RU2813401C1 - Клапан электромагнитный - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к отсечным клапанам с импульсным электромагнитным управлением, используемым в системах автоматики безопасности газовых теплоэнергетических установок. Электромагнитный клапан содержит механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние. В состав этого механизма входят втулка с постоянными магнитами, толкатель, фиксирующее кольцо из ферромагнитного материала и золотник. При перемещении толкателем втулки с постоянными магнитами происходит синхронное перемещение золотника, выполняющего в клапане роль запорного органа, в рабочее положение, когда клапан открыт. Состояние это удерживается с помощью фиксирующего кольца. Автоматическое закрывание клапана выполняется с помощью электромагнита, формирующего магнитный поток, который перемещает втулку с постоянными магнитами и золотник к седлу клапана. Изобретение направлено на снижение себестоимости клапана, увеличение расхода рабочей среды через клапан, улучшение герметичности запорного органа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к отсечным клапанам с импульсным электромагнитным управлением, используемым в системах автоматики безопасности газовых теплоэнергетических установок для управления потоком природного газа.

Известен запорный газовый клапан с электромагнитным приводом и импульсным управлением. Полезная модель РФ №15044, МПК G08B 17/10, 232/00, опубл. 10.09.2000, Бюл. №25.

Устройство содержит элементы ручной установки клапана в открытое состояние; якорь с запорным органом; электромагнит, управляющий механической защелкой; магнитотвердую вставку, установленную между якорем и запорным органом, выполняющую функцию магнитной пружины. Использование устройства ручной установки клапана в открытое состояние позволяет существенно упростить конструкцию клапана, а использование магнитной пружины обеспечивает высокую герметичность запорного органа.

К недостаткам клапана следует отнести:

1. Применение механической защелки, с помощью которой клапан удерживается в открытом состоянии. Использование механической защелки усложняет конструкцию клапана, требует для управления защелкой использовать электромагнитный привод большой мощности.

2. Использование тройника в качестве корпуса клапана. Тройник является самой сложной в изготовлении и соответственно дорогой деталью клапана, что увеличивает себестоимость его изготовления.

Известен клапан электромагнитный газовый с ручным взводом и импульсным управлением. Патент РФ № 2092738, МПК F16K31/08, дата подачи заявки 1993.02.08. Клапан содержит ручной привод для установки его в открытое состояние, управляющий электромагнит, шайбу из магнитотвердого материала, с помощью которой клапан удерживается в закрытом состоянии.

К недостаткам клапана следует отнести низкую герметичность запорного органа и высокую себестоимость его изготовления в связи с выполнением корпуса в виде тройника.

Известен электромагнитный клапан, патент РФ №2343328, МПК 16К 31/06, опубл. 1 0.01.2009. Бюл.№1. Устройство содержит механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, в состав которого входят внешний и центральный магнитопроводы, верхний фланец, на котором симметрично оси катушки электромагнита установлена шайба из магнитного материала.

К достоинствам клапана следует отнести высокую герметичность запорного органа, малое потребление электрической мощности, необходимой для перевода клапана в закрытое состояние. К недостаткам следует отнести высокую стоимость клапана, обусловленную тем, что его корпус выполнен в виде тройника, являющегося самой дорогой деталью клапана.

Известен газовый клапан запорный с электромагнитным управлением, патент РФ № 2.638 122 МПК F16К 31/02, опубл. 11.12.2017, Бюл. № 35. Клапан содержит цилиндрический каркас, запорный орган в виде затвора с прокладкой, входной патрубок и выходной патрубок с седлом, выполненные из немагнитного материала, узел управления, размещенный в кожухе поверх каркаса и включающий, по крайней мере, одну катушку, толкатель, магнит и разъем. Причем катушка и магнит расположены по отношению к друг другу таким образом, что при подаче электрического импульса, созданный катушкой электромагнита магнитный поток, перемещает магнит и затвор в сторону седла. Затвор прижимается к седлу выходного патрубка и перекрывает поток рабочей среды.

