CN104769345A - 具有线性控制行为的三维流动优化控制滑动系统 - Google Patents

具有线性控制行为的三维流动优化控制滑动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调节滑阀装置，其包括形成通道的壳体，气态或液态介质能够通过该通道流动，并且该壳体具有至少一个入口纵向部分和一个出口纵向部分；并包括可调整的调节元件，用于改变通道的流动横截面并调整通流率。调节滑阀装置的特征在于，在通道中设置有阀座环元件，调节元件具有第一纵向部分，第一纵向部分具有直径在纵向方向变化的圆形横截面，调节元件能够在通道的纵向方向沿调整行程调整，其中，调节元件在关闭位置倚靠阀座环元件并关闭通道，并且调节元件在打开位置与阀座环元件形成流能够通过的环形间隙。沿调节元件的第一纵向部分变化的直径被配置为，环形间隙的流动横截面面积的改变与调节元件在纵向方向的调整成比例，使得通过环形间隙的体积流量随着调节元件沿调整行程的调整近似线性地变化。

Description

具有线性控制行为的三维流动优化控制滑动系统
技术领域
本发明涉及一种调节滑阀装置，其包括壳体，该壳体形成气态或液态介质能够流动通过的通道，并具有至少一个入口纵向部分和一个出口纵向部分；并包括可调整的调节元件，其用于改变通道的流动横截面并调整通流率。
背景技术
上述类型的调节滑阀装置例如用于在污水处理厂中调节通风。由于污水处理厂的约60％的能耗必须花费在污水池的通风上，因此尤其是在降低能耗方面有很大潜力。
因此，本发明的目的在于降低用于污水处理厂的污水池的通风的能耗。具体地，本发明的目的在于从能量方面优化控制通风所需的调节部件。
发明内容
上述目的由在说明中提到的调节滑阀装置实现，在调节滑阀装置中，在通道中设置有阀座环元件，调节元件具有第一纵向部分，第一纵向部分具有直径在纵向方向变化的圆形横截面，调节元件能够在通道的纵向方向调整，其中，调节元件在关闭位置倚靠阀座环元件并关闭通道，并且调节元件在打开位置与阀座环元件形成流能够通过的环形间隙。优选地，沿调节元件的第一纵向部分的变化的直径被配置为，环形间隙的、流可以通过的横截面面积的改变随着调节元件在纵向方向的调整线性变化。具体地，考虑动态的工厂设备压力损失，通过环形间隙的体积流率随着调节元件沿调整行程的调整线性变化。
与现有的用于调节通风的板式滑阀相比，可以使用根据本发明的解决方案显著地降低在调节路径中的压力损失，以使得最终可以降低能量消耗，其中，使用现有的板式滑阀通过板垂直于流动方向的移动使流可通过的通道变化。另外，使用根据本发明的调节滑阀优选为这样的情况，在控制变量和待调节的空气质量流量之间的调节特性实现为在整个工作范围中是线性的。
与垂直于流动方向移置的板式滑阀相比，调节元件的调整在流动方向进行，其中，在打开过程中，环形间隙形成在调节元件和阀座环元件之间，从而允许空气从入口纵向部分流入出口纵向部分中。相对于现有的使用板式滑阀的区域中的湍流，上述环形间隙的区域中的湍流显著降低，这导致更低的压力损失。
在这种情况下，根据调节元件的外部轮廓的特定设计获得线性调节特性，该外部轮廓和阀座环元件一起限定环形间隙的尺寸。调节元件的外部轮廓优选地可调整。从而可以适于或协调于操作条件。
在优选的实施方式中，出口纵向部分具有如在纵向部分中观察的锥形形状，以使得通道的流动横截面面积沿流动方向增大。
该方法导致在调节滑阀装置中的压力损失进一步降低，从而以这种方式可进一步降低能耗。具体地，该方法允许提高的压力获得并因此允许基于在环形间隙处的压力损失的压力恢复。
在优选的实施方式中，在入口纵向部分中设置有附加调节流量的流引导板。
优选的情况是，调节元件被布置在入口纵向部分的区域中并且被保持从而可以在与流动方向相反的方向移动以用于打开的目的。另外，优选的情况是，调节元件具有围绕腔的流动优化外部轮廓。优选的情况是，输出轴的一个端部突出至腔中，输出轴的另一端部位于布置在出口纵向部分中的齿轮箱中。齿轮箱的外部形状优选地为流动优化设计。
