CN115702302A - 具有用于控制管道中的流体流动的球形段阀的能量回收阀系统 - Google Patents

Abstract

用于控制管道中的流体流动的阀系统，包括：阀体(102)，该阀体(102)用于插入所述管道的中断部中，并设有用于流体在所述管道中流动的进口(103)和出口(104)，所述阀体包括：在所述进口侧的壳体(106)，该壳体(106)在阀系统相对于流体流的上游基本成形为球形段，以及在所述出口侧的、与所述壳体相对的部分；阻塞器(107)，该阻塞器(107)只在阀系统相对于流体流的上游布置在所述壳体中，所述阻塞器有旋转轴线(110)和球形段外轮廓，用于附在所述壳体的球形段上；驱动装置(109)，该驱动装置(109)用于使所述阻塞器从第一位置旋转至第二位置，在该第一位置中，所述管道完全打开，在该第二位置中，所述管道完全关闭；转子，该转子基本成形为涡轮(111)，布置在阀体内部，并设有旋转轴(112)，该旋转轴(112)基本叠置在阻塞器的旋转轴线上或平行于该旋转轴线，所述转子用于通过所述流体流动而旋转。

Description

具有用于控制管道中的流体流动的球形段阀的能量回收阀 系统

技术领域

本发明涉及一种具有用于控制管道中的流体流动的球形段阀的能量回收阀系统。

背景技术

称为“球阀”的装置是已知的，该装置用作管道中的关闭装置，通常是增压管道。

球阀能够选择性地关闭与它相连的管道，以便防止流体(例如气体、液体或蒸汽)在其中流动。为此，本领域已知的球阀包括具有基本球形形状的阻塞器，该阻塞器容纳在合适的座中，并有基本柱形的通孔。

本领域已知的球阀的球形阻塞器能够定向成使它的通孔与流动同轴，从而允许流体流过该阀；球形阻塞器也能够定向成垂直于与管道同轴的方向。球阀的球形阻塞器能够通过合适的促动器(例如可由用户操作的旋钮)来选择地旋转通常0°至90°的角度。

本领域已知的球阀能够通过将阻塞器旋转小于90°的角度来调节在管道(阀已经插入该管道中)中的流体流动，以便只阻塞管道的自由横截面的一部分。这样，流过球阀的流量减小，但并不完全防止。

不过，本领域已知的球阀的流量调节有效性很差。流过阀的流量的调节并不精确，且很难精确地确定实际流过局部关闭的球阀的气体或液体的量。还有，已知的球阀在局部关闭以便调节流体流量时在流体自身内引入巨大的局部能量耗散。这种耗散导致流体的平均速度降低，从而导致降低流速，但是它们通常不会给其中插入球阀的系统带来能量益处。

本申请人的国际专利申请WO2013/121375-A1介绍了一种流体流量控制阀(参考权利要求1)，该流体流量控制阀包括壳体和球形阻塞器，该球形阻塞器包括通孔，其中，所述球形阻塞器插入所述壳体中，并用于在其中绕旋转轴线在第一位置和第二位置之间旋转，在该第一位置中，所述通孔与所述控制阀基本同轴，以便允许流体通过，在该第二位置中，所述通孔基本横向于所述控制阀，以便防止流体通过，其特征在于，所述控制阀还包括在所述通孔内的转子，其中，所述转子用于在流过所述控制阀的流体的作用下以连续的方式旋转，从而绕与所述球形阻塞器的所述旋转轴线基本重合的第二旋转轴线旋转。

球形阻塞器包括两个在直径上相对的球形段部分以及中心孔，当阀局部或完全打开时，流体能够流过该中心孔。

由于转子的存在，这种已知的控制阀能够回收普通控制阀在它们的控制动作中耗散的一部分能量，并能够解决所述申请中提出的问题。不过，仍然存在改进空间，且应当解决一些另外的技术问题，特别是为了通过提高性能和效率来拓宽使用和应用领域，例如用于可压缩流体，同时进一步降低制造成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种具有用于控制管道中的流体流动的球形段阀的能量回收阀系统，该能量回收阀系统有优于现有技术的改进。

本发明涉及一种用于控制管道中的流体流动的阀系统，该阀系统包括半球形或(更通常)球形段的阻塞器以及基本成形为涡轮的转子，该转子能够回收现有技术的控制阀在它们的控制动作中耗散的一部分能量，否则该部分能量将耗散和损失。

