RU2374505C2 - Объемный бустер с асимметричным режимом потока для приводов клапанов (варианты) - Google Patents

Abstract

Бустер предназначен для привода клапанов. Бустер включает дифференциальный привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении, первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, и второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом. Первый бустер включает первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода. Первый выпускной проход выполнен таким образом, чтобы обеспечить первое сопротивление потоку текучей среды. Второй бустер включает второй подающий проход и второй выпускной проход, причем второй подающий проход подает текучую среду к приводу, а второй выпускной проход отводит текучую среду от привода. Второй выпускной проход выполнен таким образом, чтобы обеспечить второе сопротивление потоку текучей среды. Первое сопротивление потоку текучей среды больше, чем второе сопротивление потоку текучей среды, так что привод передвигается, по существу, симметрично в первом направлении и во втором направлении. Технический результат - повышение надежности. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к управляющим клапанам, а именно к объемному бустеру с асимметричным режимом потока для использования с приводом управляющего клапана.

Уровень техники

Из уровня техники известны клапанные системы для управления потоком жидкостей и/или газов, таких как сжатый воздух, природный газ, нефть, пропан и т.п. в технологическом комплексе. Эти системы могут задействовать управляющие клапаны для предотвращения или подавления бросков давления в текучих средах.

В противном случае могут быть повреждены составные части или нарушено функционирование системы.

В одном случае компрессор увеличивает давление воздуха, протекающего в технологическом комплексе, в нормальном режиме работы. При уменьшении нагрузки, например, когда закрывают выходной дроссельный клапан, потребность в воздухе быстро уменьшается, и уменьшается поток через компрессор. При достаточном уменьшении потока компрессор переходит в нестабильное состояние, в котором газ течет в обратном направлении через компрессор от выхода к входу. В этот момент поток газа быстро осциллирует между прямым и обратным направлением. Это явление известно как бросок давления и является нежелательным, так как подвергает чрезмерным нагрузкам составные части компрессора, такие как лопатки и подшипники.

Как правило, вопрос решают помещением управляющего клапана возле компрессора, который перенаправляет поток от выхода компрессора к входу, когда компрессор находится около состояния, при котором случается бросок давления.

Управляющий клапан должен работать быстро, так как бросок давления представляет собой быстрое нестабильное явление в потоке. Традиционно управляющие клапаны являлись двухпозиционными устройствами. Однако с развитием автоматизирующего программного обеспечения и электроники, также как и с увеличением размеров компрессоров, в эффективности функционирования и в надежности могут быть достигнуты значительные улучшения, при условии, что управляющий клапан является дроссельным устройством. Для того чтобы полностью реализовать выгоды дроссельного клапана перед двухпозиционным клапаном и защитить компрессор от броска давления, положением клапана нужно управлять быстро и надежно.

Положение управляющего клапана, как правило, управляется устройством позиционирования. Большие приводы клапанов могут потребовать 10 или 20 секунд и более на открытие или закрытие управляющего клапана с помощью стандартного устройства позиционирования. Такое устройство позиционирования не может функционировать или доставить надлежащий объем текучей среды для передвижения привода в пределах необходимого для оптимального противодействия броскам давления времени отклика.

Для решения данной проблемы конструкция управляющего клапана может включать в себя объемные бустеры в сочетании с устройством позиционирования на дроссельном управляющем клапане с целью увеличения скорости передвижения привода. Скорость хода клапана и привода может быть увеличена в 15-20 раз при использовании одного или более объемных бустеров.

Хотя использование объемных бустеров уменьшает проблему большого времени отклика, оно усиливает любую асимметрию в действии клапана по отношению к устройству позиционирования. Асимметрия заключается в том, что, например, привод недостаточно заторможен (перескакивает) в закрывающем направлении и переторможен (малоподвижен) в открывающем направлении. Объемные бустеры не только усиливают отклик привода или его ход, но также усиливают присущую ему асимметрию. Такая асимметрия особенно заметна в больших объемных приводах, снабженных объемными бустерами.

Как правило, устройство позиционирования и система клапана обычно подключаются к электрической системе с низким напряжением. Устройство позиционирования преобразует электрический сигнал величиной 4-20 мА в давление на выходе для передачи сигнала приводу. Из-за малого электрического тока, при котором функционирует устройство позиционирования, и его внутренних характеристик, сигнал, доставляемый устройством позиционирования и предназначенный для закрытия управляющего клапана, посылается быстрее, чем сигнал, предназначенный для открытия клапана. Таким образом, в работе устройства позиционирования имеется внутренняя асимметрия. Использование бустеров только усугубляет эту проблему.

Обычно при применении клапана для устранения броска давления в компрессоре конструкция управляющего клапана снабжена приводами с большой длиной хода и одинаковым количеством объемных бустеров на верхней стороне и на нижней стороне (верхних и нижних каналах или камерах соответственно) привода. В одном примере из-за асимметрии, присущей устройству позиционирования и набору объемных бустеров, отклик привода будет недостаточно заторможен в открывающем направлении и переторможен в закрывающем направлении. В открывающемся при отказе приводе, т.е. когда привод открывается в условиях броска давления, перескок в закрывающем направлении во многих обстоятельствах особенно нежелателен. Например, при устранении броска давления в компрессоре перескок в закрывающем направлении может случайно привести клапан в состояние броска давления путем слишком сильного или слишком быстрого закрытия дроссельного клапана, или и того и другого. Специалистам в данной области техники известно, что, как правило, вредные эффекты недостаточно заторможенного отклика уменьшаются расстройкой устройства позиционирования, так что отклик в закрывающем положении затормаживается. Однако такая расстройка приводит к значительно переторможенному отклику в открывающем направлении, что создает очень замедленный отклик и является нежелательной.

