CN108351044B - 阀 - Google Patents

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Abstract

一种可致动的轴向活塞阀，其包括齿轮系统，以将来自致动器的线性运动转换成阀活塞的线性运动，其中所述齿轮系统包括齿条(2、3)和至少一个惰轮(1)。

Description

阀
技术领域
本发明涉及一种可致动的轴向活塞阀和用于这种阀的齿轮机构。所述阀可以被致动，以针对流过所述阀的流体而打开或关闭。优选地，所述阀是可致动的控制阀，所述可致动的控制阀允许横跨所述阀的压降上有全流量和无流量之间的变化(即，通过所述阀的流速的变化)，例如流动阻力在全流阻和最小流阻之间的基本上连续的变化。
背景技术
可以在所有压强条件和所有压差下以低操作力操作的可致动的控制阀是已知的，例如从阀制造商Mokveld NV的Mokveld NV专利申请CA872,106中所描述的即可获知。这种阀包含限定入口和出口的外部壳体，以及容纳限流器的内部壳体，所述限流器用于限制流体沿着流体流动路径流过所述阀。限流器可由阀门外部的可致动杆致动。可致动杆设置成相对于阀壳体沿径向线性运动。可致动的限流器包含活塞，所述活塞可通过致动器的操作在轴向上移动，以打开或关闭或限制流体流动路径。
在Mokveld NV可致动的活塞阀中，活塞的轴向运动由90度齿条系统(一种将阀门致动器力转换成轴向活塞运动的滑动齿轮机构)执行。活塞通过活塞杆和活塞干(pistonstem)进行操作。90度角传动装置由一对滑动齿条组成，所述齿条在活塞杆和活塞干上有匹配的齿位。通常，平齿床与通过阀的流体隔离，所述流体容纳在壳体内并通过活塞杆和导向件上的双主密封件密封。
使用滑动齿轮机构将阀门致动器力转换成轴向活塞运动需要齿条齿的润滑，并且即便是维持有润滑时，由于两个成角度的滑动齿条齿磨损，长期使用后仍存在机构卡住的风险。如果未能通过失效的密封件提供并维持足够的润滑或有污垢进入，可能会导致阀门致动系统因卡住而变得无法控制或切断流量，从而发生灾难性故障。
US2013/200285、US5,494,254、EP 2 385 284和CN103615585涉及使用各种齿条和小齿轮设置的阀，但是这些文献都没有涉及将(致动器的)线性输入运动转换成(活塞的)线性输出运动。
发明内容
根据本发明，提供了一种可致动的轴向活塞阀，所述阀包括齿轮系统，以将来自致动器的线性运动转换成阀活塞的线性运动，其中所述齿轮系统包括齿条和至少一个惰轮。
在优选的实施例中，所述致动器被设置成提供第一齿条在径向方向上的线性运动，所述第一齿条的线性运动被设置成提供所述至少一个惰轮的旋转运动，并且所述至少一个惰轮的旋转被设置成提供可操作地连接到所述活塞的第二齿条的轴向运动，从而提供所述活塞相对于所述阀体在轴向方向上的线性运动。通常，阀将被安装用于水平流动，以使得第一齿条相对于阀体在径向方向上的线性运动是垂直运动，并且第二齿条相对于阀体在轴向方向上的线性运动是水平运动。
齿条和惰轮的齿轮系统避免了滑动齿条产生的问题。即使在没有润滑的情况下，齿轮机构最坏也只会因齿轮齿的逐渐磨损而失效，导致齿轮系统中有啮合间隙，但是齿轮系统(也即阀)仍可工作，以执行流量控制和隔离或关闭。在诸如石油和天然气或核工业等要求苛刻的环境中，能够控制流量并隔离或关闭管道中的流量可能是重要的，而包括这种改进的齿轮系统的轴向活塞阀将提供显著的益处。此外，齿条和惰轮之间的相互作用的较低摩擦相比与滑动齿条之间的摩擦允许使用较小的且更经济的阀致动器。
附图说明
现在将仅通过示例的方式，参考以下附图来描述本发明：
图1是根据第一实施例的具有齿轮机构的阀的剖视图；
图2是图1的阀的齿轮机构组装后的透视图；
图3是根据第二实施例的具有齿轮机构的阀的剖视图；
图4是图3的阀的齿轮机构组装后的透视图；
图5是图3的阀的齿轮机构组装后的另选透视图。
具体实施方式
现在将参照图1和2描述本发明的第一实施例。
图1示出了装配有根据本发明的致动机构(1、2、3)的轴向控制阀。所示的阀包括三件式主体：入口端区段(4)、中心区段(6)和出口区段(5)，如在申请人的以WO2015/049525公开的申请中更一般地描述的那样，WO2015/049525的内容通过引用整体结合于此。尽管示出的实施例是三件式阀，但是本发明的机构同样可以应用于单件式Mokveld型阀或申请人在WO2015/049525中也有描述的两件式阀设计。在图1所示的实施例中，活塞7在阀笼(flowcage)8内操作以提供流量控制阀或节流阀。应该理解的是，可以省略阀笼以提供开/关阀。
阀1以与WO 2015/049525中公开的阀基本上相同的方式操作，并且被设计成使得用于限制沿着通过阀的流体流动路径的流体流动的可致动的限流器(3、7)的移动部件的前表面和后表面(不平行于轴向方向的表面)与上游侧的流体有流体连通。因此，运动部件任一侧上的压强是相等的，并且致动限流器所需的致动力较低。例如，所述阀可用于石油或化学工业。
限流器(3、7)包括两个主要可移动部件，即活塞(7)和活塞杆(3)。活塞(7)可以从不与阀壳体出口区段(5)接合(例如接触)的阀打开位置移动至与阀壳体出口区段(5)接合的阀关闭位置。活塞(7)与阀壳体出口区段(5)的内表面的一部分接合，从而封闭流体流动路径，从而关闭阀门。
