NO330801B1 - Væskestrømningsregulator - Google Patents

Description

Væskestrømningsregulator

Oppfinnelsen angår en væskestrømningsregulator og mer spesielt en strøm-ningsregulator som er beregnet for å tilveiebringe en i det vesentlige konstant strømningshastighet av trykkvæske.

Det er kjent for eksempel fra US patent 4 893 649 å tilveiebringe en fluidstrømningsregulator hvor et fjærforspent stempel er anbrakt mellom to kamre av hvilke et første er koplet til et innløp og et andre er koplet til et utløp ved hjelp av en ventil som har stengedel, så som en ventilnål, båret av stempelet, typisk med en mellomliggende fjær, hvor det er en strømningspassasje mellom det første og andre kammer. Stempelet reagerer på en trykkdifferanse mellom kamrene slik at det bidrar til å stenge ventilen som reaksjon på en relativ økning i trykket ved innløpet. Justering av strømningshastigheten kan oppnås ved stillingsjustering av ventilsetet.

Et ytterligere eksempel på en strømningsregulator av denne typen er vist i GB 2333863 B.

Strømningsregulatorer av denne generelle type regulerer strømningene ved hjelp av fjærforspenning eller last som balanserer med trykkdifferansen. En endring i trykkdifferansen blir motvirket av en endring i fjærlasten. Strømningshastigheten varierer som kvadratroten av trykkdifferansen over en fast munning.

Som det skal forklares nærmere i det etterfølgende er en vanskelighet ved konstruksjonen av strømningsregulatorer som må tilveiebringe kontinuerlig strømning ved meget lave strømningshastigheter (særlig for kjemisk injeksjon under vann), konflikt mellom et behov for en liten reguleringsmunning og unngåelse av tilstopping av partikler, så vel som tilveiebringelse av et vesentlig "reduseringsforhold", dvs. forholdet mellom maksimal og minimal strømningshastighet. Et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret regulator i denne sammenheng.

Den foreliggende oppfinnelse angår en ny konstruksjon av væskestrømningsregulator, hvor en "oppstrøms" eller innløpsstrømningsregulatorventil er stillingsjustert som reaksjon på bevegelse av stempel som reagerer på en differanse i trykk mellom to kamre som er forbundet av en strømningspassasje. Stempelet er fortrinnsvis koplet ved hjelp av en arm for å betjene ventilen, og fortrinnsvis også justering av strømningshastigheten utføres ved justering av stillingen av en anslagsdel som utgjør en referanse for en fjærbelastning som motstår kraften fremkalt av trykkdifferansen, dvs. motstår bevegelse av stempelet for å stenge ventilen. I en foretrukket konstruksjon er denne anslagsdel justerbar ved hjelp av en justeringsskrue som kan drives for eksempel av en elektrisk skrittmotor.

Et foretrukket trekk ved regulatoren er en fjærende last for varierende hastighet (for eksempel en høyhastighetsfjær i serie med en lavhastighetsfjær) for stempelet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisnings til teg-ningen, der den eneste figur 1 er et snittriss av en strømningsregulator ifølge oppfinnelsen.

Den eneste figur 1 viser en strømningsregulator som omfatter et hus hovedsakelig sammensatt av en hovedhusdel 1 som har overveiende hul sylindrisk form, og et endedeksel 2 omfattende en endevegg 2a som støter mot hovedhusdelen 1 og et sentralt boss 2b som strekker seg inn i en boring 3 inne i hovedhusdelen 1. Boringen 3 avgrenser et første kammer 4 som, som skal forklares nærmere senere, er koplet til et innløp for hydraulisk fluidtrykk ved hjelp av en reguleringsventil. Boringen 3 i hovedhusdelen 1 fører til et andre kammer 5, nedstrøms det første kammer 4. Igjen, som forklares senere, er et stempel bevegelig som reaksjon på en trykkdifferanse mellom kamrene 4 og 5 og er anordnet til å operere den forannevnte reguleringsventil slik at overtrykk i kammeret 4 over trykkammeret bidrar til å bevege stempelet på en måte som vil forårsake stenging av innløpsreguleringsventilen.

Strømningsregulatoren må være operativ slik at den opprettholder strømningsinnstillingsnøyaktigheten uten hensyn til varierende innløpstrykk og utløpstrykk. Følgelig er den grunnleggende en trykkregulator med en rørmunning. Trykkfallet over rørmunningen avføles av et avfølingsstempel i trykkregulatoren for å tilveiebringe strømningsreguleringen. Den følgende beskrivelse omfatter trekkene ved rørmunningen mellom kamrene 4 og 5, reguleringsventilen og dens operasjon av stempelet, og anordningene for tilføring av en fjærkraft for varierende hastighet som motstår bevegelsen av stempelet på en måte som forårsaker stenging av innløpsreguleringsventilen og dermed balanserer differansetrykket.