В целом, работа конструкции управляющего клапана улучшается, если привод функционирует динамически симметрично. Например, привод функционирует динамически симметрично, если динамический отклик в открывающем направлении клапана, по существу, такой же, как и динамический отклик в закрывающем направлении.

Соответственно в конструкции и/или функционировании управляющих клапанов и их соответствующих составных частей желательны постоянные улучшения.

Раскрытие изобретения

В первом аспекте изобретения предлагается конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении; первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода, при этом первый выпускной проход выполнен с возможностью создания первого сопротивления потоку текучей среды; и второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй подающий проход и второй выпускной проход, причем второй подающий проход подает текучую среду к приводу, а второй выпускной проход отводит текучую среду от привода, при этом второй выпускной проход выполнен с возможностью создания второго сопротивления потоку текучей среды, причем первое сопротивление потоку текучей среды больше, чем второе сопротивление потоку текучей среды, так что привод передвигается, по существу, симметрично в первом направлении и во втором направлении.

Первый выпускной проход предпочтительно включает первый суженный участок, а второй выпускной проход включает второй суженный участок, при этом первый суженный участок предпочтительно имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению со вторым суженным участком.

Первый суженный участок и второй суженный участок могут иметь круглое поперечное сечение, причем первый суженный участок может иметь меньший диаметр по сравнению со вторым суженным участком.

В предпочтительном варианте выполнения первый суженный участок имеет неровные края для увеличения сопротивления потоку первого выпускного прохода.

Первый суженный участок может также включать преграждающий элемент, расположенный в первом выпускном проходе. Преграждающий элемент предпочтительно представляет собой щиток, запор, брус, отдушину или вентиляционное устройство.

В следующем варианте первый выпускной проход включает первую выводную камеру, первый выпускной канал, первую выпускную камеру, первый патрубок с проходами и первое выпускное отверстие, а второй выпускной проход включает вторую выводную камеру, второй выпускной канал, вторую выпускную камеру, второй патрубок с проходами и второе выпускное отверстие, при этом первый выпускной канал образует первый суженный участок, а второй выпускной канал образует второй суженный участок.

Первый бустер может дополнительно содержать первый сигнальный канал, а второй бустер может дополнительно содержать второй сигнальный канал, при этом, когда давление воздуха в первой выводной камере больше, чем в первом сигнальном канале, оно толкает первый патрубок вверх, таким образом открывая первый выпускной проход при поддержании первого подающего прохода закрытым, а когда давление воздуха во второй выводной камере больше, чем во втором сигнальном канале, оно толкает второй патрубок вверх, таким образом открывая второй выпускной проход при поддержании второго подающего прохода закрытым.

Привод предпочтительно содержит плунжер, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении, при этом первый бустер предпочтительно выполнен с возможностью подачи текучей среды к приводу для передвижения плунжера в первом направлении, а второй бустер - с возможностью подачи текучей среды к приводу для передвижения плунжера во втором направлении, при этом сопротивление потоку текучей среды от привода через первый бустер больше по сравнению с сопротивлением потоку текучей среды от привода через второй бустер, так что конструкция обеспечивает, по существу, симметричный рабочий режим.

В наиболее предпочтительном варианте конструкция дополнительно содержит устройство позиционирования, первую магистраль от устройства позиционирования к первому бустеру и вторую магистраль от устройства позиционирования ко второму бустеру, при этом устройство позиционирования выборочно подает сигналы первому и второму бустеру посредством текучей среды под давлением через первую и вторую магистрали, первый и второй сигнал соответственно, причем первый сигнал доставляется медленнее, чем второй сигнал.

Первый выпускной проход предпочтительно выполнен более длинным по сравнению со вторым выпускным проходом, и может иметь площадь поперечного сечения, сравнимую с площадью поперечного сечения второго выпускного прохода.

Во втором аспекте изобретения предлагается конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении; первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода; первое управляющее средство, связанное с первым бустером, для управления потоком текучей среды между первым бустером и приводом; второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй подающий проход и второй выпускной проход, причем второй подающий проход подает текучую среду к приводу, а второй выпускной проход отводит текучую среду от привода; второе управляющее средство, связанное со вторым бустером, для управления потоком текучей среды между вторым бустером и приводом, причем первое управляющее средство имеет большее сопротивление потоку текучей среды по сравнению со вторым управляющим средством, при этом первое управляющее средство и второе управляющее средство взаимодействуют для передвижения привода, по существу, симметрично в первом и во втором направлениях.

Первое управляющее средство предпочтительно представляет собой первый суженный участок, а второе управляющее средство - второй суженный участок, причем первый суженный участок имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению со вторым суженным участком.

Первый суженный участок может быть расположен в первом подающем проходе, а второй суженный участок - во втором подающем проходе, при этом первый выпускной проход предпочтительно длиннее второго выпускного прохода.

Первое управляющее средство может включать затвор клапана в первом подающем проходе, при этом затвор клапана имеет колоколообразную форму, а второе управляющее средство может включать затвор клапана во втором подающем проходе, при этом затвор клапана имеет форму плоской пластины.

Первое управляющее средство предпочтительно включает элемент, блокирующий поток текучей среды через первый выпускной проход или второй выпускной проход.

В третьем аспекте изобретения предлагается конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении; первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода; второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй выпускной проход, который отводит текучую среду от привода, при этом комбинация первого и второго выпускных проходов имеет меньшее сопротивление потоку текучей среды по сравнению с первым подающим проходом, так что обеспечивается динамическая симметрия функционирования привода.

Привод предпочтительно содержит корпус и мембрану, расположенную в корпусе и разделяющую корпус на верхнюю камеру и нижнюю камеру, смещаемую в первом направлении к нижней камере и во втором направлении к верхней камере, и пружину, расположенную в нижней камере и сдвигающую мембрану по направлению от нижней камеры, при этом первый бустер подает текучую среду в верхнюю камеру для смещения мембраны в первом направлении, а пружина смещает мембрану во втором направлении при выпуске текучей среды в верхней камере.

