КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ
VALVE ASSEMBLY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области клапанных узлов, подходящих для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, включая, но не ограничиваясь, электрически управляемые клапанные узлы.
Уровень техники
Гидравлические машины включают в себя машины, приводимые текучей средой и/или приводящие текучую среду, такие как насосы, двигатели и машины, которые могут выполнять функцию насоса или двигателя в разных режимах работы. Несмотря на то, что изобретение будет проиллюстрировано со ссылкой на применения, в которых текучая среда является жидкостью, такой как по существу несжимаемая гидравлическая жидкость, текучая среда альтернативно может быть газом.
Когда гидравлическая машина работает как насос, трубопровод низкого давления обычно действует как результирующий источник текучей среды, и трубопровод высокого давления обычно действует как результирующий слив текучей среды. Когда гидравлическая машина работает как двигатель, трубопровод высокого давления обычно действует как результирующий источник текучей среды, и трубопровод низкого давления обычно действует как результирующий слив текучей среды. В этом описании и прилагаемой формуле изобретения термины «трубопровод высокого давления» и «трубопровод низкого давления» относятся к трубопроводам с более высоким и более низким давлениями относительно друг друга. Перепад давления между трубопроводами высокого и низкого давления и абсолютные величины давления в трубопроводах высокого и низкого давления будут зависеть от применения. Гидравлическая машина может иметь более одного трубопровода низкого давления и может иметь более одного трубопровода высокого давления.
Изобретение относится к клапанным узлам, подходящим для использования в регулировании потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом. Клапанные узлы включают в себя клапанный элемент и седло клапана, и, соответственно, являются торцевыми. Клапанные узлы согласно изобретению могут быть полезными с множеством типов гидравлической машины. Тем не менее, предметы обсуждения, относящиеся к изобретению, будут теперь описаны со ссылкой на конкретный пример клапанных узлов, подходящих для использования с известными гидравлическими машинами, которые содержат множество рабочих камер циклически изменяющегося объема, в которых смещение текучей среды через рабочие камеры регулируется электрически управляемыми клапанами на циклической основе и в фазовом отношении к циклам объема рабочей камеры для определения результирующей пропускной способности текучей среды через машину.
Например, в документе ЕР 0361927 описан способ управления результирующей пропускной способностью текучей среды через многокамерный насос посредством открывания и/или закрывания электрически управляемых тарельчатых клапанов в фазовом отношении к циклам объема рабочей камеры для регулирования гидравлического сообщения между отдельными рабочими камерами насоса и трубопроводом низкого давления. В результате этого отдельные камеры выбираются управляющим устройством на циклической основе для смещения заданного фиксированного объема текучей среды или для прохождения холостого хода с отсутствием смещения текучей среды, посредством этого позволяя результирующей пропускной способности насоса динамически совпадать с требованием. В документе ЕР 0494236 описано развитие этого принципа и включение в него электрически управляемых тарельчатых клапанов, которые регулируют гидравлическое сообщение между отдельными рабочими камерами и трубопроводом высокого давления, посредством этого способствуя разработке гидравлической машины, работающей как насос или двигатель в разных режимах работы. В документе ЕР 1537333 введена возможность частичных циклов, позволяющая отдельным циклам отдельных рабочих камер смещать любой из множества разных объемов текучей среды с лучшим совпадением с требованием.
Гидравлические машины этого типа требуют быстрого открывания и закрывания электрически управляемых клапанов, способных регулировать поток текучей среды в рабочую камеру и из нее от трубопровода низкого давления и от него и в некоторых вариантах осуществления к трубопроводу высокого давления и от него. Электрически управляемый клапан, который регулирует поток текучей среды между рабочей камерой и трубопроводом низкого давления, обычно направлен так, чтобы клапанный элемент (например, головка тарельчатого клапана) перемещался в том же направлении, что и направление потока текучей среды через седло клапана во время хода выпуска, в котором текучая среда выпускается к трубопроводу низкого давления. Во время холостого хода выпуска, в котором текучая среда, которая была получена от трубопровода низкого давления в предшествующем ходе впуска, возвращается в трубопровод низкого давления, максимальная скорость потока текучей среды является очень высокой. В этих обстоятельствах силы, возникающие по меньшей мере из четырех разных феноменов, которые мы сейчас опишем, поджимают головку тарельчатого клапана к седлу клапана.
1. Для способствования быстрому потоку текучей среды с минимальными потерями энергии при сведении к минимуму расстояния, через которое должна перемещаться головка тарельчатого клапана, предпочтительно свести к максимуму площадь поперечного сечения пути потока текучей среды, свести к минимуму зазор между седлом клапана и головкой клапана и свести к максимуму объем текучей среды вокруг остальной головки клапана. Это значит, что текучая среда проходит наиболее быстро в зазоре между головкой клапана и седлом клапана. В результате этого существует падение давления, относящееся к кинетической энергии, которое является наибольшим (приводя к минимуму давления текучей среды) между головкой тарельчатого клапана и седлом клапана, причем эта сила действует для закрывания клапана. Силы, относящиеся к кинетической энергии, пропорциональны квадрату скорости текучей среды и плотности текучей среды, и эта сила прилагается во время ходов как впуска, так и выпуска.
2. Вязкое сопротивление, возникающее из потока текучей среды через поверхность головки тарельчатого клапана, действует по касательной к поверхности головки тарельчатого клапана. Всегда существует составляющая касательной поверхности головки тарельчатого клапана в направлении закрывания, так что вязкое сопротивление тянет головку тарельчатого клапана в закрытое состояние во время ходов выпуска. Вязкое сопротивление пропорционально произведению скорости текучей среды на вязкость текучей среды и особенно важно при низких температурах.
3. По мере того, как текучая среда разделяется и отклоняется за переднюю часть головки тарельчатого клапана, она должна внутренне сдвигаться, по мере того, как изменяется ее форма. Это приводит к области высокого давления на поверхности выше по потоку головки тарельчатого клапана и области низкого давления на внутренней поверхности (где сходится отведенный поток). Получающийся в результате этого перепад давления действует для закрывания тарельчатого клапана. Сдвигающие силы пропорциональны произведению скорости текучей среды на вязкость текучей среды и также особенно важны при низких температурах.
4. Масса текучей среды также должна быть ускорена перпендикулярно оси потока, чтобы она отводилась вокруг головки тарельчатого клапана. Ускорение поднимает давление в потоке у тарельчатого клапана и, следовательно, также прилагает силы по нормали к поверхности, вокруг которой отклоняется текучая среда (так называемый «эффект реактивной струи»). Эти силы действуют на головку тарельчатого клапана, и, поскольку головки тарельчатого клапана обычно имеют поверхности выше по потоку в форме конуса или пули для уменьшения сдвигающих сил, результирующие силы имеют составляющую в направлении закрывания тарельчатого клапана. Эти силы, относящиеся к ускорению, пропорциональны произведению плотности текучей среды на вязкость текучей среды.
