КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ
VALVE ASSEMBLY

Данная заявка относится к одновременной находящейся на рассмотрении, предварительной заявке на патент США с порядковым номером 60/335920, которая была подана 15 ноября 2001 г.
Настоящее изобретение в целом относится к клапанам и, более точно, к пробке клапана, предназначенной для канала переменного сечения, которая может обеспечить эффективное изменение размера канала клапана.
Клапаны используются в различных случаях применения систем обработки и регулирования для регулирования различных параметров среды, подвергаемой обработке, такой как текучая среда. Известно множество различных типов клапанов, которое включает, например, клапаны сброса давления, регулирующие клапаны, дроссельные клапаны и т.п. Аналогичным образом системы обработки и регулирования используются для работы с множеством различных сред.
Типовой клапан имеет отверстие для впуска среды, соединенное посредством зоны регулирования потока или дросселирования с отверстием для выпуска среды. В зоне регулирования потока, как правило, предусмотрено закрывающее устройство какого-либо типа с частью, которая выполнена с возможностью смещения для регулирования потока среды из впускного отверстия клапана к выпускному отверстию клапана. Подвижная часть часто представляет собой пробку клапана, которая может быть смещена так, чтобы она опиралась на соответствующую неподвижную опорную поверхность закрывающего устройства для избирательного перекрытия потока среды через клапан. В процессе эксплуатации система управления, как правило, управляет клапаном таким образом, что пробка клапана смещается в сторону кольцевого седла клапана и от кольцевого седла клапана соответственно между фиксированными закрытым и открытым положениями.
о
Клапан одного типа представляет собой клапан с подвижным штоком, который имеет пробку клапана на конце удлиненного штока, перемещающегося вдоль его продольной оси в сторону седла клапана и от седла клапана. Комбинация пробки клапана, седла клапана и штока клапана определяет регулирующий комплект для данного клапана. Клапан с заданным размером и геометрией отверстия для прохождения потока имеет максимальную пропускную способность потока или скорость потока. Эта скорость потока может быть соотнесена с "коэффициентом расхода" (Cv), который используется для прогнозирования скорости потока через клапан при стандартном наборе условий испытаний. Значение Cv определяется количеством американских галлонов воды при 60F в минуту, которая будет проходить через известный клапан с перепадом давлений на клапане, составляющим 1 фунт на квадратный дюйм.
Известно, что для определенной части системы регулирования процесса требуется наличие клапана, имеющего определенную скорость потока или пропускную способность потока. Кроме того, известно, что для других частей системы требуется наличие клапанов с другими значениями пропускной способности потока или с другими значениями скорости потока. Также известно, что в совершенно различной системе требуется использование клапана с еще в большей степени различной скоростью потока или пропускной способностью клапана. Кроме того, известно, что заданная скорость потока или пропускная способность потока может изменяться для заданной системы регулирования процесса при изменении параметров системы. Таким образом, периодически может возникать необходимость в изменении эксплуатационных характеристик клапана конкретной системы. Из-за всех этих обстоятельств приходится иметь в наличии множество различных клапанных узлов и/или регулирующих комплектов для клапанов.
Для обеспечения перехода от одной скорости потока или пропускной способности потока, проходящего через клапан, к другой необходимо или удалить весь существующий клапан и заменить его полностью другим клапаном, или модернизировать существующий клапан так, чтобы он включал другой регулирующий комплект. В клапанах с подвижным штоком седло клапана, как правило, определяет размер отверстия для прохождения потока и обуславливает выбор определенного размера пробки клапана, который соответствует данному размеру отверстия. Пробка клапана, как правило, может смещаться только между закрытым положением клапана и одним фиксированным открытым положением клапана. Таким образом, каждый клапан может обеспечить получение только одного значения скорости потока или пропускной способности клапана. Как указано выше, для перехода от одной пропускной способности потока к другой необходимо или изменить регулирующий комплект клапана, или заменить весь клапанный узел.
