Классификация исполнительных устройств

Исполнительные устройства в основном классифицируют в зависимости от условной пропускной способности. По этому признаку их делят на четыре группы:

а) исполнительные устройства больших расходов - регулирующие за­слонки с условной пропускной способностью от 40 до 25 000 м³/ч (условные проходы от 50 до 1000 мм);

б) исполнительные устройства средних расходов - регулирующие клапа­ны с условной пропускной способностью от 2 до 5000 м³/ч (условные прохо­ды от 10 до 300 мм);

в) исполнительные устройства малых расходов - регулирующие клапаны с условной пропускной способностью от 0,1 до 4,0 м³/ч (условные проходы от 6 до 25 мм);

г) исполнительные устройства микрорасходов - регулирующие клапаны с условной пропускной способностью 0,1 м³/ч и менее и условным проходом 10 мм и менее.

Исполнительные устройства средних расходов - регулирующие клапаны: двухседельные; односедельные; трехходовые; шланговые; диафрагмовые; ша­ровые; клеточные.

В зависимости от вида управляющей энергии исполнительные устройства делят на пневматические, гидравлические и электрические. При этом один и тот же регулирующий орган можно комплектовать как пневматическим, так и электрическим исполнительным механизмом (приводом). В условиях пожаро- и взрывоопасных производств наиболее широко применяют исполнительные устройства с пневматическими приводами (пневматические исполнитель­ные устройства).

По принципу действия исполнительные устройства делятся на регулирующие и запорно-регулирующие.

В зависимости от вида пропускной характеристики исполнительные устрой­ства могут быть с равнопроцентной пропускной характеристикой и с линейной пропускной характеристикой.

По величине условного давления исполнительные устройства делятся на группы:

- низких давлений - до 16 кгс/см²;

- средних давлений от 25 до 160 кгс/см²;

- высоких давлений от 200 до 1500 кгс/см².

В зависимости от допустимой температуры регулируемой среды исполнительные устройства могут быть:

- для низких температур - до -225 °С;

- для нормальных температур - до +225 °С;

- для высоких температур - до +450 °С.

В зависимости от материала основных деталей регулирующего органа исполнительные устройства применяют:

- чугунные;

- стальные (из угле­родистой стали);

- нержавеющие (из различных марок нержавеющих ста­лей);

- специальные.

В зависимости от способа уплотнения выходного штока регулирующего органа исполнительные устройства делятся на:

- сальниковые;

- бессальниковые (например, с сильфонным уплотнением штока).

В зависимости от взаимного расположения входного и выходного патруб­ков исполнительные устройства могут быть:

- проходные;

- угловые.

В зависимости от вида подсоединения к трубопроводу исполнительные устройства делятся на:

- фланцевые;

- муфтовые;

- линзовые;

- цапковые;

- приварные.

В зависимости от вида действия ИУ могут быть:

- нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановоч­ное усилие, проходное сечение полностью открывается;

- нормально закры­тые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей переста­новочное усилие, проходное сечение полностью перекрывается.

По защищенности от воздействия окружающей среды исполнительные устройства могут быть в обыкновенном и взрывозащищенном исполнениях. В обыкновенном исполнении они предназначены для работы в условиях воз­действия окружающей среды, в которой допускаются загрязняющие соедине­ния в концентрациях, ограниченных определенными нормами.

В зависимости от устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха при эксплуатации исполнительные устройства делятся на группы (табл.13.22).

Таблица 13.22

Группа исполнительного устройства	Интервал температур, 0С	Относительная влажность по всему интервалу температур, %
I II III	От -50 до +50 От -30 до +50 От -15 до +50	30-80 30-80 30-80

 

Исполнительные устройства групп I и II должны быть также устойчивы к воздействию относительной влажности до 95% при температуре 35 °С.

 

Односедельные клапаны

Односедельные регули­рующие клапаны в послед­нее время благодаря своим преимуществам начали вы­теснять двухседельные кла­паны.

Односедельные клапаны подразделяются на регули­рующие и запорно-регулирующие. Каждая из этих групп в свою очередь делит­ся на клапаны с сильфонным и сальниковым уплот­нениями штока. Кроме того, Односедельные клапаны бы­вают проходными и угло­выми.