优选是，阻塞器的旋转轴线和转子的旋转轴线交叠。

优选是，偏转器也设置于阀系统的上游。

与在上述国际专利申请WO2013/121375-A1中所述的系统不同，根据本发明的阀系统不使用球形阻塞器，而是使用半球形阻塞器，或者更通常使用球形段阻塞器。

这种差异带来了显著的优点(特别是对于需要控制阀的流量系数的不同特性曲线的很多应用)；而且，这种类型的阻塞器(半球形或球形段的类型)提供了使阻塞器下游的流动膨胀的可能性，这对于利用可压缩流体工作来说是必不可少的。

半球形或(更通常)球形段的阻塞器的使用减小了使阻塞器运动所需的扭矩，从而能够采用更小且更便宜的促动器。

而且，本发明的阀系统保证了流体流动的精确控制，特别是在局部打开的状态下也是如此。

本发明涉及一种用于控制管道中的流体流动的阀系统，该阀系统包括：

阀体，该阀体用于插入所述管道的中断部中，并设有用于流体在所述管道中流动的进口和出口，所述阀体包括：在所述进口侧的壳体，该壳体在阀系统相对于流体流的上游基本成形为球形段，以及在所述出口侧的、与所述壳体相对的部分；

阻塞器，该阻塞器只在阀系统相对于流体流的上游布置在所述壳体中，所述阻塞器有旋转轴线和球形段外轮廓，用于贴附在所述壳体的球形段上；

驱动装置，该驱动装置用于使所述阻塞器从第一位置旋转至第二位置，在该第一位置中，所述管道完全打开，在该第二位置中，所述管道完全关闭；

转子，该转子基本成形为涡轮，布置在阀体内部，并设有旋转轴，该旋转轴基本叠置在阻塞器的旋转轴线上或平行于该旋转轴线，所述转子用于通过所述流体流动而旋转。

本发明的特定目的是提供一种能量回收阀系统，该能量回收阀系统有如权利要求中所述的、用于控制管道中的流体流动的球形段阀，该权利要求是本说明书的组成部分。

附图说明

通过下面参考附图对本文提供的示例实施例(和它们的变化形式)的详细说明，将清楚本发明的其它目的和优点，附图中：

图1示意表示了根据本发明的阀系统的第一实施例的侧剖图；

图2表示了根据本发明的阀系统的转子的第一实施例的透视图；

图3、4和5示意表示了阀系统的第一实施例对于阻塞器的三个不同旋转角度(即打开、半关闭和关闭)的侧剖图(与图1的侧剖图垂直)；

图6、7和8示意表示了阀系统的第二实施例对于阻塞器的三个不同旋转角度(即打开、半关闭和关闭)的侧剖图(与图1的侧剖图垂直)；

图9、10和11表示了根据本发明的控制阀的转子的另一实施例；

图12、13和14表示了根据本发明的控制阀的阻塞器的另一实施例；

图15表示根据本发明的控制阀的另一可行构造。

图16表示根据本发明的控制阀的转子的旋转轴线的另一可能位置。

在附图中，相同参考标号和字母表示相同的项或部件。

具体实施方式

图1表示了根据本发明的阀系统101的示意图。阀系统101包括基本空心的阀体102，该阀体102有进口103和出口104，该进口103和出口104使得流体能够在管道105中流动。在操作条件下，阀101能够安装在管道105的合适中断处，该管道105例如包括在增压系统中。

阀101包括使它基本成为“球形段”阀的部件。实际上，它包括壳体106，该壳体106基本成形为球形段，该球形段在内部容纳阻塞器107，该阻塞器107在阀旋转时能够关闭阀101，以便停止在进口103和出口104之间的流体流动，或者局部或完全地打开阀，以便允许流体流动。

如在图3-8中更清楚可见，阻塞器107有基本半球形形状，或者更通常成形为球形段，并包括通孔108，其轴线能够旋转至不同位置。

为了使阀系统正确地操作，阻塞器的半球形或球形段部分107相对于流体流只布置在阀系统的上游。在流体流下游的、包括所述出口(104)的阀体部分是空的。

阻塞器107的构造表示了成形为球形段的外轮廓(相对于阀体的壳体106的构造)，这样，在打开和关闭运动中，阻塞器107将完全贴附在阀体102的壳体106的内边缘上。优选是，球形段的延伸使得保证管道能够完全关闭(图5)，并使得在完全打开时不干扰流动(图3)。

