RU2786305C1

RU2786305C1 - Balanced control valve with adjustable value of axial force acting on the stem

Info

Publication number: RU2786305C1
Application number: RU2021130442A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Ефимович Зарянкин; Владислав Аркадьевич Зарянкин
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-12-19

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of power engineering and is primarily intended for power turbines. Balanced control valve with adjustable value of the axial force acting on the stem comprises a valve box, a valve box cover, an axle box, a balancing cylinder, a piston of the unloading cylinder with piston rings, a valve with a streamlined perforated surface, and a stem. The axle box of the valve includes a balancing cylinder and a guide cap; transverse and longitudinal cuts ensuring the link between the inner cavity of the valve box with the inner cavity of the balancing cylinder are made on the inner surface of the balancing cylinder and the guide cap. The top of the valve is equipped with a centring belt in the form of a ring with a width of 10 to 15 mm, divided into two sectors: one 120° sector is made with a radius equal to the radius of the guide cap, and the other 240° sector is made with a radius 0.3 mm smaller than the radius of the guide cap.

EFFECT: reduction in the load on the drive stem of the valve and control of the magnitude of force acting on the drive stem due to the additional steam load provided when the valve is opened widely.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и предназначено для увеличения надежности и снижения потерь энергии в разгруженных регулирующих клапанах, предназначенных главным образом для энергетических турбин.The invention relates to the field of power engineering and is intended to increase reliability and reduce energy losses in unloaded control valves, designed mainly for power turbines.

Известна типичная система разгрузки клапана от действующих на него осевых усилий, обусловленных высоким начальным давлением пара, используемая в настоящее время на многих российских турбинах. (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с.).A typical system for unloading the valve from axial forces acting on it, due to the high initial steam pressure, is known, which is currently used in many Russian turbines. (Zaryankin A.E., Simonov B.P. Regulating and lock-regulating valves of steam turbines. - M.: MEI Publishing House, 2005. - 360 p.).

Клапан состоит из клапанной коробки, входного и выходного патрубков, диффузорного седла, чаши клапана, связанного с разгрузочным цилиндром штока, выполненного совместно с разгрузочным клапаном, дистанционной втулки, ограничивающей ход разгрузочного клапана, окон и, обеспечивающих протечку пара через внутреннюю полость при подъеме золотника, превышающего 20% общего хода, защитных стаканов, седла разгрузочного клапана и буксы.The valve consists of a valve box, inlet and outlet pipes, a diffuser seat, a valve bowl connected to the unloading cylinder of a stem made together with the unloading valve, a distance bushing that limits the stroke of the unloading valve, windows and providing steam leakage through the internal cavity when the spool is raised, exceeding 20% of the total travel, protective cups, unloader valve seat and axle box.

Недостатки приведенной системы разгрузки регулирующего клапана (аналога), а, следовательно, и всего клапана сводятся к следующим: Система разгрузки привела к значительному увеличению металлоемкости всего клапана, следствием чего явилось не только увеличение его стоимости, но и увеличение силы его удара о седло при аварийной ситуации. Все клапаны с разгрузочными клапанами оказываются свободно подвешенными на головке штока, в результате сохраняется возможность при ошибочной оценке действующих сил самопроизвольного перемещения чаши клапана относительно седла в пределах свободного хода разгрузочного клапана. Подгрузка клапана добавочным паровым усилием при подъемах свыше 20-30% от максимального открытия путем открытия окон для вторичного пропуска пара через внутреннюю полость клапана ведет к появлению под клапаном больших пульсаций давления, обусловленных смешением основного потока пара, проходящего через клапан, с вторичным потоком, идущим через внутреннюю полость клапана. Указанное увеличение амплитуд пульсаций давлений под нижней поверхностью клапана ведет к повышенным динамическим нагрузкам на все элементы клапана, снижая, тем самым его надежность.The disadvantages of the given system for unloading the control valve (analogue), and, consequently, the entire valve, are as follows: situations. All valves with unloading valves are freely suspended on the stem head, as a result, the possibility of spontaneous movement of the valve bowl relative to the seat within the free travel of the unloading valve remains, with an erroneous assessment of the acting forces. Loading the valve with an additional steam force at lifts above 20-30% of the maximum opening by opening windows for the secondary passage of steam through the internal cavity of the valve leads to the appearance of large pressure pulsations under the valve due to the mixing of the main steam flow passing through the valve with the secondary flow going through the inside of the valve. The specified increase in the amplitudes of pressure pulsations under the lower surface of the valve leads to increased dynamic loads on all elements of the valve, thereby reducing its reliability.

