帶傾斜的洩放孔的提升閥和用於減小其裡面壓力的方法

2023-05-22 17:59:41 1

專利名稱：帶傾斜的洩放孔的提升閥和用於減小其裡面壓力的方法
技術領域：
所公開的實施例大體上涉及壓縮機，更具體地而言，本發明涉及帶有改進的洩 放孔(purge hole)的超高壓壓縮機(hyper compressor)的提升閥。
背景技術：
那些能夠產生高達3,000巴或3000巴以上的氣體壓力級的超高壓壓縮機被廣泛 用於工業應用，包括但不局限於低密度聚乙烯或LDPE的生產。這些壓縮機的有效性能 至少部分地受到吸入和排出自動提升閥的控制。圖1顯示了一種處於打開位置的傳統 的提升閥10。如圖所示，傳統的提升閥10包括閥體11、彈簧14和閥芯導向器(poppet guide) 16，閥體11包含閥芯(poppet)或閥芯閘門(poppet shutter) 12，其配置成可打開和 關閉流入和流出超高壓壓縮機的氣體流動路徑，彈簧14配置成可將閥芯12保持在關閉位 置，閥芯導向器16包含閥芯12和彈簧14。如圖所示，當閥芯閘門12被迫打開時，形成 了從入口 18至出口 20的傳統提升閥10的流通道17 (如圖1中的若干個箭頭所標識)， 此流動路徑被位於閥芯閘門12和閥體11之間以及在閥芯導向器16和閥體11之間所形成 的空間所限定。傳統提升閥10的閥芯導向器16還包括沿著閥芯導向器16的軸線24的 排出口 22，其將閥芯導向器16的內室26連接到流動停滯區域中的流通道17上，閥芯室 26中的背壓至少部分地由在傳統提升閥10的軸線24周圍的流通道17的區域中的靜壓力 來限定。這些提升閥在用於生產LDPE的工廠中所使用的超高壓壓縮機的可靠性方面扮 演重要的角色。這種閥門的性能不僅依賴於所選擇的材料屬性和用於承受高的操作氣壓 的適當設計，而且還依賴於閥芯閘門12的固有的動態特性。閥門的正確打開和關閉受到 各種設計約束的影響，其與若干作用在閥門上的動態作用力相關，包括作用在閥芯閘門 12和閥芯導向器16上以打開閥門的阻力，該阻力是由氣體流與所提到的閥門部件相互作 用而產生的；作用在閥芯導向器16上以關閉傳統閥門10的氣體壓力，該氣體壓力是由作 用在閥芯導向器16背面上的回流壓力而產生的；與閥芯閘門12的質量相關聯的慣性力； 以及尤其由彈簧14產生的用以關閉閥門的彈簧力。 上面提到的設計約束的一個示例包括在超高壓壓縮機的活塞的吸入衝程期間需 要完全且穩定地打開閘門的要求。在這種情況下，減小的流動面積可能造成壓力損失的 增加和更高的氣體溫度，導致壓縮機效率上的損失。此外，不穩定的閘門運動還可能導 致在故障之間的維護保養時間減少，這主要是由於在移動部件和穩定部件之間的衝擊數 量增加的緣故。設計約束的另一示例涉及在活塞反向運動之前需通過復位彈簧來關閉閘 門以避免回流的要求。另外，閥芯在早期關閉期間的運動可能由於作用在與彈簧力相同 方向上的氣體阻力而被進一步加速。又一示例涉及需要將移動部件和固定部件之間的衝 擊速度保持在可容許的限度內以防止或最大限度地減少衝擊面磨損的要求，以及不必要 地增加閥門構件的衝擊強度的要求，因而增加了閥門的重量和成本。最後，設計約束的 另一示例是對粘滯現象低敏感性的要求，粘滯現象尤其是由於氣體中存在潤滑油和其它汙染物而造成的，其在相互接觸的各種表面上造成粘滯，而導致衝擊速度提高和閥門關 閉延遲。不同 的因素，例如高的氣體溫度、提早磨損、聚合物的存在或大的噪聲，都可 能是不良閥門性能的跡象，其可能導致閥門壽命的下降。三維計算流體動力學(或CFD) 已經廣泛地用於精確地模擬各種閥門操作條件下的壓力損失、阻力、壓力分布和流量系 數。基於這些模擬研究和實驗結果，已經知曉閥芯運動可與臨界性能因素關聯起來，並 可用於估算閥門壽命，並且在傳統的閥門結構中，上面提到的阻力和壓力不足以穩定地 或完全地打開閥門。因此，需要研製一種用於超高壓壓縮機的改進的提升閥，其將被更有效地打開 並保持開啟狀態，因而提高了壓縮機性能並減少了維護和停機時間。

