КЛАПАН СО ВСТРОЕННЫМ УРАВНОВЕШИВАЮЩИМ КАНАЛОМ
VALVE WITH BUILT-IN BALANCING CHANNEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к клапанам для текучей среды и, конкретнее, к опорно-направленным угловым клапанам, имеющим встроенные уравновешивающие каналы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Регулирующие клапаны обычно используют в системах управления технологическим процессом для управления потоками технологических сред (например, жидкостей или газов). Регулирующий клапан, как правило, содержит исполнительный механизм (например, пневматический привод, гидравлический привод и т.п.), функционально сопряженный с элементом управления пропускной способностью клапана для текучих сред, с целью автоматизации работы регулирующего клапана. В процессе эксплуатации часто используют контроллер для подачи командной текучей среды (например, воздуха) на привод, который, в свою очередь, устанавливает элемент управления пропускной способностью клапана (например, задвижку клапана, плунжер, запирающий элемент и т.п.) в требуемое положение относительно седла клапана для управления или установления потока текучей среды через клапан.
Угловые клапаны, как правило, используют в химической и углеводородной промышленности, где требуется контроль остаточных масел или других жидкостей со склонностью к нагарообразованию. В этих клапанах используют криволинейный канал и профиль сопла в области критического сечения с углом поворота менее 90° для стабилизации потока текучей среды и равномерного распределения текучей среды в дросселирующей области плунжера клапана, что тем самым улучшает работу клапана.
Для снижения усилий на приводе, необходимых для открытия и закрытия клапана, часто используют уравновешенные конструкции плунжеров и клапанов. Неравенство статического давления компенсируют за счет выравнивания давления, приложенного к нижней и верхней частям плунжера, что позволяет приводу легче открывать и закрывать плунжер клапана и использовать для этого меньше энергии и усилий. В результате для таких регулирующих клапанов можно использовать меньшие, менее дорогие приводы.
Как правило, плунжеры клапанов уравновешивают с помощью отверстий или продольных внутренних проходных каналов, образованных в плунжере. Поскольку уравновешенные плунжеры клапана используют в сочетании с клапанами в прямоточном исполнении, плунжеры, как правило, имеют короткую длину и могут быть легко просверлены с использованием стандартного процесса сверления или механической обработки.
Как показано на фиг. 1, некоторые традиционные угловые клапаны 100 содержат корпус 102 клапана, образующий канал 104, который определяет путь потока текучей среды, проходящий от впускного отверстия 106 корпуса 102 клапана к выпускному отверстию 108 корпуса клапана через камеру 110, расположенную между впускным отверстием 106 и выпускным отверстием 108. Кроме того, корпус 102 клапана образует отверстие 112, имеющее сообщение с камерой 110. Седло 111 клапана по меньшей мере частично образовано корпусом 102 клапана и расположено в камере 110.
Крышка 114 клапана по меньшей мере частично закрывает отверстие 112 корпуса 102 клапана. Шток 116 клапана имеет первую часть 116а и вторую часть 116b, а также по меньшей мере частично расположен внутри отверстия 112. Элемент 120 управления пропускной способностью клапана в виде плунжера соединен со штоком 116 клапана. Плунжер 120 выполнен с возможностью перемещения в положение и из положения герметизирующего контакта с седлом 111 клапана. Направляющая втулка 118 охватывает плунжер 120 и участвует в направленном перемещении плунжера 120. Понятно, что клапан 100 содержит любое количество дополнительных компонентов, участвующих в работе, в том числе, например, фиксатор, фланец, пружину штока клапана, любое количество уплотняющих прокладок, седельных колец, шайб и/или набивочных колец.
При работе контроллер (не показан) может подавать управляющий сигнал на привод (не показан), функционально сопряженный со штоком 116 клапана. Этот управляющий сигнал дает команду приводу на перемещение штока 116 клапана, при котором плунжер 120 перемещается по прямолинейному пути относительно седла 111 клапана с целью управления потоком текучей среды через корпус 102 клапана.