Результатом обслуживания множества клапанных узлов и/или регулирующих комплектов является то, что могут возникать существенные простои в работе системы регулирования процесса, затраты труда и может расти себестоимость продукции. Это обусловлено тем, что существует необходимость в изготовлении, транспортировке, хранении, обслуживании и замене различных регулирующих комплектов или клапанов в целом при необходимости изменения характеристик клапанов. Эти недостатки приводят к уменьшению эффективности труда, производства, хранения, погрузочно-разгрузочных работ и транспортировки деталей и оборудования и увеличению затрат труда для определенного случая применения системы регулирования процесса, при котором желательно или необходимо какое-либо изменение характеристик потока, проходящего через клапан.
Кроме того, если обычный комплект, состоящий из пробки и седла клапана, имеющийся в клапане, будет использован для изменения пропускной способности клапана, например, путем изменения максимально возможного перемещения пробки клапана, это серьезно и отрицательно будет влиять на характеристики потока, проходящего через зону дросселирования. Обычный регулирующий комплект не обладает характеристиками, необходимыми для таких случаев применения. Кроме того, если попытаться добиться уменьшения пропускной способности клапана с использованием обычного регулирующего комплекта путем остановки и удерживания пробки клапана ближе к седлу в другом открытом положении клапана, среда, проходящая через клапан, будет стремиться сместить пробку к седлу клапана, поскольку пробка будет расположена слишком близко к седлу. Это будет приводить к образованию бистабильного потока (потока с двумя устойчивыми состояниями) и вибрации в клапанном узле.
Задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при изучении нижеприведенного описания со ссылкой на чертежи, на которых:
На Фиг.1 изображено продольное сечение приведенного в качестве примера клапана согласно известному уровню техники.
На Фиг.2 изображено продольное сечение одного варианта осуществления клапана, включающего пробку клапана, предназначенную для канала переменного сечения, выполненную согласно настоящему изобретению и расположенную в положении, соответствующем первой пропускной способности потока.
На Фиг.3 изображено продольное сечение клапана, показанного на Фиг.2, при этом пробка клапана находится в положении, соответствующем другой пропускной способности клапана.
На Фиг.4 изображено продольное сечение клапана, показанного на Фиг.1 и 2, при этом пробка клапана находится в положении, соответствующем еще одной пропускной способности клапана.
На Фиг.5 изображено увеличенное изображение сечения клапана, показанного на Фиг.2, при этом пробка клапана находится в положении, соответствующем закрытому положению клапана.
Пробка клапана предназначена для канала переменного сечения клапана, которая позволяет устранить или существенно уменьшить потребность в изготовлении, техническом обслуживании и замене различных регулирующих комплектов для клапана. Описанная пробка клапана пригодна для множества различных типов клапанов. Описанный пример представлен со ссылкой на известную конструкцию клапана с подвижным штоком. Однако описанная пробка одинаково хорошо подходит для многих других типов и конструкций клапанов, например, таких как регулирующие клапаны, дроссельные клапаны или т.п. Настоящее описание не следует ограничивать каким-либо определенным типом клапана. Описанная конструкция клапана также пригодна для использования с многими различными видами сред.
Описанная пробка клапана, предназначенная для канала переменного сечения, имеет такие форму и профиль, которые обеспечивают установку пробки относительно седла клапана в выбранном одном из множества допустимых положений при максимальном перемещении. В любом из выбранных положений пробка клапана, предназначенная для канала переменного сечения и описанная здесь, предотвращает появление нежелательных характеристик потока, проходящего через зону дросселирования в клапане, и тем не менее обеспечивает возможность изменения пропускной способности клапана. Пробка клапана, предназначенная для канала переменного сечения, может быть избирательно установлена относительно седла клапана для эффективного обеспечения заданной пропускной способности клапана без необходимости замены частей регулирующего комплекта, таких как пробка клапана и/или седло клапана. Положение пробки клапана можно регулировать для ограничения максимального перемещения пробки клапана, то есть для получения желательного открытого положения клапана.
На Фиг.1 показан один пример конструкции клапана согласно известному уровню техники, по сравнению с которой пробка клапана, предназначенная для канала переменного сечения и описанная здесь, представляет собой существенное усовершенствование. Клапанный узел 10 согласно известному уровню техники имеет корпус 12 клапана с отверстием 14 для впуска среды на одном конце и отверстием 16 для выпуска среды на противоположном конце. Отверстие для впуска среды сообщается с впускным каналом 18, а отверстие для выпуска среды сообщается с выпускным каналом 20. Впускной и выпускной каналы, обозначенные соответственно 18 и 20, пересекаются по существу в корпусе клапана и сообщаются друг с другом посредством зоны 22 дросселирования.
