РЕГУЛИРОВОЧНЫЙ КЛАПАН С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ
CONTROL VALVE WITH ENERGY REGENERATION

Данное изобретение относится к регулировочному клапану, то есть гидродинамическому устройству, предназначенному для регулирования и/или изменения давления или потока текучей среды в трубопроводе. Такая текучая среда может находиться в жидком, газообразном, парообразном или двухфазном состоянии. В частности, клапан, являющийся объектом данного изобретения, может успешно использоваться в промышленной гидравлической магистрали, в частности, в нефтяной (нефтегазовой), химической, нефтехимической и энергетической отраслях.
Клапаны известного уровня техники содержат корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, из которого выходит текучая среда. Внутри корпуса клапана, в частности, между впускным и выпускным отверстиями, расположен регулирующий элемент для изменения потока текучей среды. В частности, клапан такого типа может использоваться для регулирования и/или изменения давления и расхода текучей среды в трубопроводе, на котором он установлен.
Неблагоприятным фактором является то, что каждый раз, когда необходимо резко понизить давление в трубопроводе, неизбежно происходит рассеивание определенного количества энергии, которое может быть весьма большим как в случае малых расходов при больших изменениях давления, так и в случае больших расходов при ограниченных изменениях давления. Энергия обычно рассеивается в виде тепла и колебаний.
Более того, резкое снижение давления может вызвать явление кавитации в текучей среде (для жидкостей) или эффект запирания потока (для газов).
Оба эффекта являются нежелательными, поскольку вносят в поток жидкости возмущения, такие как колебания или турбулентность. Кроме того, особенно в случае кавитации, существенно ускоряется износ труб и любых механических частей.
В этом контексте технической целью, лежащей в основе данного изобретения, является создание клапана, устраняющего вышеописанные недостатки известного уровня техники.
В частности, целью данного изобретения является создание клапана, способного регенерировать энергию, рассеянную вследствие снижения давления. Еще одной целью данного изобретения является предотвращение явления кавитации и, в целом, неоднородностей потока текучей среды.
Указанная техническая проблема решается с помощью клапана, имеющего технические особенности согласно п. 1 формулы изобретения. Затвор клапана может создавать первое изменение давления в текучей среде, соответствующее части полного требуемого изменения давления. Средства регенерации обеспечивают изменение основного давления путем извлечения кинетической и/или потенциальной энергии из текучей среды и одновременную регенерацию части внутренней энергии текучей среды с возможностью ее повторного использования. В варианте выполнения изобретения согласно п. 2 формулы изобретения внутренняя энергия текучей среды извлекается вращающимся элементом в виде механической работы, а не в виде тепловой и колебательной энергии.
Другие особенности и преимущества данного изобретения станут более понятны из нижеследующего иллюстративного и, следовательно, неограничивающего описания предпочтительного, но не исключительного варианта выполнения клапана, изображенного на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 изображает вид в аксонометрии в частичном разрезе клапана согласно данному изобретению,
фиг. 2 изображает покомпонентный вид в частичном разрезе клапана, показанного на фиг. 1,
фиг. 3а и 3b изображают соответственно разрез и вид в аксонометрии части клапана, показанного на фиг. 1, согласно первому варианту выполнения,
фиг. 4а и 4b изображают соответственно разрез и вид в аксонометрии части, показанной на фиг. 3а и 3b, согласно другому варианту выполнения,
фиг. 5 и 6 изображают виды в аксонометрии другой части клапана, показанного на фиг. 1, согласно двум соответствующим вариантам выполнения,
фиг. 7 изображает разрез другого варианта выполнения клапана согласно данному изобретению,
фиг. 8а и 8b изображают разрезы еще одного варианта выполнения клапана согласно данному изобретению соответственно в частично открытом положении и в закрытом положении,
фиг. 9 изображает еще один вариант выполнения клапана согласно данному изобретению,
фиг. 10 изображает еще один вариант выполнения клапана согласно данному изобретению,
фиг. 11 изображает дополнительный элемент клапана согласно данному изобретению,
фиг. 12 изображает дополнительный элемент, показанный на фиг. 11, в первом предпочтительном варианте выполнения,
фиг. 13 изображает схематический вид в частичном разрезе еще одного варианта выполнения клапана,
фиг. 14 изображает клапан, показанный на фиг. 13, в частично открытой конфигурации.
