CN112013126B - 一种压力平衡式调节球阀 - Google Patents

Abstract

一种压力平衡式调节球阀，包括上阀盖、阀体、阀杆、球形阀芯、阀座、阀笼和驱动装置，至少两个阀座设置在阀笼的窗口内并通过球形阀芯固定，阀座与阀笼之间由内向外依次安装有密封圈和碟簧/圆柱螺旋弹簧；球形阀芯为空心三通球体，在空心三通球体上沿水平中心线方向开设两个侧通孔，沿球体垂直中心线方向的下端开有底部通孔，其上端的表面设有弧形槽，弧形槽的两侧开有平衡孔，阀杆一端置于弧形槽内且浮动连接，另一端穿过上阀盖与驱动装置相连，阀杆与上阀盖之间密封接触；阀体为角通型或S流线型流体通道的直通型。本发明能够将球阀作为调节阀使用，避免介质力的不利影响，阀芯和阀体的体积、高度和重量都可以紧凑化、轻量化，节约生产成本。

Description

一种压力平衡式调节球阀

技术领域

本发明涉及一种球阀，尤其是一种压力平衡式、调节球阀。

背景技术

目前，公知的，球阀是以球体作为关闭件的阀门，主要由阀体、阀座、球体、阀杆、手柄(或其他驱动装置)组成。球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道中流体通道，即球阀通常作为闭路阀。它的作用原理是：借助手柄或其他驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90°，球体的通孔则与阀体通道中心线重合或垂直，球阀便完成了全开或全关的动作。可见，球阀只能开和关，并不能调节流量，原因是压力恢复系数小、抗气蚀能力弱，所以基本不能成为调节阀来使用，把它半开半闭，流过它的流量并不是50％左右，而且波动很大，如果人为将球阀半开半闭还会损害球阀，大大缩短它的寿命。

现有的球阀还往往都是直通式、快通型，即流径为直线，在关死阀之后，球体阀芯或阀座会受到来自介质的侧向力，该侧向力最终集中作用于阀杆上，造成阀杆与阀盖接触面所受摩擦力加大，尤其是在大口径、高压差的情况下，阀杆承受的侧向扭矩更大，导致手动操作费力，执行装置或执行器的配置要求高，不仅阀杆容易损坏，还增加整阀的重量和成本。

而现有的压力平衡调节阀通常具有平衡阀芯，利用阀笼导向，流体主要由特殊钻孔的阀笼调节，阀笼为阀芯提供全行程连续导向，阀芯上下移动，控制阀笼窗口面积来调节介质的流量，广泛应用于非常严酷的工况。一方面，这种压力平衡调节阀的阀芯由执行机构驱动上下移动，上下行程大，故阀笼和阀体要具有一定的高度尺寸，造成阀体高度大、重量大，制造成本增加。另一方面，阀杆与阀芯是固定连接的，虽然阀芯通过设置平衡孔可以将阀芯所受的力大部分平衡掉，原理上使其达到平衡状态，但实际上还是会受到阀杆向上的牵引力的影响，无法真正做到完全的不受力，即无法达到真正的压力平衡式。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种压力平衡式调节球阀，能够将球阀作为调节阀使用，避免介质侧向扭矩力和向上力的不利影响，阀芯可以做到完全平衡式，且阀芯和阀体的体积、高度和重量都可以紧凑化、轻量化，节约生产成本。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括上阀盖、阀体、阀杆、球形阀芯、阀座、阀笼和驱动装置，上阀盖和阀体固定连接，阀体内部形成腔体，阀笼通过上阀盖固定在阀体的腔体内，上阀盖与阀笼、阀体之间密封连接；环状的阀座安装在阀笼上的窗口内并通过置于腔体中心位置的球形阀芯固定，阀座和窗口的数量一致且至少为两个，阀座与阀笼之间由内向外依次安装有密封圈和碟簧或者阀座与阀笼之间由内向外依次安装有密封圈和圆柱螺旋弹簧；所述的球形阀芯为空心三通球体，在空心三通球体上沿水平中心线方向开设两个侧通孔，沿球体垂直中心线方向的下端开有底部通孔，其上端的表面设有弧形槽，弧形槽的两侧开有平衡孔，阀杆一端置于弧形槽内，与球形阀芯呈现浮动连接，另一端穿过上阀盖与驱动装置相连，阀杆与上阀盖之间密封接触；阀体为角通型或具有呈S流线型流体通道的直通型；角通型的阀体一个流道与球形阀芯的侧通孔连通，另一个流道与球形阀芯的底部通孔连通；直通型的阀体中间的隔断将腔体分为上下连通的阀体上腔及阀体下腔，阀体上腔分别与一个流体通道及球形阀芯的两侧通孔连通，阀体下腔分别与另一个流体通道及球形阀芯的底部通孔连通。