發明內容
通過使提升閥後部分中的氣體流動加速，在洩放的閥門內室中可獲得減小的靜 壓力，從而減小作用在閥芯閘門上以導致閥門關閉的氣體壓力，減小打開閥門所需要的 沿著閥門的壓差，並使閥門的動態開度穩定。通過這樣的提升閥可解決一個或多個上面概括的要求或本領域中的其它要求， 該提升閥包括閥體；設置在閥體內部從而形成從該閥門入口至出口的流通道的閥芯導向 器；設置在閥芯導向器內部的閥芯閘門；和偏壓部件，其使閥芯閘門偏離閥芯導向器而 朝向流入口的內表面，從而阻塞流通道，閥芯導向器還包括至少一個排出孔，其使閥芯 導向器的內室與流通道的低靜壓力區域保持流體連通。在另一實施例中，根據所公開主題的提升閥包括閥體；閥芯導向器，其設置在 閥體內部從而形成從閥門入口至出口的流通道；設置在閥芯導向器內部的閥芯閘門；設 置在閥芯導向器內室中的彈簧；和傾斜的洩放流通道(purge flow passage)，其使閥芯導 向器的內室與流通道的低靜壓力區域保持流體連通。用於減小作用在提升閥的閥芯閘門上的關閉壓力的方法，也屬於本文所公開的 主題的範圍內。這些方法包括如下步驟使閥門流通道中的流動加速，從而降低位於閥 門入口和出口之間的流通道區域中的靜壓力，該流通道的一部分形成於閥芯導向器和閥 體之間；並使閥芯導向器的內室與該流通道的靜壓力減小的區域保持流體連通，從而減 小作用在閥芯內表面上的朝向閥體內表面的流體壓力。上面的概述闡述了本發明各種實施例的特徵，以便更好地理解以下的詳細說 明，並可更好地領會其對本領域的貢獻。當然，後文中將描述本發明的其它特徵，並且 其將用於所附權利要求的主題。在這方面，在詳細解釋本發明的若干實施例之前，應該懂得，本發明的各種實 施例在其應用方面並不局限於以下說明書中所陳述或圖中所示的結構細節和構件布置。 本發明能夠具有其它實施例，並能夠以各種方式來實踐和實現。另外，應該懂得，這裡 採用的用語和術語是為了描述的目的，而不應該被認為是具有限制性。因此，本領域中的技術人員應該懂得，作為本公開基礎的構思，可易於被用作 設計其它用於實現本發明的若干目的的結構、方法和/或系統的基礎。因此重要的是， 只要其不脫離本發明的精髓和範圍，權利要求就應被視為包括這類等同結構。
此外，本申請的摘要的目的是可使專利審查員和/或普通公眾、尤其本領域中不熟悉專利或法律術語或用語的科學家、工程師和專業人員可從粗略的檢查中快速地確 定本申請的技術發明公開的性質和本質。因此，摘要既不意圖限定本發明或本申請(僅 由權利要求確定)，而且也不意圖以任何方式來限制本發明的範圍。


對所公開的本發明實施例的更完整的理解和其許多伴隨的優勢將很容易獲得， 就象這些通過在結合附圖時參照以下詳細說明將變得更好理解那樣，其中圖1顯示了處於打開位置的傳統提升閥的截面圖；和圖2顯示了根據本發明公開主題的一個典型實施例的處於打開位置的提升閥的 截面圖。
具體實施例方式本文所公開的主題的實施例大體上涉及壓縮機，更具體地涉及帶有改進的洩放 孔的超高壓壓縮機的提升閥。通過使該閥門後部分中的氣體流動加速，就在閥芯導向 器的洩放的內室中形成減小的靜壓力，從而減小作用在內室上以導致閥門關閉的氣體壓 力，減小沿著閥門的以打開該閥門的壓差，並使與打開閥門相關的動態過程穩定。現在 將參照附圖描述本文所公開的提升閥的若干實施例，其中相似的標號指示全部若干視圖 中的相同或相應的部件。圖2顯示了根據所公開主題的一個典型實施例的提升閥50。如可適用的領域中 的普通技術人員所理解的那樣，提升閥50可以是吸入閥或排出閥。如圖所示，已經顯示 提升閥50處於打開位置。