Tetning mellom kammeret 4 avgrenset innenfor bosset 2b er tilveiebrakt av to O-ringtetninger 6 og 7 anbrakt mellom hovedhusdelen 1 og bosset 2b. Tetning mellom kammeret 4 og kammeret 5 er tilveiebrakt av en O-ringtetning 8 rommet innenfor en innvendig ringformet utsparing i husdelen 1 og som er i kontakt med den utvendige flate av bossen 2b.

Væske, så som utvalgte kjemikalier i væskeform under trykk og beregnet til å strømme inn i regulatoren i retningen av en pil A mates til en passasje 9 som strekker seg aksialt av en skruegjenget innsats 10 i endedekselet 2. Innsatsen 10 har en indre forsinket ende som holder i stilling et ventilsete 11 som har en styremunning 12 som mottar og kan avstenges av en konisk ventiltallerken 13 båret av en ventilstamme 14 båret i en boring 14a i bossdelen 2b av endedekselet 2. Et felles krav er for meget lave strømningshastigheter (for å redusere kravene til kjemisk lagring på en oljeplattform). Disse hastigheter kan forandre seg under levetiden for en brønn, men strømningen er kontinuerlig. Spesifikasjonen krever en liten reguleringsmunning, typisk mindre enn 0,5 mm i diameter må tas i betraktning. Kjemikaliene kan bare tilføres til bestemte renhetsstandarder. De høye kvantiteter av små partikler gjør de undersjøiske filtre tilbøyelig til sammenklumping og følgelig er det behov for at ventilen skal være i stand til å tåle den størst mulige partikkelstørrelse. Enhver konstruksjon med en reguleringspinne som passerer gjennom munningen reduserer den tålbare partikkelstørrelse med mer enn 50 %.

Den fulle strømning fra en tallerken og sete oppnås når tallerkenen løfter en fjerdedel av munningsdiameteren for tallerken med plan ende, og halv av munningsdiameteren for en konisk tallerken, typisk 0,2mm. Ved den minimale strømningsinnstilling med en ventil med et nedsettingsforhold på 15/1 vil ventiltallerkenløftet bare være 0,013 mm. Dette ville bare la en kuleformet partikkel på 13 (i passere, som vanligvis ikke ville bli filtrert ut. Når ventilen regulerer ved denne minimale innstilling vil tallerkenen og setet bli gradvis tilslammet, og dette ville bidra til å redusere differansetrykket, og stempelet ville bevege seg til å åpne ventilen og opprettholde strømmen konstant. Til slutt åpnes ventilen tilstrekkelige til at tilslammingen kan tåles og ventilen går tilbake til dens minimumsinnstilling.

Enden av stammen 14 fjernt fra tallerkenen 13 rager frem inn i det første kammer 4. Ventilstammen 14 er bevegelig ved hjelp av en arm 15 hvor en ende er innkoplet med en tverrgående rettet sliss 16 i ventilstammen 14. Armen 15 har en dreietapp 17 mellomliggende dens ender, hvor dreietappen er støttet i bosset 2b. Den andre ende av armen 15 er opptatt i en avsmalnet tverrgående ragende sliss 18 innenfor et stempel 19 som glir innenfor boringer 20a og 20b som står på linje i bosset 2b. En mantel 19a som danner den venstre ende av stempelet 19 holder en U-tetning 21 slik at det dannes en stempelsammenstilling som glir i bossdelen av endedekselet. To hylser 22 og 23 sikrer jevn glidning av stempelet i hhv. boringen 20a og 20b.

Armforbindelsen letter konfigurasjonen av regulatoren, dvs. med ventilen opp-strøms eller i innløpspassasjen. Dessuten tilveiebringer den en anordning for sikker løf-ting av ventilen. Ventilen kan derfor ha en enkel sirkulær munning, snarere enn en ringformet munningskarakteristikk av oppstrømsreguleringsventiler.

