CN1606671A - 阀塞 - Google Patents

Abstract

一种阀组件，具有一阀体(12)，该阀体设置有入口通道(54)和出口通道(56)。一流动孔口(72)设置在阀体中，并且在入口通道(54)和出口通道(56)之间提供流体连通。一阀座(70)与流动孔口(72)以及可变端口阀塞(60)合作，以便打开和关闭阀。阀塞(60)具有一塞体，该塞体设置有一圆锥形的光滑锥形壁(82)；一近端；一圆顶形的末端(88)，该末端(88)的表面光滑地过渡到锥形壁(82)内。阀塞(60)可以在不与阀座(70)接触的打开位置和靠压着阀座(70)的关闭位置之间移动。阀塞相对于阀座(70)的最大打开位置能选择性地改变，从而改变通过阀组件的流动特性。

Description

阀塞

相关申请资料

本专利与共同待审的于2001年11月15日提交的系列号为NO.60/335,920的美国临时专利申请有关。

技术领域

本发明总体上涉及阀，尤其涉及一种可变端口阀塞，该阀塞能有效地改变阀的端口尺寸。

背景技术

阀在过程控制系统中被广泛地用来控制过程介质如流体的各种各样参数。已知有许多类型的阀，包括，例如，排放阀、控制阀、节流阀和类似的阀。同样地，过程和控制系统被用来处理许多不同的介质。

一种典型的阀具有一介质入口，该介质入口通过一流动控制或孔口区域与一介质出口相连接。某种关闭装置在流动控制区域中通常设置有这样一个部分，即该部分是可移动的，以便控制介质从阀入口到阀出口的流动。可移动部分通常是一阀塞，该阀塞能被移动，以便靠压着关闭装置的一对应的固定座表面，从而选择性地阻断通过阀的介质的流动。在操作期间，对于控制系统来说通常操纵所述阀，以便阀塞在固定的关闭和打开位置之间分别朝着和离开阀座环移动，从而控制穿过孔口区域并且穿过阀的流体流动。

有一种类型的阀是滑杆阀，该滑杆阀在延长杆的端部上具有一阀塞，该阀塞沿纵轴方向朝着和离开阀座滑动。阀塞、阀座和阀杆联合限定出用于给定阀的被称作的调整装置。带有给定流动孔口尺寸和几何形状的阀具有最大流动能力或流动速率。这种流动速率能与被称作“流动系数”(Cv)相关联，流动系数在标准的测试条件下被用来预测通过阀的流动速率。Cv值是指在每平方英寸(psi)的阀横断面上压力下降1磅的情况下，60华氏度(°F)的水每分钟流过已知阀的美国加仑数。

已知过程控制系统的给定部分需要一具有特定流动速率或流动能力的阀。还知道该系统的其它部分需要一些具有不同的流动能力或流动速率的阀。还知道一种完全不同的系统需要一具有不同的流动速率或流动能力的阀。并且也知道对于一给定的过程控制系统，当系统参数变化时，期望的流动速率或流动能力可改变。因此，需要周期性地改变特定系统的阀性能特性。对于所有这些情况，手边必须具有各种阀组件和/或阀调整装置。

为了把一个阀流动速率或流动能力转换成另一个阀流动速率或流动能力，人们必须要么拆去整个现有的阀，并且以一个完全不同的阀来替换，要么对现有的阀进行改造，使其具有不同的调整装置。对于滑杆型阀而言，阀座通常限定流动孔口的尺寸大小，从而选择阀塞的尺寸，使阀塞的尺寸对应于孔口的尺寸。阀塞通常只能在阀关闭位置和单一的、固定的阀打开位置之间移动。因此，每个阀只能产生一个阀流动速率或阀流动能力，如上所述，为了把一个流动能力变换成另一个流动能力，就必须改变阀调整装置，或者替换整个阀组件。

由于操纵多个阀组件和/或调整装置，从而对于过程控制系统来说，造成了停机时间长、劳力消耗大且部件成本高。这是因为，当期望改变阀的特性时，需要制造、运输、储存、处理、替换各种调整装置或整个阀。这些缺点降低了劳力、制造、储存、部件处理和设备方面的效率，并且对于给定的过程控制系统的应用，如果需要或期望改变阀的流动特性，就会增加劳动力成本。

