Уравновешенный клапанный регулятор и способ уменьшения усилий штока на штоке клапана
Предложенный клапанный регулятор для клапана регулирования потока содержит отверстие с проточным каналом, образованным внутренней поверхностью стенки, проходящим от входа отверстия до выхода отверстия, причем внутренняя поверхность стенки отверстия образует сходящийся участок, расходящийся участок и местное сужение между сходящимся участком и расходящимся участком; седло клапана, расположенное на сходящемся участке внутренней поверхности стенки; запорный элемент клапана, перемещающийся линейно, возвратно-поступательно в проточном канале для управления потоком текучей среды через проточный канал, при этом запорный элемент клапана содержит корпусную часть, проходящую от заднего конца до конического переднего участка, который устанавливается на седле клапана, причем конический передний участок имеет кончик на дальнем конце, а уравновешивающий канал проходит через наружную поверхность конического переднего участка и соединяется с центральным отверстием, проходящим через корпусную часть, при этом уравновешивающий канал выполняет отвод через центральное отверстие запорного элемента клапана для выравнивания первого давления по коническому переднему участку со вторым давлением на заднем конце корпусной части, причем уравновешивающий канал расположен на расстоянии от кончика; и буртик на стыке корпусной части и конического переднего участка, при этом наружная поверхность конического переднего участка проходит от буртика до кончика, причем уравновешивающий канал расположен между буртиком и кончиком, и уравновешивающий канал расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика, причем второе расстояние больше первого расстояния. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится в целом к клапанам регулирования потока, и более конкретно, к уравновешенному клапанному регулятору для клапана регулирования потока и способу уменьшения усилий штока на штоке клапана для клапана с поступательным движением штока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Клапанный регулятор для клапана регулирования потока, как правило, относится к внутренним компонентам клапана, которые изменяют поток регулируемой текучей среды. Компоненты клапанного регулятора разнятся от одного типа клапана к другому. Однако клапанный регулятор, как правило, содержит по меньшей мере отверстие для регулирования потока и элемент регулирования потока, который взаимодействует с отверстием для регулирования потока для управления потоком текучей среды через отверстие и, следовательно, через клапан. Многие клапанные регуляторы содержат дополнительные компоненты, такие как шток клапана, гнездо и/или другие внутренние компоненты. Однако, хотя в настоящей заявка главным образом описаны элемент регулирования потока и отверстие для регулирования потока, понятно, что клапанный регулятор может содержать дополнительные компоненты.
[003] Клапан с высоким коэффициентом восстановления представляет собой схему клапана, который рассеивает сравнительно небольшую энергию потока вследствие обтекаемых внутренних контуров и минимальной турбулентности потока. Клапан с высоким коэффициентом восстановления, как правило, содержит элемент регулирования потока в виде запорного элемента клапана и отверстия с внутренней поверхностью стенки в виде песочных часов. Таким образом, геометрическая форма клапана с высоким коэффициентом восстановления, как правило, имитирует сопло Лаваля. Например, на фиг. 1 показана обобщенная геометрическая форма сопла Лаваля, и показан поток текучей среды через сужение и местное сужение с давлением на входе выше по потоку от сужения, т. е., давлением торможения P1, и давлением на выходе ниже по потоку от сужения, т. е., противодавлением P2.
[004] В клапане с высоким коэффициентом восстановления давление ниже по потоку от местного сужения восстанавливается до высокого процента от его значения на входе. Фиг. 2 иллюстрирует сравнение типичных профилей давления для клапанов с высоким коэффициентом восстановления и с низким коэффициентом восстановления. Как показано на фиг. 2, в клапанах, как с высоким, так и с низким коэффициентом восстановления существует разность давления dP между давлением торможения P1 и противодавлением P2 по всему проходному сечению клапана. Так, dP = P1 - P2. Здесь проходное сечение клапана смоделировано в виде простого местного сужения. Однако противодавление P2 клапана с высоким коэффициентом восстановления возвращается ближе к давлению торможения P1, чем противодавление клапана с низким коэффициентом восстановления. Тем не менее, разность давления dP по проходному сечению клапана создает усилие штока Fs на штоке клапана, прикрепленном к запорному элементу клапана, у проходного сечения клапана.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] В настоящем изобретении предложен запорный элемент клапана, клапанный регулятор, клапан и способ, которые при некоторых схемах могут уменьшать усилия штока, созданные за счет разности давления по запорному элементу клапана, и/или улучшать восстановление давления на стороне ниже по потоку от запорного элемента клапана.
[006] Согласно некоторым аспектам, обеспечен запорный элемент клапана для клапана регулирования потока. Запорный элемент клапана может содержать один или более уравновешивающих каналов через наружную поверхность конусного переднего участка запорного элемента клапана. Уравновешивающие каналы могут выполнять отвод через запорный элемент клапана для выравнивания первого давления по коническому переднему участку со вторым давлением на заднем конце корпуса запорного элемента клапана. Уравновешивающие каналы могут проходить сквозь наружную поверхность конического переднего участка запорного элемента клапана с расположением на расстоянии от кончика на дальнем конце конического переднего участка. Уравновешивающие каналы могут быть расположены на расстоянии от буртика у стыка конического переднего участка и корпусной части запорного элемента клапана. Уравновешивающие каналы могут проходить сквозь наружную поверхность конического переднего участка между буртиком и кончиком, и располагаясь на расстоянии от них. Уравновешивающие каналы могут выполнять отвод через запорный элемент клапана посредством единственного отверстия или множества отверстий, проходящих через корпусную часть. Если предусмотрено больше, чем один уравновешивающий канал, каждый уравновешивающий канал может быть расположен на одинаковых расстояниях от буртика и/или кончика, или разные уравновешивающие каналы могут быть расположены на различных расстояниях от буртика и/или кончика.