В соответствии с прилагаемыми чертежами номер 1 позиции обозначает регулировочный клапан согласно данному изобретению
Клапан 1 содержит корпус 2, имеющий впускное отверстие 3 и выпускное отверстие 4 для прохождения текучей среды.
Корпус 2 может иметь любую форму, подходящую для обеспечения возможности прохождения текучей среды от отверстия 3 к отверстию 4. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, корпус клапана имеет по существу трубчатую форму. В альтернативных вариантах выполнения (не показаны) корпус 2 может иметь более сложные формы.
Следует отметить, что все описанные и изображенные варианты выполнения имеют одно впускное отверстие 3 и одно выпускное отверстие 4. Возможны другие варианты выполнения (не показаны), имеющие любое количество впускных отверстий 3 и выпускных отверстий 4. Преимущественно поток текучей среды внутри клапана 1 не обязательно может проходить в одном направлении.
Данное изобретение содержит затвор 6, расположенный внутри корпуса 2. В частности, затвор 6 расположен между отверстием 3 и отверстием 4. Затвор 6 обеспечивает направление текучей среды к средствам 5 регенерации в соответствии с требуемым направлением и/или пространственным распределением. Кроме того, затвор 6 выполнен с возможностью перехода в закрытую конфигурацию, в которой он перекрывает поток текучей среды и закрывает клапан 1. Другими словами, затвор 6 может действовать в качестве рабочего механизма клапана 1. Преимущественно затвор 6 способствует ограничению и/или предотвращению явлений кавитации и/или запирания потока. Другие, особенно преимущественные варианты выполнения затвора 6 подробно рассмотрены в нижеследующем описании.
Клапан 1 содержит средства 5 регенерации, предназначенные для преобразования кинетической и/или потенциальной энергии текучей среды в механическую работу и для передачи такой механической работы за пределы корпуса 2. Другими словами, средства 5 извлекают внутреннюю энергию из текучей среды и преобразуют ее в кинетическую энергию, в частности в механическую работу. Энергия, извлеченная или регенерированная средствами 5, фактически преобразуется в потерю нагрузки в текучей среде, снижающую ее давление.
Средства 5 расположены внутри корпуса 2, то есть не требуют выполнения отдельного удерживающего корпуса, связанного с корпусом 2. Это обеспечивает возможность поддержания габаритных размеров клапана согласно данному изобретению в заданных пределах, по существу соответствующих пределам размеров регулировочных клапанов, существующих в настоящее время.
В предпочтительном варианте выполнения средства 5 содержат вращающийся элемент 7, расположенный внутри корпуса 2, в частности, ниже по потоку от затвора 6. Элемент 7 выполнен с возможностью приведения во вращение под действием текучей среды, проходящей внутри корпуса 2, и имеет ось «А» вращения. Предпочтительно ось «А» является неподвижной.
Благодаря расположению элемента 7 ниже по потоку от затвора 6 текучая среда соударяется с элементом 7 в по существу постоянном направлении, в стороне от любой локализованной турбулентности, создаваемой затвором 6. Элемент 7 содержит по меньшей мере одну лопатку 8, предназначенную для перехвата потока текучей среды и приведения элемента 7 во вращение. В контексте данного изобретения под «лопаткой» может пониматься любой элемент, предназначенный для взаимодействия с текучей средой и создания аэро/гидродинамических сил, которые могут приводить элемент 7 во вращение.
