CN117231772A - 一种超高压低扭矩球阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阀门技术领域，一种超高压低扭矩球阀，包括阀主体、球体、阀杆、密封阀杆的第一密封组件，以及密封阀座的第二密封组件；第二密封组件包括支撑圈和由柔性弹性体制成的密封环，阀座设于球体与支撑圈之间；支撑圈远离阀座的一端设有第一台阶，阀主体内两端设有第二台阶，密封环设于第一台阶和第二台阶之间形成的腔体内，密封环分别与第一台阶的轴向侧以及第二台阶的径向侧形成密封，且阀座在密封环的弹性作用下与球体形成密封；支撑圈的外侧设有一个或多个径向均压孔，径向均压孔连通支撑圈与球体之间的空间，并连通容纳密封环的腔体。本发明能够减小阀门扭矩，尤其在超高压工况下对阀门扭矩的减小效果更加明显。

Description

一种超高压低扭矩球阀

技术领域

本发明涉及阀门技术领域，具体而言，涉及一种超高压低扭矩球阀。

背景技术

球阀以其结构简单、密封性能良好、流通能力强成为近年来发展最快的阀门之一。球阀的启闭件为球体，球阀在管路中主要用来切断、分配和改变介质的流动方向，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°，实现开启和关闭的目的。

超高压球阀的阀门扭矩主要由阀杆密封的摩擦力以及阀座密封施加在球体上压紧产生，现有的球阀的阀门扭矩较大，主要原因在于，以阀座密封为例，现有球阀的阀座通常采用弹性件(例如弹簧、碟簧、板簧等)压紧密封垫的方式密封，在超高压工况使用时，由于密封垫所需预紧力比较大，因此施加在球体上的压紧力也极大，导致阀门扭矩也较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高压低扭矩球阀，以解决上述缺陷。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种超高压低扭矩球阀，包括阀主体、设于阀主体内部的球体、与球体连接以带动球体转动的阀杆、密封阀杆的第一密封组件，以及密封阀座的第二密封组件；

第二密封组件包括支撑圈和由柔性弹性体制成的密封环，阀座设于球体与支撑圈之间；

支撑圈远离阀座的一端设有第一台阶，阀主体内两端设有第二台阶，密封环设于第一台阶和第二台阶之间形成的腔体内，密封环分别与第一台阶的轴向侧以及第二台阶的径向侧形成密封，且阀座在密封环的弹性作用下与球体形成密封；

支撑圈的外侧设有一个或多个径向均压孔，径向均压孔连通支撑圈与球体之间的空间，并连通容纳密封环的腔体。

可选地，所述阀座与所述支撑圈的密封处，阀座的密封面呈斜面结构，以使阀座与支撑圈之间的接触为在低压时为线接触。

可选地，所述第一密封组件包括唇形密封圈和填料函，填料函套设于所述阀杆外并通过紧固件与所述阀主体上连接，唇形密封圈设于填料函与阀杆之间。

可选地，所述第一密封组件还包括止退垫，阀杆靠近填料函处设有第三台阶，止退垫通过填料函压紧在第三台阶上。

可选地，所述止退垫设有贯通上下两端的一个或多个轴向均压孔。

可选地，所述止退垫的下端面和内壁喷涂有PTFE层。

可选地，所述填料函与所述阀杆之间还设有轴承。

可选地，所述密封环由橡胶制成。

可选地，所述阀主体包括阀体设于阀体一端的端盖。

可选地，阀体的两端通过紧固件连接有端法兰，所述端盖被其中一个端法兰压紧于其与阀体之间。

本发明至少具有如下优点和有益效果：本发明中，通过由柔性弹性体支撑的密封环直接对支撑圈和阀主体之间形成密封，同时密封环的弹力可使阀座与球体形成初始密封，由于柔性弹性体所需密封力较小，因此阀座对球体所施加的压紧力也更小，与现有技术相比，阀门扭矩随之变小；进一步地，径向均压孔连通支撑圈与球体之间的空间，并连通容纳密封环的腔体，如此一来，介质能够从径向均压孔进入到容纳密封环的腔体内，对密封环端面挤压，抵消掉一部分球体所受介质压力，也即减少球体所受介质压力的面积，球体因介质压力对下游阀座的正向压力也会小很多，介质压力越大，减小的压紧力越明显，因此在超高压工况下对阀门扭矩的减小也起到非常明显的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种超高压低扭矩球阀的剖视图(未装端法兰)；

图2为本发明提供的一种超高压低扭矩球阀的剖视图一(装有端法兰)；

图3为本发明提供的一种超高压低扭矩球阀的剖视图二(装有端法兰)；

图4为第二密封组件处的放大图；

图5为密封环受力示意图；

图6为球体所受介质压力面积的直径示意图；

图7为第一密封组件处的放大图；

图标：1-阀体，2-端盖，3-球体，4-阀杆，5-支撑圈，51-径向均压孔，52-座孔环槽，53-背部环槽，6-密封环，7-唇形密封圈，8-填料函，9-止退垫，91-轴向均压孔，10-轴承，11-端法兰，12-阀座。

