РЕГУЛЯТОР С ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРОХОЖДЕНИЯ ПОТОКА ГАЗА
REGULATOR WITH EFFICIENT GAS FLOW

Ссылка на связанную заявку
Приоритетной заявкой для настоящего изобретения является предварительная патентная заявка США №60/913,135 от 20.04.2007, которая принадлежит заявителю настоящего изобретения и содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки на нее.
Область техники
Изобретение относится к газовым регуляторам и, более конкретно, к газовым регуляторам, снабженным приводами с управлением по замкнутому контуру.
Уровень техники
Давление, под которым газ поступает из газораспределительных систем, может варьировать в зависимости от требований, предъявляемых к системе, климата, источника снабжения и/или других факторов. Однако для большинства сооружений, которые можно рассматривать как конечных потребителей и которые оснащены различным газовым оборудованием, таким как котлы, плиты и т.д., необходимо, чтобы газ подавался к ним под определенным давлением и при расходе, меньшем или равном максимальной пропускной способности газового регулятора, который может быть установлен в системе. Такие газовые регуляторы устанавливаются в газораспределительных системах, чтобы гарантировать, что подаваемый газ отвечает требованиям со стороны конечных потребителей. Обычные газовые регуляторы содержат управляющий привод, работающий по замкнутому контуру и обеспечивающий восприятие давления поставляемого газа и управление этим давлением.
В дополнение к управлению по замкнутому контуру некоторые традиционные газовые регуляторы содержат избыточный клапан. Данный клапан обеспечивает защиту от повышенного давления, например, при выходе из строя регулятора или какого-то иного компонента распределительной системы. В частности, если выходное давление превышает заданное пороговое давление, избыточный клапан открывается, чтобы сбросить в атмосферу, по меньшей мере, часть газа и понизить тем самым давление в системе.
На фиг.1 и 1А показан известный газовый регулятор 10, который содержит привод 12 и регулирующий клапан 14. У регулирующего клапана 14 имеются вход 16 и выход 18, служащие соответственно для приема газа, например, из газораспределительной системы и для подачи газа конечному потребителю, например, такому как промышленное предприятие, ресторан, многоквартирный дом, имеющие один или более газовых приборов. Регулирующий клапан 14 дополнительно имеет клапанный порт 36, установленный между входом и выходом. Чтобы дойти от входа 16 до выхода 18 регулирующего клапана 14, газ должен пройти через данный порт 36.
На фиг.1А выполнение регулирующего клапана 14, содержащего известный клапанный порт 36 регулятора 10, показано более подробно. Известный клапанный порт 36 представляет собой цельный клапанный порт, имеющий вход 60 и выход 62, соединенные каналом 64, имеющим, по существу, цилиндрическую форму. Чтобы пройти через регулирующий клапан 14, газ должен пройти через канал 64.
Из фиг.1А видно также, что клапанный порт 36 содержит базовую часть 66, часть 68 в форме шестигранной гайки и седло 70 клапана. Базовая часть 66 имеет, по существу, круглое поперечное сечение и снабжена наружной резьбой 72, находящейся в сопряжении с резьбой на регулирующем клапане 14. Часть 68 в форме шестигранной гайки имеет шестиугольное поперечное сечение и сконфигурирована для взаимодействия с инструментом, например, таким как пневматический гаечный ключ, при установке клапанного порта 36 в регулирующий клапан 14 или при снятии клапанного порта 36 с регулирующего клапана 14 для замены другим клапанным портом с иным диаметром канала, чтобы адаптировать функциональные гидрогазодинамические характеристики клапанного порта к конкретному применению.
Седло 70 клапана выступает из части 68, имеющей форму шестигранной гайки, в направлении от базовой части 66. Оно представляет собой кольцеобразное седло, которое имеет, по существу, сужающееся сечение треугольной конфигурации, сходящееся от части 68, имеющей форму шестигранной гайки, и оканчивающееся у уплотнительной кромки 74. Более конкретно, известное седло 70 клапана имеет внутреннюю поверхность 76 и наружную поверхность 78, сходящиеся у уплотнительной кромки 74. Внутренняя поверхность 76 является продолжением канала 64, выполненного в клапанном порте 36, т.е. имеет с указанным каналом 64 одинаковый диаметр. Наружная поверхность 78 относительно внутренней поверхности 76 наклонена под углом примерно 45°, т.е. имеет, по существу, форму усеченного конуса.
В известном клапанном порте 36, показанном на фиг.1А, седло клапана имеет высоту Н и диаметр отверстия, равный D. Однако, как уже упоминалось, чтобы адаптировать функциональные характеристики регулятора 10, предусмотрена возможность замены клапанного порта 36 другим клапанным портом, имеющим иной диаметр канала. Для известных клапанных портов высота Н постоянна независимо от диаметра канала 64.
Из фиг.1 видно, что для обеспечения соответствия давления на выходе 18 регулирующего клапана 14 (т.е. выходного давления) желательному (задаваемому) выходному давлению, с регулирующим клапаном 14 связан привод 12. Данный привод 12 связан по потоку с регулирующим клапаном 14 через кольцевой выступ 34 клапанного корпуса и кольцевой выступ 20 корпуса привода. Для восприятия и регулирования выходного давления регулирующего клапана 14 привод 12 содержит управляющий узел 22.
