DE69918949T2

DE69918949T2 - Fluiddruckreduziervorrichtung mit linearer durchflusscharakteristik

Info

Publication number: DE69918949T2
Application number: DE69918949T
Authority: DE
Inventors: Everett William WEARS; W. Michael McCARTY
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: CA2319661A1; JP4187928B2; MY123285A; EP1049893B1; CA2319661C; CN1289394A; WO1999039122A1; CN1102717C; BR9907282A; US6026859A; AU2340799A; AR014499A1; DE69918949D1; JP2002502012A; EP1049893A1

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Verteilen der Fluidenergie und speziell eine Fluiddruckreduziervorrichtung mit geringem akustischem Umwandlungswirkungsgrad für Gasströmungen und ferner für Vorrichtungen mit Antikavitations- und somit niedrigen Geräuscheigenschaften, die für Flüssigkeitsströmungen ausgebildet sind.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Steuerung von Fluid in Industrieprozessen wie etwa Öl- und Gasrohrleitungssystemen, chemischen Prozessen usw. ist es häufig notwendig, den Druck eines Fluids zu reduzieren. Einstellbare Strömungsbegrenzungsvorrichtungen wie etwa Durchflußsteuerventile und Fluidregulierer und andere fest vorgesehene Fluidbegrenzungsvorrichtungen wie Diffusoren, Schalldämpfer und andere Rückdruckvorrichtungen werden für diese Aufgabe eingesetzt. Der Zweck des Fluidsteuerventils und/oder einer anderen Fluidbegrenzungsvorrichtung in einem gegebenen Anwendungsfall kann in der Steuerung der Durchflußrate oder von anderen Prozeßvariablen liegen, aber die Begrenzung erzeugt inhärent eine Druckreduzierung als Nebenprodukt ihrer Durchflußsteuerungsfunktion.
Derzeit gibt es Fluidsteuerventile, die eine Ventilabgleicheinrichtung in Form gestapelter Scheiben enthalten, die eine Fluiddruckreduziervorrichtung bilden. Bei einem solchen Fluidsteuerventil mit Gleitspindel ist es erwünscht, daß mit dem Öffnen des Ventils die Durchflußleistung kontinuierlich auf im wesentlichen lineare Weise ansteigt. Bei einer vorgeschlagenen Ventilabgleicheinrichtung in Form eines Käfigs mit gestapelten Scheiben werden zwei verschiedene Scheiben in einer alternierenden Konfiguration verwendet. Bei dieser Konfiguration hat eine erste Strömungsscheibe Einlaß- und Auslaßschlitze, die mit einem Plenum in einer Plenumscheibe zusammenwirken, so daß jede zweite Scheibe keine Einlaßöffnungen hat, um das Auftreten einer Fluidströmung zuzulassen, während sich das Fluidsteuerelement des Ventils durch die gestapelten Scheiben von einer geschlossenen in eine offene Position bewegt. Somit wird ein "Treppenstufen"-Effekt in den Durchflußleistungs-Charakteristiken dieser bekannten Ventilabgleichkonfigurationen mit gestapelten Scheiben erzeugt anstelle der erwünschten Charakteristik einer im wesentlichen linearen Zunahme der Durchflußleistung mit sich öffnendem Ventil.
Eine Fluiddruckreduziervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US-A-3 780 767 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird eine Fluiddruckreduziervorrichtung in einer Konfiguration mit gestapelten Scheiben angegeben, wobei die Durchflußleistung kontinuierlich auf eine im wesentlichen lineare Weise ansteigt, während ein Durchflußsteuerelement immer mehr von den Strömungseinlaßöffnungen der gestapelten Scheiben freigibt.
Eine solche Fluiddruckreduziervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Größe und Gestalt der Bypaßschlitze können unterschiedlich sein. Eine Bogenform minimiert die durch den Prozeßdruck erzeugte Beanspruchung, aber für den Bypaßschlitz könnte jede Gestalt verwendet werden, um der Fluidströmung zu gestatten, den Einlaßschlitz in der nächsten Strömungsscheibe zu erreichen. Die Größe (Fläche) des Bypaßschlitzes kann verschieden sein und sollte so optimiert sein, daß die am weitestgehenden linearen Durchflußleistungs-Charakteristiken erzielt werden. Der "Treppenstufen"-Effekt tritt jedoch wieder auf, wenn der Bypaßschlitz zu groß gemacht wird, weil dadurch zu viel Strömung zum nächsten Einlaßschlitz auftreten würde.
