PL243270B1 - Zawór zwrotny kulowy - Google Patents

Abstract

Zawór zwrotny kulowy, charakteryzuje się tym, że jego gniazdo (8) ma powierzchnię uszczelniającą (9) obejmująca pierwszą powierzchnię uszczelniającą, umiejscowioną od strony wlotu (2), o promieniu r wynoszącym od 2% do 4% średnicy nominalnej zaworu oraz drugą powierzchnię uszczelniającą, umiejscowioną od strony wnętrza korpusu (1), o promieniu R_g wynoszącym od 18% do 22% średnicy nominalnej zaworu, przy czym promień R_k kuli (7) zamykającej wynosi od 61% do 64% średnicy nominalnej zaworu, a ponadto kula (7) jest pokryta warstwą elastomerową, przy czym pierwsza powierzchnia uszczelniająca stanowi powierzchnię ciągłą i gładką z cylindryczną powierzchnią kanału wlotowego (2a) oraz z drugą powierzchnią uszczelniającą.

Description

Przedmiotem wynalazku jest zawór zwrotny kulowy, przeznaczony do cieczy, zwłaszcza wody oraz ścieków.

Armatura zwrotna, a w szczególności zawory kulowe zwrotne zapewniają zabezpieczenie w instalacji przed przepływem zwrotnym w sytuacjach awaryjnych, bez konieczności podejmowania dodatkowych czynności manualnych. Zawory zwrotne kulowe działają samoczynnie przechodząc od stanu zamknięcia do stanu otwarcia wraz ze zmianą znaku wypadkowej siły pochodzącej od różnicy ciśnienia Δρ = pi-p2 oraz rzutu siły wyporu i ciężkości na oś xi, w przypadku, gdy zawór jest pod pewnym kątem φ względem pionu. Natomiast, gdy zawór jest umieszczony w poziomie, to zamknięcie zaworu jest skutkiem oddziaływania jedynie różnicy ciśnienia Δρ.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 3105516 B znany jest zawór zwrotny, którego korpus ma prostoliniowy kanał przelotowy oraz połączony z nim pod kątem ostrym kanał rozgałęźny o większej średnicy od kanału przelotowego. Kulowy element zamykający jest osadzony przesuwnie w kanale rozgałęźnym i utrzymywany w pozycji otwarcia poprzez utworzoną pod nim poduszkę cieczy. W korpusie zaworu utworzona jest znaczna przestrzeń pod wlotem do kanału rozgałęźnego, doprowadzająca ciecz do tworzonej poduszki cieczy, jak również niewielka i wąska przestrzeń wewnątrz żebra, łącząca kanał rozgałęźny z kanałem przelotowym, która umożliwia przepływ cieczy od poduszki cieczy utworzonej pod kulowym elementem zamykającym do wylotu zaworu. Rurociąg, w którym montowany jest zawór zwrotny tego typu, może być usytuowany zarówno poziomo, jak i pionowo.

Z polskiego opisu patentowego PL 174939 B1 znany jest zawór zwrotny kulowy, którego korpus jest zaopatrzony w część walcową z otworem przelotowym zakończonym na wlocie pierścieniowym gniazdem, a ponadto w zamkniętą od góry, czaszową pokrywą, część odchyloną, o średnicy większej od średnicy kuli, do której wchodzi ona w otwartym położeniu zaworu, przy czym w miejscu połączenia części odchylonej z otworem przelotowym korpus ma rozszerzony przekrój przestrzeni przepływu i jest zaopatrzony wewnątrz w odchylony do góry występ stanowiący prowadnicę kuli w jego ruchu od położenia zamkniętego do otwartego. Dolna ścianka korpusu zaworu jest zaopatrzona w odsadzenie, którego wewnętrzna powierzchnia stanowi oparcie kuli w jej położeniu półprzymkniętym. Wewnątrz korpusu zaworu pod narożem łączącym część walcową i część odchyloną, znajduje się dwustronne, symetryczne względem osi symetrii zaworu, zagłębienie, utworzone przez zewnętrzne wybrzuszenie ścianki korpusu.

