CN216692220U - 控制阀和用于控制阀的阀笼 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及控制阀和用于控制阀的阀笼。一种控制阀包括具有流体入口和流体出口的本体以及在流体入口与流体出口之间的阀座。阀塞定位在本体内并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，在关闭位置，阀塞密封地接合阀座，在打开位置，阀塞与阀座间隔开。阀笼邻近阀座设置在本体内。阀笼包括具有节流入口和节流出口的笼壁，节流入口和节流出口通过节流通路连接。节流通路在节流入口与节流出口之间具有径向方向、轴向方向和角度方向。通路包括多个缩流部和多个压力恢复室，它们形成多个减压级。

Description

控制阀和用于控制阀的阀笼

技术领域

本公开总体上涉及控制阀，并且更具体地，涉及紧凑的多级控制阀内件。

背景技术

控制阀普遍用于过程中以控制通过与过程相连的管道和/或容器的流体(例如，气体、液体等)或任何其它物质的流动。控制阀通常包括一个或多个流体入口和流体出口，并且控制阀还可以包括流体控制元件或构件(例如，阀闸、活塞、阀塞、控制构件等)，其操作以控制通过将(一个或多个)入口流体地耦接到(一个或多个)出口的孔的流体流动。控制构件通常耦接到阀帽，该阀帽机械耦接(例如，螺栓连接、夹紧、螺纹连接等)到阀本体。控制构件通常被配置为接合密封结构(例如，阀座)，该密封结构围绕通过阀的流动路径。调节器是控制阀的自控形式。

一般而言，控制元件(包括流体控制构件、阀座和阀笼)在本领域中被称为“阀内件”或“内件组件”。在某些情况下，可能需要在流体流过阀时对流体进行特征化，例如，以减小压力或减少空化。在这些情况下，可以使用内件组件，该内件组件包括具有穿过阀笼的壁钻取、铸造、冲压、机加工等的多个开口的阀笼。开口的尺寸和形状可以设计成在流体流过阀笼中的开口时对流体流动进行特征化，例如通过在流体移动通过阀内件时减小压力。这种特征化或减压过程产生不需要的噪声。目前，空化是通过使用压降来控制的，并且通过具有在阀笼的壁中钻取、铸造、冲压、机加工等的多个孔的阀笼来实现降低声音。

现在参照图1，例示了典型的现有技术的控制阀10。控制阀10通常包括阀本体12，阀本体12具有入口14和出口16以及设置在入口14和出口16之间的通路18。阀座24设置在入口14和出口16之间的通路18中，并且阀笼22邻近阀座24设置在阀本体12内。流体控制构件(例如阀塞26)定位在阀本体12内并且可移动地设置在阀笼22内。阀塞26与阀座24相互作用以控制通过本体12的流体流动，使得阀塞26在关闭位置密封地接合阀座24并且在打开位置与阀座24间隔开。杆28在一端连接到阀塞26并且在另一端连接到致动器30。致动器30控制阀塞26在阀笼22内的移动。阀笼22定位成邻近阀座24并靠近阀塞26，以在阀塞26在阀笼22内移动时为阀塞26提供引导。

在一些流体应用中，阀笼22包括穿过阀笼22的周向壁形成的多个通道或开口20。开口20起着减小流体通过阀笼22时产生的噪声的作用。通道20被间隔开使得在流体离开通道20时产生的流体射流不会汇聚而产生噪声。阀笼22可以定向于“向上流动”方向(例如，流体从图1中的底部进入阀笼22的中心并从阀笼22的内表面传送到外表面)，并且通道20的间隔减小了在阀笼22的外表面处或在“向下流动”方向的噪声。针对给定的阀塞26位置，阀笼22的内表面上的通道20的间隔调节通过期望数量的通道20的流体流动的流量，以在阀塞26的整个行程中对流体流动进行特征化。

对于在气体流过控制阀10时过程状况会产生空化或噪声的流体应用中使用的阀笼22，穿过阀笼22的周向壁单独地钻取孔以形成通道20。然而，钻孔阀笼非常麻烦、耗时且生产成本高。一些钻孔阀笼可以包含数千个孔并且产生通道20的唯一真正可行的方式是用钻头单独地钻取每个通道20。存在接受标准，该标准允许一定百分比的钻头断裂并留在阀笼中，并且该过程需要使用具有高精度的特殊钻机。

