положении привода торцовые поверхности якоря и стопа выполнены в виде усеченных конусов с образующими, выполненными под углом в интервале 40°...50° к оси привода, и расположенных у оснований этих конусов кольцевых поверхностей, перпендикулярных оси привода, с отношением наружных диаметров, являющихся наружным диаметром якоря и ответным ему диаметром на стопе, к внутренним, являющимися, соответственно, диаметром основания образующей усеченного конуса на торце якоря и ответным ему диаметром в основании конуса на стопе, в интервале 1,05...1,15, в вершине усеченного конуса якоря на конической поверхности выполнен кольцевой уступ с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в интервале 0,5...0,6, в наружном уплотнительном фланце выполнено радиальное дроссельное отверстие, при этом к клеммам обмотки привода подведены параллельно цепь от шины силового напряжения и цепь от шины пониженного напряжения, в которых установлены выключатель с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и другой выключатель с возможностью одновременного замыкания цепи силового напряжения и размыкания цепи пониженного напряжения и наоборот.A distinctive feature of the proposed electromagnetic actuator for the valve is that the end surfaces of the armature and foot contacting in the on position of the actuator are made in the form of truncated cones with generators made at an angle in the range of 40 ° ... 50 ° to the axis of the actuator and located at the bases of these cones of annular surfaces perpendicular to the axis of the drive, with the ratio of the outer diameters being the outer diameter of the armature and the corresponding diameter on the foot to the inner, which are, respectively, the diameter of the base For generating a truncated cone at the end of the anchor and a reciprocal diameter at the base of the cone on the foot, in the range of 1.05 ... 1.15, an annular ledge with a ratio of the diameter of the beginning of the formation of the ledge to the outer diameter of the anchor is made at the top of the truncated cone of the anchor on the conical surface in the range 0.5 ... 0.6, a radial throttle hole is made in the outer sealing flange, while the circuit from the power voltage bus and the circuit from the undervoltage bus, in which the circuit breakers are installed, are connected in parallel to the terminals of the drive winding s, with the simultaneous engagement or disengagement of the two chains and the other switch, with simultaneous closure of the power voltage and undervoltage tripping circuit and vice versa.

На фиг.1 и 2 схематично представлен вариант конструкции электромагнитного привода для клапана с цепью питания обмотки привода.Figures 1 and 2 schematically show an embodiment of the design of an electromagnetic actuator for a valve with a drive winding supply circuit.