[007] Согласно некоторым аспектам, обеспечен клапанный регулятор для клапана регулирования потока. Клапанный регулятор предпочтительно содержит запорный элемент клапана в соответствии с каким-либо из аспектов, схем и/или элементов настоящего изобретения. Клапанный регулятор также может содержать отверстие. Отверстие может иметь проточный канал, образованный внутренней поверхностью стенки, проходящий от входа до выхода, а запорный элемент клапана может быть расположен с возможностью линейного возвратно-поступательного перемещения в проточном канале для управления потоком текучей среды через проточный канал. Отверстие может иметь форму сопла Лаваля, при этом внутренняя поверхность стенки содержит и/или образует сходящийся участок, местное сужение и расходящийся участок. Отверстие может содержать седло клапана по внутренней поверхности стенки. Седло клапана может быть расположено на сходящемся участке внутренней поверхности стенки.
[008] Согласно некоторым аспектам, обеспечен клапан. Клапан предпочтительно содержит запорный элемент клапана в соответствии с каким-либо из аспектов, схем и/или элементов настоящего изобретения. Клапан может содержать корпус клапана, образующий канал потока текучей среды, проходящий от входа до выхода. Клапанный регулятор в соответствии с каким-либо из аспектов, схем и/или элементов настоящего изобретения, содержащее запорный элемент клапана, может быть функционально расположено в корпусе клапана для управления потоком текучей среды по каналу потока текучей среды. Клапан может представлять собой клапан с высоким коэффициентом восстановления. Клапан может представлять собой угловой клапан. Клапан может представлять собой клапан с поступательным движением штока.
[009] Согласно некоторым аспектам обеспечен способ уменьшения усилий штока на штоке клапана с поступательным движением штока. Клапан с поступательным движением штока может содержать запорный элемент клапана в соответствии с каким-либо из аспектов, схем и/или элементов, раскрытых в настоящем документе. Клапан с поступательным движением штока может содержать отверстие в соответствии с каким-либо из аспектов, схем и/или элементов, раскрытых в настоящем документе. Первое давление на заднем конце корпусной части запорного элемента клапана, соединенного со штоком клапана, может быть выровнено со вторым давлением в точке, расположенной между проходным сечением и кончиком запорного элемента клапана, при этом проходное сечение клапана образовано между наружной поверхностью запорного элемента клапана и внутренней поверхностью отверстия. Давления могут быть выровнены за счет отвода текучей среды из положения на наружной поверхности конического переднего участка, расположенного на расстоянии от кончика. Текучая среда может быть выпущена через уравновешивающий канал, проходящий через наружную поверхность конического переднего участка. Уравновешивающий канал может быть расположен на первом расстоянии от буртика запорного элемента клапана и на втором расстоянии от кончика.
[0010] Какой-либо один или более из этих аспектов может быть объединен с каким-либо одним или более из других аспектов и/или дополнительными аспектами, схемами, элементами и/или техническими эффектами, которые станут очевидными после детального рассмотрения фигур и следующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Фиг. 1 демонстрирует схематическое представление потока текучей среды через типичное сопло Лаваля;
[0012] Фиг. 2 демонстрирует схематическое представление сравнения профилей давления для потока текучей среды через типичный клапан с высоким коэффициентом восстановления по сравнению с типичным клапаном с низким коэффициентом восстановления;
[0013] Фиг. 3 демонстрирует данные испытаний, связанные с влиянием усилий штока, вызванных потоком, на угловой клапан с высоким коэффициентом восстановления, имеющий запорный элемент клапана с высоким коэффициентом восстановления и проходное сечение с уравновешивающим каналом, просверленным через него и вдоль осевой линии запорного элемента клапана;
[0014] Фиг. 4 демонстрирует увеличенное упрощенное представление поперечного разреза клапанного регулятора с запорным элементом клапана, имеющим уравновешивающий канал в соответствии с настоящим изобретением, выполненный по примерной схеме;
[0015] Фиг. 5 демонстрирует увеличенное упрощенное представление разреза на виде в перспективе клапанного регулятора по фиг. 4;
[0016] Фиг. 6 демонстрирует увеличенное упрощенное представление поперечного разреза клапанного регулятора с запорным элементом клапана, имеющим уравновешивающий канал в соответствии с настоящим изобретением, имеющий другую примерную схему;
[0017] Фиг. 7 демонстрирует увеличенное упрощенное представление поперечного разреза клапанного регулятора с запорным элементом клапана, имеющим уравновешивающий канал в соответствии с настоящим изобретением, имеющий еще одну примерную схему, и
[0018] Фиг. 8 демонстрирует угловой клапан с высоким коэффициентом восстановления, имеющий запорный элемент клапана с уравновешивающим каналом, выполненным в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] Способы и системы в соответствии с настоящим изобретением могут иметь множество различных аспектов, схем и элементов во множестве различных комбинаций. Какой-либо один или более из аспектов, схем и элементов, раскрытых в настоящем документе, могут быть объединены с каким-либо одним или более из других аспектов, схем и элементов многими способами, подходящими для обеспечения какого-либо одного или какой-либо комбинации технических аспектов, каким-либо подходящим путем.
[0020] При некоторых вариантах схем запорный элемент клапана для клапана регулирования потока содержит корпусную часть, проходящую от заднего конца до конического переднего участка с возможностью посадки вплотную к седлу клапана, и по меньшей мере один уравновешивающий канал через наружную поверхность конического переднего участка. Уравновешивающий канал выполняет отвод через запорный элемент клапана для выравнивания первого давления по коническому переднему участку со вторым давлением на заднем конце корпуса запорного элемента клапана. Буртик может находиться на стыке корпусной части и конического переднего участка, при этом наружная поверхность конического переднего участка проходит от буртика до кончика. Уравновешивающий канал может быть расположен между буртиком и кончиком. Уравновешивающий канал может быть расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика. Запорный элемент клапана может содержать второй уравновешивающий канал или больше уравновешивающих каналов через наружную поверхность конического переднего участка. Запорный элемент клапана может иметь центральное отверстие, проходящее по участку корпуса запорного элемента клапана. Один или более уравновешивающих каналов может соединяться с центральным отверстием для выполнения отвода через запорный элемент клапана в центральное отверстие. Запорный элемент клапана может содержать осевое отверстие, проходящее от каждого уравновешивающего канала в направлении оси через запорный элемент клапана. Каждый уравновешивающий канал может выполнять отвод через запорный элемент клапана раздельно от другого уравновешивающего канала через соответствующие осевые отверстия.
