CN103174625B - 带附连到受促动的相对基座的阀闭合构件的阀和相关方法 - Google Patents

带附连到受促动的相对基座的阀闭合构件的阀和相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带附连到受促动的相对基座的阀闭合构件的阀和相关方法。提供了使用在油气工业中的往复式压缩机和相关方法，该压缩机具有阀组件，其中阀闭合构件附连到相对基座。阀组件包括：提供线性运动的促动器；和阀，其具有(1)阀基座，其构造成允许流体经由入口端口流动通过阀基座，(2)相对基座，其附连到促动器并且构造成允许流体经由出口端口流动通过相对基座，以及(3)阀闭合构件。阀闭合构件附连到相对基座，定位且构造成在相对基座处于闭合位置时闭合入口端口。从促动器接收线性运动的相对基座在闭合位置和第二位置之间移动，第二位置对应于入口端口打开，从而允许流体在包括入口端口和出口端口的流动通道上流动。

Description

带附连到受促动的相对基座的阀闭合构件的阀和相关方法
技术领域
本文公开的主题的实施例大体涉及使用在用于油气工业的往复式压缩机中的受促动的阀，并且更详细地讲，涉及与阀有关的机构和技术－在该阀中，阀闭合构件附连到受促动的相对基座(counter-seat)。
背景技术
压缩机为用来增加气体的压力的机械装置，并且可在发动机、涡轮、电力生产、低温应用、油气处理等中发现。由于它们的广泛使用，与压缩机相关的各种机构和技术通常须经研究，以便提高压缩机效率和解决与特定情况相关的问题。对于使用在油气工业中的压缩机，必须考虑的一种特殊性为被压缩的流体经常为腐蚀性的和易燃的。美国石油协会(API)－设定使用在油气工业中的设备的经公认的工业标准的组织－已经发布了文件API618，其列出了用于往复式压缩机的完整的一组最低要求。
压缩机可分为正位移压缩机(例如往复式压缩机、螺旋式压缩机或者叶片式压缩机)或者动力压缩机(例如离心式压缩机或者轴向式压缩机)。对于正位移压缩机，通过捕集气体并且然后减小气体捕集于其中的体积来实现压缩。对于动力压缩机，通过转移动能来压缩气体，动能典型地从诸如叶轮的转动元件转移到被压缩机压缩的气体。
图1为可用在油气工业中的常规的双室往复式压缩机10的示图。压缩发生在缸体20中。要被压缩的流体(例如天然气)经由入口30输入到缸体20中，并且在被压缩之后其经由出口40输出。压缩为循环过程，在其中，气体通过活塞50沿着缸体20、在缸体20的头端26和曲柄端28之间的运动而被压缩。事实上，活塞50将缸体20分成在压缩循环的不同阶段中操作的两个压缩室22和24，当压缩室24的体积在其最高值时压缩室22的体积在其最低值，并且反之亦然。
吸入阀32和34打开以分别允许来自入口30并且通过吸入阀32和34的将要被压缩(即具有第一压力p1)的流体进入压缩室22和24中。排出阀42和44打开以分别允许已经被压缩(即具有第二压力p2)的流体经由出口40从压缩室22和24输出。活塞50由于从曲轴60经由十字头70和活塞杆80传递来的能量而移动。
通常而言，使用在往复式压缩机中的吸入阀和压缩阀为自动阀，其由于越过阀的压差在闭合和打开之间切换。图2A和图2B示出了具有基座110和相对基座120的自动阀100的操作。基座110和相对基座120之间的距离d贯穿压缩循环而恒定(例如隔离物115可定位于它们两者之间)。图2A示出了在打开状态中的阀100且图2B示出了在闭合状态中的阀100。
在图2A中示出的打开状态中，阀闭合构件130被向下推进到相对基座120中，从而允许流体流动通过入口端口140和出口端口150。阀闭合构件130的形状可为盘形、菌形(poppet)、多菌形或环形，形状上的这种不同给出了阀的名字：盘形阀、菌形阀、多菌形阀或环形阀。图2A和图2B描绘了与同阀闭合构件130的实际形状相关的细节无关的一般构造。图3示出了环形阀(其如在图2A和图2B中操作)的零件：在其表面上具有端口140和150的环形开口的基座110和相对基座120、在相对基座120上的弹簧160以及环形件131(其为阀闭合构件)。