Armen utfører fortrinnsvis en reguleringsøkning, som har (for eksempel) et armforhold på 0,4:1, slik at reguleringstempelets bevegelse øker forhold til løftebevegelsen av ventilen, og belastninger som oppstår fra strømningsmedia på stempelet blir redusert, som muliggjør bruk av en underlagsfjær med lavere kraft. Armen tillater en "parallell" rørutforming med små innvendige diametere slik at høye trykk kan håndteres av en enhet med liten dimensjon. Utelatelse av armen 15 (slik at stempelet ville være direkte koplet til innløpsventilen) ville gå forut for reguleringsøkningen og kompaktheten av konstruksjonen. Mellom bunnenden av boringen 20b og utsparingen 24 i den nærliggende ende av stempelet er det en fjær 25 som ved fravær av fjærbelastning av stempelet 19, som skal beskrives, driver stempelet 19 på en måte som i kraft av operasjonen av armen 15 vil stenge reguleringsventilen sammensatt av tallerkenen 12 og ventilsetet 11. Kammeret dannet mellom den utsparte ende av stempelet 19 og endedekselet 2 er sammenkoplet ved hjelp av passasjen 26 gjennom stempelet til kammeret 4, slik at det ikke er skapt noen hydraulisk lås i rommet mellom stempelet 19 og endedekselet 2.

Anbrakt i lengderetningen med skruegj enger i stempelkappen er det en skruegjenget tapp 27 sikret mot rotasjon av en fjærklemme 28.

Mellom kamrene 4 og 5 er det som tidligere nevnt anbrakt en rørmunning som utgjøres av en skrue 28 forseglet i forhold til endedekselet 2b av en O-ringtetning 29. Skruen inneholder en fast munning som i denne utførelsesform utgjøres av en flertrinns strømningsbegrenser 30. Differansetrykket som stempelet 19 reagerer på er i hovedsak trykkfallet over den faste munning 30 mellom kamrene 4 og 5.

Munningen kan utgjøres av en enkel kanal eller flere kanaler.

Innenfor kammeret 5 er det i denne utførelsesform anbrakt mesteparten av komponentene, ved hjelp av hvilke stempelet 19 er forsynt med en fjærende eller fjærlast som motstår bevegelsen av stempelet i retningen for stenging av innløpsreguleirngsventilen (dvs. balansering av kraften på grunn av trykkdifferansen mellom kamrene), for å bestemme en innstillingsverdi for strømningshastigheten.

Motstøtende den venstre eller øvre ende av kammeret 5 er det en første fjærføring 31 som vender mot en andre fjærføring 32, hvor det er en kompresjonsfjær 33 med høyt forhold anbrakt mellom fjærføringene 31 og 32. Føringen 32 tilveiebringer en referanse for en kompresjonsfjær 34 med lavere forhold anbrakt mellom en innvending skulder av føringen 32 og en indre fjærføring 35 som i en ende er glidende støttet i fjærføringen 32, og i dets andre ende, nærliggende stempelet, er glidende støttet i føringen 32 og mottar også tappen 27 som utgjør en forlengelse av stempelet 19. Dermed er fjærene 33 g 34 i serie. En fjærklemme 35a holder den indre føring 34 innenfor fjærføringen 32. Føringen 34 inneholder en kule 36 anbrakt i et sete 37 og er innkoplet med enden av tappen 27. Formålet er å unngå friksjon når føringen 34 har en tendens til å rotere. Den første føring 31 inneholder på liknende måte en kule 38 anbrakt mellom denne føring og en justeringsreferanse som utgjøres av en skruegjenget stang 39 som i denne utførelsesform anvendes for å tilføre en justerbar last på stempelet 19 gjennom det mellomliggende av fjærsammenstillingen.

Enden (til venstre) av føringen 35 glir i en boring 32a i føringen 32. Den indre kant av denne boring 32a utgjør en endestopp for føringen 35 slik at skulderen 35b inn-koples med føringen 35 før fjæren med lavt forhold er helt komprimert (dvs. når en spolebundet stillstand). Underkomprimering av fjæren med lavt forhold vil fjæren med høyt forhold nesten ikke beveges, men denne fjær med høyt forhold vil virke signifikant når differansetrykket er tilstrekkelig høyt til å bevege (ved hjelp av stempelet 19) føringen 35 mot dens endestopp. Innkoplingen av føringen 32 med føringen 31 bør skje før fjæren med høyt forhold er helt komprimert.

Ved den venstre side eller øvre ende av husdelen 1 er det en klemmutter 40 som holder en holder 41 som holder på plass U-tetninger 42 og 43 som tilveiebringer tetning, men som tillater bevegelse mellom stangen 39 og huset 1. Kammeret 5 har et utløp skjematisk vist med pilen 44, hvor dette utløp kan tas i enhver spesiell retning, enten direkte gjennom huset 1 eller ved hjelp av huset 1 og en boring 45 i endedekselet 2 til utsiden.

Den gjengede skyvstang er støttet i en gjenget hylse 46 innenfor klemmutteren og er bevegelig ved hjelp av en elektrisk skrittmotor M i et nabokammer (ikke vist).