Предпочтительно, как показано, например, на фиг. 4а и 5а, элемент 7 имеет по существу трубчатую и цилиндрическую конструкцию. Другими словами, элемент 7 имеет наружную стенку 7а и центральную часть 7b. Между стенкой 7а и частью 7b ограничена внутренняя область 7c, в которую проходит текучая среда. В данной области 7c расположены одна или более лопаток 8.
В первом варианте выполнения, изображенном на фиг.4а и 4b, элемент 7 и, в частности, внутренняя область 7c расположены так, что их пересекает поток текучей среды, проходящий по существу параллельно оси «А» вращения.
Во втором варианте выполнения, изображенном на фиг. 3а и 3b, элемент 7 и, в частности, область 7c обеспечивают направление текучей среды вдоль траектории, по меньшей мере частично поперечной оси «А» элемента 7. Более подробно, в данном варианте выполнения текучая среда по меньшей мере на некотором отрезке проходит вдоль траектории, ориентированной в радиальном направлении. Для этого центральная часть 7b имеет отверстия, обеспечивающие сообщение области 7c с внутренней областью центральной части 7b. Внутри центральной части 7b могут быть расположены одна или более лопаток 8. Преимущественно данный вариант выполнения больше подходит для малых расходов и больших изменений давления.
Как схематически показано на фиг. 8а, 8b, 9 и 10, элемент 7 может иметь различные размеры в зависимости от динамических характеристик текучей среды, которые необходимо получить с помощью клапана 1. Он может иметь различные трубчатые части 71, 72, причем в данном случае показаны две части, каждая из которых выполнена с наружными лопатками 81, 82. Внутренняя трубчатая часть 71 также может быть выполнена с внутренними лопатками 83. Наличие различных трубчатых частей, каждая из которых снабжена наружными и/или внутренними лопатками, увеличивает количество энергии, регенерируемой вращающимся элементом. Кроме того, наличие различных трубчатых частей обеспечивает возможность регулирования падения давления, создаваемого вращающимся элементом. Направление прохождения текучей среды к трубчатой части или к различным трубчатым частям в действительности обеспечивает возможность регулирования падения давления, создаваемого в текучей среде, когда она пересекает элемент 7.
В вариантах выполнения, содержащих вращающийся элемент 7, клапан согласно данному изобретению обеспечивает падение давления в текучей среде, которое по существу преобразуется в кинетическую энергию элемента 7.
Благодаря своей конфигурации вращающийся цилиндр может эффективно регулировать и ограничивать явления расплескивания и кавитации для несжимаемых текучих сред и запирания потока для сжимаемых текучих сред. Это значительно снижает шумовые свойства клапана.
Геометрия лопатки или лопаток 8, то есть угол их наклона относительно потока текучей среды, и их протяженность в продольном направлении обеспечивают возможность задания падения давления и максимального расхода текучей среды.
Угол наклона и продольная протяженность лопаток 8 обеспечивают возможность получения изменения давления, требуемого от клапана 1, постепенно, а не резко, с его преобразованием в механическую работу.
Конструкция элемента 7 также обеспечивает возможность максимального ограничения потерь в виде колебаний и тепла, поскольку значительно уменьшено трение с текучей средой, и, следовательно, преобразование в механическую энергию является максимально высоким.
Для преобразования кинетической энергии элемента 7 в электроэнергию средства 5 регенерации содержат статор (не показан), предпочтительно связанный с корпусом 2 клапана и расположенный у элемента 7. Элемент 7 образует ротор, соединенный с указанным статором электромагнитным образом. Преимущественно это обеспечивает возможность получения высокой эффективности преобразования с сохранением размеров в заданных пределах.
Как вариант, средства 5 содержат генератор электрической энергии (не показан), расположенный снаружи корпуса 2. Для передачи кинетической энергии от элемента 7 к генератору выполнены средства механической передачи (не показаны). Преимущественно данная конфигурация препятствует возникновению электромагнитной связи внутри клапана 1 и является предпочтительной, если текучая среда, проходящая внутри клапана 1, является воспламеняемой. Дополнительное описание средств механической передачи не приведено, поскольку они известны специалистам в данной области техники.