具体实施方式

参考图1，一种超高压低扭矩球阀，包括阀主体、设于阀主体内部的球体3、与球体3连接以带动球体3转动的阀杆4、密封阀杆4的第一密封组件，以及密封阀座12的第二密封组件。

作为一种选择，本实施例阀主体包括阀体1设于阀体1一端的端盖2，容易理解的是，进一步地，参考图2，阀体1的两端还可通过紧固件(例如螺钉或螺栓)连接有端法兰11，端盖2被其中一个端法兰11压紧于其与阀体1之间。值得说明的是，在此基础上，拆卸掉端法兰11，阀门便可作为对夹式阀门使用，满足工况要求安装空间小的场合；装上端法兰11，并且根用户需求选择不同形式的端法兰11，阀门便可作为缩径法兰式(即图2中左端的端法兰11)、全通径法兰式(即图2中右端的端法兰11)、缩径对焊端式(即图3中左端的端法兰11)、全通径对焊端式(即图3中右端的端法兰11)等结构。

参考图4，第二密封组件包括支撑圈5和由柔性弹性体制成的密封环6，阀座12设于球体3与支撑圈5之间；支撑圈5远离阀座12的一端设有第一台阶，阀主体内两端设有第二台阶，密封环6设于第一台阶和第二台阶之间形成的腔体内，密封环6分别与第一台阶的轴向侧以及第二台阶的径向侧形成密封，且阀座12在密封环6的弹性作用下与球体3形成密封。

值得说明的是，柔性弹性体是指具有良好弹性的柔性材质，本实施例密封环6的材质选择橡胶，其它实施例也可选择TPE等材质。密封环6直接对支撑圈5和阀主体之间形成密封，同时密封环6的弹力可使阀座12与球体3形成初始密封，由于柔性弹性体所需密封力较小，因此阀座12对球体3所施加的压紧力也更小，与现有技术相比，阀门扭矩随之变小。

在上述基础上，再次参考图4，支撑圈5的外侧设有一个或多个径向均压孔51，径向均压孔51连通支撑圈5与球体3之间的空间，并连通容纳密封环6的腔体，本实施例中，在支撑圈5的第一台阶的径向侧(也即支撑圈靠近球体3的一侧)设置座孔环槽52，在支撑圈5远离球体3的一侧设置背部环槽53，座孔环槽52和背部环槽53在深度方向与径向均压孔51相交即可使径向均压孔51连通支撑圈5与球体3之间的空间并连通容纳密封环6的腔体，当然在其它实施例中，使均压孔51截面呈T字型结构也能实现上述目的。应当理解的是，径向均压孔51的中心线可以不是绝对的径向，在一些实施例中当然也可倾斜，只能实现上述连通目的即可。

值得说明的是，如此设置，使得介质能够从径向均压孔51进入到容纳密封环6的腔体内，对密封环6端面挤压，抵消掉一部分球体3所受介质压力，参考图6，若介质不能从均压孔进入到容纳密封环6的腔体内，则球体3所受介质压力面积其直径为图中的D1(即密封环6的外径)，设置了径向均匀孔后，球体3所受介质压力面积其直径为图中的D2(即密封环6的内径)，D1远大于D2,可见，减少了球体3所受介质压力的面积，因此，球体3因介质压力对下游阀座12的正向压力也会小很多，介质压力越大，减小的压紧力越明显，在超高压工况下对阀门扭矩的减小也起到非常明显的效果。

径向均压孔51不仅能够减小阀门扭矩，还能够带来以下效果，首先，为了方便描述，将密封环6与第一台阶的轴向侧之间的密封面定位为A面，将密封环6与第二台阶径向侧之间的密封面定位为B面，设置了上述径向均压孔51后，介质压力进入容纳密封环6的腔体后，能够对A面产生作用力(图5中F1)的同时也对B面均产生作用力(图5中F2)，使A面和B面密封更紧密，介质压力越大，密封力越大，因此在超高压工况下非常适用，而且由于密封环6在低压时时密封效果极好，所以该结构有效保证阀门在低压到高压时的密封效果都是极好的。

此外，由于径向均压孔51连通支撑圈5与球体3之间的空间并连通容纳密封环6的腔体，这样一来使得在装配阀座12时阀座12底部压力可以排出，使得阀座12两端的压力均衡，阀座12不易被压溃。

在上述基础上，本实施例阀座12与支撑圈5的密封处，阀座12的密封面呈斜面结构(即图5中C面结构)，以使阀座12与支撑圈5之间的接触为在低压时为线接触，需要说明的是，线接触是指阀座12与支撑圈5之间的接触为在低压时接触面小，接触面为棱线或者呈一条宽度较小的线。值得说明的是，如此设置，不仅保证了在低压时良好的密封效果，而且当压力增大时，阀座12慢慢变形(在此基础上，应当理解，本实施例主要探讨柔性密封的球阀)，与支撑圈5的接触面逐渐加宽，有效防止因密封比压太大而让阀座12受到破坏。此外，应当理解的是，C面的倾斜程度较小，以保证在压力增大时阀座12变形能够增大与支撑圈5的接触面积。

