Предлагаемое техническое решение обладает новизной в рамках патента на изобретение RU2492383 и PCT/RU2013/000024.

Весомым аргументом в пользу проведения разработки новой конструкции затвора, с целью улучшения технико-эксплуатационных характеристик, послужило известное преимущество затвора в сравнении с другими типами трубопроводной арматуры, где при одинаковых условных диаметрах DN, условных давлениях PN и прочих равных данных, затвор имеет меньшие габаритные размеры и вес, что выгодно отражается на себестоимости.

Рассматривая существующие конструкции затворов, можно отметить два существенных положительных достижения. Первое, полученное от природы, и второе, достигнутое в результате конструкторской проработки. 

От природы был получен эффект «разгрузки», который присутствует в исполнениях, когда ось вращения проходит строго по оси симметрии диска, так, что при любом положении диска при повороте, распределение сил по поверхности диска под действием потока не нарушает равновесия относительно оси вращения. 

Если бы задача затвора заключалась только в регулировании потока, то такую конструкцию можно было бы назвать идеальной. Однако к затворам, как и к любой другой трубопроводной арматуре, также предъявляются требования по перекрытию потока с обеспечением требуемого класса герметичности. 

Вот здесь и возникают сложности, поскольку при данном конструктивном исполнении герметичность обеспечивается деформацией седельных поверхностей. Это значит, что при открытии и перекрытии потока возникает взаимное перемещение седельных поверхностей по плоскости соприкосновения, причем под усилием, которое определяется величиной деформации и характеристиками материала седел. 

Таким образом, в процессе эксплуатации затвора со временем из-за трения происходит износ седельных поверхностей, что приводит к ухудшению герметичности. Причем обеспечение герметичности затвора и всей комплексной системы очистки за счет деформации седел также приводит к увеличению крутящего момента управления  затвором, и он тем больше, чем выше перепад давления.

Второе преимущество получено в результате конструкторско-исследовательских работ, которое обеспечивает герметичность затвора, при минимальных углах трения и следствием этого при меньших деформациях седел, при открытии и перекрытии потока. 

Такие конструкции затворов получили известность, как затворы с 3-х и 4-х эксцентриситетом. Однако полученное преимущество, реализованное на эффекте «эксцентриситета», пошло в ущерб эффекту «разгрузки». 

Таким образом, вследствие того, что  ось вращения проходит на расстоянии от диска, параллельно плоскости диска, создавая эксцентриситет, то при повороте диска требуется дополнительный крутящий момент, идущий на преодоление сил возникающих вследствие изменения центра тяжести и консоли плеч диска под действием потока, относительно оси вращения. Однако в целом жизнедеятельность затворов с 3-х и 4-х эксцентриситетом по технико-эксплуатационным характеристикам выше, чем у затворов других конструкций.

На основании анализа существующих конструктивных исполнений была поставлена задача достижения полного исключения трения седельных поверхностей из-за взаимного перемещения плоскостей соприкосновения в процессе открытия и перекрытия потока, при этом сохраняя эффект «разгрузки», когда ось вращения проходит строго по оси симметрии диска, где при любом положении диска при повороте, распределение сил по поверхности диска под действием потока не нарушает равновесия относительно оси вращения.

Рассмотрим новую конструкцию затвора, в котором минимизирован крутящий момент из-за сил трения, возникающих в уплотнительных поверхностях седел, и из-за изменения центра масс и неравномерного распределения консоли плеч относительно оси вращения на всем диапазоне поворота диска. 

Предлагаемый затвор, включающий корпус, в котором выполнена седельная посадочная поверхность, формирующая проходное отверстие затвора, поворотный диск, имеющий ось вращения, расположенную под углом к плоскости диска, и проходящую через центр масс и геометрический центр плоскости диска таким образом, что при повороте на открытие из закрытого положения затвора, происходит  одновременный отрыв каждой точки, расположенной на периферии диска, от непрерывного контура седельной посадочной поверхности, а при закрытии происходит одновременное прижатие всех точек расположенной на периферии диска к непрерывному контуру седельной посадочной поверхности.  

В результате того, что конструктивно исключено взаимное перемещение седельных поверхностей по плоскости соприкосновения, минимизирован крутящий момент из-за сил трения, возникающих в уплотнительных поверхностях.

 Также необходимо отметить то, что из-за нового расположения оси вращения, а именно под углом к плоскости диска и строго по оси симметрии диска таким образом, что при любом положении диска при повороте, распределение сил по поверхности диска под действием потока не нарушает равновесия относительно оси вращения, получается, что на всем диапазоне поворота диска минимизируется изменение центра масс и неравномерное распределение консолей плеч относительно оси вращения. 

При такой конструкции достигается возможность управления  затвором оптимальным крутящим моментом, который становится достаточно существенным при больших диаметрах затворов и давлениях среды.  В частном случае диск и проходное отверстие затвора могут иметь форму, полученную пересечением эллиптического цилиндра параллельными плоскостями. 

Новая конструкция затвора одновременно сочетает минимальный крутящий момент с возможностью обеспечения максимальной степени герметичности при широком диапазоне температур.

Конструкция затвора поясняется чертежом, где на фиг. 1 условно показаны три проекции затвора в закрытом состоянии, где диск и проходное отверстие затвора в частном случае имеют форму, полученную пересечением эллиптического цилиндра параллельными плоскостями;  на фиг. 2 условно показано поперечное сечение затвора в открытом положении.

Затвор содержит корпус 1, поворотный диск 2, уплотнительную посадочную седельную поверхность 3, ось вращения 4, ось потока 5. Затвор работает следующим образом. Поворотный диск 2, расположенный в корпусе 1, в процессе работы при повороте вокруг оси вращения 4, без трения открывает или закрывает проходное отверстие затвора, формируемое уплотнительной посадочной поверхностью 3, принимая любое промежуточное состояние в указанном диапазоне с изменением положения своей плоскости относительно оси потока 5, но при этом сохраняя положение центра масс и равномерное распределение консолей плеч относительно оси вращения 4.

Работоспособность новой конструкции подтвердили проработки в трехмерных программах с построением модели в 3D, результаты математической экспертизы с проверкой в программе Wolfram Mathematica, был изготовлен макет.

Существенные преимущества предлагаемых затворов в сравнении с существующими затворами позволяют достичь более высоких показателей, например: 

1)комплектация приводами меньшей мощности и соответственно стоимости, поскольку не требуют дополнительного крутящего момента из-за трения и при этом обладают эффектом «разгрузки»;  

2)применение для агрессивных, грязных сред и сред с высоким % содержанием  механических частиц, поскольку герметичность в седлах обеспечивается без трения, что позволяет изготовление дроссельного узла из твердотельных материалов; 

 

3)применение при низких и высоких температурах, поскольку при изготовлении затвора нет ограничений в выборе материала; 

 

4)больший срок безремонтной службы, поскольку отсутствует износ в седлах;

5)высокая надежность при эксплуатации, поскольку отсутствует износ в седлах,  и при изготовлении затвора нет ограничений в выборе материала.

Москва, ноябрь 2013 года