CN115735074A - 具有用于控制管道中的流体流动的侧向流动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)；·侧向流动阀(106)，该侧向流动阀(106)在管道中基本横向地展开，在流体流动的上游布置于在所述阀体(102)中，所述阀包括阻塞器(107)，该阻塞器(107)能够在所述管道中横向运动，以便“侧向地”中断在所述管道中的一部分流体流动；·驱动装置(109)，该驱动装置(109)用于使所述阻塞器从第一位置运动至第二位置，在该第一位置中，所述管道完全打开，在该第二位置，所述管道完全关闭；·转子，该转子基本成形为涡轮(111)，相对于流体流在所述阀(107)的下游布置于阀体(102)内，所述转子位于离所述阀一定距离处，包括在压力恢复区域内，所述压力由所述阀在没有所述涡轮的情况下产生，所述距离由在所述阀的下游达到具有直测压线和恒定压力角的区块来限定。

Description

具有用于控制管道中的流体流动的侧向流动阀的能量回收阀 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侧向流动型的阀的能量回收阀系统。

背景技术

用于控制管道中的流体流动的几种类型的阀是本领域中已知的，它们用作管道内的关闭装置，通常是增压管道。

这些阀能够选择地关闭与它们相连的管道，以便控制流体流动，不管可压缩流体(例如气体或蒸汽)还是不可压缩流体(例如液体)。为此，本领域已知的阀包括具有适当形状的阻塞器，该阻塞器容纳在管道内的合适座中。

特别是，闸阀为已知的，即阀在管道内沿基本横向的方向展开：闸门在管道中横向运动，从而在管道中“侧向地”停止部分流体的流动，这意味着流体只能在管道的、由闸门保持打开的侧向部分中流动。

不过，所述已知阀的流量调节效果很差。通过阀的流量的调节不准确，且很难精确地确定实际流过局部关闭的阀的流体量。而且，当为了调节流体的流动而局部关闭时，局部关闭的阀在流体自身内引入巨大的局部能量耗散，该能量基本上损失。这种耗散导致与流体相关联的能量减少，从而导致流体的流速和/或压力降低。通常，这种耗散并不给插入阀的系统带来能量益处。

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侧向流动类型的阀的能量回收阀系统，该能量回收阀系统具有对现有技术的改进。

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：阀体，该阀体包围侧向流动阀；以及转子，该转子基本成形为涡轮(下文称为转子或涡轮)，该涡轮能够回收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。

涡轮相对于流体流定位在阀的下游，该位置的特征是存在在该阀之前的收缩脉(vein)。

涡轮定位区域由上游阀和由在阀下游压力完全恢复的区段来确定；该区域可以指示性地限定在5-6个管直径的范围内，还影响了阀开口和流体动力学条件。

涡轮的旋转轴线优选地垂直于流动并且垂直于阻塞器的关闭方向，位于与阀关闭方向平行的平面中，并根据闸门/阻塞器的形状而在可变高度处。

而且，涡轮可以完全包含在阀体的合适座内，该座的尺寸等于下游管道的尺寸，或者可以需要不同尺寸的座，取决于应用和允许的外部尺寸。

阀体可以制造为包含阀和涡轮的单件，或者它可以分成至少两个部分，一个部分包含阀，另一部分包含涡轮。

在本发明的框架内，术语“侧向流动类型的阀”包括在管道中基本横向展开的各种类型的阀，该阀包括阻塞器，该阻塞器能够在管道中沿基本横向方向运动，以便“侧向地”中断管道自身内的一部分流体流动，这意味着流体只能够在管道的、由阻塞器保持打开的侧向部分中流动。在一些非限制实例中，所述阀是闸板或闸门类型。

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；

横向流动类型的阀，该阀在管道中基本横向地展开，在流体流的上游布置于所述阀体中，所述阀包括阻塞器，该阻塞器能够在所述管道中横向运动，以便“侧向地”中断在所述管道中的一部分流体流；

