CN100380030C - 双部分的球阀 - Google Patents

Abstract

一球阀(100)具有一阀体(102)，阀体形成一内阀座和具有一流体入口和流体出口，以及一可转动地安装在内阀座内的控制球元件(30)。控制球元件(30)具有一局部的球形外表面(34)、一具有一前导边缘(36、42、44、46、48)、一邻接前导边缘的第一内控制表面(40)、以及一邻接前导边缘的第二内控制表面(38)的流道(33)，第二内控制表面(38)以一角度倾斜于第一内控制表面。

Description

双部分的球阀

相关申请

本申请要求对2003年10月17日提交的题为“双部分的球阀”的美国专利申请No.10/688,778的优先权。

技术领域

本申请涉及一球阀以及一用于这样一阀内的球元件。具体来说，该球元件具有两个前导边缘外形，其在球阀内提供双向流的特征。

背景技术

各种类型的阀门在诸如化学加工、水处理、石油精炼和流体运输的很大范围的应用中，得到广泛采用。球阀在许多这样的应用中是最为普通的选择，因为球阀在使用中既可靠又简单。一呈最简单形式的球阀包括一具有通道的外壳或阀体，该通道位于阀体的各端，它们可与承载流体的管道对齐并附连到管道上。一球具有一钻透的圆柱形流道，然后，该球置于阀体内。球可以在阀体内转动，这样，当阀内的流道与阀体内的通道和管道对齐时，流体可流过，而当贯穿球的通道横向于阀体内的通道和管道时(即，当管道仅“见”球的实心侧时)，流体不可流过。以此方式，只要简单地转动四分之一圈的球，球阀就可从完全关闭转到畅通打开的状态。这样的转动可以手动致动或通过一致动器进行致动，例如，通过一自动的计算机控制的系统发出的信号来驱动这样的致动器，或手工地调整一开关来驱动该致动器。

还为常见的做法是生产这样一球阀，其中，“球”元件只是全球的一部分。具体来说，该球可以只包括这样的足够材料，在阀处于全关闭时，阀体内的孔在阀体上游侧上完全地阻塞。一般地来说，该球部分仅在阀的上游或入口侧上，因为在流体不撞击的下游侧上不需提供一阻塞的表面。尽管球部分不需延伸回到阀的中部来提供一密封，但球部分可以形成为具有短小突出部或耳部，它们向后延伸以接纳一轴或多个轴，阀体内的球在所述轴上转动。因此，当阀打开时，球部分摆动到流道的一侧，且流体流过球部分的背侧。

尽管球阀可容易地打开或关闭，但它们也可部分地打开或部分地关闭以提供有控制的节流的流体流动。当阀完全打开时，通过阀的流道的横截面将是圆形，因为阀内的圆形流道完全地对齐于阀体内的圆形孔。当阀关闭且球内流道的侧边缘(或球部分的背侧的弧形边缘)接近阀体内的流道的侧边缘时，流体可能通过的区域从一圆形变到一橄榄球形，并然后变到一狭长的指向顶和底的垂直长条，其在中间处略现肥大。在理论上，一球阀具有相等的百分比型的控制特性，即，相等增量的球的相对转动应产生相等百分比增量的相对流量系数。然后，流道在球阀关闭时其宽度和长度的减小导致其各对应的转动程度可比阀完全打开时更快地扼流阀门。此外，由于卡诺(Carnot)效应，该小的长条可形成涡流和压降。其结果，球阀在低流量使用情况下难于提供精确的控制。

对于一控制的球阀，球的前导边缘对于每一角度转动的流体流量可具有很主要的影响，尤其是，当阀以非常小量打开时，前导边缘是流道完全阻塞时抵靠阀体关闭的边缘，且当阀打开时其面向迎流的流体流动。某些现有技术的球阀在流道或球部分的前导边缘上设置一光滑的v形槽，以改善对阀流体流动特性的控制，尤其是，在低流量情况下。也可提供其它轮廓的前导边缘，一轮廓的前导边缘可组合具有不同于前导边缘外形的轮廓的尾部边缘进行设置。然而，尽管一轮廓的前导边缘形状在低流量打开时通常提供更加可控制的响应特性，但在阀处于高流量状况时它通常会限制流体的流量。因此，希望具有一控制球阀，其提供良好的控制特性，以及良好的低流量和良好的高流量特性。