除了在阀笼22的外表面上的通道20的间隔之外，还可以通过提供其它类型的流动通道20来减小噪声，例如通过改变通道20的横截面直径。然而，在具有穿过实体阀笼22的钻孔的情况下，创建具有非线性流动路径或具有可变横截面积的通道20是非常困难的。

除了噪声问题之外，在一些液体应用中，可能发生将产生可能导致控制阀10的部件的损坏的液体空化的条件的状况。为了将空化减小到不损坏控制阀10或将空化引导到不易损坏的区域，可以使用直径沿流体流动方向减小的通道。

然而，通过常规制造技术钻取孔以在阀笼22壁中创建通道20需要从阀笼的外表面阶梯式钻取孔，这限制了孔在阀笼22的外表面具有较大直径部分和在阀笼22的内表面处的通道20的较小直径部分，因为孔必须从阀笼22的外部钻取。

一些现有的阀笼22可包括减压或节流级。每个节流级都包括“缩流部(venacontracta)”，其中自由流动面积最小，压力转换为速度，以及随后的相对较大的体积，其中流体的动能在很大程度上通过湍流消散；剩下的部分导致所谓的“压力恢复”。特别是对于水控制阀，低压力恢复是期望的，因为它降低了空化的危险。

在现有的阀笼设计中，这些节流级可以径向地依次排列，导致阀笼的相当大的外径，这驱动了阀的必要本体尺寸。其它设计在内件中轴向地分布这些级，从而产生相当长的阀。

实用新型内容

为了解决现有的阀笼设计中阀笼的节流级对阀笼或阀的尺寸的影响的问题，提供了控制阀和用于控制阀的阀笼。

根据一个示例性方面，一种控制阀包括：本体，本体具有流体入口和流体出口。阀座定位在流体入口与流体出口之间的本体的通路中。阀塞定位在本体内并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，在关闭位置，阀塞密封地接合阀座，在打开位置，阀塞与阀座间隔开。阀笼邻近阀座设置在本体内，当阀塞在阀笼内纵向地移动时，阀笼为阀塞提供纵向引导。阀笼包括具有节流入口和节流出口的笼壁，节流入口和节流出口通过节流通路连接。节流通路在节流入口与节流出口之间具有径向方向、轴向方向和角度方向。通路包括多个缩流部和多个压力恢复室，它们形成多个减压级。

根据另一个示例性方面，一种用于控制阀的阀笼包括：笼壁，笼壁具有节流入口和节流出口，节流入口和节流出口通过节流通路连接。节流通路在节流入口与节流出口之间具有径向方向、轴向方向和角度方向。通路还包括多个缩流部和多个压力恢复室，它们形成多个减压级。

进一步根据前述示例性方面中的任何一个或多个方面，控制阀或用于控制阀的阀笼还可以以任何组合包括以下优选形式中的任何一个或多个。

在一个优选形式中，至少一个缩流部是边缘尖锐的。

在另一优选形式中，笼壁具有多个节流入口和多个节流出口。

在又一优选形式中，多个节流入口成排地布置。

在又一优选形式中，多个节流入口包括三排。

在又一优选形式中，多个节流出口成排地布置。

在又一优选形式中，多个节流出口包括三排。

在又一优选形式中，节流入口是菱形的。

在又一优选形式中，节流出口是菱形的。

在又一优选形式中，节流通路的横截面为人字形。

在又一优选形式中，节流通路包括三维连续的节流级。

在又一优选形式中，笼壁是用增材制造技术制造的。

在又一优选形式中，节流通路形成三个或更多个减压级。

根据本实用新型的控制阀和用于控制阀的阀笼，可以有利地使阀笼的直径和高度最小化，同时也使阀笼体积的材料含量分数最小化。

附图说明

图1是现有技术的控制阀的剖视图；

图2是根据本公开内容的教导构造的阀笼的透视图；

图3是图2的阀笼的切开的透视图；以及

图4是图2的阀笼的切开的侧视图。

具体实施方式

尽管以下文本公开了示例性方法、装置和/或制品的详细描述，但产权的法律范围由权利要求限定。因此，以下详细描述仅被解释为示例性的，而非描述每个可能的示例，因为描述每个可能的示例即使不是不可能也将是不切实际的。可以使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术来实现许多替代示例。这样的替代示例仍将落入权利要求的范围内。

