CN1369045A - 可调节流量系数的球阀 - Google Patents

Abstract

一种与流体管路相连接的阀具有阀室并至少有一个进口(3)和一个出口(4),阀包含安装在阀室内的一对球座(8,9)之间的一个球体(5),它有一个外部表面和两个端头以及延伸在两端头之间的流体通道,球体(5)由阀杆(6)驱动旋转,可以在一个开启位置和一个关闭位置之间有选择地进行调节,球体(5)和阀杆(6)有一条与进出口(3,4)之间的中心连线相垂直的回转轴线,球体(5)还有一条液流通道中心线,该中心线并不与球体(5)的回转轴线相垂直,而是倾斜了一个角度。

Description

可调节流量系数的球阀

本发明涉及美国专利局1999年3月8日公布的专利文件#452705，以及1999年8月17日提出的专利申请#60/149,398。

                      背景技术

在采暖、通风与空调系统(HVAC)及其他工业加工应用中，球阀是调节和控制流体流量的一种十分有用的元器件。

全节流式(full ported)球阀与其本身尺寸相比较一般都具有非常大的流量系数(CV-值)。这就是说，如果将这种阀与同一尺寸的管道相连接，当管道中流体的流速相对于该管径而言是在规定的正常范围内时，在阀门全开时，球阀引起的流体压力降将是非常的小。

管道以及控制对象，如像热交换器，盘形管等，都有很大的压力降。而球阀在开始关闭时对液流的影响非常小，因此，必须在流速产生显著的减小之前将阀门关闭很多，使其引起的压力降能与控制对象及管路系统产生的压力降几乎一样大。

这就意味着该种阀门在其工作范围内有很大一部分是无效的。对流量的控制仅仅发生在非常小的工作范围内，即接近于关闭的位置。因此，执行器很难在准确的位置上驱动阀门以提供正确的流速。即使是很小的一点变动，都会使被连接的热传递装置的输出产生很大的变化，因而控制的稳定性很难保证。

在计算流量系数时，我们是将流量(GPM)乘以流体比重的平方根再被阀门全开时阀门两端压力差(Psi)的平方根除。

阀门尺寸的选择是基于其流量系数。一个阀门必须具有足够大的流量系数才能提供所需的最大流速。但是流量系数又不能选得太大，因为这将会引起控制问题。

一个典型球阀的非常大的流量系数可以通过安装一个基本上呈V-形开口的特制圆盘来减小。该圆盘将与阀球的孔径互相配合作用。这一措施也决定了阀门的流量特性。美国专利#6,039,304对这种圆盘作了说明。

通过更换有较小或较大开口的新圆盘，就能改变流量系数，而无需更换阀门。

这种圆盘虽然能工作得很好，但是它增加了阀门的制造成本。而且，一旦需要改变流量系数时，还必须定购和安装新圆盘。特别是，这种圆盘都是在高温高压的环境下使用，因此其制造成本也比较昂贵。

作为一种替代方案，可以使用一种有特殊形状开口的球。当流量系数需要改变时可以安装带有不同形状开口的球。但是，这也会使成本增加。

需要改变流量系数的情况是常见的。因为据以计算流量系数的数据资料通常是很不可靠的，它们并不反映实际的运行状况，因此需要经常调整。

即使在首次安装时认为确定的流量系数是正确的，但是将来随着运行工况的改变，也可能需要改变流量系数。

                            发明内容

在标准的球阀中，贯穿球的通孔的纵向轴线是与球体的回转轴线相垂直的。

本发明是一种普通的可转动四分之一周的球阀。其阀杆可转动0～90度。与任何一种标准的球阀一样，用阀杆驱动球，最大开度时转动90度，完全关闭时为0度。其特点在于，球通孔的纵向轴线与阀杆的轴线不垂直。

这就是说，球在一个倾斜的方向上转动，其球孔纵轴线永远不会与阀体轴线相重合，即使将阀杆转到90度的位置上也是如此。可以通过倾斜球体来减小流量系数，球体的倾斜度越大流量系数就减小得越多。

球可以仅仅按照单路阀的方式来处理，但要倾斜(偏离)一定的角度，从而使得该球阀比标准阀门有较小的流量系数。例如，其流量系数可以减小到与一个有相同尺寸的标准球阀的典型数值。

另一方面，对球也可以这样的安排，即将球安装成有若干不同的倾斜位置。通过将球安装为不同的倾斜位置，使得同一阀门可以提供不同的流量系数以供选择，从而使得选择适合于某项应用的最佳流量系数成为可能。如果需要改变流量系数也很容易办到。