发明内容

一般来说，揭示的一球阀和一球阀控制元件是用于控制流过该阀的流体。控制元件可在其内部设置有两个控制表面，而两个部分可形成两个对于控制元件截然不同的前导边缘，那里，它们与控制元件的大致圆柱形外表面相交。

现有技术中的控制球阀的技术问题是当阀处于高流量状况时，现有技术的球元件的前导边缘限制流体流量。本发明可提供良好的低流量和良好的高流量控制特性。技术方案为：

一种控制球元件，该元件具有：

具有局部的球形外表面的球部分；

球部分上的前导边缘；

通过所述球元件的流道，该流道具有：

在球部分上且邻接前导边缘的第一内控制表面，以及

在球部分上且邻接前导边缘的第二内控制表面，其以一角度倾斜于第一内控制表面；

其中，第一内控制表面包括具有第一纵向轴线的圆柱形表面，而第二内控制表面包括具有第二纵向轴线的圆柱形表面，第一纵向轴线与第二纵向轴线成约6度和约12度之间的一角度。

在一实施例中，揭示了一球阀，其包括一阀体，阀体形成一内阀座和具有一流体入口和流体出口，以及一可转动地安装在内阀座内的控制球元件。控制球元件具有一局部的球形外表面、一通过所述球元件的流道，在所述流道的上游端上设置：一前导边缘、一邻接前导边缘的第一内控制表面，以及一邻接前导边缘的第二内控制表面，其以一角度倾斜于第一内控制表面。第一内控制表面可包括一具有第一纵向轴线的圆柱形表面，而第二内控制表面可包括一具有第二纵向轴线的圆柱形表面，第二纵向轴线可与第一纵向轴线相交成一角度，例如，约为9度的角度。前导边缘可包括一v形和在v形各侧上的对称部分，且该阀还可包括一附连到控制球元件的控制轴，以及一构造成响应于控制信号而转动控制轴的致动器。控制球元件还可包括一邻接第一内控制表面但不邻接第二内控制表面的尾部边缘，以及一对下降的耳部可设置在控制球元件上，其中，各耳部形成一圆柱形通道。此外，球阀可包括一对圆柱形的延伸部，其中，各延伸部附连到控制球元件的一对应的耳部。

在另一实施例中，揭示了一控制球元件，其包括一具有一局部的球形外表面的球部分、一位于球部分上的前导边缘、一通过所述球元件的流道，具有位于球部分上且邻接前导边缘的第一内控制表面，以及一位于球部分上且邻接前导边缘的第二内控制表面，其倾斜于第一内控制表面夹一角度。第一内控制表面可包括一具有第一纵向轴线的圆柱形表面，而第二内控制表面可包括一具有第二纵向轴线的圆柱形表面，第二纵向轴线与第一纵向轴线相交成一倾斜角度，例如，约为9度的角度。前导边缘可包括一v形和在v形各侧上的对称部分，且该球部分可包括一邻接第一内控制表面但不邻接第二内控制表面的尾部边缘。元件还可包括一对从球部分的相对侧下降的耳部。

在还有另一实施例中，揭示了一球阀元件，其包括一具有大致球形外表面的球部分、一位于球部分前边缘上并形成一顶部分中心线的顶部分、一对形成在球部分上的第一前导边缘的展开部分，该展开部分围绕顶部分中心线彼此对称，以及一对邻近于展开部分且围绕顶部分中心线彼此对称的下降部分。该对下降部分由外表面与球部分的第一内表面的相交而形成。该对展开部分可由外表面与球部分的第二内表面的相交而形成。

