Моторний клапан з поворотною пробкою

1. Моторний клапан з поворотною пробкою, що має: (а) корпус з щонайменше одним вхідним і щонайменше одним вихідним патрубками для підключення до трубопровідної системи; (б) вісесиметричне сідло, жорстко закріплене усередині корпусу; (в) поворотну пробку, яка посаджена у вказане сідло і має шток для підключення до приводу обертання; і (г) згаданий привід обертання на основі п'єзоелектричного двигуна, який має: кільцевий п'єзоелектричний генератор радіально направлених стоячих акустичних хвиль, який жорстко зв'язаний з корпусом клапана і оснащений засобами для підключення до імпульсного джерела струму і до системи керування, пружне кільце, яке акустично щільно зв'язане з вказаним п'єзоелектричним генератором і оснащене щонайменше одним пружним храповим штовхачем, і ротор, який розташований з рівномірним зазором відносно вказаного п'єзоелектричного генератора, введений у фрикційний контакт з вказаним щонайменше одним пружним храповим штовхачем і кінематично зв'язаний з штоком поворотної пробки. 2. Клапан за п. 1, який відрізняється тим, що вказане пружне кільце оснащено щонайменше двома пружними храповими штовхачами, які прикріплені 2 (19) 1 3 84563 Винахід відноситься до конструкції швидкодіючих моторних клапанів з вісесиметричними сідлами і поворотними (циліндровими, конічними, а переважно кульовими) пробками. Такі клапани призначені для точного регулювання потоків довільних плинних середовищ на основі рідин і/або газів і замикання-відмикання вакуумних магістралей. Нині загальновідомі клапани з поворотними пробками і ручними приводами повороту пробок. Такі клапани широко використовують в побутови х, лабораторних і промислових розподільних сітях газо- або водопостачання для замиканнявідмикання відповідних трубопроводів і регулювання витрати газів і рідин у випадках, коли поворот пробки посильний для людини, а швидкодія клапана і кутова точність позиціонування пробки в сідлі не є критичними параметрами. Проте в енергетиці (особливо на теплових і атомних електростанціях), в хімічній і навіть харчовій промисловості, не кажучи вже про нафто- і газопроводи, гостро відчувається потреба в таких надійних і швидкодійних клапанах, у яких пусковий крутильний момент істотно перевершує можливості людини і які повинні забезпечувати точність позиціонування пробок щодо сідел (і геометричних осей вхідних і вихідних патр убків) на рівні декількох кутових секунд. Існує також потреба у високоточних мікроклапанах, у яких момент, необхідний для подолання залипання пробки щодо сідла, набагато менше пускового крутильного моменту, який здатна розвинути людина. Такими клапанами оснащують, наприклад, трубопровідне обв'язування лабораторних приладів типу хроматографів, об'ємні дозатори рідких лікарських форм у фармацевтичній промисловості і т.п. Тому в промисловому устаткуванні і в пристроях для наукових досліджень широко застосовують моторні клапани з поворотними пробками [див., наприклад: 1. сайт http://www.samson.de фірми «SAMSON», Germany, моделі: Туре 32414,Туре V2001-E1, Type V2001-E-3, Туре 3222/5825, Туре 3213/5825, Туре 3260/3374, Туре 3241-4; 2. сайт www.joventa.at фірми «Joventa», Austria, model DAN1.SN]. Відомі з вказаних джерел клапани оснащені «класичними електродвигунами» постійного або змінного струму. Тому між вихідними валами таких двигунів і штоками поворотних пробок клапанів доводиться включати багатоступінчасті редуктори для доведення швидкості обертання до декількох обертів в хвилину і пускових крутильних моментів до рівня, достатнього для подолання залипання пробки щодо сідла (яке особливо характерне для кульових клапанів навіть в тих випадках, коли вони вбудовані в низьконапірні трубопроводи). Мало того, гальмування блоку «класичний електродвигун - багатоступінчастий редуктор» з фіксацією вихідного валу редуктора і зчепленої з ним поворотної пробки клапана саме по собі є досить складною технічною задачею. Відповідно, для переведення поворотних пробок клапанів з вказаними електродвигунами з положення «відкрито» в положення «закрито» (або 4 навпаки) нерідко потрібен час від декількох десятків секунд до декількох хвилин. Це допустимо, якщо моторний клапан з поворотною пробкою встановлений на магістральному нафтоабо газопроводі, але абсолютно неприйнятно, коли клапан повинен забезпечити відсікання подачі сировини, наприклад етилену, у вибухонебезпечний апарат синтезу поліетилену при високому (близько 250Мпа) тиску. Далі, блок «класичний електродвигун - багатоступінчастий редуктор» навіть при помітній фрикційній взаємодії між кінематичними ланками