Величина результирующих сил изменяется в зависимости от температуры, вязкости текучей среды, мгновенной скорости потока и конфигурации клапана. Например, в некоторых клапанах текучая среда сталкивается со стороной клапанного элемента перед прохождением между клапанным элементом и седлом клапана, а не с поверхностью выше по потоку, влияя на относительную величину этих сил.
В результате действия этих сил может существовать риск осуществления непреднамеренных ходов накачки, в которых смещается текучая среда, что не требовалось управляющим устройством. Это может значительно ухудшить эффективность гидравлической машины, особенно при низких температурах, и может быть опасными. Не практично преодолевать эти силы просто посредством обеспечения более сильных магнитных сил для удерживания клапана в открытом положении, так как это увеличит потребление энергии клапаном и замедлит отпускание клапана.
Подобные проблемы могут возникнуть в других типах гидравлической машины, где текучая среда проходит через седло клапана во время по меньшей мере некоторых условий работы, в таком же направлении, что и перемещение клапанного элемента к седлу клапана для закрывания клапана.
Задачей изобретения является разработка клапанного узла, подходящего для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, в котором воздействия некоторых или всех из этих четырех сил уменьшены или устранены. Это достигнуто в некоторых вариантах осуществления посредством уменьшения или удаления одной или более этих сил и посредством этого уменьшения или устранения воздействий некоторых или всех из этих четырех сил.
Посредством уменьшения воздействий некоторых или всех из этих четырех сил уменьшена вероятность закрывания клапана в неправильное время, и в некоторых вариантах осуществления может быть уменьшено потребление энергии клапанным узлом. Клапан также может иметь более долгий срок эксплуатации, чем было бы в ином случае.
Раскрытие изобретения
Согласно первой особенности настоящего изобретения предложен клапанный узел для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, причем клапанный узел содержит корпус клапана, содержащий седло клапана, проход текучей среды, продолжающийся через корпус клапана, и перемещающийся элемент, содержащий клапанный элемент, причем этот клапанный элемент выполнен с возможностью работы между открытым положением, в котором клапанный элемент находится на расстоянии от седла клапана, и текучая среда может проходить через проход текучей среды, и закрытым положением, в котором клапанный элемент находится в герметизирующем контакте с седлом клапана, предотвращая прохождение текучей среды через проход текучей среды, причем клапанный узел дополнительно образует путь потока текучей среды, проходящий в первом режиме прохождения текучей среды между клапанным элементом и седлом клапана и в проход текучей среды, характеризующийся тем, что клапанный узел дополнительно содержит барьер выше по потоку клапанного элемента для уменьшения одной или более сил, которые иначе действовали бы на клапанный элемент в результате прохождения текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана.
Барьер должен быть выполнен с возможностью уменьшения одной или более сил, которые иначе бы действовали на клапанный элемент в результате потока текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана. Таким образом, барьер должен быть образован и расположен для уменьшения одной или более сил, которые иначе бы действовали на клапанный элемент в результате потока текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана. Под одной или более силами, которые иначе бы действовали на клапанный элемент в результате потока текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана, понимаются кинетические силы, которые бы действовали на клапанный элемент, или были больше, если бы барьер отсутствовал, причем кинетическая сила возникает от перемещения текучей среды вблизи от клапанного элемента, например, некоторые или все силы, упомянутые выше. Это отличается от сил, возникающих от статического давления. Барьер может быть образован и расположен для уменьшения упомянутых сил посредством выполнения в форме щита, расположенного непосредственно выше по потоку клапанного элемента, когда клапан находится в открытом положении. Под термином «выше по потоку» понимается выше по потоку в первом режиме потока текучей среды. Таким образом, барьер обычно защищает поверхность клапанного элемента (обычно всю поверхность выше по потоку клапанного элемента или ее часть) от потока текучей среды, который иначе бы прилагал силу, поджимающую клапанный элемент к седлу клапана в первом режиме потока текучей среды.
Предпочтительно, барьер выполнен (например, образован и расположен) с возможностью работы для уменьшения или удаления сил вязкого сопротивления через поверхность клапанного элемента по касательной к поверхности клапанного элемента, которые иначе действовали бы на клапанный элемент в результате прохождения текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана в первом режиме прохождения текучей среды.
Предпочтительно, барьер выполнен (например, образован и расположен) с возможностью работы для уменьшения или удаления сил, возникающих от перепада давления, созданного сдвиганием текучей среды выше по потоку клапанного элемента, которые иначе действовали бы на клапанный элемент в результате прохождения текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана в первом режиме прохождения текучей среды.
Предпочтительно, барьер выполнен (например, образован и расположен) с возможностью работы для уменьшения или удаления сил, связанных с ускорением, возникающих от ускорения текучей среды, с составляющей, перпендикулярной оси потока, так что он отклоняется вокруг клапанного элемента, которые иначе действовали бы на клапанный элемент в результате прохождения текучей среды для поджатия клапанного элемента к седлу клапана в первом режиме прохождения текучей среды.
Предпочтительно, барьер расположен (например, установлен) непосредственно выше по потоку клапанного элемента, когда клапанный элемент находится в открытом положении. Таким образом, по меньшей мере некоторые из упомянутых сил могут прилагаться к барьеру, а не к клапанному элементу. Предпочтительно барьер жестко присоединен к клапанному узлу. Обычно барьер жестко присоединен к корпусу клапана.
Предпочтительно, барьер расположен (например, установлен) для защиты поверхности клапанного элемента (обычно всей поверхности выше по потоку клапанного элемента или ее части) от потока текучей среды, который иначе бы прилагал силу, поджимающую клапанный элемент к седлу клапана в первом режиме потока текучей среды. Таким образом, область минимального или нулевого потока текучей среды обычно образована на стороне выше по потоку клапанного элемента в результате наличия барьера. Барьер может быть образован и расположен так, чтобы путь потока текучей среды не продолжался через часть поверхности выше по потоку клапанного элемента.
Клапанный узел может быть расположен так, что в первом режиме прохождения текучей среды полученная текучая среда проходит к барьеру и отклоняется вокруг периферии клапанного элемента посредством барьера.
Обычно барьер продолжается через всю обращенной вверх по потоку площадь поверхности клапанного элемента. Тем не менее, некоторое уменьшение сил из-за потока текучей среды может быть достигнуто посредством применения барьера, который продолжается через часть обращенной вверх по потоку площади поверхности клапанного элемента.
Барьер может содержать ободок барьера, который продолжается по меньшей мере частично вокруг периферии клапанного элемента.