现在转向图2，例示了阀笼122的一个示例。通过替换图1的阀笼22，示例性阀笼122可用于控制阀，例如图1的控制阀。如图1所示，控制阀10将包括具有流体入口14和流体出口16的本体12。阀座24将定位在流体入口14与流体出口16之间的本体12的通路18中。阀塞26将定位在本体12内并且可在关闭位置与打开位置之间移动，在关闭位置，阀塞26密封地接合阀座24，在打开位置，阀塞26与阀座24间隔开。

阀笼122邻近阀座设置在本体内并且阀笼122为阀塞提供纵向引导，如上所述。如图2-图4所示，阀笼122包括笼壁140，笼壁140具有节流入口142和节流出口144，节流入口142和节流出口144通过节流通路146连接。

节流通路146在节流入口142与节流出口144之间具有径向方向或部分146a、轴向方向或部分146b和角度方向或部分146c。节流通路146包括多个缩流部150和多个压力恢复室152，它们形成多个减压级154。

在所示示例中，存在五个减压级154a、154b、154c、154d、154e，每个级是单个节流通路146的部分。在某些情况下，减压级154具有角度部分(例如，图4右下角的154e)，在其它情况下，减压级154具有垂直或轴向部分(例如，图4右下角的154b和154d)，以及在其它情况下，减压级154具有径向部分(例如，图4右下角的154c和154a)。通过在每个节流通路146中包括垂直部分、径向部分和角度部分(包括径向和轴向分量)，所公开的阀笼122通过更有效地使用笼壁140的体积来最小化轴向和径向尺寸。

所公开的阀笼122通过增材制造技术来制造，诸如3D打印，这使得能够生成多方向的节流通路146。这种多方向的节流通路146用传统的钻取或铣削技术是不可能实现的。在其它实施例中，阀笼122可具有多于或少于四个减压级154。

如图2-图4所示，笼壁140具有多个节流入口142和多个节流出口144。在一些实施例中，多个节流入口142成排地布置，在该情况下，以大体垂直于阀笼122的纵向轴线A的水平排布置。在所例示的实施例中，多个节流入口142包括三排。在其它实施例中，可以使用多于或少于三排。在其它实施例中，节流入口142可以不形成排。

类似地，多个节流出口144也成排地布置。在一些实施例中，多个节流出口144成排地布置，在该情况下，以大体垂直于阀笼122的纵向轴线A的水平排布置。在所例示的实施例中，多个节流出口144包括三排。在其它实施例中，可以使用多于或少于三排。在其它实施例中，节流出口144可以不形成排。成排的节流出口144与成排的节流入口142的不同之处在于，成排的节流出口144包括靠近阀笼122顶部的相对紧密间隔的两个排以及与前两个排间隔开且更靠近阀笼122底部的单排。在某些情况下，当流体离开节流出口144时，这种布置可以产生更优化的下游流动。

在一些实施例中，缩流部150至少部分地由尖锐边缘160限定。尖锐边缘160增强了速度增加并因此增强了压力恢复室152中的压力恢复。尖锐边缘160还增强了可制造性，尤其是增材制造，诸如3D打印，通过减少或消除大的悬垂(overhang)。

在一些实施例中，节流入口142和/或节流出口144可以是菱形的。菱形还提高了可制造性。此外，菱形使流动面积最大化，同时使应力集中最小化。

在一些实施例中，节流通路146的横截面为人字形(chevron-shaped)。类似于上述尖锐边缘160和菱形，节流通路的人字形横截面增强了可制造性，同时使应力集中最小化。

如上所述，节流通路146包括三维连续的节流级，其包括径向方向或部分146a、轴向方向或部分146b和角度方向或部分146c。节流通路146可以形成三个或更多个减压级。在所例示的实施例中，形成五个减压级154a、154b、154c、154d、154e。在其它实施例中，可以在任何单独的节流通路146中形成多于或少于五个减压级。此外，在给定阀笼122中的不同节流通路146可以具有不同数量的节流级。更多的节流级可以通过产生更大的流体速度降低和通过减少空化而有利地减少内件材料的磨损。通常，随着跨内件的压差增加，更多的节流级是有利的。相反，如果跨内件的压差较小，较少的节流级降低了制造复杂性，从而提高经济可行性。

