ШАРОВОЙ КЛАПАН С МОДАЛЬНЫМ ГЛУШИТЕЛЕМ ШУМА
BALL VALVE WITH MODAL NOISE MUFFLER

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение в целом относится к устройствам для уменьшения шума регулировочных клапанов и регуляторов, а конкретнее, к шаровым клапанам, которые содержат модальный глушитель шума.
СВЯЗАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
[0002] Гидравлические клапаны управляют потоком жидкости из одной точки в другую. Когда гидравлический клапан находится в закрытом положении, он препятствует потоку жидкости высокого давления с одной стороны в точку с более низким давлением с другой стороны указанного клапана. Перепады давления между впуском регулировочного клапана, а также извилистый путь потока через регулировочный клапан, создают турбулентный поток жидкости ниже по потоку от регулировочного клапана, который производит нежелательный и потенциально вредный шум.
[0003] В попытках уменьшить шум в некоторых регуляторах использовали многоканальные коробки или дроссельные узлы, уменьшающие перепад давления на противоположных концах коробки, и сглаживающие поток за ней. Однако, эти уменьшители шума коробочного типа уменьшают также скорость потока жидкости через коробку, что может уменьшить эффективность регулятора.
[0004] Устройства для уменьшения звука других типов содержат материалы, расположенные на пути потока, поглощающие звуковые волны, и превращающие звуковые волны в тепловую энергию. Однако, такие звукопоглощающие материалы имеют ограниченные эффективные частоты, кроме того, они также уменьшают поток жидкости через материал.
[0005] В последнее время предпринимались попытки уменьшения шума с помощью ослабляющих устройств, расположенных ниже по потоку от регулятора. В частности, устройство гашения совпадающих колебаний описано в документе «Устройство гашения совпадающих колебаний (УГСК) для уменьшения шума от регулировочных клапанов», автор Али Е. Брухиян (Ali E. Broukhiyan), далее в данном документе «УГСК», который включен в данный документ посредством ссылки. Однако, устройство гашения совпадающих колебаний, описанное в УГСК, было очень тяжелым и сложным для монтажа. Кроме того, устройство гашения совпадающих колебаний было расположено ниже по потоку от клапана и оставляло компоненты клапана под воздействием шума, создаваемого клапаном.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В соответствии с одним типовым аспектом данного изобретения, шаровой клапан с может содержать корпус клапана, имеющий впускное отверстие для жидкости и выпускное отверстие для жидкости, соединенные проточным каналом для жидкости. В проточном канале для жидкости расположен элемент управления, и указанный элемент управления управляет потоком жидкости через корпус клапана. Перфорированный экран расположен внутри указанного элемента управления на расстоянии от внутренней поверхности элемента управления, образуя кольцевое пространство. В элементе управления образовано множество камер. Звуковые волны проходят через указанный перфорированный экран и отражаются обратно множеством камер, уничтожая другие звуковые волны, тем самым уменьшая шум в элементе управления.
[0007] В соответствии с другим типовым аспектом данного изобретения, способ уменьшения шума от потока жидкости через шаровой клапан может включать расположение множества кольцевых камер внутри элемента управления шарового клапана, расположение перфорированного экрана внутри указанного элемента управления, при этом расстояние между перфорированным экраном и внутренней поверхностью камер в указанном множестве камер образует кольцевое пространство; и расположение противоположных камер в указанном множестве камер на расстоянии, которое соответствует уничтожению звуковой волны определенной частоты.
[0008] Кроме того, в соответствии с любым одним или большим количеством предшествующих аспектов данного изобретения, шаровой клапан (или способ уменьшения шума от потока жидкости через шаровой клапан) может дополнительно включать любую одну или большее количество следующих предпочтительных форм.
[0009] В некоторых предпочтительных формах указанное множество камер образовано множеством стенок, расположенных на внутренней поверхности элемента управления по существу перпендикулярно направлению потока жидкости через элемент управления. Указанное множество стенок образует множество камер между перфорированным экраном и внутренней поверхностью элемента управления.
