Затворный механизм для использования в клапанах
Затворный механизм содержит клетку, имеющую верхнюю часть, скрепленную с нижней частью через разъемное соединение. Запирающий элемент, расположенный внутри клетки и имеющий две посадочные поверхности. Уплотнительную сборку, установленную между верхней и нижней частями клетки. Когда запирающий элемент находится в положении «закрыто», первая посадочная поверхность запирающего элемента герметично запирает уплотнительную сборку, предотвращая протечку между запирающим элементом и клеткой. Седло клапана, расположенное внутри отверстия в клапане. Когда клапан находится в положении «закрыто», вторая посадочная поверхность запирающего элемента входит в контакт с седлом клапана, перекрывая поток текучей среды между входной и выходной камерами клапана. Запирающий элемент имеет корпусную часть, размеры которой обеспечивают плотное прилегание изнутри к первому отверстию в нижней части клетки, и головную часть, размеры которой обеспечивают плотное прилегание изнутри ко второму отверстию в верхней части клетки, при этом головная часть образует первую посадочную поверхность и имеет диаметр, больший, чем диаметр корпуса запирающего элемента. Уплотнительная сборка содержит уплотнение и стопор, который удерживает уплотнение во время перемещения запирающего элемента между положениями «открыто» и «закрыто», а уплотнение выполнено С-образным. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом касается клапанов, а в частности затворного механизма для использования в клапанах.
Уровень техники
Во многих системах управления процессами применяются клапаны для управления потоком рабочей текучей среды данного процесса. Обычно клапаны с поступательным движением штока (н.п., клапаны шиберного типа, сферические, мембранные, пережимные клапаны и т.п.) имеют запирающий элемент (например, плунжер клапана), расположенный на пути потока текучей среды. В процессе работы шток клапана соединяет запирающий элемент с приводом, перемещая запирающий элемент между положением "открыто" и "закрыто", открывая или ограничивая возможность перемещения потока текучей среды между входной и выходной камерами клапана. Кроме того, для обеспечения желаемых и/или достижения определенных характеристик потока текучей среды в клапанах часто используют клетку, расположенную на пути потока текучей среды между входной и выходной камерами клапана. Клетка может уменьшить пропускную способность, погасить шум, ослабить или устранить кавитацию. Кроме того, клетка, обычно, окружает запирающий элемент, обеспечивая его стабилизацию, балансировку и центрирование.
Однако при отсутствии надлежащего уплотнения между запирающим элементом и клеткой могут возникать нежелательные протечки. Такая нежелательная протечка может препятствовать классификации клапана как запорного. Например, Американский национальный институт стандартов установил различные классы протечек (класс I, II, III и т.д.) связанные с количеством текучей среды, протекающей через клапан в положении "закрыто".
Для обеспечения уплотнения между клеткой и запирающим элементом, последний, обычно, имеет паз или канавку, в которой устанавливают уплотнение и/или уплотнительное кольцо, плотно прилегающее к внутренней поверхности клетки. Внутренняя поверхность клетки часто имеет высокий класс чистоты, обеспечивая уплотнительную поверхность для уплотнения и/или уплотнительного кольца, плотно прилегающего к внутренней поверхности клетки. Однако обеспечение чистоты поверхности сопряжено с дополнительными сложностью и затратами при производстве. Обычно, возможные для использования типы клапанов и их составляющих, н.п. виды уплотнений, которые можно применить для уплотнения между клеткой и запирающим элементом, определяются размерами клапана и условиями производственного процесса (н.п. давлением и температурой, особенно, температурой выше 316°С).
В качестве дополнения или альтернативы для дополнительного прижима уплотнений к уплотнительной поверхности или нагрузки уплотнения (например, с помощью стенок, образованных канавкой на запирающем элементе) для обеспечения уплотнения между клеткой и запирающим элементом может использоваться разность давлений текучей среды между входной и выходной камерами клапана. Но в применениях в условиях низкого давления давление текучей среды может оказаться недостаточным для надлежащего прижатия уплотнения к уплотнительной поверхности, что приводит к нежелательным протечкам через клапан.
Раскрытие изобретения
Описанный здесь вариант сборки затворного механизма клапана для использования в клапанах содержит клетку, имеющую верхнюю часть, скрепленную с нижней частью через разъемное соединение. Запирающий элемент расположен внутри клетки и имеет две посадочные поверхности. Уплотнительная сборка устанавливается между верхней и нижней частью клетки. Когда запирающий элемент находится в положении "закрыто", первая посадочная поверхность запирающего элемента герметично запирает уплотнительную сборку, предотвращая протечку между запирающим элементом и клеткой.
В другом примере описанная здесь сборка затворного механизма клапана содержит средство для формирования характеристик потока текучей среды через клапан, имеющее верхнюю часть, которая скрепляется с нижней через разъемное соединение. Кроме того, сборка содержит средство для контроля потока текучей среды через клапан, расположенное внутри средства для формирования характеристик потока. Первая часть средства для контроля имеет размер, обеспечивающий ее плотное прилегание изнутри к первой части средства для формирования характеристик потока, а вторая часть - имеет размер, обеспечивающий ее плотное прилегание изнутри ко второй части средства для формирования характеристик. Средство для контроля перемещается между положением "открыто", в котором поток текучей среды может протекать через клапан, и положением "закрыто", в котором поток текучей среды не может протекать через клапан. Сборка также имеет средство для уплотнения, расположенное между верхней и нижней частью средства для формирования характеристик. Когда средство для контроля находится в положении "закрыто", по меньшей мере, часть средства для контроля входит в контакт со средством для уплотнения, предотвращая протечку между средством для формирования характеристик и средством для контроля.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А - вид в разрезе известного клапана с использованием известного затворного механизма клапана.
Фиг.1В - увеличенная часть известного клапана по Фиг.1А
Фиг.2А - вид в разрезе части клапана с использованием описанного здесь варианта затворного механизма клапана.
Фиг.2В - увеличенная часть варианта затворного механизма клапана, представленного на Фиг.2А.