调节元件和齿轮箱都在中心处位于通道中，并且因此流过通道的空气围绕它们流动。通过上述两种元件的流动优化形状，压力损失可以进一步降低，因此能量损失可以进一步降低，这是因为流以定向的方式被引导至出口纵向部分的界定的内壁。出口纵向部分的内壁优选地具有10°或更小的打开角度，更优选地为5°至6°。调节元件和齿轮箱可以是多零件形式，具体是由多部分组成，以使得从制造方面来看可以更容易实现优化的形状。
优选的情况是，在齿轮箱中设置有用于将输入轴联接至输出轴的角度驱动部，输入轴相对于纵向轴线倾斜地或垂直地被引导至齿轮箱中。输出轴优选地在从调节元件延伸至齿轮箱的轴壳体中延伸。输出轴优选地在调节元件中联接至转换部件，以使得输出轴的旋转运动被转换为调节元件的平移运动。输入轴优选地联接至液压的、气动的或电动的致动马达。
这些方法共同导致在能耗发面的进一步改进，这是因为在通道中形成有由调节元件、轴壳体和齿轮箱组成的单元，其中，流过的空气以非常低的摩擦力围绕上述单元流动。
在优选的改进中，转换元件包括螺纹轴元件。这是用于将旋转运动转换为平移运动的特别简单且有效的装置。
特别优选的情况是，转换元件不仅包括螺纹轴元件，还包括游隙再调元件，以使得可以补偿发生在螺纹轴元件中的任何磨损。
在优选的改进中，凸缘布置在壳体的两个端部的每一个上。进一步优选的情况是，端部的管直径适于管线的惯例直径。
这具有调节滑阀装置可以非常容易地合并至现有的管线中的优点。
在优选的改进中，在入口纵向部分中设置有至少一个传感器。
入口纵向部分和调节元件的特定设计导致非常低的湍流并导致在通道中的圆周方向的高度统一均匀的流动条件，而不论调节元件打开的程度。因此可以实现非常精确和可靠的测量(例如压力和/或流)。
特别优选的情况是，至少设置三个引导元件，其均匀地分布在通道的圆周方向并且还同样具有流动优化形状。
显而易见的是，上述提到的特征和下文将讨论的特征不仅可以以各自特定的组合使用，而且在不脱离本发明范围的情况下可以以其他组合使用或独立使用。
附图说明
将根据说明书和附图得出本发明的其他优点和实施方式，在附图中：
图1是调节滑阀装置的立体图；
图2示出了根据图1、在分解图的形式中拆卸一些部件的调节滑阀装置；
图3示出了在图1拆卸了凸缘的调节滑阀装置；
图4是调节滑阀装置的截面图；
图5是调节滑阀装置的组件的示意性立体图；以及
图6是污水处理厂的示意图。
具体实施方式
图1示出了由附图标记10表示的调节滑阀装置。调节滑阀装置10(下文简称为调节滑阀)包括流动通道部件12和配件部件14，其中，流动通道部件12被插入传导空气的通风管中(例如，被插入污水处理厂的污水池中)。配件部件与流动通道部件机械地连接并用于允许在流动通道部件中的元件的调整，该元件将在下文中进一步讨论。
流动通道12具有壳体16，在壳体16的两个纵向端部的每一个上支承凸缘18，以使得流动通道12可以容易地安装在管线中。
壳体16被分为多个壳体纵向部分，具体为入口纵向部分20和出口纵向部分22。在上述两个纵向部分之间设置有另一纵向部分24，在该纵向部分24的区域中，进行通过流动通道部件从入口侧至出口侧的空气流速的调整。上述三个壳体纵向部分优选地被设置为分离的壳体部分。
从图1可以看出，出口纵向部分呈圆柱体形式，其中，直径在流动方向增加，从而形成圆锥形状。出口纵向部分22的上述圆锥形状可从图2再次更清楚地看出。
与出口纵向部分22相似，入口纵向部分20呈旋转对称形式，并具有在纵向部分24的方向逐渐变细的部分26。
第三纵向部分24用作阀座环28，其具有与入口纵向部分的锥形部分26相互作用的外部轮廓31。部分26的前端部安装在纵向部分24上，以使得部分26的前端部抵靠外部轮廓31密封地支承。
如在图2可以看出的，阀座环28还具有作为用于调节元件的阀座的环表面30，该调节元件在图2中由附图标记40概括地表示。