可以使用增材制造技术(例如3D打印、直接金属激光烧结、全熔粉末床融合等)制造阀笼122。使用增材制造技术工艺，将阀笼122的3维设计分为多个层，例如大约20-50微米厚的层。然后铺设代表设计的第一层的粉末床，例如基于粉末的金属，并且激光或电子束将第一层的设计烧结在一起。然后将代表设计的第二层的第二粉末床铺设在第一烧结层上，并将第二层烧结在一起。这一层又一层地继续以形成完整的阀笼122。

使用增材制造技术工艺来制造用于控制阀的阀笼允许自由地产生具有各种形状和几何结构以及其它特征的通道，这是使用当前的标准铸造或钻取技术不可能实现的。例如，如上所述，在液体应用中使用的阀笼可以制造成具有轴向、径向和角度组成部分的通道。然而，使用标准制造技术，阀笼被限于钻取或机加工具有相对直的通路的通道。

本文所述的控制阀和阀笼有利地使阀笼的直径和高度最小化，同时也使阀笼体积的材料含量分数最小化。表面之间角度的变化可能是优化增材制造性能所必需的。节流通路的横截面形状也可以变化。特别地，节流通路可以是圆形、菱形、八角形、正方形、多边形、圆形、椭圆形、或它们的组合。此外，可以采用对每排中节流通路的数量或排数量的改变。节流通路的连续的径向和轴向流动方向也可以出现在其它实施例中。缩流部与后续体积之间的流动横截面的比率也可以变化。阀笼本身的基本几何形状也可以变化，例如圆锥形而不是圆柱形。

前述罗列的方面反映了本公开内容明确预期的各种实施例。本领域的普通技术人员将容易理解，这些方面既不是对本文所公开的实施例的限制，也不是从以上公开内容可以想到的所有实施例的穷尽，而是本质上是示例性的。

Claims (20)

1.一种控制阀，其特征在于，包括：

本体，其具有流体入口和流体出口；

阀座，其定位在所述流体入口与所述流体出口之间的所述本体的通路中；

阀塞，其定位在所述本体内，并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，在所述关闭位置，所述阀塞密封地接合所述阀座，在所述打开位置，所述阀塞与所述阀座间隔开；以及

阀笼，其邻近所述阀座设置在所述本体内，当所述阀塞在所述阀笼内纵向地移动时，所述阀笼为所述阀塞提供纵向引导，所述阀笼包括具有节流入口和节流出口的笼壁，所述节流入口和所述节流出口通过节流通路连接，所述节流通路在所述节流入口与所述节流出口之间具有径向方向、轴向方向和角度方向，所述通路还包括多个缩流部和多个压力恢复室，

其中，所述节流通路形成多个减压级。

2.根据权利要求1所述的控制阀，其特征在于，至少一个缩流部是边缘尖锐的。

3.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述笼壁具有多个节流入口和多个节流出口。

4.根据权利要求3所述的控制阀，其特征在于，所述多个节流入口成排地布置。

5.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，所述多个节流入口包括三排。

6.根据权利要求3所述的控制阀，其特征在于，所述多个节流出口成排地布置。

7.根据权利要求6所述的控制阀，其特征在于，所述多个节流出口包括三排。

8.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述节流入口是菱形的。

9.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述节流出口是菱形的。

10.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述节流通路的横截面为人字形。

11.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述节流通路包括三维连续的节流级。

12.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述笼壁是用增材制造技术制造的。

13.根据权利要求1或2所述的控制阀，其特征在于，所述节流通路形成三个或更多个减压级。

14.一种用于控制阀的阀笼，其特征在于，所述阀笼包括：

具有节流入口和节流出口的笼壁，所述节流入口和所述节流出口通过节流通路连接，所述节流通路在所述节流入口与所述节流出口之间具有径向方向、轴向方向和角度方向，所述通路还包括多个缩流部和多个压力恢复室，

其中，所述节流通路形成多个减压级。

15.根据权利要求14所述的阀笼，其特征在于，所述笼壁具有多个节流入口和多个节流出口，所述多个节流入口成排地布置。

16.根据权利要求15所述的阀笼，其特征在于，所述多个节流出口成排地布置。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的阀笼，其特征在于，所述节流入口和所述节流出口中的至少一个是菱形的。

18.根据权利要求14至16中任一项所述的阀笼，其特征在于，所述节流通路的横截面为人字形。

19.根据权利要求14至16中任一项所述的阀笼，其特征在于，所述节流通路包括三维连续的节流级。

20.根据权利要求14至16中任一项所述的阀笼，其特征在于，所述笼壁是用增材制造技术制造的。

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