RO119480B1 - Robinet etanş cu forţa de închidere autocontrolată - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un robinet etanş cu forţa de închidere autocontrolată, destinat utilizării în instalaţiile de transport şi distribuire a fluidelor. Robinetul conform invenţiei este format dintr-un corp robinet (1) de formă cilindrică, prevăzut cu un perete obturator (a), nişte ferestre de comunicare (b) şi un scaun ventil (c), pe care funcţionează un mecanism de control al forţei de închidere (B), manevrat de la un mecanism de acţionare (C), mecanismul de control fiind prevăzut cu un taler ventil (d) şi două sisteme de preluare şi repartizare a forţelor axiale exercitate de fluid, acţionând permanent asupra forţei de închidere a ventilului, pe care o menţine la valoarea proiectată, permiţând realizarea unui robinet cu forţa de etanşare constantă, autoreglabilă, sau care să treacăîn regim de supapă de siguranţă, la creşterea presiunii peste valoarea critică. ŕ

Description

Invenția se referă la un robinet etanș, cu forța de închidere autocontrolată, destinat utilizării în instalațiile pentru transportul și distribuirea fluidelor.

Este cunoscut un robinet al cărui element de închidere este format dintr-o membrană metalică (FR 2677424), pe suprafața căreia acționează un piston ce deplasează membrana către scaunul conductei de aducțiune a fluidului, realizând închiderea circuitului.

Robinetul are un înalt grad de etanșeitate față de mediul ambiant și față de mecanismul de acționare, fiind utilizat în special la instalațiile pentru fluide de mare puritate și cu nocivitate ridicată. Acesta prezintă următoarele dezavantaje;

- membrana este supusă unor deformări elastice mari, prin acțiunea pistonului și presiunea fluidului;

- pentru debite și presiuni mari ale fluidului, forța de acționare a membranei este foarte mare;

- posibilitățile limitate de deformare elastică a membranei duc la creșterea dimensiunilor de gabarit;

- forța de închidere a membranei pe scaun nu este controlată, eventualele suprasarcini, cât și deformarea ei pe zona de etanșare putând duce la exfolierea acesteia.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un robinet etanș, ușor manevrabil si cu înalt grad de fiabilitate, având un domeniu larg de utilizare în instalațiile de transport și distribuire a fluidelor.

Robinetul conform invenției este alcătuit dintr-o carcasă robinet, pe care funcționează un mecanism de control al forței de închidere, manevrat cu un mecanism de acționare și învelit într-o carcasă de protecție.

Invenția prezintă următoarele avantaje :

- robinetul are grad înalt de etanșeitate față de mecanismele componente și față de mediul ambiant;

- forța de închidere este autocontrolată și menținută la valoarea stabilită prin proiectare;

- reduce forța necesară acționării robinetului la o valoare apropiată de cea a forței de etanșare a elementului de închidere;

- manevrare rapidă și comodă;

- simplificarea considerabilă a operațiunilor de căptușire anticorosivă;

- posibilitatea aplicării acționării automate, cu cheltuieli minime;

- posibilitatea de a fi prevăzut să lucreze și ca supapă de siguranță de mare precizie;

- grad înalt de fiabilitate.

Se dă mai jos un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1... 9, care reprezintă :

- fig.1, secțiune longitudinală prin robinet;

-fig.2, schema structurală a mecanismului de control al forței de închidere, cu ventilul închis;

- fig.3, schema structurală a mecanismului de control al forței de închidere, cu ventilul deschis;

- fig.4, schema structurală a mecanismului de control al forței de închidere, cu pârghiile din amonte montate sub un unghi inițial, prezentat cu ventilul închis;

- fig.5, schema structurală a mecanismului de control al forței de închidere, cu pârghiile din amonte montate sub un unghi inițial, prezentat cu ventilul deschis;

- fig.6, detaliu de montaj al unor membrane elastice metalice, pentru fluide cu temperaturi înalte;

- fig.7, detaliu de execuție și montaj pentru ventil și membranele elastice metalice, la un robinet pentru fluide de înaltă puritate;

RO 119480 Β1

- fig. 8, detaliu de execuție și montaj la un mecanism de control al forței de închidere, 50 prevăzut cu suporturi rigide și membrane elastice;

- fig. 9, detaliu de execuție și montaj la un mecanism de control al forței de închidere, prevăzut cu garnituri de etanșare.

