Клапан управления расходом, содержащий устройство преобразования движения - RU2708172C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству преобразования движения для использования на клапанах управления расходом и содержит цилиндры двухстороннего действия, выполненные с возможностью перемещения вдоль различных осей. Настоящее изобретение также относится к клапану управления расходом, содержащему устройство преобразования движения для перемещения запорного элемента между открытым и закрытым положениями, а также к способу открытия и закрытия клапана.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В коммерческих и промышленных процессах используют систему клапанов управления для управления расходом технологической текучей среды в технологической установке. Как правило, требуется, чтобы исполнительные механизмы многих технологических клапанов управления, включая внутренние клапаны с резьбовым соединением, регуляторы или другие устройства управления, позиционировали элемент управления расходом внутри клапана в требуемом положении. Элемент управления, в свою очередь, управляет расходом технологической текучей среды через клапан. Во многих вариантах применения исполнительный механизм устанавливают непосредственно в корпус клапана и соединяют с штоком клапана, а шток клапана функционально соединен с элементом управления расходом. В зависимости от типа клапана исполнительный механизм клапана либо поворачивает шток клапана, либо перемещает шток клапана в линейном направлении.

[0003] В различных вариантах применения задача конструкторов клапанов может состоять в преобразовании одного типа движения в другой тип движения. Например, в некоторых вариантах применения требуется преобразование поступательного перемещения в одном направлении в поступательное перемещение в другом направлении. Примером одного такого варианта применения является клапан осевого течения, в котором перемещение, созданное с помощью источника энергии, который является внешним по отношению к проточному каналу, требуется преобразовать в осевое перемещение компонента, расположенного внутри проточного канала. В данной области техники известны и другие примеры.

[0004] На фиг. 1 показан пример известного клапана 100 осевого течения. Клапан 100 осевого течения содержит проточный канал 110, проходящий через корпус 120 клапана. Запорный элемент 130 расположен внутри проточного канала 110 для выборочного открывания и закрывания проточного канала 110. Запорный элемент 130 выполнен с возможностью перемещения вдоль центральной оси проточного канала 110 между закрытым положением, в котором не допускают протекания текучей среды через проточный канал 110, и открытым положением, в котором обеспечивают протекание текучей среды через проточный канал 110. Осевое перемещение запорного элемента 130 обеспечивают путем взаимодействия приводной линейной рейки 140 и ведомой линейной рейки 150, расположенной внутри проточного канала 110. Оболочка 154 защищает приводную рейку 140 и ведомую линейную рейку 150 от текучей среды, протекающей через проточный канал 110. Приводную рейку 140 перемещают с помощью линейного исполнительного механизма (не показан), который является внешним по отношению к проточному каналу 110. Зубья 160 шестерни приводной рейки 140 входят в зацепление с зубьями 170 шестерни ведомой линейной рейки 150. Линейное движение приводной рейки 140 приводит к перемещению ведомой линейной рейки 150 вдоль осевого направления.

[0005] Для позиционирования запорного элемента 130 в открытом положении по фиг. 1 требуется перемещение заднего конца 175 ведомой линейной рейки 150 в направлении от приводной рейки 140. Для вмещения заднего конца 175 ведомой линейной рейки 150 в этом положении необходим увеличенный задний конец 180 оболочки 155. Применение увеличенного заднего конца 180 оболочки 155 влияет на протекание текучей среды в проточном канале 110 и обуславливает увеличение затрат и сложности изготовления оболочки 155 и/или корпуса 120 клапана. Кроме того, в случае применения конструкции, показанного на фиг. 1, возникают потери движения вдоль оси на рейках 160, 170, а трение, создаваемое в этой конструкции, обуславливает необходимость применения более крупногабаритных линейных исполнительных механизмов. В связи с этим, для достижения требуемой длины перемещения запорного элемента 130 длины реек 140, 150 увеличивают. Вследствие этого дополнительно увеличиваются размеры оболочки 155 и корпуса 120 клапана.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В соответствии с первым иллюстративным аспектом корпус клапана содержит проточный канал, а запорный элемент выполнен с возможностью перемещения между закрытым положением, в котором текучая среда не протекает через проточный канал, и открытым положением, в котором текучая среда протекает через проточный канал. Корпус клапана содержит первый канал, второй канал и третий канал, которые образуют замкнутый контур, выполненный с возможностью приема текучей среды. Первый цилиндр двухстороннего действия находится в первом канале и выполнен с возможностью перемещения вдоль первой оси, а второй цилиндр двухстороннего действия находится во втором канале и выполнен с возможностью перемещения вдоль второй оси, причем второй цилиндр двухстороннего действия функционально соединен с запорным элементом. Первая и вторая оси расположены под углом друг к другу. Замкнутый контур текучей среды выполнен таким образом, что перемещение первого цилиндра двухстороннего действия вдоль первой оси вызывает перемещение второго цилиндра двухстороннего действия вдоль второй оси, в результате чего происходит перемещение запорного элемента между закрытым положением и открытым положением.