Z polskiego opisu ochronnego PL 58828 Y1 znany jest kulowy zawór zwrotny do samoczynnego blokowania wstecznego przepływu cieczy w rurociągu jednokierunkowym, posiadający jednoczęściowy korpus, stanowiący obudowę kanału przelotowego z kołnierzami przyłączeniowymi w poprzeczny przekrój rurociągu pionowego lub poziomego i skośną pod kątem 45° do osi kanału półcylindryczną prowadnicę kuli, pomiędzy włazem z odejmowaną pokrywą a poszerzeniem strefy przejściowej tego kanału z wewnętrznymi żebrami i zderzakiem, orientującymi kulę w osi wlotu z pierścieniowym gniazdem, prostopadłym do strumienia cieczy. Zawór zawiera czyszczak, stanowiący otwór z gwintem w ściance kanału przelotowego, usytuowany w płaszczyźnie symetrii korpusu i środka kuli na gnieździe, blokowany korkiem z nakładką zderzaka dla orientowania kuli w osi pierścieniowego gniazda na wlocie kanału i łbem na pogrubieniu ścianki, przedłużonym żebrem usztywniającym zbieżną jej część z ugięciem przy wylocie.

W znanych ze stanu techniki zaworach występują problemy ze szczelnością zwrotną przy niskiej różnicy ciśnień. Obecnie stosowane zawory zwrotne kulowe wykazują szczelność w zakresie minimalnego ciśnienia zwrotnego w przedziale od 0,1 do 0,5 bar.

Celem wynalazku jest opracowanie zaworu, którego powierzchnia uszczelniająca gniazda zapewni szczelność w zakresie niskich różnic ciśnienia, przy jednoczesnej wysokiej szczelności przy dużych różnicach ciśnień oraz zapewnieniu zwiększonej żywotności.

Zawór zwrotny kulowy, mający korpus zawierający kanał przelotowy oraz prowadnicę w postaci kanału umiejscowionego pod kątem ostrym względem kanału przelotowego od strony wylotu, na kanale wlotowym od strony wnętrza korpusu zawór ma pierścieniowe gniazdo uszczelniające, przy czym średnica kanału przelotowego od strony wylotu jest mniejsza od średnicy kuli zamykającej, zaś średnica prowadnicy oraz kanału przelotowego pomiędzy gniazdem a prowadnicą jest większa od średnicy kuli zamykającej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jego gniazdo ma powierzchnię uszczelniającą obejmująca pierwszą powierzchnię uszczelniającą, umiejscowioną od strony wlotu, o promieniu r wynoszącym od 2% do 4% średnicy nominalnej zaworu oraz drugą powierzchnię uszczelniającą, umiejscowioną od strony wnętrza korpusu, o promieniu Rg wynoszącym od 18% do 22% średnicy nominalnej zaworu, przy czym promień Rk kuli zamykającej wynosi od 61% do 64% średnicy nominalnej zaworu, a ponadto kula jest pokryta warstwą elastomerową, przy czym pierwsza powierzchnia uszczelniająca stanowi powierzchnię ciągłą i gładką z cylindryczną powierzchnią kanału wlotowego oraz z drugą powierzchnią uszczelniającą.

Korzystnie kąt przylegania £ zawarty, między linią łączącą środek kuli, osadzonej w gnieździe, z geometryczną linią styku l_s kuli z powierzchnią uszczelniającą gniazda, a osią x, prostopadłą do osi symetrii y kanału wlotowego gniazda, wynosi od 34° do 40°.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeśli na drugiej powierzchni uszczelniającej gniazda zaworu jest co najmniej jedno obwodowe zagłębienie o promieniu ρ wynoszącym od 2% do 4% średnicy nominalnej zaworu.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli zagłębienia, na drugiej powierzchni uszczelniającej, są co najmniej trzy i rozmieszczone są równomiernie, przy czym środki promieni p zagłębień są położone na promieniu R, który wynosi od 22% do 25% średnicy nominalnej zaworu.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeżeli średnica nominalna zaworu wynosi od 50 mm do 150 mm.

