РЕГУЛИРУЮЩЕЕ КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО И УПЛОТНЕНИЕ
CONTROL VALVE DEVICE AND SEAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к регулирующим клапанам, управляющим потоком текучей среды, и более конкретно, к регулирующим клапанам, включающим затвор клапана, расположенный внутри клетки клапана с возможностью перемещения.
Уровень техники
Типичные системы управления процессом в потоке текучей среды содержат различные компоненты для управления различными параметрами процесса. Например, система управления процессом в потоке текучей среды может содержать регулирующие клапаны для управления расходом, температурой и/или давлением среды, протекающей через систему. Конечный продукт зависит от точности управления этими параметрами, которые, в свою очередь, зависят от конфигурации и характеристик регулирующих клапанов. Например, регулирующие клапаны специально спроектированы и выбраны с учетом возможных изменений конкретной пропускной способности и давления. При нарушении указанных параметров может быть снижено качество конечного продукта. Одна из причин нарушения указанных параметров заключается в случайных протечках при указанном процессе.
Раскрытие изобретения
Один из вариантов реализации настоящего изобретения включает устройство управления потоком, содержащее корпус клапана, седло клапана, затвор клапана, клетку клапана и уплотняющее кольцо. Корпус клапана содержит впускное отверстие и выпускное отверстие. Седло клапана расположено внутри корпуса клапана и задает отверстие, обеспечивающее жидкостную связь между впускным и выпускным отверстиями. Затвор клапана содержит внешнюю поверхность и выполнен с возможностью перемещения между закрытым положением и открытым положением. В закрытом положении затвор клапана взаимодействует с седлом клапана и формирует основное уплотнение. В нерабочем положении затвор клапана смещен от седла клапана. Клетка клапана расположена внутри корпуса клапана и содержит внутреннюю поверхность, размер которой обеспечивает возможность размещения затвора клапана так, что промежуток между клеткой клапана и затвором клапана задает проточный канал. Уплотняющее кольцо описанного здесь варианта реализации имеет по существу L-образное поперечное сечение. По меньшей мере часть уплотняющего кольца расположена внутри промежутка для обеспечения вторичного уплотнения, герметизирующего проточный канал при закрытом положении затвора клапана.
По меньшей мере в одном из вариантов реализации уплотняющее кольцо содержит фланцевую часть и упругую герметизирующую полосовую часть. Фланцевая часть закреплена на одном из следующих элементов: клетка клапана и затвор клапана. Упругая герметизирующая полосовая часть герметично взаимодействует с внутренней поверхностью клетки клапана и внешней поверхностью затвора клапана для обеспечения вторичного уплотнения при закрытом положении затвора клапана.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано поперечное сечение вида сбоку устройства управления потоком в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 показано поперечное сечение частичного вида сбоку устройства управления потоком, показанного на фиг.1, согласно кругу II на фиг.1.
На фиг.3 показано увеличенное поперечное сечение частичного вида сбоку устройства управления потоком, показанного на фиг.2, согласно кругу III на фиг.2, иллюстрирующее гибкую структуру уплотнительного кольца устройства при его эксплуатации.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображен один из вариантов реализации регулирующего клапана 10 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Регулирующий клапан 10 в общем содержит корпус 12 клапана, крышку 30, фиксатор 18 клетки, клетку 20, уплотнительное кольцо 21 (показано на фиг.2), затвор 16 клапана и седло 14 клапана. Корпус 12 клапана задает впускное отверстие 22, выпускное отверстие 24 и канал 26 прохода текучей среды, расположенный между впускным отверстием 22 и выпускным отверстием 24. Затвор 16 клапана соединен с концом штока 28 клапана, который проходит через крышку 30 и выполнен с возможностью соединения с приводом (не показан). Привод управляет перемещением затвора 16 клапана между закрытым положением (показано на фиг.1) при взаимодействии с седлом 14 клапана для формирования основного уплотнения и открытым положением (не показано) при смещении от седла 14 клапана. Уплотнительное кольцо 21 обеспечивает вторичное уплотнение между фиксатором 18 клетки и клеткой 20. В раскрытом здесь варианте реализации уплотнительное кольцо 21 содержит корпус, имеющий в общем L-образное сечение, как изображено на фиг.2 и 3 и описано более подробно далее.
