Устройства и способы приведения в действие клапанов
DEVICE AND METHODS OF VALVES ACTUATION

ПРЕДПОСЫЛКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в настоящем описании, относятся в целом к устройствам и способам, выполненным с возможностью переносить гидростатическое давление в поршневых компрессорах, которые имеют приводные клапаны и используются в нефтяной и газовой промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Компрессоры представляют собой механические устройства, которые повышают давление газа и могут использоваться в двигателях, турбинах, для производства электроэнергии, в криогенных приложениях, переработке нефти и газа и т.д. Благодаря их широкому использованию, различные механизмы и способы, связанные с компрессорами, зачастую являются объектом исследования с целью повышения эффективности компрессора и решения проблем, связанных с конкретными рабочими средами. Одна особенность, которую необходимо учитывать для компрессоров, которые используются в нефтяной и газовой промышленности, заключается в том, что сжатая текучая среда часто является коррозионноактивной и горючей. Американский Институт Нефти (API), организация, которая устанавливает признанные отраслевые стандарты для оборудования, используемого в нефтяной и газовой промышленности, опубликовала документ, АР1618, в котором перечислен полный набор минимальных требований для поршневых компрессоров.
Компрессоры могут быть классифицированы как объемные компрессоры (например, поршневые, винтовые или лопастные компрессоры) или динамические компрессоры (например, центробежные компрессоры или осевые компрессоры). В объемных компрессорах сжатие достигается путем улавливания газа в заданном объеме, а затем уменьшения этого объема. В динамических компрессорах сжатие достигается путем переноса кинетической энергии от вращающегося элемента (такого как рабочее колесо) к газу, предназначенному для сжатия внутри компрессора.
Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию традиционного двухкамерного поршневого компрессора 10 (т.е. объемного компрессора), используемого в нефтяной и газовой промышленности. Сжатие происходит в цилиндре 20. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) вводится в цилиндр 20 через впускное отверстие 30, и, после сжатия, выводится через выпускное отверстие 40. Сжатие представляет собой циклический процесс, в котором текучая среда сжимается за счет перемещения поршня 50 в цилиндре 20, между головным концом 26 и концом 28 со стороны кривошипно-шатунного механизма. Поршень 50 делит цилиндр 20 на две камеры 22 и 24 сжатия, работающие в различных фазах циклического процесса, причем объем камеры 22 сжатия является наименьшим, когда объем камеры 24 сжатия наибольший, и наоборот.
1
2
Всасывающие клапаны 32 и 34 открываются, чтобы обеспечить возможность подачи предназначенной для сжатия текучей среды (т.е. имеющей первое давление/давление P всасывания) из впускного отверстия 30, соответственно, в камеры 22 и 24 сжатия. Нагнетательные клапаны 42 и 44 открываются, чтобы обеспечить возможность выпуска сжатой текучей среды (т.е. имеющей второе давление/давление P нагнетания) из камер сжатия, соответственно, 22 и 24, через выпускное отверстие 40. Поршень 50 перемещается за счет энергии, передаваемой от коленчатого вала 60 с помощью ползуна 70 и штока 80 поршня. Традиционно, всасывающие и нагнетательные клапаны, используемые в поршневом компрессоре, являются автоматическими клапанами, которые переключаются между закрытым состоянием (т.е. предотвращающим прохождение через него текучей среды) и открытым состоянием (т.е. обеспечивающим возможность прохождения через него текучей среды) благодаря перепаду давления на клапане.
2
1
1
Типичный цикл сжатия содержит четыре фазы: расширение, всасывание, сжатие и нагнетание. Когда сжатая текучая среда отводится из камеры сжатия в конце цикла сжатия, небольшое количество текучей среды при давлении P нагнетания остается захваченным в объеме мертвого пространства (т.е. минимальном объеме камеры сжатия). Во время фазы расширения и фазы всасывания цикла сжатия поршень перемещается, чтобы увеличить объем камеры сжатия. В начале фазы расширения нагнетательный клапан закрывается (всасывающий клапан остается закрытым), а затем давление захваченной текучей среды падает, поскольку объем камеры сжатия, доступный для текучей среды, возрастает. Фаза всасывания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сжатия становится равным давлению P всасывания, приводя к открытию всасывающего клапана. Во время фазы всасывания объем камеры сжатия и количество подлежащей сжатию текучей среды (при давлении P) увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут максимальный объем камеры сжатия.