Фиг.2С - увеличенная часть варианта запирающего элемента, представленного на Фиг.2А и 2 В.
Фиг.3 представляет другой вариант описанного здесь затворного механизма клапана.
Фиг.4 иллюстрирует увеличенную часть клапана с использованием другого варианта описанного здесь затворного механизма клапана.
Осуществление изобретения
Описанный здесь вариант затворного механизма клапана или сборок затворного механизма клапана можно использовать в клапанах с поступательным движением штока, например, в регулирующих клапанах, дроссельных клапанах и т.п.. Описанный здесь вариант затворного механизма клапана, обычно, можно использовать для создания уплотнения, существенно препятствующего протечке текучей среды между уплотнительной поверхностью или клеткой и запирающим элементом (например, плунжером) клапана. В частности, описанный здесь вариант затворного механизма клапана, содержит запирающий элемент, имеющий увеличенную уплотнительную часть или посадочную поверхность (н.п.головную часть, имеющую относительно больший диаметр, чем корпусная часть запирающего элемента). Далее, вариант затворного механизма клапана может содержать клетку, первая часть которой скрепляется со второй через разъемное соединение. В одном примере первая и вторая части клетки могут удерживать между собой уплотнительную сборку так, чтобы увеличенная уплотнительная часть запирающего элемента, когда клапан находится в положении "закрыто", входила в контакт с уплотнительной сборкой.
В другом примере первая и вторая части клетки могут удерживать между собой седло клапана так, чтобы увеличенная уплотнительная часть или посадочная поверхность запирающего элемента, когда клапан находится в положении "закрыто", входила в контакт с уплотнительной сборкой. Кроме того, в данном примере конфигурации уплотнительная сборка затворного механизма клапана не содержит уплотнения (н.п. С- уплотнения), принцип действия которого основан на использовании разности давлений текучей среды процесса для усиления силы прижима уплотнения к уплотнительной поверхности. Вместо этого, в данном примере в затворном механизме клапана используется второе седло клапана, обеспечивающее герметичное уплотнение между клеткой и запирающим элементом, когда клапан находится в положении "закрыто".
Обычно, описанный здесь вариант затворного механизма клапана препятствует протечке текучей среды между запирающим элементом и клеткой в положении "закрыто", что повышает класс клапана, как запорного. Например, описанный здесь вариант затворного механизма клапана, может обеспечить отсечную способность по классу V или выше в соответствии с системой классификации Американского национального института стандартов при температурах текучей среды процесса выше 316°С. В качестве дополнения или альтернативы, размещение уплотнения и/или второго седла клапана между первой и второй частью клетки устраняет необходимость наличия уплотнений на запирающем элементе, тем самым уменьшая сложность и стоимость запирающего элемента.
На Фиг.1 представлен вид в разрезе части известного клапана 100 с использованием известного затворного механизма 102 клапана. Клапан 100, представленный на Фиг.1, содержит корпус 104 клапана определяющий проходной канал 106 для потока текучей среды между входной 108 и выходной 110 камерами. Сборка затворного механизма 102 клапана расположена в проточном канале 106 между входной 108 и выходной 110 камерами.
В этом примере сборка затворного механизма 102 клапана содержит плунжер 112, клетку 114, шток 116 клапана, и уплотнительную сборку 118 которая соединяется с плунжером 112 клапана. Как показано, плунжер 112 клапана содержит каналы или проходы 120, уравновешивающие давление, действующее с разных сторон на плунжер 112 клапана. Таким образом, силы, прилагаемые к плунжеру 112 клапана под действием давления текучей среды процесса протекающей через клапан 100 в основном, уравновешены. Например, давление текучей среды в полости 122 создает силу, действующую на первую сторону или поверхность 124 плунжера 112 клапана, которая примерно равна и направлена в противоположную сторону по сравнению с силой, действующей на вторую сторону или поверхность 126 плунжера 112 клапана. В результате, для перемещения плунжера 112 клапана из положения "открыто" в положение "закрыто" и наоборот можно использовать меньшее приводное усилие.
Плунжер 112 клапана может поступательно перемещаться внутри клетки 114 между положением "открыто" и положением "закрыто", управляя расходом текучей среды через клапан 100. Плунжер 112 клапана посредством штока 116 клапана соединен с приводом (не показан), перемещающим плунжер 112 клапана к седлу 128 клапана и обратно. Крышка 130 соединяется с корпусом 104 клапана (н.п.с помощью крепежных элементов) и, в свою очередь, соединяет корпус 104 клапана с приводом.
Когда клапан 100 находится в положении "закрыто" (т.е. когда плунжер 112 клапана плотно прижат к седлу 128 клапана, как показано на Фиг.1), уплотнительная сборка 118 прижимается к внутренней поверхности или отверстию 132 в клетке 114, предотвращая протечку текучей среды между плунжером 112 клапана и клеткой 114. Как показано наиболее отчетливо на Фиг.1В, уплотнительная сборка 118 содержит стопор 134 прикрепленный к плунжеру 112 клапана крепежным элементом (не показан). Стопор 134 содержит сальник или кольцевую проточку 136 для установки уплотнительного кольца 138, минимизирующего протечку между клеткой 114 и плунжером 112 клапана, в то время как плунжер 112 клапана дросселирует поток текучей среды через клапан 100 (н.п., перемещаясь между положениями "открыто" и "закрыто"). Кроме того, стопор 134 удерживает уплотнение 140 (например, С-образное уплотнение) между стопором 134 и плунжером 112 клапана. Когда плунжер 112 клапана находится в положении "закрыто", уплотнение 140 прижимается к фланцевой части 135 клетки 114. Когда плунжер 112 клапана дросселирует поток текучей среды через клапан 100, уплотнение 140 не прижато к внутренней поверхности 132 клетки. Так как плунжер 112 клапана, стопорная сборка 118, клетка 114 и/или седло 128 изготавливается с высоким классом точности (т.е., с малыми допусками), уплотнение 140, когда клапан 100 находится в положении "закрыто", входит в плотный контакт с фланцевой частью 135, а торец 137 плунжера 112 клапана плотно прижимается к седлу 128 клапана.