редуктора сам по собі не може забезпечити точність кутового позиціонування пробок менше 3°. Тому клапанні пристрої звичайно оснащені складними і дорогими засобами керування [див., наприклад, сайт https://pia.khe.siemens.com/index.asp?Nr=1239 фірми SIEMENS», Germany, де на прикладі виробу SIPART PS2 описаний «розумний привід» позиціонування поворотно-поступально переміщуваних золотників або поворотних пробок, що поанглійськи позначено як «an intelligent positioner for linear and rotary valves, double and single-acting actuators»]. Моторний клапан з поворотною пробкою, найближчий до пропонованого далі клапана по технічній суті, рекламує корейська фірма Daehan Control Tech Co., LTD [http://www.daehancontec.corn/powerv2/products/pro ducts1.htm]. Відомий клапан, який призначений служити як відсікач на трубопроводах високого тиску, належить до SMART VAL VE POSITIONER SSL & SSR Series. Він має: корпус з щонайменше одним вхідним і щонайменше одним вихідним патрубками для підключення до трубопровідної системи, вісесиметричне сідло, жорстко закріплене усередині корпусу, поворотну пробку, яка посаджена у вказане сідло і оснащена штоком для підключення до вихідного валу приводу обертання, і привід обертання вказаної пробки на основі пневмодвигуна, оснащений засобами для підключення до системи керування. Вихідний вал ротора пневмодвигуна кінематичне пов'язаний з пробкою клапана через громіздкий багатоступінчастий редуктор, оскільки крутильний момент, що розвивається пневмодвигунами, можна регулювати зміною тиску свіжого робочого тіла тільки у вузьких межах. Тр убопровід для живлення пневмодвигуна стислим повітрям оснащений п'єзоелектричним клапаном-відсікачем. Система керування моторним клапаном оснащена датчиком кутового положення пробки щодо сідла. Таким чином, включення громіздкої багатоступінчастої механічної трансмісії між вихідним валом пневмодвигуна і штоком пробки: по-перше, істотно збільшує масу і габаритні розміри моторного клапана в цілому по-друге, подовжує час спрацьовування (який звичайно перевищує 10с), і по-третє, через неминучі люфти не дозволяє позиціонувати поворотну пробку щодо сідла з кутовою точністю менше 1°. 5 84563 В основу винаходу поставлена задача шляхом заміни двигуна і скорочення кінематичного ланцюга між ротором двигуна і штоком пробки створити такий моторний клапан з поворотною пробкою, який мав би (порівняно з відомим рівнем техніки) істотно менші габаритні розміри і масу і підвищував би швидкодію і точність кутового позиціонування пробки щодо сідла. Поставлена задача вирішена тим, що моторний клапан з поворотною пробкою згідно з винаходом має: (а) корпус з щонайменше одним вхідним і щонайменше одним вихідним патрубками для підключення до трубопровідної системи; (б) вісесиметричне сідло, жорстко закріплене усередині корпусу; (в) поворотну пробку, яка посаджена у вказане сідло і має шток для підключення до приводу обертання; і (г) згаданий привід обертання на основі п'єзоелектричного двигуна, який має: кільцевий п'єзоелектричний генератор радіально направлених стоячих акустични х хвиль, який жорстко пов'язаний з корпусом клапана і оснащений засобами для підключення до імпульсного джерела струму і до системи керування пружне кільце, яке акустично щільно пов'язане з вказаним п'єзоелектричним генератором і оснащене щонайменше одним пружним храповим штовхачем, і ротор, який розташований з рівномірним зазором відносно вказаного п'єзоелектричного генератора, введений у фрикційний контакт з вказаним щонайменше одним пружним храповим штовхачем і кінематичне пов'язаний з штоком поворотної пробки. Вихідну потужність, частоту спрацьовування і «старт-стопний або квазібезперервний режим» роботи вказаного п'єзоелектричного генератора можна легко регулювати в широких межах за допомогою добре відомих фа хівцям регульованих джерел імпульсного струму. Відповідно вдається забезпечувати високі (до 100N*m) крутильні моменти, які в переважній більшості випадків достатні для подолання залипання поворотної пробки щодо сідла. Далі, висока (звичайно до 1МГц) частота механічних коливань у вигляді радіально направлених стоячих акустичних хвиль забезпечує швидкодію клапана при переході між положеннями «відкрито» і «закрито» не більше 0,5с і можливість позиціонування поворотної пробки щодо сідла на рівні декількох кутови х секунд. При цьому пружні храпові штовхачі ефективно забезпечують не тільки передачу крутильного моменту від вказаного пружного кільця, яке радіально пульсує в такт з механічними коливаннями п'єзоелектричного генератора, але і ефективно стопорять поворотну пробку в заданому положенні при кожному перериванні роботи імпульсного джерела струму. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що вказане пружне кільце оснащено щонайменше двома пружними храповими штовхачами, які прикріплені на практично рівних кутови х відстанях один від одного. Це зменшує вірогідність прослизання вказаного кільцевого ротора щодо штовха 6 нів при кожному черговому запуску п'єзоелектричного генератора і полегшує стопоріння ротора і поворотної пробки при кожному черговому виключенні імпульсного джерела струму. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що вказане пружне кільце має форму кільцевої оболонки і акустично щільно охоплює вказаний п'єзоелектричний генератор по його бічній поверхні, а вказаний щонайменше один пружний храповий штовхач прикріплений до стінки вказаної кільцевої оболонки. В такій конструкції кожний пружний храповий штовхач буде практично рівномірний навантажений як при передачі крутильного моменту на ротор, так і при його стопорінні. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що вказаний ротор жорстко пов'язаний з штоком поворотної пробки. Такий кінематичний зв'язок в більшості випадків достатній для ефективної роботи запропонованого клапана. Четверта додаткова відмінність полягає в тому, що вказаний ротор оснащений щонайменше одним маркером кутового положення, а на вказаному корпусі клапана встановлений щонайменше один сенсор. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, що кожний вказаний маркер виконаний у вигляді постійного магніту і кожний вказаний сенсор виконаний у вигляді магнітоелектричного перетворювача. Шоста додаткова відмінність полягає в тому, що моторний клапан оснащений системою керування, яка містить: задатчик тактової частоти; імпульсний підсилювач-переривник, який підключений: до відповідного джерела електроживлення, до керувального виходу задатчика тактової частоти і до електричного входу кільцевого п'єзоелектричного генератора радіально направлених стоячих акустичних хвиль; та формувач режимів роботи приводу клапана, який підключений до додаткових керувальних входів вказаного імпульсного підсилювачапереривника і ланцюгом зворотного зв'язку до виходу кожного сенсора і забезпечує режим «стартстоп» для відкриття і закриття клапана, або псевдобезперервний режим «крок за кроком для» точного регулювання витрати плинного середовища, що протікає через клапан. Далі суть винаходу пояснюється докладним описом конструкції і роботи моторного клапана з посиланнями на додані креслення, де зображені на: Фіг.1 - аксонометрична проекція запропонованого клапана з п'єзоелектричним двигуном (поворотна пробка в положенні «відкрито», додатково показані елементи системи керування клапаном); Фіг.2 - те ж, що на Фіг.1 в зменшеному масштабі (поворотна пробка в положенні «закрито»). Запропонований клапан має (див. Фіг.1 і 2): порожнистий проточний корпус 1 з вхідним 2 і вихідним 3 патрубками для підключення до трубопроводу і вісесиметричним (зокрема, циліндровим, конічним, або, як показано на кресленнях, сферичним) сідлом 4, яке жорстко закріплене усередині 7 84563 корпусу 1 (зокрема, виконано за одне ціле з ним); поворотну (зокрема, циліндрову, конічну, або, як показано на кресленнях, сферичну) пробку 5, яка посаджена в сідло 4 і має у верхній частині (зокрема, ступінчастий) шток 6; привід обертання пробки 5 на основі п'єзоелектричного двигуна 7. Цей двигун 7 має кільцевий п'єзоелектричний генератор 8 радіально направлених стоячих акустични х хвиль, який жорстко пов'язаний з корпусом 1 клапана і оснащений засобами для підключення до позначеного далі імпульсного джерела струму і до системи керування, що також описана далі, пружне кільце 9, яке акустично щільно пов'язане з вказаним п'єзоелектричним генератором 8 і оснащене щонайменше одним пружним храповим штовхачем 10 (а переважно щонайменше двома такими штовхачами 10, які прикріплені до кільця 9 на практично рівних кутових відстанях один від одного), і ротор 11, розташований з рівномірним зазором відносно вказаного п'єзоелектричного генератора 8, введений у фрикційний контакт з вказаним щонайменше одним пружним храповим штовхачем 10 і кінематичне пов'язаний з штоком 6 поворотної пробки 5. Цей ротор 11 звичайно має форму циліндрової оболонки з кришкою, яка має центральний отвір для вільного розміщення хвостовика штока 6 і розташована з рівномірним зазором над верхнім торцем кільцевого п'єзоелектричного генератора 8. Вказане пружне кільце 9 може мати форму кільцевої оболонки, яка акустично щільно охоплює п'єзоелектричний генератор 8 по його бічній поверхні, як це показано на