1
2
2
2
Во время фаз сжатия и нагнетания цикла сжатия поршень перемещается в направлении, противоположном направлению перемещения во время фаз расширения и всасывания, чтобы уменьшить объем камеры сжатия. Во время фазы сжатия как всасывающий, так и нагнетательный клапан закрыты, давление текучей среды в камере сжатия возрастает (от давления P всасывания до давления P нагнетания), так как объем камеры сжатия уменьшается. Фаза нагнетания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сжатия сравнивается с давлением P нагнетания, приводя к открытию нагнетательного клапана. Во время фазы нагнетания текучая среда при давлении P нагнетания отводится из камеры сжатия до тех пор, пока не будет достигнут минимальный объем (объем мертвого пространства) камеры сжатия.
Использование приводных клапанов вместо автоматических клапанов (которые открываются и закрываются в связи с перепадом давления на клапане) может повысить коэффициент полезного действия и сократить объем мертвого пространства. Тем не менее, использование приводных клапанов еще не проработано в связи с особыми техническими требованиями поршневого компрессора, работающего на нефтяную и газовую промышленность, то есть большей величины сил, большей величины перемещений и сокращения времени срабатывания, относительно тех параметров, которые в настоящее время обеспечивают доступные исполнительные механизмы. Тогда как некоторые имеющиеся в настоящее время исполнительные механизмы могут удовлетворять одному из этих требований, они не могут удовлетворить всем этим условиям одновременно. Кроме того, коррозионность и опасность повреждения от взрыва, связанного с использованием поршневых компрессоров в нефтяной и газовой промышленности, еще больше ограничивают использование приводных клапанов, что приводит к необходимости размещения исполнительных механизмов снаружи компрессора.
Так как исполнительные механизмы размещены снаружи поршневых компрессоров, большая величина сил, необходимых для перемещения исполнительным механизмом закрывающего элемента клапана, в части обеспечивается перепадом давления между текучей средой внутри поршневого компрессора и окружающим воздухом (известным как гидростатическое давление). Кроме того, когда электромагнитные исполнительные механизмы генерируют большие силы в короткие времена срабатывания, исполнительные механизмы также генерируют значительное количество тепла, которое может быть проблематичным для рассеивания (и, в некоторых случаях, может даже потребовать систему охлаждения). Таким образом, было бы полезно, чтобы силы, необходимые для приведения в действие клапана, были меньше.
Соответственно, было бы желательно обеспечить клапанные узлы и способы, позволяющие уменьшить силу, необходимую для приведения в действие клапанов в поршневых компрессорах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты выполнения настоящего изобретения раскрывают устройства и способы преодоления технических проблем в приводных клапанах поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности. В частности, различные варианты выполнения выполнены с возможностью снятия эффекта гидростатического давления внутри компрессора, что требует более низких сил приведения в действие. Меньшая величина сил приведения в действие позволяет использовать электромагнитные исполнительные механизмы, которые способны генерировать необходимые (меньшие) силы за короткие времена срабатывания, в соответствии с требованиями поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности, не испытывая проблем рассеивания тепла.
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения, клапанный узел, используемый в поршневом компрессоре для нефтяной и газовой промышленности, содержит исполнительный механизм, вал, буртик и упорную втулку. Исполнительный механизм выполнен с возможностью генерации перемещения. Вал выполнен с возможностью передачи поворотного движения, вызванного перемещением, и прохождения вовнутрь корпуса поршневого компрессора. Буртик расположен недалеко от места, где вал проходит вовнутрь корпуса компрессора. Упорная втулка расположена между буртиком и корпусом компрессора. Поворотное движение приводит в действие закрывающий элемент клапана внутри корпуса компрессора.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, предложен способ приведения в действие клапана внутри поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности, включающий создание перемещения и передачу, с помощью вала, поворотного движения за счет указанного перемещения от наружной стороны корпуса компрессора, где имеется первая текучая среда, вовнутрь корпуса компрессора, где имеется вторая текучая среда, давление которой по существу выше, чем давление первой текучей среды. Кроме того, способ включает снятие силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению между второй средой и первой средой, используя буртик на валу внутри корпуса компрессора и упорную втулку, расположенную между буртиком и корпусом компрессора.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, поршневой компрессор, используемый в нефтяной и газовой промышленности, содержит (1) корпус, выполненный с возможностью разделения текучей среды от окружающей среды, и (2) клапанный узел, выполненный с возможностью управления клапаном на корпусе компрессора. Клапанный узел содержит (А) исполнительный механизм, расположенный снаружи корпуса компрессора и выполненный с возможностью создания перемещения, (Б) вал, выполненный с возможностью передачи вращающегося движения, вызванного перемещением, и прохождения вовнутрь корпуса поршневого компрессора, (В) буртик, расположенный близко к месту, где вал проходит вовнутрь корпуса компрессора, и (Г) упорную втулку, выполненную с возможностью уменьшения силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению между текучей средой и окружающей средой. Поворотное движение приводит в действие закрывающий элемент клапана.