В первом варианте выполнения затвор 6 содержит по меньшей мере первую пластину 10 и вторую пластину 11, которые расположены поперечно оси «А» вращения элемента 7. В частности, каждая пластина 10, 11 имеет по меньшей мере одно проходное отверстие 12. Первая и вторая пластины 10, 11 выполнены подвижными относительно друг друга для реверсивного перехода из закрытой конфигурации, в которой отверстия 12 полностью смещены относительно друг друга с предотвращением прохождения текучей среды, в по меньшей мере одну открытую конфигурацию, в которой отверстия 12 по меньшей мере частично совмещены для обеспечения возможности прохождения текучей среды.
Более подробно, первая и вторая пластины 10, 11 предпочтительно имеют круговую форму и расположены соосно для обеспечения возможности поворота относительно друг друга. Более подробно, пластины 10, 11 имеют центральную ось, по существу совпадающую с осью «А» вращения элемента 7. Проходные отверстия 13 выполнены по существу в форме кругового сектора.
Следует отметить, что первая пластина 10 предпочтительно прикреплена к корпусу 2, тогда как вторая пластина 11 связана с пластиной 10 с возможностью поворота. Кроме того, пластина 10 и/или пластина 11 содержат решетку 13, расположенную у отверстия 12. Преимущественно решетка 13 может полностью или частично заполнять отверстие 12 с обеспечением изменения потока текучей среды, необходимого для конкретного варианта применения. Более предпочтительно, решетка 13 при необходимости способствует предотвращению кавитации в текучей среде внутри клапана 1. Дополнительное преимущество решетки 13 заключается в уменьшении шума, создаваемого текучей средой, проходящей внутри клапана 1.
В соответствии с альтернативным вариантом выполнения изобретения, изображенным на фиг.7 и 10, затвор 6 содержит скользящий элемент 14, связанный с впускным отверстием 3. Элемент 14 выполнен с возможностью перемещения от отверстия 3 или к отверстию 3 с обеспечением его открытия и/или закрытия. В частности, следует отметить, что элемент 14 расположен соосно с элементом 7. Преимущественно это обеспечивает возможность получения более компактного клапана 1. Вариант выполнения, изображенный на фиг. 10, содержит вращающийся элемент 7, выполненный с двумя трубчатыми элементами 71, 72. Текучая среда может доходить до каждого трубчатого элемента через радиальные отверстия 71а, 72а, выполненные в боковой стенке осевого трубопровода 141, вдоль которого может скользить элемент 14. При скольжении вдоль трубопровода 141 элемент 14 постепенно открывает отверстия 71а, 72а.
В соответствии с альтернативным вариантом выполнения изобретения (изображенным на фиг. 8а и 8b) затвор 6 может быть затвором эксцентрикового типа, который выполнен с возможностью поворота относительно шарнира 15, расположенного поперечно траектории прохождения текучей среды. Затвор 6 может поворачиваться относительно шарнира 15 с обеспечением открытия и/или закрытия, даже частично, доступа к элементу 7. Например, затвор 6 может иметь форму шарового сектора или представлять собой шар.
В соответствии с третьим альтернативным вариантом выполнения изобретения, изображенным на фиг. 9, затвор 6 содержит одну пластину, которая имеет две части 61, 62, шарнирно присоединенные друг к другу на шарнирной оси Р. Такие части 61, 62 могут поворачиваться между более раскрытой конфигурацией, которая показана на фиг. 9 и в которой они закрывают проход для текучей среды, и конфигурацией, при которой они перемещаются ближе друг к другу путем поворота вокруг шарнирной оси с обеспечением открытия прохода для текучей среды, как показано пунктирной линией на фиг.9.