Bei ersten Prototypen, die die vorliegende Erfindung verwendeten, war der Bypaßschlitz so ausgebildet, daß er zwischen 50 % und 60 % der Fläche in der kleinsten Öffnung des Einlaßschlitzes der nächsten Strömungsscheibe nutzte. Manche Prozesse und Anwendungen können andere Durchflußcharakteristiken erfordern wie etwa eine gleichprozentige Durchflußcharakteristik, wobei eine geringe Durchflußmenge in Richtung zum unteren Bewegungsende des Fluidsteuerelements erreicht wird und danach mit dem weiteren Öffnen des Ventils der Durchfluß exponentiell zunimmt. Dies kann erreicht werden durch Steuerung der Anzahl von Einlaß- und Auslaßschlitzen in der Strömungsscheibe. Im Fall einer gleichprozentigen Durchflußcharakteristik ist die Zahl der Schlitze in der Strömungsscheibe im unteren Teil der Käfiganordnung gering, beginnt in der Mitte größer zu werden und baut sich so auf, daß in Richtung zum oberen Ende der Anordnung hin alle Schlitze vorhanden sind. Diese Technik kann so ausgebildet werden, daß der notwendige Flächenbedarf erhalten wird, der für verschiedene Prozeßanforderungen notwendig ist. Auch hier eliminieren die Bypaßschlitze den "Treppenstufen"-Effekt und erzeugen eine mehr lineare Durchflußkennlinie. Bei dieser Anordnung hat die Käfiganordnung ein ausgeprägtes Oberende und ein ausgeprägtes Unterende. Die vollständige Anzahl von Bypaßschlitzen kann jedoch in der Plenumscheibe genutzt werden, und ihre Anzahl braucht nicht, wie das an der Strömungsscheibe der Fall ist, größer zu werden. Die zusätzlichen Bypaßschlitze wären eine "Sackgasse" und würden der Strömung nicht erlauben, aus der Käfiganordnung auszutreten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Bypaßschlitzen an der Plenumscheibe vorgesehen, wobei eine erste Gruppe von Bypaßschlitzen an der Plenumscheibe vorgesehen und so positioniert ist, daß sie mit den Einlaßschlitzen der Strömungsscheibe unmittelbar über der Plenumscheibe ausgefluchtet sind. Außerdem weist die Plenumscheibe eine zweite Gruppe von Bypaßschlitzen auf, die so positioniert sind, daß sie mit den Einlaßschlitzen der Strömungsscheibe unmittelbar unter der Plenumscheibe ausgefluchtet sind. Diese alternative Ausführungsform bietet den Vorteil, daß die Verbesserung der Linearisierung der Durchflußkennlinie ungeachtet der Orientierung der Oberseite/Unterseite der gestapelten Scheiben innerhalb des Käfigs funktioniert. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Orientierung des Käfigs während der Montage, da die gestapelten Scheiben in dem Käfig nunmehr in Bezug auf Oberseite/Unterseite symmetrisch sind. Außerdem können die Schlitze so positioniert sein, daß alle speziellen Orientierungsüberlegungen der Plenumscheibe entfallen. Sie können so ausgebildet sein, daß sich immer ein Bypaßschlitz an der Plenumscheibe unmittelbar unter dem Einlaßschlitz an der Strömungsscheibe befindet, und zwar ungeachtet der Orientierung der Strömungsscheibe oder der Plenumscheibe.
Bei einer weiteren Ausführungsform könnte der Bypaßschlitz einfach ein einziger fortlaufender Schlitz sein, der den gesamten Innendurchmesser der Plenumscheibe überspannt und mit den Einlaßschlitzen der Strömungsscheiben sowohl über als auch unter der Plenumscheibe in Fluidverbindung ist. Das ermöglicht die Bypaßströmung zur Verbesserung der Linearisierung der Durchflußkennlinie und beseitigt gleichzeitig die bisherigen Fertigungsschwierigkeiten hinsichtlich der Orientierung. Diese Technik müßte jedoch sehr genau ausgeführt werden, da das Maß des verwendeten Querschnitts des Bypaßschlitzes in bezug auf den Querschnitt der Einlaßschlitze sich unmittelbar auf die Effektivität der Kennlinienverbesserung auswirkt, wie oben beschrieben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die als neu angesehenen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind ausdrücklich in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Das Verständnis der Erfindung ergibt sich unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche Bezugszeichen haben; die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Querschnittsansicht eines Strömungssteuerventils, das eine Ventilabgleicheinrichtung in Form gestapelter Scheiben enthält, die eine Fluiddruckreduziervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bilden;
2 eine Draufsicht auf eine Strömungsscheibe, welche die eine von den alternierenden Scheiben in den gestapelten Scheiben in 1 ist;
3 eine Draufsicht auf eine Plenumscheibe, welche die andere alternierende Scheibe in den gestapelten Scheiben in 1 ist;
4 eine Perspektivansicht von vier Scheiben in den gestapelten Scheiben von 1, wobei eine Strömungsscheibe von 1 mit einer Plenumscheibe von 3 alterniert; und
5 eine Explosionsansicht mit einer alternativen Ausführungsform einer Plenumscheibe, die zusätzliche Bypaßschlitze hat, um eine symmetrische Konfiguration gestapelter Scheiben zu bilden.