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, предложен способ модернизации поршневого компрессора, первоначально имеющего автоматический клапан. Способ включает установку исполнительного механизма, выполненного с возможностью создания перемещения снаружи корпуса поршневого компрессора, присоединение вала, который проходит вовнутрь корпуса компрессора к закрывающему элементу автоматического клапана, причем вал выполнен с возможностью передачи поворотного движения за счет перемещения и имеет буртик, расположенный близко от места, где вал проходит вовнутрь корпуса компрессора. Способ дополнительно включает установку упорной втулки между буртиком и корпусом компрессора, внутри корпуса компрессора, причем упорная втулка выполнена с возможностью гашения силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению между текучей средой внутри корпуса компрессора и окружающей средой снаружи корпуса компрессора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в описание и составляют его часть, иллюстрируют один или несколько вариантов выполнения и, вместе с описанием, объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение традиционного двухкамерного поршневого компрессора;
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее клапанный узел с исполнительным механизмом внутри корпуса компрессора;
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее клапанный узел с исполнительным механизмом снаружи корпуса компрессора;
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение поршневого компрессора, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного с возможностью передачи гидростатического давления, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 10 представляет собой схематическое изображение клапанного узла, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ приведения в действие клапана внутри поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения; и
Фиг. 12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ модернизации возвратно-поступательного компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Последующее описание иллюстративных вариантов выполнения приводится со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Последующие варианты выполнения для простоты описаны в отношении терминологии и конструкции поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности. Тем не менее, варианты выполнения, которые будут обсуждаться в последующем, не ограничиваются этим оборудованием, но могут быть применены к другому оборудованию.
Ссылка в настоящем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого предмета изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
Одна из целей описанных далее вариантов выполнения представляет собой выполнение устройств (т.е. клапанных узлов) и способов, которые позволили бы использовать один или несколько приводных клапанов в поршневых компрессорах. Сначала надо рассмотреть вопрос о целесообразности размещения исполнительного механизма внутри или снаружи корпуса компрессора.
В первом устройстве, показанном на Фиг. 2, клапанный узел 200 содержит исполнительный механизм 210 внутри корпуса компрессора 220, а более конкретно, внутри крышки 230, проточно сообщающейся с корпусом 220 компрессора и выполненной с возможностью размещения исполнительного механизма 210. Шток 240 передает перемещение и связанное с ним приводное усилие закрывающему элементу 250 (например, диску, шару, конусу и т.п.).
В качестве альтернативы, как показано на Фиг. 3, клапанный узел 300 содержит исполнительный механизм 310, расположенный снаружи корпуса 320 компрессора. Шток 330 проходит, например, через крышку 340 внутрь корпуса компрессора, чтобы приводить в действие закрывающий элемент 350.
Исполнительные механизмы 210 и 310 могут представлять собой линейные исполнительные механизмы, обеспечивающие прямолинейные перемещения, или поворотные исполнительные механизмы, обеспечивающие угловые перемещения. В случае линейных исполнительных механизмов, величина приводного усилия, передаваемого от исполнительного механизма через его вал к движущейся части клапана различается, в зависимости от того, расположен ли исполнительный механизм внутри корпуса компрессора или снаружи него.
1
2
1
2
Для исполнительного механизма 310 (т.е. линейного исполнительного механизма, расположенного снаружи корпуса компрессора) усилие должно превышать сумму первой силы F, необходимой для преодоления разности давлений на клапане, и второй силы F, необходимой для преодоления гидростатического давления, которое представляет собой разницу между давлением текучей среды внутри корпуса компрессора и давлением окружающей среды снаружи корпуса компрессора. Первая сила F пропорционально площади поверхности движущейся части 350 клапана, а вторая сила F пропорциональна площади поверхности вала 330 исполнительного механизма. Хотя площадь поверхности вала 330 исполнительного механизма по существу меньше, чем площадь поверхности движущейся части 350 клапана, разность давлений на клапане по существу меньше, чем гидростатическое давление (например, 1 бар против 300 бар). Это приводное усилие может быть больше, чем усилие, которое имеющиеся в настоящее время исполнительные механизмы способны обеспечить в течение требуемого короткого времени срабатывания (например, около 5 мс) и для относительно большого перемещения (например, 10-15 мм).