[0021] В некоторых вариантах реализации клапанный регулятор для клапана регулирования потока содержит отверстие с проточным каналом, образованным внутренней поверхностью стенки, проходящей от входа до выхода, и запорным элементом клапана, согласно какому-либо одному из предшествующих пунктов формулы. Запорный элемент клапана может перемещаться линейно, возвратно-поступательно в проточном канале для управления потоком текучей среды через проточный канал. Уравновешивающий канал может быть расположен на расстоянии ниже по потоку от проходного сечения, образованного наименьшим зазором между наружной поверхностью запорного элемента клапана и внутренней поверхностью стенки проточного канала. Буртик может устанавливаться вплотную к седлу клапана. Клапанный регулятор может быть выполнен с возможностью использования в клапане с высоким коэффициентом восстановления. Внутренняя поверхность стенки отверстия может образовывать сходящийся участок, расходящийся участок и/или местное сужение между сходящимся участком и расходящимся участком. Запорный элемент клапана может перемещаться линейно, возвратно-поступательно, например, в сходящемся участке проточного канала. Седло клапана может быть расположено по сходящемуся участку проточного канала.
[0022] В некоторых вариантах клапан содержит корпус клапана, образующий канал потока текучей среды, проходящий от входа до выхода, и клапанный регулятор согласно настоящему изобретению, функционально расположенный в корпусе клапана для управления потоком текучей среды по каналу потока текучей среды. Корпус клапана может представлять собой корпус углового клапана. Клапан может представлять собой клапан с поступательным движением штока. Клапан может иметь шток, соединенный с запорным элементом клапана. Шток клапана может перемещать запорный элемент клапана, например, линейно, к седлу клапана и от него, для управления потоком текучей среды через канал потока текучей среды.
[0023] В некоторых схемах обеспечен способ уменьшения усилий штока на штоке клапана с поступательным движением штока. Может быть обеспечен клапан с поступательным движением штока согласно какой-либо из схем, и/или он может содержать какие-либо из элементов, раскрытых в настоящем документе. Например, клапан с поступательным движением штока может содержать запорный элемент клапана, соединенный со штоком клапана. Запорный элемент клапана может быть расположен с возможностью возвратно-поступательного линейного перемещения к седлу клапана и от седла клапана, расположенного по внутренней поверхности стенки отверстия для регулирования потока. Запорный элемент клапана может иметь корпусную часть, проходящую от заднего конца до кончика. Поток текучей среды между запорным элементом клапана и внутренней стенкой отверстия для регулирования потока может быть направлен таким образом, что кончик запорного элемента клапана находится на стороне ниже по потоку от запорного элемента клапана. Проходное сечение может быть образовано между наружной поверхностью запорного элемента клапана и внутренней поверхностью отверстия. Проходное сечение может быть расположено по коническому переднему участку запорного элемента. Конический передний участок может проходить от буртика запорного элемента клапана до кончика запорного элемента клапана. Первое давление на заднем конце корпусной части может быть выровнено со вторым давлением в точке, расположенной между проходным сечением и кончиком запорного элемента клапана. Выравнивание давлений может включать в себя отвод текучей среды из положения на наружной поверхности запорного элемента клапана по коническому переднему участку. Отвод текучей среды может включать в себя отвод текучей среды через уравновешивающий канал, проходящий через наружную поверхность конического переднего участка. Уравновешивающий канал может быть расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика.
[0024] Возвращаясь к чертежам, фиг. 3 демонстрирует график давления и усилия относительно времени, полученный во время испытаний углового клапана с высоким коэффициентом восстановления (т. е., углового клапана с регулятором высокого восстановления), в ходе которых данные об усилии штока снимали на стандартном запорном элементе клапана с уравновешивающим каналом. Было оценено влияние усилия штока, вызванного потоком, наблюдаемое во время этих испытаний. На графике по фиг. 3, кривая данных Fs иллюстрирует усилие штока (в фунтах), действующее на шток клапана, кривая данных P1 иллюстрирует давление торможения P1 (в фунтах на квадратный дюйм, манометрическое) на стороне выше по потоку от проходного сечения, кривая данных dP иллюстрирует разность давления (в фунтах на квадратный дюйм, дифференциальное) между давлением торможения P1 и противодавлением P2 по проходному сечению, а линия CP изображает 98% от точки дросселирования клапана. Как показывает кривая данных Fs, пиковое усилие штока возникает при условиях давления, когда клапан дросселируется, т. е. на линии CP или вблизи нее. Хотя эта тенденция имеется по всему ходу запорного элемента клапана, пиковое усилие штока имеет наибольшее значение при 80% хода запорного элемента клапана.
[0025] Распределение давления для потока текучей среды по соплу Лаваля для различных противодавлений P2 вполне понятно. Для целей настоящего изобретения важно, чтобы в отношении таких распределений давления было понятно, что как только поток в проходном сечении сопла достигает звуковой скорости, и по мере расширения сопла вниз по потоку, противодавление продолжает уменьшаться. Авторы настоящей заявки обнаружили, что данный эффект наряду с размещением уравновешивающего канала в запорном элементе клапана может создавать резкий скачок усилия штока на штоке клапана, как показывает кривая данных Fs на фиг. 3.
