改進的裙部導向閥的製作方法
2023-06-06 20:40:01
專利名稱：改進的裙部導向閥的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及控制閥，更具體地涉及具有增大流量的裙部導向(skirtguided)球形閥。
背景技術：
電站和製造廠利用程序控制裝置來控制程序中流體流量，其中「流體」包括液體，氣體或任何可以通過管道流動的混合物。那些生產消費物品或貨品如燃料、食品和布料的製造程序則需要控制閥來控制和調節流體流量。甚至一個中型的工廠可能使用數百個控制閥以控制工藝程序。控制閥已被應用一個世紀多，在這期間閥設計者已不斷地改進控制閥的操作性能。
在設計工藝程序時，該設計者面對許多設計要求和設計限制。當閥門處在全開啟的位置上時雖然閥門必須能夠提供所要求的流量，但是為了特殊的應用使閥門的主體尺寸減至最小將提供許多利益。使閥門尺寸最小化可減少閥門本身的成本，並且減少控制該閥門的致動器的成本。更重要地，一個具有較小主體的閥門可提供改進的性能和穩定性，因為較小的閥門相比較大的閥門具有較小的增益(gain)、更高的精度和較佳的柔性。除了導致程序不穩定性和其他控制系統不可靠性以外，大尺寸的閥門則需要更大頻率的閥塞運動，以便精確地控制流動流體，從而在閥門部件和閥門致動器上引起增加的磨損。因此大尺寸的閥門增加了程序的變異性。程序的變異性是很嚴重的，因為它將導致無效性，無效性會連續一天24小時，一周7天(或該程序運行在任何時候)，這將是昂貴的花費。因此，一個低成本的、小型的閥門在它可以滿足最大流量需求時就能夠提供優越的性能。
有些程序控制應用還要求閥門在兩個方向上使流量最大，通常被稱之為「雙-向流量應用」。在一個典型的雙-向閥門中設置有一個流體向上流動的垂直的部分。因此在一個方向上的流動經常被稱為向上-流動，在另一個方向上的流動則被稱之為向下-流動。在大多數應用場合中閥門的選擇要基於通過該閥門的流動方向。裙部球形閥普遍用於雙-向流動應用，因為它們能夠在使用時不用考慮流動方向。一個裙部閥塞當閥塞向上和向下滑動時通過該裙部進行支承，並且通過在閥主體中的環形閥座被導引，不管流動方向如何。在一些情況下該環形閥座起到雙重作用一是用於該閥塞裙部的支承表面，一是用於與閥塞上的密封表面匹配的密封表面。具體地說，裙部起導向作用，以當流體力在閥塞上作用一側向負荷時使閥塞穩定在閥門中。該裙部閥塞可允許閥杆減小尺寸，因為該閥塞是從兩個側端(即杆部和裙部)被支承的。
一個較小的閥杆提供了多種利益，包括為了運動閥塞所需要的作用力最小，因為在閥杆上存在很小的來自於閥杆襯墊和密封件的摩擦力。因此較小的閥杆也容易密封，因為在密封件上由於減小了的表面積存有較小的作用力。依此閥杆的尺寸最小將由於減小了的操作摩擦力而使得為了運動閥塞所需要的致動器的尺寸也減小。因而減小的摩擦還提供了改善閥塞反應時間和更佳的整體閥門性能。
一個在使用裙部球形閥時固有的問題是，該閥塞是從來不能被完全地從閥座上離開的。結果，裙部材料就妨礙了流動通路並且減小了在完全開啟狀態中的流量。除了通過減小流動通路的直徑使最大流量下降以外，裙部的阻礙作用還有在流動流體中產生旋渦、紊流和壓力梯度，其結果導致流體動力的阻力。因此，通過裙部產生的這種阻礙就妨礙了閥門產生最大的流量特性，這種情況也出現在具有同樣閥口尺寸的其他閥門類型中。
發明內容
公開了一種裙部導向控制閥，其具有更大的流量，同時保持了與較小的主體尺寸相關的最佳的控制特性。該公開的裙部控制閥當該閥處於完全開啟時提供了流線型的流動和在向上流動和向下流動中最小的流動阻力。該裙部閥具有混合(blended)的邊緣和在流動通道中被構形(contoured)的表面。更具體地說，該閥具有在裙部閥塞(skirted valve plug)和閥座上被混合的邊緣和構形的表面。