1
Для исполнительного механизма 210 (т.е. линейного исполнительного механизма, расположенного внутри корпуса компрессора) приводное усилие меньше, чем приводное усилие, необходимое для исполнительного механизма 310, поскольку приводное усилие должно только преодолеть первую силу F за счет разности давлений на клапане.
Тем не менее, когда исполнительный механизм расположен внутри корпуса компрессора, имеются дополнительные технические проблемы, которые необходимо преодолеть, особенно, когда подлежащая сжатию текучая среда является коррозионной и воспламеняемой. Внутренние части исполнительных механизмов требуют специального покрытия и герметизации для предотвращения повреждения из-за коррозионной текучей среды, в которой может оказаться затруднительно обеспечить рассеивание тепла. Управление исполнительным механизмом в корпусе компрессора, в частности, если исполнительный механизм является электрическим исполнительным механизмом, в таких горючих средах не является безопасным, в связи с неизбежной опасностью взрыва, вызываемого искрами, связанными с исполнительным механизмом.
Таким образом, для того, чтобы избежать опасности взрыва сжатой текучей среды (например, природного газа), (один или несколько) исполнительные механизмы, выполненные с возможностью и соединенные для управления закрывающими элементами (одного или нескольких) клапанов, предпочтительно установлены снаружи корпуса компрессора, так что исполнительные механизмы не находятся в прямом контакте с коррозионной и воспламеняемой текучей средой.
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение поршневого компрессора 400, имеющего один или несколько приводных клапанов. Компрессор 400 представляет собой двухкамерный поршневой компрессор. Тем не менее, клапанные узлы, выполненные в соответствии с вариантами выполнения, аналогичным тем, которые показаны на Фиг. 5-10, могут быть также использованы в однокамерных поршневых компрессорах. Сжатие происходит в цилиндре 420. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) вводится в цилиндр 420 через впускное отверстие 430, а после сжатия выпускается через выпускное отверстие 440. Сжатие происходит за счет возвратно-поступательного перемещения поршня 450 вдоль цилиндра 420, между головным концом 426 и концом 428 со стороны кривошипно-шатунного механизма. Поршень 450 делит цилиндр 420 на две камеры сжатия, 422 и 424, работающих в различных фазах циклического процесса, причем объем камеры 422 сжатия имеет самое низкое значение, когда объем камеры 424 сжатия имеет самое высокое значение, и наоборот.
1
Всасывающие клапаны 432 и 434 открываются, чтобы обеспечить возможность поступления подлежащей сжатию текучей среды (т.е. имеющей первое давление Pi) из входного отверстия 430, соответственно, в камеры 422 и 424 сжатия. Нагнетательные клапаны 442 и 444 открываются, чтобы обеспечить возможность выпуска сжатой текучей среды (т.е. имеющей второе давление P), соответственно, из камер 422 и 424 сжатия, через выпускное отверстие 440. Поршень 450 перемещается за счет энергии, получаемой, например, от коленчатого вала (не показан) с помощью ползуна (не показан) и штока 480 поршня. На Фиг. 4 клапаны 432, 434, 442 и 444 показаны расположенными на боковой стенке цилиндра 420. Тем не менее, клапаны 432 и 442, 434 и 444 могут быть расположены, соответственно, на головном конце 426 и/или на конце 428 со стороны кривошипно-шатунного механизма цилиндра 420.
В отличие от автоматического клапана, который открывается в зависимости от перепада давления на противоположных сторонах закрывающего элемента клапана, приводной клапан, такой как клапан, обозначенный номером позиции 432 на Фиг. 4, открывается, когда исполнительный механизм, например, 437, изображенный на Фиг. 4, прикладывает силу, передаваемую через шток 435 к закрывающему элементу 433 клапана 432, приводя, тем самым, к прямолинейному или угловому перемещению закрывающего элемента 433. Шток 435 не предназначен для ограничения способа, которым приводное перемещение передается от исполнительного механизма 437 к закрывающему элементу; для этой цели вместо штока 435 могут быть использованы другие механизмы передачи перемещения и преобразования перемещения. Один или несколько клапанов поршневого компрессора 400 могут представлять собой приводные клапаны. В некоторых вариантах выполнения может быть использована комбинация приводных клапанов и автоматических клапанов; например, всасывающие клапаны могут представлять собой приводные клапаны, тогда как нагнетательные клапаны могут представлять собой автоматические клапаны.