提升閥50包括閥體52、閘門54、閘門導向器56和彈簧58， 該彈簧58偏壓閥體52而使其偏離閘門導向器56，從而使閥芯閘門54承靠在閥體52的內 表面上。提升閥50還包括入口 58和出口 60。在操作過程中，彈簧58壓迫閘門54，使 得閘門54的表面的一部分62抵靠在閥體52的內表面64上，從而防止氣體從入口 58流 到出口 60，或反之亦然。當由入口 58中的氣體壓力施加於閘門54上的作用力高於彈簧 58的偏壓力時，閘門54被移動到打開位置，從而容許氣體通過在閘門54和閥體52之間 以及在閘門導向器56和閥體52之間形成的流通道66而從入口 58流到出口 60。還如圖2中所示，閘門導向器56包括兩個後孔68以及一個或多個排出孔70，後 孔68形成流通道66的一部分，所述一個或多個排出孔70使間門導向器56的內室72與 流通道66保持流體連通。如圖2中進一步所示，排出孔70相對於提升閥50的中心線74 是傾斜的，使得流通道66的其中流過提升閥50的氣體流動加速的那個區域連接在間門導 向器56的內室72上。因為氣體流加速通過該流動加速區域，所以減小了內室72中的靜 壓力，從而減小了作用在閘門54上而將其偏壓在閥體52的內表面64上的氣體壓力。另 夕卜，如本領域中的普通技術人員所理解的那樣，可選擇後孔68的直徑，從而控制該流動 加速區域中的流動加速度的量。具體地說，提升閥50的後孔68的直徑1) 小於圖1中所 示的傳統閥門10中的相應的孔。例如，但不應認為具限制性的是，在一特定實施例中， 提升閥50的Dit是傳統閥門10的排出口 22的直徑Dd。的66%。因而，假定提升閥50和 傳統閥門10具有相似的入口直徑，即25mm的D1,那麼對於傳統閥門10的Ddl^D1為大約0.6，而對於提升閥50的DjD1可在0.36至0.44範圍內變化，優選為0.4。另外，考慮內室72中的彈簧58的布置，確定用於傾斜的排出孔70的傾斜角度，從而保證內室72 連接在後孔68上。因此，對於剛才所述的典型的實施例，用於傾斜角度的取值範圍將在 10至25度之間，優選19度。因而圖2提升閥50的某些有利的特徵包括(1)後孔68，其帶有減小的直徑， 從而造成穿過流通道66的流在其中排出孔70將間門導向器56的內室72連接到流通道66 上的區域中得以加速，和(2)—個或多個傾斜的排出孔70，其將流通道66的後孔68連接 到閘門導向器56的內室72上。利用這些有利的特徵，可將靜壓力從流通道66的低靜壓 力位置(即流動加速的位置)「傳送」到閘門導向器56的內室72。結果減小了背壓， 並使閥門打開變得更為穩定。如上所述，通過使閥門後部分中的氣體流動加速，在閥室 內部形成減小的靜壓力，從而減小了作用在閥芯內室上以導致閥門關閉的氣體壓力，並 減小了沿著閥門的以打開閥門的壓差，並使打開閥門的動態過程穩定。考慮了流體運動和閥門動力學的CFD模擬結果已經證實了如上所述的提升閥50 的操作。用於閥門動力學的數學模型基於兩個微分方程，一個涉及針對某壓力降的經 過打開的閥門的氣體流動，另一個涉及在這些作用影響下的閘門的運動定律，這些作用 包括由於閘門質量的慣性力、阻尼力、來自復位彈簧的彈力、穿過閥門的氣體阻力， 以及在閘門行程末端閘門對固定部件的衝擊力。通過利用帶有壁積分邊界處理(wall integration boundary treatment),採用兩方程渦流粘度湍流模型(K-ω)來對用於穩流的雷 諾_平均奈維爾_斯託克斯方程(Reynolds-averaged，Navier-Stokes equation)求解，從而 可預測流體流。所公開的主題的其中一個有利的特徵是洩放孔的移位(shifting)，其容許氣體作 用力的增加。這種孔配置成可容許氣體在包含於閥芯和導向器之間的容積的進入和離 開，能夠從傳統閥門設計中的停滯區域(因此施加於閥芯背面上的壓力較高)改變為氣體 速度達到更高值的區域，因而可以降低該壓力，造成作用在閘門上的氣體作用力的分量 大於彈簧反作用力，從而導致上述好處以及本領域中的普通技術人員在理解本文所公開 的主題時將清楚的其它好處。