Управляющий узел 22 содержит диафрагму 24, поршень 32 и управляющий рычаг 26 с клапанным диском (далее - диском) 28. У диска 28 имеются, по существу, цилиндрическое тело 25 и герметизирующая вставка 29, прикрепленная к телу 25 диска. Тело 25 диска в возможном варианте снабжено кольцевым фланцем 31, составляющим единое целое с указанным телом 25 диска, как это показано на фиг.1А. Диафрагма 24 воспринимает выходное давление регулирующего клапана 14. Управляющий узел 22 содержит также управляющую пружину 30, сопряженную с верхней стороной диафрагмы 24, чтобы обеспечить смещение воспринятого выходного давления. Соответственно, желательное выходное давление, которое может быть также названо заданным давлением, устанавливается путем выбора соответствующей управляющей пружины 30.
Диафрагма 24, функционально связанная (через поршень 32) с управляющим рычагом 26 и, следовательно, с диском 28, управляет проходным отверстием регулирующего клапана 14 на основе воспринятого ею выходного давления. Например, когда конечный потребитель использует оборудование, такое как котел или топка, которое накладывает требования по расходу газа на ту часть газораспределительной системы, которая расположена по направлению потока за газовым регулятором 10, выходной поток увеличивается, понижая тем самым выходное давление. Соответственно, диафрагма 24 воспринимает понизившееся выходное давление. Это позволяет управляющей пружине 30 разжаться и сместить поршень 32 и правую сторону управляющего рычага 26 вниз относительно ориентации регулятора 10, показанной на фиг.1. Такое смещение управляющего рычага 26 отводит диск 28 от уплотнительной кромки 74 седла 70 клапанного порта 36, открывая тем самым регулирующий клапан 14. На фиг.1А диск 28 показан в нормальном, открывающем состоянии. Данная конфигурация позволяет пропускать газ через канал 64 клапанного порта 36.
В положении, показанном на фиг.1А, диск 28 отодвинут от клапанного порта 36, позволяя тем самым газу проходить через регулирующий клапан 14 в условиях нормального функционирования. Вообще говоря, точное положение диска 28 зависит от разных факторов, одним из которых может быть количество газа, проходящего через клапанный порт 36 (т.е. пропускная способность клапанного порта 36). Указанный параметр, в свою очередь, зависит от диаметра и объема канала 64 клапанного порта 36. Например, если клапанный порт 36, представленный на фиг.1А, заменить клапанным портом с каналом меньших размеров, т.е. с пониженной пропускной способностью, диск 28 будет находиться ближе к клапанному порту. Однако такое соотношение расстояний не всегда приводит к оптимальным гидрогазодинамическим характеристикам прохождения среды через регулирующий клапан 14.
В частности, при использовании клапанных портов меньших диаметров поток газа через регулирующий клапан 14 проявляет тенденцию к повышению скорости, а объем пространства непосредственно за клапанным портом, т.е. между клапанным портом и диском, уменьшается. Такое уменьшение объема между горловиной регулирующего клапана 14 и диском 28 может отрицательным образом повлиять на эффективность прохождения газа от клапанного порта 36 до выхода 18 регулирующего клапана 14. Например, уменьшенный объем не обеспечивает пространства, достаточного для того, чтобы газ, проходящий через клапанный порт 36 с высокой скоростью, эффективно поступал на выход 18 и следовал через него далее. В некоторых ситуациях это может привести к увеличению давления на выходе 18, в результате чего диафрагма воспримет это неестественное повышение выходного давления и переместит диск 28 в сторону клапанного порта 36, чтобы уменьшить расход потока через регулирующий клапан 14. Это понизит выходное давление до уровня, лежащего ниже заданного (желательного) значения. Указанное явление известно под названием "спад" ("droop"), и следствием его может быть нарушение оптимального режима работы регулятора 10.
В известном регуляторе 10, представленном на фиг.1, управляющий узел 22, как уже упоминалось, функционирует так же, как избыточный клапан. Более конкретно, управляющий узел 22 содержит пружину 40 сброса давления и клапан 42 сброса давления (перепускной клапан). В центральной части диафрагмы 24 имеется сквозное отверстие 44, а у поршня 32 имеется уплотнительная манжета 38. Указанная пружина 40 установлена между поршнем 32 и диафрагмой 24, чтобы прижать диафрагму 24 к уплотнительной манжете 38 и тем самым перекрыть отверстие 44 во время нормального функционирования. В случае аварии, например поломки управляющего рычага 26, управляющий узел 22 больше не способен обеспечить прямое управление клапанным диском 28, в результате чего поток, поступающий на вход, переместит диск 28 в крайнее открытое положение. Это позволяет максимальному количеству газа поступать в привод 12.
По мере заполнения привода 12 газом возрастает давление, действующее на диафрагму 24, заставляя ее отойти от уплотнительной манжеты 38 и тем самым открывая отверстие 44. Поэтому газ будет течь через отверстие 44 в диафрагме 24 и к избыточному клапану 42. Данный клапан содержит затвор 46 и перепускную пружину 54, удерживающую затвор 46 в закрытом положении, как это показано на фиг. 1. Когда давление внутри привода 12 и смежного с ним избыточного клапана 42 достигает заданного порогового уровня, затвор 46 смещается вверх, преодолевая усилие пружины 54, и открывает избыточный клапан, сбрасывая тем самым газ в атмосферу и снижая давление внутри регулятора 10.
При выборе клапанного порта для использования в конкретном приложении специалисты сталкиваются с проблемой обеспечения максимальной пропускной способности при заданном выходном давлении и в то же время со сведением к минимуму эффектов "спада". В типичной ситуации указанная задача решается путем выбора клапанного порта, обеспечивающего компромисс между этими конкурирующими между собой подходами. Однако, как указывалось выше, известные клапанные порты различаются только диаметрами каналов, т.е. имеют постоянную высоту седел. Поэтому, хотя какие-то известные клапанные порты, в принципе, могут, функционировать эффективно, остальные, имеющие другие диаметры каналов, этому условию могут и не отвечать. Соответственно, гидрогазодинамические характеристики регулятора 10 и, более конкретно, его характеристики в отношении дополнительного повышения давления (boost characteristics) могут оказаться неоптимизированными для каждого используемого в нем клапанного порта.