Один или несколько приводных клапанов (например, 432, показанный на Фиг. 4) содержит клапанный узел, выполненный с возможностью передачи гидростатического давления, такой как клапанный узел 500, показанный на Фиг. 5. Исполнительный механизм 510 создает (линейное или угловое) перемещение и передает его через шток 520 к закрывающему элементу 530. Шток 520 проходит вовнутрь корпуса 540 компрессора. Вблизи места прохождения штока и внутри корпуса 540 компрессора шток 520 имеет буртик 550 (то есть часть с большим диаметром). Клапанный узел 500 дополнительно содержит втулку 560, расположенную между буртиком 550 и корпусом 540 компрессора. Одно или несколько динамических уплотнений 570 (например, лабиринтных уплотнений), расположенных между корпусом 540 компрессора и валом 520, предотвращает утечку текучей среды из внутренней части корпуса 540 компрессора в окружающую среду.
Между исполнительным механизмом 510 и местом, в котором шток 520 проходит вовнутрь корпуса 540 компрессора, или между местом, в котором шток 520 проходит вовнутрь корпуса 540 компрессора и закрывающим элементом 530 могут быть использованы различные механические элементы для увеличения и/или для преобразования между линейным и угловым перемещением, которое создается исполнительным механизмом 540. В том месте, в котором шток 520 проходит вовнутрь корпуса 540 компрессора, шток 520 совершает поворотное движение (то есть связанное с угловым перемещением). Эти указанные различные элементы не проиллюстрированы со ссылкой на Фиг. 5 (лишь обозначены пунктирными линиями), но их варианты выполнения проиллюстрированы и описаны со ссылкой на Фиг. 6-10.
В том месте, где вал 520 проходит в корпус 540 компрессора, гидростатическое давление толкает буртик 550 к втулке 560, передавая, тем самым, гидростатическое давление без влияния на поворотное движение вала 520.
Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 600, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 610, расположенный снаружи корпуса 620 компрессора, выполнен с возможностью обеспечения углового перемещения штока 630, проходящего вовнутрь корпуса 620 компрессора.
Шток 630 имеет буртики 632 и 634, расположенные вблизи опоры, соответственно, 640 и 650, крышки вала. Опоры 640 и 650 крышки вместе с крышкой 660 собраны для вмещения и поддержки клапанного узла 600. Статические уплотнения 642 и 652 (например, уплотнительные кольца), расположенные между опорами, соответственно, 640 и 650 крышки и крышкой 660 обеспечивают отсутствие протекания текучей среды, находящейся внутри компрессора под высоким давлением, за его пределы.
Упорный подшипник 644, расположенный между буртиком 632 и опорой 640 крышки вала, выполнен с возможностью снятия силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению. Одно или несколько динамических уплотнений 646 (например, лабиринтных уплотнений), расположенных между валом 630 и крышкой 660, гарантировать, что текучая среда под высоким давлением не вытекает наружу компрессора.
Между буртиками 632 и 634 на валу 630 прикреплен кулачок 636. Для облегчения установки по меньшей мере один из буртиков 632 и 634 может быть выполнен с возможностью снятия с вала 630, хотя во время работы буртики 632 и 634 жестко прикреплены (например, один из буртиков может быть выполнен как одно целое с валом 630). Кулачок 636 имеет асимметричную форму относительно оси поворота вала 630. Кулачок 636 выполнен с возможностью нахождения в контакте со штоком 670, который соединен с закрывающим элементом 680 линейного клапана (например, тарельчатого клапана или кольцевого клапана). Благодаря форме кулачка 636, поворотное перемещение, передаваемое исполнительным механизмом 610 валу 630, преобразуется в прямолинейное перемещение закрывающего элемента 680.
Таким образом, в узле 600 вал 630 передает угловое перемещение, созданное с помощью исполнительного механизма 610, который расположен снаружи корпуса компрессора. Буртик 632 и упорная втулка 644 выполнены с возможностью передачи гидростатического давления таким образом, что оно не влияет на передачу этого перемещения.
Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 700, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. Некоторые элементы клапанного узла 700 аналогичны элементам 600 клапанного узла, изображенным на Фиг. 6, и, следовательно, имеют те же самые номера позиций и при этом не описаны еще раз, чтобы избежать повторения. Тем не менее, даже аналогичные элементы могут иметь по существу различные характеристики. Исполнительный механизм 610, расположенный снаружи корпуса 620 компрессора, выполнен с возможностью обеспечения углового перемещения валу 730, проходящего вовнутрь корпуса 620 компрессора. Вал 730 имеет буртики 732 и 734, расположенные вблизи опор, соответственно, 640 и 650, крышки вала. Опоры 640 и 650 крышки вала, вместе с крышкой 660 собирают для размещения и поддержки клапанного узла 700.
Вал 730 выполнен с возможностью размещения части 736 по существу параллельно оси поворота вала, но в заранее заданном важном (например, видимом, влияющим на перемещение частей, прикрепленных к этой части) расстоянии от оси. Соединительная штанга 770 прикреплена к части 736. Конец 772 соединительной штанги 770, направленный к части 736, вращается вместе с частью 736, тогда как противоположный конец 774, соединенный со штоком 775, имеет линейное перемещение. Линейное перемещение передается закрывающему элементу 680 клапана через шток 575.
Таким образом, в узле 700 вал 730 передает угловое перемещение от исполнительного механизма 610, который расположен снаружи корпуса 620 компрессора. Буртик 632 и упорная втулка 644 выполнены с возможностью передачи гидростатического давления, так что оно не влияет на передачу этого углового перемещения.
Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 800, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. В клапанном узле 800 прямолинейное перемещение, созданное с помощью исполнительного механизма 810, преобразуется в угловое перемещение (т.е. поворотное перемещение) с помощью линейно-поворотного преобразователя 820. Линейно-поворотный преобразователь 820 может быть выполнен так (т.е. относительное размеры элементов могут быть такими), чтобы увеличивать перемещение, созданное с помощью исполнительного механизма 810. Как исполнительный механизм 810, так и линейно-поворотный преобразователь 820 размещены снаружи корпуса 830 компрессора. На Фиг. 8 исполнительный механизм 810 показан отдельно от линейно-поворотного преобразователя 820. Тем не менее, в альтернативном варианте выполнения исполнительный механизм 810 и элементы линейно-поворотного преобразователя 820 могут быть установлены внутри одного и того же корпуса.
Прямолинейное перемещение, создаваемое с помощью исполнительного механизма 810, передается через вал 840 исполнительного механизма к соединительной штанге 850 в направлении вращающегося вала 860. Один конец 852 соединительной штанги 850 прикреплен к валу 840 исполнительного механизма, а противоположный конец 854 прикреплен к части 862 вала 860. Вал 860 выполнен с возможностью поворота вокруг оси, по существу параллельной, но находящейся на значительном расстоянии от части 862. Благодаря форме вала 860 и способа, которым перемещается шатун 850, линейное перемещение преобразуется в угловое перемещение (т.е. поворотное движение) вала 860. Внутри линейно-поворотного преобразователя 820 вал 860 может опираться на подшипники 870.
Вал 860 выполнен с возможностью прохождения вовнутрь корпуса 830 компрессора, причем конец вала 860 соединен с подвижной частью 890 поворотного клапана. Вал 860 имеет буртик 864. Упорный подшипник 880, расположенный между буртиком 864 и крышкой 832 корпуса 830 компрессора, гасит силу, создаваемую благодаря гидростатическому давлению. Динамические уплотнения 882, расположенные между крышкой 832 и валом 860, предотвращают утечку текучей среды, находящейся внутри корпуса 830 компрессора, за его пределы.
Таким образом, вал 860 в узле 800 передает угловое перемещение внутри корпуса 830 компрессора, тогда как буртик 832 и упорная втулка 844 выполнены с возможностью передачи гидростатического давления таким образом, что оно не влияет на передачу этого углового перемещения.
Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 900, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 910, расположенный снаружи корпуса 920 компрессора, обеспечивает угловое перемещение (т.е. поворотное перемещение) вала 930. Вал 930 проходит сквозь крышку 940 вовнутрь корпуса 920 компрессора. Вал 930 имеет буртик 932, который проталкивается благодаря гидростатическому давлению в направлении к упорному подшипнику 950, расположенному между буртиком 932 и крышкой 940. Упорный подшипник 950 гасит силу, создаваемую благодаря гидростатическому давлению. Динамические уплотнения 952, расположенные между крышкой 940 и валом 930, предотвращают утечку текучей среды, находящейся внутри корпуса 920 компрессора, за его пределы.