Барьер обычно отклоняет текучую среду, которая проходит к барьеру в первом режиме потока, вокруг периферии клапанного элемента. Клапанный элемент может быть без отверстий, и барьер может продолжаться через часть или всю поверхность клапанного элемента, которая расположена выше по потоку в первом режиме потока. Клапанный элемент может содержать одно или более отверстий. Например, клапанный элемент может быть кольцевым клапаном, содержащим одно или более отверстий. В этих случаях барьер обычно отклоняет текучую среду, которая проходит к барьеру, как вокруг наружной периферии барьера, так и через одно или более отверстий.
Предпочтительно отклонять текучую среду вокруг клапанного элемента в клапанном узле для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, и не уменьшать давление текучей среды выше по потоку (в первом режиме потока текучей среды) клапанного элемента, способствуя быстрому потоку текучей среды, требуемому в гидравлической машине.
Обычно клапанный узел образует путь потока текучей среды, так что в первом режиме потока текучей среды текучая среда сталкивается с барьером по существу параллельно к (например, параллельно с) перемещению клапанного элемента между открытым положением и закрытым положением. Эффективность барьера особенно высока в этой конфигурации. Барьер и клапанный элемент могут быть соосны.
Перемещающийся элемент может содержать шток клапана. Обычно сила передается к клапанному элементу через шток клапана, например, посредством привода, такого как магнитный полюс, выполненный за одно целое или присоединенный к перемещающемуся элементу и приводимый в действие электромагнитом. Шток клапана может, например, продолжаться выше по потоку или ниже по потоку клапанного элемента (в первом режиме потока текучей среды). Барьер может содержать отверстие, например, если шток клапана продолжается выше по потоку клапанного элемента, шток клапана может продолжаться через отверстие.
Тем не менее, может быть необходимо, чтобы барьер был осесимметричным. Например, шток клапана может продолжаться через отверстие в барьере не у центра барьера. Барьер может иметь множество краев, и в этом случае путь потока текучей среды может упираться только в некоторые края барьера (например, в один наружный или внутренний край или не во все края). Например, если барьер является кольцевым барьером, путь потока текучей среды может продолжаться только за наружный край или за внутренний край кольца. Может быть так, что шток клапана отделяет по меньшей мере часть пути потока текучей среды посредством упора по меньшей мере в один край барьера, например, внутренний край кольцевого барьера.
Обычно клапанный узел образует путь потока текучей среды, так что в первом режиме потока текучей среды текучая среда сталкивается с барьером по существу с одного направления, например, через единственное отверстие.
Таким образом, изобретение распространяется на клапанный узел для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, причем клапанный узел содержит корпус клапана, содержащий седло клапана, проход текучей среды, продолжающийся через корпус клапана, и перемещающийся элемент, содержащий клапанный элемент, причем клапанный элемент выполнен с возможностью работы между открытым положением, в котором клапанный элемент находится на расстоянии от седла клапана, и текучая среда может проходить через проход текучей среды, и закрытым положением, в котором клапанный элемент находится в герметизирующем контакте с седлом клапана, предотвращая прохождение текучей среды через проход текучей среды, причем клапанный узел дополнительно образует путь потока текучей среды, проходящий в первом режиме прохождения текучей среды между клапанным элементом и седлом клапана и в проход текучей среды, характеризующий тем, что клапанный узел содержит барьер, расположенный непосредственно выше по потоку клапанного элемента для отклонения текучей среды вокруг периферии клапанного элемента в первом режиме потока текучей среды. В этом устройстве барьер отклоняет текучую среду вокруг периферии клапанного элемента при работе в первом режиме потока текучей среды.
Предпочтительно, клапанный элемент и барьер образованы и расположены для образования между ними объема, содержащего текучую среду, когда клапанный элемент находится в открытом положении, и обычно также, когда клапанный элемент находится в закрытом положении. Предпочтительно, клапанный элемент и барьер образованы и расположены для исключения образования слоя под давлением между взаимодействующими поверхностями клапанного элемента и барьера, когда клапанный элемент находится в открытом положении, который иначе бы ограничил открывание клапанного узла.
Клапанный узел обычно содержит впуск, через который текучая среда принимается в первом режиме потока текучей среды. Барьер может быть расположен между впуском и клапанным элементом. Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления барьер продолжается выше по потоку впуска.
Барьер может быть выполнен в виде штампованного металлического листа.
Барьер может содержать структуру, направляющую перемещающийся элемент (такую как отверстие), выполненную с возможностью взаимодействия с перемещающимся элементом (предпочтительно с клапанным элементом) и его направления.
Клапанный элемент обычно содержит поверхность ниже по потоку по меньшей мере часть которой выполнена с возможностью контактирования с седлом клапана, когда клапан находится в закрытом положении. Барьер, клапанный элемент и корпус клапана могут быть образованы и расположены так, чтобы текучая среда, проходящая вдоль пути потока текучей среды, проходила за поверхность ниже по потоку под углом по меньшей мере 80°, и предпочтительно по меньшей мере 85°, и более предпочтительно, по меньшей мере 90°, и наиболее предпочтительно, более 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения от открытого положения к закрытому положению. Таким образом, составляющая сдвигающих сил, прилагаемых к клапанному элементу текучей средой, проходящей за поверхность ниже по потоку клапанного элемента, которая действует параллельно направлению, в котором клапанный элемент перемещается от открытого положения к закрытому положению, уменьшена или удалена или, если упомянутый угол больше 90°, действует для поджатия клапанного элемента к открытому положению.
Может быть, что путь потока текучей среды содержит область суженного потока, а клапанный узел дополнительно содержит камеру уменьшенного давления, сообщающуюся как с первой поверхностью перемещающегося элемента, так и с областью суженного потока, выполненную с возможностью прикладывания силы к перемещающемуся элементу посредством уменьшения давления в камере уменьшенного давления, когда текучая среда проходит по пути потока текучей среды через область суженного потока, причем эта сила действует для сопротивления закрыванию клапана.
Под областью суженного потока понимается область, через которую проходит текучая среда, которая имеет меньшую площадь поперечного сечения, через которую проходит текучая среда, чем путь потока текучей среды выше по потоку области суженного потока, и обычно также меньшую площадь поперечного сечения, через которую проходит текучая среда, чем путь потока текучей среды ниже по потоку области суженного потока. Таким образом, наличие текучей среды в области суженного потока будет уменьшено относительно текучей среды, которая находится выше по потоку, и обычно также ниже по потоку, области суженного потока, посредством эффекта Вентури. Из «площади поперечного сечения, через которую проходит текучая среда» исключается площадь поперечного сечения любого элемента, который текучая среда обтекает вокруг, а не насквозь. Например, в некоторых вариантах осуществления шток клапана или другой элемент, который является непроницаемым для текучей среды, и вокруг которого проходит текучая среда, может быть расположен внутри канала, такого как проход текучей среды, таким образом, сужая поток.