在图2A中，弹簧160位于阀闭合构件130和相对基座120之间。取决于其变形的状态，弹簧160主动地参与建立阀的开口点，弹性变形力沿着流动通道叠加压力，该压力等于该力除以阀闭合构件130的面积。在打开的状态中，在入口端口140前的第一压力p1大于流体在出口端口150后的目的地处的压力p2。如果在将阀闭合构件130向下推进到相对基座120中时(如在图2A中所示)弹簧160变形，在阀之前的压力和阀之后的压力之间的差(p1-p2)必须大于由于弹簧160引起的压力(即弹性变形力除以阀闭合构件的面积的比)。
在图2B中示出的闭合状态中，阀闭合构件130阻止流体从入口端口140流向出口端口150。弹簧160通常构造成以便促进阀的更快的闭合，并且因此它被称为使阀100闭合－即使在源处的压力p1和目的地处的压力p2相等(p1=p2)时－的“回位”弹簧。
如上所述，在往复式压缩机中的阀可由于在流体的源处的压力p1与在流体的目的地处的压力p2之间的压差在打开状态和闭合状态之间切换。弹簧被用来加速在打开状态和闭合状态之间的切换，而越过阀的压差(p1-p2)可动态地改变。备选地，阀闭合构件可通过电磁或液压促动器来促动，电磁或液压促动器施加力以移动阀闭合构件。
弹簧为阀的经常失效的一部分，从而影响了阀的可靠性，并且因此影响了整个往复式压缩机的可靠性。此外，迟早可发生颤振，即由于弹簧引起的不对称可干扰阀闭合构件的运动，从而容许泄漏。当使用了促动器时，在阀操作期间出现的某些情况中，由于弹簧引起的力可能必须由促动器的力来克服。
此外，往复式压缩机的一种低效率与余隙体积(即被压缩的流体不能从中排出的体积)有关。余隙体积的一部分归因于与阀相关的体积。设计目标是使得该余隙体积尽可能的小。
因此，将期望提供无弹簧的避免上述问题和缺点的阀。
发明内容
在本申请中阐述的发明性的构思的实施例具有以下益处中的一个或多个：可用在用于油气工业的往复式压缩机中的、不包括经常失效的弹簧的阀更薄，并且具有增加的流动面积。
根据一个示范性实施例，使用在油气工业中的往复式压缩机中的阀组件包括：构造成以便提供阀促动运动的促动器；以及阀。该阀具有：(1)阀基座，其构造成允许流体经由其入口端口流动通过该阀基座，(2)相对基座，其附连到促动器并且构造成允许流体经由其出口端口流动通过该相对基座，以及(3)阀闭合构件，其附连到相对基座，定位并且构造成当相对基座处于闭合位置时覆盖入口端口。从促动器接收线性运动的相对基座在闭合位置和打开位置(其对应于入口端口打开从而允许流体在包括入口端口和出口端口的流动通道上流动)之间移动。
根据另一示范性实施例，往复式压缩机包括：构造成以便提供阀促动运动的促动器；以及阀。该阀具有：(1)阀基座，其构造成允许流体经由其入口端口流动通过该阀基座，(2)相对基座，其附连到促动器并且构造成允许流体经由其出口端口流动通过该相对基座，以及(3)阀闭合构件，其附连到相对基座，定位且构造成在相对基座处于闭合位置时覆盖入口端口。在往复式压缩机的各个循环期间，由于从促动器接收的线性运动，相对基座在闭合位置和打开位置(在其中，入口端口打开从而允许流体在包括入口端口和出口端口的通道上流动)之间移动得更靠近或更远离基座。
根据另一示范性实施例，提供了一种改进最初具有阀(其在该阀的阀闭合构件和相对基座之间带有弹簧，该阀由于压差而最初闭合)的压缩机以使该阀被促动并且使阀闭合构件附连到阀的相对基座上的方法。该方法包括(1)将阀闭合构件固定地附连到阀的相对基座、在相对基座的朝向阀基座的表面上，以及(2)将促动器连接到该相对基座，以使相对基座能够接收促动运动来在闭合位置(在其中，阀闭合构件覆盖通过阀的基座的入口端口)和打开位置(在其中，阀闭合构件不覆盖入口端口)之间移动。
附图说明
结合到说明书中并且组成了说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且连同描述一起来解释这些实施例。在附图中：
图1为常规的双室往复式压缩机的示意图；
图2A和图2B为示出了自动阀的操作的示意图；
图3为常规的环形阀的零件的示图；