Указанные недостатки отсутствуют в разгруженном регулирующем клапане, приведенном на фигуре 1 и принятом нами в качестве прототипа. (Зарянкин А.Е., Лавырев И.П., Щаулов В.В., Черкасов М.А. Дроссельно-регулирующий клапан для паровых турбин с большими объемными расходами рабочих сред // Теплоэнергетика. - 2018. - №8. - С.88-95.These shortcomings are absent in the unloaded control valve shown in figure 1 and adopted by us as a prototype. (Zaryankin A.E., Lavyrev I.P., Shchaulov V.V., Cherkasov M.A. Throttle control valve for steam turbines with high volumetric flow rates of working media // Thermal Power Engineering. - 2018. - No. 8. - C .88-95.

Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Лавырев И.П. Разгруженный регулирующий клапан. Патент РФ №2648800/БИ W10, 28.03.2018.)Zaryankin A.E., Zaryankin V.A., Lavyrev I.P. Unloaded control valve. Patent of the Russian Federation No. 2648800 / BI W10, 03/28/2018.)

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:Figure 1 adopted the following designations:

1 - Клапанная коробка,1 - valve box,

2 - Входной патрубок,2 - Inlet pipe,

3 - Выходной патрубок,3 - Outlet pipe,

4 - Диффузорное седло,4 - diffuser seat,

7 - Шток,7 - Rod,

16 - Букса16 - Buxa

17 - Направляющий стакан,17 - Guide glass,

18 - Собственно клапан,18 - Actually the valve,

19 - Разгрузочный цилиндр,19 - Unloading cylinder,

20 - Поршень разгрузочного цилиндра, выполненный совместно с крышкой клапанной коробки,20 - The piston of the unloading cylinder, made together with the cover of the valve box,

21 - Поршневые кольца,21 - Piston rings,

22 - Внутренняя полость клапана,22 - The inner cavity of the valve,

23 - Внутренняя полость разгрузочного цилиндра,23 - The internal cavity of the unloading cylinder,

24 - Цилиндрическая соединительная втулка, соединяющая шток 7 с разгрузочным цилиндром 19,24 - Cylindrical connecting sleeve connecting the rod 7 with the unloading cylinder 19,

25 - Цилиндрический канал, соединяющий внутреннюю полость 22 клапана с камерой разгрузки 23,25 - Cylindrical channel connecting the inner cavity 22 of the valve with the unloading chamber 23,

26 - Отверстия перфорации на обтекаемой поверхности клапана 18,26 - Perforation holes on the streamlined surface of the valve 18,

27 - Центрирующий диск.27 - Centering disc.

В приведенном на фигуре 1 клапане механизм его разгрузки от осевых усилий осуществляется следующим образом.In the valve shown in figure 1, the mechanism for unloading it from axial forces is carried out as follows.

Поскольку камера разгрузки 23 с помощью отверстий перфорации 26 и каналом 25 всегда соединена с пространством за камерой, то давление в этой камере P_z всегда равно давлению пара за клапаном Р₂. Соответственно, внутренняя часть клапана, диаметром D_z (D_z - внутренний диаметр камеры разгрузки) оказывается при любых положениях клапана почти полностью разгруженной от действующих паровых усилий. В результате при отрыве клапана от седла необходимо приложить существенно меньшее усилие R_yо, равноеSince the discharge chamber 23 is always connected to the space behind the chamber by means of perforations 26 and channel 25, the pressure in this chamber P _z is always equal to the steam pressure behind the valve P ₂ . Accordingly, the inner part of the valve, with a diameter of D _z (D _z is the inner diameter of the discharge chamber) is almost completely unloaded from the acting steam forces at any position of the valve. As a result, when the valve is separated from the seat, it is necessary to apply a significantly smaller force R _yo equal to

Здесь D_п - посадочный диаметр клапана 18, d_шт - диаметр штока 7, Р₀ - начальное давление в клапанной коробке 1, В - барометрическое давление.Here D _p is the valve seat diameter 18, d _pcs is the stem diameter 7, P ₀ is the initial pressure in the valve box 1, B is the barometric pressure.