Клапан 10 имеет пробку 24 клапана, присоединенную к штоку 26 клапана на одном конце. Противоположный конец штока 26 клапана присоединен к приводному устройству (непоказанному). Приводное устройство может обеспечить смещение штока и пробки клапана вдоль продольной оси штока между закрытым положением клапана и открытым положением клапана. В закрытом положении клапана, показанном на Фиг.1, пробка 24 опирается на седло 30 клапана, расположенное в зоне 22 дросселирования. Кольцевое седло 30 клапана образует отверстие 32, которое будет закрыто пробкой клапана при закрытом положении клапана и которое будет открыто для прохода среды, когда пробка будет находиться в открытом положении клапана.
Как рассмотрено выше, для изменения пропускной способности клапана, по меньшей мере, регулирующий комплект (пробка и седло) должен быть удален и заменен. Если перемещение пробки 24 клапана будет возможно до положения, соответствующего максимальному перемещению меньшей длины, пробка будет расположена ближе к седлу. При таком положении среда, проходящая в направлении стрелки "F", будет стремиться сместить пробку клапана к седлу или "втянуть" пробку клапана в седло. Это приведет или к преждевременному закрытию клапана за счет входа пробки в седло 30 клапана, или, по меньшей мере, к закупориванию прохода потока через зону 22 дросселирования. Это закупоривание может привести к потоку с двумя устойчивыми состояниями и к вибрации внутри клапана 10, что может вызвать преждевременный износ штока, седла и/или пробки или повреждение клапана иным образом. Это также может привести к переменным скоростям потока, проходящего через клапан, и к другим проблемам, связанным с динамическими характеристиками потока. Если желательно уменьшить пропускную способность клапана, необходимо заменить или регулирующий комплект, включающий пробку 24 и седло 30, или весь клапан 10.
Описанная пробка клапана, предназначенная для канала переменного сечения и выполненная согласно настоящему изобретению, позволяет устранить необходимость в замене регулирующего комплекта клапана для изменения пропускной способности клапана. На Фиг. 2-5 показана приведенная в качестве примера зона 50 дросселирования, изображенная в сечении. Зона 50 дросселирования заменяет зону 22, описанную выше для клапана 10 на Фиг.1. Основные элементы клапана, показанные на Фиг. 2-5, по существу такие же, если ниже не указано иное.
Зона 50 дросселирования в показанном примере предназначена для клапана с подвижным штоком, имеющего корпус 52 клапана, в котором выполнено отверстие (непоказанное) для впуска среды на одном конце и отверстие (непоказанное) для выпуска среды на противоположном конце. Отверстие для впуска среды открывается во впускной канал 54, а выпускной канал 56 заканчивается у отверстия для выпуска среды. Впускной и выпускной каналы, обозначенные соответственно 54 и 56, пересекаются по существу в корпусе 52 клапана и сообщаются друг с другом посредством зоны 50 дросселирования.
Зона 50 дросселирования имеет пробку 60 клапана, предназначенную для канала переменного сечения и выполненную согласно настоящему изобретению, которая отличается от пробки 24 клапана, описанной выше со ссылкой на Фиг.1. Пробка 60 клапана присоединена к штоку 62 клапана на одном конце. Противоположный конец штока 62 клапана присоединен к приводному устройству (непоказанному), которое может обеспечить смещение штока и пробки клапана вдоль продольной оси штока между закрытым положением клапана (см. Фиг.5) и выбранным одним из множества различных положений максимального открытия (см. Фиг. 2-4 и приведенное ниже описание). Пробка 60 клапана опирается на кольцевое седло 70 клапана, когда она находится в закрытом положении клапана. Кольцевое седло клапана установлено в зоне 50 дросселирования и образует отверстие 72 для дросселирования потока. Во время работы описанного клапана приводное устройство (непоказанное) обеспечивает смещение штока 62 клапана и пробки 60 клапана к и от опорной поверхности 74 кольцевого седла 70 соответственно для закрытия и открытия клапана для обеспечения возможности прохода среды из впускного отверстия к выпускному отверстию через каналы и зону дросселирования потока.