Раскрытие изобретения
Изобретение обеспечивает создание устройства для регулирования потока текучей среды (регулятора), содержащего регулирующий клапан и привод. Клапан содержит корпус, снабженный специально выбранным клапанным портом, вход и выход которого соединены каналом. Привод подключен к клапанному корпусу и содержит управляющий узел с клапанным диском. Указанный диск расположен внутри клапанного корпуса и выполнен с возможностью перемещения со скольжением между положением запирания и открытым положением. Специально выбранный клапанный порт имеет седло клапана, относительно которого диск в положении запирания создает герметичное уплотнение, прекращая тем самым прохождение газа через регулятор.
В одном из вариантов осуществления изобретения высота седла клапанного порта выбрана специальным образом в зависимости, например, от диаметра или пропускной способности канала или от некоторых других функциональных характеристик. В таком выполнении специально выбранный клапанный порт максимизирует эффективность прохождения газа через регулирующий клапан.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен известный регулятор.
На фиг.1А в увеличенном масштабе на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен регулирующий клапан регулятора по фиг.1 с тем же клапанным портом.
На фиг.2 на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен регулятор по изобретению, содержащий регулирующий клапан и клапанный порт, сконструированные согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен один из клапанных портов, сконструированных согласно настоящему изобретению.
На фиг.4 на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен другой клапанный порт, сконструированный согласно настоящему изобретению.
На фиг.5 на виде сбоку, в продольном разрезе, представлен еще один клапанный порт, сконструированный согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.2 представлен газовый регулятор 100, выполненный согласно первому варианту изобретения. Основными частями газового регулятора 100 являются привод 102 и регулирующий клапан 104. У регулирующего клапана 104 имеются вход 106 для приема газа, поступающего, например, из газораспределительной системы, и выход 108 для подачи газа, например, в зону, в которой установлено газовое оборудование. Привод 102 подключен к регулирующему клапану 104 и содержит управляющий узел 122 с управляющим компонентом 127. В первом (нормальном) функциональном режиме работы управляющий узел 122 воспринимает давление, имеющееся на выходе 108 регулирующего клапана 104, т.е. выходное давление, и управляет положением управляющего компонента 127 таким образом, что выходное давление близко к заданному давлению. При этом в случае аварии в системе регулятор 100 выполняет функцию сброса давления, аналогичную функции сброса давления, описанной выше применительно к регулятору 10, показанному на фиг.1.
Из фиг.2 видно, что регулирующий клапан 104 имеет горловину 110 и кольцевой выступ 112. Кольцевой выступ 112 образует отверстие 114, вытянутое вдоль оси, по существу, перпендикулярной оси входа 106 и выхода 108. Горловина 110 находится между входом 106 и выходом 108, причем к ней прикреплен клапанный порт 136, сконструированный согласно настоящему изобретению и имеющий вход 150 и выход 152, соединенные каналом 148. На пути между входом 106 и выходом 108 регулирующего клапана 104 газ должен пройти через канал 148 в клапанном порте 136.
На фиг.3 показан клапанный порт 136 регулятора 100 по фиг.2, выбранный специальным образом, обеспечивающим максимальную эффективность прохождения газа через регулирующий клапан 104. В добавление к входу 150, выходу 152 и каналу 148 данный клапанный порт 136 содержит базовую часть 166, часть 168 в форме шестигранной гайки и седло 170 клапана. Базовая часть 166 имеет, по существу, круглое поперечное сечение и снабжена наружной резьбой 172, выполненной с возможностью сопряжения с резьбой на горловине 110 регулирующего клапана 104, как это показано на фиг.2. Часть 168 в форме шестигранной гайки имеет шестиугольное поперечное сечение и сконфигурирована для взаимодействия с инструментом, например, таким как пневматический гаечный ключ, при установке клапанного порта 136 в регулирующий клапан 104 или при снятии клапанного порта 136 с регулирующего клапана 104. Таким образом, предусмотрена возможность замены данного клапанного порта другим, имеющим иную конфигурацию, чтобы адаптировать функциональные гидрогазодинамические характеристики регулятора 100 к конкретному применению.
Седло 170 клапана выступает из части 168, имеющей форму шестигранной гайки, в направлении от базовой части 166. Оно представляет собой кольцеобразное седло, которое имеет, по существу, сужающееся сечение треугольной конфигурации, сходящееся от части 168, имеющей форму шестигранной гайки, и оканчивающееся у уплотнительной кромки 174. Более конкретно, седло 170 клапана имеет внутреннюю поверхность 176 и наружную поверхность 178, сходящиеся у уплотнительной кромки 174. В данном варианте выполнения внутренняя поверхность 176 является продолжением канала 148, выполненного в клапанном порте 136, т.е. имеет с указанным каналом 148 одинаковый диаметр. В такой конструкции канал 148 имеет по всей длине, по существу, постоянный диаметр. В варианте выполнения, представленном на фиг.3, наружная поверхность 178 относительно внутренней поверхности 176 наклонена под углом α1, выбранным в интервале от примерно 15° до примерно 30°. Таким образом, наружная поверхность 178 образует, по существу, усеченный конус.