可致动的限流器(3、7)还包括活塞杆(3)。活塞杆(3)在其一端附接有活塞(7)。
在图2中更详细地示出了图1的致动齿轮机构(1、2、3)。所述机构包括惰轮(1)，所述惰轮(1)可被齿条相对于阀大致径向方向的线性运动(若阀安装后流动方向水平，则指垂直方向上的运动)带动旋转，所述齿条形成阀致动器轴(2)的一部分，而惰轮(1)的旋转则与形成活塞杆(3)的一部分的齿条相互作用，使得活塞杆(3)和附接的活塞(7)进行轴向(水平)运动。如图2所示，活塞杆(3)的带齿齿条区段可以形成有狭槽，阀致动器轴(3)的较细的带齿齿条区段可以被设置成穿过所述狭槽。还设想了相反的设置，即致动器杆带齿齿条区段比活塞杆带齿齿条区段更宽，并且槽设置在致动器杆带齿齿条区段的齿条区段。如图2所示的前一种配置是优选的。在替代实施例中(未示出)，第一齿条和第二齿条可以被设置成在它们的纵向边缘之间具有间隙。通常，阀致动器轴的带齿齿条区段或阀致动器轴作为整体将相对于阀的径向中心偏置，并且活塞杆的带齿齿条将相对于阀中心轴线方向定向。两个齿条的纵向边缘之间的间隙允许两个齿条相互成直角运动。所述间隙被设置成在接合两个齿条的惰轮的控制下，应该足以允许在两个齿条之间进行这种相对运动，并且所述间隙通常可在0.05mm和50mm之间的范围内。
尽管优选将致动器杆的垂直齿条加工成垂直于活塞轴线，但可以理解的是，两个齿条和惰轮的组合允许改变齿条之间的角度而不影响第一齿条(2)纵向移动而引起第二齿条(3)纵向移动的能力。因此，本发明包括其中齿条(2、3)处于小于或大于90度的相对角度的阀，并且尤其包括阀门致动器轴的齿条相对于所述阀的轴线不精确地径向定向的阀(即，在安装后流动方向水平的阀中不精确垂直)。
由于齿条和小齿轮具有滚动动作，因此比滑动齿条系统的滑动运动具有更低的摩擦。这对可用于制造齿条(2、3)的材料提出的要求更低，并在两个系统中使用相同齿条材料的情况下，降低了损坏的风险。通常，用于齿条(2、3)和小齿轮(1)的材料将由它们的使用环境和必须承担的负载来决定。合适材料的例子包括用于齿条(2、3)的Inconel 718和Nitronic 60以及用于小齿轮(1)的30CrNiMo8V。齿轮部件可以被硬化和/或涂覆，以提高耐用性并减少摩擦和磨损。
惰轮(1)可以先安装在齿轮箱模块中，然后再将所述齿轮箱模块装配到阀体(6)的中心部分，或者也可以直接安装到阀体(6)的中心部分。具有滚动而不是滑动动作的惰轮(1)的使用即使在高负载下也比现有技术Mokveld阀的滑动齿轮机构具有显著的更低的摩擦。这允许用更小尺寸的阀致动器来提供致动器轴(2)的轴向移动。合适的阀致动器可以包括电动的、气动的、液压的或弹簧操作的致动器。
如图2所示，致动器杆(2)和活塞杆(3)的带齿齿条区段以及带齿惰轮(1)都可以是平齿轮齿。可选地，齿轮齿可以是人字形齿轮齿或螺旋齿轮齿或其它齿设置或其组合。人字形齿轮齿的优点是保持惰轮(1)自动居中在致动器轴(2)的轴线上。齿轮齿可以被成型、机加工或研磨，以提高精度和减少出现磨损和啮合间隙的可能性。
现在将描述第二实施例。除了如下所述之外，第二实施例与第一实施例相同。一个实施例的特征可以用在另一个实施例中，反之亦然。第二实施例的设备以与第一实施例相同的方式工作，并且仅仅是在适当的情况下可以选择的替代布局。
在图3-5的实施例中，致动器杆(2)、活塞杆(3)和带齿惰轮(1)设置成使得惰轮(1)位于活塞杆(3)上相对于致动器杆(2)顶部的相反侧，与第一实施例中惰轮位于致动器杆(2)和惰轮(1)之间相反。也就是说，在第二实施例中，致动器杆(2)被定位成比惰轮(1)更靠近阀活塞(7)，并且致动器杆(2)的齿背离活塞(7)。
换句话说，在第二实施例中，与第一实施例中相比，活塞杆(3)围绕其纵向轴线旋转了180度，并且带齿的惰轮(1)也相应地移位。
有利的是，齿轮系统设置可以与本申请人的WO 2015/049525中描述的两件式或三件式轴向活塞阀一起使用，WO 2015/049525的全部细节通过引用并入本文，并且也可以与更常规的单件式Mokveld型阀一起使用。因此，本发明还包括一种可致动的阀，其包括：
外部壳体；
所述外部壳体的上游元件限定入口；
所述外部壳体的下游元件限定出口；和
内部壳体元件，所述内部壳体元件位于所述外部壳体内部，用于容纳可致动的限流器，所述可致动的限流器用于限制流体沿着流体流动路径流动通过所述阀；
其中所述内部壳体元件与所述上游元件和所述下游元件中的至少一者是非整体的，或如图1所示，与二者都是非整体的
其中所述可致动的限流器包括活塞
并且其中所述阀还包括齿轮系统，以将来自致动器的线性运动转换成阀活塞的线性运动，其中所述齿轮系统包括齿条和至少一个惰轮。
阀体部分，尤其是如WO 2015/049525中所描述的两件式或三件式的阀，可通过铸造、锻造、粉末金属烧结制成，可由固体机械加工而成，或可使用这些方法的任何一种或多种制成。合适的材料将取决于阀的应用。
根据本发明的轴向活塞阀可应用于管道中，尤其是在石油和天然气以及核工业中。

