Устройство и способ приведения в действие клапанов
DEVICE AND METHOD OF VALVE ACTUATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в настоящем описании, относятся в целом к устройствам и способам приведения в действие клапанов, используемых в поршневых компрессорах в нефтяной и газовой промышленности, а более конкретно к устройствам и способам увеличения перемещения и/или силы, связанной с перемещением, между исполнительным механизмом и приводимым в действие клапаном.
ОБСУЖДЕНИЕ УРОВНЯ 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, используемых 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, API618, 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 камеру, а затем уменьшения объема этой камеры. В динамических компрессорах сжатие достигается путем переноса кинетической энергии обычно от вращающегося элемента, такого как рабочее колесо, к газу, предназначенному для сжатия внутри компрессора.
Фиг. 1 изображает традиционный двухкамерный поршневой компрессор 10 (т.е. объемный компрессор), используемый в нефтяной и газовой промышленности. Сжатие происходит в цилиндре 20. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) поступает в цилиндр 20 через впускное отверстие 30 и через клапаны 32 и 34 и после сжатия выводится через клапаны 42 и 44, а затем 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, работающих в различных фазах циклического процесса, причем объем камеры 22 является наименьшим, когда объем камеры 24 наибольший, и наоборот.
1
2
Всасывающие клапаны 32 и 34 открываются в разное время, чтобы обеспечить возможность поступления предназначенной для сжатия текучей среды (т.е. имеющей первое давление / давление P всасывания) из впускного отверстия 30, соответственно, в камеры 22 и 24. Нагнетательные клапаны 42 и 44 открываются, чтобы обеспечить возможность выпуска сжатой текучей среды (т.е. имеющей второе давление / давление Р нагнетания) из камер ,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 (например, 32, 34, 42 и 44), используемые в поршневом компрессоре, являются автоматическими клапанами, которые переключаются между закрытым состоянием и открытым состоянием благодаря перепаду давления на клапане.
2
1
1
Типичный цикл сжатия содержит четыре фазы: расширение, всасывание, сжатие и нагнетание. Когда сжатая текучая среда откачивается из камеры в конце цикла сжатия, небольшое количество текучей среды при давлении Р нагнетания остается захваченным в объеме мертвого пространства (т.е. минимальном объеме камеры). Во время фазы расширения и фазы всасывания цикла сжатия поршень перемещается, чтобы увеличить объем камеры. В начале фазы расширения нагнетательный клапан закрывается (всасывающий клапан остается закрытым), а затем давление захваченной текучей среды падает, поскольку объем камеры, доступный для текучей среды, возрастает. Фаза всасывания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры становится равным давлению Р всасывания, приводя к открытию всасывающего клапана. Во время фазы всасывания объем камеры и количество подлежащей сжатию текучей среды (при давлении Р) увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут максимальный объем камеры.
1
2
2
2
Во время фаз сжатия и выпуска цикла сжатия поршень перемещается в направлении, противоположном направлению перемещения во время фаз расширения и всасывания, чтобы уменьшить объем камеры. Во время фазы сжатия как всасывающий, так и нагнетательный клапан закрыты (т.е. текучая среда не входит и не выходит из цилиндра), давление текучей среды в камере возрастает (от давления Р всасывания до давления Р нагнетания), так как объем камеры уменьшается. Фаза нагнетания цикла сжатия начинается, когда давление внутри камеры сравнивается с давлением Р нагнетания, приводя к открытию нагнетательного клапана. Во время фазы нагнетания текучая среда при давлении Р нагнетания откачивается из камеры до тех пор, пока не будет достигнут минимальный объем (объем мертвого пространства) камеры.
c1
c2
Фиг. 2 наглядно иллюстрирует график в системе координат давления от объема, для циклов сжатия, происходящих соответственно в камере 22 (сплошная линия) и в камере 24 (пунктирная линия). На графике объем V камеры 22 увеличивается слева направо, тогда как объем V камеры 24 увеличивается справа налево. Фаза расширения соответствует соответственно 1-2 и 1'-2', фаза всасывания соответствует 2-3 и 2'-3', фаза сжатия соответствует 3-4 и 3'-4', а фаза нагнетания соответствует 4-1 и 4'-1'.
