Процесс работы регулирующего клапана может сопровождаться такими неблагоприятными явлениями, как кавитация, вибрация и шум. При прохождении среды через золотник при малых открытиях происходит резкое увеличение скорости, что приводит к мгновенному понижению давления.
Если понижение давления происходит ниже давления насыщенных паров, возникает процесс кавитации. Кавитация – образование в жидкости капельных полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). При повышении давления после прохождения золотника рост пузырьков прекращается и происходит их схлопывание. В момент схлопывания (по некоторым источникам) скорость гидравлического удара может доходить до 1 000 м/с, а давление возрастать до 100 МПа.
Результатом этих явлений может стать интенсивный износ поверхностей дроссельной пары, корпуса, штока и уплотнительных элементов сальника, а также нарушение герметичности в дроссельной паре и фланцевых соединениях. Таким образом, имеет место нарушение нормальной работы клапана и, как следствие, его отказ, т. е. сокращение срока службы. Сюда же следует добавить шумовое загрязнение окружающей среды. Как известно, уровень шума в рабочих помещениях ограничен нормативными документами.
Для предотвращения возникновения кавитации важно добиться снижения скорости потока, а также применять материалы, способные сопротивляться кавитации.
Для снижения скорости потока на пути следования рабочей среды устанавливается лабиринтное сопротивление. В зависимости от необходимой расходной характеристики при регулировании рассчитывается необходимое число лабиринтных каналов на каждой высоте по ходу открытия золотника. При движении среды по лабиринтному каналу происходит постепенное снижение давления, что предотвращает снижение давления ниже давления насыщенных паров.
Современный уровень расчётного обеспечения позволяет рассчитать бескавитационный перепад давления на регулирующем клапане, а также перепад давления, обеспечивающий заданную скорость течения объёмноустойчивой или сжимаемой жидкости. В технической литературе и в каталожных материалах зарубежных фирм можно найти конкретные рекомендации по предельным значениям скоростей течения для жидкости и газа.
Регулирующий клапан выполняет две функции: управление потоком и дросселирование, т. е. гашение избыточного перепада давления. Под избыточным (для клапана) перепадом давления следует понимать его избыток сверх необходимого значения для того, чтобы обеспечить максимальный расход регулируемой среды и управление потоком. Довольно часто избыточный перепад давления существенно больше необходимого значения. Основным источником избыточного перепада давления может стать завышение общего перепада давления в трубопроводной системе при выборе источника напора. Кроме того, при закрытии клапана перепад давления на нём увеличивается, и в положениях, близких к закрытию, именно на регулирующем клапане рассеивается весь перепад давления трубопроводной системы.
Наиболее важным направлением в развитии конструкций регулирующих клапанов следует признать разделение в конструкции клапана функций управления потоком и дросселирования. Таким образом, проточная часть клапана делится на две зоны: регулируемую (дроссельная пара) и нерегулируемую (различные гидравлические сопротивления в проточной части клапана). Сопротивления в проточной части клапана, выполняющие функцию дросселирования, называют дополнительными каскадами дросселирования. Назначение дополнительных каскадов – уменьшить перепад давления на дроссельной паре и осуществить процесс дросселирования без кавитации, вибрации и шума. Количество и форма дополнительных каскадов зависит от назначения и, соответственно, конструкции клапана. Клеточная конструкция регулирующего клапана наиболее удобна для размещения дополнительных каскадов, поэтому большая часть известных конструкций многокаскадных регулирующих клапанов реализована именно на базе клеточных (плунжерных) конструкций.
Название «клеточный (плунжерный) клапан» происходит от наименования характерной детали – втулки с отверстиями или профилированным вырезом – клетки. Клапаны, в которых применены такие втулки, стали называть клеточными. При помощи втулки-«клетки» седло фиксируется в корпусе, в некоторых конструкциях седло и клетка выполнены в виде единой детали.
В клеточных регулирующих клапанах пропускная характеристика (зависимость пропускной способности от положения затвора) может обеспечиваться двумя способами:
• за счёт отверстий или вырезов в клетке, выходящих из сопряжения с затвором, перемещающимся внутри клетки (для клеточных клапанов это стандартный вариант);
• стандартным способом (за счёт изменения площади щели между затвором и седлом).
Конструкции клеточных регулирующих клапанов (рис. 1) относятся в основном к группе средних расходов (DN 25-200), которая является и самой многочисленной. Именно поэтому для пользователей очень важно в качестве регулирующих клапанов средних расходов иметь добротную, гибкую и удобную в эксплуатации универсальную конструкцию. Такую конструкцию имеют клеточные регулирующие клапаны, производимые в настоящее время практически всеми ведущими в данной области зарубежными фирмами. На мировом рынке регулирующих клапанов клеточные клапаны практически вытеснили как более совершенные все остальные конструкции клапанов.
Регулирование в плунжерном клапане (рис. 2) происходит за счёт перемещения золотника внутри цилиндра и открытия определенной площади, необходимой для работы на заданных рабочих параметрах. Клапан может выполнять функцию запорной арматуры, имеет класс герметичности «А» по ГОСТ 54808-2011.
В конструкции может быть использована разгрузка по расходу для уменьшения крутящего момента на втулке шпинделя клапана. Максимальное усилие в работе клапана необходимо преодолеть в момент открытия. При разгрузке по расходу часть среды перепускается через пилотный клапан, для открытия которого необходимо значительно меньшее усилие, в результате чего происходит повышение давления за золотником и уменьшение перепада давления, и, как следствие, снижение необходимого усилия для открытия золотника.
В данном клапане возможное направление движения рабочей среды – только «На затвор», т. к. при движении среды «Под затвор» среда воздействием на пилотный клапан будет стремиться открыть его. Данный тип разгрузки рассчитан на температуру до 560 °С.
Ход среды «На золотник» в свою очередь уменьшает необходимое усилие для доуплотнения и обеспечения необходимой герметичности за счёт действия самой среды на золотник.
Клапан плунжерный с лабиринтным каналом предназначен для регулирования и дросселирования потока рабочей среды при больших перепадах давления. При установке лабиринта происходит распределение перепада давления на каждую ступень лабиринта.
При применении регулирующих клапанов клеточного типа потребитель получает дополнительные преимущества в различных нестандартных ситуациях. Клеточный клапан – это клапан универсального применения. Универсальность достигается разнообразием вариантов (исполнений) внутренних элементов клапана, в основном – втулки-«клетки».
Клеточные клапаны обеспечивают следующие выгоды и преимущества:
• удобство эксплуатации, низкие эксплуатационные затраты, возможность по месту изменять характеристики клапана (пропускную характеристику, Kvy и др.). По результатам пробной эксплуатации представляется возможным посредством замены внутренних элементов клапана обеспечить его характеристики, в большей степени соответствующие условиям эксплуатации. В случае перехода установки в режим уменьшенной производительности можно соответствующим образом уменьшить значения Kvy;
• высокую герметичность в дроссельной паре, аналогичную односедельным неразгруженным регулирующим клапанам;
• высокие антикавитационные свойства. Клеточные регулирующие клапаны в стандартном варианте в силу своей конструкции уже обладают повышенными антикавитационными свойствами, однако эти свойства при необходимости могут быть усилены применением специальной геометрии (конфигурации) проточной части;
• высокие антишумовые свойства (для случая течения газа при большом перепаде давления);
• высокое значение допустимого перепада давления. Для клеточных клапанов допустимый перепад давления равен, как правило, условному давлению.
