NO323101B1 - Feilsikker ventilaktuator - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en ny ventilaktuator som har en første motor for å bevege et ventilelement og en andre motor for å sammenpresse en feilsikker fjær. Den andre motor drives uavhengig av den første, og tillater på denne måte ventilelementet å bli beveget mellom dets åpne og lukkede stillinger mens fjæren er sammenpresset. I et nødstilfelle vil fjæren utløses og bevege ventilelementet til dets feilsikre stilling uansett stilling av ventilelementet.

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en aktuator for en ventil. Spesielt omhandler oppfinnelsen en elektrisk drevet ventilaktuator med en fjærtilbakestilingsanordning.

I mange installasjoner for gasskomprimering kan det oppstå en "surge", dvs en bølge av en trykksvinging som oppstår når kompressorens utløpstrykk er for høyt relativt strømningsraten. Fordi slike bølger kan forårsake alvorlig skade på kompressoren og annet utstyrt, og også kan sette mennesker i fare, er det nødvendig å forsyne utstyret med en anti-surge ventil for å forhindre trykkbølgen ved å blø av trykket fra kompressorens utløp. Når et forhøyet trykk forefinnes eller holder på å skje, vil anti-surge ventilen åpne og blø trykket fra utløpet. Avhengig av fluidet og omgivelsene kan en slik anti-surge ventil være innkoblet mellom kompressorens innløp og utløp eller også lufte ut kompressorens utløp til atmosfæren eller til en lagringstank.

For å forhindre skade på utstyr eller annen fare er det svært viktig at ventilen åpner hurtig. Typisk krav til åpningstid er noen få sekunder. Dette tidskravet skaper en utfordring når det benyttes elektrisk drevne aktuatorer. Mens fluid drevne lineære aktuatorer typisk er i stand til å aktuere en ventil innen slike tidsrammer har elektriske aktuatorer normalt en mye lengre aktueringstid, som beror på girbokser og konverteringsmekanismen som setter opp store friksjons- og treghetskrefter i overføringene.

US patentskrift nr. 6 572 076 omhandler en ventilaktuator som omfatter en elektrisk motor som beveger en ventilspindel. En fjær komprimeres for å fungere som en feilsikker innretning i tilfelle tap av kraftforsyning. Motoren drives først bakover for å komprimere fjæren og fjæren låses i stilling ved hjelp av en elektromagnet. Deretter kan motoren drives for å åpne og lukke ventilen på en kontrollert måte uten å påvirke fjæren. I et nødsfall vil tap av kraft medføre at elektromagneten slås av, løsgjør fjæren og på denne måten tvinger ventilen til lukning.

Detaljert beskrivelse av den foretrukne utføringsform(er).

Fig. 1 viser aktuatoren ifølge oppfinnelsen i to modus delt ved midtstreken,

delvis i snitt

Fig. 2 viser aktuatoren i feil-retur modus, delvis i snitt

Fig. 3 er en tegning av en motors holdebrems

Fig. 4 viser trinnene ved drift av bremsen, og

Fig. 5-7 viser sekvensen for å åpne og lukke ventilen.

Fig. 1 er en sammenstilling som viser aktuatoren i sin arbeidsmodus med venstre og høyre side korresponderende til ventilen i respektive åpen og lukket stilling.

En fjærreturenhet er festet til en monteringsplate 50 og omfatter et hus 100 med en yttervegg 110, øvre plate 114 og nedre plate 112. Øvre plate 114 er festet til monteringsplaten 50 med skruer 115 som vist. Til den nedre platen 112 er festet en hylse 166 som forløper oppover inne i huset. En ringformet fjærholder 168 er aksielt forskyvbar langs hylsen 166. Nedre plate 112, hylse 166, fjærholder 168 og yttervegg 110 definerer således et fjærkammer hvori er anordnet en fjær 130. Fjæren 130 kan være av hvilken som helst passende type, så som en spiralfjær eller Bellevillefjær.

Hylsen 166 omfatter et øvre lokk 167. Øvre lokk 167 og nedre plate 112 omfatter et hull hvorigjennom en ventilspindel 170 forløper glidbart og tettende slik at ventilspindelen kan beveges aksielt i forhold til huset 100. Ventilspindel 170 beveger et ventilelement mot og fra innslag til et ventilsete, se fig. 5-7.