[0026] В угловом клапане с высоким коэффициентом восстановления, испытанном как показано на фиг. 3, был использован клапанный регулятор, в котором запорный элемент клапана содержал уравновешивающий канал через осевой центр торцевой поверхности запорного элемента клапана и отверстие, которое обеспечивает отвод назад от уравновешивающего канала через корпус запорного элемента клапана. Клапанный регулятор было выполнено со схемой нисходящего потока, так что запорный элемент клапана находится на стороне выше по потоку от проходного сечения. Запорный элемент клапана имеет, как правило, цилиндрическую форму с коническим кончиком, который проходит до радиального седла клапана, образованного на внутренней кольцевой поверхности конического отверстия, и образует уплотнение. При такой схеме проходное сечение клапана находится в точке, в которой наружный диаметр запорного элемента клапана начинает сужаться к кончику. Уравновешивающий канал в данном случае находится на самом кончике запорного элемента клапана и фактически устраняет самую верхушку кончика. Клапан начинает дросселироваться, когда скорость газа в проходном сечении достигает числа Маха 1. Испытания показали, что чем больше нарастает перепад давления dP по клапану, тем больше уменьшается давление вниз на кончике запорного элемента клапана. Это влияние имеет место до тех пор, пока волна звукового давления не достигнет уравновешивающего канала на кончике, после чего давление над запорным элементом клапана выравнивается посредством уравновешивающего канала и отверстия, и система уравновешена. По-видимому, это вызывает образование пика в данных усилия штока Fs, как показано на фиг. 3.
[0027] Обратимся к конкретным примерам, показанным на фиг. 4 и 5, которые иллюстрируют части клапанного регулятора 20 для клапана с высоким коэффициентом восстановления, в соответствии с принципами настоящего изобретения, согласно первому варианту реализации. В данных примерах показан клапанный регулятор 20, содержащмй отверстие 22 и запорный элемент 24 клапана. Дополнительные компоненты типичного клапанного регулятора и соответствующий корпус клапана для клапана с высоким коэффициентом восстановления для ясности не показаны. Однако клапанный регулятор 20 должен быть частью клапана регулирования потока, и регулятор 20 может быть собран вместе с остальными компонентами такого клапана регулирования потока и соответствующими компонентами клапанного регулятора, как понятно из знаний технического специалиста. Клапанный регулятор 20 предпочтительно выполнен как неотъемлемая часть клапана с высоким коэффициентом восстановления, и следующие примеры и описание посвящены, в первую очередь, такому варианту реализации. В одной варианте реализации клапанный регулятор 20 может быть выполнен как неотъемлемая часть углового клапана с высоким коэффициентом восстановления, который представляет собой угловой клапан, также являющийся клапаном с высоким коэффициентом восстановления. Однако клапанный регулятор 20 может быть использован с другими типами клапанов с высоким коэффициентом восстановления, такими как шаровой клапан, и не ограничено конкретными типами клапанов, приведенными и/или описанными в настоящем документе. Кроме того, принципы настоящего изобретения не должны ограничиваться использованием в угловом клапане с высоким коэффициентом восстановления или в другом клапане с высоким коэффициентом восстановления.
[0028] Клапан с клапанным регулятором 20 может, в особенности, вполне подходить для регулирования потока текучей среды в газообразном состоянии, такой как пар, сжиженный природный газ и/или другие газы. Однако клапан с клапанным регулятором 20 также может быть использован для регулирования потока текучих сред в жидком состоянии. В данной конкретной схеме клапанный регулятор 20 расположено с применением нисходящего потока, и поток текучей среды в направлении, показанном стрелкой A, имеет приток в отверстие 22 на входе 28 и отток, выходящий из отверстия 22 на выходе 30. Таким образом, запорный элемент 24 клапана находится на стороне выше по потоку потока текучей среды через клапан.
[0029] Отверстие 22 образует проточный канал 26, образованный внутренней поверхностью 38 стенки, проходящей от входа 28 до выхода 30. Отверстие 22 имеет местное сужение 32, расположенное между сходящимся участком 34 и расходящимся участком 36. Местное сужение 32, сходящийся участок 34, и расходящийся участок 36 расположены по внутренней поверхности 38 стенки и/или образованы ею. На сходящемся участке 34 внутренняя поверхность 38 стенки сужается радиально внутрь, т. е., становится более суженной, от входа 28 к местному сужению 34. На расходящемся участке 36 внутренняя поверхность 38 стенки расходится радиально наружу, т. е., становится менее суженной, от местного сужения 34 к выходу 30. Седло 40 клапана расположено по внутренней стенке 38 в суженном участке 34. Седло 40 клапана образует кольцо, которое проходит от начала до конца вокруг проточного канала 26 во внутренней поверхности 38 стенки. При такой схеме седло 40 клапана представляет собой уплощенный участок внутренней поверхности 38 стенки, специально выполненный так, что соответствует и совпадает по форме с соответствующим участком запорного элемента 24 клапана. Однако седло 40 клапана может иметь другие формы, которые также подходят для образования седла клапана для запорного элемента 24 клапана.
[0030] Запорный элемент 24 клапана имеет корпусную часть 42, проходящую по продольной оси X от заднего конца 43 до конического переднего участка 44. Конический передний участок 44 проходит от буртика 48 на нижнем конце корпуса до кончика 50 на дальнем конце запорного элемента 24 клапана. Корпусная часть 42 при такой схеме имеет, как правило, цилиндрическую форму. Однако корпусная часть 42 может иметь другие формы. Конический передний участок 44 имеет коническую наружную поверхность 46, которая проходит от буртика 48 до кончика 50. В данном примере наружная поверхность 46 имеет в целом коническую форму. Однако наружная поверхность 46 может иметь другие формы, которые сходятся от буртика 48, в целом, внутрь в направлении кончика 50. В данном примере кончик 50 имеет острый конец, однако кончик 50 может иметь закругленный конец. Буртик 48 при данной схеме имеет размеры и форму для обеспечения посадки на седло 40 клапана, когда запорный элемент 24 клапана находится в полностью закрытом положении. Показанный в данном примере буртик 48 имеет остроугольный профиль, однако буртик 48 может иметь закругленный профиль. Когда запорный элемент 24 клапана находится в открытом положении, как показано на фиг. 4, проходное сечение 52 образуется при самом узком зазоре между буртиком 48 и внутренней поверхностью 38 стенки по сходящемуся участку 34. Таким образом, проходное сечение 52 является местом с самой высокой скоростью потока текучей среды по проточному каналу 26.