阻塞器的内轮廓能够有例如线性形状，如图3-8中突出表示，但也可能是其它形状。

例如，参考图12-14，阻塞器还可以使它的内轮廓成形为球形段，特别是，这将能够增加涡轮的尺寸，并因此提高能量回收系统的效率。

阻塞器107与促动器109连接，该促动器109在阻塞器107局部或完全打开或关闭时控制该阻塞器107的旋转。促动器可以是机械促动器，例如可由用户操作的旋钮，或者是气动或机电促动器，并能够转动，以使得通孔108与阀101的轴线对齐(从而允许流体流过)，或者使得通孔108布置成基本横向于阀101的轴线(从而基本防止流体流过)。

在壳体106和球形阻塞器107之间的联接使得当阻塞器处于关闭位置时保证紧密性，不管该流体是液体、气体、蒸汽还是任何其它多相流体。为了保证这种紧密性，可以使用已知的元件和技术。

因此，阻塞器107用于绕轴线110旋转。

阀系统101还包括转子111，该转子111布置在通孔108内，并固定在轴112上，转子111用于绕该轴112旋转。轴112与轴线110同轴，或者在本文所述的其它实施例中至少与该轴线110基本同轴或平行，这样，阻塞器107能够旋转以便关闭阀101，而并不损害转子111的操作。实际上，转子111用于在流过阀101的流体的作用下旋转，这将在下文中更详细介绍。

轴112的一端从球形阻塞器107凸出，且在图1的非限制实例中还从阀101的本体凸出。轴112的凸出端与用户装置114机械地连接或者直接连接(在图1的实例中)。用户装置114用于使用由于转子111的旋转而由轴112供给的机械功率。在该实例中，促动器109在阀101的、与用户装置114相对的一侧定位在轴线110处。

因此，用户装置114可以是发电机或机械装置，例如风扇。用户装置114还可以包括已知的传动联接器或减速器，为了简明而未示出。

图2表示了装配在轴112上的转子111的一个可行实施例。转子111基本成形为涡轮，并包括四个叶片201，这四个叶片201用于在流过阀101的流体流的作用下旋转，并产生将驱动转子111自身的轴112的扭矩。

在一个实施例中，转子111包括沿转子111轴线的通孔202。轴112能够插入该孔202中，该孔优选是具有十字形截面，该轴112优选地一端铰接在球形阻塞器107的空腔115(见图1)中，另一端从阀101凸出并与上述用户装置114连接。

对于建造材料，应当采用良好工程实践的标准，使用通常用于普通控制阀的已知金属合金，并考虑操作压力和温度、工作环境的侵蚀性和流体的腐蚀性。

必须指出，根据本发明的阀可以通过改造已知的球阀来获得，在合适机械加工后，部件例如转子111、轴112和用户装置114添加至球阀。特别是，本文中参考图2所示的转子111的示例实施例(即轴112与转子111分离)对于转换球阀特别有利，因为转子111用于自由地插入通孔108中，因此轴112随后能够沿轴线110装配至球形阻塞器107的孔中，从而使得转子111通过成形孔202而与轴112连接。

图3示意表示了在操作条件下的阀系统101的侧剖图。阻塞器107在本文中表示为处于完全打开构型，其中通孔108的轴线与阀101的轴线同轴，从而允许流体通过。

在流动流体的作用下(在该图和接下来的图中示意表示为局部流线)，转子111旋转，从而可旋转驱动轴112。

图4示意表示了处于局部打开构型的阀系统的侧剖图，其中，通孔108的轴线在阻塞器107旋转之后相对于阀系统101的轴线转动，因此仍然允许流体通过，但是流速更低。实际上，阻塞器107的边缘401影响流体流动，从而引入降低流体流速的负载损失。

不过，转子111在流动流体的作用下保持转动。因此，即使在阀局部关闭的情况下，由于轴112提供的扭矩，仍然能够动力回收。而且，通过调节转子111的阻力矩，能够进一步提高流体流动调节。

优选是，转子111的叶片朝向流体进口方向弯曲，从而提高效率，并方便转子起动。而且，优选是，转子111叶片的尺寸设置成在转子111在通孔108中的至少一些旋转位置中占据孔108自身的基本整个自由部分，而并不干扰阻塞器的运动。

图5示意表示了阀系统在关闭构型的侧剖图，其中，通孔108的轴线在阻塞器107旋转之后相对于阀101的轴线转动90°，从而基本防止流体流过阀。由于没有流体能够绕转子111流动，因此该转子111将保持静止，并不产生动力。在这种构型中，阀101能够关闭管道105，从而有效地执行与现有技术球阀相同的任务。在这方面，转子111的存在不会对阀101的尺寸和性能有不利影响。可以看出，阻塞器107的球形段相对于流体流动方向位于阀体的前部。

