NO168322B - Aktuator for manoevrering av ventiler og lignende - Google Patents

Description

I norsk utlegningsskrift 159 553 er det beskrevet en kuleventil med tilhørende aktuator særlig beregnet til bruk i rørledningssystemer som fører gass og/eller olje på store havdyp.

Den kjente kuleventil har et kuleorgan forsynt med to aksielt forskyvbare hylser innrettet til i ventilens åpne stilling å være forskjøvet utad til tettsluttende anlegg mot seter anordnet i det omgivende ventilhus, for dannelse av en strømningskanal gjennom ventilen. Denne omfatter videre en hul drivaksel for kuleorganets dreiebevegelse mellom åpen og lukket stilling og en drivspindel gjennom den hule drivaksel innrettet til å bevirke den aksielle forskyvningsbevegelse av hylsene.

Kuleorganet i den kjente ventil er delt i to med kuledeler som er løsbart forbundet med hverandre. For manøvrering av ventilen mellom åpen og stengt stilling er det i utlegnings-skriftet beskrevet henholdsvis en hydraulisk løsning og en mekanisk løsning, idet den sistnevnte er basert på en forholdsvis komplisert anordning av tannhjul og tannstenger.

Ventiler av den art som her er nevnt krever en aktuator for enkel, presis og sikker manøvrering for å kunne funksjonere tilfredsstillende. Denne oppfinnelse er rettet mot en aktuator for dette formål, men denne aktuator er ikke begrenset til anvendelse bare på forannevnte spesielle kuleventil, idet også andre bruksmåter er mulig.

I likhet med aktuatoren for kuleventilen ifølge norsk utlegningsskrift 159 553 omfatter den foreliggende aktuator en utgående hul drivaksel og en utgående drivspindel ført igjennom den hule drivaksel, for derved å muliggjøre to forsjellige manøvreringsbevegelser ved dreining av drivakselen, respektive drivspindelen. Aktuatoren ifølge oppfinnelsen omfatter et spesielt forriglingssystem som særlig, men ikke utelukkende er av interesse for kuleventiler av den ovenfor omtalte type.

Nærmere angivelser av aktuatoren ifølge oppfinnelsen, innbefattet de nye og særegne trekk ved denne, er å finne i patentkravene.

De her beskrevne konstruksjoner er egnet til å gi verdifulle bidrag til forenkling av ventilsysterner eksempelvis i oljerelatert industri, på oljeplattformer og lignende. Samtidig som de forholdsvis enkle konstruksjoner medfører kostnadsbesparelser, bidrar de også til større sikkerhet på oljeinstallasjoner til lands såvel som til havs.

En spesiell fordel ved de her beskrevne konstruksjoner består i at åpning og lukking av kuleventilen kan skje ved hjelp av bare en enkel roterende bevegelse av en inngangsaksel, for eksempel bevirket ved betjening av et håndratt.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til et utførelseseksempel på tegningene, hvor: Figur 1 viser et aksielt snitt av en kuleventil med aktuator, basert på konstruksjoner ifølge oppfinnelsen, idet ventilen er vist i åpen stilling, Figur 2 viser et lignende snitt som på figur 1, men med

ventilen i stengt stilling,

Figur 3 viser et snitt etter strømningskanalens akse og vinkelrett på snittet ifølge figur 1, det vil si vinkelrett på kuleorganets dreieakse og med ventilen i åpen stilling, Figur 4A viser noe forstørret og i tilsvarende snitt som på

figur 1, aktuatoren for ventilen,

Figur 4B viser delvis aktuatoren på figur 4A sett ovenfra, Figurene 4C og 4D viser skjematisk samvirkende kamorganer for bevegelse av to hylser som inngår i kuleorganet i ventilen ifølge figurene 1-3, Figur 5A og 5B viser aktuatoren ovenfra henholdsvis i delvis

snitt, svarende til åpen stilling av ventilen,

Figur 6A og 6B viser på tilsvarende måte som figurene 5A og 5B aktuatoren i en situasjon svarende til åpen ventil-stiIling, men med hylsene trukket inn i kuleorganet fra sine seter i ventilhuset, Figur 7A og 7B viser på tilsvarende måte en situasjon hvor dreining av kuleorganet fra åpen mot stengt stilling nettopp er påbegynt, og Figurene 8A og 8B viser på tilsvarende måte aktuatoren i en situasjon overensstemmende med helt stengt ventil.

