NO310004B1 - Automatisk resirkulasjonsventil og bypass-ventilelement for regulering av resirkulasjonsstrømmen i en slik ventil - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en automatisk resirkulasjonsventil, og nærmere bestemt en resirkulasjonsventil beregnet for regulering av bypass-resirkulasjonsstrømmen i sentrifugalpumpesystemer. Oppfinnelsen angår dessuten et bypass-ventilelement for regulering av resirkulasjonsstrømmen i en slik ventil.

Resirkulasjonssystemer benyttes ofte i forbindelse med sentrifugalpumper for å hindre overopphetning av pumpene og å opprettholde hydraulisk stabilitet. Overopphetning av pumpene skyldes overføringen av varmeenergi som dannes av pumpen til fluidet som strømmer gjennom denne. Under normale driftstilstander (normale nedstrøms behov for fluidet som pumpes) i et passende konstruert system er det tilstrekkelig strømning gjennom pumpen til å absorbere og å føre bort den overførte varmen og dermed hindre overopphetning. I perioder med små strømningsbehov absorberer imidlertid det sakte bevegende eller stillestående fluidet en mye større mengde varme i løpet av sin oppholdstid i pumpen, hvilket bevirker en vesentlig økning av temperaturen i fluidet i denne. Etterhvert som temperaturen i fluidet inne i pumpen øker, øker damptrykket, og dette fører til kavitasjon som kan skade pumperotoren og huset.

Tilstander med liten strømning kan også medføre et fenomen som er kjent som innvendig resirkulasjon. Ved tilstander med liten strømning kan det oppstå hydrauliske uregelmessigheter inne i pumpen. Disse uregelmessigheter skyldes at fluidet reagerer på at den indre geometrien i pumpen ikke er optimal ved lave strømningsrater, og starter generelt i det område der fluidet forlater rotoren nær pumpehusutløpet. Dette fenomen, kjent som innvendig resirkulasjon, medfører kavitasjon som kan skade pumperotoren.

Resirkulasjonsventiler hindrer overopphetning av pumpen og opprettholder hydraulisk stabilitet ved å danne en sekundær bane gjennom hvilken pumpen kan opprettholde en tilstrekkelig fluidstrøm i perioder med små nedstrøms strømningsbehov. En vanlig benyttet type resirkulasjonsventil er en modulerende strømningsventil beskrevet i US-PS 4.095.611 og 4.941.502. Disse patenter beskriver ventiler som har innløp, et hoved-utløp, et resirkulasjonsutløp, et hovedstrømselement og et bypass-element med slissåpninger. Slike ventiler befinner seg nedstrøms for pumpen. Fluid kommer inn i ventilen fra pumpen, gjennom innløpet, og strømmer ut fra ventilen gjennom hovedut-løpet for å fylle behovet nedstrøms. Resirkulasjonsutløpet er forbundet med en sekundær fluidbane, slik som et lavtrykks- reservoar eller pumpeinnløpet, som fluidet ledes til i perioder med små strømningsbehov i hovedutløpet.

Hovedventilelementet avføler strømningsraten mellom ventilinnløpet og hovedutløpet. I perioder med normale nedstrøms behov bevirker en trykkforskjell over hovedventilelementet at ventilelementet åpner og muliggjør strømning til hovedutløpet, mens bypass-ventilelementet samtidig stenger og hindrer fluidstrøm til resirkulasjonsutløpet. I perioder med små nedstrøms behov føres derimot hovedventilelementet tilbake til stengt stilling, og åpner dermed bypass-elementet og muliggjør strømning gjennom resirkulasjonsutløpet, til den sekundære banen. Dessuten utgjør hovedventilelementet i stengt tilstand en enveisventil som hindrer motsatt rotasjon av pumperotoren når pumpen ikke er i drift.