本发明的一个或多个实施例的细节将在下面的附图和描述中予以阐述。从详细描述和附图中以及从权利要求书中，将会明白本发明其它的特征、目的和优点。

附图说明

图1是现有技术的控制阀的球的立体图。

图2是一具有双特征的控制阀的立体图。

图3a-3c是一具有双特征的控制阀的侧视图、端视图、立体图。

图4示出一双特征球阀的剖切的立体图和端视图，图中示出处于各种转动角度的控制阀和图示处于对应转动角度的控制阀的对应的端视图。

图5示出一球阀组件的剖切图。

各附图中相同的标号表示相同的元件。

具体实施方式

图1是一现有技术的控制阀的球元件10的立体图，其示出一球元件的某些一般特征。一球部分11由位于球元件10一侧上的一厚度的材料形成。球部分11具有一大致球形凸起的外表面12，其允许控制阀元件在一阀体(未示出)内光滑地转动。当球打开时，一流道13从球部分11的一侧延伸到相对侧--上游侧到下游侧。球部分11的内表面24可呈一大致与外表面12的形式相匹配的凹入的形式，以使球部分11具有一基本上恒定的厚度。球部分11具有一前导边缘14，它是首先接触流入阀内的流体流的边缘。前导边缘14具有一呈光滑弧形的略微的弧形表面，就如具有一圆柱形钻孔的全尺寸球上的前导边缘会形成的一弧形的形状(即，该弧形是由孔形成的圆的部分)。球部分11还具有一与前导边缘14相对的尾部边缘16。尾部边缘16呈大致平的形状，在各端处带有略微的弧形锥度。一对耳部18在球部分11的各侧上向下延伸。耳部18在其底部边缘处呈大致的圆形，并形成通过中心的大致圆形轴通道22。轴通道22构造成接纳一球阀轴和一轴衬，当轴衬安装在一阀体内时，该轴衬用来转动控制球元件10。延伸部20从各耳部18围绕通道22的周缘向外延伸。这些延伸部20可与阀体内的对应形式匹配以将控制球元件10保持在一定位置上，并允许其通过一轴衬状的配件可光滑地转动。

图2是一具有双特征的控制球元件30的立体图。元件30具有一球部分32，带有一对从球部分32的各侧向下延伸的耳部52。球部分32具有一大致球形的外表面34，其在阀转动时能使球部分32在一球阀外壳或阀体内光滑地转动。外表面34围绕球部分32的侧面向下包裹到位于控制球元件30各侧上的平的台肩66。呈延伸部54形式的轴衬凸台形成通道62，从各台肩66向外延伸并可达到光滑半径60处的台肩66。各个延伸部54的顶端有一下陷58，其邻接一微小的倒角56。延伸部54的尺寸与阀体内的对应形状匹配，倒角56可使延伸部54容易地装配入对应的形状内。

一流道33延伸通过球部分32。流道33具有一轮廓的前导边缘，其有助于提供具有改进操作特性的控制球元件30。前导边缘包括多个部分，它们相对于控制球元件30的前后轴向中心线对称。从中心开始有一顶部分36，其起作一v形的倒圆点。展开的部分42从顶部分36向下和向外延伸而形成v形。展开的部分42当它们移离顶部分36时初始地可呈直线。但然后可开始略向内呈弧形。这样，前导边缘近似于标准控制球元件的形状，其中，圆柱形孔形成在球体的球内，并且可调整而提供一v形以便更好地实施低流量的操作。

展开的部分42在最远离顶部分36的展开的部分的端部处相遇于下降部分44。下降部分44继续由展开的部分42所开始的大致的弧形，但可以一略小的角度相遇于展开的部分42。该角度的形成是因为球部分在其内侧具有两个不同的控制表面。尾部边缘50遵循圆柱形孔的弧形。

