Схемы прямоугольного (а) и круглого (б, в) шиберов

При расчете шиберов кроме пропускной характеристики определяют также усилие р, необходимое для перемещения дроссельного органа. Наибольшее усилие для перемеще­ния шибера требуется в положении мини­мального открытия:

где — перепад давления на шибере; F — площадь подвижной части шибера, на которую действует перепад давления; G — масса подвижной части; k — коэффи­циент трения.

Коэффициент трения обычно принима­ют равным: для чугуна по чугуну — 0,15; для чугуна по стали — 0,18; для стали по чугу­ну — 0,14.

Мощность привода выбирают с боль­шим запасом, так как коэффициент трения значительно возрастает из-за загрязнения опорной поверхности в процессе эксплуата­ции.

Поворотные заслонки

Поворотные заслонки могут применять­ся на трубопроводах как круглого, так и пря­моугольного сечения для регулирования рас­ходов воздуха w газов при небольших статических давлениях. В некоторых случаях заслонки применяют для регулирования рас­ходов жидкости и пара. Изменение проход­ного сечения заслонки осуществляется путем ее вращения вокруг оси, расположенной пер­пендикулярно направлению потока.

Поворотные заслонки имеют ряд пре­имуществ перед шиберами и другими типа­ми РО. Так, в поворотных заслонках затвор в значительной. мере разгружен, так как силы, создаваемые давлением среды на обе его половины, частично уравновешиваются. Поэтому для поворота затвора нужен ИМ относительно небольшой мощности. Кроме того, поворотные заслонки выгодно отли­чаются от других РО простотой конструк­ции, небольшими габаритными размерами и массой.

Конструктивная и пропускная характе­ристики поворотных заслонок показаны на рис. 6.4. Конструктивные характеристики по­воротных заслонок для прямоугольных и круглых трубопроводов определяются уравнением

где — площадь прохода между затвора­ми и седлом; F_c — площадь прохода в седле, примерно равная площади условного прохо­да трубопровода; — угол поворота затвора от положения, при котором проход закрыт.

Характеристики поворотных засло­нок:

а — конструктивная; б — пропускная

По конструкции поворотные заслонки могут быть с одним затвором (одноло-пастные) или несколькими (многолопастные), безупорными и упорными. В безупорных за­слонках (см. рисунок, а) затвор имеет форму окружности и при закрытом проходе находится в вертикальном положении, причем диаметр окружности затвора несколько меньше диаметра прохода в корпусе, поэто­му проход полностью не закрывается. Безу­порные заслонки являются только регули­рующими. Однако при помощи дополни­тельных устройств (затвор с различными уплотнительными кольцами, седло с рези­новым покрытием) в безупорных заслонках достигается герметичность, при которой они могут быть использованы как запорно-регулирующие.

В упорных заслонках затвор имеет эл­липтическую форму и закрывает проход с меньшими зазорами. В закрытом положе­нии в упорной заслонке (см. рисунок, 6) затвор находится под углом = 10 15° к вертика­ли. Упорные заслонки могут быть использо­ваны как запорно-регулирующие, но их нель­зя применять для работы на загрязненных газах и жидких растворах, из которых могут выделяться твердые частицы.

Поворотная заслонка:

а — безупорная; б — упорная

Зависимость коэффициента а от угла поворота а диска заслонки

В таблице приведена негерметичность затвора для различных безупорных заслонок. Под негерметичностью понимается расход среды через полностью закрытую заслонку в процентах расхода среды через заслонку при ее полном открытии. Негерметичность упорных заслонок принимается меньшей в 3 — 4 раза. По конструкции опор вала пово­ротные заслонки подразделяются на двухопорные и четырехопорные. Двухопорные заслонки применяют для легких условий ра­боты, четырехопорные — для тяжелых (при больших перепадах давлений, повышенной температуре, агрессивных средах и др.). Для поворотной заслонки минимальный перепад определяется прочностью оси и диска. При этом наибольшая нагрузка, действующая на диск при закрытом проходе, равна произве­дению перепада на площадь диска.