Robinetul conform invenției este alcătuit dintr-o carcasă robinet A, pe care funcționează un mecanism de control al forței de închidere B, manevrat cu un mecanism de 55 acționare C și învelit într-o carcasă de protecție D, fig. 1. Carcasa robinetului A are rolul de a asigura racordarea robinetului la conductă, de a conduce fluidul prin secțiunea ventilului și de suport material al ansamblului robinetului. Corpul robinetului 1 se racordează la conductă prin două flanșe 2, montate pe corpul robinetului prin înfiletare și etanșate față de acesta prin niște inele de etanșare 3, presate cu niște piulițe speciale 4. Corpul robinetului 60 este prevăzut cu un perete obturator a și cu niște ferestre de comunicare b, prin care circulă fluidul. în corpul robinetului sunt montate două conuri de dirijare a fluidului 5, iar la exterior, acesta este prevăzut cu un scaun pentru ventil c, pe care se montează o garnitură de etanșare 6. Fluidul trece prin ferestrele de comunicare într-un mecanism de control al forței de închidere B, al cărui corp 7 este prevăzut cu un taler ventil d. La capătul din amonte al 65 acestuia este montat un capac 8, fixat cu un inel elastic 9 și o piuliță 10. Suprafața interioară a capacului este prevăzută cu caneluri longitudinale e, cu scopul de a împiedica rotirea carcasei. La capătul din aval al mecanismului este montat un capac 11, fixat cu un inel elastic 12 și o piuliță 13. Capacele au rolul de poziționare și ghidare a mecanismului în mișcarea de translație. Mecanismul este prevăzut la ambele capete cu câte un sistem de 70 preluare și repartizare a forțelor axiale exercitate de presiunea fluidului. Presiunea fluidului acționează asupra unei membrane elastice 14, care are și rolul de a asigura o etanșare perfectă față de mediul ambiant și față de celelalte elemente ale mecanismului. Membrana elastică este fixată pe corpul mecanismului pe o suprafață de etanșare f, cu un inel de fixare

15, prevăzut cu un pinten limitator g, care are rolul de a limita forța de strângere a 75 membranei. Inelul de fixare este presat de un semilagăr 16, prevăzut cu o suprafață de lucru în formă de sector toroidal h, presat la rândul său de alt semilagăr 17, prevăzut cu o suprafață de lucru în formă de sector toroidal i, fixat cu o piuliță 18. Membrana elastică se sprijină pe niște inele de presiune coaxiale : 19, 20, 21, 22, prevăzute cu niște pinteni de antrenare j, k, I, m și un pinten limitator n, cu rolul de a antrena inelele în mișcarea de 80 translație, în limitele stabilite, atunci când în mecanism nu există presiune. Inelele de presiune transmit forțele preluate de la membrana elastică 14 unor pârghii 23, prevăzute cu o suprafață de lucru în formă de sector de butoi o care, împreună cu lagărul în formă de sector toroidal, formează articulațiile pârghiilor.

Pe corpul robinetului, membrana de etanșare este fixată pe o suprafață de etanșare 85 p, fiind presată de un inel de fixare 24, prevăzut cu un pinten limitator r, presat la rândul său de un inel de reazem 25, prevăzut cu o suprafață pentru reazemul pârghiilor s, fixat cu o piuliță 26.