驱动装置，该驱动装置用于使得所述阻塞器从第一位置运动至第二位置，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，该转子相对于流体流在所述阀的下游布置于阀体内，所述转子位于离所述阀一定距离处，包括在压力恢复区内，所述压力由所述阀在没有涡轮的情况下产生，所述距离由在所述阀的下游达到具有直测压线和恒定压力角的区块(tract)来确定。

本发明的特定目的是提供一种能量回收阀系统，它具有用于控制管道中的流体流动的侧向流动阀，如在作为本说明书的组成部分的权利要求中所述。

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，附图只是通过非限制实例来提供，附图中：

-图1和图2分别示意表示了处于局部打开和关闭构型的本发明的阀系统的第一变化形式；

-图3和图4分别示意表示了处于局部打开和关闭构型的本发明的阀系统的第二变化形式；

-图5表示了在普通闸阀处(虚线)和在具有位于它下游的本发明能量回收系统的相同阀处(实线)的流体流动的平均测压线的定性趋势；

-图6和图7示意表示了根据本发明的阀系统的阀体的第一和第二变化实施例；

-图8-11表示了根据本发明的阀系统的涡轮的一些变化实施例。

-图12表示了另一变化形式，它包括在阀上游的流体流动偏转器；。

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包括阀体102，该阀体102设有进口103和出口104，该进口103和出口104允许流体在管道105中流动。在操作条件下，阀系统101能够安装在管道105的合适中断处，该管道105例如包含于增压系统中。

阀系统101在本体102中包括具有阻塞器107的阀106以及转子(或涡轮)111，该阻塞器107相对于流体流动的方向定位在管道中的上游，该转子(或涡轮)111相对于流体流动的方向定位在阀的下游。

阀体102以自身已知的方式插入至管道的合适中断部内，并通过例如凸缘或另一自身已知的系统而其联接。

如上所述，阀106是在管道中基本横向展开的“侧向流动”类型的阀，并包括阻塞器107，该阻塞器107能够在管道中横向运动，以便“侧向地”中断在所述管道中的一部分流体流动，这意味着流体只能够在由阻塞器保持打开的管道的侧部部分中流动(见例如图1中的流体流动线)。

阀是自身已知的类型：它可以是普通的闸阀(便宜的解决方案)，例如扁平闸阀，成形为叶片或新月形(具有线性或弯曲的叶片轮廓)，或者甚至是球阀或半球阀。阻塞器可以是例如闸门型和/或闸板型。“侧向流动”阀类型的其它形状也可行。

阻塞器107与促动器109连接，该促动器109在阻塞器107完全或局部打开或者关闭时控制它的运动。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，并能够以自身已知的方式制造。

阻塞器107将在任何阻塞器位置对于任何流体类型都保证在管道中的流体密封性。为了实现所述密封，能够使用已知的元件和技术。

阀系统101还包括转子，该转子基本成形为固定在轴112上的涡轮111，它用于在该轴112上旋转。

涡轮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。

涡轮的旋转轴线112垂直于流动并且垂直于阻塞器107的关闭方向，位于与阀关闭方向平行的平面中，根据阀的形状而在可变高度处。

这样布置的旋转轴线能够更好地利用在阀的下游产生的流体再循环。旋转轴线相对于管轴线的高度应根据系统的最频繁操作条件来选择。特别是，当阀必须更长时间地保持打开百分比等于或小于它的行程的50％时，应当优选是采用这样的解决方案，其中，转子的高度与管道轴线的高度相同，这使得涡轮能够容纳在具有与管道相同直径的区段中(图1)；相反，当阀必须更长时间地保持打开百分比超过它的行程的50％时，应当优选是采用这样的解决方案，其中，转子的高度高于管道轴线的高度，以使得涡轮壳体的截面大于管道直径(图3)。

选择具有垂直于流动主方向和阻塞器107关闭方向的轴线的涡轮对于保证在调节流动时(即当阀局部打开时)系统的正确操作而言是至关重要的。实际上，除了调节流动之外，在该解决方案中，阀还用作用于将流动引向涡轮叶片的传送器。