用於減小作用在提升閥的閥芯閘門上的關閉壓力的方法，也屬於本文所公開的 主題的範圍內。這些提升閥包括閥體、閥芯導向器和偏壓部件，閥體具有中心軸線、流 入口和流出口；偏壓部件配置成可將設置在閥芯導向器內部的閥芯閘門偏壓在閥體上， 從而關閉提升閥。這些方法包括如下步驟使閥門流通道中的流動加速，從而減小流通 道區域中的靜壓力，流通道設置成可使閥體的流入口與流出口保持流體連通，流通道的 一部分形成於閥芯導向器和閥體之間；並使閥芯導向器的內室與流通道中的靜壓力減小 的區域保持流體連通，從而減小作用在閥芯閘門的內表面上的朝向閥體內表面的流體壓 力。在所公開的方法中，流通道穿過至少一個位於閥芯導向器中的孔，並且低靜壓 力區域定位於所述至少一個孔所在的流通道的一部分中。另外，保持流體連通可備選地 包括，通過至少一個設置在閥芯導向器中的排出孔而使閥芯導向器的內室與流通道的這 一部分保持流體連通。如上所述，低靜壓力區域是流動加速的區域，並且所述至少一個 排出孔相對於閥體的中心軸線是傾斜的。所述至少一個排出孔的傾斜角度可在10至25度之間變化。因而，雖然設想了所述至少一個排出孔的傾斜角度的某一範圍，但大約19 度的傾斜角度是有利的。
雖然在圖中顯示並在上面結合若干個典型實施例具體且詳細地完整描述了本文 所述主題的公開實施例，但是本領域中的普通技術人員應該明白，在實質上沒有脫離本 申請所陳述的新穎教導、原理和構思以及所附權利要求中所闡述的主題的優勢下，許多 修改、變化和省略都是可行的。因此，所公開的創新的恰當範圍應僅僅由所附權利要求 的廣泛詮釋來確定，從而包含所有這些的修改、變化和省略。另外，任何過程或方法步 驟的順序或次序可根據備選實施例而變化或重新排序。最後，在權利要求中，任何手 段-加-功能的條款都意圖涵蓋這裡所述的執行所述功能的結構，不僅是結構等同物，而 且包括等同結構。
權利要求
1.一種提升閥，其包括閥體，所述閥體具有中心軸線、流入口和流出口；閥芯導向器，其設置在所述閥體的內部，從而形成從所述流入口至所述流出口的 流通道的第一部分，所述流通道形成於所述閥體的內表面和所述閥芯導向器的外表面之 間，並且經過所述閥芯導向器中的至少一個孔；閥芯閘門，其設置在所述閥芯導向器的內部，從而形成位於所述閥芯閘門的外表面 和所述閥體的內表面之間的所述流通道的第二部分；和偏壓部件，其設置在所述閥芯導向器的內室中，所述偏壓部件配置成用於將所述閥 芯閘門向所述流入口的內表面偏壓，以阻塞流通道，其中，所述閥芯導向器還包括至少 一個排出孔，其使所述閥芯導向器的內室與所述流通道的低靜壓力區域保持流體連通。
2.根據權利要求1所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個排出孔在所述至少一個 孔處連到所述流通道。
3.根據權利要求1所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個排出孔相對於所述閥體 的中心軸線是傾斜的。
4.根據權利要求3所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個排出孔的傾斜角度在 10至25度之間變化。
5.根據權利要求4所述的提升閥，其特徵在於，所述傾斜角度大約為19度。
6.根據權利要求1所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個排出孔設置在所述閥芯 導向器中，從而減小作用在所述閥芯閘門的內表面上的朝向所述閥門入口的壓力。