В положении промежуточного открытия диск заслонки разделяет поток на две не­равные части, в результате этого расход среды и скорости потоков через верхнюю и нижнюю щели будут неодинаковы. При этом вследствие разного статического давле­ния среды перед диском (вверху и внизу) на него действует реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть его таким образом, чтобы закрыть проход.

Таблица. Негерметичность затвора безупорной поворотной заслонки

Для определения вращающего момента можно воспользоваться следующей форму­лой:

где — коэффициент, зависящий от угла по­ворота диска (см. рисунок); — перепад да­вления на диске; D — диаметр диска.

Перестановочный момент, который дол­жен создавать ИМ для вращения затвора, определяется реактивным вращающим мо­ментом и моментом сил трения в подшипни­ках. При открытии прохода эти моменты складываются, а при закрытии вычитаются. Ввиду того, что момент сил трения трудно учитывать, обычно значение перестановочно­го момента выбирают в 2 раза больше реак­тивного вращающего момента.

Многолопастные заслонки (жалюзи) при одинаковых размерах с однолопастными имеют существенно меньший реактивный вращающий момент. Однако в связи с более сложной конструкцией и очень большим пропуском в положении «Закрыто» многоло­пастные заслонки применяют относительно редко.

В обычных поворотных заслонках, когда диаметр затвора и седла примерно равны диаметру условного прохода, 100%-ная про­пускная способность достигается при пово­роте затвора на 60°. В тех случаях, когда не­обходимо, чтобы при том же диаметре ус­ловного прохода корпуса пропускная способ­ность заслонки при повороте затвора на 60° была меньшей, в корпус вставляют кольце­вую вставку (производится сужение прохода) и затвор выбирают меньшего диаметра. Та­ким образом, поворотные заслонки при одном и том же проходе могут иметь полную условную пропускную способность и уменьшенную.

Регулирующие клапаны

Регулирующие клапаны являются на­иболее распространенным видом дрос­сельных РО. Их применяют для регулирова­ния расходов жидкостей, пара и газов при любых параметрах среды. Регулирующие клапаны различают по виду и числу опорных поверхностей, по конструкции плун­жеров и корпусов.

В двухседельных РО (см. рисунок) корпус 1 имеет два седла 2 и 3, а затвор 4, проходя­щий через эти седла, имеет два утолщения с дросселирующими и запирающими поверх­ностями. Перемещение затвора относитель­но седел изменяет площадь прохода. Ос­новным преимуществом двухседельного ре­гулирующего клапана является в значитель­ной мере разгруженность затвора от одно­стороннего действия силы, создаваемой ста­тическим давлением среды. Некоторая неуравновешенность усилий объясняется тем, что по условиям сборки диаметр прохода верхнего седла D_c1 делают больше диаметра нижнего седла D_c2. Кроме того, в двухсе­дельных регулирующих клапанах имеется возможность изготовления дросселирующих поверхностей различной конфигурации для получения нужной конструктивной и со­ответственно пропускной характеристик.

Двухседельные регулирующие клапаны изготовляются нормального («Воздух закры­вает», см. рисунок, а) и обратного («Воздух от­крывает», см. рисунок, 6) исполнения.

Недостатком двухседельного регули­рующего клапана является относительно большое значение допустимой негерметично­сти затвора. Кроме того, при больших пере­падах давления и обычных конфигурациях дросселирующих поверхностей движение среды создает большие усилия на клапан из-за динамической неуравновешенности затво­ров.

По конструкции затворы двухседельных регулирующих клапанов разделяются на та­рельчатые, пробковые и поршневые.

В тарельчатых затворах (см. рисунок, а) за­пирающая и дросселирующая поверхности имеют плоскую (см. рисунок, 6) или коническую (см. рисунок, в) форму. Тарельчатые клапаны с плоской опорной поверхностью как РО применяют редко. Это объясняется тем, что при малых открытиях клапана вследствие больших скоростей среды в щели кромки тарелки быстро изнашиваются и характеристи­ка клапана сильно ухудшается. Чаще их при­меняют как запорные органы или при двухпозиционном регулировании.