Внутри корпуса 920 компрессора угловое перемещение вала 930 преобразуется в прямолинейное перемещение с помощью винтового домкрата 960. Винтовой домкрат 960 жестко прикреплен к крышке 970 винтового домкрата, расположенной между крышкой 940 и корпусом 920 цилиндра. Винтовой домкрат 960 имеет внутреннюю резьбу, а вал 930 имеет наружную резьбу; тем самым, угловое перемещение преобразуется в прямолинейное перемещение. Например, винтовой домкрат 960 может протолкнуть прямолинейно вал 980 исполнительного механизма, прикрепленный к закрывающему элементу 990 линейного клапана (например, тарельчатого клапана или кольцевого клапана).
Таким образом, вал 930 в узле 900 передает угловое перемещение, созданное с помощью исполнительного механизма 910, который расположен снаружи корпуса компрессора. Буртик 932 и упорная втулка 950 выполнены с возможностью передачи гидростатического давления таким образом, что оно не влияет на передачу этого перемещения.
Фиг. 10 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 1000, выполненного в соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 1010, расположенный снаружи корпуса 1020 компрессора, обеспечивает угловое перемещение вала 1030. Вал 1030 проходит вовнутрь корпуса компрессора через крышку 1040. Вал 1030 имеет буртик 1032, диаметр которого больше, чем диаметр вала вдоль большей части его длины. Упорный подшипник 1050, расположенный между буртиком 1032 и крышкой 1040, гасит силу, создаваемую благодаря гидростатическому давлению. Динамические уплотнения 1052, расположенные между крышкой 1040 и валом 1030, предотвращают утечку текучей среды, находящейся внутри корпуса 1020 компрессора, за его пределы.
Кроме того, клапанный узел 1000 содержит вал 1060 исполнительного механизма, к первому концу 1062 которого присоединен закрывающий элемент 1070 поворотного клапана. Поворотный клапан также содержит статическое седло (статор) 1080. Когда в первом положении отверстие 1082, проходящее через седло 1080 клапана, перекрывает отверстие 1072, проходящее через поворотный клапан 1070, то клапан открыт. При повороте закрывающего элемента 1070 поворотного клапана относительно седла 1080 клапана во второе положение, отверстия 1072 и 1082 больше не перекрывают друг друга, и клапан закрыт.
Таким образом, вал 1030 передает угловое перемещение от исполнительного механизма 1010, который расположен снаружи корпуса компрессора. Буртик 1032 и упорная втулка 1044 выполнены с возможностью передачи гидростатического давления таким образом, что оно не влияет на передачу этого углового перемещения.
Подводя итог, Фиг. 5-10 иллюстрируют клапанный узел, пригодный к использованию в поршневых компрессорах для нефтяной и газовой промышленности. Эти клапанные узлы содержат исполнительные механизмы, расположенные снаружи корпуса компрессора, соединенные с валом, проходящим вовнутрь корпуса компрессора, передающим угловое перемещение (поворотное перемещение). Внутри корпуса компрессора, вблизи того места, в котором вал проходит вовнутрь корпуса компрессора, упорная втулка и буртик вала гасят силу, создаваемую благодаря гидростатическому давлению (между текучей средой внутри корпуса компрессора и окружающей средой снаружи него) таким образом, что оно не влияет на передачу поворотного движения (т.е. углового перемещения). Таким образом, гидростатическое давление не влияет на исполнительный механизм. Кроме того, поскольку исполнительный механизм расположен снаружи корпуса компрессора, не требуется никаких специальных покрытий и уплотнений.
На Фиг. 11 показана блок-схема последовательности операций способа 1100 приведения в действие клапана внутри поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Способ 1100 включает создание, на этапе S1110, перемещения и передачи с помощью вала, на этапе S1120, поворотного движения, созданного благодаря этому перемещению, снаружи корпуса компрессора, где расположена первая текучая среда, вовнутрь корпуса компрессора, где расположена вторая текучая среда, давление которой по существу выше, чем давление первой текучей среды. Кроме того, способ 1100 включает гашение, на этапе S1130, силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению между второй средой и первой средой, используя буртик, расположенный на валу внутри корпуса компрессора, и упорную втулку, расположенную между буртиком и корпусом компрессора.