En fjæraktueringshylse, generelt betegnet 120, omfatter en nedre del 126 som ligger an mot fjærholderen 168, en midtre del 124 og en øvre del 132. Den midtre del 124 har en mindre utvendig diameter, og avslutter i skuldre 127 og 131, som begrenser den aksielle bevegelsen av aktueringshylsen 120. Den midtre del 124 forløper gjennom et hull i platen 50 og har gjenger 122 langs i det minste en del av sin lengde. Ved sin øvre ende har den øvre del 132 tilfestet lagerelementer 140 og en koplingshylse 138. En roterende hylse 118 er festet til platen 50 slik at den kan rotere i lagre 117 men er ikke aksielt bevegelig. Roterende hylse 118 har indre gjenger 119 som griper inn med gjengene 122 på den midtre del 124 av fjæraktueringshylsen. Videre er ventilspindelen 170 aksielt bevegelig i forhold til 'fjæraktueringshylsens 120 midtre del 124. Den øvre del 132 har kilespor 136 som griper inn med korresponderende kilespor i en rotasjonshindrende hylse 134. Av dette kan ses at fjæraktueirngshylsen 120 kan bevege seg fritt aksielt men er forhindret fra å rotere relativt til platen 50.

En transmisjonsenhet 150 omfatter et hus som i sin nedre ende er festet til platen 50, og omfatter en yttervegg 152 og et øvre lokk 154. Den rotasjonshindrende hylse 134 holdes fast i den ytre vegg 152. En drivkopling 156 er roterende anordnet i en

koplingshylse 138 med lagre 140. Drivkoplingen 156 omfatter et drivorgan 158 slik at drivkoplingen kan roteres av en motor- og gir-sammenstilling, som vil beskrives i mer detalj i det etterfølgende. Fra dette ses at drivkoplingen 156 er aksielt bevegbar i transmisjonsenheten 150 sammen med fjæraktueirngshylsen 120 (126, 124, 132) samtidig som drivkoplingen 156 kan rotere i forhold til nevnte hylse.

En drivaksel 160 er tilkoblet drivkoplingen 156 og er i sin tur festet til en kulemutter 162. Kulemutter 162 griper inn med øvre del av ventilspindelen 170 på kjent måte, slik at rotasjon av kulemutter 162 blir omgjort til aksiell bevegelse av ventilspindelen 170 relativt kulemutteren.

En kulemutterhylse 164 er festet til kulemutteren 162. Kilespor 165 griper inn i fjæraktueringshylsens øvre del 132, og dette forhindrer at hylsen 164 roterer men gjør at hylsen 164 og kulemutter 162 kan beveges aksielt i forhold til den øvre del 132. Ved sin nedre ende har hylsen 164 en skulder 163 som kan ligge an mot skulder 131, noe som begrenser den nedadgående bevegelse av hylsen 164.

Monteringsplaten 50 inneholder flere transmisjonskomponenter for å overføre rotasjon fra motorene til fjæraktueringshylsen og drivkoplingen. På hver side av platen er festet bokslignende enheter 38,38'. De to boksenhetene er identiske og den følgende beskrivelsen er gjort med referanse til boksen på høyre side, men gjelder for begge enhetene. På tegningen har identiske deler på høyre og venstre side samme tal lhenvisninger, men har et' i tillegg.

Et første girhjul er anordnet i boksenheten 38. Girhjul 40 griper inn med et andre girhjul 52 som i sin tur griper inn med et tredje girhjul 54. En roterende aksel 56 er festet til det tredje girhjul 54 i sin nedre ende og er i sin øvre ende festet til et fjerde girhjul 58. Girhjul 58 griper inn med drivkoplingens 156 kilespor 158 via et overføringsgir 157.

Boksenheten 38 har et oppoverrettet sylindrisk hus 48 som utvides på toppen 49 slik at det dannes en trakt for hjelp ved innføringen av drivmotorenhet 20. Føringspinner 47 er anordnet i huset 48 for korrekt orientering av en drivmotorenhet 20 når den føres inn i huset 48. Girhjul 40 har en oppoverrettet hul aksel 42 som griper inn med motorens drivaksel 34. Låseorganer 36 brukes for å låse akselen 42 til drivakselen 34 på en utløsbar måte.