В предпочтительном варианте первый подающий проход включает первый суженный участок, а первый и второй выпускные проходы включают второй и третий суженные участки соответственно, причем первый суженный участок имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с общей площадью поперечного сечения второго и третьего суженных участков.

Первый, второй и третий суженные участки могут иметь круглое поперечное сечение.

В наиболее предпочтительном варианте первый суженный участок имеет неровные края для увеличения сопротивления потоку или может включать преграждающий элемент, расположенный в первом подающем проходе.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано схематическое изображение одного примера конструкции управляющего клапана, открывающегося при отказе, в соответствии с настоящим изобретением, использующей поршневой привод клапана.

На фиг.2 показан детальный вид, частично в разрезе, привода и клапана по фиг.1.

На фиг.3 показан вид в разрезе первого объемного бустера, изображенного на фиг.1.

На фиг.4 показан вид в разрезе второго объемного бустера, изображенного на фиг.1.

На фиг.5 показан вид в разрезе другого примера второго объемного бустера, изображенного на фиг.2.

На фиг.6 показана другая конструкция подающего канала первого бустера.

На фиг.7 показана другая конструкция подающего клапана первого бустера.

На фиг.8 показана другая конструкция подающего клапана второго бустера.

На фиг.9 и 10 показан график, отображающий процент перемещения привода и теоретический процент перемещения привода по отношению к прошедшему времени для полного хода привода в одном примере управляющего клапана, включающего конструкцию объемного бустера, в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11 показан второй пример асимметричной конструкции, использующей пружину и мембранный привод.

В то время, как раскрытие допускает разнообразные модификации и иные конструкции, определенные иллюстративные примеры осуществления изображены на чертежах и будут подробно описаны ниже. Нужно понимать, однако, что при этом нет никаких намерений ограничить раскрытие определенными изложенными примерами, но, напротив, целью является охватить все модификации, иные конструкции и эквиваленты, согласно духу и объему охраны изобретения, определяемого приложенной формулой.

Осуществление изобретения

Описанные здесь примеры осуществления не являются исчерпывающими или ограничивающими объем изобретения точной раскрытой формой или формами. Наоборот, последующие примеры осуществления описаны для того, чтобы наилучшим образом объяснить принципы изобретения и позволить специалистам его понять.

Обращаясь к чертежам, фиг.1 иллюстрирует один из многих возможных примеров конструкции 10 управляющего клапана, использующей бустеры в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 и, частично, фиг.2 изображен клапан 12, задающий проход 14, через который протекает текучая среда. Клапан 12 включает затвор 16 клапана, подвижно размещенный в корпусе 18 клапана 12. Корпус 18 перфорирован так, что через него может проходить текучая среда. Затвор 16 соединен со штоком 20 и может передвигаться между первым положением, показанным на фиг.2, в котором проход 14 открыт, и текучая среда может проходить через перфорацию в корпусе 18, и вторым положением, в котором затвор 16 сдвигается вниз и блокирует перфорацию в корпусе 18 таким образом, что текучая среда не может пройти через проход 14. Далее клапан 12 действует как дроссельный клапан, так что затвор 16 может размещаться между первым и вторым положением для управления потоком текучей среды через клапан 12.

Привод 24 расположен вплотную к клапану 12 и предназначен для передвижения клапана 12 между первым и вторым положением. Привод 24 включает цилиндр 26, в котором скользит шток 28 плунжера. Шток 28 плунжера соединен с плунжером 30 и хомутом 32 привода. Хомут 32 соединен со штоком 20 посредством соединителя 33 штока, так что когда двигается плунжер 30, таким же образом двигается затвор 16. Управляющий элемент 22 расположен вплотную к соединителю 33 штока и способен определять положение затвора 16.

Плунжер 30 скользит в камере 34 цилиндра 26. Плунжер 30 разделяет камеру 34 на верхнюю камеру 36 и нижнюю камеру 38, которые в целом герметично отделены друг от друга плунжером 30. Первый канал 40 позволяет впускать текучую среду в верхнюю камеру 36, а второй канал 42 позволяет впускать текучую среду в нижнюю камеру 38.

Как известно, чтобы закрыть проход 14 клапаном 12, в верхнюю камеру 36 через первый канал 40 может быть впущена текучая среда под давлением, а текучая среда в нижней камере 38 может быть выпущена через второй канал 42. Плунжер 30 и затвор 16 затем выталкиваются вниз, закрывая проход 14. Для открытия прохода 14 текучая среда под давлением вводится в нижнюю камеру 38 через второй канал 42, при этом текучая среда в верхней камере 36 может выпускаться через первый канал 40. Плунжер 30 и затвор 16 выталкиваются вверх, открывая проход 14.

Верхняя камера 36 сообщается по текучей среде с первым бустером 44 через первое соединение 46. Нижняя камера 38 сообщается по текучей среде со вторым бустером 48 через второе соединение 50. Соответственно текучая среда, подаваемая первым бустером 44, проходит через первое соединение 46 и первый канал 40 в верхнюю камеру 36. Таким же образом текучая среда, подаваемая вторым бустером 48, проходит через второе соединение 50 и второй канал 42 в нижнюю камеру 38. В этом примере первое и второе соединения 46, 50 являются ниппелями, но могут быть использованы и другие типы соединений, такие как гибкий или жесткий пластик. В этом описании термин «текучая среда» используется в инженерном смысле, и включает в себя, по меньшей мере, жидкости и газы.

