Корпус клапана для клапана, управляющего потоком флюида (варианты), и клапан управления потоком флюида
Клапан управления потоком флюида содержит корпус клапана, определяющий впускное отверстие, центрованное по оси впуска, выпускное отверстие и проходное отверстие клапана между впускным и выпускным отверстиями клапана; боковую стенку, проходящую в направлении, параллельном оси впуска; и множество дискретных каналов потока, образованных неотъемлемым образом в корпусе клапана между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, причем множество дискретных каналов потока по меньшей мере частично образовано боковой стенкой и проходит между впускным отверстием и проходным отверстием клапана для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие к проходному отверстию клапана, множество дискретных каналов потока, содержащее: один или несколько первых каналов потока, предназначенных для направления первого количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана; один или несколько вторых каналов, выполненных с возможностью направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к задней части проходного отверстия клапана напротив передней части; и один или несколько третьих каналов, выполненных с возможностью направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям канала клапана, проходящим между передней и задней частями, при этом впускное отверстие имеет сходящуюся часть, а боковая стенка имеет конец, расположенный в сходящейся части впускного отверстия. Имеется два варианта исполнения корпуса. Изобретение направлено на выравнивание скорости флюида по периметру проходного отверстия клапана, обеспечивая тем самым более сбалансированный профиль давления. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники
[0001] Настоящее раскрытие в целом относится к устройствам управления потоком флюида и, более конкретно, к клапану управления флюидом, имеющему дискретные каналы потока, расположенные для выравнивания скорости флюида по периметру проходного отверстия клапана, обеспечивая тем самым более сбалансированный профиль давления.
Уровень техники
[0002] Системы управления процессом обычно содержат различные компоненты для управления различными параметрами процесса. Например, система управления процессом подачи флюида может содержать множество регулирующих клапанов для управления скоростью потока, температурой и/или давлением жидкости, протекающей через систему. Конечный продукт зависит от точности контроля этих параметров, которые в свою очередь зависят от геометрии и характеристик регулирующих клапанов. Например, регулирующие клапаны специально спроектированы и выбраны для обеспечения конкретной пропускной способности и изменений давления. Если эти характеристики нарушены, качество конечного продукта может ухудшиться.
[0003] В некоторых случаях (например, в турбинах внутреннего сгорания) может возникнуть необходимость в создании управляющего клапана, который работал бы в условиях запертого потока. Запирание потока происходит, когда флюид, протекающий через управляющий клапан, достигает сверхзвуковой скорости (например, около 1070 футов в секунду (326 метров в секунду) для топлива, протекающего через управляющий клапан, для приложений, вырабатывающих электричество в газовой турбине).
[0004] На фиг. 1 и 2 проиллюстрирован один известный пример управляющего клапана 100, который работает в условиях запертого потока. Как проиллюстрировано, управляющий клапан 100 содержит корпус клапана 104 и проточная часть клапана 108, расположенный в корпусе клапана 104. Корпус клапана 104 формирует впускное отверстие 112 и выпускное отверстие 116, соединенные кольцевым клапанным отверстием 120. Проточная часть клапана 108 содержит кольцо седла 124, держатель кольца седла 128 и плунжер клапана 132. Кольцо седла 124 расположено в проходном отверстии клапана 120. Держатель кольца седла 128 сидит напротив кольца седла 124, чтобы удерживать кольцо седла 124 в положении внутри отверстия клапана 120. Плунжер клапана 132 подвижно взаимодействует с кольцом седла 124 для управления потоком жидкости через проходное отверстие клапана 120 (и, следовательно, управляющий клапан 100).
[0005] Однако известный клапан управления потоком 100 обладает многими недостатками. Поскольку флюид, протекающий через проходное отверстие клапана 120, имеет тенденцию проходить путь наименьшего сопротивления (т.е. Самый простой путь), большая часть флюида, протекающего через проходное отверстие клапана 120, имеет тенденцию протекать через проходное отверстие клапана 120 в передней части 136 или через нее периметра проходного отверстия клапана 120 (ближайший к передней стороне 140 кольца седла 124 и передней стороне плунжера клапана), в отличие от задней части 144 проходного отверстия клапана 120 (напротив передней части 136). Другими словами, флюид распределяется неравномерно по периметру проходного отверстия клапана 120 и плунжера клапана 132 и вокруг него при прохождении от впускного отверстия 112 к выпускному отверстию 116 через проходное отверстие клапана 120. В результате этого неравномерного распределения создается эффект завихрения, посредством которого флюид, протекающий через проходное отверстие клапана 120 в задней части 144 проходного отверстия клапана, несколько раз меняет направление перед тем, как фактически войти и протекать через проходное отверстие клапана 120. Это изменение направления вызывает уменьшение скорости потока, что также снижает давление жидкости относительно давления жидкости, протекающей через проходное отверстие клапана 120 в передней части 136, тем самым вызывая несбалансированный профиль скорости и несбалансированный профиль давления поперек известного управляющего клапана 100.
Сущность изобретения
[0006] В соответствии с первым аспектом, реализованным в качестве примера, предусмотрен корпус клапана для клапана управления флюидом. Корпус клапана содержит впускное отверстие, выпускное отверстие, проходное отверстие клапана, определенное между впускным отверстием и выпускным отверстием, и множество дискретных каналов потока, проходящих между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие, к проходному отверстию клапана. Множество дискретных каналов потока содержат: один или несколько первых каналов потока, расположенных так, чтобы направлять первое количество флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана; один или несколько вторых каналов потока, предназначенных для направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в заднюю часть проходного отверстия клапана напротив передней части; и один или несколько третьих каналов потока, предназначенных для направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям проходного отверстия клапана, проходящих между передней и задней частями.