Поскольку камера уменьшенного давления сообщается с областью суженного потока, давление внутри камеры уменьшенного давления также будет уменьшено ниже давления полученной текучей среды выше по потоку области суженного потока, и обычно также ниже по потоку области суженного потока, когда текучая среда проходит по пути потока текучей среды.
Обычно клапанный узел также будет иметь второй режим потока текучей среды, в котором направление потока текучей среды является обратным. Термины «ниже по потоку» и «выше по потоку» используются здесь для отношения к направлениям, по существу в том же направлении и в противоположном направлении, соответственно, к направлению потока текучей среды в первом режиме потока текучей среды. Клапанный узел предпочтительно содержит впуск текучей среды, через который текучая среда принимается в первом режиме потока текучей среды. Как впуск, так и выпуск могут содержать одно или более отверстий. Отверстие(я) впуска и/или выпуска обычно продолжаются через наружную стенку клапанного узла параллельно направлению, в котором клапанный элемент перемещается от открытого положения к закрытому положению.
Область суженного потока может, например, иметь площадь поперечного сечения, которая не превышает 60% и предпочтительно не превышает 25% площади поперечного сечения впуска в клапан, из которого продолжается путь потока текучей среды. Таким образом, давление внутри камеры уменьшенного давления обычно меньше, чем давление текучей среды, принимаемой клапанным узлом, когда текучая среда проходит через путь потока текучей среды.
Обычно перепад давления между камерой уменьшенного давления и текучей средой, принимаемой клапанным узлом, будет увеличиваться с увеличением скорости потока текучей среды. Соответственно, сила, действующая на первую поверхность перемещающегося элемента в результате уменьшения давления в камере уменьшенного давления, будет склонна к увеличению по мере того, как увеличивается скорость потока текучей среды, когда силы, приведенные выше, являются наибольшими. Таким образом, образуется сила, которая противостоит силам, действующим на седло клапана, образованным потоком текучей среды за клапанный элемент во время работы, уменьшая или устраняя воздействия сил, приведенных выше.
Клапанный узел особенно полезен в условиях, когда по меньшей мере в одном условии работы клапанный узел будет направлен так, чтобы направление, в котором клапанный элемент перемещается из открытого положения к закрытому положению, было таким же, как направление потока текучей среды через седло клапана (первый режим потока текучей среды). В этом контексте под «тем же направлением» понимается, что поток текучей среды через седло клапана должен иметь составляющую, параллельную, а не непараллельную, направлению перемещения клапанного элемента из открытого положения в закрытое положение для закрывания клапанного элемента. Во многих вариантах осуществления поток текучей среды через седло клапана будет по существу параллельным направлению перемещения клапанного элемента из открытого положения в закрытое положение для закрывания клапанного элемента.
В некоторых торцевых клапанных узлах все направление потока текучей среды через клапан по существу такое же, как направление, в котором текучая среда проходит через седло клапана. Тем не менее, это не является ограничением. Например, могут быть применены клапанные узлы, в которых текучая среда входит в клапанный узел или выходит из него радиально. В кольцевых клапанных узлах текучая среда, полученная через впуск, может проходить через одно или более седел клапана в направлении, которое по существу противоположно направлению, в котором текучая среда была получена в клапанный узел.
Обычно первая поверхность перемещающегося элемента расположена на поверхности, нормаль которой направлена по существу к направлению, в котором клапанный элемент перемещается из закрытого положения в открытое положение, и обычно параллельна ему. Камера уменьшенного давления обычно образована частично первой поверхностью перемещающегося элемента. Обычно первая поверхность перемещающегося элемента обращена в направлении выше по потоку относительно направления, в котором текучая среда, которая вошла в проход текучей среды через седло клапана, проходит через проход текучей среды в первом режиме потока текучей среды.
Перемещающийся элемент может содержать шток клапана, на котором установлен клапанный элемент. Первая поверхность перемещающегося элемента может быть поверхностью бокового элемента, который продолжается от штока клапана. Первая поверхность перемещающегося элемента может быть жестко присоединена к клапанному элементу. Например, клапанный элемент может содержать упомянутый боковой элемент, включающий в себя первую поверхность, шток клапана и клапанный элемент, образованные за одно целое, например, как непрерывное жесткое тело из металла.
Тем не менее, перемещающийся элемент может содержать первую часть, содержащую клапанный элемент, и вторую часть, имеющую на ней первую поверхность, причем первая и вторая части выполнены с возможностью перемещения друг относительно друга, но соединены и сцеплены по меньшей мере когда клапанный элемент находится в открытом положении, так, чтобы сила, действующая на первую поверхность второй части, действовала на клапанный элемент по меньшей мере когда клапанный элемент находится в открытом положении. Поверхность второй части может упираться во взаимодействующую поверхность первой части, когда клапан находится в открытом положении, посредством этого передавая силу между первой поверхностью и клапанным элементом. Предпочтительно, вторая часть может содержать якорь, приводимый электромагнитом, так что клапанный узел является клапаном с электромагнитным приводом (являющимся примером клапана с электроприводом).
Клапанный узел может образовывать путь потока текучей среды, продолжающийся вокруг клапанного элемента, когда клапан находится в открытом положении. Это конфигурация, в которой силы, действующие на клапанный элемент из-за потока текучей среды, могут быть особенно большими. Клапанный узел может быть выполнен так, что в первом режиме потока текучей среды часть пути потока текучей среды продолжается вдоль периферии клапанного элемента, когда клапан находится в открытом положении, в том же направлении, в котором клапанный элемент перемещается к седлу клапана для закрывания клапанного элемента.
Может быть так, что проход текучей среды содержит область суженного потока, и камера уменьшенного давления сообщается с областью суженного потока прохода текучей среды. В этом случае поток текучей среды через область суженного потока обычно по существу параллелен направлению перемещения перемещающегося элемента между закрытым и открытым положениями.
Тем не менее, область суженного потока может быть выше по потоку клапанного элемента. Клапанный узел может содержать барьер, жестко присоединенный к клапанному узлу (например, к корпусу клапана), и выполненный с возможностью образования камеры уменьшенного давления между барьером и перемещающимся элементом. В этом случае камера уменьшенного давления может быть образована между барьером и клапанным элементом. Барьер обычно расположен выше по потоку перемещающегося элемента (предпочтительно клапанного элемента), и в этом случае камера уменьшенного давления обычно образована выше по потоку перемещающегося элемента (предпочтительно клапанного элемента). Если барьер предусмотрен, клапанный узел предпочтительно образует путь потока текучей среды, продолжающийся между клапанным элементом и корпусом клапана, смежным с седлом клапана, причем по меньшей мере часть области между клапанным элементом и корпусом клапана, смежным с седлом клапана, выполняет функцию области суженного потока, сообщающейся с камерой уменьшенного давления между барьером и клапанным элементом. Путь потока текучей среды может продолжаться между барьером и корпусом клапана, а область суженного потока может быть расположена между барьером и корпусом клапана.