在一個具體實施例中，該裙部導向閥具有一帶裙部的閥塞，一流體進口，一流體出口和一安置在流體進口和流體出口之間的流動通道。該裙部閥塞可包括一具有第一和第二側面的蓋帽，該第一側面具有一周邊和一在該周邊上的彎曲表面，而蓋帽的第二側面被連接到一個管狀件上，其構成一具有內表面和外表面的裙部。在裙部上的外側表面提供一用於與閥座滑動接合的支承表面。在管狀件的壁內的通孔形成通道，以當裙部閥塞在開啟位置上時使通過該壁的流體流動容易、順暢。一安置在內表面和外表面之間的窗表面，具有一在與該管狀件內表面和外表面的接合處的混合邊緣。在另一個具體實施例中，一突起被安置在管狀件的內部，以使貼近閥塞流線型流動。被混合的表面和輪廓以及突起都促進了層流式流動，並且減少了閥主體中的旋渦和壓力梯度，從而使流體動力的阻力最小以及流量最大。
圖1顯示裙部導向球形閥；圖2是圖1的球形閥的裙部閥塞的透視圖；圖3是圖2的裙部閥塞的底視圖，顯示裙部邊緣的各種混合構形；圖4描述一具有與閥塞不同部分互相連接的腹板的裙部閥塞；圖5顯示在閥塞的裙部中具有相對小的穿孔的裙部閥塞；圖6描述應用一層疊的圓盤結構製成的裙部閥塞；和圖7描述圖6的閥塞一部分的放大視圖。
具體實施例方式
裙部導向球形閥已被應用在程序控制工業中數十年了。雖然裙部導向閥具有許多優點，但它們也具有嚴重的缺陷。一個缺陷是，與其他類型的閥相比減小的流量，因為在裙部導向閥中一部分的閥塞從來也不能完全地被縮回離開閥座。在本文中公開的雙-向裙部導向球形閥已提高了流量，這是由於在閥門中為了實現流線型的、層流的流動，使表面構形和混合邊緣的結果，同時保持了與裙部導向閥通常相關聯的效率和可靠性。
圖1顯示一裙部導向球形閥2具有一閥主體4，一出口6，一進口8(當用在向上-流動的結構中時)以及一裙部閥塞10(在圖2中更詳細地表示)。出口6和進口8一般具有安裝機構如法蘭9，以將球形閥2安裝到程序系統中。出口6和進口8通過流動通道12相連接，並且裙部閥塞10可移動地安裝在流動通道12中，以控制流體通過流動通道12的流動。一環形閥座或座環14提供一導引和密封表面，用於與裙部閥塞10相接合。環形閥座和座環14具有在第一側面19上的密封表面，當裙部閥塞10處在關閉位置(未示出)時，其與閥塞密封表面18相配合。
混合的邊緣38可安置在其中該座環14終止的或與該座環14的孔相交的表面上，例如在座環14底部邊緣上。另外，混合的邊緣39可安置在例如在進口流動通道6中的用於座環14的孔和流體流動通道12的接合處。混合的邊緣38和39提供了流線型的流動，並提高了球形閥2的最大流量。閥座或座環14可以任何公知的或希望的方式以及閥座保持方法固定在閥主體4中，本文中不再描述。
裙部閥塞10包括一蓋帽30和一管狀件40。該蓋帽30具有第一表面33(在圖1中示為頂表面)和第二表面34(在圖1中示為底表面)。構成裙部閥塞10的裙部分的管狀件40連接到蓋帽30的第二表面34上。雖然管狀件40被描述為圓筒的形狀，但是它也可以從它自身去除明顯多的材料以在其中形成大的通孔17。在圖2的具體實施例中，裙部閥塞10看來更像一個「微型圓咖啡桌」，其中蓋帽30是桌頂面而裙部16則是桌子的腿。
管狀件40可以是任何其他的管狀件，例如管狀件帶有如圖5所示的許多小通孔17或者如圖6和7所示的散射型通孔17。在本文中描述的裙部閥塞通過環形閥座14被導引在閥門2中。
現參照圖1，該管狀件40的壁具有內側面或內壁表面24和一外側面或外壁表面22，其支承在環形閥座14上。在操作中，當閥塞10處在開啟位置上時流體則流動通過通孔17。窗表面20形成在外壁表面22和內壁表面24之間。一般情況，雖然不是必需地，通過通孔17的流體的至少一部分在基本平行於窗表面20的方向上流動。