В процессе работы привод перемещает плунжер 112 клапана в направлении от седла 128 клапана, пропуская поток текучей среды через клапан 100 (н.п., в положении "открыто"), и к седлу 128 клапана, ограничивая поток текучей среды через клапан 100. Плунжер 112 клапана плотно прижимается к седлу 128 клапана, перекрывая поток текучей среды через клапан 100 (н.п. в положении "закрыто"). В положении "закрыто" плунжер 112 клапана блокирует течение текучей среды процесса через проточный канал 106 клапана 100. В результате, текучая среда процесса во входной камере 108 может иметь давление, действующее навстречу плунжеру 112 клапана. В положении "закрыто" в силу того, что давление текучей среды действует навстречу плунжеру 112 клапана, уплотнение 140 оказывается прижатым к посадочной поверхности 135 клетки 114, предотвращая протечку между плунжером 112 клапана и клеткой 114. Отсутствие должного уплотнения между плунжером 112 клапана и клеткой 114 позволяет текучей среде из входной камеры 108 протекать между плунжером 112 клапана и клеткой 114, в выходную камеру 110, тем самым существенно снижая класс клапана 100 как запорного.
Когда плунжер 112 клапана перемещается между положениями "открыто" и "закрыто", уплотнение 140 оказывается не прижатым к клетке 114. Уплотнительное кольцо 138 перемещается вдоль внутренней поверхности 132 клетки 114, предотвращая протечку текучей среды между клеткой 114 и плунжером 112 клапана, обеспечивая, например, стабилизацию плунжера 112 клапана. Таким образом, когда уплотнительное кольцо 138 прижато к внутренней поверхности 132 в процессе перемещения плунжера 112 клапана между положениями "открыто" и "закрыто", внутренняя поверхность 132 клетки 114, имея высокий класс чистоты, обеспечивает надлежащую уплотняющую поверхность. В качестве дополнения или альтернативы для уменьшения износа внутренняя поверхность 132 клетки 114, обычно, имеет высокий класс обработки с поверхностным упрочнением. Однако такая обработка поверхности увеличивает производственные затраты.
В применениях в условиях высоких температур (н.п. при температурах выше 316°С) обычно невозможно использовать уплотнения или уплотнительные кольца из эластомерных материалов в силу их низкой термостойкости. Таким образом, повышение рабочей температуры может безвозвратно деформировать или повредить уплотнение из эластомерных материалов (н.п., уплотнение 140) или уплотнительное кольцо, тем самым, создавая нежелательную протечку между клеткой 114 и плунжером 112 клапана. В таких высокотемпературных применениях обычно, используют металлические уплотнительные кольца. Точнее говоря, например, в некоторых высокотемпературных применениях можно использовать углеграфитовое уплотнительное кольцо, обеспечивающее уплотнение между клеткой 114 и плунжером 112 клапана. Однако, в силу его хрупкости и неэластичности углеграфитовое уплотнительное кольцо невозможно установить на место в цельном виде. Перед установкой в сальник 136 стопора 134 его необходимо разделить на части, что может вызвать нежелательную протечку между плунжером 112 клапана и клеткой 114.
Кроме того, разность давлений текучей среды между входной камерой 108 и выходной камерой 110 клапана 100 используется для нагрузки или дополнительного прижима уплотнения 140 к уплотнительной поверхности 142 (т.е., к стенкам плунжера 112 клапана, стопора 134 и/или клетки 114), обеспечивая уплотнение между клеткой 114 и плунжером 112 клапана. Тем не менее, давление текучей среды может быть недостаточным для надлежащего управления прижимом (например, прижимом уплотнения) к уплотнительной поверхности 142, например, к посадочной поверхности клетки 114, когда уплотнение 140 плотно прижимается к посадочной поверхности 135, таким образом, вызывая нежелательную протечку через клапан 100. Надежное управление сжатием уплотнения 140 между стенкой плунжера 112 клапана и посадочной поверхностью 135 клетки 114 обеспечивает наличие надлежащих уплотняющих сил при всех условиях разности давлений. Недостаточное или неадекватное управление сжатием уплотнения в условиях, когда уплотнение 140 плотно прижато к посадочной поверхности 135, может привести к появлению нежелательной протечки.
Фиг.2А иллюстрирует вид в разрезе клапана 200 с использованием описанного здесь варианта затворного механизма 202 клапана. На Фиг.2 В показана увеличенная часть варианта сборки затворного механизма 202 клапана, представленного на Фиг.2А. На Фиг.2С показана увеличенная часть варианта запирающего элемента 216, представленного на Фиг.2А и 2В.
Клапан 200, проиллюстрированный на Фиг.2, содержит корпус 204 клапана, определяющий проходной канал 206 для потока жидкости между первой (входной) 208 и второй (выходной) 210 камерами. Сборка затворного механизма 202 клапана устанавливается в проточном канале текучей среды 206 для контроля потока текучей среды между входной камерой 208 и выходной камерой 210. В этом примере сборка затворного механизма 202 клапана содержит шток 212 клапана, клетку 214, запирающий элемент 216 (н.п., плунжер клапана), седло 218 клапана (н.п., кольцо седла), и уплотнительную сборку 220. Крышка 222 крепится к корпусу 204 клапана при помощи крепежного элемента 224, и крышка 222 соединяет корпус 204 клапана с приводом (не показан). Хотя это и не показано, крышка 222 содержит уплотняющую систему (н.п., упругую уплотняющую шайбу), предотвращающую нежелательную утечку в окружающую среду вдоль штока 212 клапана в процессе движения или перемещения штока 212 клапана внутри клапана 200 вдоль оси 226. Между клеткой 214 и/или корпусом 204 клапана и крышкой 222 можно поместить сальник (не показан), предотвращающий нежелательную протечку текучей среды через корпус 204 клапана. В этом примере, крышка 222 крепится к корпусу 204 клапана и удерживает (н.п., благодаря установке в натяг и/или прессовой посадке) клетку 214 и седло 218 клапана внутри корпуса 204 клапана. В других примерах седло 218 клапана крепится к клетке 214 и/или корпусу 204 клапана, например, при помощи крепежных элементов и т.п.