Как показано на фиг.1, седло 14 клапана расположено внутри горловины 32 корпуса 12 клапана и задает отверстие 34, находящееся в жидкостной связи с каналом 26 прохода текучей среды. Фиксатор 18 клетки прижат к корпусу 12 клапана крышкой 30, которая закреплена на корпусе 12 клапана посредством соединительных элементов 36. Выполненный таким способом фиксатор 18 клетки зажимает клетку 20 и седло 14 клапана в горловине 32 корпуса 12 клапана.
Клетка 20 содержит в общем цилиндрический элемент, определяющий отверстия 42, находящиеся в жидкостной связи с каналом 26 прохода текучей среды. Дополнительно, как показано на фиг.2, клетка 20 содержит нижнее заплечико 44, расположенное на седле 14 клапана, и верхнюю выемку 46, принимающую часть уплотнительного кольца 21 и фиксатор 18 клетки. В частности, верхняя выемка 46 клетки 20 принимает нижнее заплечико 48 фиксатора 18 клетки, который прижимает уплотнительное кольцо 21 к клетке 18. Расположенная таким образом внутренняя поверхность 37 фиксатора 18 клетки задает кольцевой канал 50. В раскрытом варианте реализации кольцевой канал 50 расположен между фиксатором 18 клетки и клеткой 20 и вмещает часть уплотнительного кольца 21. В альтернативных вариантах реализации кольцевой канал 50 может быть задан фиксатором 18 клетки, клеткой 20 или обоими этими элементами.
Как изображено на фиг.3, верхняя выемка 46 клетки 20 содержит нижнюю поверхность 52 и боковую поверхность 54, расположенную в общем перпендикулярно нижней поверхности 52. Нижнее заплечико 48 фиксатора 18 клетки задает нижнюю поверхность 56, внешнюю боковую поверхность 58 и внутреннюю боковую поверхность 60. Внешняя и внутренняя боковые поверхности 58, 60 расположены в общем перпендикулярно нижней поверхности 56. Внутренняя боковая поверхность 60 задает внешнюю границу кольцевого канала 50. Кроме того, нижнее заплечико 48 фиксатора 18 клетки имеет угол 62 между нижней поверхностью 56 и внутренней боковой поверхностью 60, имеющий закругленный край, и скошенный угол 64 между нижней поверхностью 56 и внешней боковой поверхностью 58.
Как показано на фиг.1, например, затвор 16 клапана раскрытого здесь варианта реализации представляет собой затвор балансировочного клапана, имеющего наружную поверхность 66 и пару сквозных отверстий 68. Сквозные отверстия 68 находятся в жидкостной связи с каналом 26 прохода текучей среды и полостью 70, задаваемой внутренней частью фиксатора 18 клетки. Соответственно, давление в корпусе 12 клапана уравновешено с обеих сторон затвора 16 клапана даже при закрытом положении затвора клапана (показано на фиг.1). Как показано на фиг.3, наружная поверхность 66 затвора 16 содержит многоконтурную поверхность, содержащую первую периферийную поверхность 66а, вторую периферийную поверхность 66b и переходную поверхность 66с, расположенную между первой и второй периферийными поверхностями 66а, 66b и соединяющую указанные поверхности.
Как показано на фиг.2, первая переходная поверхность 66а включает первый диаметр D1, и вторая периферийная поверхность 66b включает второй диаметр D2. Второй диаметр D2 меньше первого диаметра D1. Переходная поверхность 66с представляет собой в общем поверхность усеченного конуса, которая сходится от первой периферийной поверхности 66а ко второй периферийной поверхности 66b. Переходная поверхность 66 с выполнена под углом σ относительно второй периферийной поверхности 66b. Угол σ может быть в диапазоне от примерно десяти градусов (10°) до примерно восьмидесяти градусов (80°), и в одном из вариантов реализации равен примерно тридцати градусам (30°).