此外，如果利用阀中的传统的阀塞和阀座来改变阀的流动能力，例如通过改变可获得的最大阀塞的行程来改变阀的流动能力，那么通过孔口区域的流动特性就会造成严重地和消极地影响。传统的调整装置的特性不是针对这些用途的。此外，如果想要利用传统的调整装置通过在不同的阀打开位置使阀塞停止并保持更靠近阀座来降低阀的流动能力，那么就会由于阀塞被定位成太靠近阀座，而流经阀的介质将迫使阀塞朝向阀座。这会在阀组件中造成双稳态流动和振动。

附图说明

通过下面的描述，并结合附图，就可以更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，在这些附图中：

图1是一示例性的现有技术中的阀的纵剖面图；

图2表示包括一可变端口阀塞的阀的一个例子的纵剖面图，阀塞根据本发明的教导构成并且被安置在第一流动能力位置中；

图3表示图2中所示的阀的纵剖面图，其中阀塞被设置在不同的流动能力位置中；

图4表示图1和2中所示的阀的纵剖面图，其中阀塞被设置在另一个流动能力位置中；

图5表示图2中所示的阀剖面的放大图，其中阀塞位于阀关闭位置中。

具体实施方式

本发明公开一种用于阀的可变端口阀塞(port valve plug)，该阀塞能消除或大大减少阀的制造、维修和替换不同调整装置的需要。所公开的阀塞适用于许多不同类型的阀。这里根据被称作滑杆型阀结构来描述所公开的例子。然而，所公开的阀塞同样适用于许多其它类型和结构的阀，例如，控制阀、节流阀或类似的阀。本发明并不局限于特定类型的阀。所公开的阀结构还适用于许多不同类型的介质。

所公开的可变端口阀塞具有这样的形状和轮廓，即，相对于阀座阀塞可安置在多个允许的最大行程位置中所选定的一个位置中。在任何一个可选定的位置中，所公开的可变端口阀塞都能防止产生不期望的通过阀孔口区域的流动特性，并且还能改变阀的流动能力。可变端口阀塞能相对于座环被选择性地定位，从而无需替换调整装置的一些部分，例如无需替换阀塞和/或阀座，便能有效地形成选定的阀流动能力。也能根据需要来控制阀塞的位置，以便限制阀塞的最大行程，即限制阀塞的阀打开位置。

参照附图，图1表示出了现有技术中阀结构的一个例子，本发明所公开的可变端口阀塞是对该现有技术中的阀结构进行了大大的改进。现有技术中的阀组件10具有一阀体12，该阀体12在一端具有一介质入口14，并且在对置一端具有一介质出口16。介质入口与一入口通道18相连通，介质出口与一出口通道20相连通。入口通道18和出口通道20中的每一条通道大致在阀体内分别会合，并且通过一孔口区域22相互连通。

阀10具有一阀塞24，该阀塞24被连接到一阀杆26的一端上。阀杆26的另一端被连接到一驱动器上(图中未示)。驱动器能使阀杆和阀塞沿着杆的纵轴在阀关闭位置和阀打开位置之间移动。在图1所示的阀关闭位置中，阀塞24抵靠着设置在孔口区域22中的阀座30。移动阀杆和阀塞。阀座环30限定出一孔口32，该孔口32在阀关闭位置中由阀塞来关闭，并且当阀塞处于阀打开位置中时，该孔口32被打开，以便介质流动。

如上所述，为了改变这种阀的流动能力，至少必须拆卸和替换调整装置(塞和座)。如果阀塞24的移动被限制在较短的最大行程位置内，那么阀塞24的位置就会更接近阀座。在这种情况下，沿箭头‘F’的方向流动的介质将趋向于朝着阀座推动阀塞或朝着阀座抽吸阀塞。这就使得阀塞过早地邻靠阀座30或者至少阻碍了通过孔口区域22的流动。这种阻碍将导致阀10内的双稳态流动和振动，从而使阀杆、阀座和/或阀塞早期地磨损，或者以其它方式损坏阀。这种阻碍也能造成通过阀的流动速率发生变化，并且导致其它动态流动问题。如果期望降低阀流动能力，那么就必须替换包括塞24和座30的调整装置或者替换整个阀10。