而且，通过更好地利用本文所述的系统的能量回收潜力，系统安装在阀的紧邻下游，更精确地说在流体经历最大加速度(收缩部分)和发生能量回收的区域中，将能够回收控制阀耗散的一部分能量，以便控制流体。

图1示意表示了处于局部打开构型的阀系统101，其中，它使得流体能够以一定速率通过，该速率取决于阻塞器107的孔。

图2示意表示了处于关闭构型的阀系统101，其中，它基本上防止流体流过阀。由于没有流体能够到达转子111，该转子111将保持静止，且不会产生动力。

如上所述，在阀下游的涡轮的位置必须包括在压力恢复区域内，所述压力由阀在没有涡轮的情况下产生，通常在阀下游的5-6倍管道直径的范围内。该区域能够通过在阀下游进行的压力测量来识别，这将平均给出测压线的定性趋势，类似于图5所示。所述距离由在阀的下游达到直测压线和恒定压力角的区块来确定，通常是恒定直径的直管。该距离可以根据阀孔和流动条件而变化，无论如何可以假设，平均地，阀实现全压力恢复的点位于阀下游的5-6倍管直径的距离处。

更特别是，图5示意地突出表示了在管道105中在阀系统处的流体流动线和流体压力趋势。如上所述，流体流动线的趋势根据阀106的关闭程度而变化，流动线在由阀保持打开的一侧压缩，靠近阀，然后在它的下游膨胀。

关于流体压力的趋势(图5)，在阀106处，压力降低至在阀下游的最小Pmin，且流体的速度增加。在更下游，压力逐渐恢复至线性压力趋势。虚线表示在没有涡轮的情况下的压力趋势，而实线表示在存在涡轮的情况下的相同平均趋势。在达到的最小压力之间的差(ΔP')示意表示涡轮能够回收的能量的量，而不会显著影响在控制动作中耗散的总能量，该耗散的总能量由由阀施加以便调节流量的压力降(ΔP)(在这种情况下是压力)来示意地表示。

有利地和优选是，涡轮定位在最小压力区域中。能量ΔP'的一部分(在最小区域Pmin中获得)由涡轮回收，而下游ΔP值保持不变。

因此，必须首先确定通过合适设计阀的尺寸而获得的下游ΔP值(压力降)，例如通过假设阀的特定程度关闭和特定流体压力值。通过在最小压力(最大速度)点处插入涡轮，涡轮将能够独立于涡轮速度来回收与ΔP'相对应的能量部分，即在最小压力之间的差(否则该能量部分将损失)，同时保持下游ΔP值不变。

包括涡轮的阀体部分的尺寸可以独立于阀部分的尺寸，即等于或不同于阀部分的尺寸，因此允许各种各样的构造变化形式，即使涉及涡轮的尺寸。

图3和4表示了阀系统的变化形式，其中，阀106分别局部打开和关闭，其中，包括涡轮的阀体102'部分大于包括阀的阀体部分。因此，涡轮也能够更大。另外，涡轮轴线能够相对于管道的中心轴线偏移。优选是，它能够在阀闸门接合的一侧升高。这样，当阀完全打开时，除了能够更高效的产生能量之外，涡轮还将对流体流动提供更小阻力。

参考图6和7，阀体102也可以有其它变化形式。它可以制造为包括阀和涡轮的单件(102，图6)。或者也可选择，它可以由连接在一起的两个不同的部件(102a、102b，图7)组成，其中，一个部件包括阀，另一部件包括涡轮。

因此，可以制造包含涡轮的新阀或者为现有阀提供“添加”。在后一种情况下，对于其中阀类型不能改变的很多应用将获得相当大的优点，因此给出了简单插入涡轮的可能性，在这种情况下，该涡轮将“添加”至现有阀，该涡轮将与现有阀集成，并使它可用于不同目的。除了扩展能够回收能量的阀类型的数量之外，它还将扩展在流体动力学处理中能量回收的可能性。