Шток 212 клапана функционально связан с запирающим элементом 216 на первом конце 228 и проходит через крышку 222, соединяя на втором конце 230 запирающий элемент 216 со штоком привода (не показан). Шток привода соединяет запирающий элемент 216 с приводом.
Клетка 214 расположена между входной камерой 208 и выходной камерой 210, обеспечивая определенные характеристики потока текучей среды (т.е., определяя поток текучей среды) через корпус 204 клапана (н.п., уменьшая шум и/или кавитацию, создаваемые потоком текучей среды при движении через клапан 200). Клетка 214 имеет по меньшей мере одно отверстие 232, через которое текучая среда может течь, когда клапан 200 находится в положении "открыто" (т.е., когда запирающий элемент 216 находится на некотором удалении от седла 218 клапана).
Клетка 214 может быть сконфигурирована по-разному, обеспечивая потоку текучей среды определенные характеристики (определяя поток текучей среды) и удовлетворяя потребности конкретного применения для целей управления. Например, отверстие 232 может быть спроектировано или сконфигурировано таким образом, чтобы обеспечить конкретные желаемые характеристики потока текучей среды как, например, уменьшить шум и/или кавитацию, увеличить редуцирование давления текучей среды процесса и т.п. Желаемые характеристики потока текучей среды достигаются изменением геометрии отверстия 232. В некоторых примерах, клетка 214 может иметь множество отверстий различной формы, размера, и расположения для управления расходом, уменьшения кавитации, и/или шума при движении потока через клапан 200.
Клетка 214 служит направляющей для запирающего элемента 216 и обеспечивает поперечную устойчивость в процессе перемещения запирающего элемента 216 между положениями "открыто" и "закрыто", таким образом, уменьшая вибрации и другие механические напряжения. Клетка 214 также может облегчить обслуживание, снятие и/или замену других элементов сборки затворного механизма 202 клапана. В иллюстрируемом примере, клетка 214 является двухэлементным изделием и содержит верхнюю часть клетки 234 (н.п. стопор клетки), скрепленную с нижней частью клетки 236 (н.п.., элементом управления потоком) через разъемное соединение. В этом примере верхняя часть клетки 234 имеет отверстие 238 большего размера (н.п., большего диаметра), чем отверстие 240 в нижней части клетки 236.
Верхняя часть клетки 234 может быть изготовлена из первого материала (н.п., легированной стали), а нижняя часть клетки 236 может быть изготовлена из второго материала (н.п. нержавеющей стали), отличающегося от первого материала. Такая конструкция может быть особенно полезна в применениях для тяжелых условий работы (н.п., в применениях для высоких температур, для высококоррозионных условий), которые могут требовать более дорогих, устойчивых к неблагоприятным воздействиям материалов (н.п. коррозионно-стойких и т.д.) и, таким образом, способствовать снижению затрат на изготовление, так как верхняя часть клетки 234 может быть выполнена из более дешевого материала. В других примерах, например в применениях для высоких температур, верхняя часть клетки 234 может изготавливаться из того же материала, что и корпус 204 клапана с целью минимизации или существенного уменьшения линейного термического расширения (н.п. линейного наложения) клетки 214 по отношению к корпусу 204 клапана. В еще других вариантах верхняя часть клетки 234 и нижняя часть клетки 236 могут изготавливаться из того же материала.
В качестве дополнения или альтернативы, так как уплотнительная сборка 220 является неподвижной (т.е., прикреплена к клетке 214), степень чистоты обработки внутренней поверхности отверстия 238 некритична и не требуется гладкая поверхность (н.п., поверхностное упрочнение) в силу того, что запирающий элемент 216 не прижимается или не должен уплотнять внутренней поверхности отверстия 238 (н.п. в отличие от уплотнительного кольца 138 и/или уплотнения 140 установленного на запирающем элементе 112 клапана 100, показанного на Фиг.1А и 1В). Тем не менее, в некоторых примерах, внутренняя поверхность отверстия 238 может иметь поверхностную обработку (н.п. поверхностное упрочнение). В качестве дополнения или альтернативы, внутренняя поверхность отверстия 238 может изготавливаться с пониженными требованиями к допускам и, следовательно, не требовать тщательного контроля размеров, необходимого во многих известных клапанах, что существенно снижает сложность и стоимость клетки 214. Таким образом, данный вариант клетки 214 и уплотнительной сборки 220 способствует снижению производственных расходов. В качестве дополнения или альтернативы, верхняя часть клетки 234 может представлять собой сплошной, герметичный цилиндр или конструкцию, а нижняя часть клетки 236 может представлять собой негерметичный цилиндр или конструкцию с по меньшей мере одним отверстием (н.п., отверстие 232).
Верхняя часть клетки 234 содержит первый конец 242, связанный с крышкой 222 и второй конец 244, связанный с нижней частью клетки 236. Первый конец 242 верхней части клетки 234 может иметь проточку 246 для правильного позиционирования клетки 214 в корпусе 204 клапана. Подобным образом, нижняя часть клетки 236 содержит первый конец 248, связанный с верхней частью клетки 234 и второй конец 250, связанный с седлом 218 клапана. В этом примере, клетка 214 и седло 218 клапана удерживаются (н.п. за счет установки в натяг и/или прессовой посадки) между крышкой 222 и корпусом 204 клапана.