Односедельные клапаны могут иметь линейную или равнопроцентную пропуск­ную характеристику. Как правило, односедельные ре­гулирующие клапаны при­меняют тогда, когда необхо­димо полностью перекрыть поток при закрытии клапа­на, а также при регулирова­нии потоков вязких жидко­стей и неоднородных сред (взвесей, растворов, пульп и др.). Односедельные клапа­ны применяют также при малых условных проходах трубопровода.

Односедельный клапан, предназначенный для регу­лирования потоков сред с большой вязкостью или сред, содержащих твердые частицы (рис. 13.33), состоит из регулирующего органа и мембранного пружинного ис­полнительного механизма, укомплектованного пневма­тическим позиционером. Кла­пан также может быть укомплектован боковым или верхним дублером для руч­ного управления.

Конструктивная особенность регулирующего органа - отсутствие в нем мертвых пространств, в которых возможно оседание твердых частиц.

Корпус 1 клапана представляет собой изогнутый отрезок трубы, в котором закреплено седло 2 и установлен затвор 4. Он снабжен привариваемой рас­поркой для придания жесткости изогнутому отрезку трубы. Седло 2 доступно для осмотра и ремонта, так как оно зажато между фланцем корпуса 1 и контрфланцем 3, приваренным к трубопроводу. Затвор клапана состоит из дросселирующего каплеобразного золотника 4 и цилиндрического стержня 5, жестко скрепленных на резьбе. Дроссельные поверхности затвора и седла клапана наплавлены твердым сплавом для защиты от абразивного износа.

Во избежание вибрации при больших перепадах давления цилиндрическая часть затвора перемещается в длинной направляющей втулке 6.

Через одно из резьбовых отверстий крышки 7 в полость над стержнем подводится промывочная жидкость, предотвращающая попадание твердых частиц в зазоры между стержнем 5 и втулкой 6. Второе отверстие с кониче­ской резьбой предусмотрено на случай применения лубрикатора.

Сальник клапана состоит из фторопластовых колец 9, которые поджимают­ся пружиной 8.

Для сред с температурой до 200°С клапаны выполняются с обычной крыш­кой, а для сред с температурой выше 200 °С они имеют ребристую рубашку охлаждения.

Корпус и крышку изготовляют из уг­леродистой стали, подвижные детали, со­прикасающиеся со средой, - из нержа­веющей стали.

Односедельный регулирующий клапан, предназначенный для регулирования с повышенной точностью потоков агрессив­ных жидкостей и газов (рис. 13.34), - двойной. Шток 2 клапана жестко свя­зан с затвором 1 (малого сечения) точ­ной регулировки. Седло 3 этого затвора составляет одно целое с затвором 5 гру­бой регулировки. Для устранения само­произвольного перемещения затвора о служит сальниковое устройство. В корпу­се сальника имеется отверстие с трубкой для стока среды, просачивающейся через сальник.

Присоединение клапана к трубопрово­ду - фланцевое. Седло большого затво­ра имеет четыре треугольных отверстия общей площадью 9 см². Седло крепится в корпусе клапана на резьбе. Затвор гру­бой регулировки имеет четыре отверстия для выхода среды, поступающей через седло малого затвора точной регули­ровки.

Клапан работает следующим образом. При передвижении штока 2 затвор 1 пе­ремещается относительно седла 3, умень­шая или увеличивая проходное сечение. Нижний затвор 5 при этом затормажи­вается сальником 4. Если же перемеще­ния штока 2 будут настолько большими, что затвор 1 полностью откроет или за­кроет седло 3, то затвор 1, нажимая на упор затвора 5, увеличит или умень­шит проходное сечение в седле.

Таким образом, при небольших перемещениях штока 2 регулирование осу­ществляется только затвором малого сечения, а, следовательно, более точно. При значительных перемещениях штока действует затвор большего сечения (грубой регулировки).

 

 

Рис.13.33. Односедельный угловой регулирующий клапан для вязких сред:

1-фланец; 2-седло; 3 - корпус; 4- затвор; 5- шток; 6 - втулка; 7- крышка; 8-пружина сальника; 9 -сальниковое кольцо; 10 - исполнительный механизм.