一第一内表面40大致地由一通过控制球元件30的中心的圆柱形切口形成。它沿着切口的一主要部分具有一恒定的半径，因此，可以近似传统球阀的流道。第一内表面40从前到后也可显示为基本上平的。当然，如图所示，流道33的第一内表面40只是一全圆柱形的一部分并形成为一“U”形状，因为控制球元件30不包括一全球，且因为耳部52的内下部分向下笔直下降。如将会很好地理解到的，第一内表面40也可呈各种其它合适的形式。例如，表面40可在其全部的周缘上具有一变化的半径。也可从前至后呈一凹陷或凸起的形状，而不是一平的形状，视阀门所期望达到的用途而定。

一第二内表面38也形成在球部分32的内侧上。概念上来说，第二内表面38是一第二特征的切口，在第一内表面40铣切成一通过球的圆形端口之后，第二内表面铣切在球部分32的内侧上。在球向下倾斜之后，例如，从其对于第一切口的位置向下倾斜9度，该第二切口形成为一略微的v形孔。第二内表面38从前至后大致呈平的，但当其从后向前移动时其从控制球元件的中心向外呈锥形。其结果，当在第二内表面38的长度上朝向控制球元件30的中心向后移动且在第二内表面38终止之后仍保持恒定时，流道33的敞开区域减小。

前导边缘也可具有对称的部分46，其从下降部分44延伸到某些点，弧形侧向部分48从这些点向后延伸到耳部52，耳部52在其下端处具有大致平行的内边缘64。部分46基本上呈垂直且是第一内表面40的底部边缘结束的地方。各个部分36、42、44、46和48可设置有光滑的圆角，即和顺的过渡边缘，以允许阀座在阀朝向一关闭位置转动时在这些部分上光滑地移动。合起来，该双部分的设计具有两个前导边缘或两个前导边缘部分，它们可提供良好的流量和可控制特性，而不对特性有很大的损害。

控制球元件30可呈各种形式，并可从各种材料制成。例如，元件30可用不锈钢、陶瓷，或碳钢，或诸如阿维斯塔碳钢(Avesta)、哈斯特镍合金(Hastelloy)、蒙乃尔铜镍合金(Monel)、铟科镍(Iconel)、钨铬钴合金(Stellite)、合金6和合金20之类的合金制成。控制球元件30也可是镀铬的或钨铬钴合金表面的。

在一替代的实施例中，控制球元件30的尾部边缘50也可设置有双特性。例如，可选择前导边缘的参数以提供一定的流动特性，同时可选择尾部边缘的参数以提供其它的流动特性。尽管这样一结构可损害阀的最大流量能力，但可以两种不同方式安装球元件30来提供不同的特性。这样，制造商可向顾客提供附加特性的选择，而制造商不需制造和储存太多的库存，且也不需为顾客储存许多的型号。

由特定的特征切口的各种参数确定前导边缘的形状，该形状的设计可在精细步进的流量特征和流动容量之间提供一种平衡。流道33可首先优化为满足ANSI或其它合适的要求。接下来，可在公差和制造容差的许可下，确定控制球元件30和轴衬凸台的球形直径以便装配特定阀的阀体。应有足够的公差以便实施底部轴衬安装的操作。

然后，可确定球元件30的V形特征的切口角和流道33直径。前导边缘上各种点处过渡可以构造成最大程度地减小突入到阀流量流动中，并考虑到阀座干扰和重叠。(阀座重叠是球长度减去边缘的混和，在实践中，它是假定90度转动的条件下，流动关闭和全关闭位置之间的球转动量。)当阀完全打开时，球的背部不应突入到流量流动中。

对于一特定的阀门，选择合适的参数需考虑到阀座的位置和阀特性，该种选择都在具有一般技术的技术人员的能力之内。阀特性的目标可包括最大流量能力和一提供足够阀座重叠的特征的“V”轮廓，以及从全打开至全关闭的90度的致动。可被考虑的各种因素包括以下的一个或多个因素：

