CN101922558B - 蝶阀流动控制设备 - Google Patents

Abstract

一种使用蝶阀的控制阀组件，该蝶阀具有阀体和可在关闭位置和开启位置之间活动的阀盘。所述控制阀组件包括从所述蝶阀向下游设置的流动控制设备。所述流动控制设备包括由一系列的流动控制沟道间隔开的一系列齿，这样当阀盘从座位位置运动到全开启位置时，所述阀盘的外密封边缘超过所述系列齿以逐渐暴露所述流动控制沟道。所述控制组件帮助减小空穴现象，提供降低的动态扭矩并允许所述控制阀组件插入到流入管和流出管之间。

Description

蝶阀流动控制设备

相关申请的交叉引用

本申请是基于并要求2008年10月10日提交的美国临时专利申请序列号61/104,312的优先权。

技术领域

本公开一般涉及控制通过蝶阀的流体的流动的设备。更特别地是，本公开涉及一种流动控制设备，其能够被与蝶阀一起使用以提供该蝶阀流动特性的增强控制。

背景技术

蝶阀通常用来控制各种流体，即液流或气流的流动。蝶阀被用于节流流体流动及开启/关闭应用。典型的控制阀组件包括具有延伸通过它的通道的本体及可枢转地安装在该本体内的蝶阀叶片。该蝶形叶片特征在于为盘的形式。

当流体通过部分开启的蝶阀时，所述流体经历显著的压降。对于蝶阀，其中一个基本的问题是该压降趋向于引起气穴现象和随气穴现象引发的供液装置中的损坏和供气装置中的噪声。

在解决这些问题的尝试中，提出与蝶阀一起使用扩散器。扩散器是穿孔元件，其增加了阀开口附近的限制并将流体流分为多重射流。这对于气穴现象和噪音问题有积极的作用。如美国专利号3,960,177中所示出的，扩散器可以被整体地结合到阀构件内。虽然该结构运行良好，但是由于所述扩散器是直接被结合在阀叶片内，所以不可能在任何其他阀中使用该扩散器。另外，该类型的扩散器对于阀构件的在全开启阀位置附近提供改进的流量控制能力上有很少甚至没有效果。

美国专利号7,264,221阐明了包括附接于蝶阀本体的相对侧的一对罩的控制阀组件。虽然在专利‘221中示出的所述组件提供了比不带该罩的蝶阀的优点，但是这种类型的阀组件的重大缺陷是带罩的结合阀壳体不能在管部分之间被插入或滑动，这使所述设备在现场的安装变得困难。另外，当所述阀处于大开口位置时，专利‘221中示出的所述罩壁伸入到流体流的流动中并阻挡该流体流的流动。该类型的罩组件的使用大大地降低了所述阀的最大流量。

因此，存在对于与蝶阀一起使用的控制设备的需要，与其他类型的控制设备相比，该控制设备增强了当阀开始开启时的流动特性，还允许增加的流量。

发明内容

本公开涉及与蝶阀一起使用的控制设备以增强蝶阀的流动特性。优选地，控制设备和蝶阀的组合可以被组装并且在流入管和流出管之间滑动，以提高蝶阀的流动特性。

本发明公开的结合的阀组件包括附接于蝶阀的下游表面的控制设备。控制设备包括开口流动通路，当阀叶片从关闭的、密封状态下开启时，该流动通路接收经过蝶阀的流体的流动。

流动控制设备包括限定圆筒形开口流动通路的圆筒形内壁。内壁的下半部分包括弯曲的回归部，该回归部从内壁的下部延伸到开口通道内。弯曲回归部包括在一系列齿之间的一系列流动控制沟道。限定弯曲回归部的齿每个都包括倾斜内表面，当蝶阀叶片从密封位置运动到开启位置时，该倾斜内表面紧密地对应于蝶阀叶片的密封边缘的运动路线。