Как показано на фиг. 1, направляющая втулка 118 выступает из крышки 114 в камеру 110. Эта выступающая часть в сочетании с удлиненной конструкцией плунжера 120 создают препятствие для потока, которое снижает пропускную способность клапана. Кроме того, в угловых клапанах используют плунжеры 120, которые являются неуравновешенными, поскольку дросселирующие газовые клапаны, такие как угловой клапан 100, имеют удлиненную форму и, как следствие, удлиненный плунжер 120, при этом в плунжере 120 невозможно надежно сформировать повышенную длину и малый диаметр, необходимые для продольного внутреннего проходного канала. Любой держатель, используемый для образования такого отверстия, может с высокой долей вероятности сломаться или получить повреждения в процессе изготовления, и, кроме того, не сможет быть извлечен из плунжера 120 клапана.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним типовым аспектом настоящего изобретения уравновешенный клапан содержит корпус клапана, шток клапана, первый элемент управления пропускной способностью клапана и второй элемент управления пропускной способностью клапана. Корпус клапана образует канал, который определяет путь потока текучей среды, проходящий от впускного отверстия клапана к выпускному отверстию клапана через камеру клапана, расположенную между впускным отверстием и выпускным отверстием. Кроме того корпус клапана образует отверстие, имеющее сообщение с камерой. Шток клапана имеет первую часть и вторую часть, а также по меньшей мере частично расположен внутри отверстия и камеры. Первый элемент управления пропускной способностью клапана выполнен с возможностью сопряжения с первой частью штока клапана и, кроме того, выполнен с возможностью управления потоком текучей среды вдоль проходного канала клапана для текучей среды. Второй элемент управления пропускной способностью клапана выполнен с возможностью сопряжения со второй частью штока клапана и, кроме того, выполнен с возможностью размещения в отверстии корпуса клапана. Часть второго элемента управления пропускной способностью клапана и корпус клапана образуют полость. Внутри корпуса клапана сформирован встроенный уравновешивающий канал, выполненный с возможностью проточного соединения полости и выпускного отверстия корпуса клапана в проточной части ниже седла клапана.
В соответствии с еще одним типовым аспектом настоящего изобретения узел регулирующего клапана содержит механизм уравновешенного клапана и исполнительный механизм. Механизм уравновешенного клапана содержит корпус клапана, шток клапана, первый элемент управления пропускной способностью клапана и второй элемент управления пропускной способностью клапана. Корпус клапана образует канал, который определяет путь потока текучей среды, проходящий от впускного отверстия клапана к выпускному отверстию клапана через камеру клапана, расположенную между впускным отверстием и выпускным отверстием. Кроме того корпус клапана образует отверстие, имеющее сообщение с камерой. Шток клапана имеет первую часть и вторую часть, а также по меньшей мере частично расположен внутри отверстия и камеры. Первый элемент управления пропускной способностью клапана выполнен с возможностью сопряжения с первой частью штока клапана и, кроме того, выполнен с возможностью управления потоком текучей среды вдоль проходного канала клапана для текучей среды. Второй элемент управления пропускной способностью клапана выполнен с возможностью сопряжения со второй частью штока клапана и, кроме того, выполнен с возможностью размещения в отверстии корпуса клапана. Часть второго элемента управления пропускной способностью клапана и корпус клапана образуют полость. Внутри корпуса клапана сформирован встроенный уравновешивающий канал, выполненный с возможностью проточного соединения полости и выпускного отверстия корпуса клапана в проточной части ниже седла клапана. Привод соединен с корпусом клапана через отверстие и функционально сопряжен со штоком клапана.
В соответствии с любым одним или несколькими из вышеупомянутых типовых аспектов настоящего изобретения корпус клапана может содержать профильную часть, соответствующую профилю камеры. Встроенный уравновешивающий канал также может иметь профиль, соответствующий форме профильной части корпуса клапана.
В некоторых примерах корпус клапана может содержать первую и вторую части. Первая часть корпуса клапана может содержать первую часть встроенного уравновешивающего канала, а вторая часть корпуса клапана может содержать вторую часть встроенного уравновешивающего канала. Первая часть и вторая часть корпуса клапана выполнены с возможностью взаимного сопряжения таким образом, что встроенный уравновешивающий канал образует прямоточный канал между полостью и выпускным отверстием корпуса клапана в проточной части ниже седла клапана.
В некоторых конструкциях вторая часть корпуса клапана может содержать фланец. Корпус клапана может содержать соединительную область, которая объединяет первую часть встроенного уравновешивающего канала и вторую часть встроенного уравновешивающего канала.