阻塞器107定位成使得它只填充阀体102的两个侧部部分中的一个，而另一侧部部分102'是空的。因此，该另一侧部部分102'能够以不同方式构造，以便满足特殊要求，例如如参考图6-8所述。与参考图3-5所述部件相同的那些部件将不再进一步介绍。

根据该变化形式，由于阻塞器只有一个流量调节座，因此能够修改阀体的自由部分的构造，以便获得阀的最佳CV(流量系数)，并使它可用于不同条件。

这里，该自由部分603有普通的线性形状，具有恒定斜率，以便连接下游阀体，该下游阀体具有与阀体下游和上游的管道相同的尺寸。这种条件可能对于不可压缩流体的应用很有利，该不可压缩流体并不在压力降低时膨胀。对于可压缩流体，流体将在阻塞器的下游、涡轮处和涡轮的下游膨胀；在这种情况下，阀的特殊构造使它能够很容易地扩大阀体的末端部分，以便允许流体膨胀，以便限制速度增加和使得阀体与比上游管道105更大的下游管105'连接，见图15。

在该构造中，不再需要保持阻塞器驱动系统和涡轮旋转轴线彼此同心/在相同的旋转轴线上。该涡轮旋转轴线(标记为112')能够合适地向下游运动和偏移，以便优化涡轮的尺寸和位置(见图16)。

因此，通常，阀体的、与包括阻塞器的部分相对的另一侧向部分包括在所述出口104处的空部分以及接合部分，该接合部分有在管道中断处的球形段展开102'或线性展开(603)。

根据另一变化实施例，偏转器602定位在阀体102的进口处，即相对于流体流动方向在转子111的上游。

偏转器602通过将流体流引向转子112的上部叶片来提高转子111的效率，因此该转子112将受到更大推力。

偏转器602可以是锚固和焊接在支承件上的简单板，或者它可以有更高气动流体动力学效率的形状，以避免脉络断裂。

优选是，偏转器602布置在使它相对于转子111的旋转轴线不对称的位置，即，在阀体102的横截面中相对于轴112不对称的位置，优选是在阻塞器107的开口部分中。

当阀局部打开时，通过将流体不对称地导向转子111的叶片，偏转器602还允许转子111更容易地设置运动，从而方便它的起动。

偏转器602有助于避免在阻塞器107的边缘401上的任何集中耗散，该集中耗散将影响流体流动。因此，通过以更有效的方式控制负载损失(该负载损失减少通过阀的流体流量)，能够进一步提高流体流动的调节。

根据本发明的阀系统可以包括根据不同制造方案来制造并有不同形状的转子，这将基本取决于阀自身的应用类型。

转子的结构将主要取决于流体(阀将优化成用于该流体)的类型，不管是气体、液体、蒸汽还是任何其它多相流体。

这种多样化也与特殊的液体类型相关，例如用于具有不同粘度或密度的液体。例如，对于利用油工作的阀(与利用水相反)将需要不同的特性，例如更高的流动系数，以便获得增加的流速；而且，转子叶片必须是自清洁的。

图9表示了可以在根据本发明的控制阀中使用的转子901的另一实施例。在该变化形式中，转子901包括四个叶片，这四个叶片用于在流过阀的流体的作用下旋转，并产生将驱动轴112的扭矩。

转子901包括多个孔902，这将由于较大的流动表面而增加了流动系数，尽管损害了涡轮的效率。

孔902优选是位于转子902的旋转轴线附近，以使得叶片的最外侧部分(即杠杆臂最长的位置)将仍然工作，从而产生更大功率。

还可以设想转子的其它变化形式，该转子在叶片数量上基本彼此不同。

图10示意表示了包括转子111b的阀101b，该转子111b包括三个叶片，它优选是用于与非常粘稠的液体一起使用。

图11示意表示了包括转子111c的阀101c，该转子111c包括十个叶片，它优选是用于与气体一起使用。

在优选实施例中，如上所述，转子的叶片朝向流体进口方向弯曲，以便提高效率和方便转子的起动。也可选择，叶片可以是平坦的，例如当这种选择由生产成本要求决定时。

因此，根据本发明的阀系统能够回收由流过其中的流体耗散的至少一部分能量；同时，它还基本保持了这种阀类型的典型控制能力。回收的能量将取决于阀将必须在其中操作的流体动力学条件、阀打开角度(即阀阻塞器的旋转角度)以及涡轮机的效率，该涡轮机的效率又将取决于它的形状。