Обычно камера уменьшенного давления сообщается по меньшей мере с одной областью суженного потока посредством прохода, имеющего площадь поперечного сечения не больше, чем 10% площади поперечного сечения первой поверхности, сообщающейся с камерой уменьшенного давления. Это увеличивает максимальную силу, которая может быть приложена к первой поверхности перемещающегося элемента посредством давления в камере уменьшенного давления для данной скорости потока текучей среды.
Обычно путь потока текучей среды дополнительно содержит область потока высокого давления, имеющую площадь поперечного сечения, большую, чем область суженного потока, а клапанный узел дополнительно содержит камеру увеличенного давления, сообщающуюся как со второй поверхностью перемещающегося элемента, так и с областью потока высокого давления.
Предпочтительно, клапанный узел является клапаном с электроприводом. Клапаны с электроприводом включают в себя клапанные узлы, которые пассивно открыты или закрыты во время использования, но которые могут быть активно открыты, активно закрыты, активно отодвинуты или активно задвинуты.
Обычно клапанный узел является тарельчатым клапаном, и клапанный элемент является головкой тарельчатого клапана. Тем не менее, клапанный узел может быть, например, кольцевым клапаном.
Если клапанный элемент содержит шток клапана, шток клапана может содержать полый соединительный стержень, через который продолжается путь потока текучей среды. Полый соединительный стержень может содержать отверстие, через которое камера уменьшенного давления сообщается с частью внутренней части полого соединительного стержня, который выполняет функцию области суженного потока. Может быть, что полый соединительный стержень установлен с возможностью скольжения внутри отверстия корпуса клапана.
Согласно второй особенности настоящего изобретения предложен клапанный узел для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой гидравлической машины и трубопроводом текучей среды, причем клапанный узел содержит корпус клапана, имеющий седло клапана, проход текучей среды, продолжающийся через корпус клапана, и перемещающийся элемент, содержащий клапанный элемент, имеющий поверхность ниже по потоку и выполненный с возможностью работы между открытым положением, в котором клапанный элемент находится на расстоянии от седла клапана, и текучая среда может проходить через проход текучей среды, и закрытым положением, в котором часть поверхности ниже по потоку клапанного элемента находится в герметизирующем контакте с седлом клапана, предотвращая прохождение текучей среды через проход текучей среды, причем клапанный узел дополнительно образует путь потока текучей среды, проходящий в первом режиме прохождения текучей среды между клапанным элементом и седлом клапана и в проход текучей среды, характеризующий тем, что текучая среда, проходящая вдоль пути прохождения текучей среды во время работы, попадает на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под углом по меньшей мере 80° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением.
Клапанный узел образован и расположен так, что текучая среда, проходящая вдоль пути прохождения текучей среды во время работы, попадает на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под указанным углом. Это достигается посредством выбора формы одного или более отверстий или каналов текучей среды и относительного положения поверхности ниже по потоку клапанного элемента соответственно.
Предпочтительно, клапанный узел выполнен так, что текучая среда, проходящая вдоль пути прохождения текучей среды, попадает на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под углом по меньшей мере 80°, и более предпочтительно по меньшей мере 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением. В некоторых вариантах осуществления клапанный узел выполнен так, что текучая среда, проходящая вдоль пути прохождения текучей среды, попадает на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под углом более 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением.
Таким образом, сдвигающие силы, которые действуют на поверхность ниже по потоку клапанного элемента, имеют только маленькую или отрицательную составляющую, которая параллельна направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением, посредством чего уменьшаются или удаляются силы, возникающие от сдвига текучей среды, поджимающие клапанный элемент к закрытому положению.
Корпус клапана, смежный с седлом клапана, может быть выполнен так, чтобы заставлять текучую среду, проходящую вдоль пути прохождения текучей среды, попадать на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под углом по меньшей мере 80° по меньшей мере 85° по меньшей мере 90°, или более 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением.
Выше по потоку клапанного элемента может быть предусмотрен барьер, который выполнен так, чтобы заставлять текучую среду, проходящую вдоль пути прохождения текучей среды, попадать на поверхность ниже по потоку клапанного элемента под углом по меньшей мере 80°, по меньшей мере 85°, по меньшей мере 90° или более 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением.
Поверхность ниже по потоку клапанного элемента, на которую сначала попадает текучая среда, проходящая вдоль пути прохождения текучей среды, может быть ориентирована под углом по меньшей мере 80°, по меньшей мере 85°, по меньшей мере 90° или более 90° к направлению, в котором клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением.
Дополнительные предпочтительные и необязательные признаки второй особенности изобретения соответствуют признакам, описанным выше в отношении первой особенности изобретения.
Изобретение распространяется в третьей особенности на гидравлическую машину, содержащую рабочую камеру циклически изменяющегося объема, трубопровод высокого давления и трубопровод низкого давления, и клапанный узел согласно первой или второй особенности изобретения, который регулирует подачу текучей среды к или от трубопровода высокого давления или трубопровода низкого давления к рабочей камере, причем текучая среда может проходить от рабочей камеры через седло клапана в том же направлении, в котором клапанный элемент клапанного узла перемещается к седлу клапана для закрывания клапанного узла, во время по меньшей мере части по меньшей мере некоторых циклов объема рабочей камеры.
Может быть предусмотрено множество рабочих камер. Гидравлическая машина может дополнительно содержать управляющее устройство, которое выполнено с возможностью активного управления клапанным узлом и необязательно одним или более другими клапанами в фазовом отношении к циклам объема рабочей камеры для определения результирующего смещения текучей среды одной или каждой рабочей камерой на циклической основе, чтобы посредством этого определить среднее по времени результирующее смещение текучей среды гидравлической машиной или одной или более групп рабочих камер. Гидравлическая машина может дополнительно содержать датчик фазы или объема рабочей камеры для обеспечения активно управления клапанным узлом в фазовом отношении к циклам объема рабочей камеры.
Предпочтительно перепад давления между трубопроводом высокого давления и трубопроводом низкого давления и пропускная способность текучей среды через клапанный узел такие, что гидравлическая машина не работала бы правильно по меньшей мере при некоторых условиях работы, в которых отсутствует камера уменьшенного давления, сообщающаяся с первой поверхностью, и/или барьер, при необходимости, так как первичный клапан закроется слишком рано из-за сил, возникающих от потока текучей среды между головкой клапана и седлом клапана.