Et problem som er knyttet til bruken av slike resirkulasjonsventiler er at ikke-utlignede fluidtrykkrefter som påvirker bypass-elementet kan bevirke ustabile bevegelser av bypass-elementet når elementet nærmer seg åpen eller stengt stilling. Dette påvirker ventilens egenskaper som resirkulasjons- og enveisventil. Bypass-ventilelementet omfatter slissåpninger i veggene til en hul aksel som fluidet strømmer gjennom fra ventilinnløpet til resirkulasjonsutløpet i perioder med liten strømning. Åpningene åpnes og stenges ved bevegelse av den hule akselen i forhold til et stasjonært ventilelement som stenger åpningene i stengestillingen. Det er funnet at fluidkreftene som virker langs veggene til åpningene ikke er ensartet, særlig når bypass-elementet nærmer seg den åpne eller stengte stilling. Dette medfører at akselen påvirkes av en resulterende kraft som kan gjøre bevegelsen utstabil og påvirke egenskapene til resirkulasjonsventilen.

Det er følgelig et formål med den foreliggende oppfinnelse å komme frem til en forbedret resirkulasjonsventil.

Et annet formål er å komme frem til en resirkulasjonsventil med et bypass-ventilelement som har en jevnere bevegelse.

En annet formål med oppfinnelsen er å komme frém til et bypass-ventilelement for resirkulasjonsventiler som utligner fluidtrykkrefter som virker mot åpningene, for å oppnå mer pålitelige egenskaper.

Andre formål, fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil delvis fremgå av den følgende beskrivelse, og delvis forstås av fagfolk på området ut fra denne beskrivelse eller ved utøvelse av oppfinnelsen. Formålene og fordelene med oppfinnelsen kan oppnås ved hjelp av de trekk og kombinasjoner som særlig fremgår av de etterfølgende patentkrav. Den foreliggende oppfinnelse utgjør en automatisk resirkulasjonsventil for beskyttelse av en sentrifugalpumpe mot skader som skyldes overopphetning eller ustabiliteter i hydraulisk fluid. Oppfinnelsen omfatter en ventil som har et innløp, et hovedutløp, et resirkulasjonsutløp, et hovedventilelement som reagerer på strømning mellom innløpet og hovedutløpet, og et bypass-element som følger hovedventilelementet for regulering av fluidstrømmen mellom innløpet og resirkulasjonsutløpet. Bypass-elementet omfatter en første og andre åpning, gjennom hvilke resirkulasjonsfluidet strømmer. De to åpninger er slik anordnet at fluidtrykkraften som virker mot en åpning utlignes av fluidtrykkraften som virker mot den andre, for derved å bevirke at bypass-elementet oppfører seg jevnere og beveger seg ensartet ved endringer av hovedstrømmen, for oppnåelse av en forbedret resirkulasjonsventil.

Sammenfatningen ovenfor og den følgende detaljerte beskrivelse vil bedre forstås i forbindelse med de vedføyde tegninger. For å illustrere oppfinnelsen er det på tegningene vist en foretrukket utførelse. Det vil imidlertid forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til det viste arrangement og de viste trekk.

Fig. 1 er et snitt gjennom en resirkulasjonsventil i henhold til oppfinnelsen, og viser

hovedventilelementet i stengt stilling og bypass-elementet i helt åpen stilling.

Fig. 2 er et forstørret snitt gjennom bypass-elementet vist i delvis åpen stilling.

Med henvisning til tegningene er det i fig. 1 vist en modulerende resirkulasjons-reguleringsventil 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse, omfattende et hus 12 og et endestykke 14 festet til huset 12. Endestykket 14 kan festes til huset 12 ved hjelp av hvilke som helst passende midler, omfattende en gjengeforbindelse, skruer eller bolter. Resirkulasjonsventilen 10 har et innløp 16 som er forbundet med den nedstrøms siden av en sentrifugalpumpe for å motta fluid som pumpes, et hovedutløp 18, gjennom hvilket fluidet strømmer til opphavet for behovet fra den nedstrøms pumpen, og et resirkula-sjonsutløp 20, gjennom hvilket fluidet som pumpes i perioder med små behov fra den nedstrøms pumpen ledes til et lavtrykksreservoar eller returneres til pumpeinnløpet. Flensforbindelser er vist for innløpet og de to utløp, men hvilke som helst passende rørforbindelser kan benyttes.