[0031] На наружной поверхности 46 конического переднего участка 44 расположен один или более уравновешивающих каналов 60. Каждый уравновешивающий канал 60 расположен на расстоянии между буртиком 48 и кончиком 50, так что существует первое расстояние d1 по наружной поверхности 46 от буртика 48 до уравновешивающего канала 60 и второе расстояние d2 по наружной поверхности 46 от уравновешивающего канала 60 до кончика 50. Расстояние d1 может быть одинаковым с расстоянием d2 или отличающимся от него. Предпочтительно расстояние d1 является достаточным для размещения уравновешивающего канала 60 ниже по потоку от проходного сечения 52. Ожидается, что в большинстве схем расстояние d1 будет меньше, чем расстояние d2. Однако при некоторых схемах расстояние d1 может быть равным расстоянию d2, или расстояние d1 может быть больше, чем расстояние d2, в зависимости от геометрии клапанного регулятора 20 и ожидаемых эксплуатационных условий клапана. Если запорный элемент 24 клапана имеет два или более уравновешивающих каналов 60, расстояние d1 может быть одинаковым для каждого уравновешивающего канала 60, или расстояние d1 может быть разным для различных уравновешивающих каналов 60. Один или более уравновешивающих каналов 60 с наименьшим расстоянием d1 можно считать самым верхним уравновешивающим каналом 60, как показано на чертежах. В примере по фиг. 4 и 5 запорный элемент 24 клапана содержит два уравновешивающих канала 60, симметрично расположенных на наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. Каждый уравновешивающий канал 60 находится на одинаковом расстоянии d1 от буртика 48 и на одинаковом расстоянии d2 от кончика 50. Однако также предполагаются различные количества и схемы уравновешивающих каналов 60. Например, запорный элемент 24 клапана может иметь только один уравновешивающий канал 60, или может иметь более чем два уравновешивающих канала 60. Если используется только один уравновешивающий канал 60, уравновешивающий канал 60 может иметь большую площадь поперечного сечения, тогда как, если используется несколько уравновешивающих каналов 60, уравновешивающие каналы 60 могут иметь меньшие площади поперечного сечения. Далее показаны дополнительные примерные схемы уравновешивающих каналов 60. Однако должно быть понятно, что точное количество положений и схем уравновешивающих каналов 60 по коническому переднему участку 44 не ограничивается этими примерными схемами, и может быть скорректировано экспериментальным путем для получения оптимальных или желаемых характеристик потока для какого-либо конкретного размера и/или схемы клапанного регулятора для данного клапана.
[0032] Уравновешивающие каналы 60 выполняют отвод через запорный элемент 24 клапана до положения за пределами потока текучей среды через клапан. Предпочтительно уравновешивающие каналы 60 обеспечивают отвод к заднему концу 43 запорного элемента 24 клапана, т. е., противоположному концу запорного элемента клапана от кончика 50, например, в камеру в крышке непосредственно над противоположным концом запорного элемента 24 клапана, на котором шток клапана соединен с запорным элементом 24 клапана. При отводе таким способом уравновешивающие каналы 60 выравнивают давление в положении уравновешивающего канала 60 по оси проточного канала 26 с давлением на противоположном конце запорного элемента клапана, тем самым уравновешивая усилия давления, создаваемые давлениями на противоположных концах запорного элемента 24 клапана и уменьшая усилия Fs штока, действующие на шток клапана. В данном примере уравновешивающие каналы 60 проходят в радиальном направлении внутрь от наружной поверхности 46 конического переднего участка 44 к центральному отверстию 62. Таким образом, уравновешивающие каналы 60 при такой схеме имеют форму сквозных отверстий, проходящих от наружной поверхности 46 к центральному отверстию 62. Уравновешивающие каналы 60 также проходят под углом кверху от наружной поверхности 46 к центральному отверстию 62, хотя такой угол может быть необязательным. В данном случае центральное отверстие 62 представляет собой глухое отверстие, которое проходит в осевом направлении вдоль центральной оси X корпусной части 42 запорного элемента 24 клапана от торцевой стенки 64, расположенной внутри конического переднего участка 44 к отверстию 66 в заднем конце 43 корпусной части 42. Таким образом, уравновешивающие каналы 60 выполняют отвод через запорный элемент 24 клапана по центральному отверстию 62.
[0033] Величина начальной неуравновешенной зоны, на которую может действовать разность давления dP по проходному сечению 52, представляет собой зону между наружным диаметром OD1 корпусной части 42 и буртиком 48 и наружным диаметром OD2 конического переднего участка 44 на верхнем крае самого верхнего уравновешивающего канала 60 в плоскости, перпендикулярной оси X запорного элемента 24 клапана. Следовательно, характеристики равновесия регулятора 20 могут быть скорректированы путем регулирования размещения самого верхнего уравновешивающего канала 60 между буртиком 48 и кончиком 50 и/или путем изменения количества, размера и положений одного или более уравновешивающих каналов 60 по наружной поверхности 46 конического переднего участка 44.
[0034] При размещении уравновешивающих каналов 60 вдоль части пути наружной поверхности 46 между проходным сечением 52 и кончиком 50, вместо размещения самого верхнего уравновешивающего канала только на кончике 50, считается, что экстремальный пик усилий штока Fs в точке дросселирования, как показано на фиг. 3, может быть значительно снижен. Влияние такого снижения усилий штока Fs может улучшить технические характеристики клапана и/или может уменьшить износ клапана.
[0035] Размещение уравновешивающих каналов 60 относительно проходного сечения 52 может оказывать значительное влияние на усилия штока Fs, создаваемые на запорном элементе 24 клапана. Не ограничиваясь теорией, считается, что уравновешивающие каналы 60, или по меньшей мере уравновешивающий канал 60, ближайший к буртику 48 (самый верхний уравновешивающий канал 60), должен находиться вблизи проходного сечения 52. Однако предполагается, что самый верхний уравновешивающий канал 60 не должен быть настолько близок к проходному сечению 52, чтобы уравновешивающий канал 60 влиял на восстановление давления на стороне ниже по потоку от проходного сечения 52.