Однако в одном из альтернативных вариантов реализации переходная поверхность 66с может представлять собой округлую поверхность с закругленной стороной. В другом альтернативном варианте реализации переходная поверхность 66с может представлять собой поверхность, перпендикулярную первой и второй периферийным поверхностям 66а, 66b. Такая конфигурация не препятствует перемещению затвора 16, поскольку участки 80а, 80b герметизирующей полосовой части 78 расположены под углами, как описано далее. Схожим образом, при перемещении затвора 16 клапана, например, из открытого положения в закрытое положение острый угол затвора 16 клапана, расположенный между первой периферийной поверхностью 66а и переходной поверхностью 66с, взаимодействует со вторым участком 80b герметизирующей полосовой части 78. Дальнейшее перемещение затвора 16 клапана в нижнем направлении, таким образом, сжимает герметизирующую полосовую часть 78 до входа первой периферийной поверхности 66а в контакт с выступом 84.
Как показано на фиг.1 и как упомянуто выше, затвор 16 клапана расположен внутри фиксатора 18 клетки и выполнен с возможностью перемещения между закрытым положением и по меньшей мере одним открытым положением. Соответственно, внутренняя поверхность 37 фиксатора 18 клетки имеет размер и конфигурацию, которые не препятствуют перемещению затвора 16 клапана. Например, как изображено на фиг.2 и 3, внутренняя поверхность 37 фиксатора 18 клетки имеет диаметр D3, который больше диаметров D1, D2 первой и второй периферийных поверхностей 66а, 66b наружной поверхности 66 затвора 16 клапана. Таким образом, между фиксатором клетки 18 и затвором клапана 16 имеется промежуток 74, через который может просачиваться текучая среда из канала 26 прохода и полости 70 фиксатора 18 клетки, в частности из полости 70 к отверстиям 42 клетки 20 при закрытом положении затвора 16 клапана.
Таким образом, регулирующий клапан 10, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения, содержит уплотнительное кольцо 21 для герметизации промежутка 74 и предотвращения протечки. Как показано на фиг.3, уплотнительное кольцо 21 представляет собой цельный элемент, включающий фланцевую часть 76 и упругую герметизирующую полосовую часть 78, которые расположены в общем перпендикулярно друг другу так, что уплотнительное кольцо 30 имеет в общем L-образное сечение. В раскрытом варианте реализации уплотнительного кольца 21 фланцевая часть 76 проходит в общем радиально во внешнем направлении от герметизирующей полосовой части 76. Как показано на фиг.3, фланцевая часть 76 зажата между нижней поверхностью 52 верхней выемки 46 в клетке 20 и нижней поверхностью 56 нижнего заплечика 48 фиксатора 18 клетки. Кроме того, как показано на чертеже, герметизирующая полосовая часть 78 размещена внутри кольцевого канала 50 в клетке 18.
Фланцевая часть 76 содержит в общем плоский кольцевой диск. Герметизирующая полосовая часть 78 содержит первый и второй встречные участки 80а, 80b и оконечность 82. Участки 80а, 80b встречаются в выступе 84 и содержат соответствующие основания 86а, 86b, расположенные противоположно выступу 84. Соответственно, участки 80а, 80b определяют в общем V-образную форму поперечного сечения герметизирующей полосовой части 78 уплотнительного кольца 21. Основание 86а первого участка 80а соединено с фланцевой частью 76 уплотнительного кольца 21 в гибкой выступающей части 88. Основание 86b второго участка 80b соединено с оконечностью 82 в гибкой выступающей части 90. Выполненная таким образом герметизирующая полосовая часть 78 уплотнительного кольца 21 является упругой и может быть деформирована между ненапряженным состоянием и сжатым состоянием при эксплуатации регулирующего клапана 10.