3
3
3
Предпочтительно, объем рабочей камеры изменяется циклически с частотой по меньшей мере 20 Герц. Предпочтительно, клапанный узел выполнен с возможностью открывания или закрывания меньше, чем за 10 мс, или меньше, чем за 5 мс. Предпочтительно, объем внутренней камеры больше, чем 1 см, больше, чем 5 см, или более предпочтительно больше, чем 10 см.
Гидравлический двигатель может выполнять функцию только двигателя или только насоса. В качестве альтернативы, гидравлический двигатель может выполнять функцию двигателя или насоса в разных режимах работы.
Краткое описание чертежей
Далее будет описан иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой частичный вид в разрезе клапанного узла согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 представляет собой схематическую диаграмму гидравлической машины, включающей в себя клапанный узел;
Фиг.3 представляет собой частичный вид в разрезе альтернативного клапанного узла согласно настоящему изобретению;
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе альтернативного клапанного узла согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 представляет собой вид в разрезе впуска и клапанного элемента альтернативного клапанного узла;
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе впуска и клапанного элемента альтернативного клапанного узла; и
Фиг.7 представляет собой поперечный разрез клапанного узла согласно дополнительному примеру.
Подробное описание приведенного в качестве примера варианта осуществления изобретения
Как видно из фиг.1, клапанный узел 1 содержит корпус 2 клапана, выполненный из стали, который образует седло 4 клапана и проход 6 текучей среды, который, когда клапан открыт, продолжается от впуска 8, через который текучая среда принимается от рабочей камеры (не показана), к выпуску 10. Головка 12 тарельчатого клапана (выполняющая функцию клапанного элемента) выполнена с возможностью работы между открытым положением, в котором она находится на расстоянии от седла клапана, чтобы позволить текучей среде проходить между впуском и выпуском через проход текучей среды, и закрытым положением, в котором она удерживается в герметичном соприкосновении с седлом клапана, таким образом, предотвращая прохождение текучей среды в проход текучей среды или из него через седло клапана.
Термины «впуск» и «выпуск» относятся к отверстиям у противоположных концов пути прохождения текучей среды через клапанный узел, причем текучая среда проходит через седло клапана в проход текучей среды в том же направлении, в котором головка тарельчатого клапана перемещается из открытого положения к закрытому положению (первый режим прохождения текучей среды). Во многих практических применениях в разное время текучая среда будет проходить через проход текучей среды в противоположном направлении (второй режим прохождения текучей среды). В этом иллюстративном варианте осуществления клапанный узел включен в гидравлическую машину типа, описанного в документах ЕР 0361927, ЕР 0494236 и ЕР 1537333, и ориентированную так, что текучая среда, выпускаемая из рабочей камеры к трубопроводу низкого давления, проходит через клапанный узел в первом режиме прохождения текучей среды. Тем не менее, будут другие практические применения клапанного узла, в которых текучая среда проходит в первом режиме течения для регулирования потока текучей среды в рабочую камеру, или к каналам или камерам, не являющимся рабочей камерой, или из них.
Головка тарельчатого клапана присоединена к кольцевому якорю посредством трубчатого соединительного стержня 16. Головка тарельчатого клапана, якорь и полый трубчатый соединительный стержень (выполняющий функцию штока клапана) вместе образуют перемещающийся элемент, который является жестким и перемещается как единый узел. Возможны альтернативные устройства клапана, в которых составляющие части перемещающегося элемента не всегда перемещаются как единый узел. Например, якорь может быть упруго присоединен к соединительному стержню. Тем не менее, силы в направлении, противоположном закрыванию клапана, передаются от якоря через соединительный стержень к головке тарельчатого клапана.
Клапанный узел дополнительно содержит электромагнит 18. Магнитная цепь образована корпусом клапана, магнитопроводящим мостом 20, якорем и ферромагнитной пробкой 22. Когда через электромагнит проходит ток, сила действует на якорь, чтобы тянуть трубчатый соединительный стержень и, таким образом, поджимать головку тарельчатого клапана к седлу клапана. Когда ток отсутствует, якорь тянется к стопору 24 и удерживается на нем посредством кольцевого постоянного магнита 26 или посредством пружины (не показана). Электромагнит, максимальный ток через электромагнит, конфигурация магнитной цепи и напряженность и расположение постоянного магнита выбираются так, чтобы результирующая сила, действующая на якорь, когда через электромагнит проходит ток, существенно превосходила силу постоянного магнита.
Корпус клапана дополнительно образует первую камеру 28 (выполняющую функцию камеры уменьшенного давления), которая находится в гидравлическом сообщении с проходом текучей среды посредством отверстия 30 в соединительном стержне. Первая камера находится в непосредственном контакте с поверхностью 32, направленной к впуску, якоря (выполняющей функцию первой поверхности перемещающегося элемента). Противоположная поверхность 34, направленная к выпуску, находится в непосредственном контакте со второй камерой 36, которая находится в гидравлическом сообщении с выпуском клапанного узла посредством прохода 38 через пробку.
На фиг.2 показана принципиальная схема гидравлической машины, обозначенной по существу позицией 100, объединяющей в себе иллюстративный клапанный узел 1 в качестве клапана низкого давления, который регулирует поток гидравлической текучей среды между трубопроводом 102 низкого давления и рабочей камерой 104. Клапан низкого давления направлен так, чтобы текучая среда, выпускаемая из рабочей камеры к трубопроводу низкого давления, проходила через седло клапана в том же направлении, в котором головка тарельчатого клапана перемещается от открытого положения к закрытому положению, то есть, в первом режиме прохождения текучей среды, во время каждого хода выпуска, когда гидравлическая машина выполняет функцию двигателя, и во время холостых ходов впуска, когда гидравлическая машина выполняет функцию насоса.
Рабочая камера образована внутренней частью цилиндра 106 и поршнем 108, который механически связан с вращением коленчатого вала 110 посредством подходящей механической связи 112, и который осуществляет возвратно-поступательное перемещение внутри цилиндра для циклического изменения объема рабочей камеры. Клапан 114 высокого давления регулирует поток гидравлической текучей среды между трубопроводом 116 высокого давления и рабочей камерой. Иллюстративная гидравлическая машина включает в себя множество рабочих камер, механически связанных с вращением одного и того же коленчатого вала с соответствующими разностями фаз. Датчик 118 положения и скорости вала определяет мгновенное угловое положение и скорость вращения вала и передает сигналы положения и скорости вала к управляющему устройству 120, что позволяет управляющему устройству определять мгновенную фазу циклов каждой отдельной рабочей камеры. Управляющее устройство является, как правило, микропроцессором или микропроцессорным управляющим устройством, которое исполняет используемую хранимую программу. Клапан низкого давления является приводимым в действие электрически, и открывание и/или закрывание клапанов высокого и/или низкого давления находится под активным управлением управляющего устройства.