调节元件40优选地设计为相对于纵向轴线旋转对称并被分为多个部分，具体为阀部分42和近似半球形部分44。如在纵向方向观察的，阀部分42具有外部轮廓，该外部轮廓具有以阶梯或连续方式变化的直径，其中，直径在阀座环28的方向减小。最大直径在邻近半球形部分44的区域中，并适于阀座环28的环表面30的直径。可以说环表面30被设计为用于阀部分42的阀座。
调节元件40可以在纵向方向移动，以使得阀部分42相对阀座环28移动，并因此相对环表面30移动。在图2示出的示例性实施方式中，以与流动方向相反的方向，即向右进行移动，以使得阀部分42移出其环表面30上的阀座并打开环形间隙。因此该环形间隙形成在阀座环28的环表面30和阀部分42的相对区域之间。
上述环形间隙的尺寸，也就是流通过的横截面的面积随着调节元件40向右移动而增大，因为阀部分42的直径变小由此距环表面30的距离相反地变大。
通过阀座28和调节元件40的可替换的阀部分42的相互作用，从而能够改变流通过的横截面面积，并因此实现对通流率的控制和/或调节。
环形间隙的、流可以通过的横截面面积优选地随调整行程线性变化，也就是说随调节元件在纵向方向的调整而变化。该线性度可通过适当选择阀部分42的多个直径来获得。具体地，考虑到动态的工厂设备压力损失，选择直径以使得通过环形间隙的体积流率随着调节元件沿调整行程的调整近似线性地变化。可以计算各个直径。
在优选实施方式中，阀部分42的外部轮廓可调整，以使得可以适应各个直径。
还可以由图2看出，在入口纵向部分20中设置有多个(优选为3个)引导板或流引导板52。上述引导板52附接至入口纵向部分20的内侧并优选地径向向内延伸。多个引导板52均匀地分布在圆周方向。
在壳体16中，具体地在出口纵向部分22中，还设置有从出口纵向部分22的内侧径向向内延伸的引导板53。在图2中，槽55形成在壳体16中，也就是说，形成在出口纵向部分22中，引导板53可以接合至槽55中。引导板53的各个径向内侧被连接至内轴壳体，这将在下文参考图5更详细地说明。上述引导板还用于相对于壳体16安装并旋转地固定轴壳体。
图3从稍微不同的视角再次示出入口纵向部分20。在图3中，能够清楚地看到引导板52，其径向向内突出并且在纵向方向朝向调节元件40延伸。
在入口纵向部分20中还设置有传感器85，具体地为测量探针85，其通过入口纵向部分中的开口突出至内部空间中。
用于在纵向方向调整调节元件40的驱动部将在下文参考图4说明。
图4以截面图示出调节滑阀10，并且截面与纵向轴线平行。
首先，由图4可以清楚地看到调节元件40是中空形式并且在腔中容纳各种元件。例如，输出轴58的一个端部突出至上述调节元件40的腔中，该输出轴58相对两个纵向部分20和22在中心延伸，并且输出轴58的另一端部在齿轮箱62中终止。
在调节元件40的腔中优选地设置有螺纹轴66，该螺纹轴66设计为用于将输出轴58的旋转运动转换为调节元件40在纵向方向的平移运动。出于这个目的，输出轴58具有与轴螺母68相互作用的螺纹部分，其中，轴螺母68与调节元件40牢固地联接。当输出轴58旋转时，轴螺母68相应地在纵向方向移动。轴螺母优选地装备有游隙重调装置，游隙重调装置优选地具有弹簧。
输出轴58通过转向装置70在齿轮箱62中被驱动，其中，转向装置70将输入轴72联接至输出轴58，输入轴相对于纵向方向倾斜地或垂直地布置。在本示例性实施方式中，转向装置是锥齿轮机构74。
但是，在这种情况下，也可以使用其他转向装置，其中的示例包括蜗轮驱动，行星齿轮组，具有或不具有螺旋联接的轴接头或Vexier接头。
输出轴58在轴壳体78中被引导，轴壳体78在调节元件40和齿轮箱62之间延伸。该结构将参考图5详细说明。
输入轴72延伸至配件部件14中并在配件元件中与机械的或机动的驱动元件连接，以能够在纵向方向移动调节元件40。