[0010] В других предпочтительных формах по меньшей мере две камеры в указанном множестве камер различаются по объему.
[0011] В других предпочтительных формах объем камер увеличивается в направлении от впускной части элемента управления к центру элемента управления.
[0012] В других предпочтительных формах объем камер уменьшается в направлении от центра элемента управления к выпускной части элемента управления.
[0013] В других предпочтительных формах указанное множество камер аппроксимируют кривую на виде в поперечном разрезе.
[0014] В других предпочтительных формах перфорированный экран содержит множество отверстий, а в других предпочтительных формах по меньшей мере одно отверстие в указанном множестве отверстий имеет круглую форму.
[0015] В других предпочтительных формах перфорированный экран имеет внутренний диаметр, по существу одинаковый с внутренним диаметром впускной части элемента управления и выпускной части элемента управления.
[0016] В других предпочтительных формах внутри элемента управления расположена перфорированная пластина, по существу перпендикулярная направлению потока жидкости через элемент управления.
[0017] В других предпочтительных формах расстояние между противоположными камерами соответствует уничтожению звуковой волны определенной частоты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0018] ФИГ. 1 представляет собой вид в разрезе шарового клапана, имеющего модальный глушитель шума; и
[0019] ФИГ. 2 представляет собой вид сверху в разрезе шарового клапана по ФИГ. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Шаровые клапаны, описанные в данном документе, обеспечивают преимущество, состоящее в уменьшении шума в клапанах управления, имея при этом очень малое ограничение потока. Таким образом, описываемые шаровые клапаны имеют высокую эффективность в уменьшении шума. Описываемые шаровые элементы могут быть значительно меньше и/или легче современных шаровых элементов с устройствами уменьшения шума. Таким образом, описываемые шаровые клапаны могут иметь корпус клапана меньше, чем у современных шаровых клапанов.
[0021] Кроме того, перфорированную трубку в описываемых шаровых клапанах можно приспособить для конкретных применений путем регулирования показатель проводимости указанной перфорированной трубки. К тому же, описываемые шаровые клапаны можно комбинировать с более традиционными устройствами подавления шума, такими как дроссельные узлы, уменьшающие шум, для достижения более полного уменьшения шума.
[0022] В целом, шаровые клапаны, описанные в данном документе, уменьшают шум в жидкости, протекающей через клапан, с помощью интерференции звуковых волн, уничтожающей звуковые волны в клапане или уменьшающей их амплитуду. Описываемые шаровые клапаны используют ряд промежутков различных размеров или форм, образуемых внутренними пластинами или внутренними камерами по различным схемам. Общую длину указанных промежутков и/или расстояние между ними можно оптимизировать для конкретного газа или конфигурации потока, ориентируясь на определенные частоты звуковых волн.
[0023] Если не указано другое, любые особенности или характеристики любого одного из вариантов реализации шаровых клапанов, описываемых в данном документе, можно комбинировать с особенностями или характеристиками любых других из указанных вариантов реализации шаровых клапанов.
[0024] На ФИГ. 1 проиллюстрирован поворотный шаровой клапан 10, выполненный в соответствии с принципами данного изобретения, как правило содержащий корпус 12 клапана, крышку 14, узел 16 управления и уплотнительное устройство 24. Корпус 12 клапана содержит впускное отверстие 18, выпускное отверстие 20, проточный канал 22 для жидкости и отверстие крышки 25. Как указано стрелкой, проточный канал 22 для жидкости проходит от впускного отверстия 18 до выпускного отверстия 20 в направлении, в целом параллельном продольной оси A. Впускное отверстие 18 окружено впускным фланцем 26. Выпускное отверстие 20 окружено выпускным фланцем 28. Впускной фланец 26 и выпускной фланец 28 выполнены с возможностью соединения шарового клапана 10 с трубопроводом управления технологическим процессом, например, болтами, сваркой, зажимами или любыми другими известными средствами.
