CN105164457A - 流体流动控制装置和系统以及使流体从其中流过的方法 - Google Patents

Abstract

流体流动控制装置包括沿着纵轴延伸且具有侧壁的柱形主体。该柱形主体具有沿着侧壁纵向地延伸的第一通道和沿着侧壁纵向地延伸的第二通道。所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道的中的一个的至少一部分相对于纵轴以一定斜角纵向地延伸而形成用于改善通过通道的流体的流动特性的通道型式。

Description

流体流动控制装置和系统以及使流体从其中流过的方法

优先权声明

本申请要求2013年3月15日提交的用针对“FluidFlowControlDevicesandSystems,andMethodsofFlowingFluids”的美国临时专利申请序号13/840,906的提交日的权益。

技术领域

本公开一般地涉及流体流动控制装置。更特别地，本公开的实施例涉及被构造成减少从其中通过的流体的压力和能量的装置。

背景技术

在许多工业领域中，常常必须减少管线或阀内的流体（液体和气体两者）的压力和能量。可出于此目的而采用一个或多个控制装置。在本领域中提出了用于控制装置的各种设计。例如，可采用一种装置来将通过装置的流划分成多个单独流，其被构造为在装置内的多个弯曲的流体流动路径。随着流体通过弯曲的流体流动路径，流体多次改变方向。此外，随着流体穿过完全的流体流动路径，流体流动路径的总截面面积可增加而提供流动路径内的流体速度的减小。流体的流体压力和能量由于由路径的壁之间的摩擦所引起的损耗、流动方向的快速改变和膨胀或收缩室而沿着此类路径被部分地耗散。这些装置包括一般地称为“弯曲路径修整装置”的东西。

常常在具有主体的诸如控制阀之类的阀的主体内提供流体流动控制装置，所述主体常规地被构造成将流体从进口朝着空心的柱形流体流动控制装置引导。还可将该阀构造成将通过流体流动控制装置朝着流体出口引导到其外面。该阀可包括活塞、滚珠、圆盘或被构造成插入阀的中心区域中以中断通过阀的流体流动并使阀闭合的其它装置。

加压流体包含储存的机械势能。流体流动控制装置通过降低流体的压力和速度来耗散此能量。随着流体流过流体通路，流体流动可能是湍急的。湍急流体具有作用于在流体在其中流通的管道和流体控制装置的结构元件上的关联压力和速度波动。这些压力和速度波动一般地伴随着诸如腐蚀、噪声、振动以及空化（cavitation）之类的其它问题。在许多应用中，这些伴随问题是流体流动控制装置的不期望或不可接收的特性。常规流体流动控制装置并未充分地限制与跟流体相关联的压力和速度波动相关联的问题。

发明内容

本公开的各种实施例包括一种克服了常规流体流动控制装置的许多问题的流体流动控制装置。本公开描述了包括被构造成更好地控制与流体流动控制相关联的空化、振动及其它问题的流体路径的流体流动控制装置的实施例。

在一个或多个实施例中，流体流动控制装置可包括沿着纵轴延伸且具有侧壁的大体上柱形主体。该柱形主体可包括沿着侧壁纵向地延伸的至少一个第一通道和沿着侧壁纵向地延伸的至少一个第二通道。所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道的中的一个的至少一部分相对于纵轴以一定斜角纵向地延伸而形成用于改善通过通道的流体的流动特性的通道型式（pattern）。

在另一实施例中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道至少大体上纵向地从柱形主体的第一末端延伸到柱形主体的第二末端。在另一实施例中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道交叉。在另一实施例中，柱形主体是第一柱形主体，并且流体流动控制装置还可包括同心地位于第一柱形主体的内部柱形腔体中的第二柱形主体。在其它实施例中，一个或多个附加柱形主体每个可同心地位于另一柱形主体的内柱形腔体中。在一个实施例中，第一柱形主体和第二柱形主体每个具有弯曲侧壁，使得第一柱形主体和第二柱形主体形成大体上球形的球阀。

在流体流动控制装置的其它实施例中，所述至少一个第一通道与多个其它通道交叉。在一个实施例中，可以以空化型式来构造所述至少一个第一通道和至少一个第二通道以控制通过第一通道和第二通道的物质的空化。例如，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道可在侧壁上形成偏移砖形型式，或者所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道在侧壁上形成菱形型式。在另一实施例中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道中的至少一个以之字形型式沿着侧壁纵向地延伸。在另一实施例中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道不交叉。