în cazul prezentat, axa pârghiilor este perpendiculară pe axa robinetului, acestea formând un disc plan. Pe pârghii, în zonele de lucru cu inelele de presiune și cu inelul de 90 reazem, sunt prelucrate niște suprafețe cu secțiunile de forma unor curbe speciale, ce asigură tangenta acestor suprafețe în aceleași puncte ale inelelor, atunci când pârghiile sunt înclinate față de axa robinetului. Mecanismul de control al forței de închidere este menținut în poziția de închidere a ventilului prin acțiunea unui arc 27, montat la capătul din aval al acestuia.__ 95

Deschiderea robinetului se face cu ajutorul unui mecanism de acționare C. Batiul mecanismului 28 este fixat pe corpul robinetului cu un inel elastic 29, o bucșă de ghidaj 30 și o piuliță 31. Bucșa de ghidaj și batiul sunt asigurate contra rotirii cu o pană 32. Batiul este

RO 119480 Β1 prevăzut cu o suprafață canelată t, pe care culisează o bucșă piston 33, acționată de o piuliță de antrenare 34, imprimând mecanismului de control al forței de închidere o mișcare de translație axială. Piulița de antrenare este montată pe batiu printr-un alezaj alunecător u și poate fi antrenată în mișcarea de rotație cu ajutorul unor manete rabatabile 35. Jocul axial al piuliței este reglat cu o șaibă de reglaj 36, prevăzută cu niște caneluri exterioare v și fixată cu o piuliță 37. Mecanismul de control al forței de închidere este învelit într-o carcasă de protecție D, care împiedică pătrunderea impurităților sau lovirea suprafețelor funcționale. Corpul carcasei de protecție 38 este montat pe piulița de antrenare printr-un alezaj alunecător w, la capătul din amonte fiind prevăzut cu un capac de protecție 39, montat pe corpul carcasei prin înfiletare. Capacul este fixat pe corpul robinetului cu un inel elastic 40, o bucșă canelată 41, care are și rol de ghidare a mecanismului de control al forței de includere, și o piuliță 42. Bucșa canelată este asigurată împotriva rotirii cu o pană 43.

în fig. 1 și 2, robinetul este prezentat cu ventilul închis. Sistemul de preluare și repartizare a forțelor axiale exercitate de presiunea fluidului asigură reducerea considerabilă a solicitărilor membranelor elastice, menținerea direcției și valorilor forțelor transmise pârghiilor de către inelele de presiune, precum și controlul asupra punctelor în care se aplică aceste forțe. Forma membranelor elastice și natura materialelor din care sunt executate acestea se stabilesc în funcție de condițiile concrete de lucru, pentru care sunt proiectate robinetele.

Pentru simplificarea expunerii modului de funcționare se consideră că inelele de presiune acționează ca un singur inel, având aria frontală A! egală cu suma ariilor frontale ale acestora, ce transmite o singură forță concentrată F, preluată de o singură pârghie fig.2. Notând presiunea din amonte cu p si pe cea din aval cu p', rezultă : p>p';F = A_fp = F_A + F_r = F_d + F_c; F = A-p'= F_A' + F’_R' = F_d + F_c, unde : F_A, F'_A. - forțele axiale din articulații; F_R, F'_R. - forțele axiale din reazeme; F_d, F_d forțele axiale din taler; F_c, F'_c - forțele axiale din scaun.

Condițiile de echilibru sunt:

F^+Fd=0 -fT' +Γά =0

Notând cu I, distanța de la punctul de aplicare a forței la punctul de reazem al pârghiei, cu I distanța de la punctul de reazem la centrul articulației și cu Ad aria ventilului, rezultă:

F_A= ț-.F ί ț- Aj.p =Aj.p ; ț-. Aj. p* = Aj.p^f A_i=A_<1 condiție de natură constructivă, care asigură echilibrul forțelor axiale, indiferent de fluctuația presiunii.