Ved drift av strømningsregulatoren kan motoren M anvendes til å justere fjærlasten på stempelsammenstillingen til null. Forspenningsfjæren 5 virker på stempelet 19 og ved hjelp av vektarmen 15 til å stoppe fluidstrøm ved hjelp av ventilen 12 og setet 11. Når det kreves en fluidstrøm drives skrittmotoren M til å justere fjærlasten for å overvinne lasten gitt av fjæren 25. Den følgende bevegelse av stempelet 19 i retningen nedover eller mot høyre som vist på fig. 1 åpnet innløpsreguleirngsventilen.

Ved tilstedeværelse av fluidstrømning, virker trykket i kammeret 4 på stempelet og strømmer også gjennom rørmunningen, nemlig begrenseren 30, inn i kammeret 3. Trykkdifferansen mellom kamrene 4 og 5 tilveiebringer en nettokraft på det avfølende stempel 19 til å tilveiebringe regulering av fluidstrømningen i kraft av reguleringsventilen 13.

Hovedformålet for fjærsammenstillingen med to forhold er å tilveiebringe en økning med konstant kraft for hvert trinn av motoren M, slik at trykkfallet mellom kamrene 3 og 4 blir regulert i konstante trykktrinn. Den hydrauliske strømning er proporsjonal med kvadratroten av trykkfallet mellom kamrene 4 og 5 slik at en startende åpningstrinnstrømning blir grovregulert. Dersom det var justering i 100 trinn ville en enkelt forholdsfjær som forårsaker deltatrykket til å øke lineært i hvert trinn av et reduseringsforhold på 10:1. Imidlertid tillater bruk av lavforholdsfjæren og høyforholdsfjæren ytterligere reguleringstrinn før ventilen på annen måte ville ha åpnet, for derved å øke reduseringsforholdet. Typisk kan høyforholdsfjæren 33 kreve 200 newton pr. mm i kompresjon, og lavforholdsfjæren kan kreve 18 newton pr. mm i kompresjon, dvs. at det er en rekkefølge av størrelsesorden i forholdet mellom fjærforholdene.

Claims (9)

1. Væskestrømningsregulator omfattende: første og andre kamre (4, 5) og en strømningspassasje (30) som forbinder kamrene, et stempel (19) følsomt for differansetrykk mellom kamrene til å bevege seg i en ventilstengende retning som reaksjon på stort trykk i det første kammer over trykket i det andre kammer, en fjærende last for varierende hastighet (27-35) motstående bevegelse av stempelet 19 i den ventilstengende retning, en justerbar forspenningsreferanse (39) for den fjærende last (27-35), en innløpspassasje (9) koplet til det første kammer, og en reguleringsventil (13) som er styrt av stempelet (19) og er anbrakt i innløps-passasjen (9) oppstrøms det første kammer,karakterisert vedat den fjærende last (27-35) tilveiebringer et begynnende lavt fjærforhold og et etterfølgende høyere fjærforhold.

2. Regulator ifølge krav 1,karakterisert vedat den fjærende last (27-35) omfatter en komprimerbar sammenstilling omfattende en fjær (34) med lavt forhold i serie med en fjær (33) med høyt forhold.

3. Regulator ifølge krav 2,karakterisert vedat den komprimerbare sammenstilling omfatter en første føring (31) og en andre føring (35a) mellom hvilke fjæren (33) med høyt forhold er anbrakt, og en tredje føring (35) som er glidbar innenfor den andre føring, hvor fjæren (34) med lavt forhold er anbrakt mellom den andre og tredje føring.

4. Regulator ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat den omfatter en arm (15) mellom stempelet (19) og reguleringsventilen (13).

5. Regulator ifølge krav 4,karakterisert vedat armen (15) er anbrakt for å strekke seg tverrgående av stempelet (19), og er svingbar mellom endene som kommer i kontakt med stempelet (19) og en betjeningsdel for ventilen (13).

6. Regulator ifølge forgående krav,karakterisert vedat den justerbare forspenningsreferanse (39) omfatter en innstillbar justerbar referansedel.

7. Regulator ifølge krav 6,karakterisert vedat den innstillbare justerbare referansedel omfatter en skruegjenget stang (39).

8. Regulator ifølge krav 6 eller 7,karakterisert vedat det er tilveiebrakt en skrittmotor (46) for styrt justering av referansedelen (39).

9. Regulator ifølge foregående krav,karakterisert vedat strømningspassasjen (30) tilveiebringer et trykkfall mellom det første og andre kammer.