Иллюстративная гидравлическая машина выполнена с возможностью выполнения функции как насоса, так и двигателя в альтернативных режимах работы. При работе в качестве насоса, текучая среда низкого давления принимается от трубопровода низкого давления, и выдается через клапан высокого давления к трубопроводу высокого давления. При работе в качестве двигателя, текучая среда высокого давления принимается от трубопровода высокого давления, и выдается через клапан низкого давления к трубопроводу низкого давления. Следовательно, энергия текучей среды преобразуется в энергию вала.
Управляющее устройство регулирует открывание и/или закрывание клапанов низкого и высокого давления для определения смещения текучей среды через каждую рабочую камеру на циклической основе в фазовом отношении к циклам объема рабочей камеры, для определения результирующей пропускной способности через машину. Таким образом, гидравлическая машина работает согласно принципам, изложенным в документах ЕР 0361927, ЕР 0494236 и ЕР 1537333, содержание которых включено сюда путем ссылки.
Во время холостого хода выпуска текучая среда внутри рабочей камеры выпускается через клапан низкого давления к трубопроводу низкого давления. Это, как правило, происходит за несколько миллисекунд, и, таким образом, максимальная скорость потока текучей среды за головку тарельчатого клапана через седло клапана и проход текучей среды является, следовательно, очень высокой. В результате этого, силы (1)-(4), описанные выше, действуют на головку тарельчатого клапана, поджимая головку тарельчатого клапана к седлу клапана.
Как видно из фиг.1, текучая среда проходит клапанный элемент и входит в проход текучей среды вдоль пути 40. Внутренний канал трубчатого соединителя имеет значительно меньшую площадь поперечного сечения, чем выход из рабочей камеры или трубопровод низкого давления, смежный с клапанным узлом. Таким образом, внутренний канал трубчатого соединителя выполняет функцию области суженного потока. Соответственно, давление внутри внутреннего канала трубчатого соединителя падает ниже давления внутри рабочей камеры или трубопровода низкого давления, или посредством эффекта Вентури. Поскольку первая камера сообщается по текучей среде с внутренним каналом трубчатого соединителя, давление внутри первой камеры также падает ниже давления внутри рабочей камеры или трубопровода низкого давления. Перепад давления между первой камерой и рабочей камерой и трубопроводом низкого давления увеличивается со скоростью потока текучей среды. В это же время, давление внутри второй камеры или на стороне, противоположной якорю, остается по существу таким же, что и давление в трубопроводе низкого давления. В результате перепада давления между первой камерой и второй камерой, результирующая сила действует на якорь в направлении по существу параллельном направлению, в котором клапанный элемент перемещается от закрытого положения к открытому положению, таким образом, противодействуя силам, возникающим от потока текучей среды за клапанный элемент, которые действуют для закрывания клапана, удерживая якорь у седла и удерживая клапан в открытом положении. Магнитопроводящий мост или стопор 24 действуют в качестве уплотнения для по меньшей мере существенной герметизации первой и второй камер друг от друга.
Силы, действующие на якорь в результате перепада давления, таким образом, действуют для сопротивления закрыванию клапана. Эта противодействующая сила, действующая на якорь, увеличивается со скоростью потока текучей среды, и является наибольшей, примерно, в то же время, когда наибольшими являются силы, возникающие от потока текучей среды за клапанный элемент.
В гидравлических машинах типа, описанного в документах ЕР 0361927, ЕР 0494236, клапанные узлы, как правило, открываются или закрываются у или вблизи от верхней мертвой точки или нижней мертвой точки, когда перепад давления через клапан, который открывается или закрывается, является минимальным, и скорость потока текучей среды равна нулю (если закрытый клапан должен быть открыт) или примерно равна нулю (если открытый клапан должен быть закрыт). Несмотря на то, что может быть некоторая гибкость времени открывания или закрывания клапанов, например, для осуществления ходов частичной накачки цилиндра, описанных в документе ЕР 1537333, остается по существу предпочтительным открывать или закрывать клапаны во время, когда перепад давления через клапан является минимальным и (если клапан открыт) скорость потока текучей среды является минимальной. Специалистами в данной области техники могут быть разработаны и изготовлены клапаны, которые могут открываться или удерживаться открытыми против существенных перепадов давления; они, как правило, потребляют существенное количество энергии в ходе перемещения клапана или в ходе удерживания клапана неподвижно против силы потока. Соответственно, предпочтительно, что этот механизм имеет минимальное или отсутствующее воздействие на открывание или закрывание клапана, когда поток текучей среды через клапан является минимальным или отсутствует.
В альтернативном варианте осуществления клапанного узла, показанном на фиг.3, кольцевой перемещающийся элемент включает в себя шток клапана, который продолжается в осевом направлении вдоль части длины прохода текучей среды. Как и ранее, клапанный узел подходит для использования с гидравлической машиной, показанной на фиг.2, и используется для регулирования потока текучей среды между рабочей камерой и трубопроводом низкого давления, и направлен так, чтобы путь 42 текучей среды через седло клапана, когда текучая среда выпускается из рабочей камеры к трубопроводу низкого давления, был направлен так же, как перемещение элемента клапана от открытого положения к закрытому положению. Якорь является частью поперечного рычага, продолжающегося от штока клапана. Первая камера и вторая камера предусмотрены на противоположных сторонах якоря, как и раньше. Первая камера, расположенная на впускной стороне якоря, сообщается с областью суженного потока прохода 42 текучей среды посредством соединительного прохода 44. Область суженного потока сужена в силу ее уменьшенных внутренней и наружной окружностей. Шток клапана там может быть частично отрезан для увеличения площади потока и уменьшения сопротивления на шток клапана текучей средой, проходящей за него. Вторая камера, расположенная на выпускной стороне якоря, сообщается с дополнительной секцией прохода 46 текучей среды, которая имеет большую площадь поперечного сечения, чем область суженного потока, ввиду большей наружной (и/или внутренней) окружности. В этом иллюстративном варианте осуществления пружина 48 предусмотрена для поджатия якоря и, таким образом, всего перемещающегося элемента к впуску. Кроме того, когда текучая среда проходит через проход текучей среды, давление в области суженного потока меньше, чем давление у впуска, давление в первой камере меньше, чем во второй камере, и, таким образом, на перемещающийся элемент действуют силы для поджатия клапанного элемента к открытому положению.