[0007] В соответствии со вторым аспектом, реализованным в качестве примера, предусмотрен корпус клапана для клапана управления флюидом. Корпус клапана содержит впускное отверстие, выпускное отверстие, проходное отверстие клапана, определенное между впускным отверстием и выпускным отверстием, и множество дискретных каналов потока, проходящих между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие, к проходному отверстию клапана. Множество дискретных каналов потока содержат: один или несколько первых каналов потока, расположенных так, чтобы направлять первое количество флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана; один или несколько вторых каналов потока, предназначенных для направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в заднюю часть проходного отверстия клапана напротив передней части; и один или несколько третьих каналов потока, предназначенных для направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям проходного отверстия клапана, проходящих между передней и задней частями. Один или несколько первых каналов потока определяют первую общую площадь потока, которая меньше, чем каждая из второй общей области потока, определенной одним или несколькими вторыми каналами потока, и третьей общей области потока, определенной одним или несколькими третьими каналами потока.
[0008] В соответствии с третьим аспектом, реализованным в качестве примера, предусмотрен клапан управления флюидом, работающий в условиях запертого потока. Управляющий клапан содержит корпус клапана, определяющий впускное отверстие, выпускное отверстие и проходное отверстие клапана между впускным отверстием и выпускным отверстием. Управляющий клапан также содержит множество дискретных каналов потока, проходящих между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие к проходному отверстию клапана. Множество дискретных каналов потока содержит: один или несколько первых каналов потока, расположенных так, чтобы направлять первое количество флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана; один или несколько вторых каналов, предназначенных для направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к задней части проходного отверстия клапана напротив передней части; и один или несколько третьих каналов, предназначенных для направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям проходного отверстия клапана, проходящим между передней и задней частями.
[0009] В соответствии с любым одним или несколькими из вышеупомянутых первого, второго или третьего аспектов, реализованных в качестве примера, корпус клапана или клапан управления флюида может содержать любую одну или несколько из следующих дополнительных предпочтительных форм.
[0010] В одной предпочтительной форме множество дискретных каналов потока образовано как одно целое между впускным отверстием и проходным отверстием клапана.
[0011] В другой предпочтительной форме множество дискретных каналов потока образовано как одно целое между впускным отверстием и проходным отверстием клапана.
[0012] В другой предпочтительной форме множество дискретных каналов потока содержит один первый канал потока, два вторых канала потока и два третьих канала потока.
[0013] В другой предпочтительной форме два третьих канала потока направляют флюид, проходящий через впускное отверстие, к боковым частям проходного отверстия клапана соответственно.
[0014] В другой предпочтительной форме впускное отверстие ориентировано вдоль оси впуска, а выпускное отверстие ориентировано вдоль оси выпуска, по существу перпендикулярной оси впуска.
[0015] В другой предпочтительной форме вблизи проходного отверстия клапана каждый из множества отдельных каналов потока ориентирован под углом от приблизительно 15 градусов до приблизительно 45 градусов относительно проходного отверстия клапана.
[0016] В другой предпочтительной форме проточная часть клапана расположен в корпусе клапана, проточная часть клапана содержит седло клапана и держатель седла, седло клапана определяет проходное отверстие клапана, держатель седла находится напротив седла клапана, чтобы удерживать седло клапана в позиции. При этом держатель седла содержит сходящуюся поверхность, которая направляет флюид к проходному отверстию клапана.
[0017] В другой предпочтительной форме проточная часть клапана дополнительно содержит плунжер клапана, подвижно расположенный в держателе седла относительно седла клапана, для управления потоком флюида через корпус клапана, причем плунжер клапана содержит сходящуюся поверхность.
Краткое описание графических материалов
[0018] На фиг. 1 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе обычного управляющего клапана, который работает в условиях запертого потока.
[0019] На фиг. 2 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе проходного отверстия клапана обычного управляющего клапана, проиллюстрированного на фиг. 1.
[0020] На фиг. 3 проиллюстрирован вид в перспективе одного примера клапана для управления потоком флюида, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0021] На фиг. 4 проиллюстрировано поперечное сечение управляющего клапана, проиллюстрированного на фиг. 3, демонстрирующего часть корпуса клапана и проточная часть клапана, расположенная в корпусе клапана.
[0022] На фиг. 5 проиллюстрирован вид спереди держателя седла проточной части клапана, проиллюстрированной на фиг. 4.
[0023] На фиг. 6 проиллюстрирован вид сзади держателя седла, проиллюстрированного на фиг. 5.
[0024] На фиг. 7 проиллюстрирован вид сверху с впускного отверстия управляющего клапана, проиллюстрированного на фиг. 3, демонстрирующий множество дискретных каналов потока, сформированных в корпусе клапана.
[0025] На фиг. 8 проиллюстрирован частичный вид в разрезе части управляющего клапана, проиллюстрированного на фиг. 3, демонстрирующий множество дискретных каналов потока.
[0026] На фиг. 9 проиллюстрирован вид в перспективе в разрезе части управляющего клапана, проиллюстрированного на фиг. 3, демонстрирующий множество отдельных каналов потока, но с держателем седла, удаленным для ясности.
[0027] На фиг. 10 проиллюстрирован вид сверху по фиг. 9.