除了阀座12密封会带来阀门力矩外，阀杆4的密封也会带来阀门力矩，现有球阀中，阀杆4密封通常采用填料密封，即球体3与阀杆4连接，阀杆4贯穿阀体1或阀盖，经过填料函8，在填料函8中，阀杆4与填料(石墨或石墨+O型圈)接触，形成动密封，这种结构在密封时，尤其是高压密封时，需要在填料压盖上施加很大的力才能密封，由于填料压盖密封力太大，阀杆4受到的摩擦力也大，阀门力矩就大。基于此，本发明对球阀进一步改进，具体如下。

参考图7，第一密封组件包括唇形密封圈7和填料函8，填料函8套设于阀杆4外并通过紧固件与阀主体上连接，唇形密封圈7设于填料函8与阀杆4之间，唇形密封圈7通常由橡胶制成，在低压时，橡胶制成的唇形密封圈7自身的弹性可直接密封，密封性能良好；随着介质压力的升高，唇形密封圈7下端的唇形口受压向两侧涨开，密封性能随之提高，压力越高，密封力越大，密封性能越好。而橡胶本身的摩擦系数小，对扭矩的影响较小。

本实施例填料函8与阀杆4之间还设有轴承10，进一步减少阀杆4密封产生的扭矩。

第一密封组件还包括止退垫9，阀杆4靠近填料函8处设有第三台阶，止退垫9通过填料函8压紧在第三台阶上，本实施例止退垫9的下端面和内壁喷涂有PTFE层，减小摩擦系数，进而减少阀杆4密封产生的扭矩。

进一步地，本实施例止退垫9设有贯通上下两端的一个或多个轴向均压孔91，如此一来，均衡止退垫9上下两端的介质压力，需要说明的是，轴向均压孔91的中心线可以不是绝对的轴向，一些实施例中当然也可以倾斜，只能能够使介质压力穿过止退垫9达到均衡两端介质压力的目的即可。

轴向均压孔91设置前，止退垫9下端与第三台阶形径向侧形成密封，阀杆4受内部介质压力的面积直径为图7中D3(即止退垫9与第三台阶接触面的大径)，设置轴向均压孔91后，阀杆4受内部介质压力的面积直径则为图7中D4(即止退垫9的内径)，D4远小于D3，因此阀杆4受内部介质压力大大减小，进一步使得阀杆4密封产生的扭矩减小，而且介质压力越大，阀杆4受内部介质压力减小越明显，即该效果对于超高压阀门来说尤其突出。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高压低扭矩球阀，包括阀主体、设于阀主体内部的球体(3)、与球体(3)连接以带动球体(3)转动的阀杆(4)、密封阀杆(4)的第一密封组件，以及密封阀座(12)的第二密封组件，其特征在于：

第二密封组件包括支撑圈(5)和由柔性弹性体制成的密封环(6)，阀座(12)设于球体(3)与支撑圈(5)之间；

支撑圈(5)远离阀座(12)的一端设有第一台阶，阀主体内两端设有第二台阶，密封环(6)设于第一台阶和第二台阶之间形成的腔体内，密封环(6)分别与第一台阶的轴向侧以及第二台阶的径向侧形成密封，且阀座(12)在密封环(6)的弹性作用下与球体(3)形成密封；

支撑圈(5)的外侧设有一个或多个径向均压孔(51)，径向均压孔(51)连通支撑圈(5)与球体(3)之间的空间，并连通容纳密封环(6)的腔体。

2.根据权利要求1所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述阀座(12)与所述支撑圈(5)的密封处，阀座(12)的密封面呈斜面结构，以使阀座(12)与支撑圈(5)之间的接触为在低压时为线接触。

3.根据权利要求1或2所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述第一密封组件包括唇形密封圈(7)和填料函(8)，填料函(8)套设于所述阀杆(4)外并通过紧固件与所述阀主体上连接，唇形密封圈(7)设于填料函(8)与阀杆(4)之间。

4.根据权利要求3所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述第一密封组件还包括止退垫(9)，阀杆(4)靠近填料函(8)处设有第三台阶，止退垫(9)通过填料函(8)压紧在第三台阶上。

5.根据权利要求4所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述止退垫(9)设有贯通上下两端的一个或多个轴向均压孔(91)。

6.根据权利要求4所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述止退垫(9)的下端面和内壁喷涂有PTFE层。

7.根据权利要求3所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述填料函(8)与所述阀杆(4)之间还设有轴承(10)。

8.根据权利要求1或2所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述密封环(6)由橡胶制成。

9.根据权利要求1或2所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，所述阀主体包括阀体(1)设于阀体(1)一端的端盖(2)。

10.根据权利要求9所述的超高压低扭矩球阀，其特征在于，阀体(1)的两端通过紧固件连接有端法兰(11)，所述端盖(2)被其中一个端法兰(11)压紧于其与阀体(1)之间。