В некоторых примерах уравновешенный клапан может содержать также опорно-направляющий элемент, расположенный в камере. Опорно-направляющий элемент может быть сформирован в виде встроенной части корпуса клапана. Опорно-направляющий элемент может содержать по меньшей мере один элемент в виде ребра, выполненный с возможностью разделения пути потока текучей среды с целью снижения вихревого движения текучей среды, проходящей вдоль пути потока текучей среды. Опорно-направляющий элемент может содержать также соединительный механизм для сопряжения первого элемента управления пропускной способностью клапана со штоком клапана.
В некоторых примерах уравновешенный клапан может содержать также по меньшей мере один уплотнительный элемент для герметичного разделения полости от камеры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеуказанные требования по меньшей мере частично удовлетворяются за счет предлагаемого клапана со встроенным уравновешивающим каналом, описанного в нижеследующем подробном описании, в особенности, при рассмотрении совместно с графическими материалами, на которых:
фиг. 1 представляет фронтальную проекцию в частичном поперечном разрезе известного углового клапана;
фиг.2 представляет фронтальную проекцию в частичном поперечном разрезе типового углового клапана, имеющего встроенный уравновешивающий канал в соответствии с различными вариантами реализации настоящего изобретения; и
фиг. 3 представляет вид в поперечном разрезе вдоль линии A-A клапана по фиг. 2.
Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что на графических материалах элементы представлены для простоты и ясности и не обязательно изображены в масштабе. Например, размеры и/или относительное расположение некоторых элементов на графических материалах могут быть изображены в увеличенном виде по отношению к другим элементам с тем, чтобы помочь улучшить понимание различных вариантов реализации настоящего изобретения. Кроме того, общие, но хорошо понятные элементы, которые полезны или необходимы в экономически целесообразном варианте реализации изобретения, часто не изображены, с тем чтобы облегчить получение менее ограниченного представления об этих различных вариантах реализации изобретения. Кроме того должно быть ясно, что определенные действия и/или шаги могут быть описаны или изображены в определенном порядке своего появления, в то время как специалистам в данной области техники понятно, что такой определенности в соблюдении последовательности фактически не требуется. Также следует понимать, что термины и выражения, используемые в данном документе, имеют обычное техническое значение, присваиваемое таким терминам и выражениям специалистами в данной области техники, как было указано выше, за исключением случаев использования иных конкретных значений, изложенных в настоящем документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Типовой уравновешенный клапан, имеющий встроенный уравновешивающий канал, представлен на фиг. 2 и 3. Типовой уравновешенный клапан имеет встроенный уравновешивающий канал, который соединяет область вблизи выпускного отверстия в проточной части ниже седла клапана с полостью между приводом и элементом управления пропускной способностью клапана. Этот внутренний канал позволяет давлению в проточной части ниже седла клапана создавать давление в полости, тем самым осуществляя уравновешивание плунжера клапана, который при этом требует меньшей по сравнению с неуравновешенными клапанами энергии привода для управления пропускной способностью внутри клапана.
Как показано на фиг. 2, типовой уравновешенный клапан 200 может содержать корпус 202 клапана, шток 216 клапана, первый элемент 220 управления пропускной способностью клапана, второй элемент 230 управления пропускной способностью клапана и встроенный уравновешивающий канал 240. Корпус 202 клапана образует канал 204, который определяет путь потока текучей среды, проходящий от впускного отверстия 206 корпуса 202 клапана к выпускному отверстию 208 корпуса клапана через камеру 210, расположенную между впускным отверстием 206 и выпускным отверстием 208. Кроме того, корпус 202 клапана образует отверстие 212, гидравлически связанное с камерой 210. Седло 211 клапана по меньшей мере частично образовано корпусом 202 клапана и расположено в камере 210. Крышка 214 клапана по меньшей мере частично закрывает отверстие 212 корпуса 202 клапана и соединяет корпус 202 клапана с приводом или иным приводным устройством 201. Понятно, что клапан 200 содержит любое количество дополнительных компонентов, участвующих в работе, в том числе, например, фиксаторов, фланцев, пружин штока клапана, любое количество уплотняющих прокладок, седельных колец, шайб и/или набивочных колец.
Шток 216 клапана имеет первую часть 216a и вторую часть 216b. Шток 216 клапана по меньшей мере частично расположен внутри отверстия 212 и камеры 210.