Notând cu F_a forța arcului și F_e forța de etanșare a ventilului, rezultă: F_a = F_e. Prin rotirea manetelor rabatabile 35 ale mecanismului de acționare C, bucșa piston 33 acționează asupra mecanismului de control al forței de închidere B, comprimând arcul 27 si deschizând ventilul - fig. 1 ;3. în această situație presiunea din amonte devine egală cu cea din aval, rezultând:

) p „ F F, V_Aa- _cosct — F. cosa· —b— — V, — ~ . F. cosa = V.r ;

COSa Aa. 1 A _a ’

Ijll · F. cosa= V_R'_a;

HA_a = F · șina = H_Aa, unde: V_Aa, V _Aa - forțele verticale din articulații; V_Ra, V_R._a, forțele verticale din reazeme; Η_Αα, H_Aa - forțele orizontale din articulații.

RO 119480 Β1 ^vAa-cos<x ⁺Hi_a· sinet=-p- «F·cosa·cosa+F·șina·șina =-p- -F-co^a +

4- 1 ~li⁺ ί .F._sin²a = -p-*F«(cos²a+sin²a)+ *~h. .F-sin²a ;

^FA_a = F_A + Fr « sin’a = F^ · F_Aq+ F_A»_ft= 0;

Notând cu Fm_a forța mecanismului de acționare, rezultă : Fm_a = F_a = F_e . Prin eliberarea arcului 27, ventilul este readus în poziția de închidere.

Soluția constructivă a robinetului permite modificarea echilibrului forțelor axiale, astfel că pentru F_A< Fd să se realizeze un robinet cu forța de etanșare autoreglabilă, iar pentru F_A > F_d să se realizeze un robinet care să treacă în regim de supapă de siguranță atunci când presiunea depășește valoarea critică. Această modificare se poate realiza prin deplasarea punctului de aplicare a forței concentrate, prin modificarea unghiului sub care sunt montate pârghiile, prin combinarea acestor metode, cu sau fără modificarea sensului de circulație a fluidului, în funcție de rezultatele concrete urmărite. Spre exemplificare, se analizează un caz pentru robinet cu forța de etanșare autoreglabilă și două cazuri pentru robinet ce trece în regim de supapă de siguranță la depășirea valorii critice a presiunii.

Prin deplasarea punctului de aplicare a forței concentrate se micșorează distanța I, pentru pârghiile din amonte, menținându-se ceilalți parametri constructivi.

Atunci când ventilul este închis, rezultă:

„F - F_Affi<Fd=F_A;F=F_Am4-F_Rm; unde: —distanta 1₁ micșorată; F_Am—forța axiala din articulație micșorată; F_RM - forța axială din reazem mărită.

Fm_a= F_e=F_a+F_A-F,_m = F_a+p.A,.ArtîK

Atunci când ventilul este deschis, rezultă:

F_a + F_A + F_R. sin²a - ^FAm - FRm . sin²a * Fma = F_a + F_a - F_Am - sia²» ♦( ^frm- Fr ) < ^Fma

Rezultă că forța mecanismului de acționare va fi dimensionată pentru acționarea ventilului închis.

- Prin deplasarea punctului de aplicare a forței concentrate se mărește distanța I, pentru pârghiile din amonte, menținându-se ceilalți parametri constructivi.

Atunci când ventilul este închis, rezultă:

-γ- · F - F_Am >Fd - F_a ; F -F_Am + F_Rm . _unde: 1_1M — distanta 1! manta; F_Am — forța axiala din articulație mărită; F_Rm —forța axiala din reazem micșorată·

Fa_s = F_e + FA_M - F_d unde Fa_s - forța arcului de supapă

Stabilind valoarea critică a presiunii la care trebuie să deschidă ventilul, rezultă: Pk P ⁺ Pi ;^FAMk' ^Fdk ^=Fas ;^FAMk = ^fam . Ai- Pi ;^Fdk =Fd+ Aa- pi ;

^fam⁺—p-^eAi· Pi-Fd- A-d· Pi =F_e+F_AM-Fd; -ț- ~~ ^4« ⁼ V_A(X + H _Aa, F_A'_a = V_A'_a + Η _A'_a , unde : F_A(X F_A*_a - rezultantele axiale ale forțelor din articulații, pentru unghiuța.