Возвращаясь к фиг.1, главная подающая магистраль 52 соединена с регулятором 54 и подает в регулятор 54 текучую среду под давлением от источника давления, такого как воздушный компрессор. Регулятор 54 сообщается по текучей среде и подает текучую среду под давлением к первому бустеру 44, второму бустеру 48 и устройству 56 позиционирования через подающую магистраль 58 второго бустера, подающую магистраль 60 первого бустера и подающую магистраль 62 устройства позиционирования соответственно. В свою очередь эти подающие магистрали могут быть выполнены из металлических труб, жестких или гибких пластиковых труб и т.п. Регулятор 54 может регулировать давление текучей среды, подаваемой к этим составным частям.

Устройство 56 позиционирования электрически связано с центром 63 ввода. Устройство 56 позиционирования получает от центра 63 ввода команды на передвижение клапана 12 в желаемое положение, т.е. закрывающее положение, открывающее положение или в любое положение между ними. Устройство 56 позиционирования может быть электрически связано с управляющим элементом 22, и таким образом может определять положение затвора 16 в клапане 12. Устройство 56 позиционирования, выборочно используя первый и второй бустеры 44, 48, управляет движением клапана 12 описанным здесь способом.

Устройство 56 позиционирования сообщается по текучей среде с первым бустером 44 через первую выводную магистраль 64 и сообщается по текучей среде со вторым бустером 48 через вторую выводную магистраль 66. Устройство 56 позиционирования получает электрический командный входной сигнал от центра 63 ввода и преобразует этот электрический сигнал в пневматические сигналы. Устройство 56 позиционирования использует текучую среду под давлением из регулятора 54 для доставки первого пневматического сигнала через первую выводную магистраль 64 к первому бустеру 44 и второй пневматический сигнал через вторую выводную магистраль 66 ко второму бустеру 48.

Если командный входной сигнал побуждает устройство 56 позиционирования открыть клапан 12, при этом открытие не является экстренным, устройство 56 позиционирования подает текучую среду под давлением через второй бустер 48 в нижнюю камеру 38 привода 24, при этом устройство 56 позиционирования позволяет текучей среде под давлением пройти из верхней полости 36 через первый бустер 44 для выпуска в атмосферу или третий резервуар. Если командный входной сигнал побуждает клапан закрыться, происходит обратный процесс.

Как известно, если сигнал от центра ввода побуждает устройство 56 позиционирования срочно открыть клапан 12 в условиях броска давления, второй пневматический сигнал идет через второй бустер 48 к нижней камере 38. Второй сигнал также активирует второй бустер 48, как будет описано, таким образом, что большой объем текучей среды под давлением проходит через подающую магистраль 58 второго бустера через второй бустер 48 к нижней камере 38, таким образом срочно открывая клапан 12.

Как здесь подробно раскрыто, описанные первый и второй объемные бустеры 44, 48 имеют особенность, которую можно использовать в бустерной конструкции для ослабления или устранения вышеупомянутой динамической асимметрии. Бустеры 44, 48 могут сочетаться с другими объемными бустерами с целью введения в клапанную систему функциональной асимметрии для компенсации или противодействия динамической асимметрии, чтобы создать систему, работающую фактически симметрично.

Первый объемный бустер 44 показан в разрезе на фиг.3, а второй объемный бустер 48 показан в разрезе на фиг.4. Первый бустер 44, как правило, включает оболочку или корпус 100, снабженный входной или подающей камерой 102 и выводной камерой 104, сообщающимися друг с другом посредством подающего канала 106 в корпусе 100. Подающая камера 102 имеет с одной стороны подающее отверстие 108, открывающееся наружу корпуса 100. С внутренней стороны подающая камера 102 связана с подающим каналом 106. Выводная камера 104 сообщается с подающим каналом 106 с внутренней стороны выводной камеры 104 и открывается наружу корпуса 100 через выводное отверстие 110. В приведенном примере подающая камера 102 и подающее отверстие 108 сообщаются с регулятором 54 через подающую магистраль 58 второго бустера. Выводная полость 104 сообщается с приводом, таким как привод 24, описанный выше, через первое соединение 46.

Обходной ограничительный проход 112 сообщается с выводной камерой 104 и имеет регулировочный винт 114. Обходной регулировочный винт 114 может быть отрегулирован так, что позволяет малым объемам текучей среды проходить от устройства 56 позиционирования через первый бустер 44 к верхней полости 36 привода 24, как описано ниже, избегая ввода в действие объемного бустера. Большая разность давлений на первом бустере 44 приведет в действие бустер, как описано ниже.

Подающий клапан 116 расположен в подающей камере 102 и примыкает к подающему каналу 106. Подающий клапан 116 в этом примере выполнен единым целым на части штока 118 и относительно плотно сдвинут в закрывающее положение к гнезду 120 подающего канала 106 посредством пружины 122. Пружина 122 является просто предохранительной мерой для обеспечения того, что подающий клапан 116 останется закрытым, когда бустер не функционирует или при сбое в клапанной системе.

В этом примере в корпусе над камерами 102 и 104 и подающим каналом 106 выполнена полость 124. Первый выпускной канал 126 выполнен сообщающимся с участком выпускной камеры 128 полости 124 и с выводной камерой 104 ниже по потоку от подающего канала 106. Входной сигнальный канал 130 сообщается по текучей среде с подающей магистралью 58 второго бустера от устройства 56 позиционирования и с участком верхней сигнальной камеры 132 полости 124.

Обходной канал 133 обеспечивает сообщение по текучей среде между обходным проходом 112 и входным сигнальным каналом 130. Когда устройство позиционирования посылает текучую среду под давлением в первый бустер через входной сигнальный канал 130, чтобы закрыть клапан 12, текучая среда протекает в верхнюю сигнальную камеру 132 и через обходной канал 133. Если давление текучей среды недостаточно велико для того, чтобы привести в действие первый бустер 44, как будет здесь описано, текучая среда проходит через обходной канал 133 и обходной ограничительный проход 112 в выводную полость 104. Оттуда текучая среда идет в привод 24, чтобы закрыть клапан 12. Разумеется, так как первый бустер 44 не был приведен в действие, закрытие клапана 12 занимает достаточно долгое время.