Например, в открытом положении затвора 16 клапана (не показано) затвор клапана 16 смещен вверх от закрытого положения так, что вторая периферийная поверхность 66b расположена рядом с герметизирующей полосовой частью 78 уплотнительного кольца 21. Вторая периферийная поверхность 66b имеет меньший диаметр по сравнению с первой периферийной поверхностью 66а и, таким образом, расположена дальше от внутренней боковой поверхности 60 нижнего заплечика 48 фиксатора 18 клетки, которая задает кольцевой канал 50. Таким образом, кольцевой канал 50 имеет больший радиальный размер при открытом положении затвора 16 клапана, в результате чего герметизирующая полосовая часть 78 переходит в ненапряженное состояние, которое на фиг.3 изображено штриховыми линиями.
В ненапряженном состоянии герметизирующая полосовая часть 78 может быть полностью ненапряженна или может быть немного сжата из-за взаимодействия со второй периферийной поверхностью 66b. Однако герметизирующая полосовая часть 78 выполнена так, что не прилагает усилия или прилагает очень небольшое усилие ко второй периферийной поверхности 66b. Соответственно, между выступом 84 герметизирующей полосовой части 78 уплотнительного кольца 21 и второй периферийной поверхностью 66b полностью отсутствует трение или присутствует очень малое трение. Указанное отсутствие трения обеспечивает легкое перемещение затвора 16 клапана между различными открытыми положениями, в каждом из которых вторая периферийная поверхность 66b находится в непосредственной близости к герметизирующей полосовой части 78. Дополнительно, указанное отсутствие трения увеличивает срок службы уплотнительного кольца 21 с устранением лишнего износа выступа 84 при частом перемещении затвора 16 клапана между открытыми положениями внутри фиксатора 18 клетки, в которых, например, не требуется, чтобы промежуток 74 был герметизирован.
Как показано на фиг.3, когда герметизирующая полосовая часть 78 находится в ненапряженном состоянии, первый участок 80а образует с фланцевой частью 76 уплотнительного кольца 21 угол α, участки 80а, 80b образуют между собой угол β, а второй участок 80b образует с оконечностью 82 угол γ. Угол α может лежать в диапазоне от примерно ста пяти градусов (105°) до примерно ста двадцати пяти градусов (125°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть равен примерно ста пятнадцати градусам (115°). Угол β может лежать в диапазоне от примерно ста десяти градусов (110°) до примерно ста пятидесяти градусов (150°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть равен примерно ста тридцати градусам (130°). Угол γ может лежать в диапазоне от примерно ста сорока пяти градусов (145°) до примерно ста шестидесяти пяти градусов (165°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть примерно равен ста пятидесяти пяти градусам (155°).
Во время работы затвор 16 клапана перемещается в закрытое положение (показано на фиг.1-3), в котором затвор 16 клапана герметично прижимается к седлу 14 клапана, а первая периферийная поверхность 66а расположена рядом с герметизирующей полосовой частью 78 уплотнительного кольца 21. Поскольку затвор 16 клапана смещается вниз, в соответствии с ориентацией на фиг.3, переходная часть 66 с наружной поверхности 66 затвора 16 клапана скользит по выступу 84 герметизирующей полосовой части 78 и начинает сжимать герметизирующую полосовую часть 78, приводя ее в сжатое состояние. Сжатое состояние на фиг.3 обозначено сплошными линиями и осуществлено взаимодействием выступа 84 с первой периферийной поверхностью 66а. Помещенная под углом усеченная коническая конфигурация переходной поверхности 66с способствует гладкому переходу выступа 84 герметизирующей полосовой части 78 между второй периферийной поверхностью 66b и первой периферийной поверхностью 66а. Как описано выше, диаметр D1 первой периферийной поверхности 66а больше диаметра D2 второй периферийной поверхности 66b. Таким образом, когда затвор 16 клапана находится в закрытом положении, радиальный размер кольцевого канала меньше радиального размера указанного канала при открытом положении затвора 16 клапана, как описано выше. Соответственно, герметизирующая полосовая часть 78 уплотнительного кольца 21 переходит в сжатое состояние.