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

RO 119480 Β1

Datorită evoluției forțelor axiale din articulații, în cazul utilizării acestei soluții unghiul de înclinare format de pârghii crește o dată cu creșterea presiunii fluidului peste valoarea critică și revine la valoarea zero atunci când presiunea fluidului revine la valoarea critică. Notând cu p₂ creșterea presiunii fluidului peste valoarea critică, rezultă:

y-*^Ai*Pk ⁺ ~·-Α;· p2 + -^pM-· Aj · (ρ[ς+p2)«sin²a-A. .Aj. pk'A- .Aj.p2l- 11 2

--p- ’Aj»(pk +p₂).sina = F_âs

^.A^Pî + i^.Aj.țPk +p₂)*sin²a - .Aj.p2 - .Aj.(pk+p2).sin²a =0 (hM-l₁)-P2⁼(^li_M-l + l-li)‘(Pk +p₂)-sina

2 [ Pă

Ρ2= (Pk +p₂)‘Sina;sina = ρζΤρΡ ; « = arcsin ȚȚTpT

Se montează pârghiile din amonte ale mecanismului de inducere a forțelor de control sub un unghi inițial a,, păstrând ceilalți parametri neschimbați - fig. 4; 5.

= F_a+ Fr · sin²aj; unde — forța axiala din articulație, corespunzătoare unghiului cq .

^Fas = Fe ^{+ Fa}oî · Fd ⁼ Fe ⁺ Fr * sin²aj

Stabilind valoarea critică a presiunii la care trebuie să deschidă ventilul, rezultă:

Pk ⁼ P ⁺ Pi J ^dk ⁼ ^^as ^{; unde} '— ^^orta critica din articulație, corespunzătoare unghiului a;.

^FAk + Fr · sin²ai + ♦ A · pi · sin²ai - = Fe + Fr · sin²ai; - Ai · pi · sin²<Xi = F_e;

• lH Fe~ ai-arcsm^·^

La acest tip de supapă, dacă presiunea depășește valoarea critică, ventilul se deschide la maximum, iar presiunea la care are loc revenirea ventilului la poziția de închidere, p_r ,este cu atât mai mică, cu cât valoarea unghiului a crește.

Notând cu a, unghiul format de pârghiile din amonte, rezultă: α, = ος + a;

1] . , 1 ' 1t . -2 11 . 1 li . .₂ Τ’

-Ț- · A;. pr + —p^. Aj»p_r · sm aj - -p · Aj. p_r —p- ♦ A,. p_r. sin a = a_s; (1 - li). Ai. p_r . (sin²ai - sin²a ) ~ Fg_s. 1;

(1 - lj) · A.). [ sin²( cq + a) - sin²ct]

Pentru limitarea presiunii de revenire la valoarea dorită, se poate limita valoarea unghiului a, prin modificarea legăturii dintre mecanismul de acționare C și mecanismul de control al forței de închidere B, sau prin alte metode.

Aceste tipuri de supape de siguranță pot lucra atât ca robinete, intrând în regim de supape de siguranță la o creștere accidentală a presiunii, cât și ca supape de siguranță

RO 119480 Β1 terminale, montate în punctele de refulare. Pentru fluide cu presiuni și temperaturi mari, se folosesc membrane elastice metalice 14, cu forme ce le conferă o bună elasticitate și rezistență mecanică fig. 6.

Pentru fluide de înaltă puritate, robinetul se montează în poziție verticală, iar membranele elastice metalice 14, scaunul ventilului c și talerul ventilului d au forme adecvate, permițând scurgerea totală a fluidului, atunci când se golește instalația fig. 7. în acest caz intervine și avantajul de a putea prelucra ușor, la un înalt grad de finisare, suprafețele căilor de acces ale fluidului. în instalațiile cu debit mic și presiune mică a fluidului poate fi utilizat un robinet cu mecanism de control al forței de închidere simplificat, la care inelul de fixare 15 al membranei elastice 14 pe corpul mecanismului 7 și inelul de fixare 24 al membranei pe corpul robinetului 1 au formele modificate, constituind suporturi rigide, ce preiau forțele transmise de membrană - fig.8. Acest mecanism prezintă avantajele unei simplificări considerabile a execuției, reducerii dimensiunilor de gabarit și a prețului de cost, introducând dezavantajele unei solicitări mari a membranelor elastice și perturbării modului de lucru al forțelor de control.