Как видно на Фиг.2В, в иллюстрируемом примере верхняя часть клетки 234 содержит первую ступенчатую часть стенки 252 которая совместно со ступенчатой частью стенки 254 нижней части клетки 236 образуют пару "буртик-уступ" 256. Пара "буртик-уступ" 256 ступенчатых частей стенок 252 и 254 взаимодействует, обеспечивая центрирование и соединение верхней и нижней частей клетки 234 и 236. В других примерах второй конец 244 верхней части клетки 234 и/или первый конец 248 нижней части клетки 236 могут иметь одну или несколько пар "буртик-уступ" 256, обеспечивая точное центрирование верхней и нижней частей клетки 234 и 236 и/или могут иметь размеры, форму или геометрию, обеспечивающие установку в натяг и/или прессовую посадку в паре "буртик-уступ" 256. В еще других примерах сальник или уплотняющий элемент может быть расположен между верхней и нижней частями клетки 234 и 236, обеспечивая уплотнение между верхней и нижней частями клетки 234 и 236.
В качестве дополнения второй конец 244 верхней части клетки 234 содержит сальник или кольцевой паз 258 (н.п., неподвижный сальник), и первый конец 248 нижней части клетки 236 содержит сальник или кольцевой паз 260 (н.п., неподвижный сальник). В собранном виде сальники 258 и 260 образуют уплотняющую поверхность 262 клетки 214 принимая уплотнительную сборку 220, обеспечивающую уплотнение между клеткой 214 и запирающим элементом 216.
В показанном варианте, уплотнительная сборка 220 содержит уплотнительное кольцо 264, стопор 266, и уплотнение 268 (н.п.., С-образное уплотнение). Уплотнительное кольцо 264 расположено внутри сальника 260 нижней части клетки 236, а уплотнение 268 и стопор 266 расположены внутри сальника 258 верхней части клетки 234. Стопор 266 удерживает на месте уплотнительное кольцо 264 и/или уплотнение 268 во время перемещения запирающего элемента 216 между положениями "закрыто" и "открыто". Стопор 266 установлен в натяг и/или путем прессовой посадки в клетке 214 и таким образом, не требует резьбовых или других крепежных элементов для соединения с клеткой 214. Уплотнительное кольцо 264 минимизирует протечку между клеткой 214 и запирающим элементом 216, когда запирающий элемент 216 дросселирует поток через клапан 200. Так как клетка 214 состоит из двух частей, уплотнительное кольцо 264 может быть изготовлено из углеграфита и установлено на место в целом виде (т.е., без необходимости его разделения на части). В некоторых применениях данного варианта, уплотнение 268 может быть эластомерным уплотнением или кольцом, или любым другим уплотнением, выполненным из другого подходящего материала(ов), обеспечивающим уплотнение между клеткой 214 и запирающим элементом 216. Уплотнение 268 может быть С-образным уплотнением или кольцом. Открытая часть С-образного уплотнения должна быть обращена навстречу потоку текучей среды, движущейся через клапан 200 и, таким образом, давление текучей среды в клапане 200 будет дополнительно прижимать уплотнение к уплотнительной поверхности 262.
Также, как показано на Фиг.2С, в рассматриваемом примере, запирающий элемент 216 изображен в виде плунжера клапана (н.п. уравновешенного плунжера клапана, неуравновешенного плунжера клапана и т.п.) имеющего цилиндрический корпус 270 который имеет первую посадочную поверхность 272 (Фиг.2А) и вторую посадочную поверхность 274, расположенную на некотором расстоянии от первой посадочной поверхности 272. Корпус 270 содержит нижнюю часть корпуса или первую наружную поверхность 276 размеры которой обеспечивают плотное прилегание изнутри к нижней части клетки 236 так, чтобы нижняя часть корпуса 276 запирающего элемента 216 могла поступательно перемещаться внутри отверстия 240 в нижней части клетки 236. Нижняя часть корпуса 276 запирающего элемента 216 может поступательно перемещаться внутри нижней части клетки 236 между положением "закрыто", в котором запирающий элемент 216 перекрывает отверстия 232 клетки 214, и положением "открыто", в котором запирающий элемент 216 освобождает (т.е., не перекрывает) по меньшей мере, часть отверстий 232.
В качестве дополнения, в этом примере, запирающий элемент 216 имеет вторую часть корпуса или вторую наружную поверхность 278, диаметр которой больше, чем диаметр нижней части корпуса 276, и образующую вторую посадочную поверхность 274. Вторая часть корпуса 278 имеет размер, обеспечивающий плотное прилегание изнутри к отверстию 238 верхней части клетки 234 таким образом, что вторая посадочная поверхность 274 запирающего элемента 216 может поступательно перемещаться внутри верхней части клетки 234. В качестве дополнения, в такой конфигурации, когда клапан 100 находится в положении "закрыто", любая часть второй части корпуса 278 (т.е., второй посадочной поверхности 274) может взаимодействовать с уплотнением 268. Таким образом, запирающий элемент 216 (н.п., первая посадочная поверхность 272, соединенная со второй частью корпуса 274) может изготавливаться с повышенными допусками и следовательно, не требовать тщательного контроля размеров, что существенно снижает сложность и стоимость запирающего элемента 216, верхней части клетки 234, нижней части клетки 236, и/или стопора 266. В этом примере, запирающий элемент 216 содержит конические или наклонные поверхности 280 и 282, способствующие или обеспечивающие относительно постепенное вхождение уплотнительной сборки 220 в контакт с запирающим элементом 216.
В процессе работы привод (н.п., пневматический привод) принимает управляющую текучую среду (н.п., воздух), перемещая шток 212 клапана и, соответственно, запирающий элемент 216 между положением "закрыто", при котором первая посадочная поверхность 272 запирающего элемента 216 находится в уплотнительном контакте с седлом 218 клапана (н.п., кольцом седла), ограничивая или перекрывая поток текучей среды через проходной канал 206 клапана 200, и положением "полностью открыто" или "максимальный расход" при котором первая посадочная поверхность 272 запирающего элемента 216 расположена на некотором расстоянии от седла 218 клапана, позволяя потоку текучей среды двигаться через клапан 200.