图4A和图4B为示出了根据示范性实施例的阀的操作的示意图；
图5示出了根据示范性实施例的往复式压缩机；以及
图6为示出了根据示范性实施例的、用于改进压缩机以具有带有附连到相对基座的阀闭合构件的阀的方法的流程图。
具体实施方式
示范性实施例的以下描述参考附图。在不同附图中的相同的参考标号指代相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附的权利要求限定。为简单起见，以下实施例关于使用在油气工业中的往复式压缩机的术语和结构来讨论。尽管如此，接下来要讨论的实施例不限于这些系统，而是可应用于其它系统。
贯穿说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意指在所公开的主题的至少一个实施例中包括结合实施例描述的特定的特征、结构或特性。因此，在整个说明书的不同地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定参考同样的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式结合到一个或多个实施例中。
为了克服由使用在用于油气工业的往复式压缩机中的阀中的弹簧引起的问题，在一些实施例中，阀闭合构件附连到相对基座以由促动器来一起移动，从而打开和闭合阀。移除弹簧减少了阀的部件的数量且移除了最易于失效或引起其它部件失效(例如使在环形阀中的环形件颤振)的部件中的一个。
图4A和4B示出了根据示范性实施例的自动阀200的操作。自动阀200具有基座210和与柄225共同移动的相对基座220。阀闭合构件230附连到相对基座220。图4A示出了在打开状态中的阀200且图4B示出了在闭合状态中的阀200。
在图4A中示出的打开的状态中，附连到相对基座220的阀闭合构件230定位成远离基座210，从而允许流体经由(1)通过基座210的入口端口240、(2)在基座210和相对基座220之间的空隙以及(3)通过相对基座220的出口端口250而流动。阀闭合构件230的形状可为盘形、菌形、多菌形或环形，形状上的这种不同给出了阀的名字：盘形阀、菌形阀、多菌形阀或环形阀。图4A和图4B描绘了与同阀闭合构件230的实际形状相关的细节无关的一般构造。
入口端口240和出口端口(一个或多个)250可沿着基本上平行的方向分别穿过基座210和相对基座220。尽管如此，该平行的定向不是必要条件。
阀基座和相对基座可由金属材料(例如不锈钢和合金钢)制成。相对基座还可由比金属材料更轻的复合材料制成。阀闭合构件可由非金属材料(诸如聚醚醚酮(PEEK))或不锈钢制成。在一个实施例中，阀闭合构件和相对基座可形成为单一件(例如由不锈钢制成)。在另一实施例中，阀闭合构件可与相对基座分开而形成(且由与相对基座相比不同的材料形成)且附连到相对基座。
在一个实施例中，如在图4A和图4B中所示，相对基座可具有在其内部放置有阀闭合构件的凹槽，该凹槽的高度小于阀闭合构件的高度。在另一实施例中，阀闭合构件可粘结、用螺纹附连或焊接到相对基座(还取决于用来制造阀闭合构件的材料)。
带有附连到相对基座的阀闭合构件的受促动的阀的益处中的一个为可获得扩大的流动面积，同时在基座和相对基座之间产生用以打开阀的更小的距离。因此，可减小由阀引起的余隙体积。
在图4B中示出的闭合状态中，阀闭合构件230与相对基座220一起已经朝向基座210移动,以便有距离h’(在图4A上标明)，因而阀闭合构件覆盖通过基座210的入口端口240的开口，从而阻止流体流动通过阀。注意，当阀打开时，距离h’可小于在基座210和相对基座220之间的最大距离h，因为阀闭合构件230可从相对基座220的表面朝向基座210突出。在一个实施例中，阀闭合构件230和基座210的朝向相对基座220的表面可机械加工成诸如配合在一起，使得h’=0。
在压缩循环期间，在流体的源(p1)和流体的目的地(p2)之间的压差可变化。阀为受促动的阀，可控制促动器来改变阀打开或闭合的定时(使得其比起当使用自动阀时更早或者更晚)以便提高压缩机的效率。
