PL224140B1 - Pierścienie przeciwkawitacyjne do zaworów grzybkowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są pierścienie przeciwkawitacyjne do zaworów grzybkowych.

Kawitacja w zaworach regulacyjnych jest zjawiskiem dobrze znanym. Podczas przepływu cieczy przez szczeliny układu dławiącego dochodzi do lokalnych spadków ciśnienia do poziomu znacznie niższego niż w części wylotowej zaworu. Jeśli ciśnienie to spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej cieczy należy liczyć się z kawitacją oraz jej skutkami w postaci narastającego hałasu, drgań oraz erozji elementu dławiącego lub jego gniazda.

Wśród znanych sposobów przeciwdziałania zarówno samemu zjawisku kawitacji, jak i jego skutkom można wyróżnić zabiegi konstrukcyjne (przede wszystkim dobór odpowiedniej geometrii układu przepływowego oraz dobór tworzywa konstrukcyjnego o odpowiedniej odporności kawitacyjnej), a także środki eksploatacyjne polegające na instalowaniu zaworów w takiej konfiguracji, by uniknąć pracy pojedynczych zaworów ze zbyt silnym dławieniem.

Zabiegi konstrukcyjne polegają zwykle na takim ukształtowaniu strefy dławienia, by nie dochodziło do przepływu dużej ilości cieczy przez niewielkie szczeliny. Najczęściej stosowany sposób polega na wykorzystaniu elementu dławiącego perforowanego. Sposób ten zapewnia pożądany opór hydrauliczny na stosunkowo dużej przestrzeni. W rezultacie nie dochodzi do gwałtownego wzrostu prędkości przepływu i niepożądanego spadku ciśnienia poniżej ciśnienia pary nasyconej cieczy. Tego rodzaju zawory stosuje się od lat w charakterze urządzeń redukcyjnych w różnych instalacjach hydraulicznych, w tym na stanowiskach laboratoryjnych do badań pomp wirowych. Stosowane rozwiązania konstrukcyjne stawiają dość wysokie wymagania technologiczne i są przedmiotem zastrzeżeń patentowych. Ich ważną zaletą jest to, że poprzez zmianę położenia tłoka 30 w tulei 50 regulujemy otwarcie otworów promieniowych 68, 70 i 76, oraz magistrali pionowych 60, 62, 68 i 70, w tulejach 50, 52 i 54 tak, aby spadek ciśnienia przepływającego płynu nie powodował powstawania pęcherzyków, których implozja może być przyczyną niszczenia powierzchni gniazda zaworu 46 i tłoka zaworu.

Ponadto znany jest z opisu zgłoszonego do opatentowania wynalazku US 2013/0153808 A1 pt. „Przeciwkawitacyjne gniazdo zaworu” przedstawione na rysunku 3 i 4. Przeciwkawitacyjne gniazdo zaworu 100 ma ogólnie kształt dwóch współosiowo umieszczonych cylindrycznych tulei 104 i 110 od dołu ograniczonych denkiem 102, które z kolei łączy się z pierwszą ścianką 104. Na powierzchni bocznej ścianki 104 i 110, wykonana jest duża ilość odpowiednio rozstawionych wzdłużnych otworów wlotowych 106. Ponadto druga ścianka 110, w górnej części zakończona jest pierścieniem w postaci wargi 108. W osi gniazda zaworu 100 umieszczony jest element w postaci stożka ściętego 118, w którego osi wykonane są otwory 120, a na pobocznicy stożka 124 wykonane są wzdłużne otwory 126.

Istotą pierścieni według wynalazku jest to, że na powierzchni bocznej gniazda zaworu, umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny. Pierścień umieszczony na powierzchni bocznej gniazda zaworu, ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni omywanej gniazda zaworu.

Istotą drugiej odmiany pierścieni według wynalazku jest to, że na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu, umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny. Pierścień umieszczony na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu, ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni omywanej na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu.