Согласно настоящему изобретению и как лучше всего показано на Фиг.5, пробка 60 клапана, предназначенная для канала переменного сечения, имеет кольцевой буртик 80 рядом с концом штока 62, присоединенным к пробке. Шток имеет диаметр, который меньше диаметра буртика лишь на небольшую величину. Пробка 60 клапана также имеет конусообразную часть 82 корпуса, имеющую форму усеченного конуса или форму пули, с наружной периферийной стенкой 84, которая выполнена конусообразной и диаметр которой постепенно уменьшается в направлении от буртика 80. Скошенная или наклонная переходная поверхность 86 проходит между буртиком 80 и стенкой 84 пробки 60 и соединяет их друг с другом. Переходная поверхность 86 более резко наклонена или скошена по сравнению со стенкой 84. Дальний конец пробки 60 клапана, противоположный буртику 80, представляет собой гладкую, криволинейную или куполообразную концевую поверхность 88 и плавно переходит в стенку 84 корпуса 82. Комбинация гладкой конусообразной стенки 84, переходной поверхности 86 и куполообразного конца 88 обеспечивает получение ламинарного потока с постепенно изменяющимися характеристиками над пробкой 60.
Как показано на Фиг.5, когда пробка 60 клапана, предназначенная для канала переменного сечения, находится в закрытом положении клапана, коническая поверхность 86 рядом с буртиком 80 опирается на опорную поверхность 74 кольцевого седла 70. Периферийная поверхность буртика 80, имеющая определенный диаметр, и наиболее широкая часть наклонной поверхности 86 предотвращают проход пробки клапана через отверстие 72 для дросселирования потока, выполненное в кольцевом седле, и тем самым пробка закрывает отверстие для дросселирования, когда она находится в закрытом положении клапана.
Небольшая разница между диаметром буртика 80 и диаметром штока 62 способствует предотвращению кавитации или турбулентного потока среды, такой как текучая среда, проходящей через зону 50 дросселирования над концом пробки 60, выполненным с буртиком. Небольшая разница между диаметром штока и диаметром открытой для воздействия, неуравновешенной частью 90 буртика 80 также способствует минимизации усилия, действующего со стороны среды, проходящей через зону 50 дросселирования, и вниз на неуравновешенную часть 90. Небольшой диаметр буртика 80, небольшая открытая для воздействия площадь неуравновешенной части 90, гладкие и конические поверхности 86 и 84 и куполообразный дальний конец 88 корпуса 82 пробки клапана в комбинации способствуют предотвращению образования бистабильного потока, проходящего через зону 50 дросселирования, независимо от положения пробки 60 клапана относительно кольцевого седла 70, когда пробка 60 клапана не находится в закрытом положении клапана. Эти признаки обеспечивают возможность изменения пропускной способности клапана по отношению к потоку, как описано ниже, без изменения регулирующего комплекта или замены всего клапана. Открытая для воздействия, неуравновешенная часть 90 буртика 80, хотя и является небольшой, также может быть расположена под углом или может быть выполнена криволинейной для дополнительного уменьшения воздействия на поток среды в зоне соединения между штоком 62 и пробкой 60.
Механизм (непоказанный) привода и регулирования может быть расположен рядом с концом штока, противоположным пробке 60. Механизм может быть использован для выбора и задания желательного предела максимального перемещения для штока 62 клапана и пробки 60. Механизм может быть выполнен с возможностью задания множества различных и выбранных положений, соответствующих максимальному перемещению, или положений полного открытия для пробки клапана. Пробка 60, предназначенная для канала переменного сечения и описанная здесь, обеспечивает возможность такого регулирования для изменения пропускной способности клапана без отрицательного воздействия на характеристики потока, проходящего через зону 50 дросселирования.
Например, на Фиг.2 показана пробка 60, расположенная в первом выбранном соответствующем полному открытию положении относительно седла 70. Механизм (непоказанный) может быть таким, что пробка 60 при достижении выбранного положения полного открытия не сможет перемещаться дальше от кольцевого седла 70. В данном примере корпус 82 пробки полностью находится вне отверстия 72 для дросселирования потока и не контактирует с опорной поверхностью клапана или опорной поверхностью 74 кольцевого седла 70 клапана. Это положение обеспечивает возможность свободного прохода потока через отверстие 72 для дросселирования в данном клапане. В качестве иллюстрации можно привести такой пример: если отверстие 72 для дросселирования имеет диаметр, равный одной второй дюйма, зона 50 дросселирования, показанная на Фиг.2 для клапана заданной геометрии, может иметь коэффициент расхода клапана, равный шести (6) Сv при полностью открытой пробке.