На размещенном в цилиндрическом магнитопроводящем корпусе 1 каркасе 2, состоящем из втулки 3 и магнитопроводящих фланца 4 и стопа 5, размещена обмотка 6, закрытая магнитопроводящим фланцем 7, через штуцер 8 которого выведены концы обмотки 6 с установленным параллельно ей ограничителем перенапряжения 9 в виде диода или варистера и клеммами 10. Внутри каркаса 2 размещен с возможностью перемещения магнитопроводящий якорь 11 с обращенным к стопу 5 торцом, выполненным в виде выпуклого усеченного конуса 12 с образующей, выполненной под углом к оси привода в интервале 40°...50°, и кольцевой поверхности 13 у основания конуса 12 с отношением наружного диаметра поверхности 13, являющегося наружным диаметром якоря 11, к внутреннему диаметру, являющимся диаметром основания конуса 12, в интервале 1,05...1,15. Ответный якорю 11 торец стопа 5 выполнен с теми же геометрическими параметрами, что и ответный ему торец якоря 11 (при этом размеры торца якоря 11 выполнены с минусовыми допусками, а размеры торца стопа - с плюсовыми допусками). В вершине усеченного конуса 12 выполнен кольцевой уступ 14 с отношением диаметра начала образования уступа к наружному диаметру якоря в интервале 0,5...0,6. С наружной стороны фланца 4 каркаса 2 установлена мембрана 15, прижатая уплотнительным фланцем 16 к фланцу 4, а уплотнительным фланцем 17 - к торцу якоря 11 с противоположной стопу 5 стороны. На корпусе 1 через фланцы 4 и 16 укреплен опорный фланец 18, в котором выполнен сальниковый узел 19. С якорем 11 жестко соединен шток 20 с выходным через уплотнительный фланец 17 и сальниковый узел 19 концом 21. На выходном конце 21 штока 20 установлена пружина 22, одним торцем опертая на опорный фланец 18, а вторым - на тарель 23, закрепленную на выходном конце 21 штока 20. В уплотнительном фланце 16 выполнено радиальное дроссельное отверстие 24. К клеммам 10 подведены параллельно цепь 25 от шины силового напряжения 26 (например, =220В) и цепь 27 от шины пониженного напряжения 28 (например, =24В). В цепях 25 и 27 установлены выключатель 29 с возможностью одновременного замыкания или размыкания обеих цепей и выключатель 30 с возможностью одновременного (с наличием "времени пролета ключа") замыкания цепи 25 силового напряжения и размыкания цепи 27 пониженного напряжения, и наоборот.On a frame 2 located in a cylindrical magnetically conductive housing 1, consisting of a sleeve 3 and a magnetically conductive flange 4 and a stop 5, a winding 6 is closed, closed by a magnetically conductive flange 7, through the nozzle 8 of which the ends of the winding 6 are installed with an overvoltage limiter 9 installed parallel to it in the form of a diode or varistor and terminals 10. Inside the frame 2 is placed with the possibility of movement of the magnetically conductive anchor 11 with the end facing the stop 5, made in the form of a convex truncated cone 12 with a generatrix made at an angle to the axis of the yes in the range of 40 ° ... 50 °, and the annular surface 13 at the base of the cone 12 with the ratio of the outer diameter of the surface 13, which is the outer diameter of the armature 11, to the inner diameter, which is the diameter of the base of the cone 12, in the range of 1.05 ... 1.15. The end face of the stop 5 responding to the anchor 11 is made with the same geometric parameters as the end face of the anchor 11 responding to it (in this case, the dimensions of the end of the armature 11 are made with minus tolerances, and the dimensions of the end face of the stop are made with plus tolerances). At the top of the truncated cone 12, an annular ledge 14 is made with a ratio of the diameter of the beginning of the formation of the ledge to the outer diameter of the armature in the range of 0.5 ... 0.6. A membrane 15 is mounted on the outside of the flange 4 of the frame 2, pressed against the flange 4 by the sealing flange 16, and to the end of the armature 11 from the opposite side foot 5 with the sealing flange 17. A support flange 18 is mounted on the housing 1 through flanges 4 and 16, in which the stuffing box 19 is made. The rod 20 is rigidly connected to the stem 20 with the outlet 21 through the sealing flange 17 and the stuffing box 19. A spring 22 is installed on the output end 21 of the rod 20, one end supported on the support flange 18, and the second on the plate 23, mounted on the output end 21 of the rod 20. In the sealing flange 16 there is a radial throttle hole 24. To terminals 10 are connected in parallel circuit 25 from the bus voltage 26 (for example, = 220V ) and chain 27 from the bus yazheniya 28 (e.g., 24 VDC). In circuits 25 and 27, a switch 29 is installed with the possibility of simultaneously closing or opening both circuits and a switch 30 with the possibility of simultaneously (with the presence of "key travel time") closing the circuit 25 of the power voltage and opening the circuit 27 of the reduced voltage, and vice versa.

Работает электромагнитный привод (см. фиг.1 и 2) следующим образом.The electromagnetic drive (see figures 1 and 2) operates as follows.