Forløpende mellom innløpet 16 og hovedutløpet 18 er en hovedkanal 22 som omfatter en nedre hovedkanal 24 og en øvre hovedkanal 26, adskilt av hovedventilelementet 28, slik det skal beskrives i det følgende. En bypass-kanal 30 forløper fra den nedre kanalen 24 til resirkulasjonsutløpet 20, og er adskilt fra den nedre hovedkanalen 24 av et bypass-ventilelement 32, slik det skal beskrives i det følgende.

Regulering av resirkulasjonsstrømmen skjer med de indre ventilelementer, omfattende hovedventilelementet 28 som befinner seg inne i fluidkanalen 22 og beveges som en reaksjon på den gjennomgående fluidstrømmen, og bypass-elementet 32 som er anordnet for å regulere fluidstrøm mellom den nedre hovedkanalen 24 og resirkulasjonskanalen 30 som en reaksjon på bevegelse av hovedventilelementet 28.

Hovedventilelementet 28 omfatter en sirkulær ventilskive 34, en overside 36 og en tetteflate 38 for å danne tetning for hovedventilelementet 28 mot et ventilsete 40 når hovedventilelementet er i helt stengt stilling. Setet 40 er som vist dannet som en del av huset 12, men kan også utgjøre et separat, utskiftbart seteelement.

Festet til og bevegelig sammen med hovedventilelementet 28 er bypass-ventilelementet 32, som omfatter en sylindrisk aksel 42. Akselen 42 befinner seg inne i den nedre hovedkanalen 24, langs den vertikale midtre aksen 44 til ventilen 10. Akselen 42 omfatter to hule kammer, et nedre akselkammer 46 og et øvre akselkammer 48 adskilt av et skilleelement 50, og er tettet ved endene av gjengede eller sveisede plugger 51a og 51b. Det nedre akselkammer 46 kommuniserer med den nedre hovedkanalen 24 via slissåpninger 52a, og med resirkulasjonskanalen 30 via den sirkulære åpningen 54a. På lignende måte, men motsatt, kommuniserer det øvre akselkammeret 48 med den nedre hovedkanalen 24 via den sirkulære åpningen 54b, og med resirkulasjonskanalen via slissåpninger 52b.

Sylindriske akselstyringsbøssinger 56a, 56b som er festet til en akselstyring 57 i ett med huset, understøtter og styrer bypass-elementet 32, og muliggjør vertikal bevegelse av bypass-elementet langs den vertikale aksen 44. Akselstyringen 57 i ett med huset, utformet som en del av huset 12, danner også et ringformet hulrom 58 som er en del av og kommuniserer med resirkulasjonskanalen 30.

Den vertikale bevegelsen av bypass-elementet 32 styres av bevegelsen av hovedventilelementet 28, som bypass-elementet 32 er festet til. Hovedventilelementet 28 kan beveges mellom helt stengt stilling der tetteflaten 38 danner anlegg mot ven-tilsetet 40 og en helt åpen stilling der oversiden 36 danner anlegg mot undersiden 60 av et senterelement 62 som befinner seg i den øvre hovedkanalen 26 og er festet til endestykket 14. Som vist er senterelementet 62 utformet som en del av endestykket 14.

En skruefjær 64, som med en ende danner anlegg mot senterelementet 62 og med den andre enden mot hovedventilelementet 28, er komprimert slik at den trykker hovedventilelementet 28 til helt stengt stilling.

Karakteristikkene og egenskapene til ventilen 10 kan endres for å oppfylle særskilte behov ved hver anvendelse. En ringformet ventilinnsats 65 kan være anordnet, slik som vist i fig. 1, for å endre mellomrommet mellom ventilskiven 34 og den indre veggen i huset 12 som fluidet strømmer gjennom. Dette regulerer bevegelsen av ventilelementet 28 i forhold til raten av fluidstrøm forbi ventilelementet 28. Innsatsen kan være utformet for særskilte betingelser og kan fremstilles av hvilket som helst passende material, slik som metallplater. Ventilen 10 kan også være dimensjonert for et bestemt fluidtrykk og/eller strømningsrate i resirulasjonskanalen 30, ved montering av en plate 67 med hull i resirkulasjonsutløpet 20.

