CN102156490B - 减压流体调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有壳体和包括多个耳形突起的法兰的减压流体调节器。这些突起中的每一个都包括至少一个被配置为接纳固定件的孔，使得第一和第二固定件间的圆周间距小于第二固定件和第三固定件间的圆周间距。该调节器包括具有阀座、阀盘、连接到该阀盘的阀杆以及保持该阀杆的阀导承的阀。具有连接到该阀杆的第一端和连接到隔膜的第二端的杠杆，沿与该阀杆纵轴不平行的方向对该阀杆施加力，以使该阀杆和阀导承间摩擦地接合。该阀杆包括限制该阀杆和阀盘朝向该阀座的行程的制动器。

Description

减压流体调节器

本申请是国际申请日为2004年3月29日、国际申请号为PCT/US2004/009459、进入中国国家阶段的申请号为200480008067.4、发明名称为“减压流体调节器”的PCT国际申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及调节器，更具体地说，涉及减压流体调节器。

背景技术

为控制例如油和气体管道配给系统、化学过程之类工业过程中的流体传输，经常有必要使过程流体(process fluid)以较高压力流经要求大量或高流速过程流体的配给系统或过程的各部分。随着高压过程流体流经配给系统或者过程时，过程流体的压力可在一或多个点上降低，以便以较低压力提供较少量过程流体给使用或消费该过程流体的子系统。

减压流体调节器通常用于降低和控制过程流体的压力。一般而言，减压流体调节器可通过串联地插入在流体流路中的阀来改变这种限制。以此方式，减压流体调节器可以控制流体流速和/或调节器下游出口的压力。减压流体调节器通常利用先导操作控制机构或者直接作用控制机构实现。

先导操作流体调节器通常包括具有较小表面积的先导级隔膜。该先导级隔膜通常响应于调节器输出压力，以驱动使用具有较大表面积的隔膜的第二或主控制级。主级的较大隔膜可提供启动调节器阀所需的较大压力。

直接作用流体调节器排除了先导级，以使流体输出压力通常作用在与调节器阀直接相连的单一较大隔膜上。因此，直接作用流体调节器可用在具有较小安装外壳的相对紧凑的壳体中。

通常可用的减压流体调节器包括很多种，其中每一种都可为适应不同的应用而具有不同的设计特征集合。例如，为消费者地点(比如居所或商用建筑)或者其他保管输送点处的天然气压力控制之用而设计的减压调节器，通常要求相对准确。常见的，通过为调节器配置高的比例带增益(亦即高的机械增益)即可获得高的调节器准确性。而改变某些因素可获得高的比例带增益。例如，调节器隔膜面积和杠杆比(也就是单位隔膜行程量除以单位隔膜行程所产生的阀杆和阀盘行程量)可基本上控制调节器的比例带增益。总的来讲，在调节器两侧压降给定的情况下，较大的隔膜面积可产生较大的力，由此使得杠杆比相应下降。杠杆比的下降会导致更高的调节器比例带增益，这能够提高调节器控制其输出压力的准确性。

另一方面，被设计为用作液化石油(LP)气的配给控制之用的减压流体调节器相对紧凑，这能够使此类调节器更便于安装在有限空间(例如油罐圆顶)内。准确性对于LP气应用，并非像其对于天然气应用那样重要。因此，使用较小的隔膜能使LP气调节器的安装外壳(mounting envelope)减至最小。此外，由于LP气应用中用到的减压调节器常被要求控制较大的压降，故而这些调节器的较低比例带增益有助于降低经常出现在此类应用中的不稳定问题。

因此，与不同减压调节器应用相关的不同性能要求历来都是对立的。所要求的设计权衡导致针对不同应用的不同调节器设计。例如，由于天然气调节器的安装外壳较大，故而针对在天然气系统中的使用而设计的压力调节器，通常不适于在LP气系统中使用。此外，天然气调节器相对较高的比例带增益，会使LP气应用中常见的、通常与大的压降相关的不稳定问题恶化。同样，由于较低的比例带增益，在LP气系统中的使用而设计的减压调节器，对于在天然气系统中的使用来说，通常准确性不够。