Kuleventilen på figurene 1-3 har et ventilhus 76 som med flenser, som for eksempel vist ved 80, kan innkobles i et rørledningssystem. Et kuleorgan i ventilhuset har to hoveddeler 83 og 85 som kan være sammensatt på lignende måte som tilsvarende hoveddeler av kuleorganet i ventilen som er beskrevet i forannevnte norske utlegningsskrift. Som det spesielt fremgår av figurene 2 og 3 er det i den øvre kuledel 85 tildannet svalehale-spor 96 for samvirke med komplementære partier på den nedre kuledel 83. I tilknytning til sistnevnte partier er det vist boringer 90 for adkomst til bolter 91 som tjener til å feste et lageroppheng 81 for nedre kuledel, til ventilhuset 76.

Den nedre ende av en drivspindel 69 er opplagret ved hjelp av en ring 82 i en skive 92 og fiksert ved hjelp av muttere 93.

På oversiden av kuleorganet er det anordnet et lager 87 med distansering 86 inne i den øvre kuledel 85 som er forlenget oppad i form av en drivaksel 32 inn i aktuatoren som er montert på toppen av selve ventilen, det vil si på et kraftig lokk 28 som er boltet fast til en øvre flens på ventilhuset 76. Drivakselen 32 er lagret i lokket 28.

På figur 1 er to forskyvbare hylser 66A og 66B vist henholdsvis i fullt utskjøvet stilling (øvre halvdel av hylsene) og i sin inntrukne stilling (nedre halvdel av hylsene). Disse hylser glir utvendig på et opplagringsstykke 74 som utgjør en indre del av kuleorganet og har en stamme 75 for gjennomføring av drivspindelen 69 gjennom ventilens strømningskanal.

Kuleventilen som beskrevet så langt svarer i hovedsaken til den som er vist i forannevnte utlegningsskrift, bortsett fra gjennomføringen av drivspindelen 69 ned mot bunnen av ventilhuset 76.

Den spesielle konstruksjon for den nevnte forskyvningsbevegelse av hylsene 66A og 66B ved omdannelse av drivspindelens dreiebevegelse til translasjonsbevegelsen av hylsene skal nå beskrives nærmere. På drivspindelen 69 er det montert to skiveformede kamorganer i form av såkalte kulisseskiver 68A og 68B, som ligger på hver sin side av hylsene, henholdsvis over og under disse. Som tydeligere vist på figurene 4C og 4D er disse skiver 68A og 68B forsynt med spor for samvirke med tapper 67A henholdsvis 67B som vist oventil og nedentil på hylsen 66A på figur 1. Disse tapper er innrettet til å kunne gli i sporene under dreining av skivene 68A og 68B, idet sporene, forløper med varierende radiell avstand fra aksen for spindelen 69 og dermed bevirker forskyvning av hylsene utad eller innad i forhold til aksen, avhengig av dreieretningen.

Når aktuatoren dreier drivspindelen 69 mot urviserrétnmgen på figurene 4C og 4D, vil sporene 70A og 70B resultere i en inntrekkende bevegelse på hylsene, slik at de vil ende i en tilnærmet fullt inntrukket stilling som vist på figur 4D, med tapporganene i den innerste del av sporene. Det vil innsees at størrelsen av forskyvningsbevegelsen svarer til differansen i radiell avstand fra drivspindelens akse til den effektive bane for tappelementet i de respektive spor, det vil si til en (krum) midtlinje i sporet. Som spesielt vist på figur 4D kan tappen 67A på hylsen 66A være forsynt med en glidekloss 71 med to sylinder-flater svarende til henholdsvis indre og ytre begrensningsflate for sporet 70A.