Pentru fluide cu proprietăți de lubrifiere bune, poate fi utilizat un robinet cu mecanism de control al forței de închidere simplificat, la care corpul robinetului 1 este prevăzut cu un locaș x, în care se montează o garnitură de etanșare 44, iar corpul mecanismului 7 este prevăzut cu o suprafață cilindrică de etanșare y, fig. 9. Mecanismul prezintă avantajele unei bune dimensionări și repartizări a forțelor de control, simplificării execuției, reducerii dimensiunilor de gabarit și a prețului de cost, introducând dezavantajul unei posibile deteriorări a etanșeității, o dată cu apariția uzurii.

Caracteristicile robinetului au fost testate pe un model funcțional, prevăzut cu mecanism simplificat de inducere a forțelor de control, conform fig. 8, fiind în deplină concordanță cu cele prevăzute.

La întocmirea documentației de brevetare s-a beneficiat de toate concluziile rezultate la elaborarea unui proiect de execuție pentru un robinet cu diametrul nominal de 80 mm și presiunea de lucru nominală de 5 MPa, ca urmare a calculului hidraulic, a calculelor de rezistență și a analizei posibilităților practice de execuție economică a elementelor componente.

Claims (4)

1. Revendicări

   250

   255

   260

   265

   270

   275

   280

   1. Robinet etanș, cu forța de închidere autocontrolată, format dintr-o carcasă robinet ce are ca element de închidere un ventil, manevrat cu un mecanism de acționare, caracterizat prin aceea că are un corp cilindric (1) prevăzut cu un perete obturator (a), niște ferestre de comunicare (b) și un scaun ventil (c), corp (1) ce preia și funcția de batiu al unui mecanism de control al forței de închidere (B), format dintr-un corp (7) prevăzut cu un taler ventil (d), două capace (8,11) care poziționează mecanismul și se ghidează în mișcarea de translație și două sisteme de preluare și repartizare a forțelor axiale exercitate de fluid, format fiecare dintr-o membrană elastică (14) cu rol de etanșare, niște inele de presiune (19... 22) care constituie suporturi pentru membrană și niște pârghii (23) articulate la corpul mecanismului și simplu rezemate pe corpul robinetului, care preiau de la inelele de presiune forțele axiale exercitate de fluid și acționează permanent asupra forței de închidere a ventilului, astfel că, la creșterea presiunii fluidului, aceasta să poată avea valoare constantă, crescătoare, pentru robinetul prevăzut cu forța de etanșare autoreglabilă, sau descrescătoare, pentru robinetul prevăzut să lucreze și (sau) ca supapă de siguranță.
2. 2. Robinet etanș, cu forță de închidere autocontrolată, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, fiind destinat pentru fluide de înaltă puritate, este prevăzut să lucreze în poziție verticală, iar membranele elastice (14), scaunul ventil (c) și talerul ventil (d) sunt astfel proiectate, încât formele acestora să asigure scurgerea completă a fluidului atunci când se golește instalația.

   285

   290

   295

   300

   RO 119480 Β1

   305
3. 3. Robinet conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că inelele de fixare (15) a membranelor elastice (14) pe corpul mecanismului (7) și inelele de fixare (24) a membranelor elastice pe corpul robinetului (1) au formele modificate și constituie suporturi rigide pentru membrane, preluând direct de la acestea forțele axiale exercitate de fluid.
4. 4. Robinet conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că are batiul substituit prin corpul robinetului (1), prevăzut cu un locaș (x) în care se montează o garnitură de etanșare (44), iar corpul mecanismului (7) este prevăzut cu o suprafață de etanșare (y), acestea preluând în mod direct forțele axiale exercitate de fluid.