Двухседельный пробковый РО нормального (а)

и повернутого (б) исполнений

Тарель­чатые затворы с конической опорной поверх­ностью применяют при регулировании боль­ших расходов, однако они имеют те же недостатки, что и клапаны с плоской опор­ной поверхностью, и поэтому широкого рас­пространения не получили. Конструктивные характеристики тарельчатых клапанов неза­висимо от формы опорных поверхностей с достаточной для практики точностью мож­но считать линейными (см. рисунок).

В пробковых затворах (см. рисунок) дрос­селирующая поверхность представляет собой поверхность вращения параболы — парабо­лоид. Запирающая поверхность выполнена в виде конических кромок. Пробковые за­творы рекомендуется применять для тя­желых условий эксплуатации при регулиро­вании расхода вязких жидкостей, коксую­щейся среды и среды, выделяющей кри­сталлы. Конструктивные характеристики клапанов с пробковым затвором могут быть любыми в зависимости от профиля дроссе­лирующей поверхности. Подъем пробковых затворов обычно составляет 0,5 — 0,6 диаме­тра прохода D_c в седле.

Тарельчатый затвор двухседельного регулирующего клапана

К недостаткам пробковых затворов сле­дует отнести быстрый износ дросселирующих поверхностей в положении, близком к закрытому. Однако благодаря возможно­сти наплавки дросселирующих поверхностей твердыми сплавами и надежности работы в загрязненных средах регулирующие кла­паны с пробковым затвором приняты как базовая конструкция в двухседельных регу­лирующих органах Государственной си­стемы приборов (ГСП).

Конструктивные характеристикитарельчатых клапанов:

/ — линейная; 2 — близкая к линейной

В поршневых затворах дросселирующие поверхности могут быть в виде шлицев (рисунок, а) или резьбовых отверстий (рисунок, 6). В поршневых затворах с дроссельными по­верхностями в виде шлицев площадь прохо­да между затвором и седлом является сум­марной площадью отдельных шлицев. Обы­чно шлицы делают разной высоты с таким расчетом, чтобы они последовательно всту­пали в работу. При этом можно каждый шлиц делать больших размеров и с меньшей точностью, чем шлицы одинаковой высоты. Такая конструкция затвора позволяет избе­жать быстрого износа дроссельных поверх­ностей в положении, близком к закрытому. Поршневые затворы со шлицевой дроссели­рующей поверхностью применяют для регу­лирования невязких и некристаллизирую­щихся жидкостей.

Регулирующие клапаны с поршневым затвором могут иметь любые конструк­тивные и пропускные характеристики; кроме того, эти характеристики могут быть легко изменены путем изменения профиля шлицев. Клапаны с поршневым затвором работают лучше, чем клапаны с пробковым затвором, в условиях кавитации. В клапанах, предназ­наченных для работы в условиях кавитации, поршневые затворы имеют большое число резьбовых отверстий на боковой поверхно­сти. Число и размеры резьбовых отверстий подбирают таким образом, чтобы по мере подъема затвора увеличивалась и суммарная площадь.

Следует отметить, что двухседельные РО системы исполнительных устройств ГСП имеют ряд важных преимуществ по сравне­нию с другими конструкциями. Основные из них следующие:

1 система исполнительных устройств предусматривает возможность замены в РО затворов и седел без дополнительной меха­нической обработки, с небольшой взаимной притиркой на месте;

2 на затворе ширина запорной поверх­ности принята достаточно большой в зави­симости от размера условного прохода, что позволяет уменьшить износ запорных по­верхностей;

3 двухседельный затвор разгружен от динамического воздействия среды;

4 допустимый перепад давления в двухседельных клапанах системы исполнительных устройств выше, чем в клапанах по ГОСТ 18893-83.

В таблице приведены сравнительные данные по допустимому перепаду давления. Перестановочное усилие, необходимое для перестановки двухседельного клапана, слагается из силы неуравновешенности ста­тического давления среды на затвор, силы давления на шток и силы трения штока о сальниковую набивку. Сила статической не­уравновешенности затвора р₃ определяется как произведение разности площадей верхне­го и нижнего седел корпусов на макси­мальный перепад давления до и после клапана:

Поршневые затворы:

а — шлицевой; б — резьбовой

Значение может быть ориентировочно определено по таблице.