这里所公开的根据本发明教导构造的可变端口阀塞，该阀塞无需更换阀的调整装置便能改变给定阀的流动能力。图2-5表示一示例的孔口区域50的剖面图。孔口区域50代替了上述图1中阀10的区域22。图2-5中描述的阀的基本阀元件大体上是相同的，除非下面以其它方式注明。

在公开的例子中，孔口区域50用于一滑杆阀，该滑杆阀具有一阀体52，该阀体52在一端限定一介质入口(图中未示)，并且在相对端限定一介质出口(图中未示)。介质入口开向一入口通道54，出口通道56终止于介质出口。入口通道54和出口通道56的每一条通道大致在阀体52内分别会合，并且通过孔口区域50相互连通。

孔口区域50具有一可变端口阀塞60，该阀塞60根据本发明的教导构成，所说阀塞60不同于图1中所述的阀塞24。阀塞60被连接到阀杆62的一端上。阀杆62的另一端被连接到一驱动器上(图中未示)，该驱动器能使阀杆和阀塞沿着阀杆的纵轴、在阀关闭位置(见图5)和多个不同的最大打开位置中选择的一个位置(见图2-4和下面描述)之间移动。当在阀关闭位置中时，阀塞60靠压着一阀座环70。阀座环70被安置在孔口区域50中并且限定一流动孔口72。在公开的阀运作期间，驱动器(图中未示)朝着座环70的一座表面74移动阀杆62和阀塞60以便关闭阀，并且从座环70的一座表面74移开阀杆62和阀塞60以便打开阀，从而允许介质从入口穿过通道和流动孔口流至出口。

根据本发明的教导，从图5中可以看得最清楚，可变端口阀塞60具有一环状肩部80，该环状肩部80位于阀杆62的端部附近且与阀塞相连接。阀杆直径仅稍稍小于肩部直径。阀塞60还具有一截锥形或子弹形主体段82，该主体段82带有一外环形壁84，该外环形壁84呈锥形并且离开肩部80逐渐缩小直径。一锥形的或成角度的过渡表面86在肩部80和阀塞60的壁84之间延伸，并且相互连接肩部80和阀塞60的壁84。过渡表面86呈现比壁84更锐利地角度或锥形。与肩部80相对置的阀塞60的末端是一光滑的、曲线的或圆顶形的端表面88，并且该末端光滑地过渡到主体段82的壁84。光滑锥形壁84、过渡表面86和圆顶形端部88的组合在阀塞60上提供了光滑的、逐渐变化的流动特性。

如图5所示，当可变端口阀塞60位于阀关闭位置中时，接近肩部80的锥形表面86靠压着座环70的座表面74。肩部80的直径和角度表面86的最宽部分阻止阀塞不致穿过座环的流动孔口72，从而当在阀关闭位置中时关闭流动孔口。

肩部80和杆62之间的小的直径差异，有助于防止产生从塞60的肩端上流经孔口区域50的诸如流体的介质的气穴流或紊流。杆和肩部80的一暴露的、不平衡的部分90之间的小直径差异，也有助于减小由流过孔口区域50并且向下流到不平衡部分90上的介质所施加的力。当不在阀关闭位置中时，不管阀塞60的位置相对于座环70如何，肩部80的小直径、不平衡部分90的小暴露面积、光滑的和锥形的表面86和84、和阀塞体82的圆顶形末端88的组合，有助于防止双稳态流动通过孔口区域50。如下面所述，这些特征无需更换调整装置或替换整个阀，便能改变阀的流动能力。肩部80的暴露的、不平衡的部分90无论多小，也可以成角度或成曲线，以便进一步地减少对杆62和塞60之间的连接区域介质流动的影响。

一驱动器和调节机构(图中未示)可安置在阀杆的与阀塞60对置的端部附近。调节机构能被用来选择和设定阀杆62和阀塞60的期望的最大行程范围。能设计调节机构向阀塞提供多个不同的和可选择的最大行程位置或充分打开位置。这里公开的可变端口阀塞60准许这样的调节，以便在不消极地影响通过孔口区域50的流动特性的情况下改变阀的流动能力。