Когда привод обесточен, то есть на клеммах 10 (соединенных с выведенными через штуцер 8 концами обмотки 6 и с параллельно установленным ограничителем перенапряжения 9) отсутствует напряжение (либо нет напряжения на шинах силового 26 или пониженного 28 напряжения, либо разомкнут выключатель 29), то якорь 11 находится в нижнем положении под действием пружины 22. При необходимости открытия клапана для подачи газа (на фиг.1 и 2 не показан), на электромагнитный привод подают питание от шины силового напряжения 26. Для этого выключатель 30 ставят в положение замыкания цепи 25 (соответственно, цепь 27 при этом разомкнута), затем выключатель 29 ставят в положение замыкания цепей 25 и 27, при этом на клеммы 10 обмотки 6 (размещенной на каркасе 2 с втулкой 3, фланцем 4 и стопом 5) подается силовое напряжение постоянного тока, вокруг обмотки 6 образуется магнитный поток, главная (рабочая) часть которого проходит по магнитопроводящим корпусу 1, фланцу 4, стопу 5, фланцу 7, якорю 11. Главный магнитный поток, замыкаясь через рабочий (усеченно-конический) воздушный зазор, вызывает притяжение подвижного якоря 11 к стопу 5, преодолевая при этом сопротивления пружины 22 (опертой на тарель 23, укрепленную на выходном конце 21 штока 20) и перепада давлений газа на клапане. Поверхностями 12 и 13 якорь 11 садится на ответные поверхности стопа 5, после чего (с исчезновением воздушного зазора) для удержания якоря 11 в притянутом к стопу 5 положении требуется гораздо меньшая намагничивающая сила (меньший удерживающий магнитный поток). Поэтому выключателем 30 цепь 25 размыкают, а цепь 27 замыкают, на обмотку 6 по цепи 27 подается пониженное напряжение - электромагнитный привод работает в режиме удержания (потребляя меньшую мощность). Какое-то время - время между размыканием выключателем 30 цепи 25 и замыканием им цепи 22 ("время пролета ключа" - доли секунды) - на обмотке 6 отсутствует напряжение, но отрыва якоря 11 от стопа 5 не происходит, срабатывает эффект остаточной намагничивающей силы. Но влияние этого эффекта не настолько долговременно, чтобы оказать существенное влияние на требуемое время закрытия клапана (до 0,3...0,4 сек) при размыкании выключателя 26 (при пропадании напряжения питания).When the drive is de-energized, that is, at terminals 10 (connected to the ends of the winding 6 connected through the nozzle 8 and with a surge protector 9 installed in parallel), there is no voltage (either there is no voltage on the power bus 26 or undervoltage 28, or the switch 29 is open), then the armature 11 is in the lower position under the action of the spring 22. If it is necessary to open the valve for supplying gas (not shown in FIGS. 1 and 2), the electromagnetic drive is supplied with power from the bus voltage 26. For this, the switch 30 is placed in position circuit 25 (respectively, circuit 27 is open), then the circuit breaker 29 is placed in the circuitry position of circuits 25 and 27, and power voltage is applied to the terminals 10 of the winding 6 (located on the frame 2 with the sleeve 3, flange 4 and stop 5) direct current around the winding 6, a magnetic flux is formed, the main (working) part of which passes through the magnetically conducting body 1, flange 4, foot 5, flange 7, anchor 11. The main magnetic flux, closing through the working (truncated-conical) air gap, causes the attraction of the movable anchor 11 to the foot 5, while overcoming the resistance of the spring 22 (supported on a plate 23, mounted on the output end 21 of the rod 20) and the differential pressure of the gas on the valve. With surfaces 12 and 13, the anchor 11 sits on the counter surfaces of the stop 5, after which (with the disappearance of the air gap), to hold the anchor 11 in the position attracted to the stop 5, a much smaller magnetizing force (less holding magnetic flux) is required. Therefore, circuit breaker 30 opens circuit 25, and circuit 27 is closed, low voltage is applied to winding 6 through circuit 27 - the electromagnetic drive operates in the holding mode (consuming less power). For some time - the time between the circuit breaker 30 opening the circuit 25 and the circuit 22 closing (the "key travel time" is a split second) - there is no voltage on the winding 6, but the armature 11 does not tear off the stop 5, the effect of the residual magnetizing force is triggered. But the effect of this effect is not so long-term as to have a significant effect on the required valve closing time (up to 0.3 ... 0.4 sec) when the switch 26 is opened (when the supply voltage is lost).