Потенциальные преимущества для повышения эффективности и сокращения объема мертвого пространства для поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности, ожидаются, если вместо автоматических клапанов используются приводные клапаны. Тем не менее, условия эксплуатации клапанов еще не разработаны в связи с особыми техническими требованиями работы поршневых компрессоров в нефтяной и газовой промышленности. Ни один из имеющихся в настоящее время приводов не может обеспечить необходимые одновременно большие силы, большие перемещения и более короткое время срабатывания. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности имеется причина, которая дополнительно сдерживает использование приводных клапанов в поршневых компрессорах, которая заключается в том, что текучая среда является воспламеняемой, а взрыв может повредить компрессор.
В отличие от нефтяной и газовой промышленности, приводные клапаны в автомобильной промышленности (наиболее часто используются электроприводы) могут потребовать большой силы и короткое время срабатывания, но небольшое перемещение. Кроме того, в автомобильной промышленности нет никаких требований в отношении взрывобезопасности оборудования, взрывы фактически считаются нужным явлением, причем высокое давление, происходящее вследствие взрывов, легко рассеивается в окружающей среде.
Кроме того, в отличие от оборудования в нефтяной и газовой промышленности, приводные клапаны в военно-морской технике (наиболее часто встречаются пневматические или гидравлические приводы) требует больших сил и могут потребовать больших перемещений, но время срабатывания не является критическим.
Соответственно, было бы желательно обеспечить клапанные узлы и способы, позволяющие использовать клапаны в поршневых компрессорах, используемых в нефтяной и газовой промышленности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты выполнения идеи настоящего изобретения раскрывают устройства и способы преодоления технических проблем в приводных клапанах поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности.
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения, клапанный узел, используемый в поршневом компрессоре для нефтяной и газовой промышленности, содержит исполнительный механизм, выполненный с возможностью обеспечения перемещения; вал, соединенный с приводом и выполненный с возможностью передачи указанного перемещения от исполнительного механизма к закрывающему элементу клапана поршневого компрессора; и механизм передачи перемещения, соединенный с валом и выполненный с возможностью увеличения перемещения и/или силы, связанной с перемещением, обеспечиваемым исполнительным механизмом.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, поршневой компрессор, используемый в нефтяной и газовой промышленности, содержит (1) корпус, внутри которого сжимается текучая среда для увеличения давления; (2) по меньшей мере один клапан, соединенный с корпусом компрессора и выполненный с возможностью переключения между закрытым состоянием, в котором не допускается возможность протекания текучей среды через клапан, и открытым состоянием, в котором обеспечивается возможность протекания текучей среды через клапан, в зависимости от положения закрывающего элемента клапана; и (3) клапанный узел, соединенный с указанным по меньшей мере одним клапаном. Клапанный узел содержит (А) исполнительный механизм, выполненный с возможностью обеспечения перемещения; (Б) вал, выполненный с возможностью передачи указанного перемещения от исполнительного механизма к закрывающему элементу клапана поршневого компрессора; и (В) механизм передачи перемещения, соединенный с валом и выполненный с возможностью увеличения перемещения и/или силы, связанной с перемещением, для приведения в действие закрывающего элемента клапана.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения, предложен способ модернизации поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности и изначально имеющего автоматический клапан. Способ включает (1) установку исполнительного механизма, выполненного с возможностью обеспечения перемещения, снаружи пути протекания текучей среды в поршневом компрессоре; (2) установку вала, соединенного с исполнительным механизмом и выполненного с возможностью передачи указанного перемещения, прохождения внутрь пути протекания текучей среды в поршневом компрессоре и присоединения к закрывающему элементу клапана; и (3) присоединение механизма передачи перемещения между исполнительным механизмом и закрывающим элементом автоматического клапана, причем механизм передачи перемещения выполнен с возможностью увеличения перемещения и/или силы, связанной с указанным перемещением, когда перемещение передается через вал для приведения в действие закрывающего элемента клапана.
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 схематически изображает традиционный двухкамерный поршневой компрессор;
Фиг. 2 изображает график, иллюстрирующий типичный цикл сжатия;
Фиг. 3 представляет собой поршневой компрессор, выполненный в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 4 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 5 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 6 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 7 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 8 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 9 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;
Фиг. 10 схематически изображает клапанный узел, выполненный в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения; и
Фиг. 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ модернизации поршневого 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. Последующее 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 обеспечение устройств (т.е. клапанных узлов) и способов, которые позволили бы использовать один или несколько клапанов в поршневых компрессорах. Приводные клапаны могут быть линейными (поступательными) клапанами или поворотными (вращающимися) клапанами. Исполнительные механизмы могут представлять собой линейные исполнительные механизмы, обеспечивающие линейное перемещение, или поворотные исполнительные механизмы, обеспечивающие угловое перемещение. Приводы (один или несколько), которые выполнены и соединены с возможностью управления закрывающими частями указанного (одного или нескольких) клапана, предпочтительно установлены снаружи корпуса поршневых компрессоров, так что исполнительные механизмы не находятся в непосредственном контакте с воспламеняющейся текучей средой.