[0028] На фиг. 11 проиллюстрирована вычислительная динамика флюида (cfd - «computational fluid dynamics»), анализ потока жидкости через множество дискретных каналов потока.
[0029] На фиг. 12 проиллюстрирован вид в перспективе другого примера управляющего клапана, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения, причем управляющий клапан содержит корпус клапана, который предусматривает множество дискретных каналов потока.
[0030] На фиг. 13 проиллюстрирован управляющий клапан по фиг. 12, но содержащий компоненты управляющего клапана, за исключением множества дискретных каналов потока и плунжера клапана проточной части управляющего клапана, проиллюстрированного в общих чертах.
[0031] На фиг. 14 проиллюстрирован вид сверху устройства, проиллюстрированного на фиг. 13.
[0032] На фиг. 15 проиллюстрирован вид по фиг. 13 от впускного отверстия управляющего клапана.
[0033] На фиг. 16 проиллюстрирован вид поперечного сечения управляющего клапана, демонстрирующий части множества отдельных каналов потока.
[0034] На фиг. 17 проиллюстрированы результаты анализа cfd потока флюида через множество дискретных каналов потока.
Подробное описание сущности изобретения
[0035] Настоящее раскрытие направлено на усовершенствование клапана управления флюидом, который функционирует в случае запертого потока флюида и предназначен для преодоления вышеописанных проблем и других проблем с известными клапанами управления флюидом, которые работают с запертыми потоками флюида. Клапан управления флюидом согласно настоящему раскрытию содержит множество дискретных каналов потока, которые специально расположены для направления потока флюида по всему периметру проходного отверстия клапана, так что флюид равномерно распределяется (или, по меньшей мере, намного более равномерно распределяется) по направлению к проходному отверстию клапана. В результате описанный в данном документе клапан управления флюидом сводит к минимуму, если не устраняет, эффект завихрения, который в противном случае возникает во время работы, так что скорость потока по существу одинакова по всему периметру проходного отверстия клапана. В свою очередь это приводит к более сбалансированному или однородному профилю давления, так что клапан управления флюидом по настоящему изобретению может запирать поток флюида при более низком общем падении давления, чем было бы возможно с обычными управляющими клапанами, которые запирают поток флюида (например, управляющий клапан 100, описанный выше).
[0036] На фиг. 3-11 проиллюстрирован один пример устройства 300 управления потоком флюида, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения. Устройство 300 управления потоком флюида в этом примере принимает форму управляющего клапана со скользящим штоком, который предназначен для запирания потока флюида, и обычно содержит корпус клапана 304 и проточную часть клапана 308, расположенную в корпусе клапана 304. Хотя это не проиллюстрировано, устройство управления потоком флюида также содержит узел крышки, соединенный (например, прикрепленный) с корпусом клапана 304. Узел крышки, как известно в данной области техники, может содержать уплотнение клапана, одно или несколько уплотнительных колец и один или несколько уплотнительных фланцев.
[0037] Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 3 и 4, корпус клапана 304 определяет впускное отверстие 312, выпускное отверстие 316 и проходное отверстие клапана 320, которое проходит между впускным отверстием 312 и выпускным отверстием 316 и обеспечивает их гидравлическую связь. В этом примере впускное отверстие 312 ориентировано вдоль оси впуска 324 (см. Фиг. 4), а выпускное отверстие 316 ориентировано вдоль оси выпуска 328, по существу, перпендикулярной оси впуска 324 (см. Фиг. 4). Однако в других примерах это не обязательно должно иметь место (например, ось выпуска 328 может находиться под некоторым другим углом относительно оси впуска 324). Проходное отверстие клапана 320 в этом примере имеет по существу кольцевое или круглое поперечное сечение. Однако в других примерах проходное отверстие клапана 320 может варьироваться по размеру и/или форме (например, может иметь прямоугольное поперечное сечение).
[0038] Как проиллюстрировано на фиг. 4, проточная часть клапана 308 содержит седло клапана 332 и держатель седла 336. Седло клапана 332 в этом примере принимает форму кольца седла, имеющего кольцевую полку 344 и сходящуюся часть 348, проходящую наружу (в данном случае вниз) от кольцевой полки 344. Кольцевая полка 344 расположена напротив кольцевого плечика 352 корпуса клапана 304, так что седло клапана 332 удерживается в проходном отверстии 320. Тем временем держатель седла 336 фиксирует седло клапана 332 в положении внутри проходного отверстия клапана 320. Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 5 и 6, держатель седла 336 в этом примере содержит верхнюю часть корпуса 356, часть юбки 360, множество опор 364 и защитное кольцо 368. Верхняя часть 356 корпуса имеет цилиндрическую форму и закреплена вблизи узла крышки (опять же, не показан), который соединен с корпусом клапана 304. Часть юбки 360 проходит в осевом и радиальном направлении от верхней части корпуса 356 и по направлению к опорам 364, которые служат для соединения части юбки 360 с фиксирующим кольцом 368. Защитное кольцо 368 имеет кольцевую форму и прилегает к кольцевой полке 344 седла клапана 332, тем самым зажимая седло клапана 332 в позиции, как проиллюстрировано на фиг. 4.