当阀开启时，叶片的外密封边缘沿每个齿的弯曲表面移动，以逐渐暴露形成在控制设备中的流动控制沟道。另外，当阀叶片转动时，外密封边缘逐渐地从每个齿的弯曲的内表面移开，以允许进一步的通过该控制设备的流动。

在替换实施例中，在每个齿之间的流动控制沟道也可以包括倾斜表面，以约束和限制流过该控制设备的流体的量。每个齿的结构及形成在控制设备中的流动控制沟道可以被选择为使得该控制设备在通过该阀组件的流体流动上的作用最大化。

当阀体和流动控制设备被结合以产生控制阀组件时，该结合的组件的上游端和下游端提供大致平坦的表面，从而该结合的组件可以被插入到一对流动管之间。特别地，该上游和下游表面是大致平坦的，以利于阀组件在流入和流出管之间的简单安装。

附图说明

附图示出了执行本发明的当前预期的最佳模式。在附图中：

图1是根据本发明公开的包括流动控制设备的控制阀组件的分解视图；

图2是沿图1中的线2-2的分解剖视图；

图3是本发明公开的蝶阀和流动控制设备的组装结合件的剖视图；

图4是沿图3中的线4-4的流动控制设备和蝶阀的端视图；

图5是本发明公开的蝶阀和流动控制设备的第二实施例的剖视图；

图6是沿图5中的线6-6的端视图；

图7是示出带流动控制设备的蝶阀的控制特性的图表，其相对于阀开启的角度绘制出流动系数CV；

图8是示出包括流动控制设备的蝶阀的初始空泡Xfz系数与传统蝶阀的该系数比较的图表；

图9是示出对于单独的蝶阀和带流动控制设备的蝶阀的动态扭矩的图表；

图10是可以与蝶阀一起使用的流动控制设备的替换实施例的分解剖视图；及

图11是蝶阀和流动控制设备在组装状态下的剖视图。

具体实施方式

图1示出了控制阀组件8，其包括控制系统，该控制系统修正传统蝶阀10的控制特性，以使得安装有控制系统的蝶阀10更紧密地接近球阀的流动特性。如图1和2所示，该蝶阀10包括从平坦上游表面14延伸到下游表面16的阀体12，并优选地由金属材料形成，如不锈钢。该阀体12限定了允许流体从上游表面14穿过该阀体12流动到下游表面16的开口通道18。该开口通道18由大致圆筒形的内壁20限定。

该蝶阀10包括由枢轴24被可旋转地定位在该开口通道18内的阀盘22。该枢轴24限定了轴线，该阀盘22可绕着该轴线在图3的关闭、密封位置和图1中示出的开启位置之间旋转。优选地，在根据本发明公开的范围内操作时，该蝶阀10既可以是三偏心蝶阀也可以是标准蝶阀。

回到图2，阀盘22包括外密封边缘26，其在蝶阀10处于关闭、密封位置时提供与内壁20的密封。

当蝶阀最初被开启时，阀盘22旋转使得它的第一外密封边缘26沿在由图3中箭头28所示方向上的运动弧线移动。当阀盘22旋转离开密封位置时，液体开始绕着在阀盘22和内圆筒形壁20之间的阀盘22的外周流动。

在图7中，虚线30示出了不带任何类型的流动控制设备的蝶阀10的流动系数Cv(在1psi压力降下每分钟的水加仑值)。虚线30示出了相对于蝶阀的开启角度来说流量相当快速的增长。

图8用点划线32表示对于蝶阀10的开口角度，传统蝶阀10的初始空泡系数Xfz。

图9接着示出了致动设备为了抵抗流体流动而开启或关闭阀所需要克服的动态扭矩。虚线34示出了蝶阀10在全关闭位置和全开启位置之间连续开启时的动态扭矩。

回到图1和2，本发明公开的该控制阀组件8包括可以与蝶阀10一起使用的流动控制设备36。该蝶阀10和该流动控制设备36的组合可以被定位在流入管38和流出管40之间。该流入管38包括限定大致平坦的连接表面44的连接法兰42。该流出管40还包括限定大致平坦的连接表面48的连接法兰46。如可以在图2中看到的，阀体12的上游表面14接触连接表面44，而流动控制设备36的平坦下游表面54接触连接表面48。