Меняя разницу между диаметрами D_n и D_z можно в широком диапазоне менять усилие, необходимое для отрыва клапана 18 от диффузорного седла 4.By changing the difference between the diameters D _n and D _z , it is possible to change the force required to separate the valve 18 from the diffuser seat 4 in a wide range.

После отрыва клапана 18 от седла 4 усилие на штоке 7 продолжает расти примерно на 30-35% и достигает максимального значения при открытии клапана на 12-15% от его полного подъема.After the valve 18 is separated from the seat 4, the force on the stem 7 continues to grow by about 30-35% and reaches its maximum value when the valve is opened by 12-15% of its full lift.

Затем эта сила интенсивно снижается и при подъемах, превышающих 80% от полного открытия клапана, оказывается близкой к нулю, а при толстом штоке 7 усилие на штоке может поменять свой знак, если клапан спроектирован с малой разницей диаметров D_n и D_z.Then this force is intensively reduced and with lifts exceeding 80% of the full opening of the valve, it turns out to be close to zero, and with a thick stem 7, the force on the stem can change its sign if the valve is designed with a small difference in diameters D _n and D _z .

Для рассматриваемого клапана эта ситуация вполне допустима, так как клапан жестко связан со штоком, а шток обычно нагружен мощной пружиной, исключающей вероятность "зависания" клапана в положении полного его открытия.For the valve under consideration, this situation is quite acceptable, since the valve is rigidly connected to the stem, and the stem is usually loaded with a powerful spring, which excludes the possibility of the valve "hanging" in its fully open position.

Однако в аварийных ситуациях это несколько снижает время посадки клапана на седло.However, in emergency situations, this somewhat reduces the valve landing time on the seat.

От стандартных клапанов приведенная конструкция принципиальным образом отличается тем, что на цилиндрической соединительной втулке 13 выполнен центрирующий диск 16, наружная поверхность которого очерчена двумя радиусами. Один из них на секторе в 120° равен внутреннему радиусу направляющего стакана 6, а второй радиус на секторе в 240° выполнен на 0,3 мм меньше. В результате практически исключается периодическая вибрация клапана в поперечном направлении и сохраняется его центровка при горизонтальном расположении клапана. Центровка разгрузочного цилиндра 19 внутри направляющего стакана 17 осуществляется поршневыми кольцами 10, обеспечивающими плотность клапана и отсекающими внутреннюю полость разгрузочного цилиндра 23 от внутренней полости клапанной коробки.This design is fundamentally different from standard valves in that a centering disc 16 is made on the cylindrical connecting sleeve 13, the outer surface of which is outlined by two radii. One of them on a sector of 120° is equal to the inner radius of the guide sleeve 6, and the second radius on a sector of 240° is made 0.3 mm less. As a result, periodic vibration of the valve in the transverse direction is practically eliminated and its centering is maintained when the valve is horizontal. The alignment of the unloading cylinder 19 inside the guide cup 17 is carried out by piston rings 10, which ensure the tightness of the valve and cut off the internal cavity of the unloading cylinder 23 from the internal cavity of the valve box.

Новым решением в рассматриваемом клапане является и выполнение направляющего стакана 17 с системой окон на его боковой поверхности, что серьезно уменьшает загромождение внутренней полости клапанной коробки 1 телом клапана.A new solution in the considered valve is also the implementation of the guide cup 17 with a system of windows on its side surface, which seriously reduces the cluttering of the internal cavity of the valve box 1 by the valve body.

Таким образом, в прототипе устранены все серьезные недостатки, присущие аналогичному типовому клапану.Thus, in the prototype eliminated all the serious shortcomings inherent in a similar standard valve.