[0039] Как также проиллюстрировано на фиг. 4, проточная часть клапана 308 также содержит элемент управления потоком флюида, который в этом примере принимает форму плунжера клапана 372. В этом примере плунжер клапана 372 имеет по существу цилиндрическую первую часть 376, вторую часть 380, которая проходит наружу (в данном случае вниз) от первой части 376 и сходится или сужается к точке 382, и посадочную поверхность 384, определенную как пересечение первой и второй частей 376, 380. Проход 388 образован через центральную часть плунжера клапана 372, так что плунжер клапана 372 «сбалансирован». Плунжер клапана 372 расположена с возможностью перемещения внутри держателя 336 относительно седла клапана 332 и вдоль продольной оси 390 (которая соосна с осью выпуска 328) для управления потоком флюида через проходное отверстие клапана 320 (и, более того как правило корпус клапана 304). Хотя это не проиллюстрировано, плунжер клапана 372 соединен с одним концом штока клапана, расположенного в узле крышки и частично расположенного в корпусе клапана 304. Другой конец штока клапана (снова не проиллюстрирован) соединен с приводом, например электрическим приводом, так что привод управляет перемещением плунжера клапана 372 (через шток клапана). Соответственно плунжер клапана 372 может перемещаться между закрытым положением, при этом посадочная поверхность 384 плунжера клапана 372 герметично входит в зацепление с частью седла клапана 332 (например, с частью сходящейся части 348), тем самым предотвращая протекание флюида через проходное отверстие клапана 320 и открытое положение, в котором посадочная поверхность 374 плунжера клапана 372 отстоит от этой части седла клапана 332, тем самым позволяя флюиду протекать через проходное отверстие клапана 320.
[0040] Обращаясь конкретно к фиг. 4 и 7-11, корпус клапана 304 также содержит множество дискретных каналов потока 400, которые расположены между впускным отверстием 312 и проходным отверстием клапана 320, чтобы способствовать по существу равномерному распределению потока флюида в пропускное отверстие клапана 320. Корпус клапана 304 в этом примере содержит пять (5) отдельных каналов потока 400a-400e, которые также могут называться лопатками, определяемыми или сформированными различными частями корпуса клапана 304, в том числе боковую стенку 404, пару разнесенных продольных стенки 408 и множество ребер 412а, 412в и 412с, каждое из которых расположена между впускным отверстием 312 и проходным отверстием 320 клапана. В других примерах корпус клапана 304 может содержать больше или меньше дискретных каналов потока (например, три канала потока, семь каналов потока, девять каналов потока), и/или каналы потока могут быть определены или сформированы по-разному (например, различными признаками, различные комбинации функций).
[0041] Боковая стенка 404 проходит в направлении, параллельном оси впускного отверстия 324 и продольной оси 390, тогда как продольные стенки 408 пересекают боковую стенку 404 и, как таковые, проходят в направлении, параллельном оси выпускного отверстия 328 и продольной оси 390. Ребра 412а, 412в и 412с выступают радиально внутрь от корпуса клапана 304 в направлении к проходному отверстию клапана 320. Более конкретно, ребра 412a и 412b выступают радиально внутрь от корпуса клапана 304 к противоположным боковым частям 416a, 416b периметра проходного отверстия клапана 320, в то время как ребро 412c расположено между ребрами 412a, 412b и выступает радиально внутрь от корпуса 304 клапана в направлении задней части 416c периметра проходного отверстия клапана 320. В результате ребра 412а, 412в и 412с разнесены по окружности по периметру проходного отверстия клапана 320 и плунжера клапана 372.
[0042] Понятно, что в этом примере очерченные дуговые участки кольцевого проходного отверстия клапана 320, проиллюстрированные на фиг. 10, формируют боковую, заднюю и переднюю части 416a-416d проходного отверстия клапана 320. Однако в других примерах боковая, задняя и передняя части проходного отверстия клапана 320 могут относиться к другим частям проходного отверстия клапана 320 и/или могут отличаться по форме и/или размеру. В качестве примера, задняя часть 416c может относиться к дуге, которая составляет четверть периметра проходного отверстия клапана 320.
[0043] Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 4 и 7-11, первый, четвертый и пятый дискретные каналы потока 400a, 400d и 400e определяются или сформированы нижней стороной 420 стенки 404 (нижняя сторона 420 обращена к выпускному отверстию 316), тогда как второй и третий дискретные каналы потока 400в, 400с определены или сформированы верхней стороной 424 стенки 404, противоположной нижней стороне 420. Более конкретно, (i) первый канал потока 400a определен между нижней стороной 420 стенки 404 и внутренними сторонами 428 двух продольных стенок 408, соответственно, (ii) второй канал потока 400b определен верхней стороной 424 стенки 404, ребро 412a и ребро 412c и между ними, (iii) третий канал потока 400c, хотя и несколько трудно различимый, определяется верхней стороной 424 стенки 404 и ребром 412b, и между ними и ребром 412c, (iv) четвертый канал потока 400d ограничен нижней стороной 420 стенки 404 и между ней, внешней стороной 432 одной из продольных стенок 408 и ребром 412a, и (v) пятый канал потока 400е ограничен нижней стороной 420 стенки 404, внешней стороной 432 другой из продольных стенок 408 и ребром 412в.
[0044] Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 4 и 11, концевые части каждого из каналов потока 400a-400e (то есть части каналов потока 400a-400e, расположенные рядом с проходным отверстием клапана 320), могут быть ориентированы под углом менее 90 градусов относительно проходного отверстия клапана 320 (в частности, горловина 392 проходного отверстия клапана 320). В некоторых случаях концевые части каждого из каналов потока 400a-400e могут находиться по существу на одной линии или параллельно с проходным отверстием клапана 320 и, более конкретно, с горловиной 392 проходного отверстия клапана 320. В других случаях, таких как проиллюстрировано на фиг. 4, каналы потока 400a-400e могут быть, например, ориентированными под углом 5 градусов, 10 градусов, 20 градусов, 30 градусов, 40 градусов, 50 градусов, 60 градусов, 70 градусов, 80 градусов, некоторые другие углы меньше чем 90 градусов или любой диапазон углов между любыми из этих углов относительно проходного отверстия клапана 320. В любом случае, ориентация концевых частей каналов потока 400a-400e описанным способом помогает гарантировать, что высокоскоростной флюид, приближающийся и входящий в проходное отверстие клапана 320, не подвергается поворотам на 90 градусов, приводящим к падению давления (и к потере энергии).