В клапанном порте 136 по фиг.3 седло 170 клапана характеризуется набором размерных параметров (т.е. несколькими размерными параметрами). В указанный набор входят высота Н1 седла, высота h1 шестигранной гайки и диаметр D1 канала. Высоту Н1 седла выбирают в виде функции от диаметра D1 канала, так что эта высота будет подобрана для конкретных значений диаметра D1 канала, пропускной способности клапанного порта 136 и/или желательных гидрогазодинамических характеристик регулятора 100, показанного на фиг.2. В варианте выполнения клапанного порта 136 (см. фиг.3) высота Н1 седла может иметь размер, выбранный в интервале от примерно 60% до примерно 90% диаметра D1 канала. В частности, в одном из вариантов выполнения высота Н1 может составлять примерно 1 см при возможном диаметре D1 канала примерно 1,3 см. Однако указанные размеры приведены только в качестве примеров, т.е. границы настоящего изобретения охватывают и другие варианты осуществления, имеющие альтернативные размерные параметры.
На фиг.4 представлен вариант клапанного порта 236, выполненного согласно принципам изобретения и с возможностью установки в регулирующий клапан 104 вместо описанного выше клапанного порта 136. Порт 236 по фиг.4, по существу, подобен порту 136, описанному выше со ссылками на фиг.3, в том, что он содержит базовую часть 266, часть 268 в форме шестигранной гайки и седло 270 клапана. Базовая часть 266 имеет, по существу, круглое поперечное сечение и снабжена наружной резьбой 272, выполненной с возможностью сопряжения, в частности, с резьбой на горловине 110 регулирующего клапана 104, показанного на фиг.2. Часть 268 в форме шестигранной гайки имеет шестиугольное поперечное сечение и сконфигурирована для взаимодействия с инструментом, например, таким как пневматический гаечный ключ, при установке клапанного порта 236 в регулирующий клапан 104 или при снятии клапанного порта 236 с регулирующего клапана 104.
Седло 270 клапана выступает из части 268, имеющей форму шестигранной гайки, в направлении от базовой части 266. Оно представляет собой кольцеобразное седло, которое имеет, по существу, сужающееся сечение треугольной конфигурации, сходящееся от части 268, имеющей форму шестигранной гайки, и оканчивающееся у уплотнительной кромки 274. Более конкретно, седло 270 клапана имеет внутреннюю поверхность 276 и наружную поверхность 278, сходящиеся у уплотнительной кромки 274. В данном варианте выполнения внутренняя поверхность 276 является продолжением канала 248, выполненного в клапанном порте 236, т.е. имеет с указанным каналом 248 одинаковый диаметр. В такой конструкции канал 248 имеет по всей длине, по существу, постоянный диаметр. В варианте выполнения, представленном на фиг.4, наружная поверхность 278 относительно внутренней поверхности 276 наклонена под углом α2, выбранным в интервале от примерно 25° до примерно 60°. Таким образом, наружная поверхность 278 по данному варианту выполнения образует, по существу, усеченный конус.
В клапанном порте 236 по фиг.4 седло 270 клапана характеризуется набором размерных параметров (т.е. несколькими размерными параметрами). В указанный набор входят высота Н2 седла, высота h2 шестиугольной гайки и диаметр D2 канала. Высота h2 шестиугольной гайки клапанного порта 236 по фиг.4 идентична высоте h1 шестиугольной гайки порта 136 по фиг.3. Высота Н2 седла клапанного порта 236 по фиг.4 меньше высоты Н1 седла клапанного порта 136 по фиг.3. Диаметр D2 канала клапанного порта 236 по фиг.4 больше диаметра D1 седла клапанного порта 136 по фиг.3. В варианте выполнения клапанного порта 236 по фиг.4 высота Н2 седла может составлять от примерно 15% до примерно 50% диаметра D2 канала. В частности, в одном из вариантов выполнения высота Н2 седла может составлять примерно 0,6 см при возможном диаметре D2 канала примерно 1,6 см. Таким образом, указанную высоту Н2 седла клапанного порта 236, показанного на фиг.4, выбирают специальным образом, исходя из значения диаметра D2 канала.
На фиг.5 представлен вариант клапанного порта 336, выполненного согласно принципам изобретения и с возможностью установки в регулирующий клапан 104 вместо описанных выше клапанных портов 136, 236. Порт 336 по фиг.5, по существу, подобен портам 136, 236, описанным выше со ссылками на фиг.3 и 4, в том, что он содержит базовую часть 366, часть 368 в форме шестигранной гайки и седло 370 клапана. Базовая часть 366 имеет, по существу, круглое поперечное сечение и снабжена наружной резьбой 372, выполненной с возможностью сопряжения, в частности, с резьбой на горловине 110 регулирующего клапана 104, показанного на фиг.2. Часть 368 в форме шестигранной гайки имеет шестиугольное поперечное сечение и сконфигурирована для взаимодействия с инструментом, например, таким как пневматический гаечный ключ, при установке клапанного порта 336 в регулирующий клапан 104 или при снятии клапанного порта 336 с регулирующего клапана 104.
Седло 370 клапана выступает из части 368, имеющей форму шестигранной гайки, в направлении от базовой части 366. Оно представляет собой кольцеобразное седло, которое имеет, по существу, сужающееся сечение треугольной конфигурации, сходящееся от части 368, имеющей форму шестигранной гайки, и оканчивающееся у уплотнительной кромки 374. Более конкретно, седло 370 клапана имеет внутреннюю поверхность 376 и наружную поверхность 378, сходящиеся у уплотнительной кромки 374. В данном варианте выполнения внутренняя поверхность 376 седла 370 клапана является продолжением канала 348, выполненного в клапанном порте 336, т.е. имеет с указанным каналом 348 одинаковый диаметр. В такой конструкции канал 348 имеет по всей длине, по существу, постоянный диаметр. В варианте выполнения, представленном на фиг. 5, наружная поверхность 378 относительно внутренней поверхности 376 наклонена под углом α3, выбранным в интервале от примерно 15° до примерно 50°. Таким образом, наружная поверхность 378 по данному варианту выполнения образует, по существу, усеченный конус.