Достоинством клапана является отсутствие в его конструкции корпуса в виде тройника, что потенциально позволяет существенно снизить себестоимость его изготовления.

К недостаткам устройства следует отнести:

1. плохую гидродинамику рабочей полости клапана, что ведет к низкой его пропускной способности;

2. применения дорогих материалов и комплектующих, в том числе: - изготовление входного и выходного патрубков из цветного материала (из латуни),

- применение постоянного магнита в форме кольца, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра цилиндрического каркаса. Стоимость постоянных магнитов с такими размерами чрезвычайно высока, что неизбежно ведет к росту себестоимости клапана.

3. Низкое прижимное усилие якоря на запорном органе, что может стать причиной недостаточной его герметичности. Обусловлено это слабой магнитной связью постоянного магнита с якорем из-за большой толщины стенок цилиндрического каркаса.

Наиболее близким к заявляемому, является электромагнитный клапан, патент РФ на полезную модель № 174371, МПК F16 31/06, опубл. 10.11.2017. Клапан содержит: корпус из немагнитного материала, выполненный в виде полого цилиндра, расположенный соосно с управляемой магистралью, входной и выходной патрубки, выполненные из ферромагнитного материала, золотник, выполненный из ферромагнитного материала и расположенный внутри корпуса соосно его оси, уплотняющая шайба, закрепленная на торце золотника, постоянный магнит, выполненный в виде втулки, расположенной вокруг корпуса, катушка электромагнита, расположенная вокруг постоянного магнита, фиксатор из ферромагнитного материала в виде плоской кольцевой шайбы, расположенной концентрично вокруг корпуса.

К достоинствам устройства следует отнести:

- изготовление входного и выходного патрубков из ферромагнитного материала, что снижает себестоимость его изготовления,

- отсутствие в его конструкции корпуса в виде тройника, что потенциально позволяет существенно снизить себестоимость его изготовления.

К недостаткам устройства следует отнести:

1. плохую гидродинамику рабочей полости клапана, что ведет к низкой его пропускной способности;

2. применение постоянного магнита в форме кольца, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра цилиндрического корпуса. Стоимость постоянных магнитов с такими размерами чрезвычайно высока, что неизбежно ведет к росту себестоимости клапана.

3. слабое прижимное усилие запорного органа на седле клапана, что негативно сказывается на герметичности запорного органа.

Задачей изобретения являются:

1. улучшение герметичности запорного органа клапана,

2. снижение себестоимости изготовления клапана,

3. улучшение расходной характеристики.

Технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что,

предлагаемый клапан газовый полуавтоматический с импульсным управлением содержит корпус в виде цилиндра¸ расположенный соосно с управляемой магистралью и выполненный из немагнитного материала, входной патрубок и выходной патрубок с седлом, установленные на корпусе с двух его сторон для подсоединения к трубопроводу, выполненные из ферромагнитного материала, золотник, расположенный внутри корпуса соосно его продольной оси, выполненный из ферромагнитного материала, герметизирующая шайба, установленная на торце золотника, обращенного к седлу выходного патрубка, узел управления, включающий постоянный магнит и толкатель, механически связанные между собой, и расположенные концентрично вокруг корпуса с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, катушку электромагнита и фиксирующее кольцо из ферромагнитного материала, выполненные без возможности перемещения вдоль оси корпуса, причем электромагнит и постоянный магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического импульса, созданный катушкой электромагнита магнитный поток перемещает постоянный магнит и золотник в сторону седла клапана, причем герметичное соединение между корпусом и выходным патрубком содержит воротничок, выполненный на торце корпуса и примыкающий к выходному патрубку, герметизирующее кольцо и уплотнительную шайбу, установленные на корпусе, при этом герметизирующее кольцо размещено между воротничком и уплотнительной шайбой, цель обеспечения герметичного соединения, а уплотнительная шайба соединена с выходным патрубком сборочными операциями, в том числе свинчиванием.