在各种实施例中，可以各种形状和尺寸来构造通道。在一个实施例中，第一通道和第二通道中的至少一个具有圆形内表面。在另一实施例中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有正方形内表面，其具有与底面大体上正交的两个壁表面。在另一实施例中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有有角度内表面，其包括以一定角度交叉的两个壁表面。在另一实施例中，第一通道和第二通道中的至少一个相对于侧壁的表面具有变化深度。在另一实施例中，第一通道和第二通道中的至少一个沿着纵轴具有变化宽度。在另一实施例中，柱形主体被构造为塞子，并且所述流体流动控制装置还包括围绕该塞子定位的座环。

附加实施例包括用于形成流体流动控制装置的方法。在此类方法的一个或多个实施例中，该方法包括

在至少一个大体上柱形主体的表面中形成至少一个第一凹槽，所述至少一个第一凹槽沿着所述至少一个大体上柱形主体纵向地延伸；以及

在所述至少一个大体上柱形主体的表面中形成至少一个第二凹槽；

其中，所述至少一个第一凹槽和所述至少一个第二凹槽中的一个的至少一部分相对于纵轴以斜角纵向地延伸。在某些实施例中，该方法还可包括将多个大体上柱形主体组合成同心组件。

附图说明

图1图示出根据至少一个实施例的流体流动控制装置的透视图。

图2图示出根据一个或多个实施例的被构造为塞子和座环的图1的流体流动控制装置的透视剖视图。

图3是根据本发明的实施例的包括多个柱形主体的具有菱形型式的通道的同心组件的透视剖视图。

图4是根据各种实施例的多个通道类型的透视截面图。

图5是根据至少一个实施例的流体流动控制装置的透视图。

图6是根据至少一个实施例的具有偏移砖形型式的通道的同心组件的透视图。

具体实施方式

遍及本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的参考意指在本发明的至少一个实施例中包括结合实施例所述的特定特征、结构或特性。因此，短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言遍及本说明书的出现可以但不一定全部参考同一实施例。

在本文中呈现的图示在某些情况下并不是任何特定流体流动控制装置、座环或控制阀的实际视图，而仅仅是被用来描述本公开的理想化表示。在以下详细描述中，对构成其一部分的附图进行参考，并且在附图中以图示的方式示出了其中可实施本发明的特定实施例。足够详细地描述了这些实施例以使得本领域的普通技术人员能够实施本发明。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例，并且可进行结构、逻辑以及电学改变。在本文中呈现的图示并不意图是任何特定装置或系统的实际视图，而仅仅是被用来描述本公开的实施例的理想化表示。在本文中呈现的附图不一定按比例描绘。另外，各图之间共同的元件可保持先沟通或者具有类似的数字标号。

本公开的各种实施例包括流体流动控制装置。图1图示出流体流动控制装置100的一个实施例的透视图，其构造有沿着纵轴103延伸且具有侧壁112的大体上柱形主体102。在所描绘的实施例中，侧壁112是柱形主体102的外表面，一定型式114的通道104、106、108以及110位于其上面。在替换实施例中，可在柱形主体102的内表面上形成通道。根据本公开，可在侧壁112上形成各种型式的通道路径以防止流体的空化或者另外改善流体通过通道104、106、108以及110的流动。

一般地，可围绕着柱形主体102映射一定型式114的通道104、106、108以及110以充当用于控制阀的减压元件以及提供关联下游元件。通道104、106、108以及110的几何结构可用于控制流体（诸如液体和/或气体）中的空化以减少噪声。可使用长度很长的柱形管来减小湍流、剪切力以及流体速度。可使用被构造成处理单相或多相过程流体和浆料中的夹带固体的某些实施例。可将柱形支腿102以同心方式与附加柱形主体（参见图3）组合以形成控制从其中通过的流体流动的同心组件。在其它实施例中，可将同心组件的柱形主体构造成滚珠或球状以使得能够形成球形流动控制元件，诸如球阀、球心阀等。在其它实施例中，可使用柱形主体102作为下游排污和阻流管元件。作为下游元件，可使用柱形主体的同心组件来以开/关构造或与上游的扼流元件相结合地以线性或循环方式产生压降控制，所述扼流元件可以包括阀、歧管或塞子。以这种方式，可将流体流动控制装置100实现成提供期望的流体流动控制特性。