В клапанном порте 336 по фиг.5 седло 370 клапана характеризуется набором размерных параметров (т.е. несколькими размерными параметрами). В указанный набор входят высота Н3 седла, высота h3 шестиугольной гайки и диаметр D3 канала. Высота h3 шестиугольной гайки клапанного порта 336 по фиг.5 идентична высотам h1, h2 шестиугольных гаек клапанных портов 136, 236 по фиг.3 и 4. Высота Н3 седла клапанного порта 336 по фиг.5 меньше высот Н1, Н2 седел клапанных портов 136, 236 по фиг.3 и 4. Диаметр D3 канала клапанного порта 336 по фиг.5, наоборот, больше диаметров D1, D2 каналов клапанных портов 136, 236 по фиг.3 и 4. В варианте выполнения клапанного порта 336 по фиг.5 высота Н3 седла может составлять от примерно 5% до примерно 35% диаметра D3 канала. В частности, в одном из вариантов выполнения высота Н3 седла может составлять примерно 0,5 см при возможном диаметре D3 канала примерно 2,5 см. Таким образом, указанную высоту Н3 седла клапанного порта 336, показанного на фиг.5, выбирают специальным образом, исходя из диаметра D3 канала.
Соответственно, из представленного описания должно быть понятно, что клапанные порты 136, 236, 336, сконструированные в соответствии с принципами изобретения, выполнены специальным образом. Согласно такому выполнению они содержат седла 170, 270, 370 клапанов, имеющие такую высоту Н1, Н2, Н3, которая обеспечивает максимальную эффективность прохождения потока газа от клапанных портов 136, 236, 336 и далее через выход 108 регулирующего клапана 104 (см. фиг.2). В описанных вариантах выполнения для высот Н1, Н2, НЗ седел выбраны значения, связанные обратной зависимостью с диаметрами D1, D2, D3 каналов. Например, в виде поясняющей информации можно указать, что клапанный порт 136, 236, 336, предназначенный для любого конкретного приложения, характеризуется несколькими размерными параметрами, в том числе высотой Н седла, длиной L канала и диаметром D канала. Такой комплект размерных параметров выбирают в виде подгруппы набора возможных размерных параметров Н1, Н2, Н3, L1, L2, L3, D1 D2, D3, причем значения высот Н1, Н2, Н3 седел и длин L1, L2, L3 каналов, входящие в указанный набор, находятся в виде обратной зависимости относительно диаметров D1, D2, D3 каналов, также входящих в указанный набор.
Другими словами, можно сказать, что клапанные порты 136, 236, 336, выбранные для любого конкретного приложения, характеризуются выбранным набором параметров. В указанный набор входят диаметр D канала и высота Н седла (расстояние, на которое седло клапана выступает вдоль канала из части клапанного порта, имеющей форму шестигранной гайки). Выбранный набор параметров D, Н предварительно выбирают из множества наборов D1, D2, D3, Н1, Н2, Н3, причем каждый из таких наборов содержит диаметр канала и высоту седла, а значения высот седел, входящие в указанные наборы, находятся в обратной зависимости относительно диаметров каналов, входящих в указанные наборы.
В альтернативных вариантах выполнения высоты Н1, Н2, Н3 можно выбрать в виде функции от любого другого фактора, такого, например, как пропускная способность конкретного клапанного порта 136, 236, 336, желательное выходное давление или, по существу, любой другой параметр. В дополнение к сказанному, пропускные способности клапанных портов 136, 236, 336, как уже упоминалось, пропорциональны диаметрам D1, D2, D3 каналов и, соответственно, обратно пропорциональны высотам Н1, Н2, Н3 седел.
Далее, как указывалось выше, седла 170, 270, 370 клапанных портов 136, 236, 336 имеют внутренние поверхности 176, 276, 376, которые являются продолжениями каналов 148, 248, 348. Поэтому наборы параметров каждого клапанного порта 136, 236, 336 дополнительно содержат продольные размеры L1, L2, L3 (см. фиг.3-5) указанных каналов 148, 248, 348, включающие в себя высоты Н1, Н2, Н3 седел. Сами по себе продольные размеры L1, L2, L3 каналов 148, 248, 348 клапанных портов 136, 236, 336 также находятся в обратной зависимости от диаметров D1, D2, D3 этих каналов.
Как будет показано далее, такие специально выбранные высоты Н1, Н2, Н3 седел эффективно оптимизируют условия прохождения потока (более конкретно - пропускную способность) для каждого диаметра D1, D2, D3 канала.
Например, из фиг.2 видно, что привод 102 регулятора 100, сконструированного согласно настоящему изобретению, содержит корпус 116 и, как упомянуто выше, управляющий узел 122. У корпуса 116 имеются верхняя часть 116а и нижняя часть 116b, соединенные одна с другой, например, с помощью крепежных элементов. В нижней части 116b образованы управляющая полость 118 и кольцевой выступ 120 привода с отверстием, связанным по потоку с отверстием кольцевого выступа 112 регулирующего клапана 104, чтобы обеспечить связь по потоку между приводом 102 и регулирующим клапаном 104. В данном варианте регулятор 100 снабжен хомутом 111, скрепляющим данные выступы 112, 120. В верхней части 116а корпуса образованы полость 134 сброса давления и порт 156 сброса давления. У верхней части 116а имеется также цилиндрический выступающий участок 158 для размещения компонентов управляющего узла 122, как это будет описано далее.