В частном варианте исполнения клапана постоянный магнит выполнен в виде втулки из немагнитного материала, в которую по её окружности установлены цилиндрические постоянные магниты

В частном варианте исполнения клапана золотник клапана, по меньшей мере, на одном своем торце содержит цилиндрический конус из немагнитного материала, соединенный с золотником сборочными операциями, в том числе свинчиванием, пайкой, склеиванием.

Достижение технического результата в части улучшения герметичности запорного органа в заявляемом устройстве выполняется путем минимизации толщины стенки корпуса в области соединения его с выходным патрубком и равенства высот цилиндрического магнита и золотника.

В исходном (нерабочем) состоянии, когда клапан закрыт, герметичность его запорного органа определяется усилием, с которым золотник прижат к седлу клапана. В заявляемом устройстве это усилие зависит от двух факторов.

1. Усилия, с которым постоянный магнит удерживается магнитным полем у уплотнительной шайбы, выполненной из ферромагнитного материала.

2. Усилия, с которым постоянный магнит способен удерживать золотник в состоянии «прижато» к седлу клапана.

Если первое усилие можно регулировать в широких пределах, путем изменения зазора между постоянным магнитом и уплотнительной шайбой, то второе усилие в значительной мере зависит от величины зазора между магнитом и золотником, который в определяющей мере зависит от толщины стенки корпуса. В случае использования резьбового соединения между корпусом клапана и выходным патрубком возможность минимизировать толщину стенки корпуса ограничена. Существенно меньшую толщину стенки корпуса, можно достичь, если отказаться от резьбового соединения и использовать вместо него иную конструкцию этого соединения, в котором используются: воротничок на торце корпуса, герметизирующее кольцо и уплотнительная шайба.

Усилие, с которым постоянный магнит способен удерживать золотник зависит также от равенства высот постоянного магнита и золотника. Объясняется это тем, что на острых кромках магнитотвердого и магнитомягкого материалов наблюдается наибольшая плотность магнитного потока. В случае равенства высот постоянного магнита и золотника место положения этих максимумом совпадает, что положительно сказывается на величине магнитного усилия сцепления таких деталей.

Достижение технического результата в части снижения себестоимости клапана обеспечивается тем, что постоянный магнит выполнен в виде втулки из немагнитного материала, в которую по её окружности с минимально возможным расстоянием до корпуса установлены цилиндрические постоянный магниты, высотой максимально приближенной к высоте золотника. Постоянный магнит является наиболее дорогостоящим комплектующим элементом клапана. При этом стоимость этого элемента быстро растет с увеличением его габаритных размеров. Например, стоимость постоянного магнита с внутренним диаметром 22 мм, наружным диаметром 30мм и высотой магнита 6,5 мм более чем в пять раз превышает стоимость такого же по техническим характеристикам магнита выполненного из 12 цилиндрических магнитов диаметром 5мм и высотой 6,5мм, расположенных по окружности корпуса клапана. В случае изготовления клапанов на разные проходные сечения при использовании прототипа потребовалось бы применять в каждой модели клапана свой индивидуальный размер постоянного магнита. В заявляемом изобретении при изготовлении клапанов с различными проходными сечениями может быть использован один и тот же типоразмер элементарного постоянного магнита, при этом, будет изменяться только их число.

Достижение технического результата в части улучшения расходной характеристики клапана обеспечивается тем, что золотник клапана, по меньшей мере, на одном своем торце содержит цилиндрический конус из немагнитного материала с минимально возможной массой, соединенный с золотником сборочными операциями, в том числе свинчиванием, пайкой, склеиванием.