На фиг.4 показан альтернативный вариант осуществления клапанного узла, подходящего для использования с гидравлической машиной, такой как гидравлическая машина, описанная со ссылкой на фиг.2. Как и ранее, клапанный узел 220 включает в себя впуск 202 для получения текучей среды от рабочей камеры при необходимости и выпуск 204 (ведущий в этом случае к множеству радиально продолжающихся отверстий). Перемещающийся элемент включает в себя якорь 206, который образован за одно целое со штоком 208 клапана и головкой 210 тарельчатого клапана. Головка тарельчатого клапана работает между открытым положением, показанным на фиг.4, и закрытым положением, в котором она герметизируется с седлом 212 клапана. Электромагнит 214 может быть использован для закрывания клапана под активным управлением управляющего устройства, а возвратная пружина 216 предусмотрена для поджатия перемещающегося элемента от электромагнита и, таким образом, для поджатия головки тарельчатого клапана к открытому положению. В первом режиме прохождения текучей среды, например, во время холостого хода выпуска, текучая среда проходит по пути 218. Соответственно, четыре силы, описанные выше, действуют для поджатия головки тарельчатого клапана к седлу клапана. Если эти силы превзойдут силу, прилагаемую к перемещающемуся элементу возвратной пружиной, произойдет непреднамеренный ход накачки вне управления управляющего устройства.
Тем не менее, клапанный узел дополнительно включает в себя барьер 220 на стороне выше по потоку головки клапана на расстоянии от седла клапана, прикрепленный к клапанному узлу радиальными соединительными рычагами 222, между которыми может проходить текучая среда. Барьер образует камеру 224 уменьшенного давления, которая сообщается с областью 226 суженного потока вокруг периферии клапанного элемента. Соответственно, когда текучая среда вытекает через клапанный узел по пути 218 потока, давление падает в области суженного потока и, следовательно, также в камере уменьшенного давления. Давление, действующее на противоположную герметизирующую поверхность 228 головки тарельчатого клапана, увеличивается по мере того, как увеличивается поперечное сечение пути потока текучей среды. Соответственно, головка тарельчатого клапана (здесь выполняющая функцию перемещающегося элемента), следовательно, подвержена воздействию силы, поджимающей клапанный элемент от седла клапана. Эта сила увеличивается со скоростью потока текучей среды, обеспечивая силу, которая является максимальной примерно в то же время, когда силы, которые поджимают клапанный элемент к седлу клапана, являются максимальными.
Перемещающийся элемент продолжается за головку тарельчатого клапана через отверстие 230 в барьере и включает в себя фланец 232, который взаимодействует с периферией отверстия для ограничения перемещения головки тарельчатого клапана от седла клапана, так что по меньшей мере некоторое количество текучей среды всегда присутствует в камере между барьером и головкой тарельчатого клапана. Это исключает образование слоя под давлением, который может обеспечить нежелательно сильное сопротивление закрыванию, увеличить потребление энергии клапанного узла и уменьшить скорость работы.
Кроме того, барьер продолжается через всю площадь поверхности стороны выше по потоку клапанного элемента и также выполняет функцию защиты головки тарельчатого клапана от сил со второй по четвертую, упомянутых выше. Барьер будет сталкиваться по меньшей мере со сдвигающими силами и силами, относящимися к ускорению, действующими в направлении от головки тарельчатого клапана, но поскольку барьер жестко присоединен к корпусу клапанного узла, эти силы будут переданы к корпусу клапанного узла и не будут действовать на голову тарельчатого клапана.
Барьер включает в себя ободок 324, продолжающийся от барьера в направлении ниже по потоку вокруг периферии головки тарельчатого клапана, таким образом, дополнительно уменьшая по меньшей мере силы вязкого сопротивления. В некоторых вариантах осуществления барьер может накрывать только часть площади поверхности головки тарельчатого клапана, в этом случае силы, поджимающие клапан в закрытое положение, будут все еще уменьшены этим механизмом, но в меньшей степени.
Как видно из фиг.5, альтернативный клапанный узел включает в себя корпус 302 клапана и приводной перемещающийся элемент, включающий в себя шток 304 клапана и головку 306 тарельчатого клапана, как и ранее. Барьер 308 расположен выше по потоку головки тарельчатого клапана, но барьер, корпус клапана, смежный с седлом 312 клапана, и поверхность 314 ниже по потоку головки тарельчатого клапана образованы и расположены так, что путь 310 потока текучей среды попадает на поверхность ниже по потоку головки тарельчатого клапана приблизительно под 90° к направлению, в котором головка тарельчатого клапана перемещается от открытого положения к закрытому положению. Таким образом, сдвигающие силы, действующие на поверхность ниже по потоку головки тарельчатого клапана, направлены радиально внутрь и обеспечивают минимальное или нулевое содействие силам, действующим для поджатия головки тарельчатого клапана к закрытому положению. В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.6, корпус клапана, смежный с седлом клапана, выполнен так, что текучая среда, проходящая по пути потока текучей среды, попадает на поверхность ниже по потоку головки тарельчатого клапана под углом, большим, чем 90°, к направлению, в котором головка тарельчатого клапана перемещается от открытого положения к закрытому положению. В этих примерах поверхность ниже по потоку головки тарельчатого клапана имеет нормаль, которая параллельна направлению, в котором перемещается головка тарельчатого клапана. Тем не менее, головка тарельчатого клапана может иметь альтернативный профиль. Например, поверхность ниже по потоку головки тарельчатого клапана может быть вогнутой или слегка выпуклой.
В дополнительном варианте осуществления клапанного узла 400, показанном на фиг.7, клапанный элемент образован кольцевым клапанным элементом 402, прикрепленным через полый шток 404 клапана к перемещающемуся шесту (якорю) 406, приводимому электромагнитом 408. Возвратная пружина 410 поджимает клапан к закрытому положению. В первом режиме прохождения текучей среды, показанном на фиг.7, текучая среда проходит радиально внутрь через отверстия 412, присоединенные к трубопроводу высокого давления, и наружу к рабочей камере 414. Барьер образован круглым фланцем 416, продолжающимся радиально внутрь от корпуса 418 клапанного элемента. Барьер частично покрывает наружный край кольцевого клапанного элемента и отклоняет текучую среду вокруг внутреннего края кольцевого клапанного элемента через центральное отверстие 420 клапанного элемента в штоке клапана, таким образом, уменьшая кинетические силы, которые иначе действовали бы на кольцевой клапанный элемент, поджимая его к закрытому положению. Кроме того, там, где сужается поток текучей среды через отверстия вблизи от клапанного элемента, образована область 422 суженного потока, и область 424 низкого давления сообщается по потоку с областью суженного потока. Таким образом, потребление тока электромагнитом, требуемое для удерживания клапана в открытом положении против потока текучей среды, уменьшается в отличие от клапана, не имеющего барьера.
Этот клапан особенно полезен в качестве клапана высокого давления в гидравлической машине для регулирования потока текучей среды от трубопровода высокого давления к рабочей камере циклически изменяющегося объема под активным управлением управляющего устройства гидравлической машины.
Дополнительные изменения и модификации могут быть выполнены в рамках объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.