Механизмом привода и регулирования можно управлять для изменения предела перемещения пробки или положения полного открытия. На Фиг.3 пробка показана во втором выбранном положении полного открытия, в котором пробка находится ближе к кольцевому седлу 70, чем в положении, показанном на Фиг.2. На Фиг.3, по меньшей мере, дальний или куполообразный конец 88 частично проходит в предназначенное для дросселирования потока отверстие 72 кольцевого седла 70. Описывая данное положение по-другому, можно сказать, что куполообразная поверхность 88, по меньшей мере, частично разрывает опорную поверхность 74. Меньший диаметр стенки 84 пробки рядом с дальним концом 88 обеспечивает возможность прохода среды через предназначенное для дросселирования отверстие 72 кольцевого седла с диаметром, равным одной второй дюйма, но фактически обеспечивает уменьшение пропускной способности клапана по отношению к потоку. В качестве примера можно указать, что, когда пробка 60 будет находиться в положении на Фиг.3, клапан будет иметь пропускную способность или коэффициент расхода, равный четырем (4) Сv. При этом имитируется ситуация, когда такой же клапан имеет диаметр канала, равный трем восьмым дюйма, несмотря на то, что кольцевое седло не было заменено и по-прежнему имеет диаметр канала, равный одной второй дюйма. Гладкая удлиненная и конусообразная форма пробки 60 обеспечивает возможность достижения такого результата без замены регулирующего комплекта и без отрицательного воздействия на характеристики потока, проходящего через зону 50 дросселирования.
На Фиг.4 показано третье, дополнительно ограниченное положение максимального или полного открытия для пробки 60, которое обеспечивает еще меньшую пропускную способность по сравнению с первым и вторым выбранными положениями, указанными выше. В данном примере существенная часть корпуса 82 пробки проходит в предназначенное для дросселирования отверстие 72 кольцевого седла 70. В данном случае уменьшенный диаметр конусообразной стенки 84 обеспечивает возможность прохода среды через отверстие для дросселирования, хотя и при еще более ограниченной пропускной способности. В данном примере при использовании той же самой пробки 60 и кольцевого седла 70 получают характеристику потока, проходящего через зону 50 дросселирования в том же самом клапане, которая соответствует проходу потока по каналу с диаметром, равным одной четвертой дюйма, что приводит к пропускной способности или коэффициенту расхода, равному, например, двум (2) Сv, без изменения регулирующего комплекта. Также могут быть предусмотрены другие промежуточные положения в зависимости от конструкции конкретной пробки и конфигурации кольцевого седла/отверстия для дросселирования. Например, пробка 60 может проходить в отверстие для дросселирования так, что в отверстии для дросселирования будет находиться или больше или меньше большей части стенки или поверхности 84, пересекающей плоскость опорной поверхности.
Профиль и конфигурация пробки обеспечивают возможность регулирования соответствующего максимальному перемещению положения пробки клапана для получения клапана с каналом регулируемого или переменного сечения без замены регулирующего комплекта. Конусность и/или кривизну стенки 84 корпуса, куполообразного конца 88 и переходной поверхности 86 можно изменять, как и размер предназначенного для дросселирования потока отверстия кольцевого седла 70, для достижения заданных характеристик потока, проходящего через клапан. Тем не менее, пробка 60, описанная здесь, обеспечивает возможность регулирования предельного значения максимального перемещения без образования бистабильного потока или вибрации в зоне 50 дросселирования в клапане, которые возникают при использовании конструкций седла и пробки согласно известному уровню техники.
Несмотря на то, что были раскрыты и описаны некоторые пробки клапанов, предназначенные для канала переменного сечения и выполненные согласно настоящему изобретению, объем охраны по данной заявке не ограничен ими. Напротив, настоящее изобретение защищает все варианты реализации изобретения, которые действительно находятся в пределах объема допустимых эквивалентов.