[0007] В соответствии со вторым иллюстративным аспектом устройство преобразования движения для использования с клапаном управления содержит корпус, содержащий первый канал, второй канал и третий канал, которые образуют замкнутый контур текучей среды, выполненный с возможностью приема текучей среды. Первый цилиндр двухстороннего действия выполнен с возможностью перемещения внутри первого канала вдоль первой оси, а второй цилиндр двухстороннего действия выполнен с возможностью перемещения внутри второго канала вдоль второй оси, причем первая ось расположена под углом относительно второй оси. Исполнительный механизм выполнен с возможностью перемещения первого цилиндра двухстороннего действия вдоль первой оси для гидравлического или пневматического толкания второго цилиндра двухстороннего действия вдоль второй оси, а каналы и цилиндры замкнутого контура текучей среды выполнены таким образом, что перемещение первого цилиндра двухстороннего действия вдоль первой оси вызывает перемещение второго цилиндра двухстороннего действия вдоль второй оси.

[0008] Согласно третьему иллюстративному аспекту способ открытия и закрытия клапана включает обеспечение клапана, содержащего проточный канал и запорный элемент, обеспечение замкнутого контура текучей среды, который включает первый канал и второй канал, причем первый и второй каналы расположены под углом по отношению друг к другу, с размещением первого цилиндра двухстороннего действия в первом канале и размещением второго цилиндра двухстороннего действия во втором канале. Способ включает функциональное соединение второго цилиндра двухстороннего действия с запорным элементом, перемещение первого цилиндра двустороннего действия под действием давления текучей среды в одном направлении вдоль первой оси для толкания второго цилиндра двухстороннего действия в первом направлении вдоль второй оси, в результате чего происходит перемещение запорного элемента в первом направлении вдоль второй оси, и перемещение первого цилиндра двухстороннего действия под действием давления текучей среды в другом направлении вдоль первой оси для толкания второго цилиндра двухстороннего действия во втором направлении, противоположном первому направлению, в результате чего происходит перемещение запорного элемента во втором направлении вдоль второй оси.

[0009] Кроме того, согласно любому одному или большему количеству из вышеизложенных первого, второго или третьего аспектов клапан, устройство преобразования движения и/или способ могут дополнительно включать в себя любую одну или большее количество из следующих предпочтительных форм.

[0010] В одной предпочтительной форме клапан может содержать первый цилиндр двухстороннего действия, содержащий первый шток и первый поршень, причем первый шток проходит через закрытый конец первого канала, а первый поршень с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью первого канала. Второй цилиндр двухстороннего действия может содержать второй шток и второй поршень, причем второй шток проходит через закрытый конец второго канала и соединен с запорным элементом, а второй поршень с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью второго канала.

[0011] В другой предпочтительной форме первая торцевая поверхность первого поршня может быть выполнена с возможностью проталкивания жидкости или газа через первый и второй каналы к первой торцевой поверхности второго поршня для перемещения второго цилиндра двухстороннего действия в направлении от первого канала и, таким образом, перемещения запорного элемента в закрытое положение. Вторая торцевая поверхность первого поршня может быть выполнена с возможностью проталкивания жидкости или газа через первый, второй и третий каналы ко второй торцевой поверхности второго поршня для перемещения второго цилиндра двухстороннего действия в направлении первого канала и, таким образом, перемещения запорного элемента в открытое положение.

[0012] В другой предпочтительной форме первый конец третьего канала может быть открыт в часть первого канала, ограниченную первым поршнем и закрытым концом первого канала, а второй конец третьего канала может быть открыт в часть второго канала, ограниченную вторым поршнем и закрытым концом второго канала.