[0045] Как обсуждалось выше и со ссылкой на фиг. 5 и 6, проточный узел клапана 308 в этом примере содержит держатель седла 336, который имеет в соответствующей части часть юбки 360, множество опор 364 и защитное кольцо 368. Держатель седла 336 в этом примере также содержит пять окон 436a-436e, которые обычно имеют размеры и форму, соответствующие поперечному сечению пяти отдельных каналов потока 400a-400e, соответственно. В других примерах, например, когда корпус клапана 304 содержит больше или меньше пяти каналов, держатель седла 336 может содержать больше или меньше окон. Как проиллюстрировано, окна 436a-436e ограничены частью юбки 360 и находятся между ней, соседними опорами 364 и защитным кольцом 368. Держатель седла 336 в этом примере также содержит пять направляющих поток поверхностей 440a-440e, непосредственно расположенных (в данном случае выше), соответствующих одному из пяти окон 436a-436e. В других примерах, например, когда держатель седла 336 содержит больше или меньше пяти окон, держатель седла 336 может содержать больше или меньше пяти направляющих поток поверхностей (или вообще не содержать какие-либо поверхности). Как проиллюстрировано, пять направляющих поток поверхностей 440a-440e проходят в радиальном направлении внутрь от части юбки 360 и проходят между соседними опорами 364. Пять направляющих поток поверхностей 440a-440e, как правило, ориентированы под углом менее 90 градусов относительно концевых частей каждого из каналов потока 400a-400e. В проиллюстрированном примере пять направляющих поток поверхностей 440a-440e ориентированы под углом от около 30 градусов до около 45 градусов, но в других примерах пять направляющих поток поверхностей 440a-440e могут быть ориентированы под другим углом (например, может быть, по существу, на одной линии или параллельно концевым частям каждого из каналов потока 400a-400e). Следовательно, когда держатель седла 336 посажен в корпусе клапана 304 таким образом, что окна 436a-436e держателя 336 по существу выровнены с каналами потока 400a-400e, соответственно пять направляющих поверхностей 440a-440e потока расположены так, чтобы помочь направлять или распределять поток флюида вниз в проходное отверстие клапана 320 таким образом, чтобы способствовать более плавному распределению флюида в проходное отверстие клапана 320.
[0046] Когда клапан управления потоком флюида 300 работает, первый канал потока 400а направляет первое количество флюида, протекающего через впускное отверстие 312, через окно 436а и в переднюю часть 416d проходного отверстия клапана 320, расположенного между противоположными боковыми частями 416а, 416b, второй и третий каналы потока 400b, 400c потока направляют второе и третье количество флюида соответственно, протекающей через впускное отверстие 312 через окна 436b, 436c, соответственно, и в заднюю часть 416c проходного отверстия клапана 320, четвертый канал потока 400d направляет четвертое количество флюида, протекающего через впускное отверстие 312, через окно 436d и в первую боковую часть 416a проходного отверстия клапана 320, а пятый канал потока 400e направляет пятое количество флюида, протекающего через впускное отверстие 312, через окно 436e и на вторую боковую часть 416b проходного отверстия клапана 320, как продемонстрировано в анализе вычислительной гидродинамики cfd, проиллюстрированном на фиг. 11. Точное количество флюида, направляемого в каждую из частей 416a-416d проходного отверстия клапана 320 через каналы потока 400a-400e будет конечно варьироваться в зависимости от количества флюида, протекающего через впускное отверстие 312, и точных размеров каналов потока 400a-400e, но, вообще говоря, количество флюида, направляемого на боковые части 416a, 416b проходного отверстия клапана 320, будет равным или большим количества флюида, направляемого на переднюю часть 416d проходного отверстия 320, а количество флюида, направляемого в заднюю часть 416c проходного отверстия клапана 320, будет больше равным иди большим количества флюида, направляемого в переднюю часть 416d проходного отверстия клапана 320.
[0047] Как подтверждают результаты анализа cfd, проиллюстрированные на фиг. 11, каналы потока 400a-400e обеспечивают аналогичные, если не равные уровни ограничения потока, так что каналы потока 400a-400e по существу равномерно распределяют поток флюида по всему периметру проходного отверстия клапана 320 (или по меньшей мере более равномерно распределяет поток флюида, чем клапан потока 100 и другие известные клапаны потока). Таким образом, количество флюида, протекающего через проходное отверстие клапана 320 в или через переднюю часть 416d проходного отверстия клапана 320, меньше, чем количество флюида, протекающего через проходное отверстие клапана 320 в или через остальную часть проходного отверстия клапана 320 (т.е. Задняя и боковая части 416a-416c проходного отверстия клапана 320). В результате эффект завихрения, возникающий во время работы известного управляющего клапана 100, сводится к минимуму, если не устраняется, так что скорость потока по существу одинакова по всему периметру проходного отверстия клапана 320, что также подтверждается анализом cfd, как проиллюстрировано на фиг. 11. Это, в свою очередь, минимизирует, если не устраняет, перепад давления, который наблюдается во время работы управляющего клапана 100. Соответственно, клапан управления потоком 300, описанный в данном документе, обеспечивает или достигает более сбалансированного или однородного профиля давления, чем клапан управления 100 и другие известные клапаны управления потоком.