I det følgende skal virkemåten til den foretrukne utførelse av en resirkulasjonsventil i henhold til den foreliggende oppfinnelse forklares. Med henvisning til fig. 1 er innløpet 16 forbundet med utløpet av pumpen, hovedutløpet 18 er forbundet med opphavet til det nedstrøms behov, og resirkulasjonsutløpet 20 er forbundet med et lavtrykksreservoar eller med innløpssiden av pumpen.

Som vist i fig. 1 er hovedventilelementet 28 stengt, ettersom det ikke er noe nedstrøms behov for fluid gjennom innløpet 16. Når det ikke er noe nedstrøms behov er fluidtrykkene i den øvre hovedkanalen 26 og den nedre hovedkanalen 24 utlignet, og dette utligner fluidtrykkreftene mot ventilskiven 34 og muliggjør at fjæren 64 kan drive hovedventilelementet 28 til helt stengt stilling. Sammen med hovedventilelementet 28 beveges bypass-elementet 32 nedover til helt åpen stilling.

I den helt åpne stillingen muliggjør bypass-elementet 32 fluidstrøm fra den nedre hovedkanalen 24 til resirkulasjonskanalen 30, slik at fluid som kommer inn i innløpet 16 ledes til resirkulasjonsutløpet 20. Akselkamrene 46 og 48 danner to uavhengige baner for resirkulasjonsstrømmen. Fluidet kan komme inn i det nedre akselkammer 46 fra den nedre hovedkanalen 24 gjennom slissåpningene 52a og strømme ut til resirkulasjonsutløpskanalen 30 gjennom den sirkulære åpning 54a. Alternativt kan fluidet komme inn i det øvre akselkammeret 48 fra den nedre hovedkanalen 24 gjennom den sirkulære åpningen 54b, og strømme ut til resirkulasjonsutløpet 30 gjennom slissåpningene 52b. Begge akselkammerbanene er like tilgjengelige for fluidet som kommer inn fra innløpet 16.

Når det foreligger behov for fluid nedstrøms for hovedutløpet 18 dannes en trykkforskjell mellom den nedre kanalen 24 og den øvre kanalen 26, og dette bevirker en resulterende fluidkraft mot ventilskiven 34. Når denne fluidkraften overstiger kraften som utøves av fjæren 64 mot ventilskiven 34, beveges hovedventilelementet 28 og det fastgjorte bypass-element 32 oppover langs aksen 44, mot helt åpen stilling for hovedventilelementet. Under tilstander med normalt nedstrøms behov er den resulterende kraften stor nok til å bevege hovedventilelementet 28 til helt åpen stilling, for derved å bevege bypass-elementet til helt stengt stilling.

Når bypass-elementet er helt stengt (ikke vist), vil det fremgå at slissåpningene 52a og 52b er innrettet etter akselstyringsbøssingene 56a, 56b slik at slissåpningene 52a og 52b er helt dekket, slik at det hindres fluidstrøm gjennom disse.

Mellom den helt åpne og helt stengte stilling er bypass-elementet 32 delvis åpent, dvs at slissåpningene 52a og 52b er delvis dekket av akselstyringsbøssingene 56a, 56b, slik som vist i fig. 2. Resirkulasjonsfluid strømmer gjennom bypass-elementet 32, og strømningsraten avhenger av det areal av slissåpningene som ikke er dekket av akselstyringsbøssingene 56a, 56b. Det er funnet at når bypass-elementet er i en mellomstilling virker fluidtrykkrefter mot veggene i slissåpningene 52a, 52b. Som det skal forklares i det følgende kan disse krefter utlignes for å oppnå en stabilere bevegelse av hovedventil- og bypass-elementet.