Motorenheten 20 omfatter et hus 22 med motoren 30, girboks 32 og drivaksel 34. Motoren er tettende omsluttet av enheten 20 med huset 22, som har en ytre vegg 24 og en øvre plate 26. Huset 22 er festet til girboksen 32 med skruer 23. Motorenheten 20 er fortrinnsvis fylt med en passende hydraulikk eller silikonolje og trykkompensert til omgivelsestrykk for å beskytte motoren mot inntrenging av sjøvann. En beskyttelses- og føringshylse 28 for drivakselen er festet til girboksen og forløper nedover, omsluttende drivakselen 34.

I utføringsformen vist på tegningene er motorenheten 20 vist plassert ved siden av transmisjonsenheten 150. Dette er kun et eksempel på en praktisk plassering med det formål å minske høyden på hele aktuatoren. Alternativt kan motorenheten for eksempel være plassert i en forlengelse av akselen 56 eller på toppen av transmisjonsenheten 150.

Boksenheten 38' vist på venstre side i fig 1 er i det alt vesentligste av identisk konstruksjon som boksenheten 38 på høyre side. Identiske deler 36', 38' osv. som

har sin motsvarenhet i delen 36, 38 på høyre side er derfor ikke nærmere beskrevet, og det henvises til den tidligere beskrivelse av enheten 38 for en nærmere forklaring på disse deler og deres funksjon. Boksenheten 38' omfatter et girhjul 40' som griper inn med et andre girhjul 252 som i sin tur griper inn i den roterende hylse 118.

En andre motorenhet 200 er anordnet for aktuering av fjæren 130. Denne motorenheten er konstruksjonsmessig identisk med motorenheten 20 og tilkoblingen til boksenheten 38' er også identisk med tilkoblingen av motorenheten 20 til boksenheten 38. Motoren 30' i motorenheten 200 vil imidlertid fordelaktig være forsynt med en holdebremse. Det er også mulig at girboksen kan ha en noe annen utveksling, tilpasset enhetens funksjon.

Når strøm påsettes motoren 30' vil denne, via gir 40' og 252, rotere hylsen 118. Hylsens 118 gjenger 119 griper inn med gjengene 122 på delen 124 av fjæraktueringshylsen 120 slik at denne beveger seg nedover. Dette er en vanlig kjent type rotasjons-til-lineær konvertering. Fjæraktueringshylsens 120 nedre del 126 presses mot fjærholderen 168 og beveger denne nedover. Dette vil komprimere fjæren 130. Bevegelsen nedover stoppes ved skulderens 131 anslag mot platen 50.

Så lenge strøm forsynes til motoren 30', vil fjæren holdes i sin sammenpressede stilling. Dersom strømmen blir borte fra motoren vil fjæren drive fjæraktueringshylsen 120 oppover og samtidig rotere motoren i motsatt retning. Siden det nå ikke er noe strøm i motoren vil den løpe fritt og bare ha liten friksj onsmotstand.

I fig. 1 vises situasjonen hvor fjæren 130 holdes sammenpresset i sin normale driftsstilling ved hjelp av motoren 30'. Drivkoblingen 156 er i sin nedre stilling. Samtidig som motoren 30' blir aktivert, må motoren 30 også aktiveres for å bevege kulemutteren 162 til sin øvre stilling sammen med ventilspindelen 170, som vist på venstre side av fig 1. Ventilelementet er nå i sin største øvre posisjon (fig. 6). Nå kan motoren 30' kjøres for å forspenne fjæren 130. Dette vil også bevege fjæraktueringshylsen 120 (126, 124, 132) og drivkoplingshylsen 138 nedover. For at kulemutteren 162 skal forbli i sin relative stilling når resten beveges nedover (og holde ventilspindelen i sin øvre stilling) må motoren 30 kjøres baklengs. Dette vil resultere i den situasjon som vises på venstre side av fig. 1.1 denne stillingen kan hovedmotoren 30 bli styrt for å rotere drivkopling 156 og kulemutteren 162 for å bevege ventilspindelen 170 nedover for å lukke ventilen. Ventilen kan nå opereres fritt, dvs. åpne og lukke ventilen, uten at den må arbeide mot kraften av fjæren 130. På høyre side av fig. 1 (se også fig. 5) er ventilspindelen i sin nedre stilling, korresponderende til et lukket ventilelement.