Zaletą rozwiązania konstrukcyjnego według wynalazku jest to, że zmniejsza zagrożenie erozyjne powierzchni gniazda zaworu i grzybka zaworu, zapobiegając pojawianiu się kawitacji w przepływie, a nie tylko przeciwdziałając jej skutkom.

Znany jest opis opatentowanego wynalazku US 4 149 563. pt. „Zawór przeciwkawitacyjny” przedstawiony na rys. 1. Wynalazek związany jest z konstrukcją sterowanego zaworu dla dławienia płynów pod wysokim ciśnieniem, w celu zminimalizowania uszkodzeń kawitacyjnych części zaworu. Zawór zawiera tuleję 15, w otworze, której umieszczone jest tłoczysko zaworu 25 i gniazdo zaworu 29, przy czym na górnej części tulei 15 osadzona jest tuleja 19. Na powierzchni zewnętrznej pierścienia 15 wykonane są występy o kształcie parabolicznym, pomiędzy którymi utworzone są promieniowe kanały przelotowe 24 o zwężającym się przekroju w kierunku przepływu płynu. Również na powierzchni pierścienia 15 wykonany jest promieniowy otwór upustowy 35, który łączy się ze szczeliną obwodową 36, utworzoną pomiędzy występami 37 tłoczyska 25 i dolną powierzchnią tulei 19. W osi tłoczyska 25, na jej powierzchni dolnej, wykonany jest otwór w postaci stożka ściętego 44, który kolejno łączy się z otworem 34 i 32, przy czym w nagwintowaną część otworu 32 wkręcony jest korek 31 z otworami

PL 224 140 B1 przelotowymi 39, a ponadto w otworze 32, umieszczony jest korek pilotujący 33, na którego kołnierzu osadzona jest sprężyna. W osi tulejki 33 umieszczony jest dolny koniec trzpienia zaworu 30. Dolny koniec 27 tłoczyska 25 ma zukosowaną krawędź 28 dla współpracy z podobnie zukosowaną krawędzią 29, wykonaną, w dolnej części tulei 15, która stanowi gniazdo zaworu dla dolnego końca 27 tłoczyska 25.

Kiedy tłoczysko 25 jest w jego najniższym dolnym położeniu, to zukosowana krawędzi 28, umieszczona jest w gnieździe zaworu 29. Gdy tłoczysko 25 jest stopniowo podnoszone, to odsłaniane są stopniowo profilowane kanały 24 w tulei 15, co powoduje, że przez kanały 24 przepływa coraz większy strumień płynu.

Gdy zawór jest otwarty, to tłoczysko 25 znajduje się w jego górnym położeniu, opierając się o kołnierz tulejki 19, a dolny koniec korka 33 jest posadowiony w gnieździe otworu 34.

Zaniknięcie zaworu następuje poprzez podnoszenie trzonu 30, co powoduje uniesienie korka 33 z gniazda otworu 34 i połączenie górnej komory 38 poprzez otwór 32 i otwory 39 w korku 31, umożliwiając przepływ płynu do komory 38 i ruch tłoczyska 25 w jego dolne położenie.

Otwarcie zaworu następuje poprzez opuszczanie, trzonu 30, co powoduje opuszczenie korka 33 i osadzenie jego w gnieździe otworu 34, uniemożliwiając przepływ płynu do komory 38 i ruch tłoczyska 25, w jego górne położenie na skutek działania ciśnienia płynu na jego dolną powierzchnię.

Istotą wynalazku jest to, że wykorzystano zwężające się kanały 24 wykonane w cylindrycznej tulei 15 do podzielenia strugi płynu dopływającego do zaworu na większą ilość mniejszych strumieni, żeby energia implodujących pęcherzyków wydobywających się ze strumienia była jak najmniejsza, dzięki czemu zmniejsza się uszkodzenia będące skutkiem działania kawitacji i odpowiednio zwiększa się żywotność eksploatacyjną zaworu.

