DE69807234T2

DE69807234T2 - Drehender ventilaktor mit hohem-niedrigem-hohem drehmoment

Info

Publication number: DE69807234T2
Application number: DE69807234T
Authority: DE
Inventors: Wayne Eggleston
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2018-04-18
Also published as: EP0998642A1; DE69807234D1; AU7134998A; WO1998049482A1; US5975487A; EP0998642B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehschieber-Stellantrieb zum Steuern des Fluiddurchflusses durch ein Drehwellensteuerventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Hintergrund der Erfindung

Es werden viele verschiedene Fluiddurchflußsteuerventile und entsprechende Ventil- Stellantriebe zur EIN-/AUS-Steuerung oder zum Drosseln des Fluiddurchflusses verwendet, etwa in einem Gas- oder Ölpipelinesystem oder in anderen Prozeßfluidsystemen. Die Fluiddurchflußsteuerventile sind typischerweise Gleitspindelsteuerventile oder Drehsteuerventile und werden von einem Ventil-Stellantrieb wie etwa einem pneumatischen Kolben- oder Membran-Stellantrieb betätigt, der auf das Ausgangssignal eines Ventilpositionierer- oder Ventilstellinstruments zur genauen Drosselsteuerung des Ventils anspricht.
Bei Drehsteuerventilen verwenden diese Einheiten typischerweise ein Durchflußsteuerelement in Form einer drehbaren Kugel, eines drehbaren Kugelsegments oder eines drehbaren Klappenelements. Die Drehung des Durchflußsteuerelements öffnet und schließt den Ventilkörper oder -stopfen.
Ventil-Stellantriebe zum Steuern solcher Drehsteuerventile verwenden typischerweise ein linear bewegbares Element wie etwa eine bewegbare Membran, die mit einer Stange in der Membranmitte verbunden ist. Die Bewegung der Membran verlagert den Stab linear und erfordert also eine Translationsbewegung von einer linearen zu einer Drehwirkung. Das eine Ende eines drehbaren Hebelarms eines drehbaren Hebels ist an der drehbaren Ventilspindel befestigt, und das andere Ende des Hebelarms ist mit der Membranstange gekoppelt. Eine Linearbewegung der Membranstange bewegt den Hebelarm, dreht den Hebel und bewirkt dadurch eine Drehbewegung in der Ventilspindel, die schließlich mit dem drehbaren Durchflußsteuerelement in dem Fluidsteuerventil verbunden ist.
Wie vorstehend erwähnt, wandeln Drehstellantriebe typischerweise eine Linearbewegung in eine Drehbewegung um, und zwar unter Verwendung einer mit Rippen versehenen Verbindung von der sich bewegenden Membranstange zu einem drehbaren Hebel. In Fig. 1(a) ist ein bestehendes Gestänge eines Drehschieber-Stellantriebs gezeigt, wobei der Hebelarm 200, der zwischen der Mitte des drehbaren Hebels 202 und dem Verbindungspunkt 204 mit der Betätiger-Membranstange 206 definiert ist, mit der Mittellinie der Betätiger-Membranstange 206 einen Winkel von 45º bildet. Der resultierende Drehkrafthebelarm (der mit einer Referenzlänge von 0,7071 gezeigt ist) ist zwischen der Mitte des Hebels 202 und der Mittellinie der Betätiger-Membranstange definiert.
Wenn die Membranstange 206 aufgrund der linearen Betätigungsbewegung eines bewegbaren Betätigerelements 208 gegen den Hebelarm 200 drückt, dreht der Hebelarm den Hebel 202 um 90º. Wenn der Hebelarm mit der Gestängemittellinie wieder einen Winkel von 45º bildet, wie in Fig. 1(c) gezeigt ist, ist der Drehkrafthebelarm mit einer Referenzlänge von 0,7071 um 30% kürzer als, wenn der Drehkrafthebelarm unter einem Winkel von 90º zu der Mittellinie eine Referenzlänge von 1,0 hat, wie Figur in Fig. 1(b) gezeigt ist.
Wenn also der Hebel ab dem Beginn der Betätigerbewegung gedreht wird, wie in Fig. 1(a) gezeigt ist, ist deshalb die aus dem Drehkrafthebelarm und der treibenden linearen Kraft des Betätigers resultierende Drehkraft des Betätigers niedrig. In der in Fig. 1(b) gezeigten mittleren Wegposition ist die Drehkraft des Betätigers hoch, und am Ende der Wegposition, die in Fig. 1(c) gezeigt ist, ist die Drehkraft des Betätigers wieder niedrig. Der typische Drehstellantrieb liefert daher während der Ventilbetätigung eine Betätiger-Ausgangsdrehkraft niedrig-hoch-niedrig an den zugeordneten Drehschieber.
Während der Ventilbetätigung erfordern jedoch die meisten Drehschieber zu Beginn der Bewegung eine hohe Drehkraft, um den Ventilteller beispielsweise aus dem Ventilsitz heraus zu drehen. Eine hohe Drehkraft wird ferner benötigt, um den Ventilteller am Ende der Bewegung in Anlage zu bringen. Anders ausgedrückt, anstelle der zur Zeit verfügbaren Betätiger-Ausgangsdrehkraft niedrig-hoch-niedrig ist eine Betätiger- Ausgangdrehkraft hoch-niedrig-hoch erwünscht.