В положении "открыто" текучая среда движется через входную камеру 208, отверстие 232 в клетке 214, отверстие 284 в седле 218 клапана, и выходную камеру 210. По мере того, как запирающий элемент 216 перемещается внутри клетки 214, уплотнительное кольцо 264 уменьшает протечку между запирающим элементом 216 и клеткой 214. Кроме того, коническая или клиновидная поверхность 280 входит в контакт с уплотнением 268, обеспечивая или облегчая относительно постепенное прижатие уплотнения 268, когда запирающий элемент 216 дросселирует поток через клапан 200. Запирающий элемент 216 может иметь коническую или клиновидную поверхность 282, обеспечивая постепенное вхождение плунжера клапана в контакт с С-образным уплотнением 268 в процессе установки или сборки затворного механизма 202 клапана в корпусе 204 клапана.
В положении "закрыто" седло 218 клапана закрывает или перекрывает отверстие 232 клетки 214 и входит при помощи первой посадочной поверхности 272 в плотный контакт с седлом 218 клапана, перекрывая поток текучей среды между входной камерой 208 и выходнй камерой 210. В положении "закрыто" вторая посадочная поверхность 274 запирающего элемента 216 также входит в плотный контакт с уплотнением 268, обеспечивая герметичное уплотнение между клеткой 214 и запирающим элементом 216. Хотя запирающий элемент 216 плотно прилегает изнутри к отверстию 240 нижней части клетки 236, текучая среда может утекать через зазор, образующийся между запирающим элементом 216 и клеткой 214. Например, когда клапан 200 находится в положении "закрыто", текучая среда во входной камере 208 может иметь давление, действующее навстречу корпусной части 270 запирающего элемента 216 и может утекать (н.п., через зазор) между запирающим элементом 216 и клеткой 214 в выходную камеру 210 клапана 200. Такая нежелательная протечка может отрицательно повлиять на классификацию клапана 200, как запорного. Например, Американский национальный институт стандартов установил различные классы протечек (класс I, II, III и т.д.), связанные с количеством текучей среды, протекающей через клапан в положении "закрыто". Уплотнительная сборка 220 располагается между клеткой 214 и запирающим элементом 216, предотвращая протечку между входной камерой 208 и выходной камерой 210 клапана 200, когда запирающий элемент 216 дросселирует поток через клапан 200,. Уплотнительная сборка 220 может обеспечить надежную герметичную отсечку при температурах текучей среды процесса выше 316°С, тем самым положительно влияя на классификацию клапана 200 как запорного. Например, данный вариант сборки затворного механизма 202 клапана может обеспечить клапану класс V по классификации Американского национального института стандартов.
Можно использовать и другие уплотнительные сборки, обеспечивающие уплотнение между запирающим элементом 216 и клеткой 214. Например, данный вариант уплотнительной сборки 220 может содержать другие виды уплотнительных сборок имеющие другие уплотнения и/или формы. Подобным образом, клетку 214 (н.п., второй конец 244 верхней части клетки 234 и первый конец 248 нижней части клетки 236) можно сконфигурировать для использования других видов уплотнительных сборок.
На Фиг.3 показан другой вариант клетки 300 и уплотнительной сборки 302, который можно использовать для изготовления примера клапана 200, изображенного на Фиг.2А, 2В и 2С. Как и уплотнительная сборка 220, уплотнительная сборка 302 содержит уплотнительное кольцо 304, стопор 306, и уплотнение 308 (н.п. С-ообразное уплотнение). Клетка 300 имеет верхнюю часть клетки 310 и нижнюю часть клетки 312. Нижняя часть клетки 312 содержит ступенчатые поверхности 314а и 314b, которые вместе со ступенчатыми поверхностями 316а и 316b верхней части клетки 310 образуют пару "буртик-уступ" для облегчения центрирования верхней и нижней частей клетки 310 и 312 когда верхняя и нижняя части клетки 310 и 312 собраны вместе. В качестве дополнения, верхняя часть клетки 310 содержит ступенчатые поверхности 318а и 318b, и нижняя часть клетки 312 содержит ступенчатые поверхности 320а и 320b, образующие множество сальников, принимающих уплотнение 308, стопор 306, и уплотнительное кольцо 304, когда верхняя и нижняя части клетки 310 и 312 собраны вместе. В этом примере, уплотнительное кольцо 304 является удлиненным элементом, который больше или длиннее, чем, например, уплотнительное кольцо 264 показанное на Фиг.2А, 2В и 2С. Стопор 306 имеет в поперечном сечении L-образную форму.
Уплотнительное кольцо 304 входит в контакт со ступенчатой поверхностью 320а нижней части клетки 312, а стопор 306 входит в контакт со ступенчатой поверхностью 320b нижней части клетки 312 и частью ступенчатой поверхности 318b верхней части клетки 310. Уплотнение 308 расположено между сальником, образованным ступенчатой поверхностью 318а верхней части клетки 310 и стопором 306. Таким образом, в этом примере, уплотнительное кольцо 304 располагается между стопором 306 и ступенчатой поверхностью 320а, а уплотнение 308 располагается между стопором 306 и ступенчатой поверхностью 318а.
В процессе работы, уплотнительное кольцо 304 входит в контакт с запирающим элементом 216 (н.п., нижней частью корпуса 276) способствуя устранению протечки между клеткой 300 и запирающим элементом 216. Уплотнительное кольцо 304 обеспечивает устранение протечки между запирающим элементом и клеткой в то время, когда запирающий элемент 216 расположен на некотором расстоянии от седла 218 клапана, дросселируя текучую среду через клапан 200. В положении "закрыто", вторая часть корпуса 278 запирающего элемента 216 входит в контакт с уплотнением 308, предотвращая протечку текучей среды между клеткой 300 и запирающим элементом 216. Когда запирающий элемент 216 находится в положении "закрыто", в контакт с уплотнением 308 может входить любая часть второй части корпуса 278 запирающего элемента 216. Таким образом, запирающий элемент 216 (н.п., первая посадочная поверхность 272 относительно второй части корпуса 274) может изготавливаться с пониженными требованиями к допускам и следовательно, не требует тщательного контроля размеров что существенно снижает сложность и стоимость запирающего элемента 216, верхней части клетки 310, нижней части клетки 312, и/или стопора 306. В этом примере, запирающий элемент 216 содержит конические или наклонные поверхности 280 и 282, облегчающие или обеспечивающие относительно постепенное вхождение уплотнительной сборки 220 в контакт с запирающим элементом 216.
В этом примере, ориентация уплотнения 308 является обратной или противоположной по сравнению с ориентацией уплотнения 268, показанного на Фиг.2А, 2В и 2С, что обеспечивает уплотнение против потока текучей среды, направленного в обратную или противоположную сторону по сравнению с потоком текучей среды, показанным на Фиг.2А, 2В и 2С.
Фиг.4 иллюстрирует увеличенную часть варианта клапана 400, изготовленного с другим, описанным здесь вариантом сборки затворного механизма 402 клапана. Вариант сборки затворного механизма 402 клапана, показанный на Фиг.4, содержит клетку 404, первое или первичное седло 406 клапана, второе или вторичное седло 408 клапана, запирающий элемент или плунжер 410 клапана, и шток 412 клапана. Клетка 404 содержит первую или верхнюю часть клетки 414 и вторую или нижнюю часть клетки 416. Клетка 404 служит направляющей для плунжера 410 клапана и обеспечивает поперечную устойчивость в процессе перемещения плунжера 410 клапана между положениями "открыто" и "закрыто", таким образом, уменьшая вибрации и другие механические напряжения. В этом примере, верхняя часть клетки 414 содержит отверстие 418, имеющее больший диаметр чем диаметр отверстия 420 в нижней части клетки 416.
Вторичное седло 408 клапана удерживается или располагается между верхней и нижней частями клетки 414 и 416. Вторичное седло 408 клапана имеет уплотнительную поверхность 422, которая входит в контакт с плунжером 410 клапана, предотвращая нежелательную протечку между клеткой 404 и плунжером 410 клапана, когда плунжер 410 клапана находится в положении "закрыто" (н.п., когда плунжер 410 клапана входит в контакт с первичным седлом 406 клапана). В иллюстрируемом примере, уплотнительная поверхность 422 содержит коническую, клиновидную, изогнутую или скошенную кромку или поверхность 424. В этом примере, вторичное седло 408 клапана изготовлено из первого материала, который отличается от материала верхней части клетки 414 и/или нижней части клетки 416. Например, вторичное седло 408 клапана может быть изготовлено из фторполимерного материала (н.п., Teflon®), а нижняя часть клетки 416 может быть изготовлена, например, из нержавеющей стали. Вторичное седло 408 клапана можно крепить к элементу нижней части клетки 416, например, при помощи сварки, крепежными элементами (н.п., химическими крепежными элементами), или используя любой другой подходящий производственный процесс(ы). В других примерах, вторичное седло 408 клапана может быть сформировано, например, в процессе машинной обработки. Например, заготовку из соответствующего материала можно прикрепить к нижней части клетки 416 и обработать с формированием вторичного седла 408 клапана. В еще других примерах, вторичное седло 408 клапана может быть изготовлено из, например, эластомерного материала, который удерживается или располагается между верхней частью клетки 414 и нижней частью клетки 416. В еще других примерах, вторичное седло 408 клапана может быть изготовлено из того же материала, что и верхняя часть клетки 414 и/или нижняя часть клетки 416.
В этом примере, плунжер 410 клапана (н.п., уравновешенный плунжер клапана, неуравновешенный плунжер клапана, и т.п.) содержит цилиндрический корпус 426 и головную часть 428. Головная часть 428 имеет диаметр, больший, чем диаметр корпуса 426. Корпус 426 имеет размер, обеспечивающий плотное прилегание изнутри к отверстию 420 в нижней части клетки 416, а головная часть 428 имеет размер, обеспечивающий плотное прилегание изнутри к отверстию 418 в верхней части клетки 414. Головная часть 428 образует выступ или посадочную поверхность 430 (н.п., увеличенную уплотнительную поверхность), которая входит в контакт с уплотнительной поверхностью 422 вторичного седла 408 клапана, когда плунжер 410 клапана находится в положении "закрыто". Как показано, плунжер 410 клапана имеет кольцевой паз 432 для установки сальникового уплотнения 434, обеспечивая стабилизацию и, уменьшая вибрации плунжера 410 клапана в процессе работы. Шток 412 клапана соединяет плунжер 410 клапана с приводом (не показан).
В процессе работы привод (н.п., пневмопривод) перемещает шток 412 клапана и, соответственно, плунжер 410 клапана между положением "закрыто", при котором плунжер 410 клапана находится в плотном контакте с первичным седлом 406 клапана (н.п., кольцом седла), ограничивая или перекрывая поток текучей среды через проточный канал 436 клапана 400, и положением "полностью открыто" или "максимальный расход" при котором плунжер 410 клапана располагается на некотором расстоянии от первичного седла 406 клапана, пропуская поток текучей среды через клапан 400. В положении "открыто" текучая среда движется между входной камерой 438, через отверстие 440 в клетке 404 в выходную камеру 442. В положении "закрыто", плунжер 410 клапана перекрывает отверстие 440 в клетке 404 и плотно прижимается к первичному седлу 406 клапана, перекрывая поток текучей среды между входной камерой 438 и выходной камерой 442.