发明内容

根据一个实施例，提供一种流体调节器，包括壳体和法兰，其中法兰具有限定该法兰内部的第一半径和限定该流体调节器的安装外壳、且大于该第一半径的第二半径。该法兰可以包括多个沿圆周间隔开的突起，使得多个突起中的第一和第二突起以第一圆周间距分隔，并且多个突起中的第二突起和第三突起以大于该第一圆周间距的第二圆周间距分隔。此外，多个突起中的每一个都可以包括至少一个被配置为接纳固定件的孔，使得该法兰具有多于四个孔。

根据另一实施例，提供一种流体调节器，可以包括壳体以及设置在该壳体内的隔膜。该流体调节器还可以包括设置在该壳体内的阀。该阀可以包括：阀座、阀盘、阀杆以及被配置为保持该阀杆以使该阀盘的封接面与该阀座基本上共面的阀导承(valve guide)。该流体调节器还可以包括具有与该阀杆连接的第一端和与该隔膜连接的第二端的杠杆。该杠杆的第一端可被连接到阀杆，以沿与该阀杆纵轴不平行的方向对该阀杆施加力。

根据再另一实施例，提供一种流体调节器，包括：壳体和设置在该壳体内的隔膜。该流体调节器还可以包括设置在该壳体内的阀。该阀可以包括阀座、阀盘和阀杆。该阀杆可以包括被配置为限制该阀盘朝向该阀座的行程的制动器。

附图说明

图1是一已知直接作用减压流体调节器的横截面视图。

图2是使用作为流体调节器阀杆一部分的制动器的直接作用减压流体调节器的实例的横截面视图。

图3是另一已知直接作用减压流体调节器的局部横截面视图。

图4是使用侧向压迫流体调节器阀杆的杠杆装置的流体调节器的实例的局部横截面视图。

图5是一已知流体调节器法兰装置的平视图。

图6是另一已知流体调节器法兰装置的平视图。

图7是显示用在图6所示的流体调节器法兰装置内的珠状隔膜的方式的更详细横截面视图。

图8是具有减小的安装外壳并可与平垫圈一起使用的流体调节器法兰装置的实例。

具体实施方式

图1是一已知直接作用减压流体调节器100的横截面视图。举例来说，图1所示的直接作用减压流体调节器100可用于控制天然气的流动和/或压力。如图1所示，流体调节器100具有存在有相对高压的过程流体的过程流体入口102，以及流体调节器100向其提供处在相对低的调节压力的过程流体的流体出口104。流体调节器100包括上壳体部分106和下壳体部分108，它们在各自的法兰部分110和112处结合。

隔膜114被抓取在法兰部分110和112之间。隔膜114形成相对流体调节器100周围环境(例如大气压力)密闭的输出压力控制空腔或腔室116，且在正常操作情况下，其与上部空腔或腔室118密封。隔膜114可包括如图1中所示的圆周卷起部分120，以使隔膜114能够响应其两侧的压力变化而作实质上的线性运动。

流体调节器100包括具有阀座124的阀组件122，贯穿阀座124的通道126可使流体入口102流体地连接到流体出口104。阀组件122还包括被连接到阀杆130的阀盘128。阀导承132保持阀杆130，以便在阀杆130和阀盘128沿阀杆130的纵轴滑动时，阀盘128的封接面133与阀座124保持基本上共面关系。

杠杆134通过枢轴136固定到下壳体部分108。如图所示及如下文所更详细描述的，杠杆134的第一端138连接到阀杆130，并且杠杆134的第二端140连接到隔膜114。杠杆134还包括与阀杆130的一端144相接触的制动器(stopper)142。如下文详细描述的，制动器142可限制杠杆134围绕枢轴136的反时针旋转，并由此来限制阀杆130和阀盘128朝向阀座124的行程。

操作中，弹簧146朝向下壳体部分108偏压隔膜114，从而推动杠杆134的第二端140向下，并使杠杆134围绕枢轴136顺时针旋转。杠杆134围绕枢轴136的顺时针旋转可促使杠杆134的第一端138离开阀座124，从而使阀杆130和阀盘128从阀座124抽出。此外，制动器142与阀杆130的端144不接触。随着阀盘128与阀座124隔开或分开，通道126使流体入口102流体地连接到输出压力控制腔室116及流体出口104。因此，阀组件122被配置为处于正常开启状态。