Av ovenstående fremgår det også at de to spor 70A og 7OB i kulisseskivene, for eksempel skiven 68A er vinkelforskjøvet 180° i forhold til hverandre om aksen for drivspindelen 69. Den effektive dreievinkel som sporene innebærer for tappelementenes glidebevegelse i disse, ligger fortrinnsvis i området 70° til 80°, med 75° som en mest foretrukket vinkel. Dette valg av vinkelområde har sammenheng med den totale vinkelbevegelse som med fordel kan utnyttes for hele ventilmanøvreringen fra åpen til steng posisjon og omvendt. Dette totale vinkelområdet vil i praksis mest hensiktsmessig kunne være sirka 180°. Av dette totale vinkelområdet vil 90° medgå til dreiningen av selve kuleorganet mellom åpen og stengt stilling. Til en viss grad har disse vinkelforhold sammenheng med konstruksjonen av aktuatoren som skal manøvrere ventilen gjennom de forskjellige sekvenser, inkludert forskyvningsbevegelsen av de beskrevne hylser. Det her nevnte vinkelområde for sporene i kulisseskivene, er på figur 4D illustrert ved 61.

Det henvises igjen til figur 1 hvor det oventil på den øvre kuledel 85 er festet en tosidig virkende anslagsdel iform av en skive 78 med en utskåret sektor for dannelse av anslag innrettet til å samvirke med et fast anslagselement 77 innvendig i huset 76. Dette arrangement av anslag sikrer på i og for seg kjent måte en definitiv stopp av kuleorganets dreining henholdsvis i dettes vinkelstilling for stengt ventil og for åpen ventil. I sistnevnte stilling er det av stor betydning at vinkelen er nøyaktig innstilt, fordi hylsene 66A og 66B ved forskyvningen utad må treffe sine seter 88 (figur 3) mest mulig nøyaktig.

Hoveddelene av aktuatoren skal nå først beskrives under henvisning til figur 1 og særlig figur 4A og 4B. Den drivende kraft som påtrykkes aktuatoren tilføres i form av en enkel rotasjon av en inngangsaksel 17 som for eksempel kan bære et håndratt 16 (delvis inntegnet på figur 4A). Selvsagt kan det tenkes mange alternativer for dreining av inngangsakselen 17, for eksempel en hydraulmotor eller lignende. Utgangsbevegelsene fra aktuatoren, eksempelvis for manøvrering av en kuleventil som beskrevet ovenfor, leveres gjennom den hule drivaksel 32 som allerede omtalt, og en øvre drivspindel 12 som er rotasjonsmessig koblet til den tidligere beskrevne eller nedre drivspindel 69 ved hjelp av en kobling 95 som spesielt vist på figur 2. I tilknytning til denne kobling har drivspindelen 69 en øvre ring eller skive 94. Ved demontering av aktuatoren og eventuelt den øvre kuledel 85 fra ventilen, slik som også omtalt i norsk utlignings-skrift 159 553, løses koblingen ved 95 mellom de to deler av den samlede drivspindel.

Aktuatorens forskjellige mekanismer er opptatt i et hus 1 som ved hjelp av skruer 24 eller på annen måte er festet til ventillokket 28. Tii dette lokk er det også festet en stasjonær styre- eller låsering 2 som har viktige funksjoner i det forriglingssystem som omfattes av aktuatoren.

Inngangsakselen 17 er forsynt med en snekkeskrue som står i inngrep med et snekkehjul 7 som på sin side er boltet til en krans eller et aktuatorhjul 4 som er en sentral komponent i aktuatoren. Drivspindelen 12 er ved 11 fastkilt til aktuatorhjulet 4 og dermed til snekkehjulet 7, slik at drivspindelen 12, aktuatorhjulet 4, snekkehjulet 7 og snekkeskruen eller inngangsakselen 17 og dermed håndrattet 16 er fast rotasjonsmessig sammenkoblet. Den hule drivaksel 32 er imidlertid innrettet til bare gjennom visse operasjonssekvenser å være rotasjonsmessig sammenkoblet med aktuatorhjulet 4.

Drivakselen 32 er som tidligere nevnt opplagret blant annet i lokket 28 ved hjelp av et lager 25 og er på sin øvre dei forsynt med et boss 5 som på forskjellige måter er innrettet til å samvirke med aktuatorhjulet 4. Bosset 5 er ved hjelp av en festemutter 15 festet til den hule drivaksel 32.