В положении "закрыто" посадочная поверхность 430 (н.п., увеличенная уплотнительная поверхность) плунжера 410 клапана также входит в контакт с уплотнительной поверхностью 422 вторичного седла 408 клапана, предотвращая протечку текучей среды между плунжером 410 клапана и клеткой 404, когда клапан 400 находится в положении "закрыто" (т.е., когда плунжер 410 клапана плотно прижат к первичному седлу 406 клапана). Таким образом вторичное седло 408 клапана предотвращает протечку между входной камерой 438 и выходной камерой 442 клапана 400, когда плунжер 410 клапана находится в положении "закрыто" (н.п., когда плунжер 410 клапана входит в контакт с первичным седлом 406 клапана), тем самым повышая класс клапана 400 как запорного клапана. Например, вариант сборки затворного механизма 402 клапана может обеспечить отсечную способность по классу V в соответствии с системой классификации Американского национального института стандартов. В качестве дополнения, вариант сборки затворного механизма 402 клапана не содержит уплотнения (н.п., С-образного уплотнения), которое зависит от разности давлений текучей среды процесса для дополнительного прижатия уплотнения к уплотнительной поверхности. Вместо этого, в сборке затворного механизма 402 клапана использовано вторичное седло 408 клапана, обеспечивающее герметичное уплотнение между клеткой 404 и плунжером 410 клапана, когда клапан 400 находится в положении "закрыто".
Хотя на Фиг.4 это не показано, вариант сборки затворного механизма 402 клапана может иметь уплотнительное кольцо (н.п., уплотнительное кольцо 264, как показано на Фиг.2В, уплотнительное кольцо 304, как показано на Фиг.3) и/или стопор (н.п., стопор 266, как показано на Фиг.2А-2С, стопор 306, как показано на Фиг.3), расположенные рядом с вторичным седлом клапана впереди его или прикрепленные к верхней части клетки 414 и/или нижней части клетки 416.
Хотя здесь описаны конкретные устройства, способы и готовые изделия, однако объем настоящего изобретения не ограничивается ими. Напротив, настоящее изобретение охватывает все варианты его исполнения, соответствующие пунктам прилагающейся формулы изобретения в буквальном смысле либо их эквивалентам.
1.
Затворный механизм для использования в клапанах, содержащий:
клетку, имеющую верхнюю часть, скрепленную с нижней частью через разъемное соединение;
запирающий элемент, расположенный внутри клетки и имеющий две посадочные поверхности;
уплотнительную сборку, установленную между верхней и нижней частями клетки, при этом когда запирающий элемент находится в положении «закрыто», первая посадочная поверхность запирающего элемента герметично запирает уплотнительную сборку, предотвращая протечку между запирающим элементом и клеткой; и
седло клапана, расположенное внутри отверстия в клапане, при этом когда клапан находится в положении «закрыто», вторая посадочная поверхность запирающего элемента входит в контакт с седлом клапана, перекрывая поток текучей среды между входной и выходной камерами клапана,
причем запирающий элемент имеет корпусную часть, размеры которой обеспечивают плотное прилегание изнутри к первому отверстию в нижней части клетки, и головную часть, размеры которой обеспечивают плотное прилегание изнутри ко второму отверстию в верхней части клетки, при этом головная часть образует первую посадочную поверхность и имеет диаметр, больший, чем диаметр корпуса запирающего элемента,
причем уплотнительная сборка содержит уплотнение и стопор, который удерживает уплотнение во время перемещения запирающего элемента между положением «открыто» и положением «закрыто», а уплотнение выполнено в виде С-образного уплотнения.
2. Затворный механизм по п.1, отличающийся тем, что головная часть и корпус запирающего элемента образуют первую посадочную поверхность.
3. Затворный механизм по п.2, отличающийся тем, что головная часть имеет такой размер, что, когда запирающий элемент находится в положении «закрыто», любая часть первой посадочной поверхности входит в плотный контакт с уплотнительной сборкой.
4. Затворный механизм по п.1, отличающийся тем, что второе отверстие в верхней части клетки имеет диаметр, больший, чем диаметр первого отверстия в нижней части клетки.
5. Затворный механизм по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть клетки изготовлена из первого материала, а нижняя часть клетки изготовлена из второго материала.
6. Затворный механизм по п.5, отличающийся тем, что первый материал отличается от второго материала.
7. Затворный механизм по п.1, отличающийся тем, что уплотнительная сборка дополнительно содержит уплотнительное кольцо, при этом стопор удерживает уплотнительное кольцо и уплотнение во время перемещения запирающего элемента между положением «открыто» и положением «закрыто».
8. Затворный механизм по п.1, отличающийся тем, что уплотнительная сборка расположена между сальниками, образованными верхней и нижней частями клетки.
9. Затворный механизм клапана для использования в клапане, содержащий средство для формирования характеристик потока текучей среды через клапан, имеющее верхнюю часть, которая скрепляется с нижней через разъемное соединение;
средство для контроля потока текучей среды через клапан, расположенное внутри средства для формирования характеристик, при этом первая часть средства для контроля имеет размер, обеспечивающий плотное прилегание изнутри к первой части средства для формирования характеристик, а вторая часть имеет размер, обеспечивающий плотное прилегание изнутри ко второй части средства для формирования характеристик, причем средство для контроля перемещается между положением «открыто», в котором поток текучей среды пропускается через клапан, и положением «закрыто», в котором поток текучей среды через клапан перекрыт; и
средство для уплотнения, расположенное между верхней частью и нижней частью средства для формирования характеристик, при этом, по меньшей мере часть средства для контроля входит в контакт со средством для уплотнения, предотвращая протечку между средством для формирования характеристик потока и средством для контроля, когда средство для контроля находится в положении «закрыто»,
причем средство для уплотнения содержит седло клапана, расположенное между верхней и нижней частями средства для формирования характеристик,
а средство для контроля содержит плунжер клапана, имеющий корпус цилиндрической формы и головную часть, при этом головная часть входит в контакт со средством для уплотнения и имеет диаметр, больший, чем диаметр корпуса цилиндрической формы,
причем средство для уплотнения содержит С-образное уплотнение, стопор и уплотнительное кольцо, расположенные между верхней и нижней частями средства для формирования характеристик.
10. Затворный механизм по п.9, отличающийся тем, что средство для формирования характеристик потока текучей среды содержит клетку, состоящую из двух частей.
11. Затворный механизм по п.9, отличающийся тем, что седло клапана содержит эластомерный материал.