CH-A-431 216 beschreibt ein Ventilbetätigungsgestänge, das dazu dient, einem drehbaren Ventilelement eine ansteigende Drehkraft zu liefern, während das Ventilelement von dem Gestänge in Richtung einer geschlossenen Position bewegt wird. Das Ventilgestänge weist ein Kniehebelgestänge auf, in dem ein Glied und eine Stange an ihren Enden über einen Betätiger effektiv schwenkbar verbunden sind, wobei das andere Ende des Glieds mit einem Ventilhebel schwenkbar verbunden ist und das andere Ende der Stange mit dem Ventilkörper schwenkbar verbunden ist. Wenn das Ventil geschlossen wird, werden die Stange und das Glied ausgefluchtet. Der Betrieb des Betätigers zum Öffnen des Ventils schwenkt die Stange und das Glied aus der Ausfluchtung, wodurch eine hohe Anfangsdrehkraft erzeugt wird, die mit sich öffnendem Ventil abnimmt und dann wieder zunimmt, wenn das Ventil geschlossen wird.
DE-B-19 44 871 und DE-A-23 34 336 beschreiben beide Ventilbetätigungsgestänge, die der oben genannten Anordnung ähnlich sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drehschieber-Stellantrieb zum Steuern des Fluiddurchflusses durch ein Drehwellensteuerventil bereitzustellen, das, während sich das Ventil entweder öffnet oder schließt, eine Betätigungsdrehkraftfähigkeit hoch-niedrig-hoch in einer Drehrichtung der Drehwelle schaffen kann, die mit Positionen der Drehwelle, die eine Drehkraft hoch-niedrig-hoch erfordern, übereinstimmt.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Drehschieber-Stellantrieb zum Steuern des Fluiddurchflusses durch ein Drehwellensteuerventil bereitgestellt, wobei der Drehschieber-Stellantrieb folgendes aufweist: ein linear bewegbares Betätigungselement; einen drehbaren Hebel, der mit der Drehwelle gekoppelt ist; ein Betätigergestänge, das das Betätigerelement mit dem drehbaren Hebel koppelt und eine linear bewegbare Stange aufweist, die mit dem Betätigerelement und mit einem Glied schwenkbar verbunden ist, das mit dem drehbaren Hebel schwenkbar verbunden ist, wobei das Betätigergestänge einen Drehkrafthebelarm bildet, um die Linearbewegung des Betätigerelements in eine Drehbewegung des drehbaren Hebels umzuwandeln; dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigerelement gegen die Stange drückt, die ihrerseits gegen das Glied drückt, um zu bewirken, daß das Glied schwenkt und den drehbaren Hebel in einer Drehrichtung aus einer Anfangsposition, in der eine hohe Drehkraft erforderlich ist, um die Drehwelle zu drehen, durch eine mittlere Wegposition, in der eine niedrige Drehkraft erforderlich ist, um die Drehwelle zu drehen, und in eine Endposition dreht, in der eine hohe Drehkraft erforderlich ist, um die Drehwelle zu drehen; und daß das Betätigergestänge es dem effektiven Drehkrafthebelarm ermöglicht, an der Anfangs- und an der Endposition der Drehwelle länger zu sein als an der mittleren Wegposition der Drehwelle, um eine Betätigungsdrehkraftfähigkeit hoch-niedrig-hoch des Drehschieber-Stellantriebs zu schaffen, die mit den Positionen des Drehwellensteuerventils, die eine Drehkraft hoch-niedrighoch erfordern, übereinstimmt.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht zu Beginn der Betätigerbewegung die Positionierung des Hebelarms des Betätigers unter einem Winkel von 90º zu der Gestängemittellinie und stellt dadurch den längsten Betätiger-Drehkrafthebelarm bereit. Wenn der Hebel betriebsmäßig zur Wegmitte gedreht wird, ist der Drehkrafthebelarm um 30% kürzer als in der Anfangsposition des Betätigers. Am Ende der Betätigerbewegung ist der Drehkrafthebelarm zur gleichen längsten Länge zurückgekehrt, die er zu Beginn der Betätigung hatte. Dadurch wird eine hoch erwünschte Betätigerdrehkraft hoch-niedrighoch erhalten, die der Drehkraft entspricht, die von den meisten Drehschiebern beim Öffnen und Schließen des Ventiltellers oder anderer Ventilverschlußelemente in bezug auf den Ventilsitz erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neu angesehen werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeich nungen, in deren Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; die Figuren zeigen in:
Fig. 1(a), 1(b), 1(c) schematische Ansichten, die einen bekannten Drehschieberstellantrieb mit einem typischen Gestänge zwischen einem linear bewegbaren Betätigerelement und einem drehbaren Hebel zeigen; und
Fig. 2(a), 2(b), 2(c) schematische Ansichten, die einen Drehschieber-Stellantrieb mit verbessertem Drehkraftgestänge zeigen.