Genaue Beschreibung
1 zeigt eine Fluiddruckreduziervorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Form eines Ventilkäfigs 10, der eine Vielzahl von gestapelten Scheiben hat und in einem Durchflußsteuerventil 12 angebracht ist. Das Durchflußsteuerventil 12 weist einen Ventilkörper 14 mit einem Fluideinlaß 16, einem Fluidauslaß 18 und einem Verbindungskanal 20 durch den Ventilkörper auf.
Ein Ventilsitzring 22 ist in dem Ventilkörperkanal 20 angebracht und wirkt mit einem Ventilbetätigungselement 24 zusammen zur Steuerung der Fluidströmung in das Innere und durch das Äußere des Ventilkäfigs 10 hindurch. Der Ventilkäfig 10 kann in dem Ventil durch herkömmliche Befestigungsmittel wie etwa eine Käfighalterung 26 und Befestigungsbolzen 28 gehalten sein, die mit dem Ventildeckelbereich des Ventils auf bekannte Weise in Eingriff sind. Eine Serie von Schweißraupen 30 an der Außenseite des Ventilkäfigs 10 hält die Scheiben in einem zusammengebauten Stapel. Bei einer gebauten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede einzelne Scheibe nickelplattiert. Die nickelplattierten Scheiben werden zu einem Stapel zusammengebaut, der in einer Einspanneinrichtung angeordnet und einer geeigneten Stapelbelastung und -temperatur ausgesetzt wird, um die einzelnen nickelplattierten Scheiben miteinander zu verschmelzen. Bei großen Scheiben kann eine Serie von Bolzen oder von anderen Arten von mechanischen Befestigungselementen verwendet werden, um die gestapelten Scheiben in der zusammengebauten Konfiguration sicher zu halten.
Das Ventil 10 weist eine Vielzahl von gestapelten Scheiben in einer alternierenden Scheibenkonfiguration auf, die eine in 2 gezeigte Strömungsscheibe 32 abwechselnd mit einer in 3 gezeigten Plenumscheibe 34 aufweist. Die Strömungsscheibe 32 weist einen hohlen Mittelbereich 36 und einen ringförmigen Umfang 38 auf. Eine Vielzahl von Fluideinlaßschlitzen 40 erstreckt sich jeweils teilweise von der Scheibenmitte 36 zu dem Scheibenumfang 38 hin. Eine Vielzahl von Fluidauslaßschlitzen 42 erstreckt sich jeweils teilweise von dem Scheibenumfang 38 zu der Scheibenmitte 36 hin.
An der in 3 gezeigten Plenumscheibe 34 sind einer oder mehrere Plenumschlitze 44 vorgesehen, die sich vollständig innerhalb der Scheibe und zwischen einer hohlen Scheibenmitte 46 und einem Scheibenumfang 48 erstrecken. Jeder Plenumschlitz 44 verläuft zwischen einem inneren Scheibenbereich 50 benachbart dem hohlen Mittelbereich 46 und einem äußeren Scheibenbereich 52, der in dem Scheibenumfang 48 endet.
Jede der Plenumscheiben 34 weist ferner eine Vielzahl von Bypaßschlitzen 54 innerhalb des inneren Scheibenbereichs 50 und unmittelbar benachbart dem hohlen Mittelbereich 46 auf. Jeder Bypaßschlitz 54 verläuft von dem hohlen Mittelbereich 46 und innerhalb des inneren Scheibenbereichs 50 und zu dem äußeren Scheibenbereich 52 hin.