[0025] Узел 16 управления содержит элемент управления, такой как эксцентрический кулачковый шаровой элемент 30, приводной вал 32 и опорный вал 34. Хотя на ФИГ. 1 проиллюстрирован эксцентрический кулачковый шаровой элемент 30, в других вариантах реализации изобретения шаровой элемент 30 может не быть эксцентрическим кулачковым. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения приводной вал 32 и опорный вал 34 разделены некоторым расстоянием. В других вариантах реализации изобретения приводной вал 32 и опорный вал 34 могут быть выполнены интегрированными в виде единого элемента, проходящего от сквозного отверстия 29 до глухого отверстия 36. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения шаровой элемент 30 имеет ось C симметрии, которая смещена от оси B приводного вала. В результате, поверхность 31 герметизации шарового элемента 30 при вращении перемещается с торцевым биением (например, поверхность 31 герметизации смещается в продольном направлении вдоль оси A, когда шаровой элемент 31 поворачивается между закрытым положением и открытым положением).
[0026] Как обсуждалось выше, шаровой элемент 30 как правило перемещается с торцевым биением, способствуя повторяемой герметизации с помощью уплотнительного устройства 24 в закрытом положении, показанном на ФИГ. 1. Конкретнее, внешняя часть поверхности 31 герметизации шарового элемента 30 может образовывать часть сферы, при этом все точки на указанной внешней поверхности шарового элемента не находятся на одинаковом расстоянии от естественной оси поворота (то есть, оси C) шарового элемента 30.
[0027] Для размещения уплотнительного устройства 24 описываемый вариант реализации корпуса 12 клапана содержит внутренний вырез 42, расположенный ниже по потоку от впускного отверстия 18. Указанный внутренний вырез 42 расположен между выпускным отверстием 20 и шаровым элементом 30 узла 16 управления. Внутренний вырез 42 может иметь в целом кольцевую форму, в том числе кольцевую поверхность 38 и поперечную поверхность 40.
[0028] В качестве варианта шаровой клапан 10 может содержать также дроссельный элемент, такой как перфорированная коробка 50. В других вариантах реализации изобретения указанный дроссельный элемент может отсутствовать.
[0029] Теперь обратимся к ФИГ. 2, на которой изображен один типовой вариант реализации шарового элемента 30, содержащий шаровой корпус 60. Указанный шаровой корпус 60 может содержать соединенную впускную часть 62 и выпускную часть 64. Впускная часть 62 и выпускная часть 64 могут иметь по существу цилиндрическую форму с по существу постоянным внутренним диаметром.
[0030] Перфорированный полый экран 66 может быть расположен внутри шарового корпуса 60, причем указанный экран 66 может иметь внутренний диаметр, по существу одинаковый с внутренним диаметром впускной части 62 и/или выпускной части 64. Указанный экран 66 может иметь цилиндрический корпус 68 экрана, содержащий множество отверстий 70. В одном типовом варианте реализации изобретения по меньшей мере одно из указанных отверстий 70 может иметь круглую форму. В других вариантах реализации изобретения отверстия 70 могут принимать другие формы, такие как, например, квадрат, прямоугольник, треугольник, многоугольник, овал или неправильную форму. В других вариантах реализации изобретения корпус 68 экрана может быть полностью или частично покрыт звукопоглощающим материалом.
[0031] Множество стенок 72 могут быть расположены на внутренней поверхности шарового корпуса 60. Указанные стенки 72 разделяют пространство между внутренней поверхностью шарового корпуса 60 и внешней поверхностью корпуса 68 экрана на множество камер 74. По меньшей мере две из указанных камер 74 образуют различные объемы. В варианте реализации изобретения по ФИГ. 2 объем камер 74 увеличивается в направлении от впускной части 62 к центру шарового корпуса 60. С другой стороны, объем камер 74 уменьшается в направлении от центра шарового корпуса 60 к выпускной части 64. Стенки 72 и камеры 74 выполнены с возможностью отражения звуковых волн в жидкости, перемещающейся через шаровой элемент 30, обратно в направлении внутреннего пространства корпуса 68 экрана, что приводит к разрушению или уничтожению звуковых волн, когда они сталкиваются с другими звуковыми волнами во внутреннем пространстве корпуса 68 экрана. Отверстия 70 позволяют звуковым волнам распространяться в обратном и прямом направлении между внутренней частью корпуса 68 экрана и камерами 74. Управляя объемом и шириной камер 74, а также расстоянием между противоположными камерами 74, можно целенаправленно разрушать звуковые волны определенных частот. Каждая камера 74 образует кольцевое пространство 76 между корпусом 68 экрана и шаровым корпусом 60. Каждое кольцевое пространство 76 имеет ширину и высоту. Ширина и высота могут отличаться у разных камер 74.