Genaue Beschreibung

In den Fig. 2(a), 2(b), 2(c) ist ein verbesserter Drehschieber-Stellantrieb 10 gezeigt, der ein linear bewegbares Element 12 und eine Stange 14 aufweist, die an einem Stangenende 16 zur angetriebenen Linearbewegung mit dem bewegbaren Element 12 verbunden ist. Das linear bewegbare Element 12 von existierenden Drehstellantrieben ist typischerweise eine Membran, die sich unter einer Druckdifferenz bewegt, oder eine sich bewegende Dose, die von einer unter Druck stehenden Blase angetrieben wird. Das andere Stangenende 18 ist durch ein Glied 20 mit einem drehbaren Hebel 22 gekoppelt, um die betätigende Linearbewegung des bewegbaren Elements 12 in eine Drehbewegung des Hebels 22 umzuwandeln. Der Hebel 22 ist auf bekannte Weise treibend so gekoppelt, daß er eine Ventilspindel eines Fluidsteuerventils dreht.
Eine Schwenkverbindung 24 verbindet ein Gliedende 26 schwenkbar mit dem Stangenende 18. Eine ähnliche Schwenkverbindung 28 verbindet ein Gliedende 30 schwenkbar mit einem aufrechten Vorsprung 32, der als ein Tel des Hebels 22 ausgebildet ist.
Es versteht sich, daß das Betätigergestänge mit Rippen versehen ist und zwischen dem linear bewegbaren Element 12 des Betätigers und dem drehbaren Hebel 22 unter mechanischer Spannung gehalten wird. Die Schwenkverbindungen 24, 28 ermöglichen eine jeweilige Schwenkbewegung des Glieds 20 aufgrund der linearen Betätigung der Stange 14 und eine Drehbewegung des Hebels 22 aufgrund des Schwenkens des Glieds 20.
Wie Fig. 2(a) zeigt, ist in dieser anfänglichen Betätigungsposition ein Hebelarm 34 zwischen der Hebelmitte 36 und dem Schwenkverbindungspunkt 28 des Gestänges definiert. Es ist zu beachten, daß der Hebelarm 34 mit der Gestängemittellinie 38 einen Winkel von 90º bildet. In Fig. 2(a) ist eine Referenzahl 1,0 für die Länge eines resultierenden Drehkrafthebelarms zum Vergleich mit der Länge eines resultierenden Drehkrafthebelarms in den Fig. 2(b) und 2(c) gezeigt.
Bei diesem Beginn der Betätigerbewegung ist es erwünscht, daß die höchste Drehkraft des Betätigers das Ventilverschlußelement aus dem Ventilsitz heraus dreht. Aufgrund der linearen Betätigung des bewegbaren Betätigerelements 12 wird die Stange 14 linear nach links in Fig. 2(a) getrieben, um das Glied 20 schwenkbar zu treiben und den Hebel 22 unter Nutzung der Anfangsdrehkraft zu drehen, die entsprechend dem Hebelarm 34 unter einem Winkel von 90º mit einer Referenzlänge von 1/0 entwickelt wird.