在图1中所描绘的实施例中，第一通道104沿着柱形主体102的侧壁112纵向地延伸。在本文中也可将通道称为凹槽。如所描绘的，第一通道104相对于柱形主体102的纵轴103以斜角纵向地延伸。这导致通道围绕着柱形主体112的外表面成螺旋形。第二通道106可同样地相对于柱形主体102的纵轴103以斜角纵向地延伸。可将第二通道106构造成以与第一通道106的角度相对的角延伸。在所描绘的实施例中，还实现了第三通道108和第四通道110。然而，通道的数目和沿着侧壁112的通道的构造可随每个期望的应用而改变。在所描绘的实施例中，第一通道104、第二通道106、第三通道108以及第四通道110随着其绕着柱形主体102延伸而交叉。

通道路径和通道交叉点的组合在侧壁112上形成型式114。通道104、106、108以及110的型式114帮助限定流过通道104、106、108以及110的流体的空化性质。在至少一个实施例中，可限定通道的型式114以减少从其中通过的液体的空化。在所描绘的实施例中，在柱形主体102的侧壁112上形成菱形型式。在其它实施例中，可设想其它型式，包括偏移砖形型式、网格型式、之字形型式等。此外，可将型式114构造成具有恒定间隔，使得通道间距沿着柱形主体102的长度保持恒定，或者在某些实施例中可将其构造成具有膨胀间隔，使得通道间距沿着柱形主体102的长度改变或变化。

在某些实施例中，通道104、106、108以及110可穿过柱形主体102的大体上整个长度。在其它实施例中，通道104、106、108以及110可穿过柱形主体102的长度的仅一部分。在至少一个实施例中，柱形主体102可形成有内柱形腔体116。可将内柱形腔体116构造成在其中容纳附加柱形主体以形成柱形主体的同心组件，多个通道延伸通过该同心组件。

可使用诸如陶瓷、金属以及塑料之类的材料来形成柱形主体102。当然，可设想的是根据应用，也可使用其它材料。在至少一个实施例中，可通过向平直片材上形成通道104、106、108以及110并将该平直片材形成为柱来制造柱形主体102。在一个实施例中，可将片材轧制成卷，使得在片材上形成的通道在轧制卷的每个相邻表面之间提供一定型式的通道。在另一实施例中，可将柱形主体102形成为柱，并且可通过诸如机械加工之类的手段向柱的侧壁112上形成通道104、106、108以及110。

图2描绘了形成为塞子202且被插入到座环204中的柱形主体102的一个实施例。如所描绘的，沿着塞子202的长度形成多个通道206。可使塞子的外侧壁208与座环204的内壁210相接触地定位。在所描绘的实施例中，通道206可仅部分地沿着塞子202的长度延伸。这使得塞子202能够在塞子202被完全插入座环204（未描绘）中时防止塞子202的外侧壁08与座环204的内壁210之间的流体流动。相反地，当塞子202被部分地从座环204取下时，通道206提供用于流体在塞子202的外侧壁208与座环204的内壁210之间流动的路径。如所述，由通道206形成的型式提供改善的空化特性，并且可用来减少湍流、剪切力以及流体速度。在所描绘的实施例中，使用菱形型式。

在一个实施例中，可使用塞子202和座环204来提供可以被节制的但路径多级压降控制。这可以独立地与例如堆叠圆盘保持器相组合地使用，如在美国专利申请号中所讨论的12/473,007。

在另一实施例中，可将流体流动控制装置结合到阀组件中。还可表征为控制阀的阀组件可包括限定流体进口和流体出口的阀体，其在使用中可连接到向和从阀组件传送流体的管道。塞子室可位于进口与出口之间，并且可在其中设置塞子头。可将塞子头耦合到轴，并且可构造成在全开位置与闭合位置之间在塞子室内移动。在打开位置上，可以使塞子头缩回以提供流体进口与流体出口之间的流体连通，允许流体从流体进口流道塞子室并进入流体出口。在闭合位置上，塞子头与阀座邻接，形成在物理上中断流体进口与流体出口之间的流体连通并有效地阻断通过阀体的流体流动的密封。

该轴可包括被与之可控地联接并被构造成控制塞子头的位置的致动器。该致动器可包括本领域的普通技术人员已知的任何适当致动器。另外，可将定位器可操作地联接到致动器。定位器可包括适合于用于所选致动器的任何常规定位器，如本领域的普通技术人员已知的。