随着加压流体进入入口102，穿过通道126并到达输出压力控制腔室116，输出压力控制腔室116中和出口104处的压力增大。随着输出压力控制腔室116中的压力增大，导致隔膜114被朝上压向弹簧146，而杠杆134的第二端140被拉向上壳体部分106。杠杆134第二端140的这种向上运动，使杠杆134围绕枢轴136逆时针旋转，并导致杠杆134的第一端138沿着阀杆130的纵轴朝向阀座124运动。在这种方式下，杠杆134的第一端138用力将阀盘128朝向阀座124推，以提高阀组件122的流体流动限制。阀122被配置成可根据阀盘128和阀座124的间隙或间隔的较小变化而提供较大的流体流速变化。因此，输出腔室116中的压力将趋向达到平衡点(对于给定的输出控制压力)，在该平衡点处，隔膜114反抗弹簧146而被驱动，从而促使杠杆134的第二端140到达输出压力腔室116中相应的固定点或位置。

为防止因输出压力腔室116中的超压(例如，过压状况)而导致阀盘128的封接面133受损(例如，凹陷或其他变形)，制动器142被配置为与阀杆130的端144相接触，以限制杠杆134围绕枢轴136的逆时针旋转。这种旋转限制可用于限制阀杆130和阀盘128沿阀杆130纵轴的运动，由此限制推动阀盘128反抗阀座124而被驱动的力。当腔室116中的输出压力超过预定最大限制时，制动器142还能确保安全阀150运转。

如图1所示，在控制点(也就是阀盘128接近阀座124的平衡点上)，杠杆134的第一端138施加在阀杆130上的力基本上平行于(例如，同轴)阀杆130的纵轴。换句话说，杠杆134的第一端138不施加任何与阀杆130的纵轴垂直的显著力(也就是说，不使阀杆130侧向压迫阀导承132)。因此，由于阀杆130和阀导承132之间的摩擦极为有限，故而阀杆130和阀盘128能够相对自由沿阀杆130的纵轴移动。这种纵向移动的自由度可由存在于杠杆134的第一端138和阀杆130的接合中的游隙或空隙合成。操作中，这种沿阀杆130纵轴的运动的自由度，能够导致阀杆130和阀盘128在控制点上的振动(以及由此影响到的输出压力)，尤其是对于要求流体调节器100两侧大压降的应用(例如，LP气控制应用)。这种振动可导致输出压力控制不足，以及诸如阀盘128和阀座124等调节器部件的过早磨损和/或失效。

图1所示的流体调节器100中的又一难点在于制动器142与杠杆134是形成为一体的。遗憾的是，与枢轴136(其连接在上壳体部分108上)的位置、杠杆134和阀杆130的尺寸有关的公差能够累积。公差累积会导致在制动器142与阀杆130的端144接触时，驱动阀盘128反抗阀座124的力的量有较大偏差。

公差累积对安全阀150的性能(例如，释放压力)也有不利影响。具体地，随着隔膜114的向上运动被制动器142所限制的点的变化，弹簧146施加在安全阀150上的预加负荷力会改变。例如，如果公差累积使得隔膜114的向上运动被阻止在更靠近上壳体106的位置，那么弹簧146施加在隔膜114以及由此而施加在安全阀150上的预加负荷力都会增大。结果，使安全阀150开启的压力增大。当然，如果公差累积使得隔膜114的向上运动被阻止在进一步离开上壳体106的位置，那么使安全阀开启的压力降低。

图2是直接作用减压流体调节器200的实例的横截面视图。总的来讲，流体调节器200在设计和操作上与图1所示的流体调节器100类似。然而，下文将详细描述流体调节器200与已知的调节器100之间的一些差异。

调节器200包括阀组件202，其具有阀座204、阀盘206、连接到阀盘206的阀杆208以及保持阀杆208以使阀盘206的封接面212与阀座204的封接面214保持基本上共面关系的阀导承210。杠杆216通过枢轴220被固定到调节器200的下壳体组件218。杠杆216具有连接到阀杆208的第一端222和连合到隔膜226的第二端224。