轴112的一端从阀体102凸出。轴112的凸出端优选是与用户装置114连接。该用户装置114用于使用由于转子111旋转而由轴112提供的机械功率。

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。

根据各种操作条件，偏转器121可以包括在阀的上游，插入在阀阻塞器的接合侧120(图12)。偏转器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。偏转器有助于防止集中在闸板边缘108处的任何耗散。这将在阀完全打开或几乎完全打开时增加能量产生能力。

根据本发明的阀系统可以包括转子，该转子基本成形为涡轮，并根据不同的制造方案来制造，这将基本取决于阀自身的应用类型。

转子的构造将主要取决于阀将优化用于的流体类型，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8表示了安装在轴112上的转子111的一个可行实施例。转子111包括四个叶片201，这四个叶片201用于在通过阀101的流体流的作用下旋转，并产生将驱动轴111的扭矩。

优选是，转子111的叶片朝向流体进口方向弯曲，从而提高效率和方便转子启动。而且，优选是，转子111叶片的尺寸设计成尽可能多地占据管道的截面。

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，这些孔902增加了流体的流动通道表面和流动系数。

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，它们在叶片的数量和形状上彼此基本不同。

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。

叶片也可以是平坦的，例如，这种选择应当是由生产成本要求决定。

因此，根据本发明的阀系统能够回收由流过的流体耗散的至少一部分能量。回收的能量将取决于阀打开角度，即阻塞器的旋转角度，并取决于涡轮的效率。

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

不过，在不脱离本发明的保护范围的情况下，在多个优选实施例中所示的元件和特征可以组合在一起。

通过上面所述，本领域技术人员能够在不引入任何其它结构细节的情况下产生本发明的目的。

Claims (10)

1.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)，

侧向流动阀(106)，该侧向流动阀(106)在管道中基本横向地展开，在流体流动的上游布置于在所述阀体(102)中，所述阀包括阻塞器(107)，该阻塞器(107)能够在所述管道中横向运动，以便“侧向地”中断在所述管道中的一部分流体流动；

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

转子，该转子基本成形为涡轮(111)，相对于流体流在所述阻塞器(107)的下游布置于阀体(102)内，所述转子位于离所述阻塞器一定距离处，包括在压力恢复区域内，所述压力由所述阀在没有所述涡轮的情况下产生，所述距离由在所述阀的下游达到具有直测压线和恒定压力角的区块来限定。

2.根据权利要求1所述的阀系统，其中：所述侧向流动阀(106)是扁平闸阀，成形为叶片，或者成形为具有线性或弯曲叶片轮廓的新月形，或者成形为球阀或半球阀。

3.根据权利要求1或2所述的阀系统，其中：所述阻塞器是闸门和/或闸板类型。

4.根据权利要求1或2或3所述的阀系统，其中：所述转子(111)有旋转轴(112)，该旋转轴(112)垂直于在管道中的流体流并且垂直于所述阻塞器(107)的关闭方向。

5.根据权利要求4所述的阀系统，其中：所述转子(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。

6.根据权利要求1所述的阀系统，其中：所述转子(111)布置在所述压力恢复区域内的最小压力值的点处。

7.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)基本横向于所述通过流体的流动，并固定在所述旋转轴(112)上。

8.根据权利要求7所述的阀系统，其中：所述转子叶片(201)朝向流体流进入阀系统的进入方向弯曲。

9.根据前述任意一项权利要求所述的阀系统，其中：所述阀体(102)制造为单件，或者由连接在一起的两个不同部件(102a、102b)构成，第一部件包括所述阀，第二部件包括所述转子，所述第二部件的尺寸可以与所述第一部件的尺寸不同。

10.根据前述任意一项权利要求所述的阀系统，还包括：偏转元件(602)，该偏转元件(602)在所述阀(106)的上游定位在阻塞器(107)接合的区域中，所述偏转元件用于流体动力学地与所述流体流相互作用。

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