Свободно перемещающаяся мембранная конструкция 134 расположена в полости 124, разделяет полость 124 на выпускную и сигнальную камеры 128 и 132 соответственно и функционирует в качестве дискового клапана. Мембранная конструкция 134 включает свободно перемещающийся патрубок 136, помещенный между парой мембран 138 и 140. Верхняя мембрана 138 называется измерительной мембраной и определяет сигнальную камеру 132. Нижняя мембрана 140 называется мембраной обратной связи и определяет выпускную камеру 128. Патрубок 136 имеет центральное отверстие 142 и набор радиальных проходов 144, радиально отходящих от него наружу. Радиальные проходы 144 сообщаются по текучей среде с кольцевым проходом 146, проходящим вокруг патрубка 136 между мембранами 138 и 140. Кольцевой проход 146 далее сообщается по текучей среде с выпускным отверстием 148, открывающимся в атмосферу снаружи корпуса 100.

Выпускной клапан 150 расположен на штоке 118 клапана напротив подающего клапана 116. Второй выпускной канал 152 выполнен в дне патрубка 136 и обеспечивает сообщение между выпускной камерой 128 и центральным отверстием 142 патрубка 136. Выпускной клапан 150 прилегает к гнезду 154, чтобы закрыть второй выпускной канал 152. Полость 156 пружины расположена над мембранной конструкцией 134 и вмещает пружину 158, сдвигающую свободно перемещающуюся конструкцию 134 вниз относительно выпускного клапана 150, чтобы закрыть второй выпускной канал 152. Когда выпускной клапан 150 закрыт, выпускная камера 128 не сообщается с выпускным отверстием 148. Когда он открыт, выводная камера 104 бустера сообщается по текучей среде с выпускным отверстием 148 через выпускную камеру 128 и мембранный патрубок 136.

На фиг.3 изображен второй бустер 48. В этом примере второй бустер 48 идентичен первому бустеру 44 за исключением упомянутых здесь различий. Второй бустер 48 включает выводную камеру 204 и полость 224 над выводной камерой 204. Полость 224 и выводная полость 204 соединены вторым выпускным каналом 226. Во втором бустере 48 площадь поперечного сечения второго выпускного канала 226 меньше, чем площадь поперечного сечения первого выпускного канала 126 первого бустера 44. Как будет видно, сопротивление выпускному потоку через первый бустер 44 меньше, чем сопротивление выпускному потоку через второй бустер 48.

Как обсуждалось выше и, в качестве примера, снова обращаясь к первому бустеру 44, устройство 56 позиционирования доставляет пневматический сигнал, преобразованный из электрических импульсов на основании положения привода 24. Пневматический сигнал доставляется к сигнальному каналу 130 и, таким образом, к сигнальной камере 132 бустера. Далее в подающей камере 102 регулятором 54 обеспечивается подача постоянного давления. Выводная камера 104 соединена с приводом 24.

Разность давлений на первом бустере 44 возникает между сигнальной камерой 132 и выпускной камерой 128 и, таким образом, выводной камерой 104 (через первый выпускной канал 126). Если разность давлений на бустере 44 незначительна, что определяется настройкой обхода бустера в соответствии с требованиями, каждый из клапанов 116 и 150 остается закрытым. Мембранная конструкция 134 будет находиться в неподвижном ненагруженном положении, при этом каждый из клапанов 116 и 150 прижат к соответствующему гнезду 120 и 154. Соответствующие пружины 122 и 158 содействуют сдвигу клапанов 116, 150, закрытых в условиях несущественной или нулевой разности давлений. Существенной разностью давлений является та, которая достаточно велика, чтобы подействовать на мембранную конструкцию 134 либо в верхнем, либо в нижнем направлении, и совместно сдвинуть подающий клапан 116 и выпускной клапан 150, так как каждый из них прикреплен к штоку 118.

В процессе функционирования условие положительной разности давлений выполняется, когда давление существенно больше в сигнальной камере 132 по сравнению с выводной камерой 104. Устройство 56 позиционирования доставляет сигнал под большим давлением к сигнальному каналу 130. Свободно перемещающуюся мембранную конструкцию 134 толкает вниз разность давлений на выпускном клапане 150, при этом второй выпускной канал 152 удерживается закрытым, а подающий клапан 116 открывается. Таким образом, первый бустер 44 доставляет объем воздуха под давлением в привод 24 из подающей камеры 102 через выводную камеру 104. Вывод бустера 44 также оказывает действие на мембранную конструкцию 134 через первый выпускной канал 126. Когда давление в выводной камере 104 поднимается до уровня давления в сигнальной камере 132, подающий клапан 116 поднимается и закрывается.

Когда давление в сигнальной камере 132 существенно меньше, чем в выводной камере 104, достигается отрицательная разность давлений. Например, устройство 56 позиционирования может подать корректирующий пневматический входной сигнал на сигнальный канал 130, который находится при сравнительно низком давлении. Свободно перемещающаяся мембранная конструкция 134 и шток 118 клапана поднимутся. Подающий клапан 116, если еще не закрыт, закроет подающий канал 106. После закрытия шток 118 и клапаны 116 и 150 не будут далее двигаться вверх. Обратное давление в выводной камере 104 сдвигает свободно перемещающуюся мембранную конструкцию 134 далее вверх против силы пружины 158 и открывает второй выпускной канал 152. Воздух в этом примере будет выпущен в атмосферу из выводной камеры 104 через выпускное отверстие 148.