根据本发明的阀系统还使它能够在允许流体流过阀的大多数阻塞器开口角度下有效地利用涡轮。

而且，与上述国际专利申请WO2013/121375-A1不同，在这种情况下，即使在转子的旋转轴线与阻塞器的旋转轴线不重合时也获得更高效率的情况下，转子的引入也不需要对球形段阀的结构或操作原理进行任何实质修改，同时提供紧凑、容易制造的装置。

优选是，转子包括轴和多个叶片，这些叶片基本横向于流体流，并固定在轴上。这提供了具有简单结构的高效转子。

优选是，对于转子的一些旋转位置，叶片的尺寸设计成基本占据球形段阻塞器下游的整个阀体自由横截面。

优选是，叶片包括在它们表面上的孔，以便减少在流过转子的流体中发生的耗散，并提高流量控制精度。

优选是，控制阀包括定位在所述转子上游的偏转元件，该偏转元件用于与流体流进行流体动力学相互作用，以便提高效率和方便转子的起动。

优选是，偏转元件在由阀的旋转轴线确定的横截面处不对称地定位在阀中。

优选是，阀能够与机械用户装置或发电机相连，以便将转子的旋转转换成可用能量。因此，阀提供了机械或电能量源，该阀即使在偏远或难以接近的地方也将可用，或者无论如何它能够在没有电网线的地方提供电源。

不过，上述非限制实例可以在不脱离本发明保护范围的情况下进行其它变化，包括本领域技术人员已知的所有等效实施例。

例如，对于转子，可以设想很多实施例，取决于阀系统是否必须在完全打开或局部打开的条件下利用可压缩或不可压缩的流体来进行操作；它还可以基于阀自身的普遍操作条件来优化阀的各种元件的形状和结构(在阻塞器中的孔的直径、阀体进口和出口直径、阀体的尺寸和形状等)。

还可以设想将促动器109定位在阀101的、布置用户装置114的相同侧；尽管需要更复杂结构(例如，促动器可能需要存在穿过轴112的孔)，但是可以通过考虑阀自身的外部尺寸而在推荐时使用该实施例。

不过，在不脱离本发明的保护范围的情况下，在各个优选实施例中所示的元件和特征能够组合在一起。

根据上述说明，本领域技术人员将能够在不引入任何其它构造细节的情况下产生本发明的目的。

Claims (9)

1.一种用于控制管道中的流体流动的阀系统，包括：

阀体(102)，该阀体(102)用于插入所述管道的中断部中，并设有用于流体在所述管道中流动的进口(103)和出口(104)，所述阀体包括：在所述进口侧的壳体(106)，该壳体(106)在阀系统相对于流体流的上游基本成形为球形段，以及在所述出口侧的、与所述壳体相对的部分(102')；

阻塞器(107)，该阻塞器(107)只在阀系统相对于流体流的上游布置在所述壳体中，所述阻塞器有旋转轴线(110)和球形段外轮廓，用于贴附在所述壳体的球形段上；

驱动装置(109)，该驱动装置(109)用于使所述阻塞器从第一位置旋转至第二位置，在该第一位置中，所述管道完全打开，在该第二位置中，所述管道完全关闭；以及

转子，该转子基本成形为涡轮(111)，布置在阀体内部，并有旋转轴(112)，该旋转轴(112)基本叠置在阻塞器的旋转轴线上或平行于该旋转轴线，所述转子用于通过所述流体流动而旋转。

2.根据权利要求1所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：所述阻塞器有在所述阀体内部的线性或球形段轮廓。

3.根据权利要求1所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：转子(111)的所述旋转轴(112)从所述阀体(102)出来，并用于与利用转子的旋转能量的用户装置(114)连接。

4.根据权利要求1所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：所述转子(111)包括多个叶片(201)，这些叶片(201)基本横向于所述流体的流动，并固定在所述旋转轴(112)上。

5.根据权利要求4所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：所述叶片(201)朝向所述流体进口侧弯曲。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，还包括：偏转元件(602)，该偏转元件(602)定位在所述转子(111)的上游，并用于与所述流体的流动进行流体动力学相互作用。

7.根据权利要求6所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：所述偏转元件(602)相对于所述旋转轴(112)不对称地定位。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：所述旋转轴线(110)基本横向于流过所述阀(101、601)的所述流体流。

9.根据权利要求1所述的用于控制管道中的流体流动的阀系统，其中：阀体的所述相对部分(102')包括在所述出口处的空部分以及用于连接所述管道中断部的球形段或线性部分(603)。

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