相比现有技术，本发明的一种压力平衡式调节球阀，具有以下的显著优势：1)与现有的球阀相比，本发明S流线型流体通道的阀体与球形阀芯配合，使阀的流阻系数大，压力恢复系数高，抗气蚀能力强，具有调节阀的功能，可以使用于调节场合；球形阀芯可以设计成调节式的，在侧通孔的部位开各种形状的窗口，用于阀门调节场合，作为调节阀来使用。

2)不管阀前阀后，本发明的球形阀芯完全不受来自介质向上的力和侧向的力，分别利用侧通孔、底部通孔和平衡孔将这些力平衡掉，特别是球形阀芯和阀杆是脱开的非连为一体的结构(通过弧形槽放置)，球形阀芯丝毫不受阀杆往下的作用力，处于绝对的平衡状态，转动阀杆时，阀杆所受的力矩为：阀杆承受介质向上的作用力、与上减磨垫片接触转动产生的力矩、填料摩擦力产生的力矩以及球形阀芯与阀座相对运动产生的摩擦力矩，本发明向上的阻力较小，阀杆需要的扭矩较小，阀杆需要的扭矩减小，减少了阀杆与上阀盖台阶处的摩擦力，阀杆的使用寿命延长，在手动驱动时操作省力，自动驱动时能够降低驱动装置配置，节省成本。

3)与现有的平衡式调节阀相比，球形阀芯没有上下运动，体积减小，阀笼、阀体、阀座的高度都减少小，阀的高度小，阀体的空间小了，阀的重量减轻，成本低，节省原材料，降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中A处的放大结构示意图，主要涉及阀笼、阀座和阀体的结构及相对位置关系。

图3是本发明另一个实施例中涉及阀笼、阀座和阀体结构处的放大图。

图中，1、阀体，2、阀座密封圈，3、下减磨垫片，4、阀笼，4-1、支撑结构，5、碟簧，6、密封圈，7、阀座，8、球形阀芯，9、阀盖密封圈，10、导向套，11、上减磨垫片，12、阀杆，13、螺柱，14、螺母，15、上阀盖，16、手柄，17、填料压盖，18、连通孔，19、螺纹。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1和图2示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种压力平衡式调节球阀，包括上阀盖15、阀体1、阀杆12、球形阀芯8、阀座7、阀笼4和驱动装置，上阀盖15和阀体1固定连接，具体可以通过螺柱13和螺母14进行连接；阀体1内部形成腔体，阀笼4通过上阀盖15固定在阀体1的腔体内；环状的阀座7安装在阀笼4上的窗口内并通过置于腔体中心位置的球形阀芯8固定，阀座7和窗口的数量一致且至少为两个，具体数量取决于满足球形阀芯8的受力为平衡力即可；阀座7与阀笼4之间由内向外依次安装有密封圈6和碟簧5或者阀座7与阀笼4之间由内向外依次安装有密封圈6和圆柱螺旋弹簧；所述的球形阀芯8为空心三通球体，在空心三通球体上沿水平中心线方向开设两个侧通孔，沿球体垂直中心线方向的下端开有底部通孔，其上端的表面设有弧形槽，弧形槽的两侧开有平衡孔，阀杆12一端置于弧形槽内与球形阀芯8呈现浮动连接，另一端穿过上阀盖15与驱动装置相连，这里的驱动装置可以是手动驱动装置或自动驱动装置，手动驱动装置包含不带驱动机构的手柄16、扳手和手轮等实现结构以及采用蜗轮蜗杆、螺杆齿条、螺杆齿条、螺杆拨叉和球体上带螺旋槽的手动装置，自动驱动装置包括电动执行器、液动执行器和气动执行器；阀体1为具有呈S流线型流体通道的直通型，阀体1中间的隔断将腔体分为上下连通的阀体上腔及阀体下腔，阀体上腔分别与一个流体通道及球形阀芯8的两侧通孔连通，阀体下腔分别与另一个流体通道及球形阀芯8的底部通孔连通。

本实施例中，所述的阀杆12与上阀盖15之间需要密封接触，具体的优选实现密封方案是，所述的阀杆12与上阀盖15之间设有填料，填料通过填料压盖17固定；所述的上阀盖15与阀笼4、阀体1之间也需要进行密封连接，优选实现方案是，在上阀盖15与阀笼4、阀体1之间安装有阀盖密封圈9。