与图1所示的已知调节器100相比，阀杆208包括制动器228。制动器228可以整体地形成在阀杆208上，也可以是适当地固定在阀杆208上的单独部件。在任何一种情况下，制动器228都能限制阀杆208的线性行程(也就是阀杆208沿其纵轴在阀导承210内的运动)，并由此限制阀盘206朝向阀座204的线性行程以防止阀盘206的封接面212损伤(例如凹痕、切割等)。将制动器228固定到阀杆228可大幅降低公差累积效应，以便可以更精确地控制在制动点处施加到封接面212的力。此外，这种对制动点控制的改善还改进了调节器200的卸压性能。

图3是另一已知流体调节器300的局部横截面视图。流体调节器300是一种常用在LP气系统中的典型减压调节器。如图3所示，调节器300包括经过杠杆306操作地连接到隔膜304的阀组件302。该阀组件302包括阀座308和阀盘310。阀盘310被固定到由阀导承314支撑的阀杆312上。杠杆306经由销或杆316连接到阀杆312，并围绕枢轴318旋转以沿阀杆312和阀导承314的纵轴驱动阀杆312和阀盘310，并导向或离开阀座308。

采用图3所示的杠杆306和销316的已知装置，由杠杆306施加在销316上的力，以及由此而施加在阀杆312上的力，都与图中参考标号为320的箭头所代表的阀杆312的纵轴基本上平行(例如同轴)。因此，阀杆312不侧向压迫阀导承314，这使阀杆312和阀导承314间的摩擦减至最小。摩擦最小的结果是诸如销316与杠杆306间的接合之类的空隙或游隙，可使阀杆312和阀盘310在控制点上振动，尤其在调节器300正控制大压降的情况下。

图4是一种可用在诸如图2和3中分别显示的调节器200和300之类的压力调节器中的杠杆装置400的实例的局部截面图。如图4所示，杠杆402经由枢轴406连接到调节器壳体404。阀组件408包括阀座410、阀盘411和阀杆412。阀杆412包括设置在杠杆402的凹槽416内的突起414。该突起414可以是圆柱形销，或者任意其他适于经由凹槽416保持与杠杆402接合的合适形状。

如图4所示，凹槽416成形为能够使得杠杆402施加在突起414上的合力与阀杆412的纵轴不平行或不同轴。这种合力矢量举例来说如参考标号420所表示的。图4所示的凹槽416的形状被转动一角度，以使凹槽416与突起414接触的壁与阀杆412的纵轴不垂直。结果，凹槽416的壁和突起间的接触点，出现在参考标号420所示的代表合力矢量的箭头的尖端。在这种方式下，杠杆402在阀杆412上施加相当大的、与阀杆412的纵轴垂直的力(也就是合力420的与阀杆412纵轴垂直的分量)。

所施加的与阀杆412纵轴垂直的力侧向压迫阀导承418，由此增加阀杆412和阀导承418之间的摩擦力。所增加的摩擦力有助于在高压降情况下，使处在控制点处的阀杆412和阀盘411间的振动大幅下降至最低或者消除。

当然，图4所示的凹槽416仅是可用于使杠杆402在阀杆412上施加与阀杆412的纵轴不同轴或不平行的力的凹槽几何形状的一个实例。总的来说，杠杆402和突起414之间的任何一种机械接合，只要其在阀杆412上施加的合力具有与阀杆412的纵轴垂直的相当大的分量，就能够用于在阀导承418和阀杆412间产生充足的摩擦力。

此外，还可包括与图2中的制动器228相似或相同的制动器422。与制动器228类似，制动器422可限制阀杆412和阀盘411的线性行程，以防止阀座410和阀盘411损坏和/或过量磨损。

图5是典型用于为诸如图1所示调节器100的法兰部分110和112之类的压力调节器安装法兰的已知调节器体法兰装置500的平视图。如图5所示，法兰500包括具有第一半径的内表面502、具有大于该第一半径的第二半径的外表面504。因此，法兰500形成均匀的宽度(即第二半径和第一半径间的差值)的环。法兰500还包括多个沿圆周均匀间隔的孔(506表示其中之一)。换句话说，每一孔之间的圆周距离或半径角都基本相等。这些孔被配置为接纳固定件，例如螺钉、自攻螺杆或任何其他适用的固定件。