Регулировочный винт 114 может быть отрегулирован для ограничения обхода, так что бустер будет приводиться в действие различными давлениями из устройства позиционирования. Например, если винт 114 почти полностью блокирует обход, малое давление из устройства позиционирования приведет в действие бустер, так как все давление будет приложено к верхней мембране 138 и будет толкать подающий клапан 116 вниз. Соответствующим образом, если винт 114 позволяет проходить через обход большому давлению, на верхнюю мембрану 138 будет оказываться меньшее давление, и бустер будет приводиться в действие при сравнительно более больших давлениях от устройства позиционирования.

В объемных бустерах такого типа выпускной объем ограничен размером выпускных каналов 126, 226, которые являются наиболее узкими или имеют наименьшие размеры из проходов, каналов или полостей вдоль выпускного пути. В соответствии с настоящим изобретением асимметрия в динамике привода была уменьшена или в основном убрана созданием асимметрии в выпускном объеме бустера. Это достигается тем, что первый выпускной канал 126 первого бустера 44 больше, чем второй выпускной канал 226 второго бустера 48. Таким образом, сопротивление потоку текучей среды больше во втором бустере 48 по сравнению с первым бустером 44. В одном примере второй бустер 48 может быть преобразован в первый бустер 44 посредством расточки или использованием другого способа для увеличения размера первого выпускного канала 126. Таким образом, достигается асимметрия в выпускном объеме бустера.

Когда нижняя камера 38 привода 24 наполняется, чтобы открыть проход 14, второй бустер 48 может быть использован для значительного увеличения скорости хода. Первый бустер 44 имеет больший первый выпускной канал 126 с целью обеспечения большего выпускного объема выпуска воздуха в верхней полости 36. Это может уменьшить торможение при открытии клапана. Величина торможения может контролироваться как количеством бустеров, подключенных к приводу, так и различием в размерах между выпускными каналами 126, 226 бустеров 44 и 48.

Когда верхняя камера 36 привода 24 наполняется, чтобы закрыть проход 14 можно использовать первый бустер 44 для увеличения скорости хода, но менее значительного. Второй бустер 48 обеспечивает меньшую пропускную способность для выпуска, и, таким образом, немного больший тормозящий эффект при закрывающем ходе, чем обеспечивает первый бустер 44 при открывающем ходе.

Различие размеров выпускных каналов 126 и 226 бустера можно использовать для противодействия внутренней асимметрии в динамике, создаваемой в больших объемных приводах и клапанных системах. Таким образом, когда система имеет асимметрию в работе, при которой закрывающий ход осуществляется быстрее, чем открывающий ход, первый и второй бустеры 44, 48 могут быть использованы для увеличения выпуска во время открывающего хода, так что может быть достигнут симметричный режим работы.

Привод, описанный в этом примере, необязательно должен быть приводом поршневого типа, но фактически может быть любым типом привода. Например, привод может представлять собой пружинно-мембранный тип привода. Более того, при необходимости в системе могут использоваться несколько объемных бустеров с каждой стороны привода. Предпочтительным может быть использование одинакового количества бустеров на каждой стороне привода для создания приблизительной симметрии при усилении и динамическом режиме работы во время каждого хода. Асимметрия в размерах выпуска бустеров, как здесь описано, может быть использована в одном или нескольких бустерах на каждой стороне привода для достижения необходимой компенсации асимметрии динамики. Далее для обеспечения асимметрии в функционировании бустеров 44, 48 могут быть использованы другие решения с целью противодействия асимметрии в работе. Это может включать любые решения, создающие различное сопротивление потоку, такие как использование одинаковых бустеров, но помещение регулятора на одной стороне для ограничения выпуска, или любого другого решения, внутреннего или внешнего по отношению к самим бустерам, которое влияло бы на сопротивление подачи или выпуска.

В показанном примере первый выпускной канал 126 и второй выпускной канал 226 показаны цилиндрическими и имеющими круглое поперечное сечение, причем первый выпускной канал 126 имеет диаметр больший, чем второй выпускной канал 226. Таким образом, сопротивление потоку текучей среды больше во втором бустере 48 по сравнению с первым бустером 44. Однако будет видно, что для увеличения или уменьшения потока текучей среды может быть создано любое количество объектов. Это включает помещение препятствия по пути выпускного канала, такого как щиток, запор, брус, отдушина, вентиляционное устройство или им подобные. Второй выпускной канал 226 может также включать неровные края для увеличения сопротивления потоку текучей среды. Это может включать резьбу в отверстии, создание многоугольного поперечного сечения и т.п. Специалисту в данной области техники будут известны другие препятствия и боковые стенки нерегулярной формы.

В ином варианте осуществления второго бустера 48 на фиг.5 изображен третий бустер 300, демонстрирующий другой способ увеличения сопротивления потоку текучей среды. Третий бустер 300 включает третий выпускной канал 326, который имеет большую длину по сравнению с первым выпускным каналом 126. И первый выпускной канал 126, и третий выпускной канал 326 имеют круглое поперечное сечение одинакового диаметра, однако длина третьего выпускного канала 326 больше, чем длина первого выпускного канала 126. Для дальнейшего увеличения сопротивления третий выпускной канал 326 может иметь изогнутую или извилистую форму. В данном примере объем третьей выводной камеры 304 уменьшен, но могут быть реализованы другие варианты, не уменьшающие объем третьей выводной камеры 304. В целом подходит любой вариант, ограничивающий выпускной поток текучей среды через второй бустер 48 (или третий бустер 300) относительно первого бустера 44.

В другом примере, изображенном на фиг.6, вместо того, чтобы ограничивать выпускной путь для создания асимметрии, в подающих путях двух бустеров может быть асимметричным сопротивление течению воздуха. С этой целью поперечное сечение подающего канала 106а в первом бустере 44 может быть меньше, чем у подающего канала 206 второго бустера 48. В этом примере с внутренней асимметрией борются посредством подачи текучей среды в привод 24 с большим массовым расходом через второй бустер по сравнению с первым. Разумеется, в дополнение к подающим каналам, выпускные каналы могут также регулироваться.