回到图1，流动控制设备36是由金属材料如不锈钢形成的大致圆筒形的元件。流动控制设备36包括在上游表面52和下游表面54之间延伸的大致圆柱形的外壁50。该控制设备36限定了从上游表面52延伸到下游表面54的开口通道56。

如图1所示，流动控制设备36包括圆筒形内壁58，该圆筒形内壁58连续地延伸过大致圆筒形的开口通道56的大约上半部分。该内壁58的下半部分包括弯曲的回归部60，该回归部60具有从内壁58的下部延伸到开口通道56内的回归表面61。如图4示出，内壁58的下半部分包括一系列流动控制沟道62，该控制通道62从弯曲的内表面64朝向内壁58(由虚线示出)径向地延伸。流动控制沟道62中的每个大致分隔开一对齿66，每个齿终止于内端部63，其结合以限定弯曲的内表面64。

现在参照图3，每个齿66包括形成回归表面61的一部分的大致弯曲的表面68(图1)。每个齿66的弯曲表面68被构造成当阀盘22在箭头28示出的方向上旋转时，下部外部密封边缘26将摆动通过由虚线70示出的运动弧线。如可以在图3中阐明的，在一个优选实施例中，虚线70表示外部密封边缘26逐渐从由单独的齿66的弯曲表面68形成的回归表面分离的路线。外密封边缘26和齿66的表面68之间的分离程度可以被设计成决定每个给定的阀盘22的行程位置所期望的流体流量的增量。因此，随着阀盘22的旋转，外密封边缘26暴露出每个流动控制沟道62增加的体积，以增加通过该控制设备36的流量。另外，外密封边缘26和每个齿66的表面68之间分离的增加允许了在阀盘和每个齿66之间流动的流体量的增加。

再次参照图3，蝶阀10和流动控制设备36可以被组装为结合的单元并被插入到流入管38和流出管40之间。特别地，蝶阀10的外壁71被接收在形成在流动控制设备36中的凹进部72内，从而该控制设备的连接唇74延伸到蝶阀10的开口通道18内。垫圈76可以被定位在蝶阀10的下游表面16和控制设备36的上游表面52之间。

虽然蝶阀10和流动控制设备36是作为可以被结合并被插入到进口管38和流出管40之间的分开的单元被示出的，但是可以预期的是流动控制设备36和该蝶阀10可以被整体地形成为单独的铸件。

如图4所示，该控制设备36的下游表面54包括一系列开口78，该开口78每个都接收连接件，用于将该控制设备36连接到蝶阀本体12上。

如图3所示，当流动控制设备36被连接到阀体12上时，该结合的组件由阀体12的大致平坦的上游表面14和控制设备36的大致平坦的下游表面54限定。因此，该结合的控制阀组件8，包括阀体12和控制设备36，可以在流入管38的连接表面44和流出管40的连接表面46之间滑动。

再次参照图4，形成在齿66之间的单独的流动控制沟道62在阀盘22沿图3示出的虚线70开启时允许流体流动通过该控制设备。该流动控制沟道62的尺寸和形状决定了流体流量并影响诱发湍流的流速水平。过滤从下游管的内部到所观测的管外部的声音的一个最好的方法是通过将管壁作为屏障使用。管壁的合成声音吸收被称为传输损失TL。如果传输损失TL可以被设置成使得声音产生的频率高于该管的振铃频率Fr，那么该传输损失TL是最有效的。该管的振铃频率Fr等于5,000/3.14D赫兹，其中D是用米表示的内管直径。峰值频率Fp由0.2Uvc/w确定，其中Uvc是射流速度(假定为333米/秒)及w是用米表示的该流动控制沟道62的宽度。归因于更高频率的额外的传输损失ΔTIfp由以下方程给定：