Claims (13)

1.一种可致动的轴向活塞阀，所述可致动的轴向活塞阀包括：活塞杆、阀活塞和齿轮系统，以将来自致动器的线性运动转换成所述阀活塞的线性运动，其中：
所述齿轮系统包括齿条和至少一个惰轮；
所述致动器被设置成提供第一齿条相对于所述阀在大致径向方向上的纵向移动；
所述第一齿条的线性运动被设置成提供所述至少一个惰轮的旋转运动；
所述至少一个惰轮的旋转被设置为提供可操作地连接到所述阀活塞的第二齿条的轴向运动，从而提供所述阀活塞相对于所述阀在轴向方向上的运动；
所述第二齿条形成所述活塞杆的部分；且
所述活塞杆在其一端附接有所述阀活塞。
2.根据权利要求1所述的阀，其中所述活塞杆和所述阀活塞的轴向前表面和轴向后表面上的压强相等。
3.根据权利要求1或2所述的阀，其中
所述第一齿条和所述第二齿条彼此成直角设置；
其中所述第一和第二齿条之一包括中央狭槽，所述第一和第二齿条的另一个通过所述中央狭槽，使得所述第一齿条和所述第二齿条可以相对于彼此以直角移动。
4.根据权利要求3所述的阀，其中所述第二齿条是包括中央狭槽的齿条。
5.根据权利要求1或2所述的阀，其中：
所述第一齿条和所述第二齿条彼此成直角设置；
其中所述第一齿条偏离所述阀的径向线；
其中所述第一齿条与将力传递到所述第二齿条的惰轮相配合；
其中所述第二齿条和它所连接的所述阀活塞位于所述阀的中心轴线上；
所述第一和第二齿条彼此相邻地延伸，在它们的纵向边缘之间具有间隙使得所述第一齿条和所述第二齿条可以相对于彼此以直角移动。
6.根据权利要求1或2所述的阀，其中所述齿条和所述至少一个惰轮包括选自平齿、人字形齿和螺旋齿的齿。
7.根据权利要求1或2所述的阀，包括：
外部壳体；
所述外部壳体的上游元件限定入口；
所述外部壳体的下游元件限定出口；和
内部壳体元件，所述内部壳体元件位于所述外部壳体内部，用于容纳可致动的限流器，所述可致动的限流器用于限制流体沿着流体流动路径流动通过所述阀，所述可致动的限流器包括所述阀活塞；
其中所述内部壳体元件与所述上游和下游元件中的至少一个是非整体的。
8.根据权利要求7所述的阀，其中所述内部壳体元件与所述上游和下游元件是非整体的。
9.根据权利要求1或2所述的阀，所述阀为流量控制阀。
10.根据权利要求1或2所述的阀，所述阀为扼流阀。
11.根据权利要求1或2所述的阀，所述阀为节流阀。
12.根据权利要求1或2所述的阀，所述阀为截止阀。
13.一种管道，包括一种或多种根据前述任一项权利要求所述的阀。
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