I en nødssituasjon hvis strømmen blir borte, eller om det blir nødvendig å stenge ventilen raskt, vil holdebremsen for motor 30 bli deenergisert. Det oppstår da tre muligheter: 1. Dersom ventilen er stengt vil fjæren 130 utløses og tvinge fjæraktueringshylsen oppover. Dette vil i sin tur bevege hele enheten bestående av fjæraktueringshylsen 120 (126, 14, 132) samt drivkoplingshylsen 138 oppover til ventilelementene treffer sin øvre ende stopp. Dette vil korrespondere med at drivkoplingshylsen når sin øvre grense for bevegelse, som vist på høyre side av fig. 2 (se også fig.7). 2. Hvis ventilen allerede er i sin øvre (åpne) stilling vil ikke fjæren umiddelbart utvides, idet den holdes tilbake av ubevegelige ventilspindelen (ventilelementet ligger an mot "taket" eller endestoppen i ventilen). Imidlertid vil fjærkraften påføre en oppoverrettet kraft på drivkoplingshylsen og hylsen 138 vil på grunn av dette bevege seg sakte oppover, noe som får kulemutteren 162 til å rotere baklengs (fordi ventilspindelen ikke beveger seg). Friksjonskreftene i kulemutteren, og drivsystemet vil dempe bevegelsen. Dette returnerer systemet til sin utgangsposisjon automatisk, noe som eliminerer behovet for å resette motoren 30 så lenge som kulemutteren ikke har låst seg på grunn av øket friksjon osv. 3. Hvis ventilen er i en mellomstilling vil fjæren først tvinge ventilelementet oppover (siden hele enheten beveger seg som i pkt 1 over) til ventilelementet stopper i sin øvre stilling. Deretter vil systemet sakte resettes som beskrevet i pkt 2 over.

Fjærreturmekanismen er således ikke avhengig av ventilens stilling i aktueringsøyeblikket. Systemet fungerer også slik at det demper støt i aktuatoren, noe som gjør at slag i ventilelementet unngås.

Fordelen med dette arrangementet er at ventilen kan opereres uten behov for å spenne fjæren. Dette muliggjør at ventilen kan opereres raskt og ofte, uten at det trengs mer kraft enn den som er nødvendig for å bevege kulemutteren og ikke utsette sikringsfjæren for utmatting forårsaket av høye sykluser. Arrangementet gjør det også mulig for at ventilen raskt kan åpnes i et nødsfall, til og med midt i en driftssyklus.

I fig. 3 og 4 er vist en foretrukket utførelse av et bremsearrangement for fjæraktueringsmotoren. Motoren 30' har en gjennomgående drivaksel 302. Den fremre enden av drivakselen er operativt tilkoblet girboksen 303. Den bakre enden av drivakselen 302 strekker seg ut forbi motoren og ender i en sperremekanisme 310.

Sperremekanismen 310 er vist i mer detalj i fig. 4A - 4D, som viser aktueringssekvensen. Enheten er i form av en kløtsj med venstre side 312 koblet til drivakselen 302 mens den høyre side 313 er koblet til en solenoide 311.

Før motoren 30' startes blir kløtsjen 310 frakoblet ved å stoppe kraftforsyningen til solenoiden 311. Den venstre siden 313 vil bevege seg mot høyre, som vist på fig. 4A. Motoren 30' kan nå startes med den venstre siden 312 roterende fritt, som vist med pilen. Dette vil spenne fjæren 130 som tidligere beskrevet. Når fjæren er fullt forspent blir solenoiden tilført kraft, slik at den høyre siden 313 beveges til inngrep med den venstre siden 312, som vist på fig. 4B. Dette vil fastholde drivakselen 302 og forhindre fjæren i å springe ut. Ved tap av kraft vil solenoiden frakoble kløtsjen 310 ved at den høyre delen 313 beveges til høyre. Fjæren 130 vil nå bli utløst. Ventilen vil dermed bevege seg til sin feilsikre stilling..