Расходная характеристика является важным техническим параметром любого запорного устройства. Особенность, как прототипа, так и заявляемого устройства состоит в том, что в корпусе клапана, представляющего собой прямой канал движения рабочей среды, расположен золотник, способный оказать существенное сопротивление потоку газа. Для минимизации этого негативного фактора необходимо предусмотреть элементы позволяющие минимизировать турбуленцию газового потока и устранить появление встречных потоков в рабочем объеме корпуса клапана. Задача эта достигается установкой, с одной либо двух сторонах золотника обтекателей. Материал обтекателя должен быть немагнитным, в противном случае будет снижаться сила магнитного взаимодействие золотника с постоянным магнитом. Максимальное усилие магнитного взаимодействия этих элементов имеет место в случае равенства их высоты и наличия прямоугольных кромок на торцах. Выполнение же обтекателей из немагнитного материал не способно ухудшить магнитное взаимодействие золотника с постоянным магнитом.

При изготовлении обтекателей золотника важно использовать материал с минимальной массой. Если масса обтекателей будет сопоставима с массой золотника, это приведет к увеличению его инерционности, и соответственно клапана в целом. Это, для клапана с импульсным управлением является негативным обстоятельством. Обусловлено это тем, что для управления клапаном используются короткие по длительности импульсы. По этой причине в случае увеличения массы золотника для управления клапаном может потребоваться увеличение числа импульсов либо увеличение амплитуды управляющих импульсов, что нежелательно.

Таким образом:

- улучшение герметичности запорного органа достигается тем, что соединение корпуса с выходным патрубком выполнено с использованием: воротничка на торце корпуса, обращенного к выходному патрубку, герметизирующего кольца и уплотнительной шайбы,

- снижение себестоимости изготовления клапана достигается тем, что постоянный магнит выполнен в виде втулки из немагнитного материала, в которую по её окружности с минимально возможным расстоянием до корпуса клапана установлены цилиндрические постоянные магниты, высотой максимально приближенной к высоте золотника,

- улучшение расходной характеристики клапана достигается установкой, по меньшей мере, на одной стороне золотника цилиндрического конуса из немагнитного материала с минимально возможной массой, соединенного с золотником сборочными операциями, в том числе свинчиванием, пайкой склеиванием.

Конструкция клапана поясняется чертежами на фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 изображен продольный разрез предложенного электромагнитного клапана, на фиг.2 - указан разрез электромагнитного клапана по сечению А-А.

Электромагнитный клапан содержит: корпус 1 в виде цилиндра¸ расположенный соосно с управляемой магистралью, входной патрубок 2, соединенный с корпусом посредством резьбы, выходной патрубок 3 с седлом 4, соединенный с корпусом клапана посредством воротничка 11, герметизирующего кольца 12 и уплотнительной шайбы 13, золотник 5, расположенный внутри корпуса соосно его продольной оси, на одном торце которого, обращенного в сторону входного патрубка, установлен первый цилиндрический конус 15, на другом торце золотника со стороны, обращенной к выходному патрубку, установлена герметизирующая уплотняющая шайба 6, поверх которой установлен второй цилиндрический конус 15, узел управления, включающий постоянные магниты 7 цилиндрической формы и толкатель 8, связанные между собой втулкой 14, расположенной концентрично вокруг корпуса с возможностью перемещения вдоль его оси, катушку электромагнита 9 и фиксирующее кольцо 10 из ферромагнитного материала выполненные без возможности перемещения вдоль оси корпуса, причем электромагнит и постоянный магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического импульса, созданный катушкой электромагнита магнитный поток перемещает постоянный магнит и золотник в сторону седла клапана, кожух клапана 16, отсек кожуха 17 для установки электрического разъема , печатная плата 18 для подсоединения электрического разъема к катушке электромагнита, торец кожуха 19, сквозные полости 20 в золотнике для прохода рабочей среды, в состоянии, когда клапан открыт.

Электромагнитный клапан работает следующим образом. В исходном (нерабочем) состоянии клапан закрыт. Втулка 14 с постоянными магнитами 7, под действием магнитного поля удерживается вблизи уплотнительной шайбы 13. Одновременно, под действием поля постоянных магнитов золотник 5 прижимает герметизирующую шайбу к седлу клапана.