В настоящее время коммерчески доступны пневматические, гидравлические и электрические исполнительные механизмы. Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы могут быть способны обеспечить силу необходимой величины, но время, требуемое на обеспечение такой силы и перемещения, намного превышает то короткое время, которое необходимо для приведения в действие клапанов поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности. Электрические исполнительные механизмы могут срабатывать в течение требуемого времени срабатывания, но они не обеспечивают достаточную силу и/или перемещение (например, они обычно обеспечивают только от 1 до 2 мм линейного перемещения или до 40 градусов углового перемещения). Таким образом, различные клапанные узлы, описанные далее в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, усиливают перемещение и/или силу, обеспечиваемые исполнительным механизмом к клапану поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности. Путем увеличения перемещения и/или силы становится возможным использовать имеющиеся в настоящее время исполнительные механизмы в поршневом компрессоре, используемом в нефтяной и газовой промышленности.
Иллюстративный вариант выполнения поршневого компрессора 300, имеющего приводной клапан 332, схематично показан на Фиг. 3. Компрессор 300 представляет собой двухкамерный поршневой компрессор. Тем не менее, клапанные узлы, выполненные в соответствии с вариантами выполнения, аналогичным тем, которые показаны на Фиг. 4-10, могут быть также использованы в однокамерных поршневых компрессорах. Сжатие происходит в камерах 322 и 324 цилиндра 320. Предназначенная для сжатия текучая среда (например, природный газ) поступает в цилиндр 320 через впускное отверстие 330 и после сжатия, выпускается через выпускное отверстие 340. Объемы камер 322 и 324 изменяются за счет перемещения поршня 350 вдоль продольной оси цилиндра 320, чередуя перемещения в направлении головного конца 326 и в направлении конца 328 со стороны кривошипно-шатунного механизма. Поршень 350 делит цилиндр 320 на две камеры, 322 и 324, работающих в различных фазах циклического процесса, причем объем камеры 322 имеет самое низкое значение, когда объем камеры 324 имеет самое высокое значение, и наоборот.
1
2
Всасывающие клапаны 332 и 334 открываются, чтобы обеспечить возможность поступления подлежащей сжатию текучей среды (т.е. имеющей первое давление P) из впускного отверстия 330 соответственно в камеры 322 и 324. Нагнетательные клапаны 342 и 344 открываются, чтобы обеспечить возможность выпуска сжатой текучей среды (т.е. имеющей второе давление Р) соответственно из камер 322 и 324 через выпускное отверстие 340. Поршень 350 перемещается за счет энергии, получаемой, например, от коленчатого вала (не показан) с помощью ползуна (не показан) и штока 380 поршня. На Фиг. 3 клапаны 332, 334, 342 и 344 показаны расположенными на боковой стенке цилиндра 320. Тем не менее, клапаны 332 и 342, 334 и 344 могут быть расположены соответственно на головном конце 326 и/или на конце 328 цилиндра 320.
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 332 на Фиг. 3, открывается, когда исполнительный механизм, например, 337, изображенный на Фиг. 3, прикладывает силу, передаваемую через соединительный механизм 335 клапана - исполнительного механизма к закрывающему элементу 333 клапана 332, приводя тем самым к прямолинейному или угловому перемещению закрывающего элемента 333. Приводные клапаны являются более надежными, чем автоматические клапаны, и обеспечивают преимущества, заключающиеся в повышении коэффициента полезного действия и уменьшении объема мертвого пространства поршневых компрессоров, используемых в нефтяной и газовой промышленности. Один или несколько клапанов поршневого компрессора 300 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.
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 400, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 410, расположенный снаружи корпуса 420 компрессора, выполнен с возможностью обеспечения углового перемещения вала 430, проходящего вовнутрь корпуса 420 компрессора.
Вал 430 имеет буртики 432 и 434, расположенные вблизи опор, соответственно 440 и 450, крышки вала. По меньшей мере один из буртиков 432 и 434 может быть выполнен съемным, чтобы облегчить установку вала 430 (т.е. вал 430 и буртики 432 и 434 не выполнены как единое целое). Опоры 440 и 450 крышки вместе с крышкой 460 собраны для размещения и поддержки клапанного узла 400. Статические уплотнения 442 и 452, расположенные между опорами, соответственно 440 и 450 крышки и крышкой 460 обеспечивают отсутствие протекания наружу текучей среды, находящейся внутри компрессора под высоким давлением. Эти статические уплотнения могут представлять собой уплотнительные кольца.