[0048] На фиг. 12-17 проиллюстрирован другой пример устройства управления потоком флюида 1200, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения. Устройство управления потоком флюида 1200 в данном примере аналогично устройству управления потоком флюида 300, описанному выше, в том, что оно представляет собой управляющий клапан со скользящим штоком, который может перекрывать поток флюида, и содержит корпус клапана 1204 и проточную часть клапана 1208, расположенную в корпусе клапана 1204. Однако устройство управления потоком флюида 1200 отличается от устройства управления потоком флюида 300 способами, которые будут описаны ниже.
[0049] Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 12 и 13, корпус клапана 1204 определяет впускное отверстие 1212, выпускное отверстие 1216 и проходное отверстие клапана 1220, которые идентичны впускному отверстию 312, выпускному отверстию 316 и проходному отверстию клапана 320, соответственно, как описано выше. Проточная часть клапана 1208 содержит седло клапана 1232, которое идентично седлу клапана 332, описанному выше, но не содержит по меньшей мере в этом примере держатель седла (например, держатель седла 336). Таким образом, вместо того, чтобы зажиматься на месте (как седло клапана 332), седло клапана 1232 приваривается или иным образом жестко закрепляется (например, крепится) к корпусу клапану 1204 в желаемом положении. Проточная часть клапана 1208 также содержит элемент управления потоком флюидом, который в этом примере принимает форму плунжера клапана 1272, который идентичен плунжеру клапана 372.
[0050] Со ссылкой на фиг. 12-16, корпус клапана 1204, как и корпус клапана 304, также содержит множество дискретных каналов потока 1300, которые расположены между впускным отверстием 1212 и проходным отверстием клапана 1220, чтобы способствовать по существу равномерному распределению потока флюида по направлению к проходному отверстию клапана 1220 и через него. Однако каналы дискретного потока 1300 отличаются от каналов дискретного потока 400, описанных выше. В отличие от множества дискретных каналов потока 400, которые определены или сформированы различными частями корпуса клапана, множество дискретных каналов потока 1300 являются полыми проходами, которые формируются, когда отливается корпус клапана 1204. В данном примере корпус клапана 1204 содержит пять сформированных как одно целое каналов 1300a-1300e. В других примерах корпус клапана 1204 может содержать больше или меньше каналов. Кроме того, в других примерах каналы могут быть изготовлены отдельно, например, трубчатые проходы, изготовленные из материала или использующего материал, отличный от материала, используемого для формирования корпуса клапана 1204 (например, материал, который является более теплопроводящим и/или менее восприимчивым к коррозии), а затем размещаемые в корпусе клапана 1204. В качестве примера, корпус клапана 1204 может быть изготовлен из углеродистой стали, тогда как каналы в форме трубчатых проходов могут быть изготовлены из алюминия и затем расположены в желаемом месте корпуса клапана 1204.
[0051] Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 13-15, которые демонстрируют каналы 1300a-1300e, но и также показывают в общих чертах остальные компоненты корпуса клапана 1204 (за исключением плунжера клапана 1272), чтобы более четко проиллюстрировать каналы 1300a-1300e, а на фиг. 16, на котором проиллюстрированы части каналов 1300a-1300e, расположенные вблизи проходного отверстия клапана 1220, первый канал 1300a проходит между впускным отверстием 1212 и передней частью 1516a периметра проходного отверстия 1220 (передняя часть 1516a идентична передней части отверстия 416d, описанной выше), каждый второй и третий каналы 1300b, 1300c проходят между впускным отверстием 1212 и задней частью 1516b периметра проходного отверстия клапана 1220 напротив передней части 1516a (задняя часть 1516b идентична задней части 416c, описанной выше), четвертый канал 1300d проходит между впускным отверстием 1212 и одной из боковых частей 1516c периметра проходного отверстия клапана 1220, расположенного между передней и задней частями 1516a, 1516b (боковая часть 1516c идентична боковой части 416a) и пятый канал 1300e проходит между впускным отверстием 1212 и другой боковой частью 1516d периметра проходного отверстия клапана 1220 (боковая часть 1516d идентична боковой части 416b). Понятно, что для того, чтобы попасть в проходное отверстие клапана 1220, второй и четвертый каналы 1300b, 1300d проходят через одну часть корпуса клапана 1204, в то время как третий и пятый каналы 1300c, 1300e проходят через часть корпуса клапана 1204 напротив проходного отверстия клапана 1220 из этой части.
[0052] В этом примере каждый из каналов 1300a-1300e имеет круглую форму в поперечном сечении, причем первый канал 1300a имеет площадь поперечного сечения приблизительно 1,49 кв. Дюймов (9,61 кв. См), второй канал и третий каналы 1300b, 1300c каждый из которых имеет поперечное сечение, площадь которого приблизительно равна 1,20 кв. Дюймов (7,74 кв. См), и четвертый и пятый каналы 1300d, 1300e, каждый из которых имеет площадь поперечного сечения приблизительно 0,98 кв. Дюйма (6,32 кв. См). Конечно, в других примерах форма и/или размер каналов 1300a-1300e могут изменяться для адаптации к другому количеству потока флюида. В качестве примера, каналы 1300a-1300e не должны иметь круглую форму в поперечном сечении, но вместо этого могут иметь прямоугольную, треугольную, неправильную или другую форму в поперечном сечении.