[0036] Кроме того, при размещении уравновешивающих каналов 60 на расстоянии от кончика 50, наружная поверхность 46 может сходиться, например, к остроконечному или закругленному дальнему концу, на кончике 50. Таким образом, при сохранении сходимости наружной поверхности 46 в точке 50, вместо срезания пути к точке 50, например, за счет расширения центрального отверстия 62 по всей наружной поверхности 46 на дальнем конце конического переднего участка 44, запорный элемент 24 клапан обеспечивает, чтобы расширение текучей среды на стороне ниже по потоку от запорного элемента 24 клапана происходило более постепенно. Такое более постепенное расширение может дополнительно уменьшить кавитацию текучей среды или другие резкие скачки давления на стороне выпуска запорного элемента 24 клапана.
[0037] На фиг. 6 показан вариант клапанного регулятора 20, в котором запорный элемент 24 клапана содержит другую схему уравновешивающих каналов 60 по наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. За исключением случаев, описанных ниже, запорный элемент 24 клапана и отверстие 22 являются по существу такими же, как в клапанном регуляторе 20, показанном на фиг. 4 и 5. Таким образом, для краткости для одинаковых элементов использованы те же ссылочные обозначения, и читателю предлагается справляться с описаниями, приведенными выше в настоящем документе.
[0038] В данном примере запорный элемент 24 клапана содержит первую группу уравновешивающих каналов 60a и вторую группу уравновешивающих каналов 60b. Каждый из уравновешивающих каналов 60a и 60b проходит через наружную поверхность 46 в центральное отверстие 62. Каждый из первых уравновешивающих каналов 60a расположен на первом расстоянии d1 от буртика 48 и на втором расстоянии d2 от кончика 50 по наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. Каждый из вторых уравновешивающих каналов 60b расположен на третьем расстоянии d3 от буртика 48 и на четвертом расстоянии d4 от наконечника 50 по наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. В данном примере видимыми являются три из первых уравновешивающих каналов 60a, хотя может существовать четыре или более первых отверстий 60a, расположенных с промежутком по окружности по наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. Кроме того, видимыми являются два из вторых уравновешивающих каналов 60b, хотя может существовать больше, чем два, или только один из вторых уравновешивающих каналов 60b. Таким образом, первые уравновешивающие каналы 60a расположены с промежутком по окружности на кольце, проходящем вокруг наружной поверхности 46 конического переднего участка 44. Второй уравновешивающий канал 60b также находится на кольце, проходящем вокруг наружной поверхности 46 конического переднего участка 44, находящемся на расстоянии в направлении вниз от кольца первых уравновешивающих каналов 60a. Конечно, по наружной поверхности 46 также могут быть расположены дополнительные уравновешивающие каналы 60, которые не находятся на одном из колец первых или вторых уравновешивающих каналов 60a или 60b. Кроме того, первые и/или вторые уравновешивающие каналы 60a, b не обязательно должны находиться на кольцах.
[0039] Если запорный элемент 24 клапана содержит более чем один уравновешивающий канал 60, уравновешивающие каналы могут иметь одинаковую площадь, или уравновешивающие каналы могут иметь разные площади. При схеме, показанной на фиг. 4 и 5, каждый из уравновешивающих каналов 60 имеет одинаковую площадь. При схеме, показанной на фиг. 6, первые уравновешивающие каналы 60a имеют другую площадь, чем вторые уравновешивающие каналы 60b. Кроме того, если уравновешивающие каналы 60 имеют вид радиальных сквозных отверстий, например, как показано на каждой из фиг. 4-6, каждый из уравновешивающих каналов 60, если они имеют форму круглых отверстий, может иметь одинаковый внутренний диаметр, или разные отверстия уравновешивающих каналов 60 могут иметь разные внутренние диаметры. Кроме того, хотя уравновешивающие каналы 60 предпочтительно имеют круглое поперечное сечение для простоты их образования, например, сверлением, уравновешивающие каналы 60 могут иметь поперечное сечение других форм, такие как овал, прямоугольник, треугольник, многоугольник и т. п.
[0040] Фиг. 7 демонстрирует вариант клапанного регулятора 20, в котором запорный элемент 24 клапана содержит другую схему отводящего пути для уравновешивающих каналов 60. За исключением случаев, описанных ниже, запорный элемент 24 клапана и отверстие 22 являются по существу такими же, как в клапанном регуляторе 20, показанном на фиг. 4 и 5. Таким образом, для краткости для одинаковых элементов использованы те же ссылочные обозначения, и читателю предлагается справляться с описаниями, приведенными выше в настоящем документе.
[0041] В данном примере каждый уравновешивающий канал 60 обеспечивает отвод по отдельному осевому отверстию 70, а не отвод по одному, центральному отверстию 62, как в предыдущих примерах. Таким образом, запорный элемент 24 клапана имеет один или более, а в данном примере два уравновешивающих канала 60 через наружную поверхность 46 конического переднего участка 44, находящихся ниже по потоку от проходного сечения 52, как описано выше. Осевое отверстие 70 проходит от каждого уравновешивающего канала 60 в осевом направлении к заднему концу 43 корпусной части 42 корпуса запорного элемента 24 клапана. Осевое отверстие 70 может иметь вид сквозного отверстия, проходящего от уравновешивающего канала 60 к отверстию в заднем конце запорного элемента 24 клапана. Осевое отверстие 70 может быть параллельным продольной оси X запорного элемента 24 клапана, или осевое отверстие 70 может быть расположено не параллельно, под углом к продольной оси X. Осевое отверстие 70 может иметь прямую ось, или может иметь один или более изогнутых, криволинейных или проходящих под углом стыков вдоль своей оси.
[0042] Это всего лишь некоторые из почти бесконечного разнообразия вариантов размещения, количества и схем уравновешивающих каналов 60 через наружную поверхность 46 конического переднего участка 44 запорного элемента 24 клапана. Кроме того, клапанный регулятор 20 может быть использован в разнообразных типах клапанов для обеспечения клапана с высоким коэффициентом восстановления.