Упорный подшипник 444, расположенный между буртиком 432 и опорой 440 крышки вала, и упорный подшипник 454, расположенный между буртиком 434 и опорой 450 крышки, выполнены с возможностью полного гашения силы (см. стрелки, направленные изнутри наружу) за счет перепада давления между текучей средой (например, природным газом) внутри корпуса компрессора, и наружным воздухом снаружи корпуса компрессора, где расположен исполнительный механизм 410. Могут быть использованы и другие типы подшипников, отличные от упорных подшипников. Динамические уплотнения 446, расположенные между валом 430 и крышкой 460, гарантируют отсутствие протекания наружу текучей среды, находящейся внутри компрессора под высоким давлением. Эти динамические уплотнения могут представлять собой лабиринтные уплотнения.
Между буртиками 432 и 434 к валу 430 прикреплен кулачок 436 (для вращения вместе с валом). Кулачок 436 имеет асимметричную форму относительно оси вращения вала 430. Кулачок 436 выполнен с возможностью нахождения в контакте с валом исполнительного механизма 470, который соединен с закрывающим элементом (не показан) линейного клапана (например, тарельчатого клапана или кольцевого клапана). Благодаря форме кулачка 436, поворотное перемещение, передаваемое исполнительным механизмом 410 валу 430, преобразуется в прямолинейное перемещение закрывающего элемента.
Таким образом, благодаря кулачку 436 узел 400 может быть использован для усиления и преобразования углового перемещения, обеспечиваемого электрическим исполнительным механизмом (например, до 40 градусов), в прямолинейное перемещение требуемой величины (например, от 5 до 10 мм), чтобы приводить в действие клапан в поршневом компрессоре.
Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 500, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. Некоторые элементы клапанного узла 500 аналогичны элементам 400 клапанного узла, изображенным на Фиг. 4 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 существенно различные характеристики. Исполнительный механизм 410, расположенный снаружи корпуса 420 компрессора, выполнен с возможностью обеспечения углового перемещения валу 530, проходящего вовнутрь корпуса 420 компрессора. Вал 530 имеет буртики 532 и 534, расположенные вблизи опор, соответственно 440 и 450, крышки вала. Опоры 440 и 450 крышки вала вместе с крышкой 460 собраны для размещения и поддержки клапанного узла 500.
Вал 530 выполнен с возможностью размещения части 536, по существу, параллельно оси вращения вала, но на заранее заданном значительном (например, видимом, влияющим на перемещение частей, прикрепленных к этой части) расстоянии от оси. Соединительная штанга 570 прикреплена к части 536. Конец 572 соединительной штанги 570, направленный к части 536, вращается вместе с частью 536, тогда как противоположный конец 574, соединенный с валом 575 исполнительного механизма, выполняет прямолинейное перемещение. Прямолинейное перемещение передается закрывающему элементу клапана (не показан) через вал 575 исполнительного механизма.
Таким образом, благодаря форме вала 530 и соединительного штока 570 относительно небольшое угловое перемещение вала, вызванное исполнительным механизмом 410, преобразуется в значительное прямолинейное перемещение закрывающего элемента.
Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 600, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. В клапанном узле 600 прямолинейное перемещение, созданное с помощью исполнительного механизма 610, преобразуется в угловое перемещение с помощью линейно-поворотного преобразователя 620. На Фиг. 6 как исполнительный механизм 610, так и линейно-поворотный преобразователь 620 расположены снаружи корпуса 630 компрессора. Тем не менее, в альтернативном варианте выполнения линейно-поворотный преобразователь 620 может быть расположен внутри корпуса 630 компрессора. Однако желательно снизить количество движущихся частей внутри корпуса 630 компрессора, чтобы снизить вероятность образования искр, например, в связи с накоплением на корпусе электрического заряда.
Кроме того, на Фиг. 6 исполнительный механизм 610 проиллюстрирован отдельно от линейно-поворотного преобразователя 620. Тем не менее, в альтернативном варианте выполнения исполнительный механизм 610 и элементы линейно-поворотного преобразователя 620 могут быть установлены внутри одного и того же корпуса.