在動力流動條件下，裙部閥塞10可以在環形閥座14中徑向地運動，並且裙部16可以接觸環形閥座14。當流動通過通孔17的高速流體將力矩置於閥塞10上時，環形閥座14提供用於裙部閥塞10的支承。已經發現，在邊緣上設置混合的構形，特別是設置在裙部16內側邊緣上將減小在閥塞10上的力矩量。在一典型的應用中，管狀件40的支承表面具有一外直徑，其比環形閥座14內直徑小2-6/1000英寸。在某些情況下，具有閥口直徑尺寸超過4英寸或者承受溫度超過幾百度的閥門可以要求不同的容差。這個間隙使得操作摩擦最小並且仍能提供用於裙部閥塞10的適當的徑向支承。裙部導向球形閥2可具有一平衡調整結構(其使得在閥塞每個側面上的壓力均衡，因此為了閥塞關閉需要一個減小的力)或具有一不平衡的調整結構。
圖2描述了裙部閥塞10的放大透視圖。圖1和2中相同的構件具有相同的附圖標記。一個稱之為柏努利原理的基本物理現象表示，當流動流體遇到減小的橫截面時，該流動流體的速度增加。閥塞10的窗口表面20就是這個典型的位置，在這裡流動流體具有其最大的速度。如果流體必須流經一粗糙表面或者以高速轉過一個銳利角部，那麼該流體層將會分離，產生紊流、旋渦流和壓力梯度，從而導致流體動力阻力。為了在球形閥2中減小阻力及增加流量，流動流體所遇到的橫截面的變化率是通過使閥塞的表面流線型化而被減小，具體地說在那裡呈現最大的速度。通過減小橫截面的變化率，流體動力的阻力就減小了。
窗表面20存在於管狀件40或裙部16的內表面24和外表面22之間，並被混合到內表面24和外壁表面22中，從而貼近窗表面20處提供了層流流動，這又減小了在裙部16上的作用力矩。在向上-流動的條件下，流動流體開始就遇到裙部16的底表面21。底表面21也可以被混合以使流動最佳，並且使得閥塞10的底部更加符合流體動力學。通孔17的周邊(輪廓)可構成為使得通孔17的周邊不存在任何突然的變化，或者在通孔17的周邊中不存在任何「拐角」。具體是，通孔17的周邊具有「構形的角部」以代替可測量的角度。
蓋帽30具有由周邊46限定的頂表面33。構形的表面可安置在蓋帽30的周邊46上。構形可以是半徑、斜面或任何變型的形式，只要它提供一個經過蓋帽30周邊46的流線型流動即可。所希望的是，經過蓋帽30的流體流動當它流過蓋帽30時不要過激地改變方向，例如周邊46具有銳利邊緣如直角時所要求的那樣。已經發現，蓋帽周邊46的輪廓可在向上-流動和向下-流動兩者條件下減小流體動力的阻力。
在一個具體實施例中，該蓋帽30具有在管狀件40內的突起50，以使在管狀件40內部的流體流動流線型。該突起50可以安裝得相對管狀件40基本上同軸，或者為了各種應用它可以一個非-常規的方式安裝。突起50的構形表面可實現貼近閥塞10產生層流流動，這就在管狀件40和閥門本體2中減少了旋渦、流動分離和急劇的壓力梯度。突起50可安裝在蓋帽30中，或者它也可以採用例如從該突起50到管狀件40延伸的葉片或徑向元件被安裝在管狀件40中(未示出)。
在圖3中，圖2所示的裙部閥塞10的底視圖表明了可以在管狀件40上實施的不同的混合類型。在圖1和3中相同的構件具有相同的附圖標記。雖然只表明了三個不同的混合類型，但也可以採用其他的類型，並且不應該認為這些構形限定了本發明的保護範圍。第一裙部21具有在內壁表面24和窗表面20之間的交界面上的徑向混合構形(radious blend)。第二裙部53的兩個邊緣以約60度角斜切，並且頂點(在該處兩斜切邊相交)被混合或倒圓。第三裙部54具有在內表面24和窗表面20之間的交界面上以及在外表面22和窗表面20之間的交界面上混合的邊緣。優選方式是在表面交界上製造混合構形，該混合構形比管狀件40壁的厚度大。一個具有一半徑為大於裙部壁厚度10％的混合構形已被確定其可有效地增加裙部球形閥的流量。因此該混合構形可以通過在邊緣(未示出)上安置一個斜面、斜切角或一個不規則的弧來完成，因此就可減少或避免在流動通路上的多個「銳利」角。閥塞10具有一個混合構形，其大於標準的去毛刺工序所得到的混合構形，因為當去毛刺時產生的半徑通常小於該壁材料厚度的1/10。