使用图5所示已知法兰装置500的配对法兰通常通过廉价平面垫圈密封在一起。遗憾的是，与图5所示法兰装置500相等的固定件间距会导致相对较大的调节器安装外壳。

图6是另一通常用于减小压力调节器的安装外壳的已知调节器法兰装置600的平视图。如图6所示，法兰装置600包括四个耳把或突起602、604、606及608。耳把602～608中每一个，都分别具有被配置为接纳诸如自攻螺钉或螺杆之类固定件的相应孔610、612、614及616。孔610和612间的距离、孔614和616间的距离与孔610和616间的距离、孔612和614间的距离相等。

尽管图6的已知法兰装置600能用于降低调节器的安装外壳，但是装置600使用的固定件较少并且它们之间的间距较大会导致大量的法兰偏移。为补偿较大的法兰偏移以防止压力泄露，法兰装置600通常包括隔膜珠状凹槽或槽620以便使用珠状隔膜。

图7是显示可利用珠状隔膜(beaded diaphragm)702密封基于图6中装置600的相对法兰704和706的方式的局部横截面视图。如图7所示，珠状隔膜702具有设置在法兰704的珠状凹槽或槽710内的珠状部分708。利用法兰704和706替换与珠状部分708相关的附加材料使得法兰704和706能够活动(例如分开)，而又不致损害隔膜珠状部分708和珠状槽710间的密封。

遗憾的是，由于较高的缺陷率和昂贵的处理步骤，珠状隔膜的造价相对较高。此外，在法兰内部形成珠状凹槽和槽(例如，图6和7分别显示的珠状槽620和710)所需的工具导致了相对昂贵的工具维护成本。特别是，在形成珠状凹槽或槽的工具的致密半径区域容易发生热应力断裂。

图8是可用在诸如图2所示的示例流体调节器200之类的流体调节器上的法兰装置800的实例的平视图。法兰装置800具有限定法兰800的内部804的第一半径802，以及限定安装外壳808的大于第一半径802的第二半径806。法兰800包括多个沿圆周间隔开的耳形突起或耳把810、812、814及816。耳把810～816分别具有相应的外部818、820、822和824，其可限定大于第二半径806的第三半径826。

耳把810～816分别包括相应的孔对828和830、832和834、836和838以及840和842。孔828～842被配置成接纳诸如螺钉、自攻螺杆之类的固定件。如图8中实例所示，孔828和830间的圆周间距与孔832和834、836和838以及840和842间的圆周间距基本上相同。此外，孔对(例如828和830)间的间距，小于例如孔830和832间的圆周间距。与图5的已知法兰装置500形成对照的是，示例的法兰装置800具有相同数目的作加强之用的固定件，但大大减小了安装外壳。此外，与图6的已知法兰装置600不同，图8的示例法兰装置800减小了安装外壳，而无需使用珠状隔膜。取而代之的是，图8的示例法兰装置800可采用相对廉价的平垫圈，这是由于与诸如图6所示的已知四螺钉法兰设计相比，其固定件间的最大间距减小了(同时保持了最小的安装外壳)，因此降低了法兰的挠曲度(flexing)。

在此公开了几种有利的流体调节器的特征。尤其是公开了与调节器成一整体的制动器。这种整体式的制动器降低了公差累积效应，从而更精确地控制阀盘向阀座移动的程度。这种对阀杆和阀盘相对于阀座的行程控制的改善，可用于明显地降低对调节器阀组件封接面造成的磨损和/或损坏，尤其是在过压状况下。此外，改善阀杆和阀盘的行程控制，还可提供对调节器安全阀操作的更精确控制。

还公开了一种使阀杆侧向压迫阀导承以增大二者间摩擦的杠杆结构。具体地讲，通过控制杠杆驱动阀杆的合力矢量，以使其具有与阀杆纵轴正交的显著分力，阀杆可在阀导承内被侧向压迫。这种侧向压迫引入了阀杆和阀导承间的受控摩擦，从而明显降低或消除阀杆和阀盘在控制点上的振动，尤其是在调节器控制着较大压降时。