Прямолинейное перемещение, создаваемое с помощью исполнительного механизма 610, передается через вал 640 исполнительного механизма к соединительной штанге 650. Один конец 652 соединительной штанги 650 прикреплен к валу 640 исполнительного механизма, а противоположный конец 654 прикреплен к части 662 вала 660. Вал 660 выполнен с возможностью вращения вокруг оси, по существу параллельной, но находящейся на значительном расстоянии от части 662. Благодаря форме вала 660, относительно небольшое прямолинейное перемещение, создаваемое с помощью исполнительного механизма 610, приводит к существенному угловому перемещению вала 660. Внутри линейно-поворотного преобразователя 620 вал 660 может опираться на подшипники 670.
Вал 660 выполнен с возможностью прохождения вовнутрь корпуса 630 компрессора, причем конец вала 660 соединен с подвижной частью 690 поворотного клапана. Вал 660 имеет буртик 664. Упорный подшипник 680 расположен между буртиком 664 и крышкой 632 корпуса 630 компрессора. Упорный подшипник 680 гасит силу за счет разности давлений между текучей средой внутри корпуса 630 компрессора и окружающим воздухом. Динамические уплотнения 682, расположенные между крышкой 632 и валом 660, предотвращают утечку наружу текучей среды, находящейся внутри корпуса 630 компрессора.
Таким образом, благодаря наличию линейно-поворотного преобразователя 620 узел 600 усиливает и преобразует прямолинейное перемещение, создаваемое (электрическим) исполнительным механизмом в угловое перемещение, способное приводить в действие поворотный клапан в поршневом компрессоре.
Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 700, выполненного в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 710, расположенный снаружи корпуса 720 компрессора, обеспечивает угловое перемещение вала 730. Вал 730 проходит сквозь крышку 740 вовнутрь корпуса 720 компрессора. Вал 730, который имеет буртик 732, проталкивается в направлении к упорному подшипнику 750, расположенному между буртиком 732 и крышкой 740. Упорный подшипник 750 гасит силу за счет разности давлений между текучей средой внутри компрессора и окружающим воздухом (где находится исполнительный механизм 710). Динамические уплотнения 752, расположенные между крышкой 740 и валом 730, предотвращают утечку наружу текучей среды, находящейся внутри корпуса 720 компрессора.
Внутри корпуса 720 компрессора угловое перемещение вала 730 преобразуется в прямолинейное перемещение с помощью винтового зажима 760. Винтовой зажим 760 жестко прикреплен к своей крышке 770, расположенной между крышкой 740 и корпусом 720 цилиндра. Винтовой зажим 760 имеет внутреннюю резьбу, а вал 730 имеет наружную резьбу; тем самым угловое перемещение преобразуется в прямолинейное перемещение. Например, винтовой зажим 760 может протолкнуть вал 780 исполнительного механизма, прикрепленный к закрывающему элементу 790 линейного клапана (например, тарельчатого клапана или кольцевого клапана).
Таким образом, благодаря винтовому зажиму узел 700 может быть использован для увеличения силы, обычно создаваемой с помощью электрического исполнительного механизма, и для преобразования, по мере необходимости, углового перемещения в прямолинейное перемещение для приведения в действие линейного клапана в поршневом компрессоре.
Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение клапанного узла 800, выполненного в соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения. Исполнительный механизм 810, расположенный снаружи корпуса 820 компрессора, обеспечивает угловое перемещение вала 830. Вал 830 проходит вовнутрь корпуса компрессора через крышку 840. Вал 830 имеет буртик 832, диаметр которого больше, чем диаметр вала вдоль большей части его длины. Упорный подшипник 850, расположенный между буртиком 832 и крышкой 840, гасит силу за счет разности давлений между текучей средой внутри корпуса 820 компрессора и окружающим воздухом. Динамические уплотнения 852, расположенные между крышкой 840 и валом 830, предотвращают утечку текучей среды, находящейся внутри корпуса 820 компрессора, за его пределы.
Кроме того, клапанный узел 800 содержит вал 860 исполнительного механизма, к первому концу 862 которого присоединен закрывающий элемент 870 поворотного клапана. Поворотный клапан также содержит статическое седло 880. Когда в первом положении отверстие 882, проходящее через седло 880 клапана, перекрывает отверстие 872, проходящее через поворотный клапан 870, то клапан открыт. При повороте закрывающего элемента 870 поворотного клапана относительно седла 880 клапана во второе положение, отверстия 872 и 882 больше не перекрывают друг друга, и клапан закрыт.