如从图4可以清楚地看出，调节元件40、轴壳体78和齿轮箱62形成单元，该单元优选地在中心布置在入口纵向部分和/或出口纵向部分中，从而布置在流动通道中。为此，该单元具有流动优化设计的最大可能程度，以使得其关于通过流动通道部件12的空气流动的流动行为具有积极影响。
具体地，轴壳体78和齿轮箱62具有流动镇定作用，以使得在空气流过环形间隙之后沿出口纵向部分22的内壁以最小可能的摩擦力流动，其中，出口纵向部分22在流动方向上的锥形轮廓还具有可以通过降低流动速度再次获得压力的效果。
因此实现了流动通道部件12的入口侧和出口侧之间的压力下降非常小。在环形间隙处产生的压力损失通过上文说明的方式在出口纵向部分22中实质地补偿。因此，通过所选择的几何结构实现压力恢复。
由齿轮箱62、轴壳体78和调节元件40组成的单元在流动通道中优选地设置在中心，其中，该流动通道通过在出口纵向部分22上的齿轮箱62的区域中支撑该单元的支撑元件80由入口纵向部分和出口纵向部分形成。支撑单元80优选地径向向内延伸并具有流动优化设计，以使得其流动阻力尽可能低。另外，支撑元件80通过其形状可以用于施加流动镇定作用和方向限定作用。
为了测量压力或流动速度，在流动通道部件12中设置有测量传感器。上述类型的测量传感器在图2中示意性示出并由附图标记85表示。上述测量传感器85设置在入口纵向部分中，其中，该测量传感器可以在圆周方向根据需要放置。这是因为在入口纵向部分中的流动条件和压力条件非常均匀的事实。这是由于空气在圆周方向均匀地流过环形间隙，以及用于稳定的流动条件的调节元件40的部分44的半球形状由于冲压效应保证均匀的压力分布的事实。还可以在流动通道部件中设置其他测量传感器，例如在出口纵向部分22中。
图5更详细地再次示出驱动组件，除了其他元件之外，其包括调节元件40、输出轴58、齿轮箱62和轴壳体78。轴壳体78包括被支持以使得可相对于彼此移动的两个壳体部分78.1、78.2，其中，壳体部分78.1连接至齿轮箱62并且另一壳体部分78.2连接至调节元件40(具体地连接至部分44)。壳体部分78.2的内径大于壳体部分78.1的外径。这种尺寸设计使得壳体部分78.2可以在壳体部分78.1上被推动。通过本实施方式，壳体部分78.2可相对于另一壳体部分78.1在纵向方向移动，具体地以被引导的方式。为了两个壳体部分78的良好引导，例如可以在一个或两个壳体部分上提供滑动条。
为了防止两个壳体部分78的相对旋转，设置上面已经说明的引导板，上述引导板附接至壳体部分78.1并与相应地设置在壳体部分78.2中的槽56相互作用。该槽56在纵向方向延伸并被设计为在朝向齿轮箱62的边缘处打开。
当在纵向调整调节元件40时，壳体部分78.2同样相对于壳体部分78.1移动并保证需要的引导，防止相对旋转。
总之，由此实现了与先前的解决方案相比在运转时具有显著降低的压力损失并由此具有更高效能的调节滑阀装置。上述能量效率具体通过调节元件和驱动部的特定布置来获得。在流通过环形间隙之后，轴壳体78和齿轮箱62显著提高了流，以使得可以在短距离内迅速地获得大压力。这反过来导致调节滑阀装置可以被设计为短结构。
所描述的调节滑阀装置特别适合用于污水处理厂的通风系统中。图6示意性示出具有通风系统92的污水处理厂90，该通风系统92包括至少一个压缩系统96、管线98和污水池94。调节滑阀装置10可以合并入现有的管线98中并且相对于先前设备具有相对小的开销，以使得即使对于现有的污水处理厂也可以实现所述的节能。由于低压力损失，将空气引入管线98的压缩系统96可以以更低的出口压力操作，从而以更低的电功率操作。

Claims (17)

1.一种调节滑阀装置，包括：
壳体，形成气态或液态介质能够流动通过的通道，并且至少具有入口纵向部分和出口纵向部分；以及
可调整的调节元件，用于改变所述通道的流动横截面并调整通流率，
其特征在于，
在所述通道中设置有阀座环元件，
所述调节元件具有第一纵向部分，所述第一纵向部分具有直径在纵向方向变化的圆形横截面，