кресленнях. В такій конструкції кожний пружний храповий штовхач 10 прикріплений одним кінцем до бічної стінки кільця 9, а іншим кінцем введений у фрикційний контакт з ротором 11 з внутрішньої сторони тієї його частини, яка має форму циліндрової оболонки. Фахівцям зрозуміло, що пружне кільце 9 може мати форму диска з центральним отвором, який акустично щільно приєднаний до верхнього торця п'єзоелектричного генератора 8, хоча цей варіант втілення винаходу й не показаний особливо на кресленнях. Також зрозуміло, що в цьому випадку кожний пружний храповий штовхач 10 повинен бути прикріплений одним кінцем до верхнього торця дископодібного кільця 9, а іншим кінцем введений у фрикційний контакт з ротором 11 з внутрішньої сторони його кришки. В найпростіших випадках ротор 11 жорстко пов'язаний з штоком 6 поворотної пробки 5. Проте в деяких випадках для кінематичного зв'язку ротора 11 з штоком 6 можуть бути використані придатні муфти і/або одноступінчаті знижувальні або підвищувальні передачі обертання. Ротор 11, як правило, має щонайменше один маркер 12 кутового положення. Відповідно, на корпусі 1 клапана звичайно встановлений щонайменше один сенсор 13. Зручно, коли кожний такий маркер 12 виконаний у вигляді постійного (мікро)магніту, а кожний сенсор 13 є магнітоелектричним перетворювачем, включеним в систему керу 8 вання клапаном згідно з винаходом. Бажано, щоб така система керування (див. Фіг.1) мала: переважно програмований задатчик 14 тактової частоти (яку звичайно вибирають в інтервалі від 100КГц до 1,0Мгц) імпульсний підсилювач-переривник 15, який підключений: до не показаного на кресленнях придатного джерела електроживлення, до керувального виходу задатчика 14, який задає тактову частоту, і до електричного входу (тобто до не показаних тут обкладок) кільцевого п'єзоелектричного генератора 8 радіально направлених стоячих акустичних хвиль; формувач 16 режимів роботи приводу клапана, у тому числі: режиму «старт-стоп» для відкриття і закриття клапана, або псевдобезперервного режиму «крок за кроком для» точного регулювання витрати плинного середовища, що протікає через клапан. Цей формувач 16 підключений, як правило, до додаткових керувальних входів імпульсного підсилювача-переривника 15 і ланцюгом зворотного зв'язку до ви ходу кожного сенсора 13. Додатково слід зазначити: по-перше, можливість виготовлення запропонованого клапана з декількома вхідними 2 і/або вихідними 3 патрубками; по-друге, можливість виготовлення корпусу 1 з патрубками 2 і 3 і сідлом 4 і пробки 5 з широкого асортименту придатних металевих і/або керамічних і/або полімерних матеріалів, які відомим для фа хівців чином можуть бути вибрані з урахуванням температури і/або хімічної агресивності і/або абразивних властивостей плинних середовищ; по-третє, можливість виготовлення сідла 4 і/або поворотної пробки 5 з антифрикційними (постійними або змінними) покриттями; і по-четверте, можливість довільного комбінування вказаних вище додаткових відмінностей з основним винаходом. Описаний моторний клапан працює таким чином. Спочатку включають задатчик 14 (або настроюють програмований задатчик 14 на бажану тактову частоту або на набір таких частот) і задають бажаний режим роботи приводу клапана формувачем 16. Далі підключають імпульсний підсилювачпереривник 15 до не показаного на кресленнях придатного джерела електроживлення. Кільцевий п'єзоелектричний генератор 8 під дією силових імпульсів, що надходять з виходу імпульсного підсилювача-переривника 15, генерує радіально направлені стоячі акустичні хвилі. Ці хвилі деформують пружне кільце 9. Воно прагне зігнути кожний підключений до нього пружний храповий штовхач 10 і, тим самим, змушує його передавати механічний імпульс на ротор 11, який повертає пробку 5 клапана щодо сідла 4. Декілька (звичайно два-три) послідовних силових імпульсів забезпечують поворот пробки 5 щодо сідла 4 приблизно на 1" (одну кутову секун 9 ду). В проміжках між силовими імпульсами кожний пружний храповий штовхач 10 стопорить ротор 11 і, відповідно, пробку 5 щодо сідла 4. Межа точності позиціонування пробки 5 також приблизно дорівнює 1" (одній кутовій секунді). Сенсори 13, нерухомі щодо корпусу 1, фіксують положення маркерів 12, що обертаються разом з ротором 11. Дані про поточне (фактичне) кутове положення поворотної пробки 5 щодо сідла 4 враховує формувач 16 режимів роботи приводу клапана. Промислова придатність Експерименти на моторному клапані згідно з Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 84563 10 винаходом з прохідним діаметром 1/4" дюйма дали наступні результати: час відкриття (закриття), с