Fremgangsmåten for utførelse av operasjonen av motoren er som følger:

Først startes motoren 30 for å rotere drivakselen og dermed kulemutteren til sin øvre stilling. Deretter blir motoren 30' startet for å sammenpresse fjæren. Elektrisk kraft vil fortsatt bli forsynt motoren 30' slik at fjæren holdes sammenpresset. Bremsesolenoiden 311 blir nå aktivert ved et høyspent "støt". Motoren 30' kjøres nå sakte baklengs til sperretennene griper inn og dermed kan motorens vrimoment reduseres til null, som vist i fig. 4C og 4D. Når sperremekanismens låsing og motorens frakobling er verifisert, kan holdekraften dramatisk reduseres. Alternativt kan et lavkrafts-behov fås ved å benytte en andre coil med et høyst antall vindinger og en lav holdespenning, slik at kraften for kontinuerlig låsing beskyttes.

Kontroll av vrimoment, posisjon og hastighet av den børsteløse DC motor benyttes til å styre hendelsesforløpene nøyaktig.

Fordi den elektriske sperremekanismen er anordnet på motorenden av drivtoget, kan kreftene som påvirker kløtsjen reduseres kraftig fordi vrimomentet reduseres, først gjennom transmisjonen og deretter gjennom girboksen. Holdekreftene og dermed holdekraften vil være liten. Den elektriske sperremekanismen vil foretrukket være av en interferens type hvor ytterligere mekanisk fordel implementeres ved bruk av en avsmalnende eller konisk innretning drevet av en solenoide som påvirker de roterende deler av motoren.

Det skal forstås at, selv omoppfinnelsen har blitt beskrevet med referanse til den foretrukne utføringsform, vil fagmannen forstå at det kan'utvikles mange varianter av de strukturelle og operasjonelle detaljer uten å fravike oppfinnelsens prinsipp. For eksempel kan oppfinnelsen benyttes med en feilsikker ventil for lukning, som stenger strømmen gjennom ventilen.

Claims (7)

1. En feilsikker ventilaktuator, omfattende: et hus (150), en ventilspindel (170) koblet til et ventilelement som er be vegbar mellom første og andre stillinger, en fjær (130) som forspenner ventilelementet til dets andre stilling, første aktueringsmidler for å forspenne fjæren (130), og for å holde fjæren i sammenpresset inngrep, andre aktueringsmidler for å bevege ventilelementet, hvilke midler inkluderer en transmisjon som omfatter en kulemutter (162), hvor de andre aktueringsmidler kan drives uavhengig av de første aktueringsmidler, samt utløsende midler for å utløse fjæren (130) for å tilbakevende ventilen til sin andre stilling.

2. En aktuator som angitt i krav 1, hvor de første aktueringsmidler er en elektrisk motor, et fjærelement (130) som forspenner nevnte ventilspindel (170) til en av nevnte første eller andre stillinger, første aktueringsmidler for å bevege nevnte fjærelement (130) til en forspent stilling, bremseinnretninger for selektivt å holde nevnte fjærelement (130) i nevnte forspente stilling, andre aktueringsmidler for å bevege nevnte ventilspindel uavhengig av nevnte fjærelement når bremseinnretningene er låst, idet fjærelementet returnerer ventilspindelen (170) til en av de nevnte første eller andre stillinger når bremseelementet er frakoblet.

3. En aktuator som angitt i krav 1, hvor de andre aktueringsmidler er en elektrisk motor.

4. En feilsikker ventilanordning for bruk i undersjøiske omgivelser omfattende: et hus (150), en ventilspindel (170) som er bevegelig mellom første og andre stillinger for å drive et ventilelement, og en fjær (130) som forspenner ventilelementet til sin andre stilling, første aktueringsmidler for å forspenne fjæren (130), og for å holde fjæren (130) i sin sammenpressede stilling, andre aktueringsmidler for å bevege ventilelementet, nevnte midler omfatter en transmisjon omfattende en kulemutter (162), idet ventilelementet beveges uavhengig av fjærstillingen, og et bremsekløtsj-arrangement for å holde de første aktueringsmidler mot kraften av fjæren, idet fjæren utløses ved tap av kraft til bremsen.

5. En ventil som angitt i krav 4, hvor de første aktueringsmidler er en elektrisk motor.

6. En ventil som angitt i krav 4, hvor bremseanordningen omfatter en solenoide.

7. En ventil som angitt i krav 4, hvor de andre aktueringsmidler omfatter en elektrisk motor.