Сила давления среды на шток опреде­ляется как произведение площади сечения штока в месте, где он проходит через саль­ник, на максимальное выходное давление за клапаном Р_кл:

Диаметр штока d_ш (см. рисунок, 6) может быть определен из таблицы.

Кроме того, на затвор действует сила, создаваемая динамическим воздействием протекающей среды, которая может дости­гать большого значения. Так как силу трения штока в сальнике и силу, создаваемую дина­мическим воздействием среды, трудно учитывать, то значение перестановочного усилия, определяемое суммой сил статиче­ской неуравновешенности и давления на шток, выбирают с некоторым запасом.

Односедельные регулирующие органы, так же как и двухседельные, по конструкции мо­гут быть с тарельчатым, пробковым и порш­невым затворами. Кроме того, к односедельным РО относятся клапаны с канавчатыми и ступенчатыми затворами (см. рисунок),

Односедельные РО могут быть про­ходными и угловыми. В проходных органах направление потока среды при входе и выхо­де не изменяется, а в угловых изменяется при выходе на 90° по отношению к направлению на входе. Односедельные РО приме­няют в тех случаях, когда невозможно при­менение разгруженных двухседельных РО. Важным преимуществом односедельных РО является то, что они могут обеспечить гер­метичность закрытия прохода. Кроме того, Односедельные клапаны применяют при малых размерах проходов (до 15 мм), когда изготовление двухседельных клапанов связано с большими трудностями, а также при больших проходах, если среда обладает большой вязкостью или содержит твердые частицы.

При регулировании сред с большим перепадом давления на клапане ( > 1,5 МПа) или когда объем регулируемой среды при выходе из щели между затвором и сед­лом резко увеличивается, а также при регулировании вязких сред и сред, содержащих твердые частицы, рекомендуется применять угловые односедельные клапаны, так как в угловых клапанах меньше мертвых про­странств для оседания и кристаллизации твердых частиц.

Допустимые перепады давлений в двухседельных регулирующих клапанах

Зависимость разности площадей проходов верхнего и нижнего седел и диаметра штока d_ш от условного прохода D_y

Тарельчатые затворы (см. рисунок, а) применяются с плоскими и коническими дросселирующими поверхностями. При пло­ских дросселирующих поверхностях высота подъема затвора составляет 0,3 — 0,4 , где D_c — диаметр седла. При этом линейность конструктивной характеристики обеспечи­вается при подъеме затвора до 0,25 D_c. При конических дросселирующих поверхностях проходным сечением клапана является щель между коническими кромкой тарелки и опорной поверхностью седла. Клапаны этого типа изготовляют чаще с углом конус­ности = 90° и реже — с углом 120°. В односедельных РО с небольшими условными проходами (игольчатых) дросселирующие и запирающие поверхности затвора имеют форму конуса.

Конструктивную характеристику тарель­чатого клапана с коническими дросселирую­щими поверхностями с достаточной для практики точностью можно считать линей­ной.

Односедельные РО с пробковым затво­ром (см. рисунок, 6) имеют такие же кон­структивные характеристики, как и двухседельные.

Односедельные РО с поршневым затво­ром (см. рисунок, в) имеют в зависимо­сти от профиля вырезов различные кон­структивные характеристики.

Регулирующие органы с канавчатым за­твором (см. рис.унок, г) применяют при регу­лировании небольших расходов, а со ступен­чатым (см. рисунок, д) —при регулировании расхода влажного газа. При дросселирова­нии влажного газа при помощи обычных РО понижается температура газа, влага может замерзать и препятствовать перемещению затвора.

Ступенчатые затворы уменьшают неже­лательное понижение температуры газа при дросселировании.

Перестановочное усилие, необходимое для перемещения затвора в односедельном РО, слагается из сил давления среды на шток, трения штока о сальниковую набивку и силы, создаваемой статической неразгруженностью затвора. Для односедельных РО, в которых среда прижимает затвор к седлу, ИМ должен подбираться с достаточным за­пасом перестановочного усилия, чтобы при работе на узкой щели затвор не затягивался в проход седла.