[0032] Перфорированный экран 66 и камеры 74 образуют модальный глушитель шума.
[0033] Как проиллюстрировано на ФИГ. 2, изменение объема смежных камер 74 может аппроксимировать кривую, которая в проиллюстрированном варианте реализации изобретения представляет собой часть круга 82 (проиллюстрирован на ФИГ. 2 в виде пунктирного круга). Указанную кривую может определять математическая формула круга или эллипса. Кривую можно отрегулировать в соответствии с конкретными частотами звуковых волн, и таким образом настроить ее для любого конкретного применения.
[0034] В некоторых вариантах реализации изобретения шаровой корпус 60 может содержать устройство предварительного ослабления в форме перфорированной пластины 90. Перфорированная пластина 90 может быть расположена поперек внутреннего пространства шарового корпуса 60 по существу перпендикулярно направлению потока жидкости, которое проиллюстрировано стрелками на ФИГ. 1. В одном варианте реализации изобретения указанная перфорированная пластина 90 может содержать множество отверстий, которые разрушают звуковые волны в жидкости, протекающей через шаровой корпус 60. Перфорированная пластина 90 может соответствовать частотам шума, которые отличаются от частот камеры 74. В некоторых вариантах реализации изобретения перфорированная пластина 90 может быть полностью или частично покрыта звукопоглощающим материалом. Кроме того, перфорированная пластина 90 может создавать в потоке жидкости перед достижением корпуса 68 экрана такие характеристики, что можно оптимизировать свойства уменьшения шума остальной части шарового корпуса 60.
[0035] Первое расстояние между первой камерой 74a и второй камерой 74b может быть рассчитано на соответствие разрушению шума первой частоты, а второе расстояние между третьей камерой 74c и четвертой камерой 74d может быть рассчитано на соответствие разрушению шума второй частоты. Конструируя кольцевое пространство для различных расстояний, которые соответствуют различным частотам шума, можно адаптировать шаровой элемент 30 для конкретных целевых частот шума, которые присутствуют в конкретных рабочих средах.
[0036] Способ уменьшения шума в жидкости, протекающей через шаровой клапан, может включать изготовление и проектирование любого из описанных выше вариантов реализации элемента управления шарового клапана и установку указанного шарового клапана в технологическую систему. Конкретнее, указанный способ может включать расположение множества кольцевых камер внутри элемента управления, расположение перфорированного экрана внутри указанного элемента управления так, чтобы расстояние между перфорированным экраном и внутренней поверхностью камер в указанном множестве камер образовывало кольцевое пространство; и расположение противоположных камер в указанном множестве камер на расстоянии, которое соответствует уничтожению звуковой волны определенной частоты.
[0037] В других вариантах реализации изобретения поворотные клапаны и шаровые элементы можно настраивать для конкретных применений, изготавливая пластины из различных материалов или нанося на пластины покрытие/обшивку различными способами или из различных материалов для изменения пути отражения звуковых волн в элементе управления. Смешивание пластин и/или покрытий эффективно создает одну или большее количество звуковых линз, которые направляют звуковые волны по конкретным путям, способствующим разрушению звуковых волн, и/или соответствующих конкретным целевым частотам.
[0038] Хотя в данном документе были описаны некоторые шаровые клапаны и элементы управления в соответствии с идеями данного изобретения, объем приложенной формулы изобретения ими не ограничен. Напротив, формула изобретения охватывает все варианты реализации идей данного изобретения, которые объективно принадлежат к объему допустимых эквивалентов.