图3描绘了用于控制流体流动的同心组件300的一个实施例。如所描绘的，多个柱形主体302、304、306以及308被相互内外地同心地构造而形成同心组件300，多个通道310从其中通过。在本实施例中，柱形主体302位于另一个略微较大柱形主体304的内部柱形腔体312内。在至少一个实施例中，一个柱形主体302的外侧壁接触另一柱形主体304的内侧壁，使得通道310形成用于流体在其之间行进的通路。同样地，甚至更大的柱形主体306在内柱形腔体314中容纳前两个柱形主体302、304。可添加附加柱形主体302直至达到期望尺寸和数目的柱形主体为止。在一个实施例中，可将外部壳316构造成容纳柱形主体302、304、306以及308中的每一个以完成同心组件。可在有或没有在其上面形成通道310的情况下构造外部壳316。在至少一个实施例中，外部壳316可包括管道，同心组件300位于其中以控制流体通过管道的流动。在某些实施例中，同心组件300和/或柱形主体102可收缩配合在一起。在另一实施例中，同心组件300和/或柱形主体可被使用凸缘或保持环保持在一起或者位于管道或外壳中。

图4描绘了根据本公开设想的各种通道类型的透视图和截面。然而，还可设想在本文中未示出的其它通道结构和形状。图4描绘了三个不同通道类型502、504以及506。第一描绘通道类型502具有圆形内表面503，使得通道的截面表现为半圆或半椭圆形状。第二描绘通道类型504具有正方形内表面505，使得通道的截面表现为半正方形或半矩形。正方形内表面505具有与底面512大体上正交地形成的两个壁表面508、510。第三描绘通道类型506具有有角度内表面514。有角度内表面514具有以一定角度交叉地形成而形成三角形状截面的两个壁表面516、518。

每个不同通道类型具有影响流体通过相应通道的流动的不同性质和特性。可以根据应用来选择通道类型以实现通道的期望功能。在某些实施例中，通道类型不限于恒定深度或宽度，而是在深度和宽度中的两者或仅一者方面改变。在至少一个实施例中，通道的深度和/或宽度可对着通道沿着柱形主体102的长度延伸而增加或减小。在其它实施例中，通道的深度和/或宽度可沿着通道路径波动以进一步限定用每个通道的流量特性。

图5描绘了柱形主体604的表面上的一个替换通道型式602。所描绘的型式602由相互交叉而形成偏移砖形型式的多个通道606形成。如所述，在本文中可设想其它通道型式，包括菱形型式、之字形型式、锯齿型式或形成期望弯曲路径的其它型式。例如，在至少一个实施例中，一个或多个通道可来回交错沿着柱形主体604的侧壁纵向地延伸而形成之字形型式。在至少一个实施例中，之字形通道可不相互交叉，但是可构造成每个通过之字形型式提供单独的流体路径。

图6描绘了每个具有在其表面上形成的通道的偏移砖形型式602的柱形主体604的同心组件700。此类组件可在诸如下游排污和阻流管元件及其它相关下游元件之类的应用中使用。在至少一个实施例中，可将本文所述的同心组件和/或柱形主体插入流体路径中，诸如管道的内部。

本公开的附加实施例包括形成流体流动控制装置的方法。参考图1-6来描述此类方法的实施例。如上文所阐述的，本公开的流体流动控制装置102的至少某些实施例可包括一个或多个柱形主体102，其可被同心地构造成形成同心组件300。可以大体上柱形形状形成柱形主体102，并且可包括在其中形成的中心柱形腔体116。可根据特定应用来选择柱形主体102的厚度。

可向柱形主体102的表面上形成通道104、106、108以及110形式的流体通路。在至少某些实施例中，可使用切割器来形成通道104、106、108以及110以将通道切割成柱形主体102。以示例而非限制的方式，切割器可包括可适合于形成拱形通道的孔锯或者可适合于形成大体上线性通道的旋转式锯。切割器可在中途切入到柱形主体102中至所选深度而不完全切穿柱形组件的表面。

通道104、106、108和110的深度可根据特定应用和柱形主体102的厚度而改变。例如，较薄的柱形主体102将允许有更浅的通道，而相对厚的柱形主体102将允许有更深的通道。通道104、106、108和110的宽度也可根据特定应用而改变。通常，通道104、106、108和110的宽度可由用来形成通道104、106108和110的切割器的厚度确定。然而，可通过在几乎相同的位置将切割器切入柱形主体102的表面中两次或更多次来形成比切割器的厚度宽的通道104、106、108和110。

可将每个柱形主体102同心地设置在另一柱形主体102的内腔116中而形成同心组件300。通道104、106、108和110被构造成提供同心组件的同心柱形主体102的表面之间的流体通路。在至少一个实施例中，柱形主体102收缩配合在一起。在另一实施例中，柱形主体被凸缘或其它紧固装置保持在一起。

