КЛЕТКА КЛАПАНА, НЕ СОДЕРЖАЩАЯ МЕРТВЫХ ЗОН МЕЖДУ УЧАСТКАМИ ШУМОПОДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОТОКА
VALVE CAGE WITHOUT DEAD ZONES BETWEEN NOISE SUPPRESSION SECTIONS AND HIGH-THROUGHPUT OF FLOW

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к регуляторам расхода текучей среды со штоком плавного перемещения, и, в частности, к затворным компонентам для регуляторов расхода текучей среды со штоком плавного перемещения.
Уровень техники
[0002] В области техники управления процессами многие устройства обработки могут быть источником нежелательных уровней шума. В устройствах регулирующего клапана затвор клапана, такой как клетки, может подвергаться воздействию различных тяжелых условий эксплуатации. Например, в устройствах распределения жидкого природного газа (ЖПГ), для сжатия природного газа в жидкую фазу перед введением в распределительную систему труб используют большие компрессоры. Известно, что во время работы компрессора может возникать потенциально опасное состояние, известное как "помпаж". Точку возникновения помпажа компрессора обычно определяют как рабочую точку, при которой возможно достижение максимального давления при минимальном стабильном потоке для данной скорости компрессора.
[0003] Работа компрессора на точке помпажа или ниже нее может приводить к нестабильной работе, которая может приводить к помпажу компрессора. Например, при нормальной эксплуатации при понижении расхода газа через систему компрессора обеспечивается повышение давление текучей среды для поддержания расхода, однако рядом с точкой помпажа компрессор не может обеспечивать достаточный момент в газе для продолжения прохождения газа через компрессор, что приводит к мгновенной остановке потока газа. При остановке потока давление на впускном отверстии падает, а давление на выпускном отверстии может превысить давление на впускном отверстии, что приводит к реверсу потока внутри компрессора (т.е., мгновенному прохождению газа от выпускного отверстия к впускному отверстию). Реверс потока поддерживается до образования требуемого напора давления на впускном отверстии турбины для преодоления состояния помпажа. При продолжении работы компрессор рядом с точкой помпажа состояние помпажа будет повторено, приводя к повторным реверсам потока до изменения условий процесса. Реверсы потока, связанные с помпажом компрессора, образуют реверсы тяги компрессора, которые могут приводить к нестабильной осевой и радиальной вибрации, которая может повредить компрессор и образовывать высокие уровни шума.
[0004] Для исключения образования помпажа компрессора, а также исключения повреждения компрессора вокруг компрессора выполняют противопомпажные системы. Известно, что противопомпажные системы требуют противопомпажные клапаны с высокой пропускной способностью (т.е., клапаны большого расхода и высокого давления). Например, противопомпажные клапаны могут иметь 22 дюймовые (55,88 см) пропускные отверстия и быть выполненными с возможностью функционирования при перепаде давления, составляющем 550 фунтов на квадратный дюйм (38,67 килограмм-сила на квадратный сантиметр). Среднему специалисту в данной области техники будет понятно, что эти условия расхода образуют большие коэффициенты расхода, которые могут образовывать значительный турбулентный поток и образовывать нежелательные уровни шума. Для предотвращения образования нежелательного шума и причиняющей ущерб вибрации противопомпажные клапаны также содержат шумоподавляющие устройства понижения давления текучей среды (например, шумоподавляющие затворные компоненты). Существующие шумоподавляющие затворные компоненты, такие как затвор Whisperflo, производимый «Fisher Controls International LLC», содержат клетку клапана с использованием конфигурации многоступенчатого понижения давления текучей среды, образованные из комплекта кольцевых пластин, определяющих множество ограничительных каналов, проходящих между полым центром и наружным периметром. Такие устройства были разработаны для оптимальной работы в применениях с низким давлением, средним давлением и высоким давлением.