Коммерчески доступные исполнительные механизмы обеспечивают относительно небольшое угловое перемещение (например, до 40 градусов). Тем не менее, эффективный поворотный клапан требует, по существу, более широкого углового отверстия (например, 120 градусов). Для достижения угла поворота закрывающего элемента 870 поворотного клапана относительно седла 880 клапана, равного по меньшей мере этому более широкому угловому отверстию, угловое перемещение, обеспечиваемое исполнительным механизмом 810, увеличивается посредством повышающей зубчатой передачи 890. Повышающая зубчатая передача 890 содержит первое зубчатое колесо 892, прикрепленное к концу вала 830, и второе зубчатое колесо 894, прикрепленное ко второму концу 864 вала 860 исполнительного механизма (второй конец 864 является противоположным первому концу 862). Второй буртик может быть установлен или выполнен на валу 830 ближе к концу вала, чем к первой передаче 892. Радиус первого зубчатого колеса 892 больше, чем радиус второго зубчатого колеса 894, а, поскольку окружное перемещение шестерен 892 и 894 одно и то же, то угловое перемещение зубчатого колеса 892 (которое равно угловому перемещению, обеспечиваемому исполнительным механизмом 890) приводит к более широкому угловому перемещению зубчатого колеса 894, которое необходимо для переключения закрывающего элемента 870 поворотного клапана между первым положением (например, закрытым) и вторым положением (например, открытым). Крышка 896 повышающей зубчатой передачи, расположенная между крышкой 840 и стенкой корпуса 820 компрессора, обеспечивает опорную конструкцию для повышающей зубчатой передачи 890.
Подводя итог, Фиг. 4-8 иллюстрируют клапанные узлы, пригодные для использования 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 прямолинейное или угловое перемещение, обеспечиваемое исполнительным механизмом.
Механизм передачи перемещения между валом и закрывающим элементом увеличивает перемещение и/или силу, связанную с перемещением.
В отличие от Фиг. 4-8, на которых проиллюстрированы сложные клапанные узлы, на Фиг. 9 и 10 схематически изображены механизмы для увеличения перемещения, обеспечиваемого исполнительными механизмами, т.е. механизмы, которые могут быть расположены внутри или снаружи корпуса компрессора. На Фиг. 9 рычаг 910, выполненный с возможностью поворота вокруг оси 920 шарнира, увеличивает прямолинейное перемещение, обеспечиваемое исполнительным механизмом 930, чтобы создать с помощью вала 940 исполнительного механизма достаточное прямолинейное перемещение для приведения в действие закрывающего элемента 950 линейного клапана (например, тарельчатого или кольцевого клапана), переключая клапан между открытым состоянием и закрытым состоянием.
На Фиг. 10 прямолинейное перемещение, обеспечиваемое исполнительным механизмом 960, передается и преобразуется в угловое перемещение через соединительный шток 970, чтобы привести в действие закрывающий элемент 980 поворотного клапана.
Существующие поршневые компрессоры, имеющие цилиндр, в котором сжимается текучая среда, протекающая в цилиндр или из цилиндра через автоматический клапан, выполненный с возможностью переключения между открытым состоянием и закрытым состоянием, в зависимости от перепада давления на клапане, могут быть модифицированы (модернизированы), чтобы получить приводной клапан. На Фиг. 11 показана блок-схема, иллюстрирующая способ 1000 модернизации поршневого компрессора, используемого в нефтяной и газовой промышленности, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения. Способ 1000 включает, на этапе S1010, установку исполнительного механизма, выполненного с возможностью обеспечения перемещения, снаружи пути протекания текучей среды в поршневом компрессоре. Способ 1000 дополнительно включает, на этапе S1020, установку вала, соединенного с исполнительным механизмом и выполненного с возможностью передачи перемещения, прохождения в путь протекания текучей среды в поршневом компрессоре, и соединения с закрывающим элементом клапана. Затем способ 1000 включает, на этапе S1030, присоединение механизма передачи перемещения между исполнительным механизмом и закрывающим элементом автоматического клапана, причем механизм передачи перемещения выполнен с возможностью увеличения по меньшей мере либо перемещения, либо силы, связанной с перемещением, когда перемещение передается через вал для приведения в действие закрывающего элемента клапана.
Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают клапанные узлы для увеличения перемещения и/или силы между исполнительными механизмами и клапанами в поршневых компрессорах, используемых в нефтяной и газовой промышленности. 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. Патентоспособный объем предмета изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам в данной области техники. Такие другие примеры предназначены находиться в пределах объема формулы изобретения.