这些方法在某些实施例中可用比所示更少的步骤或者按照与所示不同的顺序来实施。在不脱离如下面要求保护的本发明的范围的情况下可进行对优选实施例的许多添加、删除以及修改。此外，在不脱离本发明的精神或本质特性的情况下可以其它特定形式来体现本发明。在所有方面应将所述实施例仅仅视为说明性而非限制性的。因此由所附权利要求而不是前述描述来指示本发明的范围。落在权利要求的等价物的意义和范围内的所有改变将被涵盖在其范围内。

虽然在附图中已经描述并示出了某些实施例，但此类实施例仅仅说明而不是限制本公开的范围，并且本公开不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对所述实施例的各种其它添加和修改以及从其删除对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。因此，本公开的范围仅仅受到随后的权利要求的字面语言以及法定等价物的限制。

Claims (24)

1.一种流动控制装置，其包括：

大体上柱形的主体，其沿着纵向轴线延伸且具有侧壁；

至少一个第一通道，其沿着所述侧壁纵向地延伸；和

至少一个第二通道，其沿着所述侧壁纵向地延伸；

其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道中的一者的至少一部分相对于所述纵向轴线以斜角纵向地延伸。

2.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道至少大体上纵向地从所述柱形主体的第一端部延伸到所述柱形主体的第二端部。

3.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道交叉。

4.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述柱形主体是第一柱形主体，并且还包括同心地位于所述第一柱形主体的内柱形腔体中的第二柱形主体。

5.如权利要求4所述的流体流动控制装置，还包括一个或多个附加柱形主体，每个同心地位于另一柱形主体的内柱形腔体中。

6.如权利要求4所述的流体流动控制装置，其中，所述第一柱形主体和所述第二柱形主体每个具有弯曲侧壁，使得所述第一柱形主体和所述第二柱形主体形成大体上球形滚珠。

7.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道与多个其它通道交叉。

8.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道在所述侧壁上形成菱形型式。

9.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道在所述侧壁上形成偏移砖形型式。

10.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有近似圆形内表面。

11.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有正方形内表面，其具有与底面大体上正交的两个壁表面。

12.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有有角度内表面，其包括以一定角度交叉的两个壁表面。

13.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道被以成腔型式构造以控制通过所述第一通道和所述第二通道的物质的成腔。

14.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述柱形主体被构造为塞子，并且还包括围绕所述塞子定位的座环。

15.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有相对于侧壁表面的变化深度。

16.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有沿着纵向轴线的变化宽度。

17.如权利要求1所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道中的至少一个以之字形型式沿着所述侧壁纵向地延伸。

18.如权利要求17所述的流体流动控制装置，其中，所述至少一个第一通道和所述至少一个第二通道不交叉。

19.一种流体流动控制系统，包括：

流体进口；以及

阀，具有相对于所述流体进口定位的流体流动控制装置，使得从所述流体进口通过的流体流过所述流体流动控制装置，所述流体流动控制装置包括：

至少一个大体上柱形主体，其沿着纵向轴线延伸且具有侧壁；

至少一个第一通道，其沿着所述外侧壁纵向地延伸；以及

至少一个第二通道，其沿着所述外侧壁纵向地延伸；

其中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个相对于所述纵向轴线以斜角纵向地延伸。

20.如权利要求19所述的流体流动控制系统，还包括阀体，其包括位于所述流体进口与所述流体出口之间的塞子室，其中，所述至少一个大体上柱形主体被构造为被设置在所述塞子室中的塞子头。

21.一种流体流动控制装置，包括：

两个或更多大体上柱形主体的同心组件，每个柱形主体沿着纵向轴线延伸并具有外侧壁，至少一个柱形主体具有沿着所述外侧壁纵向地延伸的至少一个凹槽，其中，所述第一通道和所述第二通道中的一者的至少一部分相对于所述纵向轴线以斜角纵向地延伸。

22.如权利要求21所述的流体流动控制装置，其中，所述同心组件被构造为塞子。

23.一种形成流体流动控制装置的方法，包括：

在至少一个大体上柱形主体的表面中形成至少一个第一凹槽，所述至少一个第一凹槽沿着所述至少一个大体上柱形主体纵向地延伸；以及

在所述至少一个大体上柱形主体的所述表面中形成至少一个第二凹槽；

其中，所述至少一个第一凹槽和所述至少一个第二凹槽中的一者的至少一部分相对于纵向轴线以斜角纵向地延伸。

24.如权利要求23所述的方法，还包括将多个大体上柱形主体组合成同心组件。