例如，图2表示出了阀塞60，相对于阀座70该阀塞60被安置在第一可选择的充分打开行程位置中。调节机构(图中未示)可以是这样的，即一旦阀塞60到达选择的充分打开位置，阀塞就不能从座环70进一步地移动。在这个例子中，塞体82完全地离开流动孔口72和座环70的阀座表面或阀座74。这个位置提供了通过该阀孔口72的自由流动。可以这样解释，如果孔口72具有半英寸端口直径，那么如图2中所示，对于给定几何形状的阀而言，在阀塞充分打开的情况下，孔口区域50的阀流动系数可以为六(6)Cv。

可以操纵驱动器和调节机构，以便重新设定阀塞的行程范围或充分的打开位置。如图3所示，塞60位于第二可选择的充分打开位置中，其中，阀塞比图2中所示的更靠近座环70。图3中，至少部分末端或圆顶端88伸入座环70的流动孔口72中。描述这个位置的另一种方法是，圆顶形表面88至少部分地切过座表面74的一平面。虽然末端88附近的塞壁84的较小直径准许介质穿过座环的半英寸孔口72，但是该较小直径有效地减小了阀的流动能力。举一个例子，在图3位置中，具有塞60的阀的流动能力或系数为四(4)Cv。即使座环没有被替换并且仍具有半英寸端口直径，但是这里将模拟具有八分之三英寸端口直径的相同的阀。光滑的、伸长的并且呈锥形的塞60，使得在不替换调整装置并且不消极地影响通过孔口区域50的流动特性的情况下达到这个结果。

图4表示塞60的第三、更进一步被限制的、最大或充分打开的位置，该位置甚至小于先前注明的第一和第二可选择位置。在这个例子中，塞体82的大部分伸入座环70的孔口72中。此外，壁84的缩减的或渐缩的直径允许介质在进一步限制的流动能力下通过孔口。在这个例子中，利用相同的塞60和座环70，通过孔口区域50的相同阀的流动特性可模拟四分之一英寸端口直径，从而在不更换调整装置的情况下便可导致流动能力或流动系数例如为二(2)Cv。也能调节其它中间位置，这取决于具体的塞和座环/孔口的设计结构。例如，塞60在切过座表面平面的孔口范围内能伸入具有大于或小于大部分壁或表面84的孔口。

塞的外形和结构允许在不更换调整装置的情况下就可调节阀塞的最大行程位置，以便获得阀的可调节的或可变的端口特征。就象座环70的流动孔口的尺寸可以被改变一样，主体壁84、圆顶端88和过渡表面86的锥度和/或曲率可以被改变，以便获得阀的期望的流动特性。然而，这里公开的塞60允许调节最大行程范围，而且在阀孔口区域50中不会产生双稳态流动和振动，而现有技术中的阀座和阀塞则会产生这种双稳态流动和振动。

尽管这里已经公开并描述了根据本发明教导的某些可变端口阀塞，但是本专利的覆盖范围并不局限于此。相反，本专利覆盖了根据本发明教导的在可允许的等同方案范围内的所有实施例。

Claims (18)

1、一种可变端口阀塞，包括：

一带有一圆锥形的光滑锥形壁的塞体，塞体具有一近端和一圆顶形的远端表面，近端适合与一阀杆相连接，圆顶形远端表面光滑地过渡到锥形壁内，从而阀塞能在阀中选择性地定位，以便改变阀的流动能力。

2、根据权利要求1所述的可变端口阀塞，还包括：

一位于塞体的近端的环状肩部，环状肩部具有一直径，该直径大于邻近环状肩部的锥形壁的直径；

一在锥形壁和环状肩部之间延伸的光滑过渡表面。

3、一种阀组件，包括：

一具有一入口通道和一出口通道的阀体；

一流动孔口，该流动孔口设置在阀体的孔口区域中，并且在入口通道和出口通道之间提供流动连通；

一设置在孔口区域中的阀座；以及

一包括一塞体的可变端口阀塞，该塞体带有一圆锥形的光滑锥形壁、一近端和一圆顶形的远端表面，近端与阀组件的可移动部分相连接，圆顶形远端表面光滑地过渡到锥形壁，其中阀塞可在不与阀座接触的打开位置和靠压着阀座的关闭位置之间移动，并且其中能选择地改变在打开位置中阀塞相对于阀座的最大行程位置，以改变阀组件的流动能力。