[0053] Таким образом каналы 1300a-1300e выполнены с возможностью направления потока флюида таким же образом, как каналы потока 400a-400e, когда работает клапан управления потоком флюида 1200. Более конкретно, первый канал 1300а направляет первое количество флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, в переднюю часть 1516а периметра проходного отверстия клапана 1220, второй и третий каналы 1300в, 1300с направляют второе и третье количество соответственно флюида, протекающего через впускное отверстие 1212 в заднюю часть 1516b периметра проходного отверстия клапана 1220, четвертый канал 1300d направляет четвертое количество флюида, протекающей через впускное отверстие 1212, в первую боковую часть 1516c периметра проходного отверстия клапана 1220, и пятый канал 1300e направляет пятое количество флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, во вторую боковую часть 1516d периметра проходного отверстия клапана 1220, как продемонстрировано анализом cfd, результаты которого проиллюстрированы на фиг. 17.
[0054] Вообще говоря, такая компоновка создает распределение флюида, при котором количество флюида, направляемого к боковым частям 1516с, 1516d проходного отверстия клапана 1220, равно или превышает количество флюида, направляемого к передней части 1516а проходного отверстия клапана 1220, и количество флюида, направляемого в заднюю часть 1516b проходного отверстия клапана 1220, равно или превышает количество флюида, направляемой в переднюю часть 1516a проходного отверстия клапана 1220. В этом примере, благодаря описанным выше площадям поперечного сечения, первое количество флюида (направляемого по первому каналу 1300a) равно приблизительно 24% всего флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, второе количество флюида (направляемого по второму каналу 1300b) равно приблизительно 21% от общего количества флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, третье количество флюида (направляемого по третьему каналу 1300c) также равно приблизительно 21% от общей количества флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, четвертое количество флюида (направляемое четвертым каналом 1300d) равно приблизительно 17% от всего количества флюида, протекающего через впускное отверстие 1212, и пятое количество флюида (направляемого пятым каналом 1300e) также равно приблизительно 17% от общего количества флюида, протекающего через впускное отверстие 1212. В других примерах распределение флюида по каналам 1300a-1200e может изменяться в зависимости, например, от формы и/или размера каналов потока 1300.
[0055] При этом каналы потока 1300a-1300e, подобно каналам потока 400a-400e, обеспечивают аналогичные, если не равные уровни ограничения потока, так что каналы потока 1300a-1300e применяются по существу для равномерного распределения потока флюида по всему периметру проходного отверстия клапана 1220 (или по меньшей мере более равномерно распределяют поток флюида, чем клапан потока 100 потока и другие известные клапаны запирания потока). Таким образом, количество флюида, протекающего через проходное отверстие клапана 1220 в или через переднюю часть 1516а проходного отверстия клапана 1220 меньше, чем количество флюида, протекающей через проходное отверстие клапана 1220 к в или через остальную часть проходного отверстия клапана 1220 клапана (т.е. Через заднюю и боковую части 1516a-1516c проходного отверстия 1220). В результате эффект завихрения, возникающий во время работы известного управляющего клапана 100, сводится к минимуму, если не устраняется, так что скорость потока по существу одинакова по всему периметру проходного отверстия клапана 1220 клапана, что подтверждается анализом cfd, результаты которого проиллюстрированы на фиг. 17. Это, в свою очередь, создает более сбалансированный или равномерный профиль давления. Соответственно, клапан управления флюидом 1200, описанный в данном документе, предназначен для запирания потока флюида при более низком общем падении давления, чем было бы возможно в случае с управляющим клапаном 100 и другими известными клапанами, управляющими запиранием потока.
[0056] Наконец, хотя клапаны 300, 1200 управления потоком, описанные в данном документе, могут запирать поток флюида, следует понимать, что принципы настоящего раскрытия могут применяться к клапанам управления потоком флюида, которые не запирают поток флюида.
1. Корпус клапана для клапана, управляющего потоком флюида, содержащий:
впускное отверстие, центрованное по оси впуска;
выпускное отверстие;
проходное отверстие клапана, сформированное между впускным и выпускным отверстиями;
боковую стенку, проходящую в направлении, параллельном оси впуска; и
множество дискретных каналов потока, образованных неотъемлемым образом в корпусе клапана между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, причем множество дискретных каналов потока по меньшей мере частично образовано боковой стенкой и проходит между впускным отверстием и проходным отверстием клапана для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие к проходному отверстию клапана, множество дискретных каналов потока, содержащее:
один или несколько первых каналов потока, предназначенных для направления первого количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана;
один или несколько вторых каналов потока, предназначенных для направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к задней части проходного отверстия клапана напротив передней части; и
один или несколько третьих каналов потока, предназначенных для направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям проходного отверстия клапана, проходящего между передней и задней частями отверстия,
при этом впускное отверстие имеет сходящуюся часть, а боковая стенка имеет конец, расположенный в сходящейся части впускного отверстия.
2. Корпус клапана по п. 1, отличающийся тем, что множество дискретных каналов потока содержит множество каналов, расположенных между впускным отверстием и проходным отверстием клапана.
3. Корпус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что множество дискретных каналов потока содержит один первый канал потока, два вторых канала потока и два третьих канала потока.
4. Корпус клапана по п. 3, отличающийся тем, что два третьих канала потока направляют флюид через впускное отверстие к боковым частям проходного отверстия клапана соответственно.
5. Корпус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что выпускное отверстие ориентировано вдоль оси выпуска, по существу перпендикулярной оси впуска.