Zawór zwrotny kulowy, według wynalazku charakteryzuje się zwiększoną, w stosunku do znanych rozwiązań, szczelnością w zakresie minimalnego ciśnienia zwrotnego wynoszącą od 0,005 do 0,01 bar. Elastomerowe pokrycie kuli w wyniku kontaktu z powierzchnią uszczelniającą gniazda uszczelniającego, obejmującą pierwszą powierzchnię uszczelniającą oraz drugą powierzchnię uszczelniającą, pod wpływem różnicy ciśnień Δρ ulega miejscowemu odkształceniu zapewniając szczelność połączenia. Dla oceny jakości szczelności zdefiniowano parametr określający stosunek maksymalnych naprężeń stykowych w warstwie elastomeru pokrywającego kulę zamykającą amax do różnicy ciśnienia Δρ. Szczelność jest zapewniona, jeśli σ,θχ/Δρ > 1. W zakresie małych różnic ciśnienia, tj, bliskich zera, kula zamykająca styka się z pierwszą powierzchnią uszczelniającą gniazda uszczelniającego, o promieniu mniejszym niż druga powierzchnia uszczelniająca, powoduje to znaczny lokalny wzrost naprężeń kontaktowych w strefie styku, co powoduje, że wartość σ,θχ/Δρ osiąga lokalne maksimum w rejonie styku, a tym samym zwiększa zdolność do zachowania szczelności. W wariancie z obwodowymi zagłębianiami na drugiej powierzchni uszczelniającej zapewniona została zwiększona szczelność dla dużych wartości różnicy ciśnienia Δρ. Przy wzroście różnicy ciśnień Δρ zwiększa się obszar styku kuli zamykającej i powierzchni uszczelniającej gniazda co sprawia, że elastomer wchodzi stopniowo w kontakt z zagłębieniami na drugiej powierzchni uszczelniającej, co powoduje powstanie lokalnych spiętrzeń naprężeń stykowych, a tym samym wzrost ilorazu σ,θχ/Δρ, co przyczynia się do poprawy szczelności. Rozwiązanie pozwala ponadto na zwiększenie żywotności zaworów zwrotnych kulowych, związanym wolniejszym zużyciem gniazd uszczelniających.

Zawór zwrotny kulowy, według wynalazku został bliżej wyjaśniony w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym na fig. 1 przedstawiono zawór w widoku z boku z wyrwaniem w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 2 - w widoku z boku z wyrwaniem w wariantach z zagłębieniami w drugiej powierzchni uszczelniającej, fig. 3 - szczegół A z fig. 1 w powiększeniu, fig. 4 - szczegół C z fig. 3 w powiększeniu, fig. 5 - szczegół C z fig. 3 w powiększeniu z zaznaczonymi promieniami pierwszej oraz drugiej powierzchni uszczelniającej gniazda oraz kątem przylegania, fig. 6 - szczegół B z fig. 2 w powiększeniu, fig. 7 - szczegół D z fig. 6 w powiększeniu, fig. 8 - szczegół D z fig. 6 w powiększeniu, z zaznaczonymi promieniami zagłębień w drugiej powierzchni uszczelniającej oraz odległością kątową tych zagłębień.