For indikering av de sekvenser som inngår i manøvrering av for eksempel en ventil ved hjelp av denne aktuator, er det på toppen av aktuatorhuset 1, som er forsynt med et toppdeksel 8, anordnet en indikatorskive 9 festet til den øvre ende av drivspindelen 12 som har et lager 10 i toppdekslet 8. Like under lageret 10 på figur 4A er det vist en festemutter 13 for aktuatorhjulet 4 på drivspindelen 12.

På figur 4B, som viser toppen av aktuatoren sett ovenfra, er det med markeringspiler ved 29 og 31 på indikatorskiven 9 angitt henholdsvis STENGT stilling og ÅPEN stilling av den tilhørende ventil, idet disse markeringer avleses i forhold til et indi-katormerke 26 i toppflaten på toppdekslet 8. Ytterligere en markering 30 på indikatorskiven 9 tjener til å angi stillingen for åpen ventil med hylsene inntrukket i kuleorganet (figur 1 nedre halvdel av hylsene og figur 4D). Dreieretningen av indikatorskive 9 og dermed drivspindelen 12 er således mot urviserretningen for å bringe ventilen fra åpen til stengt stilling, hvilket svarer til dreieretningen av kulisseskivene på figurene 4C og 4D. Figur 4B viser også et lager 27 for inngangsakselen/ snekkeskruen 17 med håndrattet 16.

Som tidligere forklart er det av betydning å kunne fiksere vinkelstillingen av kuleorganet og dermed den hule aksel 32 med tilhørende boss 5, når ventilen står i åpen stilling med mulighet for den nevnte forskyvningsbevegelse av hylsene i kuleorganet. Sikring eller forrigling av de nevnte deler i denne vinkelstilling skjer ved hjelp av låseelementer i form av to ruller 3 beliggende diametralt motsatt av hverandre slik det blant annet fremgår av figur 5A. Disse ruller 3 ligger fastlåst mot bevegelse i omkretsretningen i spor 55 (se figur 7A) tildannet i den oppstikkende sylindriske del av låseringen 2 som strekker seg rundt og utenfor bosset 5. I dette boss er det laget spor 53 som utvider seg radielt utad og som har dimensjoner tilpasset for innpressing av rullene 3 i dette. Denne innpressing, som gir den ønskede forrigling eller låsevirkning, besørges av en kamstyringsbane 33 utformet på den innadvendte omkrets av et nedre parti på aktuatorhjulet 4. Som det fremgår av figur 5A strekker styrekammen 33 seg over et visst vinkelområde på denne indre omkrets tilstrekkelig langt til at den nevnte forrigling er virksom under hele den nødvendige dreiebevegelsen av drivspindelen 69 i forhold til drivakselen 32 for å bringe hylsene 66A og 66B fra fullt inntrukket til helt utskjøvet stilling eller omvendt. (Dreieretningen på figurene 5A-8A er omvendt av den på figurene 4B-4C-4D.) Ved dreining av aktuatorhjulet 4 med urviserretningen fra situasjonen på figur 5A til den på figur 6A, vil således hele tiden styrekammen 33 holde rullen 3 i låsesporet 53 på bosset 5, slik at sikker forrigling foreligger under hele forskyvningsbevegelsen av hylsene. Helt tilsvarende og symmetrisk blir låserullen diametralt motsatt av den viste rulle 3, påvirket av en lignende styrekam som betegnet 33A på figur 5A. Mellom styrekammene 33 og 33A har den nevnte indre omkrets på aktuatorhjulet 4 mer tilbaketrukne eller radielt utvidede kampartier 22 og 22A som tillater at rullene 3 presses ut av sin låsning med bosset 5 i spor 53. Dette vil nettopp skje i situasjonen på figur 6A ved fortsatt dreining av aktuatorhjuiet med. urviserretningen, idet rullen 3 vil beveges radielt utad mot kampartiet 22A som akkurat begynner å bevege seg inn i vinke1-stillingen for kulen 3. En skråkant 44 ved enden av kamflaten 22A i sammenheng med skråstillingen av kanten av sporet 53 (figur 5A), er viktige detaljer for bevegelsen av rullen 3 inn i og ut av sin låsestiiling.