В сжатом состоянии основания 86а, 86b соответствующих участков 80а, 80b, а также оконечность 82 герметично взаимодействуют с внутренней боковой поверхностью 60 нижнего заплечика 48 фиксатора 18 клетки, которая определяет кольцевой канал 50. Кроме того, выступ 84 герметизирующей полосовой части 78 герметично взаимодействует с первой периферийной поверхностью 66а наружной поверхности 66 затвора 16 клапана. В этом положении герметизирующая полосовая часть 78 герметизирует промежуток 74 между затвором 16 клапана и фиксатором 18 клетки и предотвращает протечку через нее текучей среды. Предпочтительно, в сжатом состоянии, герметизирующая полосовая часть 78 прилагает усилие к первой периферийной поверхности 66а затвора 16 клапана и внутренней боковой поверхности 60 фиксатора 18 клетки, достаточное для предотвращения протечки сжатой текучей среды из корпуса 12 клапана и полости 70 фиксатора 18 клетки в промежуток 74 даже при высоких температурах, например, равных примерно 450°F (232,22°C) или больше этого значения.
В одном варианте реализации уплотнительное кольцо 21 может быть выполнено из металла, такого как Инконель Х-750 (промышленное обозначение N07750), 718 металлопромышленное обозначение N07718) или любого другого подходящего материала, способного выдерживать относительно высокие температуры, например, равные примерно 450°F (232,22°C) или больше этого значения.
Как проиллюстрировано на чертеже, при сжатом состоянии герметизирующей полосовой части 78 вся ее часть, имеющая V-образную поперечную форму, деформируется, т.е. выпрямляется так, что первый участок 80а образует с фланцевой частью 76 угол α', участки 80а, 80b образуют между собой угол β', и второй участок 80b образует с оконечность 82 угол γ'. Угол α' может лежать в диапазоне от примерно девяноста пяти градусов (95°) до примерно ста пятнадцати градусов (115°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть равен примерно ста пяти градусам (105°). Угол β' может лежать в диапазоне от примерно ста тридцати градусов (130°) до примерно ста семидесяти градусов (170°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть равен примерно ста пятьдесят градусам (150°). Угол γ' может лежать в диапазоне от примерно ста пятидесяти пяти градусов (155°) до примерно ста семидесяти пяти градусов (175°), и по меньшей мере в одном из вариантов реализации может быть равен примерно ста шестидесяти пяти градусам (165°).
Во время дальнейшей работы регулирующего клапана 10, при перемещении затвора 16 клапана обратно в открытое положение затвор 16 клапана отходит от седла 14 клапана и перемещается вверх, согласно ориентации корпуса 12 клапана, показанной на фиг.1-3. Выступ 84 герметизирующей полосовой части 78 уплотнительного кольца 21 скользит вдоль первой периферийной поверхности 66а, затем по переходной поверхности 66с. В одном варианте реализации, в котором выступ 84 сохраняет слегка сжатое состояние при открытом положении затвора 16 клапана, выступ 84 наконец скользит вдоль второй периферийной поверхности 66b. Однако в дополнительных вариантах реализации, в которых герметизирующая полосовая часть 78 переходит в полностью ненапряженное состояние при открытом положении затвора 16 клапана, выступ 84 может вообще не входить в контакт со второй периферийной поверхностью 66b.