В еще одном способе управления потоком через первый бустер 44 конструкция подающего клапана 116 может быть изменена. Форма подающего клапана 116, как показано на фиг.3, является конической. Вместо этого, как показано на фиг.7, подающий клапан 116а может иметь колоколообразную форму, чтобы дополнительно ограничить поток текучей среды через подающий канал 106 при малых значениях. В отличие от этого, как показано на фиг.8, подающему клапану 216а второго бустера 48 может быть придана форма плоской пластины для увеличения потока.

На фиг.9 и 10 проиллюстрирован пример системы и вывода системы, который может быть достигнут путем использования конструкции объемного бустера с ассиметричным режимом работы, описанной здесь. Сплошные линии на каждом графике представляют собой теоретически идеальную симметрию. Пунктирные линии представляют реальную протестированную ситуацию для различных конструкций.

Фиг.9 иллюстрирует пример скорости хода для одного цикла перемещения в различных комбинациях бустера/привода/размера клапана. На каждом графике видно, что 100% хода может быть достигнуто в течение приблизительно одной секунды и менее, чем за две секунды. Каждый тест использует конструкцию с четырьмя объемными бустерами, по два объемных бустера на каждой стороне привода.

Фиг.10 иллюстрирует то, что в длинных циклах хода и обратного хода может быть достигнута существенная динамическая симметрия при использовании описанной бустерной конструкции. На левой оси на каждом графике отложены проценты полного перемещения. На нижней оси на каждом графике отложено прошедшее время. На этих графиках показаны длинные циклы хода и обратного хода, и проиллюстрирована существенная симметрия в работе клапана, достигаемая при использовании описываемой конструкции 10.

На фиг.11 изображен другой пример, в котором асимметричная конструкция используется в пружинно-мембранном приводе 500. Привод 500 прикреплен к клапану 502 сходно с предыдущими примерами. Привод включает корпус 504, в котором размещена мембрана 506. Мембрана 506 соединена с хомутом 508 привода, который соединен с клапаном 502. Мембрана 506 и корпус 504 задают верхнюю камеру 510. Давление текучей среды в верхней камере 510 толкает мембрану 506 и, следовательно, хомут 508 и клапан 502 вниз. Когда давление текучей среды в верхней камере 510 понижается, пружина 512 толкает мембрану 506 обратно вверх. Как можно видеть, для толкания мембраны 506 вверх давление воздуха не используется. Таким образом, в работе привода 500 при помощи одной этой конструкции может быть создан асимметричный отклик.

В данном примере устройство 514 позиционирования подает текучую среду одновременно к первому бустеру 516 и второму бустеру 518. Первый и второй бустеры 516, 518 сообщаются по текучей среде с верхней камерой 510 привода 500. Только первый бустер 516 соединен с источником текучей среды под давлением через магистраль 520 таким образом, что, когда сигнал от устройства 514 позиционирования приводит в действие бустеры 516, 518, только первый бустер 516 подает текучую среду под большим давлением в верхнюю камеру 510 привода 500. Однако, когда сигнал от устройства 514 позиционирования прекращается, сила пружины 512 толкает мембрану 506 вверх, и текучая среда под давлением в верхней камере 510 выпускается через оба, первый и второй бустеры 516, 518. Объем потока через первый и второй бустеры 516, 518 может управляться, как описано выше, например, увеличением или уменьшением либо пути подачи текучей среды, либо пути выпуска текучей среды. Как правило, путь подачи текучей среды ограничивается по отношению к пути выпуска текучей среды. Например, путь подачи текучей среды в первом бустере 516 может иметь суженный участок подачи, а первый путь выпуска текучей среды в первом бустере и второй путь выпуска текучей среды во втором бустере могут иметь первый и второй суженный участок выпуска. Суженный участок подачи может иметь меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с общей площадью поперечных сечений первого и второго суженного участка выпуска. Могут также быть использованы другие способы. Таким образом, в работе пружинно-мембранного привода 500 может быть достигнута динамическая симметрия.

Описанные выше детали на различных чертежах необязательно являются взаимно исключающими. То есть, в соответствии с духом и объемом описанных вариантов изобретения, можно отобрать и выбрать различные аспекты нескольких чертежей и скомбинировать эти выбранные аспекты с другими выбранными аспектами, проиллюстрированными и описанными со ссылкой на разные чертежи.

Многочисленные модификации и иные варианты осуществления изобретения будут очевидны любому специалисту в данной области техники в свете приведенного описания. Соответственно описание нужно рассматривать только в качестве иллюстрации, с целью донесения до специалиста в данной области техники наилучшего способа или способов осуществления изобретения. Детали структуры или структур могут значительно изменяться без отклонения от духа изобретения, и исключительное использование всех модификаций, подпадающих под объем охраны, определенный в формуле изобретения, либо буквально, либо по принципу эквивалентности оговорено заранее.

Claims (25)

1. Конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая:
привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении;
первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода, при этом первый выпускной проход выполнен с возможностью создания первого сопротивления потоку текучей среды; и
второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй подающий проход и второй выпускной проход, причем второй подающий проход подает текучую среду к приводу, а второй выпускной проход отводит текучую среду от привода, при этом второй выпускной проход выполнен с возможностью создания второго сопротивления потоку текучей среды;
причем первое сопротивление потоку текучей среды больше, чем второе сопротивление потоку текучей среды, так что привод передвигается по существу симметрично в первом направлении и во втором направлении.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что первый выпускной проход включает первый суженный участок, а второй выпускной проход включает второй суженный участок, при этом первый суженный участок имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению со вторым суженным участком.

3. Конструкция по п.2, отличающаяся тем, что первый суженный участок и второй суженный участок имеют круглое поперечное сечение, причем первый суженный участок имеет меньший диаметр по сравнению со вторым суженным участком.