 

Рис. 13.34. Односедельный регулирую­щий клапан повышенной точности для агрессивных сред:

1- затвор точной регулировки; 2-шток; 3-седло точной регулировки; 4-сальник; 5- затвор грубой регули­ровки.

 

Односедельные клапаны могут быть запорно-регулирующими. Они имеют на затворе уплотняющее фторопластовое кольцо, поэтому их можно приме­нять для регулирования потоков сред с температурой до 120 °С. Конструк­ция односедельных проходного и углового запорно-регулирующих клапанов показаны на рис. 13.35.

 

 

Рис. 13.35. Односедельные запорно-регулирующие клапаны:

а-проходной; б- угловой.

 

В приведенных односедельных регулирующих клапанах - затвор нераз­груженный, т. е. во всех этих конструкциях увеличение перепада давления на" клапане влечет за собой увеличение неуравновешенного усилия, действую­щего на затвор. Поэтому такие клапаны могут успешно работать только, при небольших перепадах давления регулируемой среды.

В последнее время созданы односедельные регулирующие клапаны с раз­груженным затвором.

Они могут успешно регулировать потоки сред при больших перепадах давления. Разгрузка затвора 2 в таком клапане (рис.13.36) обеспечивается наличием в нем каналов, соединяющих полости над затвором и под ним, благодаря чему давления над затвором и под ним равны. Затвор имеет две направляемые цилиндрические поверхности - одна из них на­правляется седлом 1, другая - направляющей втулкой 3, зажимаемой между корпусом 4 и верхней крышкой. Благодаря большой площади направляющих поверхностей в клапане даже при высоких перепадах давления не возникают вибрации и шумы. Клапаны имеют ряд исполнений и рассчитаны на условное давление 320 кгс/см² для регулирования сред с температурой от -10 до + 450°С. Детали корпуса изготовляют либо из углеродистой, либо из нержа­веющей стали, затвор и седло - из нержавеющей стали или из стеллита.

 

 

Рис. 13.36 Регулирующий орган однонедельного клапана с разгруженным за­твором:

1- седло; 2-затвор; 3-направляю­щая втулка; 4-корпус; 5 -верхняя крышка.

 

Затвор обеспечивает равнопроцентную пропускную характеристику клапана при диапазоне изменения пропускной способности, равном 50%. Негерметич­ность регулирующих клапанов с уравновешенным затвором не превышает 0,5% максимальной пропускной способности. Клапаны комплектуют пневматическими, электрическими или гидравлическими приводами с необходимыми допол­нительными блоками.

Трехходовые клапаны

Трехходовые клапаны предназначены для смешения двух потоков в один или для разделения одного потока среды на два.

По этому признаку трехходовые кла­паны разделяют на смесительные и раз­делительные.

У смесительного клапана к двум его патрубкам подводятся потоки различных сред или однородная среда, но с разны­ми температурами; у разделительного к одному из его патрубков подводится по­ток среды, который разделяется этим клапаном на два самостоятельных пото­ка, выходящих через другие патрубки.

Трехходовые регулирующие клапаны отличаются величиной пропускной спо­собности от соответствующих двухседельных клапанов. Основные детали смесительных и разделительных клапанов унифицированы, но так как корпусы кла­панов этих двух типов имеют неодинако­вую форму и различные гидравлические сопротивления, то пропускная способ­ность смесительных и разделительных клапанов также различна.

В смесительный трехходовой клапан с сильфонным уплотнением штока (рис.13.37) смешивающиеся потоки поступают через патрубки 1 и 3, а общий поток вы­ходит из клапана через патрубок. Кла­пан имеет два седла. Седло 4 закрепле­но непосредственно в корпусе клапана, а седло 2 - в патрубке 1. Затвор 6 юбочного типа перемещается одновре­менно в обоих седлах. При перемещении затвора увеличивается проходное сечение в одном из седел и одновременно уменьшается в другом. При этом Об­щий расход потока через клапан остает­ся постоянным независимо от положения затвора, а изменяется лишь верхнее и нижнее седла.

В разделительном треххо­довом регулирующем клапа­не с сальниковым уплотне­нием штока(рис.13.38) по­ток, подведенный к патруб­ку, разделяется на два, ко­торые выходят через патруб­ки 4 и 8. Оба седла клапа­на 2 и 6 закреплены непо­средственно в корпусе.

Затвор 5 имеет две юб­ки 3 и 7, которые регулиру­ют распределение входящего потока среды между двумя выходными патруб­ками, оставляя общий расход среды через клапан постоянным.

Как правило, трехходовые регулирующие клапаны смесительного и раз­делительного типов выпускают только с линейными пропускными характе­ристиками.

 

Рис. 13.37. Трехходовый смесительный регулирующий клапан с сильфонным уплотнением штока:

1 и 3 – входные патрубки; 2 и 4 - седла; 5 – выходной патрубок; 6 – затвор

 

Рис. 13.38. Диафрагмовый регулирующий клапан:

1- регулирующий орган; 2 - позиционер; 3 - пневмопривод; 4 - шток привода; 5 -шток регулирующего органа; 6 - гайка; 7 - крестовина; 8 - винт; 9 - крышка; 10 -телескопическая опора; 11- диафрагма; 12 – корпус.

 

Регулирующие заслонки

 

Принцип действия регулирующих заслонок, предназначенных для регули­рования больших расходов, заключается в изменении их пропускной способ­ности при повороте диска в соответствии с входным сигналом, поступающим от управляющего устройства (управляющей вычислительной машины, авто­матического регулятора, панели дистанционного управления и т. п.).

Типовая конструкция регулирующей заслонки с плоским диском и пнев­матическим мембранно-пружинным приводом показана на рис.13.41. Основной узел заслонки - кольцевой корпус 1, внутри которого расположен поворот­ный диск 2, смонтированный па валу 3 и зафиксированный коническими штифтами 4. Вал вращается на четырех опорах, из которых две (ближайшие к диску) являются подшипниками скольжения 5, а две другие представляют собой спаренные радиальные шарикоподшипники 6. Внутренние подшипники смонтированы непосредственно в гнездах корпуса, а внешние - в кронштей­нах 7, которые крепятся к корпусу. Сальниковые уплотнения 8 расположены непосредственно в корпусе 1. Конструкция сальникового уплотнения позво­ляет продувать подшипники скольжения или смазывать сальниковые кольца и подшипники при помощи лубрикатора. Пропускная способность заслонки изменяется в результате поворота диска. Вал заслонки приводится в движе­ние при помощи мембранного пневматического привода через кривошипный механизм.

Заслонка (см. рис. 13.41) предназначена для регулирования потоков среды с температурой не выше 200 °С. Когда заслонка работает в средах с темпера­турой 200-400 °С, вал заслонки должен проходить через ребристую рубашку охлаждения. В этих же рубашках следует располагать и сальниковые уплот­нения.

Кривошипный передаточный механизм позволяет изменять величину угла и начало поворота диска. Узкий корпус заслонки зажимается между контрфлан­цами трубопровода при помощи длинных стягивающих шпилек. Заслонку можно комплектовать не только мембранным, но и поршневым пневматиче­ским приводом, который развивает большие усилия.

Для управления заслонкой при аварийном прекращении снабжения при­вода сжатым воздухом ее комплектуют ручным дублером. Последний можно устанавливать в различных положениях непосредственно на месте монтажа. В зависимости от условий эксплуатации предусмотрен целый ряд исполнений заслонок, отличающихся типом исполнительного механизма, а также наличием и расположением ручного дублера.

Основные детали заслонки в зависимости от коррозионных свойств и тем­пературы регулируемых сред могут быть изготовлены из серого чугуна Сч18-36, углеродистой стали 25Л-П, а также из сталей Х18Н9ТЛ и Х17Н13МЗТЛ или из других специально указанных материалов.

Регулирующие заслонки по сравнению с регулирующими клапанами име­ют следующие преимущества.

1. В открытом положении гидравлическое сопротивление регулирующих заслонок значительно ниже, чем у регулирующих клапанов, следовательно, при одних и тех же технологических параметрах условный проход регулирую­щей заслонки может быть меньше условного прохода регулирующего кла­пана.

2. В регулирующих заслонках нет зон, в которых могут скапливаться ме­ханические частицы и грязь.

3. В регулирующих заслонках поток регулируемой среды незначительно изменяет свое направление, поэтому сопряженные дросселирующие поверхно­сти изнашиваются меньше, чем в регулирующих клапанах.