Управляющий узел 122 содержит блок 121 диафрагмы, блок 123 диска и избыточный клапан 142. Блок 121 диафрагмы содержит диафрагму 124, поршень 132, управляющую пружину 130, пружину 140 сброса давления, нижнее седло 164, седло 165 для пружины сброса давления, седло 160 для управляющей пружины и направляющую 159 поршня.
Более конкретно, диафрагма 124 представляет собой дисковидную диафрагму со сквозным отверстием 144 в своей центральной части. Диафрагма 124 выполнена из гибкого, по существу, воздухонепроницаемого материала и герметично зажата по своей периферии между верхней и нижней частями 116а, 116b корпуса 116. Таким образом, диафрагма 124 отделяет полость 134 сброса давления от управляющей полости 118.
Нижнее седло 164, расположенное непосредственно над диафрагмой 124, снабжено отверстием 171, расположенным соосно отверстию 144 в диафрагме 124. Как показано на фиг. 2, на нижнее седло 164 опираются управляющая пружина 130 и пружина 140 сброса давления.
У поршня 132 по данному варианту выполнения имеется удлиненный компонент в форме стержня, снабженный уплотнительной манжетой 138, вилкой 173, резьбовым участком 177 и направляющим участком 175. Уплотнительная манжета 138 выполнена вогнутой и, по существу, дисковидной; она охватывает по окружности среднюю часть поршня 132 и расположена непосредственно под диафрагмой 124. У вилки 173 имеется углубление для приема соединительного звена 135, прикрепленного также к элементу блока 123 диска и связывающего тем самым блок 121 диафрагмы и блок 123 диска, как это будет описано далее.
Направляющий и резьбовой участки 175, 177 поршня 132 проведены через отверстия 144, 171 в диафрагме 124 и в нижнем седле 164 соответственно. Направляющий участок 175 поршня 132 может перемещаться со скольжением в полости, образованной в направляющей 159 поршня, которая обеспечивает совмещение оси поршня 132 с осью управляющего узла 122. Пружина 140 сброса давления, седло 165 для этой пружины и гайка 181 находятся на резьбовом участке 177 поршня 132. Гайка 181 удерживает пружину 140 сброса давления между нижним седлом 164 и седлом 165 для пружины сброса давления. Как было упомянуто, управляющая пружина 130 установлена на нижнее седло 164 и находится внутри выступающего участка 158 верхней части 116а корпуса. Седло 160 для управляющей пружины ввинчено в указанный участок 158 и обеспечивает прижатие управляющей пружины 130 к нижнему седлу 164.
В представленном варианте управляющая пружина 130 и пружина 140 сброса давления являются спиральными пружинами, работающими на сжатие. При этом управляющая пружина 130 зафиксирована относительно верхней части 116а корпуса и прикладывает направленное вниз усилие к нижнему седлу 164 и к диафрагме 124. Пружина 140 сброса давления зафиксирована относительно нижнего седла 164 и прикладывает направленное вверх усилие к седлу 165 для пружины сброса давления, так что это усилие передается поршню 132. В данном варианте усилие, создаваемое управляющей пружиной 130, регулируется настройкой положения седла 160 для этой пружины по длине выступающего участка 158. Как следствие, задаваемое давление регулятора 100 также является регулируемым.
Управляющая пружина 130 противодействует давлению в управляющей полости 118, которое воспринимается диафрагмой 124. Как было упомянуто, это давление совпадает с давлением на выходе 108 регулирующего клапана 104. Соответственно, усилие, прикладываемое управляющей пружиной 130, задает желательное выходное давление, обеспечиваемое регулятором 100. Выше уже указывалось, что блок 121 диафрагмы функционально связан с блоком 123 диска через вилку 173 поршня 132 и соединительное звено 135.
Более конкретно, блок 123 диска содержит управляющий рычаг 126 и направляющую 162 штока 179, входящего в состав управляющего рычага 126 вместе с плечом 180 и управляющим компонентом 127. Управляющий компонент 127 в этом варианте содержит диск 128. Данный диск 128 снабжен уплотнительным диском 129, герметизирующим выход 152 клапанного порта 136, как это показано на фиг. 2. Уплотнительный диск 129 можно прикрепить к остальной части диска 128, например с помощью клея или посредством какого-то другого средства. Предусмотрена возможность выполнить уплотнительный диск 129 из того же материала, из которого изготовлена остальная часть диска 128, или из другого материала. Например, в одном из возможных вариантов выполнения уплотнительный диск 129 состоит из полимера.
Шток 179, плечо 180 и диск 128 изготовлены по отдельности и соединены с образованием управляющего рычага 126. В частности, шток 179 является, по существу, линейным стержнем с наконечником 178а и, по существу, прямоугольным в сечении вырезом 178b. Плечо 180 имеет форму слегка изогнутого стержня с шарниром на своем конце 180а и со свободным концом 180b. На конце 180а имеется отверстие 184 для приема шарнирного пальца 186, закрепленного на нижней части 116b корпуса. На конце 180а имеется также поворотный эллиптический кулак 187, введенный в вырез 178b штока 179. Свободный конец 180b плеча 180 проведен между верхним участком 135а и пальцем 135b соединительного звена 135, прикрепленного к вилке 173 поршня 132, так что это звено функционально связывает блок 123 диска с блоком 121 диафрагмы.