В представленном примере первый элемент 220 управления пропускной способностью клапана представляет собой первый плунжер и сопряжен с первой частью 216a штока 216 клапана. Первый плунжер 220 выполнен с возможностью функционального сопряжения с первой частью 216а штока 216 клапана, которое предусматривает любое количество вариантов исполнения. Например, первый плунжер 220 может содержать механизм 220а сопряжения, который входит во взаимодействие с соответствующим механизмом 216с сопряжения, расположенным на первом конце 216а штока клапана. Например, механизмы 220a, 216c сопряжения могут представлять собой резьбовые соединения, которые взаимодействуют между собой с использованием резьбы. Возможны и другие примеры.
Первый плунжер 220 выполнен с возможностью перемещения в положение и из положения герметизирующего контакта с седлом 211 клапана для управления пропускной способностью канала 204. В представленном примере первый плунжер 220 представляет собой параболический плунжер, однако понятно, что можно использовать любой тип плунжера или элемента управления пропускной способностью клапана.
В представленном примере второй элемент 230 управления пропускной способностью клапана выполнен в форме второго плунжера, имеющего отверстие 230a, и сопряженного со второй частью 216b штока 216 клапана с помощью любого количества традиционных вариантов исполнения. Например, второй конец 216b штока клапана может быть вставлен через отверстие 210b плунжера 230 и удерживаться с помощью первого и второго стопорных колец 252, 254. Понятно, что для сопряжения второго плунжера 230 со штоком 216 клапана можно использовать любое количество стопорных колец и любой другой традиционный вариант исполнения.
Второй плунжер 230 расположен в отверстии 212 корпуса 202 клапана. В некоторых примерах второй плунжер 230 может содержать также любое количество внутренних областей 230с с канавками, расположенных внутри отверстия 230а, для установки любого количества внутренних уплотнений 256, и может дополнительно содержать любое количество внешних областей 230d с канавками, расположенных на внешней поверхности второго плунжера 230 для установки любого количества внешних уплотнений 258. Часть второго плунжера 230 (например, верхняя поверхность 230b) взаимодействует с корпусом 202 клапана, охватывающим отверстие 212 с образованием полости 250 плунжера. Внутреннее и внешнее уплотнения 256, 258 можно использовать для функционального отделения канала 204 корпуса 202 клапана от полости 250 плунжера. Понятно, что в некоторых примерах для отделения канала 204 корпуса 202 клапана от полости 250 плунжера может не требоваться использование внутреннего и внешнего уплотнений 256, 258.
Встроенный уравновешивающий канал 240 сформирован как единое целое внутри корпуса 202 клапана посредством любого известного технологического процесса или процессов. Корпус 202 клапана может иметь профильный участок, соответствующий форме камеры 210. Для упрощения процесса изготовления встроенный уравновешивающий канал 240 также может иметь профиль, соответствующий форме профильной части камеры 210.
В представленном примере встроенный уравновешивающий канал 240 содержит первый конец 240а и второй конец 240b. Первый конец 240а встроенного уравновешивающего канала 240 заканчивается в местоположении в канале 204 за седлом 211 клапана, которое находится на выпускном отверстии 208 или вблизи него. Второй конец 240b встроенного уравновешивающего канала 240 заканчивается в местоположении в отверстии 212, так что образуется прямое сообщение с полостью 250 плунжера. В таком исполнении встроенный уравновешивающий канал 240 гидравлически соединяет полость 250 плунжера с каналом 204 в выпускном отверстии 208 или вблизи него.
В процессе работы, первый плунжер 220 служит в качестве перекрывающего клапана посредством выбора запирающего либо открывающего состояния для прохождения текучей среды от впускного отверстия 206 к выпускному отверстию 208. Второй плунжер 230 служит для захвата давления в канале 204 за первым плунжером 220 для уравновешивания системы за счет дискретного направления давления к верхней поверхности 230b второго плунжера 230 через встроенный уравновешивающий канал 240. В результате этого происходит выравнивание значений давления в нижележащих проточных частях с давлением на первом плунжере 220 и втором плунжере 230, что тем самым приводит к получению уравновешенной конструкции плунжера.
В некоторых примерах, когда шток 216 клапана перемещает первый плунжер 220 в положение внутри или вне герметизирующего контакта с седлом 211 клапана, второй конец 216b штока 216 клапана может проходить через отверстие 230а второго плунжера 230, в то время как второй плунжер 230 остается неподвижным. Однако в других примерах второй плунжер 230 может быть выполнен с возможностью перемещения совместно со штоком 216 клапана.