ΔTIfp＝7.8+20log(F_p/F_r)用分贝表示(dB)。

基于上述方程，可以看出对于有0.04D宽度的流动控制沟道62，可以期望得到8dB的声降量。这于是使得该流动控制沟道62的优选宽度w小于该管直径的4％。

该流动控制沟道62可以进一步被构造成满足一定的制造需要。例如，该流动控制沟道62的底部80可以是圆形的，如图6所示，或者是方形的，如图4所示。

回到图6，还可能期望将为了流体流动的流动控制沟道62的暴露的开始发生延迟至稍微大一些的阀行程，以获得更平缓的开启特性。在图6中示出的实施例中，在每个齿66之间的该流动控制沟道62包括流动限制壁82，该流动限制壁82从底边缘80向上延伸到该流动控制沟道内。如图5中可以看到的，当阀盘22旋转时，外密封边缘26保持与流动限制壁82的紧密接触，直到该阀盘22旋转更大程度的行程。该流动限制壁82从上游表面51延伸进入开口通道56至顶点84。该流动限制壁82接着延伸离开该开口通道56至下游表面54。

一旦该外密封边缘26越过顶点84，在各齿尖66之间的该单个流动控制沟道62暴露于流体的流动。因此，延伸到顶点84的弯曲的流动限制壁82进一步限制了通过流动控制设备36的流体的流动。

在图5示出的实施例中，蝶阀10是三偏心蝶阀。但是，在本发明公开的范围内操作时该蝶阀可以是对称的蝶阀，或是双偏心蝶阀。在任一个实施例中，该控制设备36增强了蝶阀的操作，这将在下面详细描述。

图10示出了流动控制设备100的替换实施例，该流动控制设备100可以被用来改进蝶阀102，该蝶阀102安装于流入管(未示出)和流出管40之间的合适位置上。当蝶阀102被安装在流入管和流出管之间的合适位置上时，需要有插入流动控制设备36的最小空间，如图1示出的那样。在这种状况下，可以利用图10示出的流动控制设备100。

该流动控制设备100包括从外壁106向外径向地延伸的连接法兰104。该外壁106限定出开口通道56，该流动控制设备100包括如在图2和3示出的实施例中的弯曲回归部60中的同样的齿66。但是，外壁106被定尺寸成使得该外壁106装配在流出管40的圆筒形内表面108和蝶阀102的外壁112的圆筒形内表面110内。因此，当流动控制设备100被定位在蝶阀102和流出管40之间时，唯一的额外空间要求就是连接法兰104的厚度。

在图10示出的实施例中，一对连接件114穿过流出管40的连接法兰46并穿过形成在连接法兰104中的一系列开口116。各连接件114的螺纹端被接收在有内螺纹的连接孔118内，该连接孔118形成在蝶阀102的外壁112中。在图10示出的实施例中，连接法兰104具有在1/4英寸到3/8英寸之间的厚度，从而当流动控制设备100被插入它们之间时，可以使用先前用于将流出管40固定到蝶阀102上的连接件114。

虽然未在图10中示出，但是一对弹性垫圈可以被定位在流动控制设备100的连接法兰104的相反侧上，在连接法兰104与该蝶阀102的下游表面120和其与该流出管40的连接表面48之间。该对垫圈在流动控制设备100与蝶阀102和流出管40两者之间提供补充密封。可以预期的是在本发明公开的范围内操作时可以消除该垫圈。

现在参见图11，当流动控制设备100被安装在流出管40和蝶阀102之间时，外壁106延伸到流出管40和蝶阀102两者内。蝶阀102和流出管40由连接法兰104的厚度分开。一旦该流动控制设备100被如图11中所示那样安装时，一系列的齿66提供如前述那样的流动特性。图10和11所示的实施例允许流动控制设备100被改进成现有的应用，该现有的应用已经包括安装好的蝶阀102。