Технической задачей настоящего изобретения является дальнейшее конструктивное упрощение клапана и введение в его конструкцию механизма регулирования величины усилия, действующего на приводной шток, путем обеспечения добавочной паровой нагрузки при больших открытиях клапана.The technical objective of the present invention is the further structural simplification of the valve and the introduction into its design of a mechanism for regulating the amount of force acting on the drive rod by providing an additional steam load at large valve openings.

Конструктивное решение поставленной задачи иллюстрируется фигурой 2, где использованы следующие обозначения:The constructive solution of the problem is illustrated in figure 2, where the following notation is used:

1 - Клапанная коробка,1 - valve box,

2 - Входной патрубок,2 - Inlet pipe,

3 - Выходной патрубок,3 - Outlet pipe,

4 - Диффузорное седло,4 - diffuser seat,

5 - Крышка клапанной коробки,5 - Valve box cover,

6 – Букса,6 - Buxa,

7 - Шток,7 - Rod,

8 - Разгрузочный цилиндр,8 - Unloading cylinder,

9 - Направляющий стакан,9 - guide cup,

10 - Клапан с перфорированной поверхностью,10 - Valve with perforated surface,

11 - Поршневые кольца на поршне разгрузочного цилиндра,11 - Piston rings on the piston of the unloading cylinder,

12 - Цилиндрическая соединительная втулка,12 - Cylindrical connecting sleeve,

13 - Цилиндрический канал в цилиндрической соединительной втулке,13 - Cylindrical channel in a cylindrical connecting sleeve,

14 - Отверстия перфорации на обтекаемой поверхности клапана,14 - Perforation holes on the streamlined surface of the valve,

15 - Боковой цилиндрический канал на поршне разгрузочного цилиндра,15 - Lateral cylindrical channel on the piston of the unloading cylinder,

16 - Продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра,16 - Longitudinal slot on the inner surface of the unloading cylinder,

17 - Продольная прорезь на внешней поверхности разгрузочного цилиндра,17 - Longitudinal slot on the outer surface of the unloading cylinder,

18 - Камера разгрузки,18 - Unloading chamber,

19 - Поперечный канал на разгрузочном поршне,19 - Cross channel on the unloading piston,

20 - Продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра,20 - Longitudinal slot on the inner surface of the unloading cylinder,

21 - Поршень разгрузочного цилиндра,21 - Piston of the unloading cylinder,

22 - Центрирующий пояс,22 - Centering belt,

23 - Поршневое кольцо в буксе.23 - Piston ring in box.

Предлагаемый «Разгруженный регулирующий клапан …» в идеологическом плане содержит все те же элементы, которые имеются и в прототипе. Однако, здесь принципиально изменена система разгрузки-подгрузки клапана паровыми усилиями и внесены серьезные (с точки зрения технологии) конструктивные изменения.The proposed "Unloaded control valve ..." ideologically contains all the same elements that are present in the prototype. However, here the valve unloading-loading system by steam forces has been fundamentally changed and serious (in terms of technology) design changes have been made.

В данном случае внутренняя полость клапана 10 соединяется с внутренней полостью разгрузочного цилиндра 8 более сложным каналом. Здесь цилиндрический канал 13 через поперечный канал 19 в виде боковой прорези в поршне разгрузочного цилиндра 21 связан с продольной прорезью 16 на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра 8, а вершина этой прорези входит во внутреннее пространство разгрузочного цилиндра 8.In this case, the inner cavity of the valve 10 is connected to the inner cavity of the unloading cylinder 8 by a more complex channel. Here, the cylindrical channel 13 through the transverse channel 19 in the form of a side slot in the piston of the unloading cylinder 21 is connected with the longitudinal slot 16 on the inner surface of the unloading cylinder 8, and the top of this slot enters the internal space of the unloading cylinder 8.

Вследствие такого технического решения достигается следующий результат.Due to this technical solution, the following result is achieved.