Zawór zwrotny kulowy według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania, jest zaworem o średnicy nominalnej wynoszącej 50 mm. Zawór ma korpus 1 zawierający kanał przelotowy, który zarówno na wlocie 2 jak i wylocie 3 ma kołnierz 4 montażowy. Ponadto zawór zawiera prowadnicę 5 w postaci kanału umiejscowionego pod kątem ostrym względem kanału przelotowego od strony wylotu 3. Prowadnica 5 zakończona jest włazem, na którym jest zamocowana rozłącznie pokrywa 6. W kanale przelotowym od strony wlotu 2 jest, pokryta warstwą elastomeru, metalowa wydrążona kula 7 zamykająca o promieniu zewnętrznym Rk wynoszącym 61% średnicy nominalnej zaworu tj. 30,5 mm. Kanał przelotowy od strony wlotu 2 oraz prowadnica 5 mają prześwit większy od średnicy kuli 7 oraz luźno spasowany z obwodem koła wielkiego tej kuli 7. Od strony wylotu 3 kanał przelotowy ma prześwit mniejszy od średnicy kuli 7. Od strony wlotu 2 na kanale wlotowym 2a od strony wnętrza korpusu 1 zawór ma pierścieniowe gniazdo 8 uszczelniające, o promieniu R_wg kanału wlotowego 2a, mniejszym od promienia Rk kuli 7. Powierzchnia uszczelniająca 9 gniazda 8 obejmuje pierwszą powierzchnię uszczelniającą 9a, od strony wlotu 2 oraz drugą powierzchnię uszczelniającą 9b od strony wnętrza korpusu 1. Pierwsza powierzchnia uszczelniająca 9a stanowi fragment powierzchni toroidalnej o promieniu r wy noszącym 2% średnicy nominalnej zaworu tj. 1 mm i stanowi ciągłą i gładką powierzchnię z drugą powierzchnią uszczelniającą 9b stanowiącą fragment powierzchni toroidalnej o promieniu Rg wynoszącym 18% średnicy nominalnej zaworu tj. 9 mm. Pierwsza powierzchnia uszczelniająca 9a stanowi powierzchnię ciągłą i gładką z cylindryczną powierzchnią kanału wlotowego 2a o promieniu Rwg. Kąt przylegania δ, zawarty między linią łączącą środek kuli 7, osadzonej w gnieździe 8, z geometryczną linią styku /_s, a osią x, prostopadłą do osi symetrii y kanału wlotowego 2a wynosi 34°. Pokrywa 6 jest zamocowana za pomocą śrub 10.

Zawór zwrotny kulowy, według wynalazku w drugim przykładzie wykonania ma średnicę nominalną wynoszącą 100 mm. Na drugiej powierzchni uszczelniającej 9b gniazda 8 są cztery obwodowe zagłębienia 11 o promieniu p wynoszącym 4% średnicy nominalnej zaworu tj. 4 mm. Zagłębienia 11 rozmieszczone są równomiernie, zaś odległość kątowa między zagłębieniami 11 jest równa y, przy czym położenie pierwszego zagłębienia 11 określa kąt α zawarty pomiędzy linią łączącą środek promienia r, pierwszej powierzchni uszczelniającej 9a, ze środkiem promienia drugiej powierzchni uszczelniającej 9b, oraz linią łączącą środek promienia p i środek promienia Rg. Położenie środków promieni ρ zagłębień 11 jest na promieniu R, który wynosi 25% średnicy nominalnej zaworu, tj. 25 mm, i jest współśrodkowy z promieniem Rg drugiej powierzchni uszczelniającej 9a. Kąt przylegania δ wynosi 40°. Promień Rk kuli 7 wynosi 64% średnicy nominalnej zaworu tj. 64 mm. Natomiast promień Rg drugiej powierzchni uszczelniającej 9b wynosi 25% średnicy nominalnej tj. 25 mm. Promień r pierwszej powierzchni uszczelniającej 9a gniazda 8 wynosi 2% średnicy nominalnej, tj. 2 mm. W pozostałym zakresie wykonanie zaworu jest jak w przykładzie pierwszym.