本发明实施中球形阀芯8与阀座7之间的密封性，主要依靠相互二者在接触面的受力实现，这个力不能太大或太小，力太大容易把阀座7挤压坏，同时这个力过大还会对球形阀芯8以及阀杆12产生较大的扭矩，力太小又容易密封失效。现在这个力主要由碟簧5或圆柱螺旋弹簧的蓄能及自身在介质力的作用下发生弹力变形带来，为了充分利用介质力，使碟簧5或者圆柱螺旋弹簧处的介质力足够大，特别是在大口径、高压差的环境条件下，确保达到密封受力的需要，因此需要使介质迅速进入碟簧5或者圆柱螺旋弹簧所在的空间，从而使介质的力更好地作用于阀座7。作为实现前述目的的具体举措是，参见图2，在所述的阀座7上开设至少一个连通孔18，连通孔18的两端分别是阀座7内部和碟簧5所在的空间或者连通孔18的两端分别是阀座7内部和圆柱螺旋弹簧所在的空间。参见图3，作为另一种具体实施手段是，在阀笼4上开设至少一个连通孔18，连通孔18的两端分别是阀笼4端部的阀体1的腔体和碟簧5所在的空间或者连通孔18的两端分别是阀笼4端部的阀体1的腔体和圆柱螺旋弹簧所在的空间。

从芯座的密封原理上来说，所述的阀座7与球形阀芯8的接触面相对于密封圈6的位置，决定了密封力的方向和密封力的大小，介质力配合弹簧的力产生对芯座密封线的密封力。参见图1和图2，当介质为高进低出时，所述的球形阀芯8与阀座7的接触面最大外径小于密封圈6与阀笼4接触面的尺寸，即本发明实施例所给出的，以促使球形阀芯8与阀座7紧密接触。而当介质是低进高出时，所述的球形阀芯8与阀座7的接触面最大外径大于密封圈6与阀笼4接触面的尺寸，促使球形阀芯8与阀座7紧密接触。

在一个优选的实施例中，所述阀笼4上窗口的形状为阶梯通孔，阶梯通孔限制阀座7、碟簧5以及密封圈6的移动空间或者阶梯通孔限制阀座7、圆柱螺旋弹簧以及密封圈6的移动空间，使阀座7与球形阀芯8紧密接触。

在一个优选的实施例中，可以将所述球形阀芯8的侧通孔设为窗口结构，这样的侧通孔与阀笼4形成配合实现更细致和优化的调节流量功能，窗口结构的具体形状任意且数量不限，主要利用等百分比流量特性来优化。

在另一个优选的实施例中，在所述阀座7远离球形阀芯8的端口内壁上加工有装配阀座7用的螺纹19或槽口，用于安装时方便操作，具体是先利用工具通过螺纹19或槽口将阀座7从内侧放入阀笼4侧通孔内，再继续从外侧拉住，接着将球形阀芯8放入阀笼4中心，这时阀笼4抵住阀座7使其固定在阀笼4上，将装配的工具移开即完成阀笼4、阀座7与球形阀芯8的预组装，之后再将整体置于阀体1的腔体内。阀座7与阀笼4的安装关系不局限于此，还可以利用螺栓将二者固定在一起，当然螺纹19或槽口的设计在节省空间方面具有优势。

从进一步优化密封、受力以及减磨等性能角度看：优选地，所述的阀杆12与上阀盖15相接触的台阶处安装上减磨垫片11。优选地，所述阀杆12的下半段与上阀盖15之间还安装有导向套10，上减磨垫片11位于导向套10的顶端内侧。优选地，所述阀笼4的下端口带有支撑球形阀芯8的支撑结构4-1。进一步地，所述的支撑结构与阀体1、支撑结构与球形阀芯8之间分别安装阀座密封圈2和下减磨垫片3。

工作原理：高进低出状态下，在阀门完全关闭时，一方面，阀前介质从阀体1内高进流道进入之后先从位于阀笼4外侧的窗口作用于球形阀芯8的一侧，同时介质经S流线型流体通道绕到位于阀笼4内侧的窗口作用于球形阀芯8的另一侧，即球形阀芯8两个侧向都有介质，从而来自介质的侧向力相互平衡掉了，因此阀杆12也就不受侧向扭矩，在驱动时阀杆12需要的扭矩减小，操作省力，降低配置。另一方面，阀后的介质，从阀体1的低出流道进入，经球形阀芯8的底部通孔流到其内部，再由平衡孔流出，从而来自介质向上的力在球形阀芯8内外平衡掉了；且因为球形阀芯8和阀体1是分体式的，球形阀芯8完全不受阀杆12向上和向下力的影响，仅在阀杆12与填料之间承受向上的力，向上的阻力减小，减少台阶处摩擦力，特别是在大口径的阀门，向上的介质力通常会比较大，但本发明仍然只有阀杆12承受往上的力，即使是在高压差的条件下，球形阀芯8也不会随之产生向上的位移，改进优势很显著。