При полностью закрытом клапане 14 давление внутри разгрузочного цилиндра 8 P_z равняется давлению Р₂ в пространстве за клапаном 10. Это равенство сохраняется до подъема клапана 10 на расстояние, равное

общего хода клапана.When the valve 14 is fully closed, the pressure inside the unloading cylinder 8 P _z is equal to the pressure P ₂ in the space behind the valve 10. This equality is maintained until the valve 10 is lifted by a distance equal to

total valve travel.

Как уже отмечалось, при больших открытиях клапана 10 происходит интенсивное снижение осевой силы, действующей на клапан, в связи с тем, что при таких подъемах клапана давление под ним Р₂ существенно повышается и, соответственно, снижается перепад давлений ΔР=Р₀ - Р₂, действующий на клапан 10. (Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с.)As already noted, with large openings of the valve 10, there is an intensive decrease in the axial force acting on the valve, due to the fact that with such valve lifts, the pressure under it Р ₂ increases significantly and, accordingly, the pressure drop ΔР=Р ₀ - Р ₂ , acting on the valve 10. (Zaryankin A.E., Simonov B.P. Regulating and stop-control valves of steam turbines. - M .: Izd. MPEI, 2005. - 360 p.)

Для предотвращения резкого падения осевой силы, действующей на клапан 10 при его подъеме на 30% общего хода боковое отверстие 19 (поперечный канал на поршне разгрузочного цилиндра 21) выходит за пределы боковой продольной проточки 17 на направляющем стакане 9 и соединение внутренней полости разгрузочного цилиндра 8 с пространством за клапаном прерывается.To prevent a sharp drop in the axial force acting on the valve 10 when it is raised by 30% of the total stroke, the side hole 19 (the transverse channel on the piston of the unloading cylinder 21) extends beyond the side longitudinal groove 17 on the guide cup 9 and connects the internal cavity of the unloading cylinder 8 with space behind the valve is interrupted.

Одновременно с перекрытием в 5-10% нижняя кромка поршня разгрузочного цилиндра 8 соединяет вторую продольную прорезь 16 с внутренним пространством клапанной коробки 1, повышая давление в клапанной коробке до начального давления пара, и эта ситуация сохраняется до полного открытия клапана.Simultaneously with an overlap of 5-10%, the lower edge of the piston of the unloading cylinder 8 connects the second longitudinal slot 16 with the interior of the valve box 1, increasing the pressure in the valve box to the initial steam pressure, and this situation persists until the valve is fully opened.

В результате такого решения шток клапана 10 всегда находится без знакопеременной нагрузки и при аварийной ситуации обеспечивается гарантированное закрытие клапана даже без помощи внешнего нагружения пружиной.As a result of this solution, the valve stem 10 is always without alternating load and, in an emergency, the guaranteed closing of the valve is ensured even without the help of external loading by a spring.

В конструктивном плане по сравнению с прототипом (фигура 2) внесены следующие изменения:Structurally, compared with the prototype (figure 2), the following changes have been made:

1. Букса 6 представляет собой единую конструкцию, включающую собственно буксу 6, разгрузочный цилиндр 8 и направляющий стакан 9.1. The axle box 6 is a single structure, including the axle box 6 itself, the unloading cylinder 8 and the guide cup 9.

2. Функцию центрирующего диска выполняет в предлагаемом клапане центрирующий пояс 22, расположенный в его верхней части и очерченный двумя радиусами: первый радиус на секторе в 120° этот равен внутреннему радиусу направляющего стакана 17, а на секторе в 240° радиус верхней цилиндрической части 18 выполнен на 0,3 мм меньше внутреннего радиуса направляющего стакана 17.2. The function of the centering disk is performed in the proposed valve by the centering belt 22, located in its upper part and outlined by two radii: the first radius on the sector of 120° is equal to the inner radius of the guide cup 17, and on the sector of 240°, the radius of the upper cylindrical part 18 is made 0.3 mm less than the inner radius of the guide cup 17.

3. Для предотвращения утечки пара вдоль штока 7 в буксу 6 вставлено поршневое кольцо 23.3. To prevent steam leakage along the rod 7, a piston ring 23 is inserted into the axle box 6.