因为阀闭合构件230附连到相对基座220，不会发生环形件颤振(即变形)。这种形状稳定性进一步允许设计阀闭合构件230或基座220(特别是在朝向相对基座220的入口端口240的开口周围)的轮廓使得以便减小流动阻力。由流体的粘度和通道的长度的乘积给出(以第一种近似)了对流体流动经过的流动阻力。拐角延长了通道并因此增大了阻力。更短的通道可通过设计阀闭合构件230和/或朝向相对基座220的入口端口240的开口来实现，以具有平滑的弯曲形状而不是拐角，从而降低流动阻力。
图5示出了往复式压缩机300，其具有与在图4A和图4B中示出的阀相似的一个或多个阀。压缩机300为双室往复式压缩机。尽管如此，根据实施例的阀还可使用在单室往复式压缩机中。压缩发生在缸体320中。要被压缩的流体(例如天然气)经由入口330输入到缸体320中，并且在压缩后经由出口340输出。由于活塞350沿着缸体320、在头端326和曲柄端328之间的来回运动而发生压缩。活塞350将缸体320分成在压缩循环的不同阶段中操作的两个压缩室322和324，当压缩室324的体积在其最高值时压缩室322的体积在其最低值，并且反之亦然。
吸入阀332和334打开以分别允许将要被压缩(即具有第一压力p1)的流体从入口330进入压缩室322和324中。排出阀342和344打开以分别允许已经被压缩(即具有第二压力p2)的流体从压缩室322和324经由出口340输出。活塞350由于例如经由十字头(未示出)和活塞杆380从曲轴(未示出)接收的能量而移动。
阀332、334、342和344中的至少一个为如在图4A和图4B中所示出的带有附连到相对基座的阀闭合构件的阀。在图5中，为吸入阀的阀332示出为带有附连到相对基座的阀闭合构件的受促动的阀。尽管如此，带有附连到相对基座的阀闭合构件的受促动的阀也可用作排出阀(例如342、344)。事实上，所有的阀332、334、342以及344都可为带有附连到相对基座的阀闭合构件的受促动的阀。
阀332的相对基座333附连到柄335，其由于促动器337而移动(在图5中在竖直的方向上)。优选地，促动器337位于流体通道外部，以避免由在易燃的流体中的火星引起爆炸的危险。
阀闭合构件可包括一个或多个盘形的部件或一个或多个环形的部件。端口的开口形状对应于阀的类型。例如，在环形阀中，入口端口包括多个第一同心的端口，其具有第一组直径，出口端口包括多个同心的出口端口，其具有第二组直径，第一组的任何直径不同于第二组的任何直径，且阀闭合构件包括多个环形件，其当阀闭合时覆盖所有的第一同心的端口。
当前使用在油气工业中的往复式压缩机中的带有弹簧的阀可改进为包括一个或多个受促动的阀，其具有附连到相应的相对基座的阀闭合构件。在图6中示出了用以改进往复式压缩机的方法400的流程图。方法400包括在S410处将阀闭合构件固定地附连到相对基座、在朝向基座的相对基座的表面上。此外，该方法包括在S420处将促动器连接到相对基座，以使相对基座能够接收促动运动来在闭合位置(在其中，阀闭合构件覆盖通过阀的基座的入口端口)和打开位置(在其中，阀闭合构件不覆盖入口端口)之间移动。
方法400还可包括在将阀闭合构件附连到相对基座之前移除在相对基座和阀闭合构件之间的弹簧，和/或移除最初定位在基座和相对基座之间的隔离物(诸如在图2A和图2B中的115)。如果原始阀为自动阀(即无促动器)，方法400还可包括将促动器添加到往复式压缩机。
公开的示范性实施例提供了无弹簧的阀组件和使用这些阀组件的往复式压缩机。应该理解，该描述不意图限制本发明。相反，示范性实施例意图覆盖包括在如由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的备选方案、修改以及等效物。此外，在示范性实施例的详细描述中，阐述了许多特定的细节以提供所要求保护的发明的全面理解。尽管如此，本领域技术人员将理解在没有这样的特定细节的情况下可实践各种实施例。