7.一種用於減小作用在提升閥的閥芯閘門上的關閉壓力的方法，所述提升閥具有閥 體，所述閥體具有中心軸線、流入口和流出口，所述提升閥還包括閥芯導向器和偏壓部 件，其配置成用於將設置在所述閥芯導向器內部的閥芯閘門偏壓在所述閥體上，以關閉 所述提升閥，所述方法包括使所述閥門的流通道中的流動加速，從而減小所述流通道的某一區域中的靜壓力， 所述流通道設置成能夠使所述流入口與所述流出口保持流體連通，所述流通道的一部分 形成於所述閥芯導向器和所述閥體之間；和使所述閥芯導向器的內室與所述流通道的減小的靜壓力的區域保持流體連通，從而 減小促使所述提升閥關閉的作用在所述閥芯閘門的內表面且朝向所述閥體的內表面的流 體壓力。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述流動加速還包括，通過所述閥芯導 向器中的至少一個孔而加速流動，所述低靜壓力的區域定位在所述至少一個孔所在的所 述流通道的那部分中。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述保持流體連通包括，通過至少一個 設置在所述閥芯導向器中的排出孔而使所述閥芯導向器的內室與所述流通道的所述靜壓 力減小的區域保持流體連通。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述至少一個排出孔相對於所述閥體 的中心軸線是傾斜的。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述至少一個排出孔的傾斜角度在 10至25度之間變化。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述傾斜角度大約為19度。
13.—種提升閥，其包括閥體，所述閥體具有中心軸線、流入口和流出口；閥芯導向器，其設置在所述閥體的內部，從而形成從所述流入口至所述流出口的 流通道的第一部分，所述流通道形成於所述閥體的內表面和所述閥芯導向器的外表面之 間，並且經過所述閥芯導向器中的至少一個孔；閥芯閘門，其設置在所述閥芯導向器的內部，從而形成位於所述閥芯閘門的外表面 和所述閥體的內表面之間的所述流通道的第二部分；設置在所述閥芯導向器的內室中的彈簧，所述彈簧配置成用於將所述閥芯閘門向所 述流入口的內表面偏壓，以阻塞所述流通道；和洩放流通道，其使所述閥芯導向器的內室與所述流通道的第一部分的低靜壓力區域 在所述至少一個孔的位置處保持流體連通，所述洩放流通道相對於所述閥體的中心軸線 是傾斜的。
14.根據權利要求13所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個孔的直徑相對所述流 入口的直徑的比值在大約0.36至大約0.44的範圍內。
15.根據權利要求13所述的提升閥，其特徵在於，所述至少一個排出孔的傾斜角度在 大約10至大約25度之間變化。
全文摘要
本發明涉及帶傾斜的洩放孔的提升閥和用於減小其裡面壓力的方法。具體而言，本發明公開了一種提升閥，其包括閥體、閥芯導向器、閥芯閘門和偏壓部件，閥芯導向器設置在閥體內部，從而形成從閥門入口至出口的流通道，閥芯閘門設置在閥芯導向器的內部，偏壓部件使閥芯閘門偏離閥芯導向器而朝向流入口的內表面，從而阻塞流通道。提升閥還包括至少一個排出孔，其使閥芯導向器的內室與流通道的低靜壓力區域保持流通。本發明還公開了一種用於減小作用在提升閥的閥芯閘門上的關閉壓力的方法。
文檔編號F16K1/00GK102022549SQ200910179318
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者M·比安基尼, N·坎波, S·弗蘭奇尼 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司