现在参见图7，那里示出的是相对于阀开启的角度，流动控制插入件在流动系数上的优势的图表。在图7示出的图表中，实线86的形状代表相对于阀开启的角度的流动系数Cv。该实线86的形状示出了随着阀开启角度的增加流量的逐渐增加。对于控制目的来说，该流量的逐渐增加是优选的。示出了不带流动控制设备的蝶阀的流动特性的虚线30表示出对于较低的蝶阀的开启角度实质上有较快的流量增加。因此，该图中示出的流动控制设备36相对于不带流动控制设备的蝶阀具有提供缓和增量的优势，这对于压力或流动控制的目的来说是非常优选的。

传统蝶阀的另一缺陷是它们在相对低压降下极易产生气穴。气穴现象在包括蝶阀的管系统中导致损坏和噪音。在图8的图表中，该流动控制设备提供了较高的初始空泡系数，Xfz，其在图8中用实线88表示。初始空泡系数Xfz是工业标准化术语，其被定义为开始有气穴现象(水的汽化)的声响指示时的压力比。在不带流动控制设备的传统蝶阀中，初始空泡系数被减小，如点划线32表示，而当使用该流动控制设备时允许在不产生气穴现象的情况下压降量增加50％以上。

图9示出根据本发明公开的与蝶阀一起使用的流动控制设备的另外一个优点。如实线90所示，致动设备开启蝶阀必须克服的动态扭矩与由虚线34示出的不带流动控制设备的蝶阀相比减小了。因此，与不包括该流动控制设备的蝶阀相比，该流动控制设备的使用降低了动态扭矩。通过允许使用小得多的致动设备，动态扭矩的降低提供了很大的经济优势。

附图及上面的描述示出了本公开的当前优选实施例。但是，在不脱离本公开的范围内，可以在不脱离本发明的意图情况下作出许多的改变。例如，该控制构件可以是装置的整体部分以将密封构件保持在阀壳体内。此外，该控制构件可以通过焊接被紧固到阀壳体上或者可以是阀壳体的整体铸件部分。

Claims (14)

1.一种用于安装在流入管（38）和流出管（40）之间输送流体的控制阀组件，包括：

阀体（12），其具有从平坦的上游表面（14）延伸到下游表面（16）的开口通道（18）；

阀盘（22），其定位在该开口通道（18）中并在开启位置和关闭位置之间可转动以选择性地允许流体通过该阀体（12）的流动，所述阀盘（22）包括外密封边缘（26）；及

流动控制设备（36），

其中，所述流动控制设备（36）具有安装到该阀体（12）的下游表面（16）的上游表面（52）及平坦的下游表面（54），

所述流动控制设备（36）包括在该流动控制设备（36）的上游表面（52）和下游表面（54）之间限定出开口流动通道（56）的内壁（58），

为了修正流过该控制阀组件的流量，该流动控制设备（36）还包括多个齿（66），该多个齿（66）每个都从该内壁（58）延伸到该开口流动通道（56）内，该多个齿（66）中的每个都被流动控制沟道（62）彼此分开，并且

该多个齿（66）被定位在该内壁（58）上，从而当该阀盘（22）在该开启和关闭位置之间运动时，该阀盘（22）的外密封边缘（26）移动过该齿（66）以暴露定位在该齿之间的该流动控制沟道（62），

其特征在于，

所述流动控制设备（36）还包括形成在该多个齿（66）中的弯曲回归部（68），其中，该弯曲回归部（68）具有回归表面，当该阀盘（22）在该开启和关闭位置之间移动时，该回归表面大致对应于该阀盘（22）的外密封边缘（26）的运动弧线，并且该弯曲回归部（68）被形成为，当该阀盘（22）朝着该开启位置移动时该阀盘（22）的外密封边缘（26）从该回归表面（68）分开。