Når bypass-elementet er i en åpen stilling (ikke helt stengt), strømmer høytrykksfluid i den nedre kanalen 24 til resirkulasjonskanalen 30, der fluidtrykket er vesentlig lavere. Trykkfallet i fluidet inntreffer hovedsakelig når det strømmer gjennom de innsnevrede åpninger, dannet av slissflatene 52a og 52b når bypass-elementet 32 er helt åpent, slik som i fig. 1, eller av det partiet av slissåpningene 52a og 52b som ikke er dekket av akselstyringsbøssingene 56a, 56b når bypass-elementet 32 er delvis åpent, slik som i fig. 2. For illustrasjonen utgjør de stiplede linjer 66a og 66b kanten av akselstyrings-bøssingene 56a, 56b som danner det øvre partiet av de innsnevrede åpninger når bypass-elementet er delvis åpent.

Med henvisning til fig. 1 fremgår det at når bypass-elementet 32 er helt åpent er de innsnevrede åpninger avgrenset av den nedre veggen 68a og den øvre veggen 70a til slissåpningen 52a (se fig. 2 for 68a og 70a). Veggene avgrenses av akselens veggtykkelse 72 og bredden 74 til slissåpningene. Både den nedre veggen 68a og den øvre veggen 70a utsettes for høytrykksfluid på siden mot den nedre kanalen 24 og for lavtrykksfluid på siden mot akselkammeret 46. Trykkraften som virker mot den nedre veggen 68a har samme størrelse men er motsatt rettet i forhold til kraften mot den øvre veggen 70a. Disse to krefter utligner hverandre, og det er således ikke noen resulterende trykkraft som virker mot bypass-elementet 32 fra åpningen.

Slissåpningene 52b virker tilsvarende når bypass-elementet er helt åpent. Fluidkrefter mot den øvre veggen 70b utligner kreftene mot den nedre veggen 68b, og resultatet er at ingen resulterende trykkrefter påvirker bypass-elementet 32 fra åpningen.

Det vil forstås at når bypass-elementet 32 er helt stengt er åpningene 52a og 52b fullstendig dekket av akselstyringsbøssingene 56a, 56b. Den nedre og øvre veggen til slissåpningen 52a påvirkes likt av bare lavtrykksfluid, mens den nedre og øvre veggen til slissåpningen 52b påvirkes likt av bare høytrykksfluid. Som i den helt åpne stilling utlignes fluidtrykkrefter som påvirker veggene i hver åpning, og ingen resulterende krefter virker mot bypass-elementet 32.

Når bypass-elementet er delvis åpent kan imidlertid resulterende trykkrefter virke mot hver slissåpning. Med henvisning til fig. 2 avgrenses den innsnevrede åpningen av den nedre veggen 68a til slissåpningen 52a og kanten 66a til akselstyringsbøssingen 56a, og trykkfallet skjer nå gjennom denne. Den øvre veggen 70a til hver slissåpning 54a utsettes nå bare for lavtrykksfluid, som har tilsvarende trykk som lavtrykksfluidet i resirkulasjonskanalen 30, mens den nedre veggen 68a primært utsettes for det høye trykket i den nedre kanalen 24. Denne trykkforskjell mellom den øvre veggen 70a og den nedre veggen 68a medfører en resulterende kraft som virker mot de indre vegger i hver slissåpning 52a, hvilken driver bypass-elementet 32 nedover mot helt åpen stilling. Dersom den ikke utlignes vil den resulterende kraften forstyrre den ønskede bevegelse av bypass-elementet 32.