Клапан согласно данному изобретению может содержать дефлектор 31, расположенный между затвором 6 и средствами 5 регенерации и выполненный с обеспечением выравнивания потока жидкости параллельно заданному направлению «F». В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1 и 2, направление «F» параллельно продольной оси «X».
Как показано на фиг. 11, дефлектор 31 содержит одну или более направляющих лопаток 32, проходящих по меньшей мере частично в радиальном направлении относительно заданного направления F потока. В изображенном варианте выполнения затвор сдержит четыре направляющие лопатки 32, расположенные под прямыми углами друг к другу и проходящие в радиальном направлении относительно направления «F».
Очевидно, что возможно выполнение различного количества лопаток 32 или использование направляющих лопаток с различной формой или различным углом наклона, например спиралеобразных направляющих лопаток, в зависимости от типа обрабатываемой текучей среды и конструкции средств 5.
Например, на фиг. 12 изображен вариант выполнения, в котором направление F потока параллельно оси «А» средств 5. Средства 5 по существу аналогичны средствам регенерации в варианте выполнения, изображенном на фиг. 9, то есть они содержат вращающийся элемент 7, выполненный с двумя трубчатыми частями 71, 72, которые являются концентрическими относительно оси «А» и каждая из которых снабжена наружными лопатками 81, 82.
Внутренняя трубчатая часть 71 также снабжена внутренними лопатками 83. Дефлектор 31 установлен перед элементом 7 относительно направления потока, то есть расположен у впуска элемента 7.
Дефлектор 31 может содержать один или более кольцевых сегментов 33, концентрических относительно друг друга. Сегменты 33 способствуют улучшению направленности потока, дополнительно ограничивая турбулентности, и обеспечивают возможность прохождения жидкости в последующие проточные трубки, ограниченные между трубчатыми частями. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 12, два кольцевых сегмента 33 по существу совмещены с частями 71, 72 элемента 7, тогда как третий сегмент 33 расположен радиально снаружи относительно лопатки 82 наружной части 72.
В случае, когда элемент 7 содержит одну трубчатую часть 71, дефлектор 31 предпочтительно содержит только два кольцевых сегмента 33, один из которых, расположенный ближе к центру, совмещен с частью 71, а второй, расположенный ближе к краю, установлен в положении, которое является радиально наружным относительно лопаток 81 части 71.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения клапана затвор 6 содержит поворотный корпус 34, имеющий проходную полость 35 и выполненный с возможностью поворота вдоль оси В регулирования, перпендикулярной продольной оси X. Средства 5 регенерации расположены внутри полости 35. Предпочтительно средства 5 выполнены таким образом, что они содержат вращающийся элемент 7, который в этом случае вращается внутри полости 35. Ось А вращения элемента 7 в данном случае не является неподвижной, а изменяет свое направление вместе с поворотом корпуса 34.
Полость 35 имеет продольную ось «S», и при эксплуатации через нее проходит обрабатываемая жидкость. Поворотный корпус 34 может поворачиваться между по меньшей мере открытым положением, в котором полость 35 соединяет впускное отверстие 3 с выпускным отверстием 4, и закрытым положением, в котором полость 35 не сообщается с впускным и выпускным отверстиями 3, 4.
Корпус 34 может поворачиваться между по меньшей мере полностью открытым положением, в котором продольная ось S полости 35 совмещена с продольной осью X клапана, и закрытым положением, в котором полость 35 не обращена к отверстию 3.
В закрытом положении корпус 34 по существу преграждает путь жидкости, и она не может проходить через полость 35.
Затвор 6 вышеописанного типа может быть расположен в конце впуска полости 35, выше по потоку от элемента 7.
В соответствии с еще одним альтернативным вариантом выполнения затвор 6 может быть затвором шарового типа и/или обычного поворотного типа, который может содержать поворотные средства. Преимущественно это обеспечивает возможность приведения конкретной формы клапана 1 в соответствие с различными эксплуатационными требованиями.