Når den nevnte forrigling oppheves ved fortsatt dreining med urviserretningen fra stillingen på figur 6A, vil et medbringerelement 6 i aktuatorhjulet 4 samvirke med et medbringerelement 43 festet til bosset 5, slik at dette boss og dermed den hule drivakselen 32 og hele kuleorganet i kuleventilen, dreies fra åpen stilling til stengt stilling. Nærmere bestemt har medbringerelementet 6 en anslagsflate 41 og medbringerelementet 43 en tilsvarende anslagsflate 42, idet disse flater på figur 6A er vist i anlegg mot hverandre.

Etter ytterligere en viss dreining til stillingen på figur 7A kan det sees at låserullen 3 er kommet ut av sitt spor 53 i bosset 5 slik at dette har kunnet innlede sin dreining som nevnt. På figur 7A er således omkretsen eller ytterflaten 54 av bosset 5 fri til å passere forbi rullen 3.

Den samlede dreiebevegelse fortsetter ved hjelp av med-far ingerelementene 6 og 43 til endestillingen på figur 8A, svarende til stengt ventil som på figur 2. Denne stilling av ventilen er som vist på figur 8A, indikert ved markeringer 58 og 59. I denne stilling er således ventilen stengt og hylsene i kuleorganet inntrukket. De tilsvarende markeringer på figur 7A indikerer begynnelsen av dreiebevegelsen av kuleorganet fra åpen mot stengt stilling, idet hylsene nettopp er blitt inntrukket. For fullstendighets skyld skal det videre henvises til figurene 5A og 6A hvor markeringene 58 og 59 også viser den relative vinkelstilling av drivspindelen 12 og dermed spindelen 69, henholdsvis ved starten og slutten av manøvreringen av hylsene fra utskjøvet til inntrukket stilling.

De foran omtalte medbringeranordninger 6 og 43 med anslags-flater 41 henholdsvis 42, tjener utelukkende tii å dreie drivakselen 32 i en første retning fra en første gitt vinkelstilling som illustrert på figur 6A, tii en annen gitt vinkelstilling som vist på figur 8A. For dreining i motsatt retning fra stillingen på figur 8A til stillingen på figur 6A, har aktuatoren en annen medbringeranordning hvis hovedelementer er et kampåvirkbart medbringerstykke 19 og et tilsvarende medbringerspor 18 utformet på innsiden eller undersiden av aktuatorhjulet 4. En krave 36 på bosset 5 har en utsparing 35 for medbringerstykket 19 slik at dette er rotasjonsmessig fast koblet til bosset 5 og dermed drivakselen 32. På toppen av låseringen 2 er det tildannet en kamstyring med styrekam 21 som dekker den del av dreiebevegelsen hvor medbringerstykket 19 ikke skal være i inngrep med sporet 18, idet en skråflate 37 på denne kamstyring (figur 6B) bringer medbringerstykket 19 inn i sporet 18 tilnærmet samtidig med at den første medbringeranordning med anslagsflåtene 41 og 42 trer i virksomhet. Følgelig vil den annen medbringeranordning med medbringerstykket 19 og sporet 18 stå i inngrep i det vesentlige under hele dreiebevegelsen fra stillingen på figur 6A gjennom den på figur 7A til endestilling eller stengt ventil på figur 8A. Dermed er den annen medbringeranordning klar for å utøve sin funksjon ved dreining av aktuatorhjulet 4 og kuleorganet i motsatt retning fra stengt ventilstilling til åpen ventilstilling. Under denne tilbakegående dreining virker anleggs-flaten 62 i sporet 18 mot medbringerstykket 19 som på sin side gjennom anslagskanten 64 i kraven 36 på bosset 5, overfører dreiebevegelsen fra aktuatorhjulet 4 til drivakselen 32 og dermed til kuleorganet.

Denne motsatte bevegelse fra stengt ventilstilling i retning mot åpen stilling, innebærer sekvenser i motsatte rekkefølge og retning av det som er beskrevet ovenfor. Ved den avsluttende dreining av håndrattet 16 kan dette være innrettet til å gå mot et mekanisk stoppelement i det øyeblikk hylsene er fullt ut-skjøvet mot sine tetningsseter i ventilhuset.