[0043] Фиг. 8 иллюстрирует клапан 80 с высоким коэффициентом восстановления, содержащий клапанный регулятор 20 с запорным элементом 24 клапана согласно настоящему изобретению. Клапан 80 представляет собой угловой клапан с поступательным движением штока, который имеет угловой корпус 82 клапана, образующий канал 84 потока текучей среды, имеющий входной участок 86, расположенный под углом к выходному участку 88, например, под углом 90 градусов. Крышка 90 соединена с корпусом 82 клапана напротив выходного участка 88. Шток 92 клапана проходит через крышку. Шток 92 клапана выровнен по продольной оси выходного участка 88 канала 84 потока текучей среды и совершает возвратно-поступательные движения. Задний конец 43 запорного элемента 24 клапана соединен с дальним концом штока 92 клапана. Отверстие 22 расположено в выходном участке 88 канала 84 потока текучей среды. Продольная ось X запорного элемента 24 клапана выровнена с продольными осями отверстия 22, штока 92 клапана, и выходного участка 88 канала 84 потока текучей среды. Шток 92 клапана перемещает запорный элемент 24 клапана линейно к седлу 40 клапана и/или от него. Когда клапан 80 находится в полностью закрытом положении, буртик 48 запорного элемента 24 клапана установлен напротив седла 40 клапана. Когда клапан находится в открытом положении, запорный элемент 24 клапана отведен от седла 40 клапана, тем самым образуя зазор и проходное сечение 52 между наружной поверхностью 46 конического переднего участка 44 и сходящимся участком 34 внутренней поверхности 38 стенки отверстия 22.
[0044] В данном примере уравновешивающие каналы 60 обеспечивают отвод в камеру 94 за задним концом 43 запорного элемента 24 клапана. Камера 94 отделена от канала 84 потока текучей среды посредством уплотнения, сформированного между задним концом участка 42 корпуса и направляющим отверстием 96, таким как гнездо или отверстие, выполненное в корпусе 82 клапана.
[0045] Во время работы клапана 80, запорный элемент 24 клапана перемещается линейно, возвратно-поступательно к седлу 40 клапана и/или от него, чтобы управлять потоком текучей среды по каналу 84 потока текучей среды от входа 86 к выходу 88. Таким образом, кончик 50 находится на стороне ниже по потоку запорного элемента 24 клапана. Когда запорный элемент 24 частично, но не полностью, блокирует вход 28 отверстия 22, образуется проходное сечение 52 между наружной поверхностью 46 и внутренней поверхностью 38 отверстия 22. Обычно проходное сечение расположено по коническому переднему участку 44 запорного элемента 24 клапана. Первое давление на заднем конце 43 корпусной части 42 выровнено со вторым давлением в точке, расположенной между проходным сечением 52 и кончиком 50 запорного элемента 24 клапана. Для выравнивания первого и второго давления текучая среда отводится из положения на наружной поверхности запорного элемента клапана по коническому переднему участку. Текучая среда может быть отведена, например, через один или более уравновешивающих каналов 60, проходящих через наружную поверхность 46 конического переднего участка 44. Однако в других способах существуют другие механизмы для выпуска второго давления в точке между проходным сечением 52 и кончиком 50.
[0046] Принципы относительно запорного элемента 24 клапана и, особенно, расположения уравновешивающих каналов 60 в запорном элементе 24 клапана не должны ограничиваться клапаном с высоким коэффициентом восстановления или комбинацией с отверстием, имеющим форму сопла Лаваля, подобно отверстию 24. Напротив, принципы относительно запорного элемента 24 клапана могут быть использованы с другими формами и типами отверстий для регулирования потока, которые могут или не могут считаться компонентами клапана «с высоким коэффициентом восстановления». Например, запорный элемент 24 клапана с уравновешивающими каналами 60 может быть использован с простым цилиндрическим отверстием для регулирования потока и/или кольцом седла.
[0047] Клапан, клапанный регулятор, запорный элемент клапана и/или способ в соответствии с настоящим изобретением может обеспечивать более быстрое уравновешивание давления за счет размещения уравновешивающих каналов ближе к проходному сечению отверстия, а также обеспечения остроконечности кончика запорного элемента клапана, что обеспечивает более постепенное расширение текучей среды в отверстии ниже по потоку от проходного сечения. С помощью этих двух характеристик клапан может иметь лучшую характеристику восстановления, а также меньший скачок усилия штока в точке перехода к дросселированию потока, особенно при использовании клапана с высоким коэффициентом восстановления. Для определения наиболее эффективной или особенно желательной геометрии уравновешивающего канала могут быть использованы эксперименты по его размещению и размеру. Клапан, клапанное устройство, запорный элемент клапана и/или способ в соответствии с настоящим изобретением может уменьшать износ при включении и улучшать надежность. Клапан, клапанный регулятор, запорный элемент клапана и/или способ в соответствии с настоящим изобретением может обеспечивать угловой клапан с высоким коэффициентом восстановления, имеющий постепенно увеличивающийся угол расширения потока, что может улучшить восстановление, и в то же время уменьшить пиковое усилие, прилагаемое к штоку потоком текучей среды над запорным элементом клапана. Клапан, клапанный регулятор, запорный элемент клапана и/или способ в соответствии с настоящим изобретением может вполне подходить для использования в трубопроводе газа высокого давления, таком как паропровод или трубопровод природного газа или другого газа под высоким давлением. Клапан, клапанный регулятор, запорный элемент клапана и/или способ в соответствии с настоящим изобретением может вполне подходить для использования в эксплуатационных условиях, в которых предполагается работа в диапазоне звуковых или сверхзвуковых скоростей в клапане или вблизи него. Также возможны другие варианты применения, технические эффекты и/или преимущества клапана, клапанного регулятора, запорного элемента клапана и/или способа в соответствии с настоящим изобретением.
[0048] Подробное описание следует рассматривать только как иллюстративное, а не такое, которое описывает каждый возможный вариант реализации изобретения или комбинацию, поскольку описание каждого возможного варианта реализации изобретения и комбинации было бы непрактичным или даже невозможным. Можно осуществить многочисленные альтернативные варианты реализации настоящего изобретения и комбинации с использованием либо существующих технических средств, либо технических средств, разработанных после даты подачи настоящей заявки. Таким образом, хотя в настоящем документе проиллюстрированы и описаны примерные формы, должно быть понятно, что какой-либо из различных аспектов, схем и/или элементов, раскрытых в настоящем документе, может быть объединен с каким-либо другим из различных аспектов, схем и/или элементов, раскрытых в настоящем документе, способом, который будет понятен специалисту в данной области, с учетом принципов настоящего изобретения.