[0005] В некоторых применениях предпочтительно образование всей клетки клапана из узла уложенных стопой дисков таким образом, чтобы этот узел обеспечивал шумоподавление и понижение давления текучей среды на протяжении всего пути соответствующего регулирующего поток текучей среды элемента. Однако в других применениях шумоподавление требуется только на протяжении участка этого пути. В этих случаях при выполнении всей клетки клапана из уложенных стопой дисков, узлом уложенных стопой дисков по существу обеспечивается понижение потенциальной совокупной пропускной способности потока регулирующего клапана.
Раскрытие изобретения
[0006] В одном аспекте настоящего раскрытия обеспечена клетка клапана для регулятора расхода текучей среды. Клетка в целом содержит полый цилиндрический корпус, участок шумопоглощения, участок высокой пропускной способности потока и переходный участок. Полый цилиндрический корпус имеет по меньшей мере одну внутреннюю цилиндрическую поверхность и по меньшей мере одну наружную цилиндрическую поверхность. Участок шумопоглощения имеет множество впускных отверстий, образованных во внутренней цилиндрической поверхности, множество выпускных отверстий, образованных в наружной цилиндрической поверхности, и множество извилистых путей потока, проходящих между впускными и выпускными отверстиями. Участок высокой пропускной способности потока расположен в осевом направлении рядом с участком шумопоглощения и содержит первый осевой конец, второй осевой конец и множество отверстий первичного потока, расположенных по окружности участка высокой пропускной способности потока и между первым и вторым осевыми концами. В заключение, переходный участок определен на промежуточной поверхности между участком шумопоглощения и вторым осевым концом участка высокой пропускной способности потока. Переходный участок содержит множество переходных отверстий, проходящих радиально между наружной цилиндрической поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью, причем каждое переходное отверстие содержит углубление во втором осевом конце участка высокой пропускной способности потока таким образом, чтобы переходный участок обеспечивал клетку клапана с отсутствием мертвых зон между участками шумоподавления и высокой пропускной способности потока при ее осуществлении в регуляторе расхода текучей среды.
[0007] В еще одном аспекте настоящего изобретения обеспечен регулятор расхода текучей среды, содержащий корпус клапана, клетку клапана и регулирующий элемент. Корпус клапана определяет впускное отверстие, выпускное отверстие и канал, расположенный между впускным отверстием и выпускным отверстием. Клетка клапана установлена внутри канала. Регулирующий элемент расположен с возможностью плавного перемещения внутри клетки клапана для регулирования потока текучей среды через корпус клапана. Клетка клапана в целом содержит полый цилиндрический корпус, участок шумопоглощения, участок высокой пропускной способности потока и переходный участок. Полый цилиндрический корпус имеет по меньшей мере одну внутреннюю цилиндрическую поверхность и по меньшей мере одну наружную цилиндрическую поверхность. Участок шумопоглощения имеет множество впускных отверстий, образованных во внутренней цилиндрической поверхности, множество выпускных отверстий, образованных в наружной цилиндрической поверхности и множество извилистых путей потока, проходящих между впускными и выпускными отверстиями. Участок высокой пропускной способности потока расположен в осевом направлении рядом с участком шумопоглощения и содержит первый осевой конец, второй осевой конец и множество отверстий первичного потока, расположенных по окружности участка высокой пропускной способности потока и между первым и вторым осевыми концами. В заключение, переходный участок определен на промежуточной поверхности между участком шумопоглощения и вторым осевым концом участка высокой пропускной способности потока. Переходный участок содержит множество переходных отверстий, проходящих радиально между наружной цилиндрической поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью, причем каждое переходное отверстие содержит углубление во втором осевом конце участка высокой пропускной способности потока таким образом, чтобы переходный участок обеспечивал клетку клапана с отсутствием мертвых зон между участками шумоподавления и высокой пропускной способности потока при ее осуществлении в регуляторе расхода текучей среды.