Перевод клапана в открытое (рабочее) состояние выполняется вручную с помощью толкателя 8. При перемещении толкателя в сторону входного патрубка 2 перемещается втулка 14 с постоянными магнитами. При этом за счет сил магнитного взаимодействия в сторону входного патрубка перемещается и золотник 5 с герметизирующей уплотняющей шайбой 6, в результате чего клапан открывается. Перемещение втулки с постоянными магнитами происходит до момента её соприкосновения с фиксирующим кольцом 10. Последний выполнен из ферромагнитного материала и по этой причине способен удерживать втулку с постоянными магнитами и, тем самым, удерживать клапан в открытом состоянии сколь угодно долго. Рабочая среда при этом проходит через сквозные полости 20 золотника.

В случае аварийной ситуации устройство автоматики безопасности вырабатывает электрический импульс, который поступает на катушку электромагнита 9. Под действием этого импульса возникает магнитное поле, заставляющее двигаться втулку с постоянными магнита и, соответственно, золотник 5, в сторону выходного патрубка. В результате клапан закрывается.

Заявляемый клапан выполнен с применением следующих материалов и комплектующих.

1. Корпус 1 клапана выполнен из латунной трубки Л63 ГОСТ 2060-73. Толщина стенки корпуса в рабочей области золотника и в месте соединения с выходным патрубком равна 0,4 мм, в области резьбового соединения с входным патрубком толщина стенки корпуса равна 2,0 мм.

2. Входной и выходной патрубки, золотник, фиксирующее кольцо выполнены из сталь 10, ГОСТ 1050-88.

3. Катушка электромагнита выполнена проводом ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм, содержит 250 витков.

4. Постоянный магнит образован неодимовыми цилиндрическими постоянными магнитами 7 диаметром 5 мм и высотой 6,5 мм в количестве 12 шт. общей стоимостью 52,8 руб.

Заявленный клапан обеспечивает: 1. Увеличение прижимного усилия на запорном органе в 1,7 раза по сравнению с прототипом, 2. Снижение себестоимости изготовления клапана по сравнению с прототипом - в два раза. 3. Увеличение расходной характеристики - в 2,5 раза.

Claims (3)

1. Клапан газовый полуавтоматический с импульсным управлением, содержащий корпус в виде цилиндра, расположенный соосно с управляемой магистралью и выполненный из немагнитного материала, входной патрубок и выходной патрубок с седлом, установленные на корпусе с двух его сторон для подсоединения к трубопроводу, выполненные из ферромагнитного материала, золотник, расположенный внутри корпуса соосно его продольной оси, выполненный из ферромагнитного материала, герметизирующая шайба, установленная на торце золотника, обращенного к седлу выходного патрубка, узел управления, включающий постоянный магнит и толкатель, механически связанные между собой и расположенные концентрично вокруг корпуса с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, катушку электромагнита и фиксирующее кольцо из ферромагнитного материала, выполненные без возможности перемещения вдоль оси корпуса, причем электромагнит и постоянный магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического импульса созданный катушкой электромагнита магнитный поток перемещает постоянный магнит и золотник в сторону седла клапана, отличающийся тем, что герметичное соединение между корпусом и выходным патрубком содержит воротничок, выполненный на торце корпуса и примыкающий к выходному патрубку, герметизирующее кольцо и уплотнительную шайбу, установленные на корпусе, при этом герметизирующее кольцо размещено между воротничком и уплотнительной шайбой, с целью обеспечения герметичного соединения, а уплотнительная шайба соединена с выходным патрубком сборочными операциями, в том числе свинчиванием.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что постоянный магнит выполнен в виде втулки из немагнитного материала, в которую по её окружности параллельно её оси установлены цилиндрические постоянные магниты.

3. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что золотник клапана, по меньшей мере, на одном своем торце содержит цилиндрический конус из немагнитного материала, соединенный с золотником сборочными операциями, в том числе свинчиванием, пайкой, склеиванием.