Fig. 2(b) zeigt die Betätigergestängeposition in der Mitte des Wegs des Betätigers, wobei der Hebel 22 um 45º aus der anfänglichen Betätigungsposition von Fig. 2(a) gedreht worden ist. An dieser mittleren Wegposition ist die Länge eines resultierenden Drehkrafthebelarms als ein Schenkel eines 45º-Winkels eines rechtwinkligen Dreiecks zu sehen, und deshalb kann berechnet werden, daß sie 0,7071 der resultierenden Drehkrafthebelarmlänge von Fig. 2(a) beträgt. Es ist zu beachten, daß sich die Drehkraft des Betätigers als ein direkt proportionales Produkt der linearen Kraft von der Stange 14 und der Länge eines rechtwinkligen Drehkrafthebelarms entwickelt. Die Drehkraft des Betätigers in Fig. 2(b) ist also 30% geringer als die in Fig. 2(a).
An der mittleren Wegposition des Betätigers von Fig. 2(b) ist das Ventilverschlußelement zu seinem mittleren Wegpunkt gedreht worden. Im Vergleich mit der Anfangsposition des Ventils, in der das Ventilverschlußelement von dem Ventilsitz weg bewegt worden ist, oder im Vergleich mit der Wegendposition, in der das Ventilverschlußelement an dem Ventilsitz in Anlage gebracht worden ist, wird eine geringere Betätig erdrehkraft benötigt, um die Ventilspindel an der mittleren Wegposition des Ventils zu drehen.
Da das den Betätiger bewegende Element 12 die Stange 14 und den Gliedarm 20 so treibt, daß sie den Hebel um weitere 45º drehen, wird die Wegendposition von Fig. 2(c) erreicht. Die Länge des resultierenden Drehkrafthebelarms ist wiederum bei 1,0, wie Fig. 2(c) zeigt, was bedeutet, daß die entwickelte Drehkraft des Betätigers gleich wie in Fig. 2(a) ist. Es versteht sich, daß die oben beschriebene Anfangs- und Endposition des Ventils umgekehrt sein können und daß die gleiche Betätigungsdrehkraft hoch-niedrig-hoch erwünscht ist.
Deshalb liefert der Drehschieber-Stellantrieb 10 mit dem verbesserten Gestänge nach der Erfindung bei der anfänglichen Betätigung eine hohe Drehkraft, in der Mitte des Wegs eine niedrige Drehkraft und an der Wegendposition eine hohe Drehkraft. Anders ausgedrückt, es wird, wie gewünscht, eine Betätigungsdrehkraft hoch-niedrig-hoch bereitgestellt, die den Anforderungen der meisten Drehschieber genügt.
Das Glied 20 ermöglicht es dem Betätiger, die Ventilbewegung mit dem längsten Drehkrafthebelarm zu beginnen und es dem Hebel 22 zu ermöglichen, sich um 90º zu drehen, um die Wegendposition mit dem gleichen Drehkrafthebelarm wie anfangs zu erreichen. Wenn das Glied 20 zu kurz ist, ist der Hebel 22 nicht imstande, sich um die gesamten 90º aus der Weganfangs- zu der Wegendposition zu bewegen. Wenn das Glied 20 zu lang ist, kann sich der Hebel 22 um die gesamten 90º drehen, das Betätigergestänge wird jedoch unerwünscht lang. Das Glied 20 sollte deshalb mit der Kontur des drehbaren Hebels übereinstimmen. Ferner sollte ein Glied 20 kürzester Länge die Drehung des Hebels 22 um die gesamten 90º gestatten und bewirken, daß sich die Endschwenkverbindung 28 des Gestänges um die gleichen 90º bewegt.
Die vorstehende genaue Beschreibung dient nur dem klaren Verständnis, und es sollten keine unnötigen Beschränkungen daraus abgeleitet werden, da Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind.