4 zeigt als Perspektivansicht einen Vier-Scheiben-Stapel, der von unten nach oben eine Strömungsscheibe 32a, eine Plenumscheibe 34a, eine Strömungsscheibe 32b und eine Plenumscheibe 34b aufweist. In der gestapelten Scheibenkonfiguration von 4 ist eine Strömungsscheibe 32 in bezug auf eine Plenumscheibe 34 so positioniert, daß jeder von den Fluideinlaßschlitzen 40 in einer Strömungsscheibe 32 mit einem Plenumschlitz 44 in einer benachbarten Plenumscheibe 34 in Fluidverbindung ist. Außerdem kommuniziert jeder Plenumschlitz 44 in der Plenumscheibe 34 mit einer Reihe von Fluidauslaßschlitzen 42 in einer benachbarten Strömungsscheibe 32. Somit kann Fluid von der Mitte 56 der gestapelten Scheiben gemäß 4 durch einen Fluideinlaßschlitz 40 in einer Strömungsscheibe 32 zu Plenumschlitzen 44 in benachbarten Plenumscheiben 34 und zu einer Vielzahl von Fluidauslaßschlitzen 42 in der Strömungsscheibe strömen. Somit wird die Fluidströmungsbahn in zwei anfängliche Axialrichtungen aufgeteilt, geht dann in die Plenumschlitze 44 mit einer Vielzahl von radialen Strömungsrichtungen und wird dann durch eine Vielzahl von Auslaßschlitzen 42 in mindestens einer der Strömungsscheiben 32 verteilt.
Wie in 4 zu sehen ist, ist außerdem jeder Bypaßschlitz 54 mit einem Einlaßschlitz 40 in der nächstbenachbarten Strömungsscheibe 32 ausgefluchtet. Beispielsweise ist in 4 ein Bypaßschlitz 54a in der Plenumscheibe 34a mit einem Einlaßschlitz 40b der nächstbenachbarten Strömungsscheibe 32b ausgefluchtet. Somit kann die Fluidströmung auch von der Mitte 56 der gestapelten Scheibenkonfiguration in 4, durch den Bypaßschlitz 54a, in den Einlaßschlitz 40b gehen und dann Plenumschlitze und eine Vielzahl von Auslaßschlitzen in Fluidverbindung bringen, wie bereits beschrieben wurde.
Die Verwendung der Bypaßschlitze 54, die mit jeweiligen Einlaßschlitzen 40 ausgefluchtet sind, ergibt die Tendenz einer Vergleichmäßigung oder Linearisierung der Durchflußleistungs-Kennlinien der Ventilabgleicheinrichtung 10. Dadurch wird der "Treppenstufen"-Effekt der Durchflußleistung beim Öffnen bekannter Ventilabgleicheinrichtungen minimiert, die eine Strömungsscheiben- und Plenumscheiben-Konfiguration wie in den 2 und 3 haben, jedoch ohne die Bypaßschlitze 54 arbeiten.
In der Explosionsansicht von 5 ist jede der Strömungsscheiben 32 gleich wie die Strömungsscheibe 32 in 2. Es ist zu beachten, daß die oberste ebenso wie die unterste Strömungsscheibe 32 mit B bezeichnet sind, wogegen die dazwischen liegende Strömungsscheibe 32 mit A bezeichnet ist. Jede der Plenumscheiben 57 ist gleich wie die Plenumscheibe 34 von 3 mit der Ausnahme, daß sie eine zweite Gruppe von Bypaßschlitzen 58 aufweist, die mit den Bypaßschlitzen 54 alternieren. Der Klarheit halber sind die Bypaßschlitze 54 mit A in 5 bezeichnet, und die Bypaßschlitze 58 sind mit B bezeichnet.
Die Bypaßschlitze 54 sind so angeordnet, daß sie mit der Unterseite der Einlaßschlitze 40 der unmittelbar darüber befindlichen Strömungsscheibe 32 ausgefluchtet sind. Ferner sind die zusätzlichen Bypaßschlitze 58 mit der Oberseite der Einlaßschlitze 40 der Strömungsscheibe 32 ausgefluchtet, die unmittelbar unter der Plenumscheibe 57 liegt. Daher sind der Klarheit halber die mit A bezeichneten Bypaßschlitze 54 in der Plenumscheibe 57 mit den Einlaßschlitzen 40 der mit A bezeichneten Strömungsscheibe 32 ausgefluchtet. Außerdem sind die mit B bezeichneten Bypaßschlitze 58 mit den Einlaßschlitzen 40 der mit B bezeichneten Strömungsscheibe 32 ausgefluchtet. Somit liegen die Bypaßschlitze in den Plenumscheiben 57 sowohl über als auch unter den Einlaßschlitzen der Strömungsscheiben 32. Das erleichtert die Herstellung der gestapelten Scheiben sowie die Montage und Orientierung der Scheiben in einer Käfigkonfiguration.