2.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于，当该阀盘（22）处于关闭位置中时，整个控制阀组件被包含在该阀体（12）的平坦上游表面（14）和该流动控制设备（36）的平坦下游表面（54）之间，从而该流动控制设备（36）可以在该流入管（38）和该流出管（40）之间滑动。

3.如权利要求1或2所述的控制阀组件，其特征在于，该流动控制沟道（62）中的每个包括流动限制壁（82），该流动限制壁（82）离开外壁延伸进入该流动控制沟道（62）从该流动控制设备（36）的该上游表面（52）到顶点（84），并且朝着该外壁从该顶点（84）延伸到该流动控制设备（36）的该下游表面（54）。

4.如权利要求1或2所述的控制阀组件，其特征在于，该流动控制沟道（62）中的每个具有小于该流入管（38）直径的4％的宽度。

5.如权利要求1或2所述的控制阀组件，其特征在于，该流动控制沟道（62）被构造成在该阀盘（22）的从该关闭位置到该开启位置的至少50％的行程上提供相等百分比的阀的流量。

6.如权利要求1或2所述的控制阀组件，其特征在于，该流动控制设备（36）包括从该内壁（58）延伸的连接法兰。

7.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于，该多个齿（66）仅在该内壁（58）的下半部分上。

8.一种与蝶阀一起使用的流动控制设备，

所述蝶阀具有可在开启位置和关闭位置之间移动以允许流体流过该蝶阀的阀盘（22），

该流动控制设备（36）被构造成改进该蝶阀的流动特性，

其中，该流动控制设备（36）包括上游表面（52）和平坦下游表面（54）以及在该上游表面（52）和该下游表面（54）之间限定出开口流动通道（56）的内壁，其限定出接收来自该蝶阀的流体流动的开口通道；

一系列流动控制沟道，当该阀盘从该关闭位置移动到该开启位置时，该流体的流动通过该流动控制沟道，该流动控制设备（36）还包括多个齿（66），该多个齿（66）每个都从该内壁（58）延伸到该开口流动通道（56）内，该多个齿（66）中的每个都被流动控制沟道（62）彼此分开，

该多个齿（66）被定位在该内壁（58）上，从而当该阀盘在该开启和关闭位置之间运动时，阀盘（22）的外密封边缘（26）能移动过该齿（66）以暴露定位在该齿之间的该流动控制沟道（62），

其特征在于，

所述流动控制设备（36）还包括形成在该多个齿（66）中的弯曲回归部（68），其中，该弯曲回归部（68）具有回归表面，当该阀盘在该开启和关闭位置之间移动时，该回归表面大致对应于该阀盘（22）的外密封边缘（26）的运动弧线，但该弯曲回归部（68）被形成为，当该阀盘（22）朝着该开启位置移动时该阀盘（22）的外密封边缘（26）从该回归表面（68）分开。

9.如权利要求8所述的流动控制设备，其特征在于，该流动控制沟道（62）中的每个包括流动限制壁（82），该流动限制壁（82）离开外壁延伸进入该流动控制沟道（62）从该流动控制设备（36）的上游表面（52）到顶点（84），并且朝着该外壁从该顶点（84）延伸到该流动控制设备（36）的下游表面（54）。

10.如权利要求8或9所述的流动控制设备，其特征在于，该流动控制沟道（62）中的每个具有小于相关联的流入管（38）的直径的4％的宽度。

11.如权利要求8或9所述的流动控制设备，其特征在于，该流动控制沟道（62）被构造成在该阀盘（22）的从该关闭位置到该开启位置的至少50％的行程上提供相等百分比的阀的流量。

12.如权利要求8或9所述的流动控制设备，其特征在于，其还包括从该内壁（58）延伸的连接法兰。

13.如权利要求12所述的流动控制设备，其特征在于，该连接法兰具有比该内壁（58）的长度小的宽度。

14.如权利要求8所述的流动控制设备，其特征在于，该多个齿（66）仅在该内壁（58）的下半部分上。

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