Zawór zwrotny kulowy, według wynalazku, w trzecim przykładzie wykonania ma średnicę nominalną wynoszącą 150 mm. Na drugiej powierzchni uszczelniającej 9b gniazda 8 są cztery obwodowe zagłębienia 11 o promieniu ρ wynoszącym 2% średnicy nominalnej zaworu tj. 3 mm. Zagłębienia 11 rozmieszczone są równomiernie, zaś odległość kątowa między zagłębieniami 11 jest równa y, przy czym położenie pierwszego zagłębienia 11 określa kąt α zawarty pomiędzy linią łączącą środek promienia r ze środkiem promienia Rg oraz linią łączącą środek promienia ρ i środek promienia Rg. Położenie środków promieni ρ zagłębień 11 jest na promieniu R, który wynosi 22% średnicy nominalnej zaworu, tj. 33 mm, i jest współśrodkowy z promieniem Rg drugiej powierzchni uszczelniającej 9a. Kąt przylegania δ wynosi 40°. Promień Rk kuli 7 wynosi 64% średnicy nominalnej zaworu tj. 96 mm. Natomiast promień Rg drugiej powierzchni uszczelniającej 9b wynosi 22% średnicy nominalnej tj. 22 mm. Promień r pierwszej powierzchni uszczelniającej 9a gniazda 8 wynosi 2% średnicy nominalnej, tj. 3 mm. W pozostałym zakresie wykonanie zaworu jest jak w przykładzie drugim.

Wykaz oznaczeń

- korpus

- wlot

2a - kanał wlotowy

- wylot

- kołnierz

- prowadnica

- pokrywa

- kula

- gniazdo

- powierzchnia uszczelniająca

9a - pierwsza powierzchnia uszczelniająca

9b - druga powierzchnia uszczelniająca

- śruba

- zagłębienie

Rk - promień zewnętrzny kuli r - promień pierwszej powierzchni uszczelniającej

Rg - promień drugiej powierzchni uszczelniającej

Rwg - promień kanału wlotowego δ - kąt przylegania ls - linia styku ρ - promień zagłębienia

Claims (5)

1. Zawór zwrotny kulowy, mający korpus zawierający kanał przelotowy oraz prowadnicę w postaci kanału umiejscowionego pod kątem ostrym względem kanału przelotowego od strony wylotu, na kanale wlotowym od strony wnętrza korpusu zawór ma pierścieniowe gniazdo uszczelniające, przy czym średnica kanału przelotowego od strony wylotu jest mniejsza od średnicy kuli zamykającej, zaś średnica prowadnicy oraz kanału przelotowego pomiędzy gniazdem a prowadnicą jest większa od średnicy kuli zamykającej, znamienny tym, że jego gniazdo (8) ma powierzchnię uszczelniającą (9) obejmująca pierwszą powierzchnię uszczelniającą (9a), umiejscowioną od strony wlotu (2), o promieniu r wynoszącym od 2% do 4% średnicy nominalnej zaworu oraz drugą powierzchnię uszczelniającą (9b), umiejscowioną od strony wnętrza korpusu (1), o promieniu Rg wynoszącym od 18% do 22% średnicy nominalnej zaworu, przy czym promień Rk kuli (7) zamykającej wynosi od 61% do 64% średnicy nominalnej zaworu, a ponadto kula (7) jest pokryta warstwą elastomerową, przy czym pierwsza powierzchnia uszczelniająca (9a) stanowi powierzchnię ciągłą i gładką z cylindryczną powierzchnią kanału wlotowego (2a) oraz z drugą powierzchnią uszczelniającą (9b).

2. Zawór według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt przylegania δ zawarty, między linią łączącą środek kuli (7), osadzonej w gnieździe (8), z geometryczną linią styku /_s kuli (7) z powierzchnią uszczelniającą (9) gniazda (8), a osią x, prostopadłą do osi symetrii y kanału wlotowego (2a) gniazda (8), wynosi od 34° do 40°.

3. Zawór według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że na drugiej powierzchni uszczelniającej (9b) gniazda (8) jest co najmniej jedno obwodowe zagłębienie (11) o promieniu ρ wynoszącym od 2% do 4% średnicy nominalnej zaworu.

4. Zawór według zastrz. 3, znamienny tym, że zagłębienia (11), na drugiej powierzchni uszczelniającej (9b), są co najmniej trzy i rozmieszczone są równomiernie, przy czym środki promieni ρ zagłębień (11) są położone na promieniu R, który wynosi od 22% do 25% średnicy nominalnej zaworu.

5. Zawór według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że jego średnica nominalna wynosi od 50 mm do 150 mm