Alternativ können die Bypaßschlitze 54 und 58 einfach zu einem ringförmigen Bypaßschlitz unter Erweiterung des gesamten Innendurchmessers der Plenumscheibe werden, so daß der ringförmige Schlitz sowohl über als auch unter den Einlaßschlitzen in benachbarten Strömungsscheiben ausgefluchtet ist.
Es ist ersichtlich, daß das Merkmal der Bypaßschlitze der vorliegenden Erfindung mit anderen Scheibenkonfigurationen verwendbar ist, die von den Einlaß-/Auslaßschlitzen in einer ersten Scheibe und den Plenumschlitzen in einer zweiten Scheibe, wie hier beschrieben, verschieden sind. Beispielsweise kann eine erste Scheibe mit Einlaßkanälen und eine zweite Scheibe mit überlappenden Auslaßkanälen Bypaßschlitze in der zweiten Scheibe in Übereinstimmung mit den hier enthaltenen Prinzipien aufweisen.
Die vorstehende genaue Beschreibung dient nur dem guten Verständnis und bedeutet keine unnötige Einschränkung, da Modifikationen für den Fachmann ersichtlich sind.

Claims

Fluiddruckreduziervorrichtung, die folgendes aufweist: eine Vielzahl von gestapelten Scheiben, die einen Umfang und hohle Mitten haben, die entlang einer Längsachse ausgefluchtet sind; wobei die gestapelten Scheiben alternierende erste und zweite Scheiben aufweisen; wobei die erste Scheibe (32) folgendes hat: (a) Fluideinlaßstufen-Schlitze (40), die sich von der Scheibenmitte (36) teilweise in Richtung zu dem Scheibenumfang (38) erstrecken, und (b) Fluidaunlaßstufen-Schlitze (42), die sich von dem Scheibenumfang teilweise in Richtung zu der Scheibenmitte erstrecken; wobei die zweite Scheibe (34) folgendes hat: (c) mindestens einen Plenumschlitz (44), der sich durch die Scheibe erstreckt, und (d) Bypaßschlitze (54), die sich teilweise von der Scheibenmitte (46) in Richtung zu dem Scheibenumfang (48) erstrecken und mit den Fluideinlaßstufen-Schlitzen (40) in einer benachbarten ersten Scheibe (32) aufgefluchtet sind; dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Plenumschlitz (44) so bemessen ist, daß dann, wenn die ersten und zweiten Scheiben in dem Stapel selektiv positioniert sind, der Plenumschlitz mit einer Vielzahl der Fluideinlaßstufen-Schlitze (40) und einer Vielzahl der Fluidauslaßstufen-Schlitze (42) in benachbarten ersten Scheiben kommuniziert, wobei die Scheiben eine Fluidströmung von der Scheibenmitte zu den Fluideinlaßstufen-Schlitzen in einer ersten Scheibe und von den Bypaßschlitzen in einer benachbarten zweiten Scheibe zu den Fluideinlaßstufen-Schlitzen in der einen ersten Scheibe und dann zu den Plenumschlitzen in benachbarten zweiten Scheiben und zu den Fluidauslaßstufen-Schlitzen in mindestens der einen ersten Scheibe ermöglichen, wobei die Fluidströmungsbahn in zwei axialen Anfangsrichtungen und dann in die Plenumschlitze mit einer Vielzahl von radialen Strömungsrichtungen aufgeteilt und dann durch eine Vielzahl von Auslaßstufen-Schlitzen in mindestens der einen ersten Scheibe verteilt ist.
Fluiddruckreduziervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bypaßschlitze mit Einlaßstufen-Schlitzen von jeweiligen benachbarten ersten Scheiben an gegenüberliegenden Seiten der zweiten Scheibe ausgefluchtet sind.
Fluiddruckreduziervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bypaßschlitze jeweils als halbmondförmige Profile ausgebildet sind.
Fluiddruckreduziervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Scheibe eine Strömungsscheibe und die zweite Scheibe eine Plenumscheibe ist.