球部分角：增加球部分角也增加球长度和阀座重叠。对于一给定的球部分直径对球体的直径之比，存在一最大球部分角，其中，过渡变成一边缘，且增加角度还不增加球长度。

V-特征的轮廓：增加特征切口形状的轮廓(与圆形的偏离)导致切口角度和/或深度的增加并减小阀座重叠。

V-特征切口深度和角度：增加切口深度会减小阀座的重叠。如果切口太浅，则“V”轮廓将在球端口接界处截头。

球的球体直径：增加球体直径会增加阀座重叠。它还增加每一致动程度被阀座扫过的球体表面的量。一给定球长度的较大的球体直径将以较小致动程度扫过阀座。

球端口直径：增加球端口直径会切入到球体直径内并减小阀座重叠。球部分角应与V-特征切口角度/深度和阀座重叠平衡，以使圆柱形球端口在90度转动(全打开)时平行于流动流。

前导边缘混和：增加前导边缘混和长度会减小阀座重叠。混和长度和半径应导致从超过阀座组件干扰的球体球表面的一深度。

球长度：增加球长度会增加阀座重叠。球长度是从特征的v槽到球的球体半径的另一端测量的线性距离。

阀座直径：增加阀座内直径允许较高的容量和减小阀座重叠。

从阀座到杆中心线的距离：增加离杆中心线的阀座距离会间接地增加阀座重叠。为了保持阀座对球组件与一较长的阀座对中心线距离的干扰，可增加球的球体直径(增加重叠)，或可减小阀座内直径(也增加重叠)。

图3a-3c分别是图2的控制球元件30的侧视图、端视图和立体图。如图3a所示，在一对于两英寸球阀的特定实施例中，第一内表面40可设置成相对于第二内表面38交9度角。第二内表面38可形成为一切口，其垂直于一通过通道62的中心点的轴线，并在该轴线上方0.774英寸处。也可采用其它尺寸和角度，只要合适，且依据阀的尺寸而定。例如，两个切口之间的角可以是约6度和约12度之间，更为较佳地可以是约9度。

图3b示出控制球元件30的前视图，特别用实线示出前导边缘，用虚线示出尾部边缘。在此图中，在中心处可见v形，使展开部分向外和向下延伸，下降部分继续向下，而最后部分进一步向下延伸，然后向外延伸到耳部。在图3b中也可看到尾部边缘的光滑的曲率。此外，还可见一个耳部内的通道大于另一耳部内的通道，以便容纳一轴衬。然后，图3c提供一类似于图2的视图，但用实线和隐藏线的方式表示。

图4示出一处于各种转动角度的双特征球阀的剖切的立体图和端视图。各对图对一特定转动角度提供对应的视图。右手列中的视图取自左手列中所示阀的左侧，并从左手列中视图转过90度。在视图80中，球从全关闭转过5度，而在视图82中，球从全关闭转过20度，流道呈现为包括v形的控制球元件。在视图84、86中，球从全关闭转过50度。这里，可见前导边缘的大部分，前导边缘的大致的弧形较之于v形对流体流动发生较大的影响。在视图88、90中，球从全关闭转过81度，基本上，所有的控制球部分在流体流动路径之外。在视图92、94中，球从全关闭转过90度，因此呈全打开。控制球元件消失而不在流体流动的路径内，由此，呈最大的高流量特征。此外，控制球元件的第二内表面朝向阀外面略微呈锥形，这样，前导边缘略微在阀入口直径的外面，并大致地与密封环对齐。因此，从左进入视图92的阀的流体将避免滞留在控制球元件的任何唇上，否则的话，控制球元件会从密封环竖起。这样，流体将从阀入口区域更光滑地流动并通过控制球元件。

图5示出一球阀组件100的剖切的立体图。该组件100大致地包括一阀体102，其设计成接受如流动箭头所示的流体。阀体102具有一中心的中空圆柱形104，受阀100控制的流体允许流过该圆柱形104。一控制球元件106安装在中空圆柱形104内，并能转动而阻塞通过圆柱形104的流动，或允许流动通过圆柱形104。圆柱形104通常在控制球元件106的部位处略微地放大，以使控制球元件106可围绕圆柱形104的周缘形成一全密封，并当阀100打开时还可移出流体流动的路径。阀座或密封环(未示出)可设置在圆柱形104内并与控制球元件106接触，以在阀100关闭时防止流体泄漏。密封可由任何合适材料形成，包括MN-7聚合物、金属、特氟龙(Teflon)，或聚四氟乙烯(PTFE)。