Claims

1. Drehschieber-Aktuator zum Steuern des Fluiddurchflusses durch ein Drehwellensteuerventil, wobei der Drehschieber-Aktuator folgendes aufweist:

- ein linear bewegliches Aktuatorelement (12);

- einen drehbaren Hebel (22, 32), der mit der Drehwelle (36) gekoppelt ist;

- ein Aktuatorgestänge (14, 20), das das Aktuatorelement (12) mit dem drehbaren Hebel (22, 32) koppelt und eine linear bewegliche Stange (14) aufweist, die mit dem Aktuatorelement (12) und mit einem Glied (20) schwenkbar verbunden ist, das mit dem drehbaren Hebel (22, 32) schwenkbar verbunden ist, wobei das Aktuatorgestänge (14, 20) einen Drehmomenthebelarm (34) bildet, um die Linearbewegung des Aktuatorelements (12) in eine Drehbewegung des drehbaren Hebels (22, 32) umzuwandeln;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Aktuatorelement (12) gegen die Stange (14) drückt, die ihrerseits gegen das Glied (20) drückt, um zu bewirken, daß das Glied (20) schwenkt und den drehbaren Hebel (22, 32) in einer Drehrichtung aus einer Anfangsposition, in der ein hohes Drehmoment erforderlich ist, um die Drehwelle (36) zu drehen, durch eine mittlere Wegposition, in der ein niedriges Drehmoment erforderlich ist, um die Drehwelle (36) zu drehen, und in eine Endposition dreht, in der ein hohes Drehmoment erforderlich ist, um die Drehwelle (36) zu drehen;

und dass das Aktuatorgestänge (14, 20) es dem effektiven Drehmomenthebelarm (34) ermöglicht, an der Anfangs- und an der Endposition der Drehwelle (36) länger zu sein als an der mittleren Wegposition der Drehwelle (36), um eine Aktuatordrehmomentfähigkeit hoch-niedrig-hoch des Drehschieber-Aktuators zu schaffen, die mit den Positionen des Drehwellensteuerventils, welche ein Drehmoment hoch- niedrig-hoch erfordern, übereinstimmt.

2. Drehschieber-Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glied (20) es den längsten Drehmomenthebelarm (34) ermöglicht, an der Anfangs- und an der Endposition des drehbaren Hebels (22, 32) zur Verfügung zu stehen.

3. Drehschieber-Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glied (20) profiliert ist, um mit der Kontur des drehbaren Hebels (32) überein zu stimmen.

4. Drehschieber-Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenkverbindung (28) zwischen dem Glied (20) und dem drehbaren Hebel (22, 32) einen Drehmomenthebelarm (34) an der Anfangs- und an der Endposition des drehbaren Hebels (22, 32) bildet, der gleich der Distanz zwischen der Hebelmitte (36) und der Schwenkverbindung (28) ist.