混合構形的任何組合都可以結合在閥塞10上。例如在窗表面20和外壁表面22之間的交界面上的混合構形，可以不同於在窗表面20和內壁表面24之間的混合構形。另外，混合構形半徑可以從表面到表面改變，並且甚至可以實質上是橢圓形。
參見圖4，腹板件52可置於裙部的內表面24和突起50之間。在圖1和4中相同的構件具有相同的附圖標記。該腹板件52可以是平面形的(未示出)或者它們可構形為描繪形。腹板件52提供了許多有用的特性，例如使裙部具有剛性並且使貼近閥塞10處的流動流線型。有利的方式是，裙部16在機械加工過程期間以及在渦流的流體流動條件下是剛性的。構形的腹板件52減小了流體動力的阻力，因為基本上在閥塞的管狀件40內的所有表面或區域都是在流動流體的直通的流動通道中。這個流體動力的設計方案消除了那些其中流動流體可能集聚、循環、滯留和產生流體動力的阻力的小凹穴或區域。
在圖5中表明的裙部閥塞10可以實現在要求最大流量和減小最大噪聲的應用中。在圖1和5中相同的構件具有相同的附圖標記。根據要求的噪聲衰減程度和希望的閥門能力，在管狀件40中通孔17的總面積可以增加或減少。在裙部閥塞10中該通孔17的數量、尺寸和形狀則將影響閥門在負荷時所發出的噪聲(音量及音調)。窗表面20的混合構形提高了裙部閥塞10的流體動力特性。另外，管狀件40的底部或裙部21的底部被混合構形，突起50被附加到閥塞10上，以提高低噪聲閥塞10的流體動力特性。
參見圖6和7，其描述了另一低噪聲的流體動力閥塞10。在圖1和6中相同的構件具有相同的附圖標記。管狀件40可設置得類似於美國專利US6,244,297中描述的疊層圓盤設計方案，其已轉讓給Fisher ControlsInternational Inc，.結合在本文中參考。不管在裙部閥塞10的管狀件40中通孔17的橫截面積如何，對於總的通孔面積，利用如在圖7中描述的混合構形和流線輪廓，就可以實現最大的流體流量。
前面所述是本發明優選實施例的詳細說明。在不脫離本發明的構思和保護範圍，可做出各種各樣的改型和增加補充。另外，這種描述僅僅意味著作為本發明的示範性的例子，而決不是限制本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種流體控制閥，包括一具有一安置在流體入口和流體出口之間的流體通道的閥主體；一在流體通道中的環形閥座；一可移動地安裝在該閥主體中的閥杆；一連接到閥杆上並且可在開啟位置和關閉位置之間移動的閥塞，該閥塞包括一具有第一和第二側面的蓋帽，所述第一側面具有第一周邊和在第一周邊上的彎曲表面，第二側面適合於當閥塞處在關閉位置上時坐靠到環形閥座上；和一連接到蓋帽第二側面上的管狀件，該管狀件具有一內表面，一外表面，其提供一用於和環形閥座滑動接合的支承表面；以及具有至少一個由安置在內表面和外表面之間的窗表面限定的通孔；該至少一個通孔允許當該閥塞處在開啟位置上時在內壁和外壁之間的流體通過，所述窗表面在與內表面的連接處具有混合的邊緣。
2.按照權利要求1的流體控制閥，其中所述窗表面在與外表面的連接處被混合構形。
3.按照權利要求1的流體控制閥，其中所述管狀件具有厚度，並且混合的邊緣具有由一半徑限定的曲率，該半徑大於管狀件壁厚度的1/10。