4. Конструкция по п.2, отличающаяся тем, что первый суженный участок имеет неровные края для увеличения сопротивления потоку первого выпускного прохода.

5. Конструкция по п.2, отличающаяся тем, что первый суженный участок включает преграждающий элемент, расположенный в первом выпускном проходе.

6. Конструкция по п.5, отличающаяся тем, что преграждающий элемент представляет собой щиток, запор, брус, отдушину или вентиляционное устройство.

7. Конструкция по п.2, отличающаяся тем, что первый выпускной проход включает первую выводную камеру, первый выпускной канал, первую выпускную камеру, первый патрубок с проходами и первое выпускное отверстие, а второй выпускной проход включает вторую выводную камеру, второй выпускной канал, вторую выпускную камеру, второй патрубок с проходами и второе выпускное отверстие, при этом первый выпускной канал образует первый суженный участок, а второй выпускной канал образует второй суженный участок.

8. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что первый бустер дополнительно содержит первый сигнальный канал, а второй бустер дополнительно содержит второй сигнальный канал, при этом, когда давление воздуха в первой выводной камере больше, чем в первом сигнальном канале, оно толкает первый патрубок вверх, таким образом открывая первый выпускной проход при поддержании первого подающего прохода закрытым, а когда давление воздуха во второй выводной камере больше, чем во втором сигнальном канале, оно толкает второй патрубок вверх, таким образом открывая второй выпускной проход при поддержании второго подающего прохода закрытым.

9. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что привод содержит плунжер, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении, при этом первый бустер выполнен с возможностью подачи текучей среды к приводу для передвижения плунжера в первом направлении, а второй бустер выполнен с возможностью подачи текучей среды к приводу для передвижения плунжера во втором направлении, при этом сопротивление потоку текучей среды от привода через первый бустер больше по сравнению с сопротивлением потоку текучей среды от привода через второй бустер, так что конструкция обеспечивает по существу симметричный рабочий режим.

10. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство позиционирования, первую магистраль от устройства позиционирования к первому бустеру и вторую магистраль от устройства позиционирования ко второму бустеру, при этом устройство позиционирования выборочно подает сигналы первому и второму бустеру посредством текучей среды под давлением через первую и вторую магистрали, первый и второй сигнал, соответственно, причем первый сигнал доставляется медленнее, чем второй сигнал.

11. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что первый выпускной проход длиннее по сравнению со вторым выпускным проходом.

12. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что первый выпускной проход имеет площадь поперечного сечения, сравнимую с площадью поперечного сечения второго выпускного прохода.

13. Конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая;
привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении;
первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода;
первое управляющее средство, связанное с первым бустером, для управления потоком текучей среды между первым бустером и приводом;
второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй подающий проход и второй выпускной проход, причем второй подающий проход подает текучую среду к приводу, а второй выпускной проход отводит текучую среду от привода;
второе управляющее средство, связанное со вторым бустером, для управления потоком текучей среды между вторым бустером и приводом;
причем первое управляющее средство имеет большее сопротивление потоку текучей среды по сравнению со вторым управляющим средством, при этом первое управляющее средство и второе управляющее средство взаимодействуют для передвижения привода по существу симметрично в первом и во втором направлениях.

14. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что первое управляющее средство представляет собой первый суженный участок, а второе управляющее средство представляет собой второй суженный участок, причем первый суженный участок имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению со вторым суженным участком.

15. Конструкция по п.14, отличающаяся тем, что первый суженный участок расположен в первом подающем проходе, а второй суженный участок расположен во втором подающем проходе.

16. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что первый выпускной проход длиннее второго выпускного прохода.

17. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что первое управляющее средство включает затвор клапана в первом подающем проходе, при этом затвор клапана имеет колоколообразную форму.

18. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что второе управляющее средство включает затвор клапана во втором подающем проходе, при этом затвор клапана имеет форму плоской пластины.

19. Конструкция по п.13, отличающаяся тем, что первое управляющее средство включает элемент, блокирующий поток текучей среды через первый выпускной проход или второй выпускной проход.

20. Конструкция объемного бустера с асимметричным режимом потока, содержащая:
привод, передвигаемый в первом направлении и во втором направлении;
первый бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий первый подающий проход и первый выпускной проход, причем первый подающий проход подает текучую среду к приводу, а первый выпускной проход отводит текучую среду от привода;
второй бустер, сообщающийся по текучей среде с приводом, включающий второй выпускной проход, который отводит текучую среду от привода;
при этом комбинация первого и второго выпускных проходов имеет меньшее сопротивление потоку текучей среды по сравнению с первым подающим проходом, так что обеспечивается динамическая симметрия функционирования привода.

21. Конструкция по п.20, отличающаяся тем, что привод содержит корпус и мембрану, расположенную в корпусе и разделяющую корпус на верхнюю камеру и нижнюю камеру, смещаемую в первом направлении к нижней камере и во втором направлении к верхней камере, и пружину, расположенную в нижней камере и сдвигающую мембрану по направлению от нижней камеры, при этом первый бустер подает текучую среду в верхнюю камеру для смещения мембраны в первом направлении, а пружина смещает мембрану во втором направлении при выпуске текучей среды в верхней камере.

22. Конструкция по п.20, отличающаяся тем, что первый подающий проход включает первый суженный участок, а первый и второй выпускные проходы включают второй и третий суженные участки, соответственно, причем первый суженный участок имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с общей площадью поперечного сечения второго и третьего суженных участков.

23. Конструкция по п.22, отличающаяся тем, что первый, второй и третий суженные участки имеют круглое поперечное сечение.

24. Конструкция по п.22, отличающаяся тем, что первый суженный участок имеет неровные края для увеличения сопротивления потоку.

25. Конструкция по п.22, отличающаяся тем, что первый суженный участок включает преграждающий элемент, расположенный в первом подающем проходе.

Images