Таким образом, предлагается разгрузочный регулирующий клапан, состоящий из клапанной коробки, крышки клапанной коробки, буксы, разгрузочного цилиндра, поршня разгрузочного цилиндра, клапана с перфорированной обтекаемой поверхностью, штока, отличающегося тем, что соединение внутренней полости разгрузочного цилиндра с пространством за клапаном осуществляется через продольную прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра, которая перекрывается при подъеме клапана на 40% его полного хода поршнем разгрузочного цилиндра, а при дальнейшем подъеме клапана открывается вторая продольная прорезь на внутренней поверхности разгрузочного цилиндра, обеспечивавшая связь внутренней полости клапанной коробки с внутренней полостью разгрузочного цилиндра.Thus, an unloading control valve is proposed, consisting of a valve box, a valve box cover, an axle box, an unloading cylinder, a piston of the unloading cylinder, a valve with a perforated streamlined surface, a stem, characterized in that the connection of the internal cavity of the unloading cylinder with the space behind the valve is carried out through a longitudinal a slot on the inner surface of the unloading cylinder, which is closed when the valve is raised by 40% of its full stroke by the unloading cylinder piston, and with further valve lift, a second longitudinal slot opens on the inner surface of the unloading cylinder, which provides a connection between the internal cavity of the valve box and the internal cavity of the unloading cylinder.

Кроме того, на верхней цилиндрической части разгруженного клапана выполнен центрирующий кольцевой пояс, шириной 10-15 мм, очерченный на сектора в 120° радиусом, равным радиусу направляющего стакана 9, а второй сектор, равный 240°, выполнен на 0,3 мм меньше радиуса направляющего стакана 9.In addition, on the upper cylindrical part of the unloaded valve, a centering annular belt is made, 10-15 mm wide, outlined into sectors of 120 ° with a radius equal to the radius of the guide sleeve 9, and the second sector, equal to 240 °, is made 0.3 mm less than the radius guide cup 9.

Для предотвращения утечки пара вдоль штока клапана на внутренней поверхности буксы установлено поршневое кольцо 23.To prevent steam leakage along the valve stem, a piston ring 23 is installed on the inner surface of the axle box.

Литература:Literature:

1. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 360 с. 1. Zaryankin A.E., Simonov B.P. Regulating and stop-regulating valves of steam turbines. - M.: MEI Publishing House, 2005. - 360 p.

2. Зарянкин А.Е., Лавырев И.П., Щаулов В.В., Черкасов М.А. Дроссельно-регулирующий клапан для паровых турбин с большими объемными расходами рабочих сред // Теплоэнергетика. - 2018. - №8. - С.88 - 95.2. Zaryankin A.E., Lavyrev I.P., Shchaulov V.V., Cherkasov M.A. Throttle control valve for steam turbines with high volumetric flow rates of working media. Teploenergetika. - 2018. - No. 8. - P.88 - 95.

3. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Лавырев И.П. Разгруженный регулирующий клапан. Патент РФ №2648800 БИ W10, 28.03.2018.3. Zaryankin A.E., Zaryankin V.A., Lavyrev I.P. Unloaded control valve. RF patent No. 2648800 BI W10, 03/28/2018.

Claims

1. Unloaded control valve with adjustable axial force acting on a stem containing a valve box, a valve box cover, an axle box, an unloading cylinder, a relief cylinder piston with piston rings, a valve with a perforated streamlined surface, a stem, characterized in that the valve box includes unloading cylinder and guide cup, transverse-longitudinal slots are made on the inner surface of the unloading cylinder and guide cup, providing connection between the internal cavity of the valve box and the internal cavity of the unloading cylinder, the upper part of the valve is equipped with a centering belt in the form of a ring 10-15 mm wide, divided into two sectors: one of 120° is made with a radius equal to the radius of the guide sleeve, and the second sector of 240° is made with a radius 0.3 mm less than the radius of the guide sleeve.

2. An unloaded control valve with an adjustable value of the axial force acting on the stem, according to claim 1, characterized in that the valve bushing is equipped with piston rings.