进一步公开了一种具有减小安装外壳，并可使用相对廉价的平垫圈(与珠状隔膜对立)的法兰装置。所公开的法兰装置针对每个法兰耳把或突起使用多个固定件，以消除通常在已知的安装外壳减小了的法兰设计中出现的法兰挠曲问题。

在此公开的任意阀杆制动器、杠杆装置以及法兰装置，都可独立使用或按任意需要结合使用，以取得特定目的或满足特定应用。例如，所有这三项特征可结合在单个设备中，以提供既适于天然气应用又适于LP气应用的调节器产品。特别是，由于空间限制和这种应用中经常出现的高压降(其易于产生输出压力振动)，减小了安装外壳的法兰装置以及侧向受压的阀杆特征在LP气应用中尤为有利。进一步，具有这些特征的调节器还能够满足天然气应用中的控制准确度要求。具体地讲，所公开的法兰装置能够使较大的隔膜被应用，这使得能够使用较低的杠杆比。如上所谈论的，较低的杠杆比可改善比例带增益，并以此提高输出压力控制准确度。

尽管此处对某些装置进行了描述，但是本专利的覆盖范围并非局限于此。相反，本专利还覆盖了所有从文字或等价原理上确切落入所附权力要求范围之内的实施例。

Claims (9)

1.一种流体调节器，包括：

壳体；

法兰，具有限定该法兰内部的第一半径，以及大于该第一半径、限定该流体调节器安装外壳的第二半径；

其中该法兰包括多个沿圆周间隔开的突起，并且

其中所述多个突起中的每一个包括至少两个孔，每一个孔被配置为接纳对应的固定件以便与该流体调节器安装外壳接合，使得该法兰具有多于四个孔，并且位于同一个突起上的所述孔以第一圆周间距分隔，分别位于两个相邻的突起上并且彼此相邻的所述孔以第二圆周间距分隔，并且所述第一圆周间距小于所述第二圆周间距。

2.如权利要求1所述的流体调节器，其中所述突起是耳形的。

3.如权利要求1所述的流体调节器，进一步包括具有阀座、阀盘以及连接到该阀盘的阀杆的阀，其中该阀杆包括被配置为限制该阀盘朝向该阀座的行程的制动器。

4.如权利要求1所述的流体调节器，进一步包括：

阀，具有阀座、阀盘以及连接到该阀盘的阀杆；

阀导承，用于保持该阀杆以使该阀盘的封接面与该阀座保持基本上共面关系；

杠杆，具有连接到该阀杆的第一端以及连接到被设置在该流体调节器内的隔膜的第二端，其中该杠杆被连接到该阀杆以沿与该阀杆纵轴不平行的方向对该阀杆施加力。

5.如权利要求4所述的流体调节器，其中该杠杆对该阀杆施加与该阀杆纵轴基本上垂直的力。

6.如权利要求4所述的流体调节器，其中该阀杆包括突起，并且该杠杆的第一端包括被配置为接纳该突起的凹槽。

7.一种流体调节器，包括：

阀组件，包括阀杆和阀导承；

与该阀杆接合以将该阀杆侧向压迫向该阀导承来控制它们之间的摩擦的杠杆，以及

与所述阀杆形成为一体的制动器，其中所述制动器控制阀盘向阀座移动的程度，和

限定所述流体调节器的安装外壳的法兰，所述法兰具有多个沿圆周隔开的突起，每个突起具有一对孔，每个孔被配置为用于接纳对应的紧固件以便接合所述流体调节器的所述安装外壳，使得该法兰具有多于四个孔，

其中所述法兰被配置为用于接纳至少五个固定件，位于同一突起上的所述孔以第一圆周间距分隔，至少两个第一圆周间距与所述至少五个固定件相关，并且所述至少五个固定件与所述安装外壳相关。

8.如权利要求7所述的流体调节器，进一步包括隔膜，其尺寸使得该流体调节器被配置为控制至少两种不同类型流体的压力。

9.如权利要求8所述的流体调节器，其中所述至少两种不同类型流体包括天然气和液化石油气。

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