Способ 1100 может также включать создание динамического уплотнения на границе раздела между валом и корпусом компрессора в том месте, в котором вал проходит вовнутрь корпуса компрессора. Если перемещение представляет собой угловое перемещение, приводящее к поворотному движению, а клапан представляет собой линейный клапан, то способ 1100 может дополнительно включать преобразование углового перемещения в прямолинейное перемещение для приведения в действие закрывающего элемента линейного клапана внутри корпуса компрессора. Если перемещение представляет собой прямолинейное перемещение, то способ 1100 может дополнительно включать преобразование прямолинейного перемещения в поворотное движение снаружи корпуса компрессора.
Способ 1100 может также включать (1) увеличение перемещения между исполнительным механизмом и валом, снаружи корпуса компрессора, и/или (2) увеличение поворотного движения между валом и закрывающим элементом клапана внутри корпуса компрессора.
Поршневой компрессор с автоматическими клапанами, используемый в нефтяной и газовой промышленности, может быть модифицирован таким образом, что один или несколько клапанов становятся приводными клапанами с клапанными узлами, выполненными с возможностью передачи сил, вследствие гидростатического давления. На Фиг. 12 показана блок-схема последовательности операций способа 1200 модификации поршневого компрессора, имеющего автоматический клапан, работающий за счет перепада давления на закрывающем элементе клапана. Способ 1200 включает установку, на этапе S1210, исполнительного механизма, выполненного с возможностью создания перемещения, снаружи корпуса поршневого компрессора. Кроме того, способ 1200 включает, на этапе S1220, соединение вала, проходящего вовнутрь корпуса компрессора, с закрывающим элементом автоматического клапана, причем вал выполнен с возможностью передачи поворотного движения, связанного с перемещением, и имеет буртик, расположенный вблизи того места, в котором вал проходит вовнутрь корпуса компрессора. Наконец, на этапе S1230, способ 1200 включает установку упорной втулки между буртиком и корпусом компрессора внутри корпуса компрессора, причем упорная втулка выполнена с возможностью гашения силы, создаваемой благодаря гидростатическому давлению между текучей средой внутри корпуса компрессора и окружающей средой снаружи корпуса компрессора.
Способ 1200 также может включать установку одного или нескольких динамических уплотнений на границе раздела между валом и корпусом компрессора в том месте, в котором вал проходит вовнутрь корпуса компрессора. Если перемещение представляет собой угловое перемещение, а клапан представляет собой линейный клапан, то способ 1200 может дополнительно включать установку механизма передачи перемещения внутри корпуса компрессора, причем механизм передачи перемещения выполнен с возможностью преобразования углового перемещения, приводящего к поворотному движению, в прямолинейное перемещение, для того, чтобы привести в действие закрывающий элемент линейного клапана. Если исполнительный механизм создает прямолинейное перемещение, то способ 1200 может дополнительно включать установку линейно-поворотного преобразователя между исполнительным механизмом и валом, снаружи корпуса компрессора, причем линейно-поворотный преобразователь выполнен с возможностью преобразования прямолинейного перемещения в поворотное движение.
В целях усовершенствования приведения в действие клапанов, способ 1200 может также включать (1) крепление механизма увеличения перемещения между исполнительным механизмом и валом, причем механизм увеличения перемещения выполнен с возможностью увеличения перемещения, и/или (2) крепление механизма увеличения перемещения между валом и закрывающим элементом клапана, причем механизм увеличения перемещения выполнен с возможностью увеличения поворотного движения.
Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают клапанные узлы, выполненные таким образом, что сила, создаваемая благодаря гидростатическому давлению, не влияет на передачу перемещения от исполнительного механизма, расположенного снаружи корпуса компрессора, к закрывающему элементу клапана внутри корпуса компрессора. Следует иметь в виду, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые включены в рамки сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения изложены многочисленные конкретные детали, для того, чтобы обеспечить полное понимание заявленного изобретения. Тем не менее, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут применяться на практике и без этих конкретных деталей.
Хотя признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может быть использован отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими раскрытыми здесь признаками и элементами, или без них.
Это описание использует примеры предмета изобретения, раскрытого здесь, чтобы обеспечить любому специалисту в данной области техники возможность использовать изобретение на практике, в том числе изготавливать и использовать любые устройства или системы, и осуществлять любые включенные способы. Объем охраны определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам в данной области техники. Такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения.