Дисковые затворы с тройным эксцентриситетом сегодня считаются последним словом техники. Их преимущество по сравнению с другими типами затворов (с одним или двумя эксцентриситетами) заключается в отсутствии трения в процессе открытия и закрытия. Несколько лет назад заговорили о так называемых «четырёхэксцентриковых» дисковых затворах. Однако даже специалистам не вполне очевидно, в чём у них проявляется четвёртый эксцентриситет. Если внимательнее рассмотреть геометрию таких затворов, то выяснится, что сомнения оправданны.

Трехэксцентриковые затворы – современный уровень развития техники

Считается, что дисковые затворы с тройным эксцентриситетом – это последнее слово техники. Их выпускают различные фирмы- производители арматуры. По сравнению с другими типами затворов (с одним или двумя эксцентриситетами) их преимущество заключается в отсутствии трения в процессе открытия и закрытия.

При открытии седло и контактная поверхность диска разъединяются одновременно по всей окружности, так же, как это происходит у клапана с конусообразной уплотняющей поверхностью. У трёхэксцентриковых дисковых затворов (рис. 1) уплотняющая поверхность имеет форму усечённого конуса, вершина которого имеет радиальное смещение относительно оси трубы (I).

Кроме этого, точка вращения диска имеет осевое (II) и радиальное (III) смещение относительно центра седла. Эксцентриситеты и углы обязательно следует выбирать таким образом, чтобы диск открывался и закрывался без трения и зажимов. При этом радиальное смещение вала (III) должно быть по возможности минимальным, чтобы конструкция оставалась компактной, а крутящий момент вала – невысоким. Для точного контроля геометрии прекрасно подходит система 3D-CAD.

Дисковые затворы с тройным эксцентриситетом могут быть целиком изготовлены из металла без эластичных уплотнений седла. В этом случае для давления закрытия и температуры среды пределов практически нет. Такие затворы применяют везде, где в экстремальных условиях требуется перекрытие и регулирование потока жидкой или газообразной среды.

Несколько лет назад экспертное сообщество поразила новость о появлении так называемых «четырёхэксцентриковых» дисковых затворов. Поскольку даже для специалистов наличие четвёртого эксцентриситета не очевидно, то можно предположить, что в данном случае речь идёт всего лишь о новом маркетинговом инструменте, построенном на внушении, что четыре лучше, чем три. При внимательном рассмотрении геометрии выясняется, что, действительно, сомнения в наличии четвёртого эксцентриситета оправданны.

Дополнительного эксцентриситета нет

Для правильного понимания геометрии так называемого «четырёхэксцентрикового» затвора рассмотрим сначала особую форму конуса седла у трёхэксцентрикового затвора (см. рис. 1). Речь идёт о конусе с окружностью в основании (заштрихованный круг). Основание – любое сечение конуса, перпендикулярное оси вращения конуса. Плоскость седла у трёхэксцентрикового дискового затвора располагается с наклоном (то есть не перпендикулярно) по отношению к оси симметрии конуса седла.

Рис. 1. Геометрия седла дисковых затворов с тройным эксцентриситетом

Контуры седла в вертикальной проекции (рис. 1, сечение A-A) соответствуют форме сечения конуса, выполненного со скосом, другими словами, эллипсу с полуосями E1 и E2. У «четырёхэксцентриковых» дисковых затворов (рис. 2) конус седла выполнен таким образом, что контуры плоскости седла имеют форму круга (рис. 2, сечение A-A).

Рис. 2. Геометрия седла «четырёхэксцентриковых» дисковых затворов

С чисто геометрической точки зрения из этого следует, что основание такого конуса должно иметь форму эллипса (заштрихованная плоскость) с полуосями EX1 и EX2. Поэтому в математике такие конусы называют эллиптическими. То, что обозначено как «четвёртый эксцентриситет», показано на наложенном изображении обоих профилей (рис. 3, сечение A-A). «Четвёртый эксцентриситет» здесь – это наибольшее расстояние между эллиптическим и круглым профилем (IV) в плоскости седла (рис. 3).

Рис. 3. Наложенная проекция поверхности седла трёх- и четырёхэксцентриковых затворов

Это соответствует разности между радиусом круга «четырёхэксцентриковой» плоскости седла и малой полуосью эллипса трёхэксцентриковой плоскости седла. Так что же в этом «эксцентрикового»? Ни одного дополнительного смещения осей нет: эллипс трёхэксцентрикового дискового затвора располагается точно посередине круга «четырёхэксцентрикового» затвора.

Кроме того, непонятно, почему разницу геометрии седел следует считать свойством именно так называемого «четырёхэксцентрикового» конуса седла. Просто есть две геометрии, разница между которыми не является свойством ни одной, ни другой. Соответственно, понятие «четырёхэксцентриковый» для такой конструкции затвора является неверным и вводит в заблуждение.