Również znany jest z opisu opatentowanego wynalazku US 4 617 963 pt. „Zawór sterowany z przeciwkawitacyjną obudową cylindryczną” przedstawioną na rys. 2. Zawór 10 zawiera korpus 12 z otworem przelotowym wlotu płynu 14 i otworem przelotowym wylotu płynu 16. W osi korpusu zaworu 12 umieszczona jest komora tłoka zaworu 18, która połączona jest z otworem wlotu 14 i otworem wylotu 16. Z kolei w osi otworu 22 umieszczone jest gniazdo zaworu 46, na którym osadzone są kolejno cylindryczne tuleje 50, 52 i 54, przy czym w tulei 50 umieszczony jest tłok zaworu 30. Tuleje 50 i 52 mają na ich górnych powierzchniach wykonane kołnierze 56 i 58, co sprawia, że pomiędzy powierzchniami tulei 50 i 52 występują osiowe przestrzenie przewodów przepływowych 60 i 62. Pierwsza tuleja 50 ma na powierzchni dużą ilość promieniowych otworów 68, żeberek i występów 64, które umieszczone są promieniowo w głównym przewodzie przepływu płynu, między pierwszą tuleją i drugą tuleją. Druga tuleja 52 umieszczona jest wewnątrz pierwszej 50 i ma umieszczone w dolnej części dużą ilość otworów, żeberek i występów 66. Trzecia tuleja 54 umieszczona jest na zewnątrz drugiej tulei 52 i ma wykonaną dużą ilość promieniowych otworów 76, które są umieszczone w górnej jej części. Promieniowe otwory 68 i 76, żeberka i występy 64 i 66 w tulejach 50, 52 i 54 są przesłaniane przez zmieniający swoje położenie tłok 30. Powoduje to, że ciągle zmienia się ścieżka przepływu płynu zapewniając pożądany rozkład spadku ciśnienia, w celu zapobiegania zjawisku kawitacji. Położenia tulei 50, 52 i 54 są ustalone względem siebie przez kołek 78. Wyjęcie kołka 78 pozwala tulei 52 obracać się w stosunku do pierwszej tulei 50 i trzeciej tulei 54. Obrót tulei 52 powoduje przesunięcie otworów 70 i ustawienie ich z otworami 68 w dolnej części tulei 50.

Pierwszy, drugi i trzeci człon elementu tulei mogą zostać umieszczone tak, że promieniowe otwory w każdym członie elementu tulei znajdują się w położeniu, w którym płyn musi płynąć, między członami elementów tulei trajektorią o złożonej geometrii. W górnym położeniu tłoka 30, otwory 68, 70 i 76 są całkowicie odsłonięte, ale przy tym ustawieniu otworów względem siebie, spadek ciśnienia jest mniejszy. Opcjonalnie w górnym położeniu tłoka 30, otwory 68, 70 i 76 mogą zostać ustawione w jednej osi, by zapewnić wyższe wydajności przepływu płynu. W dolnym położeniu tłoka 30, jedyną osiową ścieżką przepływu strumienia jest w tym obszarze magistrala 62. Osiowy przepływ strumienia w magistrali 60 jest zwiększony, kiedy tłok zaworu 30 znajduje się w środkowym położenia, w tulei 50 ponad pełnym przepływem przez żeberka 64. Ta konfiguracja zapewnia, że zostaje zwiększona powierzchnia przepływu strumienia, by zapewnić jak najmniejszy spadek ciśnienia w ostatnim stopniu w zewnętrznej tulei 54, co jest korzystne, jako że w tym ostatnim stopniu występuje największe niebezpieczeństwo, że ciśnienie lokalne spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej powodując pojawienie się kawitacji, spowodowane oddziaływaniem obłoku kawitacyjnego rozwijającego się z powierzchni grzybka lub jego gniazda.