[0008] В еще одном аспекте настоящего изобретения обеспечен регулятор расхода текучей среды, содержащий корпус клапана, клетку клапана, седловое кольцо и регулирующий элемент. Корпус клапана определяет впускное отверстие, выпускное отверстие и канал, расположенный между впускным отверстием и выпускным отверстием. Клетка клапана установлена внутри канала, а седловое кольцо установлено в корпусе клапана, примыкая к концу клетки клапана. Регулирующий элемент расположен с возможностью плавного перемещения внутри клетки клапана и выполнен с возможностью перемещения между закрытым положением, при котором обеспечивается уплотняющее взаимодействие с седловым кольцом, и полностью открытым положением, при котором обеспечивается нахождение на расстоянии от седлового кольца. Клетка клапана содержит участок шумопоглощения, примыкающий к седловому кольцу, участок высокой пропускной способности потока, расположенный напротив участка шумопоглощения от седлового кольца, и средства обеспечения непрерывно изменяющейся пропускной способности потока на протяжении всего пути регулирующего элемента между закрытым положением и открытым положением. Средства обеспечения непрерывно изменяющейся пропускной способности потока расположены на промежуточной поверхности между участком шумопоглощения и участком высокой пропускной способности клетки клапана.
Краткое описание чертежей
[0009] На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении сбоку регулятора расхода текучей среды, выполненного в соответствии с принципами настоящего раскрытия.
[0010] На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении сбоку клетки клапана, выполненной в соответствии с принципами настоящего раскрытия.
[0011] На фиг. 3 показан плоский двухмерный вид наружной цилиндрической поверхности одного варианта клетки клапана по фиг. 2, схематически иллюстрирующий его участок шумопоглощения.
[0012] На фиг. 4 показан плоский двухмерный вид наружной цилиндрической поверхности еще одного варианта клетки клапана по фиг. 2, схематически иллюстрирующий его участок шумопоглощения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] На фиг. 1 изображен регулятор 10 расхода текучей среды (например, регулирующий клапан), изготовленный в соответствии с принципами настоящего раскрытия. Устройство 10 содержит корпус 12 клапана, узел 14 затвора, сильфон 16 и регулирующий элемент 18. Корпус 12 клапана содержит впускное отверстие 22, выпускное отверстие 20 и канал 24, расположенный между впускным отверстием 22 и выпускным отверстием 20. На фиг. 1 приведенный в качестве примера корпус 12 клапана выполнен в конфигурации с направленным вверх потоком, однако также может быть выполненным в конфигурации с направленным вниз потоком. Как показано, узел 14 затвора расположен внутри канала 24 корпуса 12 клапана и закреплен в нем посредством сильфона 16. Регулирующий элемент 18 содержит шток 24 клапана и плунжер 26 клапана. Шток 24 клапана проходит через сильфон 16 для прикрепления к приводу клапана (не показан), а плунжер 26 клапана расположен с возможностью плавного перемещения в узле 14 затвора и выполнен с возможностью перемещения для регулирования потока текучей среды через корпус 12 клапана. В раскрытом варианте плунжер 26 клапана содержит отверстия 28 для способствования прохождения текучей среды через плунжер 26 клапана, таким образом обеспечивая уравновешенный плунжер клапана.
[0014] Узел 14 затвора устройства 10, изображенного на фиг. 1, содержит стопор 30, клетку 32 клапана и седловое кольцо 34. Седловое кольцо 34 установлено на плечевом участке 36 корпуса 12 клапана на дне канала 24. Клетка 32 клапана расположена над седловым кольцом 34, а стопор 30 расположен над клеткой 32 клапана. Сильфон 16 удерживает стопор 30, клетку 32 клапана и седловое кольцо 34 в корпусе 12 клапана.
[0015] Со ссылкой на фиг. 2, клетка 32 клапана настоящего раскрытия содержит полый цилиндрический корпус 40, имеющий по меньшей мере одну внутреннюю цилиндрическую поверхность 42 и по меньшей мере одну наружную цилиндрическую поверхность 44. Кроме того, клетка 32 клапана содержит двухкомпонентный узел, имеющий участок 36 шумопоглощения и участок 38 высокой пропускной способности потока. В изображенном варианте участок 36 шумопоглощения расположен под участком 38 высокой пропускной способности потока и прикреплен к нему посредством множества крепежных элементов 64. В частности, множество крепежных элементов 64 в этом варианте проходят через отверстия 66 в седловом кольце 34 вверх через отверстия 68 в участке 36 шумопоглощения и ввинчены в резьбовые отверстия 70 в участке 38 высокой пропускной способности потока. Это лишь один пример, другие варианты могут быть выполнены другим образом.