6. Корпус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что рядом с проходным отверстием клапана каждый из множества отдельных каналов потока ориентирован под углом от приблизительно 15 градусов до приблизительно 45 градусов относительно отверстия клапана.
7. Корпус клапана для клапана, управляющего потоком флюида, содержащий:
впускное отверстие;
выпускное отверстие;
проходное отверстие клапана, сформированное между впускным и выпускным отверстиями; и
множество дискретных каналов потока, образованных неотъемлемым образом в корпусе клапана и проходящих между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие к проходному отверстию клапана, множество дискретных каналов потока, содержащее:
один или несколько первых каналов потока, предназначенных для направления первого количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана;
один или несколько вторых каналов потока, предназначенных для направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к задней части проходного отверстия клапана напротив передней части; и
один или несколько третьих каналов потока, предназначенных для направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям проходного отверстия клапана, находящегося между передней и задней частями,
при этом один или несколько первых каналов потока определяют первую общую площадь потока, которая меньше, чем каждая из второй общей области потока, определенной одним или несколькими вторыми каналами потока, и третьей общей области потока, определенной одним или несколькими третьими каналами потока,
причем впускное отверстие ориентировано вдоль оси впуска, а выпускное отверстие ориентировано вдоль оси выпуска, по существу перпендикулярной оси впуска,
при этом корпус клапана дополнительно содержит:
боковую стенку, проходящую в направлении, параллельном оси впуска;
пару продольных стенок, пересекающих боковую стенку и проходящих в направлении, перпендикулярном оси впуска; и
множество ребер, выступающих радиально внутрь от корпуса клапана в направлении к проходному отверстию клапана,
причем множество дискретных каналов потока образованы боковой стенкой, парой продольных стенок и множеством ребер.
8. Корпус клапана по п. 7, отличающийся тем, что множество дискретных каналов потока содержит множество каналов, расположенных между впускным отверстием и проходным отверстием клапана.
9. Корпус клапана по п. 7 или 8, отличающийся тем, что множество дискретных каналов потока содержит один первый канал потока, два вторых канала потока и два третьих канала потока.
10. Корпус клапана по п. 9, отличающийся тем, что два третьих канала потока направляют флюид через впускное отверстие к боковым частям проходного отверстия клапана соответственно.
11. Корпус клапана по любому из пп. 7-10, отличающийся тем, что проходное отверстие клапана определяет ось потока, и в то же время рядом с отверстием клапана каждый из множества отдельных каналов потока ориентирован под углом от примерно 15 градусов до примерно 45 градусов относительно пропускного отверстия клапана.
12. Клапан управления потоком флюида, содержащий:
корпус клапана, определяющий впускное отверстие, центрованное по оси впуска, выпускное отверстие и проходное отверстие клапана между впускным и выпускным отверстиями клапана;
боковую стенку, проходящую в направлении, параллельном оси впуска; и
множество дискретных каналов потока, образованных неотъемлемым образом в корпусе клапана между впускным отверстием и проходным отверстием клапана, причем множество дискретных каналов потока по меньшей мере частично образовано боковой стенкой и проходит между впускным отверстием и проходным отверстием клапана для распределения флюида, протекающего через впускное отверстие к проходному отверстию клапана, множество дискретных каналов потока, содержащее:
один или несколько первых каналов потока, предназначенных для направления первого количества флюида, протекающего через впускное отверстие, в переднюю часть проходного отверстия клапана;
один или несколько вторых каналов, выполненных с возможностью направления второго количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к задней части проходного отверстия клапана напротив передней части; и
один или несколько третьих каналов, выполненных с возможностью направления третьего количества флюида, протекающего через впускное отверстие, к одной или обеим боковым частям канала клапана, проходящим между передней и задней частями,
при этом впускное отверстие имеет сходящуюся часть, а боковая стенка имеет конец, расположенный в сходящейся части впускного отверстия.
13. Клапан управления потоком флюида по п. 12, дополнительно содержащий проточную часть клапана, расположенную в корпусе клапана, проточная часть клапана, содержащая седло клапана и держатель седла, седло клапана, определяющее проходное отверстие клапана, держатель седла, установленный напротив седла клапана для удержания седла клапана в позиции, при этом держатель седла содержит сходящуюся поверхность, которая направляет флюид к проточному отверстию клапана.
14. Клапан управления потоком флюида по п. 13, отличающийся тем, что проточная часть клапана дополнительно содержит плунжер клапана, подвижно расположенный в держателе седла относительно седла клапана, для управления потоком флюида через корпус клапана, причем плунжер клапана содержит сходящуюся поверхность.
15. Клапан управления потоком флюида по любому из пп. 12-14, отличающийся тем, что множество дискретных каналов потока содержит множество каналов, расположенных в корпусе клапана между впускным отверстием и проходным отверстием клапана.
16. Клапан управления потоком флюида по любому из пп. 12-15, отличающийся тем, что впускное отверстие ориентировано вдоль оси впуска, а выпускное отверстие ориентировано вдоль оси выпуска, по существу перпендикулярной оси впуска.
17. Клапан управления потоком флюида по п. 12, дополнительно содержащий проточную часть клапана, расположенную в корпусе клапана, проточная часть клапана, содержащая седло клапана и держатель седла, седло клапана, определяющее проходное отверстие клапана, держатель седла, установленный напротив седла клапана для удержания седла клапана в позиции, при этом держатель седла содержит множество окон, которые имеют размер и форму, соответствующие поперечному сечению множества дискретных каналов протока.