尽管以特定的组合在实施例中描述了本示范性实施例的特征和元件，但各特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或在具有或不具有本文所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合来使用。
本书面描述使用所公开的主题的示例以使本领域任何技术人员能够实践同样的示例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何相结合的方法。主题的能得到专利保护的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种使用在用于油气工业的往复式压缩机中的阀组件，包括：
促动器，其构造成以便提供阀促动运动；
阀，其具有
阀基座，其构造成允许流体经由其入口端口流动通过所述阀基座；
相对基座，其构造成允许所述流体经由其出口端口流动通过所述相对基座；以及
阀闭合构件，其附连到所述相对基座，定位且构造成当所述相对基座处于闭合位置中时覆盖所述入口端口，
其中，接收所述阀促动运动的所述相对基座在所述闭合位置和打开位置之间移动，在所述打开位置中，所述阀闭合构件不覆盖所述入口端口，从而选择性地允许所述流体在包括所述入口端口和所述出口端口的流动通道上流动。
2.一种往复式压缩机，包括：
促动器，其构造成以便提供阀促动运动；
阀，其具有
阀基座，其构造成允许流体经由其入口端口流动通过所述阀基座；
相对基座，其构造成允许所述流体经由其出口端口流动通过所述相对基座；以及
阀闭合构件，其附连到所述相对基座，定位且构造成当所述相对基座处于闭合位置中时覆盖所述入口端口，
其中，接收所述阀促动运动的所述相对基座在所述闭合位置和打开位置之间移动，在所述打开位置中，所述阀闭合构件不覆盖所述入口端口，从而选择性地允许所述流体在包括所述入口端口和所述出口端口的流动通道上流动。
3.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，所述阀闭合构件包括一个或多个盘形部件。
4.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，所述阀闭合构件包括一个或多个环形部件。
5.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，所述阀闭合构件和所述相对基座形成为单一件。
6.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，所述阀闭合构件与所述相对基座分开而形成且附连于所述相对基座。
7.根据权利要求6所述的往复式压缩机，其特征在于，根据以下特性中的至少一个来构造所述阀：
所述相对基座构造成具有在其中放置了所述阀闭合构件的凹槽，所述凹槽的高度小于所述阀闭合构件的高度；
所述阀闭合构件粘结、用螺纹附连或焊接到所述相对基座；以及
朝向所述相对基座的所述阀基座的表面上的所述入口端口的开口和所述阀闭合构件中的至少一个具有成形为以便减小沿着所述流动通道的流动阻力的轮廓。
8.根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，还包括：
压缩室，其中，所述出口端口开向所述压缩室。
9.一种改进最初具有在阀的阀闭合构件和相对基座之间有弹簧的阀的压缩机、以使所述阀被促动并且所述阀闭合构件附连到所述阀的所述相对基座的方法，所述阀最初由于压差而闭合，所述方法包括：
将所述阀闭合构件固定地附连到所述阀的所述相对基座；以及
将促动器连接到所述相对基座，以使所述相对基座能够接收促动运动来在闭合位置和打开位置之间移动，在所述闭合位置中，所述阀闭合构件覆盖通过所述阀的阀基座的入口端口，在所述打开位置中，所述阀闭合构件不覆盖所述入口端口。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在将所述阀闭合构件附连到所述相对基座之前，移除在所述相对基座和所述阀闭合构件之间的弹簧。
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