有多种不同型式的球阀。两件式球阀有一个阀体，它包括两个部分。最普通的也是最便宜的两件式球阀是将一个部分拧入到另一个部分之中，并用环氧树脂固定。这种阀门是很难拆开的，它最适合于在只有一个球体倾斜角度安装位置的球阀中。

三件式球阀有一个中间阀体，其中包含了一个球体和两个连接元件(端盖)。三个部分用螺栓紧固在一起。这种阀即使是安装在一个管路系统中，也很容易将其中间阀体拆下来。这种结构使得调节球体的不同倾斜位置变得十分简便。因此，三件式球阀是特别适合于安装多种球体倾斜位置的球阀。当然，任何型式的球阀都可以用于本发明。

                    附图说明

图1a是一个球阀的断面图。阀体由两部分1和2组成。它有两个接头3和4以便与管路相连接。在两个接头3和4之间有流体通道。在流体通道中安装了一个球体5。球体5上有通孔12。球体5悬浮在球座8和9之间。球体5上有若干开槽10和16。第一开槽10与穿过球体5的通孔12的纵轴成90度角。第二开槽16与第一开槽10偏离一定的角度。一个由外部执行机构驱动的阀杆6穿过球体1。O-形密封圈11将阀杆与阀体1之间密封起来。

在阀杆6的端部有一个叶片15，它与开槽10或16相配合。在装配阀门时，将叶片15插入第一开槽10中，这时球体5处在标准位置上，即球体一点也不倾斜。因此，该阀门与标准的球阀一样，有最大的流量系数。

在装配阀门时，将叶片15插入第二开槽16中，这时球体5处于倾斜位置。因此，流量系数值将减小。其位置见图1a。

在图1b中，还显示了阀杆的一个替代方案。阀杆13上有一个叶片14，叶片14偏离一侧，与阀杆13的中心线倾斜一个角度。在使用这种阀杆13时，当叶片14插入第一开槽10的时候球体5就已经被倾斜了。

当叶片14插入第二开槽16时，球体将更加倾斜。第二开槽16与叶片14的倾斜角度要彼此叠加，从而使流量系数更减小，参见图1c。

将阀杆13旋转180度，并将叶片14插入第二开槽16中来安装球体5，可以得到第三种流量系数。这是因为此时第二开槽16与叶片14的倾斜角彼此相减。实际上，如果将叶片14插入第一开槽中，也会出现同样情况，只是总的倾斜角度会有所不同。球体5与阀杆13可以用四种不同的位置进行装配，从而可以提供四种不同的流量系数。

实际上，还可以在球体上增加开槽，例如，将槽开在球体的底部。

图2表示了当球体在旋转90度的位置上时，球体5上的开孔12与球座8和9是如何相互作用的。左边是侧视图，右边是端视图。

流体的过流截面积是不同的，它取决于球体倾斜角度的大小。

从端视图上可以看出，球体不倾斜时截面积最大，因为该截面仅由球座8和9的内径决定，此内径与通过球体5的开孔12的直径是大致相等的。

椭圆12a和12b表示了球体开孔12与球孔8和9是如何交叉配合的。第一个椭圆12a表示球孔的倾斜角度较小，因此开孔12与座8和9之间的自由畅通面积只稍微减小一点。

第二个椭圆12b表示球孔的倾斜角度较大，因此开孔12与8和9之间的自由畅通面积减小得较多。

图3中的左图表示在阀门开启时球体5、它的开孔12、阀杆6及球座8和9的侧视图。右图为一端视图，表示阀杆6已将球体5转动到接近关闭的位置。这里有两个椭圆12a和12b。它们表示球的开孔处在同一阀杆位置上，但是球的倾斜角度不同。

第一个椭圆12a属于没有倾斜的球5。开口12a与座8或9之间的自由畅通面积较大，其数值由a，b两点之间的半圆和a，b两点之间的半椭圆确定。

第二个椭圆12b属于已倾斜的球5。开口12b与座8或9之间的自由畅通面积较小，其数值由c，d两点之间的半圆和c，d两点之间的半椭圆确定。

可以看出，当球体倾斜时，在0～90度的整个操作范围内，自由畅通面积和流量系数都将减小。

图4表示球5的侧视图。其顶部有两个开槽10a和10b，底部也有两个开槽10c和10d。

将球5绕其开孔的纵轴旋转180度，顶部槽10a和10b与底部槽10c和10d将交换位置。

当带有不偏离的叶片15的阀杆6在使用时，球5可以有四种不同的安装方式，即无偏离以及三种不同角度的偏离。

带有偏离叶片14的阀杆13可以将其叶片按相反的180度的两个位置安装。于是，在使用带四个开槽的球体时，球体5就可以有八种不同的安装方式，从而产生八种不同的流量系数。