4、根据权利要求3所述的阀组件，其中阀组件的可移动部分是一可滑动的阀杆。

5、根据权利要求3所述的阀组件，其中阀组件的可移动部分是一阀杆，并且其中阀塞的近端与阀杆的一端相连接。

6、根据权利要求3所述的阀组件，其中最大行程位置能从多个分散的最大打开位置中选择。

7、根据权利要求6所述的阀组件，其中多个最大打开位置包括至少一个可选择的位置，其中整个塞体相对于打开位置沿一方向与阀座的平面间隔开一距离。

8、根据权利要求6所述的阀组件，其中多个最大打开位置包括至少一个可选择的位置，其中至少部分塞体的圆顶形端表面相对于关闭位置沿一方向切过阀座的平面。

9、根据权利要求6所述的阀组件，其中多个最大打开位置包括至少一个可选择的位置，其中圆顶形端表面和至少部分塞体的锥形壁相对于关闭位置沿一方向切过阀座的平面。

10、根据权利要求6所述的阀组件，其中多个最大打开位置包括至少一个可选择的位置，其中圆顶形端表面和多数塞体的锥形壁相对于关闭位置沿一方向切过阀座的平面。

11、一种阀组件，包括：

一具有一入口通道和一出口通道的阀体；

一流动孔口，该流动孔口设置在阀体的孔口区域中，并且在入口通道和出口通道之间提供流动连通；

一阀座，该阀座设置在流动孔口的上游端的孔口区域中；以及

一包括一塞体的可变端口阀塞，塞体带有一圆锥形的光滑锥形壁、一近端和一圆顶形的远端表面，近端与阀组件的可移动部分相连接，圆顶形远端表面光滑地过渡到锥形壁，其中阀塞可在不与阀座接触的打开位置和靠压着阀座的关闭位置之间移动，并且其中能选择地改变阀塞相对于阀座的最大打开位置，以改变通过阀组件的流动特性。

12、根据权利要求11所述的阀组件，其中阀组件的可移动部分是一阀杆，并且其中阀塞的近端与阀杆的一端相连接。

13、根据权利要求11所述的阀组件，其中最大打开位置能从多个分散的打开位置中更改和选择。

14、根据权利要求13所述的阀组件，其中多个分散的打开位置包括至少一个可选择的位置，其中整个塞体定位于流动孔口的外侧。

15、根据权利要求13所述的阀组件，其中多个分散的打开位置包括至少一个可选择的位置，其中至少部分塞体的圆顶形端表面定位于流动孔口内。

16、根据权利要求13所述的阀组件，其中多个分散的打开位置包括至少一个可选择的位置，其中圆顶形端表面和至少部分塞体的锥形壁定位于流动孔口内。

17、根据权利要求13所述的阀组件，其中多个分散的打开位置包括至少一个可选择的位置，其中圆顶形端表面和多数塞体的锥形壁定位于流动孔口内。

18、一种选择地控制阀组件的流动特性的方法，阀组件具有一阀体，该阀体带有一入口通道、一出口通道、一流动孔口和一阀座，流动孔口设置在入口通道和出口通道之间的阀体内，阀座定位在流动孔口的上游端，所述方法包括以下步骤：

提供具有一塞体的一可变端口阀塞，塞体带有一圆锥形的光滑锥形壁、一近端和一圆顶形的远端表面，圆顶形远端表面光滑地过渡到锥形壁内；

将阀塞的近端与阀组件的可移动部分相连接，以便阀塞可以在不与阀座接触的打开位置和靠压着阀座的关闭位置之间移动；

确定阀组件的期望的流动能力；和

从多个不同的可选择的最大打开位置中选择出与期望的流动能力相对应的一个阀塞分散的打开位置。

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