4. Регулирующие заслонки имеют сравнительно несложную конструкцию, небольшие габаритные размеры, массу и стоимость.

Основными недостатками регулирующих заслонок являются: трудность обеспечения плотного перекрытия регулируемого потока; наличие значитель­ных неразгруженных усилий, действующих на диск заслонки; трудность по­лучения расчетных пропускных характеристик.

Принципиальная сложность создания плотного перекрытия потока регу­лируемой среды связано с тем, что запорный элемент заслонки (диск) вра­щается и его рабочее перемещение нельзя использовать для герметизации.

Диск не может свободно перемещаться вдоль трубопровода. Поступательное перемещение («плавание») диска вдоль оси трубопровода в заслонках очень трудно выполнить, так как для этого необходимо специальное устройство, от­дельное от привода заслонки, что сильно усложнило бы и удорожило бы кон­струкцию заслонки. Однако в последнее время разработан целый ряд конст­рукций запорно-регулирующих заслонок, которые, кроме своей основной функ­ции - регулирования потока среды, выполняют я функцию перекрытия по­тока. Конструкции таких устройств приведены ниже.

Значительные неразгруженные усилия, действующие на диск заслонки, вызваны формой характеристики крутящего момента в диапазоне углов пово­рота затвора от 60 до 90°. При переходе диска в эту зону из-за неравномер­ного распределения скорости динамический крутящий момент резко возрастает и достигает максимума в зоне 75-80°, а затем резко падает до нуля в мо­мент полного открытия. Кроме того, в диапазоне углов 60-90° одной величи­не крутящего момента соответствуют два разных угла поворота диска, т. е. работа заслонки в этой зоне неустойчива, что отрицательно сказывается на работоспособности исполнительного механизма. Возрастание же крутящего момента пропорционально увеличению перепада давления, ограничивает при­менение заслонок с плоским диском весьма небольшими значениями перепа­дов давления.

Трудность получения расчетных пропускных характеристик заслонок свя­зана с тем, что при углах поворота диска больше 60° расход среды не увеличивается пропорционально углу поворота диска. Учитывая, что в этом же диапазоне значительно возрастает крутящий момент, применение тради­ционных конструкций заслонок ограничивается, как правило, углом поворота диска, равным 60°. Целесообразнее применить заслонку с большим условным проходом и углом поворота диска на 60°, чем использовать более мощный привод для поворота диска на больший угол, получая при этом плохую про­пускную характеристику и неустойчивую работу. При этом следует отметить, что ограничение поворота диска углом 60° снижает потенциальную пропуск­ную способность заслонки (при угле поворота на 90°) приблизительно в 2 раза.

Первые конструкции заслонок были разработаны сравнительно давно, но в течение долгого времени их применяли только для регулирования потоков газообразных сред при статическом давлении, не превышающем 2,5 кгс/см2, перепаде давления на затворе не более 0,1-0,2 кгс/см2 и температуре до + 100°С.

 

Рис.13.39. Регулирующая заслонка с плоским диском и пневматическим мембранно-пру­жинным приводом:

1-кольцевой корпус; 2 - диск; 3 - вал; 4 - конический штифт; 5 - подшипник сколь­жения; 5 - спаренный шарикоподшипник; 7 - кронштейн; 8 - сальник

 

Однако при увеличении производительности установок и внедрении круп­нотоннажных производств повышались требования к регулирующим устройствам. Так, необходимо было перейти к созданию регулирующих и за­порно-регулирующих устройств для жидких, газообразных и парообразных агрессивных и.неагрессивных сред на условные давления и перепады давле­ния, достигающие десятков, а порой и сотен атмосфер, на температуру среды от -50 до +600 °С и температуру окружающего воздуха от -50 до +50 °С. 'При этом непрерывно возрастали диаметры условных проходов регулирующих устройств. Стало очевидным, что в большинстве случаев, когда условный проход трубопровода превышает 150 мм, становится единственно возможным применение заслонок. Это объясняется тем, что себестоимость изготовления регулирующего клапана с диаметром условного прохода свыше 150 мм во много раз превышает себестоимость изготовления заслонки. А если говорить о регулирующих клапанах с условным диаметром выше 300-350 мм, то их создание становится не только нерациональным, но и практически невозмож­ным.