所述调节元件能够在所述通道的所述纵向方向沿调整行程调整，其中，所述调节元件在关闭位置倚靠所述阀座环元件并关闭所述通道，并且所述调节元件在打开位置与所述阀座环元件形成流能够通过的环形间隙，
沿所述调节元件的所述第一纵向部分变化的直径被配置为，通过所述调节元件在所述纵向方向的调整改变所述环形间隙的、流能够通过的横截面面积，使得通过所述环形间隙的体积流量随着所述调节元件沿所述调整行程的调整近似线性地变化。
2.如权利要求1所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述出口纵向部分具有在纵切面中观察呈锥形的形状，以使得所述通道的流动横截面面积沿流动方向增大。
3.如权利要求1或2所述的调节滑阀装置，其特征在于，在所述入口纵向部分中设置有约束流量的流引导板。
4.如前述权利要求中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述调节元件被布置在所述入口纵向部分的区域中并且能够在与所述流动方向相反的方向移动以用于打开的目的。
5.如前述权利要求中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述调节元件具有围绕腔的流动优化外部轮廓。
6.如权利要求5所述的调节滑阀装置，其特征在于，输出轴的一个端部突出至所述腔中，所述输出轴的另一端部位于布置在所述出口纵向部分中的齿轮箱中。
7.如权利要求6所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述齿轮箱的外部形状具有流动优化设计。
8.如权利要求7所述的调节滑阀装置，其特征在于，在所述齿轮箱中设置有用于将输入轴联接至所述输出轴的角度驱动部，所述输入轴相对于纵向轴线被倾斜地或垂直地引导至所述齿轮箱中。
9.如权利要求6至8中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述输出轴在从所述调节元件延伸至所述齿轮箱的壳体中延伸。
10.如权利要求6至9中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述输出轴在所述调节元件中联接至转换元件，以使得所述输出轴的旋转运动被转换为所述调节元件的平移运动。
11.如权利要求11所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述转换元件包括螺纹轴元件。
12.如权利要求8至11中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述输入轴连接至配件驱动部。
13.如前述权利要求中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，凸缘布置在所述壳体的两个端部的每一个上。
14.如前述权利要求中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，在所述入口纵向部分中设置有至少一个传感器元件。
15.如前述权利要求中任一项所述的调节滑阀装置，其特征在于，所述入口纵向部分中的壳体的设计至少部分地适于所述调节元件的设计。
16.如权利要求15所述的调节滑阀装置，其特征在于，在所述入口纵向部分中，所述壳体朝向所述阀座环元件逐渐变细。
17.一种污水处理厂的通风系统，用于将活化空气引入生物污水池中，具有压缩装置并具有通风管装置，所述通风管装置设计为用于将由所述压缩装置传送的活化空气引入所述生物污水池中，其特征在于，
通过设置在所述通风管装置中的、如权利要求1至16中任一项所述的调节滑阀装置来控制质量流量。
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