У направляющей 162 штока имеются, по существу, цилиндрическая наружная часть 162а, по существу, цилиндрическая внутренняя часть 162b и радиальные перемычки 162с, соединяющие внутреннюю и наружную части 162b. 162а. Размеры и конфигурация наружной части 162а направляющей 162 штока выбраны из условия ее вхождения в отверстия кольцевых выступов 112, 120 регулирующего клапана 104 и нижней части 116b корпуса. Размеры и конфигурация внутренней части 162b выбраны так, чтобы удерживать, с возможностью скользящего перемещения, шток 179 управляющего рычага 126. Таким образом, направляющая 162 штока обеспечивает взаимное согласование положений регулирующего клапана 104, корпуса 116 привода и управляющего узла 122, в первую очередь, штока 179 управляющего рычага 126 в составе этого узла.
Как уже упоминалось, на фиг.2 регулятор 100 по данному варианту осуществления изобретения показан в ситуации, когда диск 128 находится в нормальном, запертом состоянии, т.е. герметично сопрягается с выходом 152 клапанного порта 136. При таком расположении поток газа не проходит через порт 136 и регулирующий клапан 104. Данное состояние обеспечивается тем, что выходное давление, соответствующее давлению в управляющей полости 118 корпуса 116 привода и воспринимаемое диафрагмой 124, превышает усилие, приложенное со стороны управляющей пружины 130, и заставляет диафрагму 124, поршень 132 и диск 128 находиться в положениях, соответствующих запиранию регулятора.
Однако, если в газораспределительной системе возникает оперативная потребность в газе, например, если потребитель начинает использовать оборудование, такое как топка, печь и т.д., которое отбирает газ из управляющей полости 118 регулятора 100, происходит снижение давления, воспринимаемое диафрагмой 124. В результате возникает дисбаланс между действующими на диафрагму 124 усилием со стороны управляющей пружины и усилием, обусловленным выходным давлением. Поэтому управляющая пружина 130 разжимается и смещает диафрагму 124 и поршень 132 вниз относительно корпуса 116 привода. Это смещение заставляет плечо 180 повернуться вокруг шарнирного пальца 186 по часовой стрелке и, соответственно, повернуть кулак 187 относительно выреза 178b в штоке 179. При этом шток 179 и диск 128 отходят от выхода 152 порта 136, открывая регулирующий клапан 104.
В таком состоянии газораспределительная система способна подавать газ через регулирующий клапан 104 к расположенному за ним оборудованию под заданным давлением, определяемым управляющей пружиной 130. При этом блок 121 диафрагмы продолжает отслеживать выходное давление регулирующего клапана 104. Пока выходное давление остается примерно равным заданному давлению, управляющий узел 122 будет удерживать диск 128 в одном и том же положении. Однако, если поток на выходе уменьшается, т. е. снижается потребность в газе, выходное давление будет повышаться и превысит давление, заданное управляющей пружиной 130. Диафрагма 124 воспримет повышение выходного давления и сместится вверх, преодолевая противодействие управляющей пружины 130. В альтернативной ситуации, когда выходной поток увеличивается (т. е. растет потребность в газе), выходное давление станет ниже заданного давления. Диафрагма 124 воспримет это падение выходного давления, и пружина 130 сместит диафрагму 124 и поршень 132 вниз, открывая тем самым регулирующий клапан 104. Таким образом, небольшие отклонения от выходного (заданного) давления вызывают реакцию управляющего узла 122, т.е. соответствующую регулировку положения диска 128.
В соответствии со сказанным регулятор 100, оборудованный любым из клапанных портов 136, 236, 336 по настоящему изобретению, функционирует, по существу, таким же образом, что и известный регулятор 10, описанный выше со ссылками на фиг.1 и 1А. Однако различие состоит в том, что каждый из предлагаемых портов 136, 236, 336, сконструированных согласно принципам изобретения, оптимизирует эффективность прохождения газа через регулирующий клапан 104 и тем самым нейтрализует эффекты "спада", присущие известному регулятору 10.
Более конкретно, известные клапанные порты 36, как указывалось выше, имеют постоянную высоту Н седла, не зависящую от конкретного диаметра D канала 64. В нормальных функциональных условиях известный регулятор 10 позиционирует диск 28, чтобы сбалансировать пространственный объем, заключенный между горловиной регулирующего клапана 14 и диском 28, с объемом канала 64. Поэтому известный регулятор 10 позиционирует диск 28 ближе к клапанным портам, каналы которых имеют относительно небольшие диаметры, и дальше от клапанных портов, имеющих каналы с относительно большими диаметрами. Однако каналы с относительно маленькими диаметрами проявляют тенденцию к повышению скоростей потоков. Такие потоки более турбулентны и для эффективного перехода из клапанного порта 36 через выход 18 регулирующего клапана 14 требуют большего пространства, чем объем, выделенный ниже по течению потока. Таким образом, известный регулятор 10, оборудованный известным клапанным портом 36, при определенных условиях подвержен явлению, известному под названием "спад".
В отличие от известного клапанного порта 36 в клапанных портах 136, 236, 336, сконструированных согласно настоящему изобретению, высоты Н1, Н2, Н3 седел, как уже указывалось, варьируют. Более конкретно, высота Н1, Н2, Н3 седла любого данного клапанного порта, описанного выше, по существу, обратно пропорциональна диаметру D1, D2, D3 соответствующего канала 148, 248, 348. Таким образом, при уменьшении диаметра канала высота седла увеличивается.