Никаких технических преимуществ

Если отвлечься от терминов, то возникает вопрос, какая конструкция лучше. У так называемых «четырёхэксцентриковых» затворов уплотнительная поверхность седла имеет форму круга, в то время как у обычных трехэксцентриковых затворов – эллипса.

Утверждается, что площадь проходного сечения круглой формы будет существенно больше, чем у эллип-соидального – разница видна на рис. 3, где один профиль наложен на другой. Участок, окрашенный красным цветом, – это и есть та площадь, которая выигрывается благодаря «четырёхэксцентриковой» геометрии.

Заявляется, что эта особенность в результате даёт более высокое значение KV. Но так ли это? На принципиальных схемах для более наглядного представления геометрии седла специально выбраны такие углы и эксцентриситеты, которые позволяют чётко увидеть эллипс и его отличие от круга.

В действительности же у трёхэксцентриковых затворов угол седла существенно меньше, и обе полуоси эллипса, соответственно, практически идентичны. Фактическая разность площади проходного сечения седла между данными вариантами исполнения составляет всего 2–4%. На рис. 4 показано седельное кольцо дискового затвора LEUSCH серии LTR43.

Рис. 4. Седельное кольцо трёхэксцентрикового дискового затвора тип LTR43 (LEUSCH GmbH Industriearmaturen)

То, что его внешний контур имеет форму эллипса, невооружённым глазом определить очень сложно. К тому же, когда диск находится в открытом положении, именно тот участок, который и обеспечивал бы самый большой выигрыш в площади, оказывается перекрыт валом и диском. На рис. 5 показан выдержанный в масштабе затвор с тройным эксцентриситетом тип LTR43 с диском в открытом положении.

Рис. 5. Трёхэксцентриковый дисковый затвор тип LTR43 с диском в положении «открыто» (LEUSCH GmbH Industriearmaturen)

Проходное отверстие затвора имеет форму эллипса. Круг, отмеченный красным цветом, – это проходное отверстие, каким оно было бы у «четырёхэксцентрикового» затвора. Видно, что разница минимальна, а участок, на котором она выражена наиболее явно, перекрывают вал и диск. Следовательно, утверждение, что значение KV «четырёхэксцентриковых» затворов будет якобы существенно выше, носит, главным образом, теоретический характер и с технической и практической точек зрения нерелевантно.

Трение не меньше.

Далее возникает вопрос, различаются ли обе выше рассмотренные конструкции по характеристикам тре-ния. Как уже указывалось выше, исследовать конструкцию лучше всего при помощи системы 3D-CAD. При равных углах и смещениях на видах по сечению разница практически не видна.

Для проверки закрытия дискового затвора рекомендуется исследовать данную конструкцию таким образом, чтобы можно было изменять радиальное смещение вала (III) до тех пор, пока не будет найдено минимальное смещение, при котором диск закрывался бы без трения. В конструкторском бюро "LEUSCH GmbH Industriearmaturen" такая проверка была проведена на нескольких образцах.

Конструкторы были твёрдо убеждены в том, что какой-либо существенной разницы обнаружено не будет. Фактически же было установлено, что так называемые «четырёхэксцентриковые» дисковые затворы требуют значительно большего радиального смещения вала. Это является существенным недостатком данной конструкции, поскольку смещение вала напрямую связано с необходимым крутящим моментом.

Точкой приложения силы к находящемуся под давлением диску является его центр. Смещение вала представляет собой рычаг, и чем больше его плечо, тем выше требуемый крутящий момент для открытия диска. То есть, у «четырёхэксцентриковых» затворов нагрузка на вал выше, а значит, им требуются более мощные приводы.

Конструкция не нова

Производитель так называемых «четырёхэксцентриковых» дисковых затворов утверждает, что он разработал новую конструкцию. В действительности же трёхэксцентриковые дисковые затворы с круглым профилем в плоскости седла выпускались ещё в 90-е годы, в частности, одним известным изготовителем промышленной арматуры в Дюссельдорфе. Однако их – и совершенно справедливо – не называли «четырёхэксцентриковыми».

Резюме

«Четырёхэксцентриковых» дисковых затворов не существует. Есть только трёхэксцентриковые с эллиптическим или круглым седлом. Затворы с круглым седлом («четырёхэксцентриковые») не новы и не уникальны. Однако они имеют существенный недостаток, а именно: для них требуется более высокий крутящий момент привода.

См также:

• Двухэксцентриковый затвор
• Принцип работы затвора с тройным эксцентриситетом
• Затворы со смещенным эксцентриситетом

Автор: Хубертус Мюле (Hubertus Mu..hle) – руководитель конструкторского отдела LEUSCH GMBH INDUSTRIEARMATUREN

Перевод с немецкого осуществлен специалистами ООО «Самсон Контролс», официального представителя Leusch GmbH и SAMSON GROUP в России и странах СНГ, www.samson.ru. 

Источник - www.valve-industry.ru