[0016] Участок 36 шумопоглощения раскрытой в настоящем описании клетки 32 клапана содержит множество уложенных стопой дисков 46. Уложенные стопой диски 46 в целом выполнены в кольцевой форме, при этом выполнены в такой форме, чтобы при установке в стопу, как показано, участок 36 шумопоглощения клетки 32 клапана содержал множество впускных отверстий 50, образованных во внутренней цилиндрической поверхности 42 цилиндрического корпуса 40, множество выпускных отверстий 48, образованных в наружной цилиндрической поверхности 44 полого цилиндрического корпуса 40, и множество извилистых путей Р потока, проходящих между впускными отверстиями 50 и выпускными отверстиями 48. Как известно, впускные отверстия 50 в целом выполнены с возможностью сообщения по текучей среде с одним или более из выпускных отверстий 48 посредством множества камер давления (не показаны), образованных посредством уложенных стопой пластин между внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями 42, 44 клетки 32 клапана. При такой конфигурации пути Р потока выполнены извилистыми и могут быть выполнены с возможностью образования падения давления в камерах давления с последующим повышением давления на выпускных отверстиях 48, в результате чего обеспечивается снижение шума, образуемого прохождением текучей среды через участок 36 шумоподавления клетки 32 клапана. Хотя отверстия 50 во внутренней цилиндрической поверхности 42 участка 36 шумопоглощения описаны в настоящем описании как "впускные" отверстия, а отверстия 48 в наружной цилиндрической поверхности 44 описаны как "выпускные" отверстия, это сделано, поскольку настоящий вариант клапана 12 выполнен в конфигурации с направленным вверх потоком. При его выполнении в конфигурации с направленным вниз потоком отверстия 48 могут выполнять функцию "впускных" отверстий, а отверстия 50 могут выполнять функцию "выпускных" отверстий. Следовательно, термины "впускное" и "выпускное" не означают указание любой требуемой рабочей конфигурации, а приведены лишь с целью различения между различными отверстиями.
[0017] Участок 38 высокой пропускной способности потока клетки 32 клапана, изображенный на фиг. 2, расположен над участком 36 шумопоглощения, как было указано, и содержит цельный цилиндрический контур, имеющий первый осевой конец 52, второй осевой конец 54 и множество отверстий 56 первичного потока. Первый осевой конец 52 содержит плечевую поверхность 72 для приема стопора 30 узла 14 затвора, изображенного на фиг. 1, например, и крайнюю концевую поверхность 74, содержащую плоскую кольцевую поверхность. Второй осевой конец 54 содержит крайнюю концевую поверхность 76, содержащую фигурный контур в соответствии со следующим описанием.
[0018] Отверстия 56 первичного потока расположены по окружности по участку 38 высокой пропускной способности потока, причем каждое из них расположено между первым и вторым осевыми концами 52, 54. Другими словами, каждое из отверстий 56 первичного потока полностью ограничено материалом, образующим участок 38 высокой пропускной способности потока клетки 32 клапана. В варианте, изображенном на фиг. 2, который также изображен в двухмерном плоском виде на фиг. 3, каждое из отверстий 56 первичного потока содержит удлиненный паз, проходящий через участок 38 высокой пропускной способности потока клетки 32 клапана от наружной цилиндрической поверхности 44 к внутренней цилиндрической поверхности 42. Удлиненные отверстия 56 потока проходят в продольном направлении вдоль оси клетки 32 клапана в этом варианте.