Применительно к клапанному порту 136 на фиг.3, выполненному подобным образом, диаметр D1 канала по сравнению с диаметрами D2, D3 каналов, показанных на фиг. 4 и 5, относительно невелик. Это значит, что клапанный порт 136 рассчитан на более высокие скорости потока, чем клапанные порты 236, 336. При этом высота Н1 седла клапанного порта 136 (см. фиг.3) по сравнению с высотами Н2, Н3 седел клапанных портов 236, 336 (см. фиг.4 и 5) относительно велика. Соответственно, например, при использовании в комплекте с регулятором 100 по фиг. 2 клапанный порт 136 по фиг.3 заставит регулятор 100 позиционировать диск 128 на расстоянии, более удаленном от клапанного порта 136, а это согласуется с объемом канала 148. Поскольку высота Н1 седла диска клапанного порта 136 больше, например, высоты Н известного седла, диск 128 будет позиционирован дальше от клапанного порта 136.
Для более эффективного возвращения потока к выходу 108 и прохождения через него в данной конструкции диск 128 будет позиционирован дальше от горловины 110 регулирующего клапана 104, чтобы обеспечить увеличенный объем ниже по течению для высокоскоростного потока, исходящего из клапанного порта 136. Поэтому указанное увеличение эффективности уменьшает вероятность появления повышенного обратного давления на выходе 108 регулирующего клапана 104 (обратное давление в некоторых ситуациях создает и/или увеличивает "спад" в известных регуляторах 10, оборудованных известными клапанными портами 36).
Должно быть понятно, что клапанные порты 236, 336, описанные выше со ссылками на фиг.4 и 5, будут работать подобно только что описанному клапанному порту 136, если не считать того, что каждый из них будет создавать собственную траекторию потока, заставляющую регулятор 100 позиционировать диск 128 в его специфическом положении, которое соотносится с пропускной способностью и/или со скоростью потока, проходящего через регулятор.
Например, представленные на фиг.4 и 5 клапанные порты 236, 336, диаметры D2, D3
которых больше диаметра D1 клапанного порта 136 по фиг.3, могут заставить регулятор 100 позиционировать диск 128 относительно горловины 110 регулирующего клапана 104 в положении, соотносящемся с пропускной способностью и скоростью потока газа, требуемыми для конкретного приложения.
Таким образом, должно быть понятно, что к достоинствам настоящего изобретения относится создание клапанных портов 136, 236, 336 со специально выбранными высотами Н1, Н2, Н3 седел, обеспечивающими, в частности, повышение эффективности прохождения потока газа через регулирующий клапан 104 по фиг.2. Такое повышение эффективности непосредственно соотносится с уровнем точности функционирования регулятора 10, а точнее - с устранением или гашением эффектов "спада", что делает регулятор 100 более надежным.
В серийном варианте осуществления множество клапанных портов, сконструированных согласно принципам изобретения, таких как описанные выше клапанные порты 136, 236, 336, для доставки потребителям или механикам, производящим установку, можно объединить, например, в общем контейнере или комплекте. Тогда потребители или механики смогут использовать разнообразные клапанные порты, имеющие разные пропускные способности, что позволит им выбрать регулятор или другое устройство, работающее с потоком текучей среды, специальным образом, удовлетворяющим требованиям желательного приложения. В частности, при установке регулятора в газораспределительную систему пользователь или механик сможет из множества клапанных портов выбрать порт, наиболее близко отвечающий гидрогазодинамическим характеристикам соответствующего приложения, а затем установить выбранный клапанный порт на надлежащее место в регулятор или в другое устройство, работающее с потоком текучей среды.
Должно быть понятно, что, хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, использующие специально выбранные высоты Н1, Н2, Н3 седел для клапанных портов 136, 236, 336, с целью улучшения рабочих характеристик регулятора 100 можно подобным образом специально выбрать и другие параметры указанных портов.
В частности, в одном из альтернативных вариантов осуществления предусмотрена возможность специальным образом выбрать форму и конфигурацию уплотнительных кромок 174, 274, 374 клапанных портов 136, 236, 336 на основе, например, диаметров D1, D2, D3 каналов или на основе пропускных способностей. В другом альтернативном варианте таким же образом (т.е. на основе диаметров D1, D2, D3 каналов или пропускных способностей) можно выбрать угол уплотнительных кромок 174, 274, 374 клапанных портов 136, 236, 336. В следующем альтернативном варианте каналы 148, 248, 348 могут иметь другую (не круглую) конфигурацию поперечных сечений. Указанные конфигурации могут представлять собой квадрат, прямоугольник или любую другую геометрическую фигуру. Еще в одном альтернативном варианте предусмотрена возможность выполнить каналы 148, 248, 348 не в виде цилиндра с равномерно постоянным диаметром по длине, как это показано на чертежах, а с другой конфигурацией. Например, указанные каналы 148, 248, 348 или их участки могут быть сходящимися и/или расходящимися. Настоящее изобретение не должно рассматриваться как ограниченное представленными конкретными вариантами осуществления.
Наконец, должно быть понятно, что настоящее изобретение можно дополнить и другими решениями, направленными на увеличение эффективности прохождения потока через регулятор и/или на устранения эффектов "спада".
Из представленного описания должно быть понятно, что настоящее изобретение предлагает эффективное средство для устранения и/или гашения проявлений эффектов "спада" в газовых регуляторах, реализуемое за счет увеличения эффективности прохождения газа через регулирующий клапан и предотвращения появления противодавления. Однако описанный регулятор является только примером устройства для управления текучей средой, реализующего принципы настоящего изобретения. При этом конструкции и/или преимущества, свойственные изобретению, могут быть реализованы и в других устройствах такого назначения, в том числе в других регуляторах и регулирующих клапанах.