4.按照權利要求3的流體控制閥，其中所述管狀件具有厚度，並且混合的邊緣具有由一半徑限定的曲率，該半徑大於管狀件壁厚度的1/10。
5.按照權利要求1的流體控制閥，其中還包括一在管狀件內的突起。
6.按照權利要求5的流體控制閥，其中還包括至少一個腹板件，其將管狀件連接到突起上。
7.按照權利要求6的流體控制閥，其中至少一個腹板件是構形的表面。
8.按照權利要求1的流體控制閥，其中所述管狀件具有第三表面，其離蓋帽最遠，並且該第三表面具有混合的構形，在這裡第三表面與管狀件的內表面相交接。
9.按照權利要求1的流體控制閥，其中至少一個通孔具有橫截面積，該橫截面積具有第二周邊，該第二周邊具有半徑的構形。
10.按照權利要求1的流體控制閥，其中所述閥座還包括第一表面和第二表面，其中該第一表面具有密封表面，第二表面具有構形。
11.按照權利要求1的流體控制閥，還包括一安置在流體進口和流體出口之間的通孔，該通孔適合於接納環形閥座，並具有在流體進口和環形閥座之間的混合的邊緣。
12.一種流體控制閥，包括一具有一安置在流體入口和流體出口之間的流體通道的閥主體；一在流體通道中的環形閥座；一可移動地安裝在該閥主體中的閥杆；和一連接到閥杆上並且在開啟位置和關閉位置之間可移動的閥塞，該閥塞包括一具有第一和第二側面的蓋帽，該第一側面連接到閥杆上，該第二側面適合於當該閥塞處在關閉位置上時坐靠到環形閥座上；一在第二側面處同軸地連接到蓋帽上的管狀件，所述管狀件具有一帶有內表面和外表面的壁，以及至少一個通孔，以允許流體通過該壁流動；以及一貼近蓋帽第二側面安裝的突起。
13.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述突起伸入到管狀件中。
14.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述突起具有小於管狀件內表面直徑的最大直徑。
15.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述突起呈圓錐形狀。
16.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述通孔具有在內表面和外表面之間的窗表面，以及混合的邊緣，在此處窗表面與外側表面相交接。
17.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述突起同軸安裝到管狀件。
18.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述閥塞的底表面被混合構形。
19.按照權利要求12的流體控制閥，其中所述通孔具有在內表面和外表面之間的窗表面，以及混合的邊緣，在這裡窗表面與內表面相交接。
20.按照權利要求12的流體控制閥，其中還包括一安置在流體進口和流體出口之間的通孔，該通孔適合於接納環形閥座，並具有在流體進口和環形閥座之間混合的邊緣。
全文摘要
一種裙部導向控制閥(2)，當該閥處在開啟時，在向上流動和向下流動中提供流線型的流動和最小的流動阻力。裙部導向控制閥具有一流體進口(8)，一流體出口(6)，一安置在流體進口和流體出口之間的通道(12)，一閥座(14)和一帶有裙部(16)的閥塞(10)。閥座和閥塞的裙部包括混合的邊緣(38)和構形的表面(22)，以提供流線型流動。
文檔編號F16K47/04GK1668869SQ03816613
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月7日 優先權日2002年7月17日
發明者威廉·E·韋爾斯, 戴維·G·哈爾姆 申請人:費希爾控制國際公司