В свете вышесказанного, следует отметить, что регулирующий клапан 10 и уплотнительное кольцо 21 в соответствии с описанным здесь вариантом реализации обеспечивают жесткое герметичное уплотнение текучей среды между подвижной деталью клапана, т.е. затвором 16 клапана описанного здесь регулирующего клапана 10 и неподвижной деталью клапана, т.е. фиксатором 18 клетки описанного здесь регулирующего клапана 10 по меньшей мере при закрытом положении подвижной детали клапана. Кроме того, описанный вариант многоконтурной поверхности затвора 16 клапана в соответствии с описанным здесь вариантом реализации может обеспечить преимущество, состоящее в увеличении срока службы уплотнительного кольца 21 посредством уменьшения и/или устранения износа в открытом состоянии регулирующего клапана 10 благодаря снижению и/или устранению трения между герметизирующей полосовой частью 78 и второй периферийной поверхностью затвора 16 клапана.
Хотя уплотнительное кольцо 21 было изображено и описано в настоящем описании как прикрепленное к фиксатору 18 клетки, а затвор 16 клапана был описан в настоящем описании как имеющий многоконтурную поверхность, другой вариант реализации может содержать уплотнительное кольцо 21, прикрепленное к затвору 16 клапана, тогда как внутренняя поверхность 37 фиксатора 18 клетки может определять многоконтурную поверхность, схожую с той, которая описана в принадлежащем тому же правообладателю патенте США №6851658, опубликованном 8 февраля 2005, с заголовком "Регулирующее клапанное устройство и уплотнение отверстия", содержание которого полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. Выполненное таким образом уплотнительное кольцо 21 может быть расположено так, что фланцевая часть 76 проходит радиально во внутреннем направлении от герметизирующей полосовой части 78 в противоположность радиальному внешнему направлению, как описано выше. Кроме того, затвор 16 клапана может задавать кольцевой канал, подобный каналу 50, описанному здесь, для размещения герметизирующей полосовой части 78 уплотнительного кольца 21. Более того, затвор 16 клапана может быть оснащен стопорным кольцом или некоторыми другими крепежными средствами, которые могут быть расположены в кольцевом канале, например, для крепления фланцевой части к затвору 16 клапана.
Кроме того, хотя фиксатор 18 клетки был раскрыт в настоящем описании как включающий двухсекционную клетку клапана, настоящее изобретение не ограничено такой двухсекционной конструкцией. Напротив, уплотнительное кольцо 21, описанное здесь, в другом варианте реализации изобретения может быть встроено внутри регулирующего клапана, содержащего, например, зажатую цельную клетку клапана. С такой цельной клеткой клапана кольцевой канал 50 может быть просто сформирован во внутренней поверхности 37. Дополнительно, такая цельная клетка клапана может содержать фиксатор кольца или некоторые другие крепежные средства для фиксации фланцевой части 76 описанного здесь уплотнительного кольца 21 к фиксатору 18 клетки.
Наконец, хотя здесь было описано в общем имеющее L-образное сечение уплотнительное кольцо 21, содержащее герметизирующую полосовую часть 78 с поперечным сечением, имеющим в общем V-образную форму, другие варианты реализации могут содержать дополнительные конфигурации. Например, в одном из альтернативных вариантов реализации герметизирующая полосовая часть 78 уплотнительного кольца 21 может содержать в общем линейную вертикальную стенку с кольцеобразной шаровидной деталью, сформированной на ее поверхности. Указанная шаровидная деталь может быть выполнена с возможностью герметичного взаимодействия с наружной поверхностью 66 клапана 16 клетки согласно изображенному здесь варианту реализации, или, в качестве альтернативы, с внутренней поверхностью 37 фиксатора 18 клетки согласно другому варианту реализации, описанному выше, в котором уплотнительное кольцо 21 прикреплено к затвору 16 клапана.
Соответственно, с учетом вышесказанного следует отметить, что регулирующий клапан 10 и уплотнительное кольцо 21 согласно настоящему изобретению не ограничиваются вариантами реализации и примерами, описанными здесь, но определены сущностью и объемом приложенной формулы и ее любыми эквивалентами.