PL 224 140 B1

Ponadto zaletą rozwiązania konstrukcyjnego według wynalazku jest prostota konstrukcji i technologii wykonania.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia strefy zagrożone erozją kawitacyjną wskutek oddziaływania obłoku kawitacyjnego rozwijającego się z powierzchni grzybka lub jego gniazda, fig. 2 - potencjalne skutki zastosowania pierścieni przeciwkawitacyjnych przed obszarem zagrożonym, fig. 3 - schemat przekroju wzdłużnego zaworu z zastosowaniem pierścienia przeciwkawitacyjnego, umieszczonego na powierzchni bocznej gniazda zaworu, fig. 4 - szczegół A na fig. 3, przedstawiający kształt pierścienia przeciwkawitacyjnego umieszczonego, na powierzchni bocznej gniazda zaworu, fig. 5 alternatywny schemat przekroju wzdłużnego zaworu z zastosowania pierścienia przeciwkawitacyjnego, umieszczonego na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu, a na fig. 6 szczegół B na fig. 5, przedstawiający kształt pierścienia przeciwkawitacyjnego, umieszczonego, na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu.

P r z y k ł a d wykonania wynalazku

Jak pokazano na fig. 1 podczas przepływu cieczy przez szczeliny układu dławiącego, jakim jest gniazdo zaworu 1 i grzybek zaworu 2 dochodzi do zapoczątkowania obłoku kawitacyjnego 3, na krawędziach i w przewężeniach. Obłok ten rozciąga się aż do części wylotowej szczeliny dławiącej. W tym obszarze dochodzi do spowolnienia przepływu i implozji pęcherzyków kawitacyjnych, co jest źródłem zagrożenie erozyjnego dla omywanych powierzchni 4.

Na fig. 2 pokazano zmianę kinematyki przepływu kawitacyjnego wywołaną zastosowaniem pierścieni przeciwkawitacyjnych 5 i 6, umieszczonych odpowiednio na powierzchni bocznej gniazda zaworu 1 albo na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu 2.

Pokazany na fig. 3 i fig. 5 zawór zawiera korpus 7, w którego osi pionowej osadzone jest gniazdo zaworu 1 i trzpień zaworu 8, na którego końcu osadzony jest grzybek zaworu 2. Kanał wlotowy 9 i kanał wylotowy 10, w korpusie 7, znajdują się odpowiednio po lewej i prawej stronie gniazda zaworu 1.

Na powierzchni bocznej gniazda zaworu 1 pokazanego na fig. 3, umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny 5.

Przekrój poprzeczny pierścienia przeciwkawitacyjnego 5, pokazanego na fig. 4, ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni omywanej gniazda zaworu 1.

W alternatywnym rozwiązaniu wynalazku pokazanym na fig. 5, na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu 2, umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny 6.

Przekrój poprzeczny pierścienia przeciwkawitacyjnego 6, pokazanego na fig. 6, ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni na obwodzie wlotowej grzybka zaworu 2.

Zawór grzybkowy wyposażony w pierścienie według wynalazku, może być szczególnie korzystnie zastosowany, w systemach rozprowadzania cieczy, przykładowo w systemie sieci wodociągowej.

Wykaz nazw i oznaczeń na figurach na rysunku

1. Gniazdo zaworu

2. Grzybek zaworu

3. Obłok kawitacyjny

4. Omywana powierzchnia

5. Pierścień przeciwkawitacyjny, umieszczony na powierzchni bocznej gniazda zaworu

6. Pierścień przeciwkawitacyjny, umieszczony na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu

7. Korpus

8. Trzpień zaworu

9. Kanał wlotowy

10. Kanał wylotowy

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Pierścienie przeciwkawitacyjne do zaworów grzybkowych, znamienne tym, że na powierzchni bocznej gniazda zaworu (1), umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny (5).
2. 2. Pierścienie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierścień przeciwkawitacyjny (5), ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni omywanej gniazda zaworu (1).
3. 3. Pierścienie przeciwkawitacyjne do zaworów grzybkowych, znamienne tym, że na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu (2), umieszczony jest pierścień przeciwkawitacyjny (6).
4. 4. Pierścienie według zastrz. 3, znamienne tym, że pierścień przeciwkawitacyjny (6), ma w przekroju poprzecznym kształt trapezu, którego krawędź od strony napływu cieczy jest prostopadła do powierzchni omywanej na obwodzie powierzchni wlotowej grzybka zaworu (2).