[0019] Как также показано на фиг. 2 и 3, настоящий вариант клетки 32 клапана содержит переходный участок 58, расположенный на промежуточной поверхности между участком 36 шумопоглощения и вторым осевым концом 54 участка 38 высокой пропускной способности потока. В этом варианте переходный участок 58 по существу содержит участок, относящийся к участку 38 высокой пропускной способности потока клетки 32 клапана, примыкающий ко второму осевому концу 54. Переходный участок 58, как показано, содержит множество переходных отверстий 60, проходящих радиально через участок 38 высокой пропускной способности потока от наружной цилиндрической поверхности 44 к внутренней цилиндрической поверхности 42 клетки 32 клапана. Кроме того, каждое переходное отверстие 60 содержит углубление, образованное во втором осевом конце 54 участка 38 высокой пропускной способности потока. Другими словами, крайняя концевая поверхность 76 второго осевого конца 54 участка 38 высокой пропускной способности потока этого варианта не полностью плоская, в отличие от крайней концевой поверхности 74 на первом осевом конце 52 участка 38 высокой пропускной способности потока, а содержит множество выемок 62, проходящих в осевом направлении внутрь корпуса участка 38 высокой пропускной способности потока от второго осевого конца 54 по направлению к первому осевому концу 52. По существу, крайняя концевая поверхность 76 второго осевого конца 54 участка 38 высокой пропускной способности потока содержит множество плоских участков 78 (фиг. 3), каждый из которых проходит частично вокруг участка 38 высокой пропускной способности потока и отделен множеством изогнутых внутрь участков 80 (фиг. 3), определяющих переходные отверстия 60 или выемки 62, таким образом определяя фигурную крайнюю концевую поверхность 76. Переходные отверстия 60 или выемки 62, выполненные в форме, изображенной на фиг. 2 и 3, образуют участки удлиненных пазов, проходящие в осевом направлении вдоль участка 38 высокой пропускной способности потока.
[0020] Также со ссылкой на фиг. 3, отверстия 56 первичного потока и переходные отверстия 60 настоящего варианта клетки 32 клапана расположены и выполнены таким образом, чтобы обеспечивать возможность текучей среде сообщаться от внутренней цилиндрической поверхности 42 к наружной цилиндрической поверхности 44 (или наоборот) на протяжении всего осевого направления переходного участка 58. Другими словами, переходный участок 58 раскрытого варианта клетки 32 клапана не содержит мертвой зоны, т.е., непрерывной зоны материала, проходящего полностью и непрерывно по окружности клетки 32. Это достигается посредством добавления переходных отверстий 60, проходящих от крайней концевой поверхности 76 второго осевого конца 54 внутрь участка 38 высокой пропускной способности по направлению к первому осевому концу 52, рядом с отверстиями 56 первичного потока 56 и перекрывая их. Другими словами, в изображенном варианте переходные отверстия 60 перекрывают по меньшей мере некоторые из отверстий 56 первичного потока в осевом направлении полого цилиндрического корпуса участка 38 высокой пропускной способности потока. При такой конфигурации любой горизонтальный разрез через переходный участок 58 или участок 38 высокой пропускной способности потока в области отверстий 56 первичного потока должен всегда проходить через все переходные отверстия 60, некоторые или все отверстия 56 первичного потока, или некоторое сочетание переходных отверстий 60 и некоторых из отверстий 56 первичного потока. Такая конфигурация перекрывания или чередования отверстий 56, 60 обеспечивает непрерывное регулирование, т.е., увеличение или понижение, пропускной способности текучей среды, протекающей через клапан 10, при перемещении регулирующего элемента 18 регулирующего клапана 12 через переходный участок 58.