控制球元件106通过控制轴108转动和被驱动，该控制轴108从控制球元件106延伸到阀体102的外面。一衬垫材料或其它密封材料可设置在控制轴108和阀体102之间，以防止流体泄漏出阀100外。如在其它附图中更清楚地示出的，控制球元件106可包括形成通道的耳部，控制轴108通过该通道而被接纳，且控制球元件106可安装在其上。尤其是，为了保持控制轴108不与流体流动干扰，控制球元件106的一个耳部可被接纳在阀体102内的一凹囊内，而另一个耳部可接纳控制轴108的一端。控制球元件106和控制轴108之间的连接可使用销或键，或花键连接。控制轴108被一致动器110驱动，致动器可以是机械的、机电的、气动的，或任何其它合适的形式。手工和/或计算机产生的信号可对致动器提供指令。致动器还可连接到一诸如局域网络那样的自动控制系统，可使用包括以太网协议在内的各种协议，它们对致动器提供控制信号，以使致动器改变控制球元件106的位置。

至此已经描述了本发明多个实施例。然而，应该理解到，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以作出各种修改。例如，控制表面可呈各种形状，控制球元件也可呈各种形状，且可不同于附图中所示，是或多或少的全球。因此，其它的实施例也落入附后权利要求书的范围之内。

Claims (12)

1.一球阀，包括：

一阀体，阀体形成一内阀座并具有一流体入口和流体出口；以及

一可转动地安装在内阀座内的控制球元件，控制球元件具有

一局部的球形外表面，

一通过所述球元件的流道，在所述流道的上游端上设置

一前导边缘，

一邻接前导边缘的第一内控制表面，以及

一邻接前导边缘的第二内控制表面，其以一角度倾斜于第一内控制表面；

其中，第一内控制表面包括一具有第一纵向轴线的圆柱形表面，而第二内控制表面包括一具有第二纵向轴线的圆柱形表面，第一纵向轴线与第二纵向轴线成6度和12度之间的一角度。

2.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，第一纵向轴线和第二纵向轴线之间的角度为9度。

3.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，前导边缘包括一v形和在v形各侧上的对称部分。

4.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，还包括一附连到控制球元件的控制轴，以及一构造成响应于控制信号而转动控制轴的致动器。

5.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，控制球元件包括一邻接第一内控制表面但不邻接第二内控制表面的尾部边缘。

6.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，还包括一对位于控制球元件上的下降的耳部，其中，各耳部形成一圆柱形通道。

7.如权利要求6所述的球阀，其特征在于，还包括一对圆柱形的延伸部，其中，各延伸部附连到控制球元件的一对应的耳部。

8.一控制球元件，包括：

一具有一局部的球形外表面的球部分；

一位于球部分上的前导边缘；以及

一通过所述球元件的流道，其具有

一位于球部分上且邻接前导边缘的第一内控制表面，以及

一位于球部分上且邻接前导边缘的第二内控制表面，其相对于第一内控制表面成一角度；

其中，第一内控制表面包括一具有第一纵向轴线的圆柱形表面，而第二内控制表面包括一具有第二纵向轴线的圆柱形表面，第一纵向轴线相对于第二纵向轴线成一在6度和12度之间的倾斜角。

9.如权利要求8所述的控制球元件，其特征在于，第一纵向轴线和第二纵向轴线之间的角度为9度。

10.如权利要求8所述的控制球元件，其特征在于，前导边缘包括一v形和在v形各侧上的对称部分。

11.如权利要求8所述的控制球元件，其特征在于，球部分包括一邻接第一内控制表面但不邻接第二内控制表面的尾部边缘。

12.如权利要求8所述的控制球元件，其特征在于，还包括一对从球部分的相对侧下降的耳部。

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