Корпус 202 клапана может быть выполнен из любого количества отдельных частей, выполненных с возможностью взаимного сопряжения. Например, верхняя секция 202а корпуса клапана может быть выполнена с возможностью сопряжения с нижней секцией 202b корпуса клапана. Понятно, что для закрепления двух секций 202a и 202b можно использовать любое количество вариантов исполнения. Например, как показано на фиг. 2, фланец 203 может быть сопряжен с выступом, расположенным в нижней части 202b корпуса. В некоторых примерах саму нижнюю секцию 202b корпуса можно использовать в качестве фланца или фиксатора.
В этих примерах первый конец 240а встроенного уравновешивающего канала 240 сформирован в нижней секции 202b корпуса клапана, а второй конец 240b встроенного уравновешивающего канала 240 сформирован в верхней секции 202а корпуса клапана. Между верхней и нижней секциями 202а и 202b корпуса клапана можно располагать прокладку, уплотнение или иное уплотнительное устройство 242. Уплотнительное устройство 242 может иметь отверстие 242a или соединительную область, совмещенную со встроенным уравновешивающим каналом 240 для создания прямого проточного канала между выпускным отверстием 208 и полостью 250 плунжера. Соединительная область 242а также может иметь соединительную область, которая выравнивает первый конец 240a встроенного уравновешивающего канала 240 со вторым концом 240b встроенного уравновешивающего канала 240.
В некоторых примерах клапан 200 может содержать также опорно-направляющий элемент 260, расположенный в камере 210. Опорно-направляющий элемент 260 может быть выполнен в виде встроенной части корпуса клапана или может представлять собой отдельный компонент, сопряженный с корпусом 202 клапана с помощью любого традиционного варианта исполнения. В любом случае, опорно-направляющий элемент 260 выступает внутрь из внутренней поверхности корпуса 202 клапана. Опорно-направляющий элемент 260 может содержать любое количество ребер 262, которые сопряжены с и поддерживают встроенную опорную направляющую 264, имеющую отверстие 264а для размещения и направленного перемещения штока 216 клапана и первого плунжера 220 в камере 210.
Ребра 262 служат также в качестве разделителей постоянства потока, осуществляя функциональное разделение канала 204 на переднюю и заднюю части. В результате этого ребра 262 уменьшают и/или устранят эффект завихрения при прохождении текучей среды через корпус 202 клапана. Как показано на фиг. 3, каждое из ребер 262 образовано вогнутыми поверхностями, которые создают внутреннюю область, имеющую меньшую ширину поперечного сечения по сравнению с внешними областями.
С помощью двух отдельных плунжеров устраняется необходимость использования чрезмерно длинного плунжера или выступания направляющей плунжера из крышки 214 в камеру 210. Использование двух разных плунжеров также снижает объем используемого материала, а также уменьшает площадь плунжера в камере. Удаление типичной удлиненной опорной направляющей, выступающей вниз из крышки клапана, и использование вместо нее опорно-направляющего элемента 260, который проходит внутрь от внутренней стенки корпуса 202 клапана, улучшает рабочие характеристики клапана, позволяя текучей среде поворачиваться приблизительно на 90° при прохождении через проходной канал с минимальными препятствиями, которые могут привести к разделению текучей среды или неравномерному распределению в дросселирующей области камеры 210. Кроме того, за счет использования встроенной опорной направляющей можно стабилизировать поток текучей среды, с тем чтобы исключить завихрения и/или вихревого движения текучей среды во время прохождения текучей среды вдоль проходного канала текучей среды.
Специалисты в данной области техники понимают, что в рамках объема настоящего изобретения может быть выполнено большое количество вариантов, изменений и сочетаний по отношению к вышеописанным вариантам реализации изобретения, и что такие варианты, изменения и сочетания следует рассматривать как находящиеся в границах идеи изобретения.
Пункты формулы изобретения в конце настоящей патентной заявки не претендуют на толкование в соответствии с разделом 35 Кодекса Законов США, § 112 (f), за исключением случаев явного указания на традиционные пункты формулы вида «средство-плюс-функция», например, при явном указании в пунктах формулы изобретения на «средство для» или «шаг для». Описанные в настоящем документе системы и способы направлены на улучшение функциональности компьютеров и улучшение функционирования обычных компьютеров.