本发明同样适用于阀体1为角通型的实施例，结构、原理及有益效果与直通型实施例相似，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压力平衡式调节球阀，其特征是：包括上阀盖(15)、阀体(1)、阀杆(12)、球形阀芯(8)、阀座(7)、阀笼(4)和驱动装置，上阀盖(15)和阀体(1)固定连接，阀体(1)内部形成腔体，阀笼(4)通过上阀盖(15)固定在阀体(1)的腔体内，上阀盖(15)与阀笼(4)、阀体(1)之间密封连接；环状的阀座(7)安装在阀笼(4)上的窗口内并通过置于腔体中心位置的球形阀芯(8)固定，阀座(7)和窗口的数量一致且至少为两个，阀座(7)与阀笼(4)之间由内向外依次安装有密封圈(6)和碟簧(5)或者阀座(7)与阀笼(4)之间由内向外依次安装有密封圈(6)和圆柱螺旋弹簧；

所述的球形阀芯(8)为空心三通球体，在空心三通球体上沿水平中心线方向开设两个侧通孔，沿球体垂直中心线方向的下端开有底部通孔，其上端的表面设有弧形槽，弧形槽的两侧开有平衡孔，阀杆(12)一端置于弧形槽内与球形阀芯(8)呈现浮动连接，另一端穿过上阀盖(15)与驱动装置相连，阀杆(12)与上阀盖(15)之间密封接触；阀体(1)为角通型或具有呈S流线型流体通道的直通型；角通型的阀体(1)一个流道与球形阀芯(8)的侧通孔连通，另一个流道与球形阀芯(8)的底部通孔连通；直通型的阀体(1)中间的隔断将腔体分为上下连通的阀体上腔及阀体下腔，阀体上腔分别与一个流体通道及球形阀芯(8)的两侧通孔连通，阀体下腔分别与另一个流体通道及球形阀芯(8)的底部通孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：在所述的阀座(7)上开设至少一个连通孔(18)，连通孔(18)的两端分别是阀座(7)内部和碟簧(5)所在的空间或者连通孔(18)的两端分别是阀座(7)内部和圆柱螺旋弹簧所在的空间；或者在阀笼(4)上开设至少一个连通孔(18)，连通孔(18)的两端分别是阀笼(4)端部的阀体(1)的腔体和碟簧(5)所在的空间或者连通孔(18)的两端分别是阀笼(4)端部的阀体(1)的腔体和圆柱螺旋弹簧所在的空间。

3.根据权利要求1或2所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：当介质为高进低出时，所述的球形阀芯(8)与阀座(7)的接触面最大外径小于密封圈(6)与阀笼(4)接触面的尺寸；当介质是低进高出时，所述的球形阀芯(8)与阀座(7)的接触面最大外径大于密封圈(6)与阀笼(4)接触面的尺寸。

4.根据权利要求3所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述阀笼(4)上窗口的形状为阶梯通孔，阶梯通孔限制阀座(7)、碟簧(5)以及密封圈(6)的移动空间或者阶梯通孔限制阀座(7)、圆柱螺旋弹簧以及密封圈(6)的移动空间，使阀座(7)与球形阀芯(8)紧密接触。

5.根据权利要求3所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述球形阀芯(8)的侧通孔设为窗口结构。

6.根据权利要求3所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：在所述阀座(7)远离球形阀芯(8)的端口内壁上加工有装配阀座(7)用的螺纹(19)或槽口。

7.根据权利要求3所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述的阀杆(12)与上阀盖(15)之间设有填料，填料通过填料压盖(17)固定；在上阀盖(15)与阀笼(4)、阀体(1)之间安装有阀盖密封圈(9)。

8.根据权利要求7所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述的阀杆(12)与上阀盖(15)相接触的台阶处安装上减磨垫片(11)；所述阀杆(12)的下半段与上阀盖(15)之间还安装有导向套(10)，上减磨垫片(11)位于导向套(10)的顶端内侧。

9.根据权利要求3所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述阀笼(4)的下端口带有支撑球形阀芯(8)的支撑结构(4-1)。

10.根据权利要求9所述的一种压力平衡式调节球阀，其特征是：所述支撑结构(4-1)与阀体(1)、支撑结构(4-1)与球形阀芯(8)之间分别安装阀座密封圈(2)和下减磨垫片(3)。

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