1. Клапанный регулятор для клапана регулирования потока, содержащий:
отверстие с проточным каналом, образованным внутренней поверхностью стенки, проходящим от входа отверстия до выхода отверстия, причем внутренняя поверхность стенки отверстия образует сходящийся участок, расходящийся участок и местное сужение между сходящимся участком и расходящимся участком;
седло клапана, расположенное на сходящемся участке внутренней поверхности стенки;
запорный элемент клапана, перемещающийся линейно, возвратно-поступательно в проточном канале для управления потоком текучей среды через проточный канал, при этом запорный элемент клапана содержит корпусную часть, проходящую от заднего конца до конического переднего участка, который устанавливается на седле клапана, причем конический передний участок имеет кончик на дальнем конце, а уравновешивающий канал проходит через наружную поверхность конического переднего участка и соединяется с центральным отверстием, проходящим через корпусную часть, при этом уравновешивающий канал выполняет отвод через центральное отверстие запорного элемента клапана для выравнивания первого давления по коническому переднему участку со вторым давлением на заднем конце корпусной части, причем уравновешивающий канал расположен на расстоянии от кончика; и
буртик на стыке корпусной части и конического переднего участка, при этом наружная поверхность конического переднего участка проходит от буртика до кончика, причем уравновешивающий канал расположен между буртиком и кончиком, и уравновешивающий канал расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика, причем второе расстояние больше первого расстояния.
2. Клапанный регулятор по п. 1, в котором уравновешивающий канал расположен на расстоянии ниже по потоку от проходного сечения, образованного наименьшим зазором между наружной поверхностью запорного элемента клапана и внутренней поверхностью стенки проточного канала.
3. Клапанный регулятор по п. 1, в котором буртик устанавливается на седле клапана.
4. Клапанный регулятор по п. 1, в котором отверстие и запорный элемент клапана являются частью клапана с высоким коэффициентом восстановления.
5. Клапанный регулятор по п. 1, дополнительно содержащий второй уравновешивающий канал через наружную поверхность конического переднего участка.
6. Клапанный регулятор по п. 5, дополнительно содержащий осевое отверстие, проходящее от каждого уравновешивающего канала в осевом направлении через запорный элемент клапана, при этом каждый уравновешивающий канал выполняет отвод через запорный элемент клапана раздельно от какого-либо другого уравновешивающего канала через соответствующие осевые отверстия.
7. Клапан, содержащий:
корпус клапана, образующий канал потока текучей среды, проходящий от входа до выхода;
отверстие с проточным каналом, образованным внутренней поверхностью стенки, проходящим от входа отверстия до выхода отверстия, причем внутренняя поверхность стенки отверстия образует сходящийся участок, расходящийся участок и местное сужение между сходящимся участком и расходящимся участком;
седло клапана, расположенное на сходящемся участке внутренней поверхности стенки;
запорный элемент клапана, перемещающийся линейно, возвратно-поступательно в проточном канале для управления потоком текучей среды через проточный канал и канал потока текучей среды, при этом запорный элемент клапана содержит корпусную часть, проходящую от заднего конца до конического переднего участка, который устанавливается на седле клапана, причем конический передний участок имеет кончик на дальнем конце, а уравновешивающий канал проходит через наружную поверхность конического переднего участка и соединяется с центральным отверстием, проходящим через корпусную часть, при этом уравновешивающий канал выполняет отвод через центральное отверстие запорного элемента клапана для выравнивания первого давления по коническому переднему участку со вторым давлением на заднем конце корпусной части, причем уравновешивающий канал расположен на расстоянии от кончика; и
буртик на стыке корпусной части и конического переднего участка, при этом наружная поверхность конического переднего участка проходит от буртика до кончика, причем уравновешивающий канал расположен между буртиком и кончиком, и уравновешивающий канал расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика, причем второе расстояние больше первого расстояния.
8. Клапан по п. 7, в котором корпус клапана содержит угловой корпус клапана.
9. Клапан по п. 7 или 8, в котором клапан содержит клапан с поступательным движением штока, содержащий шток клапана, соединенный с запорным элементом клапана, причем шток клапана перемещает запорный элемент клапана линейно к седлу клапана и от него для управления потоком текучей среды через канал потока текучей среды.
10. Способ уменьшения усилий штока на штоке клапана для клапана с поступательным движением штока, имеющего отверстие для регулирования потока, образованное внутренней поверхностью стенки, проходящей от входа отверстия до выхода отверстия, причем внутренняя поверхность стенки отверстия для регулирования потока образует сходящийся участок, расходящийся участок и местное сужение между сходящимся участком и расходящимся участком; запорный элемент клапана, соединенный со штоком клапана, и выполненный с возможностью перемещения линейно к седлу и от седла клапана, расположенного на сходящемся участке внутренней поверхности стенки отверстия для регулирования потока, при этом запорный элемент клапана имеет корпусную часть, проходящую от заднего конца до буртика, и конический передний участок, проходящий от буртика до кончика, при этом способ включает:
направление потока текучей среды между запорным элементом клапана и внутренней поверхностью стенки отверстия для регулирования потока таким образом, что кончик запорного элемента клапана находится на стороне ниже по потоку от запорного элемента клапана;
образование проходного сечения между наружной поверхностью запорным элементом клапана и внутренней поверхностью стенки отверстия для регулирования потока, при этом проходное сечение расположено на коническом переднем участке, и
выравнивание первого давления на заднем конце корпусной части со вторым давлением в точке, расположенной между проходным сечением и кончиком запорного элемента клапана, посредством отвода текучей среды через уравновешивающий канал, проходящий через наружную поверхность конического переднего участка и соединенный с центральным отверстием, проходящим через корпусную часть, при этом уравновешивающий канал расположен на первом расстоянии от буртика и на втором расстоянии от кончика, причем второе расстояние больше первого расстояния.