Et middel for å utligne den resulterende trykkraften mot slissåpningene 52a er dannet av det andre settet av slissåpninger 52b som bevirker en lik men motsatt kraft i forhold til kraften mot åpningene 52a. Som vist i fig. 2 avgrenses den innsnevrede åpningen av kanten 66b til akselstyringsbøssingen 56b og bunnen 68b av slissåpningen 52b, gjennom hvilken trykkfallet fra høytrykksakselkammeret 48 til det lave trykket i resirkulasjonskanalen inntreffer. Den øvre veggen 70b utsettes bare for høytrykksfluidet i det øvre kammeret 48 som har et tilsvarende trykk som høytrykksfluidet i den nedre kanalen 24, mens den nedre veggen 68b primært utsettes for lavtrykksfluidet i resirkulasjonskanalen 30. Trykkforskjellen mellom veggene 70b og 68b medfører en resulterende kraft med samme størrelse som den som virker mot åpningen 52a, men virker i den motsatte retning, for å drive bypass-elementet 32 oppover mot helt stengt stilling, slik at trykkraften mot 52a utlignes. I den viste utførelsen er et likt antall slissåpninger 52b med samme størrelse anordnet for å utligne åpningene 52a. Det vil imidlertid forstås at antall utlignede åpninger ikke trenger å være det samme, så lenge summen av alle de resulterende trykkrefter som virker mot en gruppe slissåpninger i en retning utlignes av summen av resulterende trykkrefter som virker mot den andre gruppen av slissåpninger. Utligningen av slike trykkrefter som virker mot slissåpningene muliggjør stabil bevegelse av bypass-elementet.

Den foreliggende utførelse utligner også eventuelle fluidtrykkrefter som virker mot skilleelementet 50 og pluggen 51a og som også kan gjøre bevegelsen av hovedventilelementet 28 ustabil. En resulterende kraft som skyldes det høye trykket i den nedre kanalen 24 som virker mot den ytre pluggflaten 76 og det lave fluidtrykket i kammeret 46 som virker mot den indre pluggflaten 78, driver pluggen 51a mot helt åpen stilling. Dette utlignes av en resulterende kraft som skyldes det høye trykket i det øvre kammeret 48 som virker mot skilleflaten 80 og det lave trykket i det nedre kammeret 46 som virker mot skilleflaten 82, og som driver ventilelementet 28 mot helt stengt stilling.

Mens en særskilt utførelse av oppfinnelsen er beskrevet er dette ikke ment å begrense oppfinnelsen til en slik beskrivelse, og endringer og modifikasjoner kan gjøres innen rammen av de etterfølgende patentkrav.

Claims (5)

1. Automatisk resirkulasjonsventil (10), omfattende et innløp (16), et hovedutløp (18), et resirkulasjonsutløp (20), et hovedventilelement (78) som reagerer på strømning mellom innløpet og hovedutløpet, og et bypass-ventilelement (32) som reagerer på bevegelse av hovedventilelementet for å regulere strømmen av fluid mellom innløpet og

resirkulasjonsutløpet, idet bypass-elementet omfatter en åpning (52a),karakterisert vedmidler for å utligne fluidtrykkreftene som virker mot åpningen, hvilke utlignende midler omfatter en andre åpning (52b) i bypass-elementet.

2. Automatisk resirkulasjonsventil som angitt i krav 1, ved hvilken bypass-ventilelementet (32) omfatter to hule kamre (46, 48), idet den første åpningen (52a) muliggjør fluidkommunikasjon med det første hule kammeret og den andre åpningen (52b) befinner seg slik at den muliggjør fluidkommunikasjon med det andre hule kammeret.

3. Automatisk resirkulasjonsventil som angitt i krav 2, omfattende en innsats (65) for regulering av det rommet som fluidet strømmer mellom hovedventilelementet (34) og en vegg i ventilen som befinner seg nær hovedventilelementet.

4. Automatisk resirkulasjonsventil som angitt i krav 2, omfattende en plate (67) med hull gjennom hvilken resirkulasjonsfluidet strømmer.

5. Bypass-ventilelement (32) for regulering av resirkulasjonsstrømmen i en automatisk resirkulasjonsventil (10),karakterisert vedat bypass-ventilelementet omfatter en aksel, et hult kammer (46, 48) inne i akselen og en første og andre åpning (52a, 52b) som muliggjør fluidstrøm gjennom kammeret mellom innløpet og resirkulasjonsutløpet, idet den første åpningen utligner fluidtrykkreftene som virker mot den andre åpningen.