[0021] Хотя клетка клапана по фиг. 2 и 3 содержит отверстия 56 первичного потока и отверстия 60 переходного потока, содержащие удлиненные пазы и участки удлиненных пазов, соответственно, это лишь один вариант реализации участка 38 высокой пропускной способности потока. На фиг. 4 изображен еще один вариант реализации, в котором участок 38 высокой пропускной способности потока клетки 32 клапана содержит отверстия 56 первичного потока и отверстия 60 переходного потока, которые являются кольцевыми отверстиями и частичными кольцевыми отверстиями, соответственно. За исключением формы этих отверстий 56, 60, остальные характерные особенности клетки 32 клапана по фиг. 4 идентичны характерным особенностям клетки клапана по фиг. 2 и 3, и, следовательно, необходимость в повторении всех подробностей отсутствует. Одна основная характерная особенность для обеспечения исключения мертвых зон в клетке 32 клапана заключается в том, что переходные отверстия 60 проходят в осевом направлении внутрь участка 48 высокой пропускной способности потока от крайней концевой поверхности 76 второго осевого конца 54 по направлению к первому осевому концу 52, а также в том, что они перекрывают по меньшей мере некоторые из отверстий 56 первичного потока в осевом направлении клетки 32 клапана. Как описано ранее со ссылкой на фиг. 2 и 3, такая конфигурация обеспечивает непрерывное регулирование, т.е., увеличение или понижение, пропускной способности текучей среды, протекающей через клапан 10, при перемещении регулирующего элемента 18 регулирующего клапана 12 через переходный участок 58.
[0022] В соответствии с описанным ранее клетки 32 клапана настоящего раскрытия предназначены для обеспечения бесшовного переходного участка 58 между участком 36 шумопоглощения и участком 38 высокой пропускной способности потока, в котором точные регулирования положения регулирующего элемента 18 приводят к соответствующим регулированиям общей пропускной способности потока клапана 10. Например, при перемещении регулирующего элемента 18 от закрытого положения к открытому положению будет обеспечено в основном непрерывное увеличение пропускной способности потока текучей среды через клапан 10, пропорциональное величине перемещения плунжера 26 клапана. Эта возможность непрерывного регулирования обеспечивает высокую точность и прогнозируемость устройства. Соответственно, следует понимать, что любой из описанных в настоящем описании переходных участков 58, а также их эквивалентов, может рассматриваться как средство для обеспечения непрерывно изменяющейся пропускной способности потока на протяжении всего пути перемещения регулирующего элемента 18 между закрытым положением и открытым положением.
[0023] Хотя описанные в настоящем описании клетки клапана 32 имеют участок 36 шумопоглощения и один участок 38 высокой пропускной способности потока, другие варианты могут содержать большее количество любого из участков или обоих участков при необходимости достижения любой конкретной задачи. Например, еще один вариант может иметь два или более каждого из участков 36, 38 шумоподавления и высокой пропускной способности потока, чередующихся вдоль осевого направления клетки 32 клапана.
[0024] Несмотря на то что ранее не указано явным образом, из чертежей следует понимать, что раскрытые варианты клеток 32 клапана имеют участки шумопоглощения 36, составляющие заданный процент от общей осевой длины клетки 32 клапана. Например, в некоторых вариантах участок 36 шумопоглощения может приблизительно составлять 60% общей осевой длины клетки 32. В других вариантах участок 36 шумопоглощения может составлять приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 70%, приблизительно 80%, приблизительно 90% или в целом любую другую процентную часть общей осевой длины клетки 32 клапана для достижения требуемой задачи для любого конкретного применения регулятора расхода текучей среды.
[0025] Кроме того, хотя описанный в настоящем описании вариант клетки клапана содержит резьбовые крепежные элементы 64, закрепляющие участок 36 шумопоглощения к участку 38 высокой пропускной способности потока, другие варианты могут содержать другие средства для соединения этих компонентов, такие как сварка, клеящие вещества или стыкование с использованием наружного центратора и т.д. В одном варианте участок 38 высокой пропускной способности потока и участок шумопоглощения могут содержать резьбы, например, в области переходного участка 58 таким образом, чтобы обеспечивать свинчивание двух участков вместе. Однако одно преимущество резьбовых крепежных элементов 64 заключается в отсутствии их влияния на эксплуатацию переходных отверстий 60.
[0026] Хотя конкретные предпочтительные варианты клеток клапана и регулирующих клапанов, содержащих клетки клапана, были описаны в настоящем описании в целях иллюстрации изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения в раскрытых устройствах могут быть осуществлены без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены следующей формулой изобретения и никаким образом не ограничены предшествующим описанием.