Den her beskrevne mekaniske aktuator gjør det mulig ved hjelp av bare en form for betjening eller bevegelse av håndrattet, gjennom et innebygget forriglingssystem å utføre alle nødvendige operasjoner som skal til for å foreta stengning eller åpning av en kuleventil eller lignende. Konstruksjonen har spesiell interesse ved kuleventiler med forskyvbare hylser hvor ventilmanøvreringen skjer i sekvenser og med forrigling for å sikre ventilen i riktige stillinger i enkelte av sekvensene. Alle disse nødvendige operasjoner kan dermed utføres presist og i riktig rekkefølge bare med en eneste betjenings- eller bevegel-sesoperasjon, som for eksempel kan skje ved å dreie et håndratt et antall omdreininger fra et endestopp til et annet endestopp.

Claims (9)

1. Aktuator for manøvrering av ventiler og lignende, omfattende en utgående hul drivaksel (32) og en utgående drivspindel (12) ført gjennom den hule drivaksel, for derved å muliggjøre to forskjellige manøvreringsbevegelser ved dreining av drivakselen (32), respektive drivspindelen (12), karakterisert ved at påtrykt dreiebevegelse på en inngangsaksel (17) fra for eksempel et håndratt (16), en hydraulmotor eller lignende, overføres til et aktuatorhjul (4) hvis akse faller sammen med en felles akse for den hule drivaksel (32) og drivspindelen (12) og som er rotasjonsmessig fast koblet til drivspindelen, at aktuatorhjulet (4) og drivakselen (32) har samvirkende første medbringeranordninger (6, 43) for dreining av drivakselen i en første retning fra en første gitt vinkelstilling, for eksempel svarende til en åpen ventil, til en annen gitt vinkelstilling, og at aktuatorhjulet (4) og drivakselen (32) videre har samvirkende andre medbringeranordninger (18, 19) for dreining av drivakselen i motsatt retning fra den annen gitte vinkelstilling, for eksempel svarende til en stengt ventil, til den første gitte vinkelstilling. (Fig. 1, 4A.)

2. Aktuator ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en låse-anordning (2, 3, 33, 53) innrettet til å fiksere drivakselen (32) i den annen gitte vinkelstilling under dreining av drivspindelen (12) i forhold til drivakselen (32). (Fig. 1, 4A, 5A, 5B.)

3. Aktuator ifølge krav 2, karakterisert ved at låseanordningen omfatter i det minste to radielt utad åpne låsespor (53) ved den indre ende av drivakselen (32), et iåseelement (3) innrettet til å presses inn i hvert av låsesporene (53) og fastholdt mot dreining omkring drivakselens akse ved hjelp av en stasjonær låsering (2), og en radielt innadvendt styrekam (33) på aktuatorhjulet, for innpressing av låseelementene (3) til låsestilling i låsesporene (53), for fiksering av drivakselen (32) i den annen gitte vinkelstilling. (Fig. 5A, 5B.)

4. Aktuator ifølge krav 3, karakterisert ved at låseelementene består av ruller (3).

5. Aktuator ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at låseelementene (3) er symmetrisk fordelt rundt drivakselens akse.

6. Aktuator ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at de første medbringeranordninger (6, 43) er innrettet til å virke bare i den nevnte første dreieretning og omfatter et medbringerelement (6) på aktuatorhjulet (4) og et annet medbringerelement (43) forbundet med drivakselen (32) og liggende i det minste delvis i bevegel-sesbanen for aktuatorhjulets medbringerelement (6). (Fig. 5A.)

7. Aktuator ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at de andre medbringeranordninger omfatter et kampåvirkbart medbringerstykke (19) som er rotasjonsmessig forbundet med drivakselen (32), et medbringerspor (18) utformet i aktuatorhjulet (4) for samvirke med medbringerstykket (19), og en stasjonær kamflate (37) for påvirkning av medbringerstykket. (Fig. 5B og 6B.)

8. Aktuator ifølge krav 3 og 7, karakterisert ved at kamflaten (37) er utformet på en endeflate av låseringen (2). (Fig. 5B.)

9. Aktuator ifølge et av kravene 3-8, karakterisert ved at det er anordnet et boss (5) ved den indre ende av drivakselen (32), og at de nevnte låsespor (32), det annet medbringerelement (43) og det kampåvirk-bare medbringerstykke (19) er anordnet på bosset (5), idet bosset (5) er delvis omsluttet av aktuatorhjulet (4). (Fig. 4A.)