在球5表面允许的情况下，可以根据实际需要开任意数目的槽。当然，槽的位置和偏离角度应避免与座8和9发生干涉。

图5为阀杆6或13在0～90度的不同位置上的运动与CV-值之间的关系曲线图。

球体以不同的倾斜角度位置安装与阀杆6或13的关系曲线如图所示。不同位置用Pos.1-Pos.4标记出来。

在Pos.1，球体5没有倾斜。在Pos.4，球体5的倾斜度最大。

典型球阀固有的流量特性接近于等百分率，这符合许多控制应用的要求。当流量系数减小时，等百分率特性基本保持，只是曲线要平坦一些。

图6a显示了阀杆6及与其相连接的分开式叶片17。叶片与球槽啮合的部分偏向一侧。图6b是其侧视图。

图6c示出了球5及叶片17插入到球5的开槽18中的阀杆6。

图6d表示双叶片17与球5的一对开槽18相啮合的阀杆6。第二对开槽19在球5的另一侧。第一对开槽18使得球体上的液流通道中心线取向为与球的旋转轴线垂直。第二对开槽19使得球体上的液流通道中心线取向为与球的旋转轴线成一角度而不垂直。

叶片17插入到开槽18中的部分如图6c和6d所示，与阀杆6的中心线平行。

当然，任何一个合适的角度都可以采用，只要它能与开槽的角度相匹配。

叶片17具有与球上的两个开槽啮合的两个部分。它们分别处在阀杆中心线的两侧。叶片17能具有弹簧片的作用，它顶着槽的一侧推动球体而没有窜动。

本发明也可以应用到三路球阀中。

                     本发明的优点

在不使用带有特殊形状开孔的圆盘或球体的情况下，就能有效地将流量系数减小到对于调节和控制非常有用的数值，从而降低了成本。

当球体和阀杆配置妥当，球体能以不同的倾斜角度安装后，流体的流量系数就能够有选择性地被改变，而无需更换或增加任何零件。

虽然流量系数改变了，但基本的等百分率流量特性仍保持不变。

由于一个阀门就能覆盖许多CV-值，因此，在从制造到销售的整个环节中，各种级别阀门的库存量就可以减少。最终用户维修部门的阀门库存量也将减少。

而且，对错误确定CV-值(太小)的担心也将大大减小，因为它的数值可以很方便地加以改变。

对运行条件未来的改变也会很容易实现。

以上我们已对本发明的特殊实例作了较详细的说明，在不偏离本发明的基本形式和基本精神的前提下，可能会对图示实例作一些改变和改进。因此，我们认为，下列权利要求已覆盖了属于本发明范围内的全部改进和变化。

Claims (6)

1.一种阀，具有壳体，阀体上有开孔可与流体管路相连接，并具有阀室，其中至少有一个进口和一个出口，以形成穿过阀室的流体路径，该阀包括：一个安装在阀室内的一对球座之间的球体，它有一个外部表面和两个端头以及延伸在两端头之间的流体通道，球体由阀杆驱动旋转，可以在开启位置和关闭位置之间有选择地进行调节，球体和阀杆具有与进出口之间中心线相垂直的回转轴线，球体还有一条液流通道中心线，该中心线并不与球体的回转轴线相垂直而是成倾斜角度。

2.按照权利要求1所述的阀门，其特征在于，球体是这样配置的：它可以有选择性地进行安装，使其流体通道与球体的回转轴线形成两种或多种不同的角度。

3.按照权利要求2所述的阀门，其特征在于，球体上有一个以上的开槽，这些槽可以有选择性地与阀杆的端部相啮合。

4.按照权利要求1所述的阀门，其特征在于，阀杆上安装了端部件，它在相对于阀杆的纵向轴线是倾斜的位置与球的一个开槽相啮合。

5.按照权利要求4所述的阀门，其特征在于，阀杆的端部件可以与球的一个或多个开槽相啮合。

6.按照权利要求5所述的阀门，其特征在于，端部件是可以紧固到阀杆上的单独的零件。

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