Кольцевой уступ 14 способствует уменьшению утечек энергии магнитного потока по центру привода (что также повышает его эффективность), а также облегчает отрыв якоря 11 от стопа 5 при закрытии клапана из-за уменьшения контактирующей поверхности (конической).The annular ledge 14 helps to reduce the leakage of magnetic flux energy in the center of the drive (which also increases its efficiency), and also facilitates the separation of the armature 11 from the stop 5 when closing the valve due to the reduction of the contact surface (conical).

Мембрана 15, зажатая между уплотнительными фланцами, 16, 17 и фланцем 4 и якорем 11, и сальниковый узел 19, встроенный в опорный фланец 18, препятствуют возможности проникновения протечек газа в электромагнитный привод. При закрытии клапана (при снятии с обмотки 6 напряжения питания) под действием пружины и перепада давлений газа мембрана 15 и дроссельное отверстие 24 в уплотнительном фланце 16 обеспечивают необходимое демпфирование (во избежание резких ударов клапана о седло).The membrane 15, sandwiched between the sealing flanges 16, 17 and the flange 4 and the armature 11, and the stuffing box 19, built into the support flange 18, prevent the possibility of leakage of gas into the electromagnetic drive. When the valve is closed (when the supply voltage is removed from the winding 6) under the action of the spring and the gas pressure difference, the membrane 15 and the throttle hole 24 in the sealing flange 16 provide the necessary damping (in order to avoid sharp valve impacts on the seat).

Выполнение магнитопровода электромагнитного привода для клапана с предлагаемыми соотношениями размеров способствует повышению надежности и экономичности привода (обеспечивает большую удерживающую силу при относительно небольших геометрических размерах), чему способствует также и простая схема подключения питания обмотки привода.The implementation of the magnetic circuit of the electromagnetic actuator for the valve with the proposed aspect ratios helps to increase the reliability and efficiency of the actuator (provides a large holding force with a relatively small geometric dimensions), which is also facilitated by a simple power supply circuit of the actuator winding.

Авторами разработаны рабочие чертежи электромагнитного привода для клапана в соответствии с предлагаемым изобретением, изготовлены опытные образцы клапанов на Ру 15 кгс/см², Ду 50 мм с такими приводами и установлены в системах обвязки газоперекачивающих агрегатов на магистральном газопроводе, где успешно работают уже несколько лет.The authors developed the working drawings of the electromagnetic actuator for the valve in accordance with the invention, made prototype valves on Ru 15 kgf / cm ² , DN 50 mm with such actuators and installed in the piping systems of gas pumping units on the main gas pipeline, where they have been successfully operating for several years.

Claims

An electromagnetic actuator for a valve, comprising a magnetically conductive body and a flange, a frame consisting of a sleeve and a magnetically conductive flange and a stop, a winding with terminals placed on the frame in the body between the flanges, an armature with a rigidly connected to it and a valve stem spring-loaded to the side of the stop and anchor opening , a membrane with sealing flanges, a supporting flange and a power circuit, characterized in that the end surfaces of the armature and foot contacting in the switched-on position of the drive are made in the form of truncated cones with generators, angled at 40 ... 50 ° to the axis of the drive, and located at the bases of these cones of annular surfaces perpendicular to the axis of the drive, with the ratio of the outer diameters being the outer diameter of the armature and the corresponding diameter on the foot to the inner, which is respectively the diameter of the base of the generatrix a truncated cone at the end of the anchor and a reciprocal diameter at the base of the cone on the foot, in the range of 1.05 ... 1.15, an annular ledge with a ratio of the diameter of the beginning of formation is made at the top of the truncated cone of the anchor on the conical surface ledge to the outer diameter of the armature in the range of 0.5 ... 0.6, a radial throttle hole is made in the outer sealing flange, while the circuit from the power voltage bus and the circuit from the low voltage bus, in which the circuit breaker is installed, are connected to the terminals of the drive winding with the ability to simultaneously close or open both circuits and another switch with the ability to simultaneously close the power voltage circuit and open the undervoltage circuit and vice versa.