[0013] В другой предпочтительной форме клапан может содержать первое уплотнительное кольцо, расположенное в первой кольцевой канавке в первом поршне для уплотнительного взаимодействия первого поршня с периферической поверхностью первого канала. Клапан может содержать второе уплотнительное кольцо, расположенное во второй кольцевой канавке во втором поршне для уплотнительного взаимодействия второго поршня с периферической поверхностью второго канала.

[0014] В другой предпочтительной форме диаметр первой головки может быть равен диаметру второй головки.

[0015] В другой предпочтительной форме расстояние, проходимое первым цилиндром двухстороннего действия вдоль первой оси, может быть равным расстоянию, которое проходит второй цилиндр двухстороннего действия вдоль второй оси, таким образом, величины перемещения первого и второго цилиндров двухстороннего действия соотносятся как 1:1.

[0016] В другой предпочтительной форме клапан может содержать исполнительный механизм, выполненный с возможностью перемещения первого цилиндра двухстороннего действия вперед и назад вдоль первой оси.

[0017] В другой предпочтительной форме клапан может содержать оболочку, расположенную в проточном канале таким образом, что жидкость или газ в проточном канале протекают вокруг оболочки. Первый, второй и третий каналы могут находиться внутри оболочки.

[0018] В другой предпочтительной форме второй канал может быть соосным с проточным каналом.

[0019] В другой предпочтительной форме первый цилиндр двухстороннего действия может содержать первый шток и второй поршень, причем первый шток проходит через закрытый конец первого канала и соединен с исполнительным механизмом, а первый поршень с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью первого канала. Второй цилиндр двухстороннего действия может содержать второй шток и второй поршень, причем второй шток проходит через закрытый конец второго канала, а второй поршень с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью второго канала.

[0020] В другой предпочтительной форме первая торцевая поверхность первого поршня может быть выполнена с возможностью проталкивания жидкости или газа через первый и второй каналы к первой торцевой поверхности второго поршня для перемещения второго цилиндра двухстороннего действия в направлении от первого канала. Вторая торцевая поверхность первого поршня может быть выполнена с возможностью проталкивания жидкости или газа через первый, второй и третий каналы в направлении второй торцевой поверхности второго поршня для перемещения второго цилиндра двухстороннего действия в направлении первого канала.

[0021] В другой предпочтительной форме первый конец третьего канала может быть открыт в часть первого канала, ограниченную первым поршнем и закрытым концом первого канала, а второй конец третьего канала может быть открыт в часть второго канала, ограниченную вторым поршнем и закрытым концом второго канала.

[0022] В другой предпочтительной форме диаметр первого поршня может быть равен диаметру второго поршня.

[0023] В другой предпочтительной форме расстояние, проходимое первым цилиндром двухстороннего действия вдоль первой оси, может быть равным расстоянию, которое проходит второй цилиндр двухстороннего действия вдоль второй оси, таким образом, величины перемещения первого и второго цилиндров двухстороннего действия соотносятся как 1:1.

[0024] В другой предпочтительной форме первая ось может быть ортогональна второй оси.

[0025] В другой предпочтительной форме клапан может содержать третий канал, обеспечивающий сообщение по текучей среде между первым каналом и вторым каналом, а первый, второй и третий каналы могут образовывать замкнутый контур.

[0026] В другой предпочтительной форме диаметр первого поршня отличается от диаметра второго поршня, таким образом, что расстояние, проходимое первым цилиндром двухстороннего действия вдоль первой оси, отличается от расстояния, проходимого вторым цилиндром двухстороннего действия вдоль второй оси, а соотношение величин перемещения первого и второго цилиндров двухстороннего действия является обратно пропорциональным соотношению диаметров первого и второго поршней.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0027] На фиг. 1 приведен вид в поперечном разрезе известного клапана 100 осевого течения, содержащего приводную рейку 140.

[0028] На фиг. 2А показано устройство 200 преобразования движения во время выполнения операции опускания плунжера.

[0029] На фиг. 2В показано устройство 200 преобразования движения во время осуществления операции поднимания плунжера.

[0030] На фиг. 3 представлен вид в разрезе клапана 300 осевого течения, содержащего два цилиндра 320, 330 двухстороннего действия для открытия и закрытия клапана 300 осевого течения.

[0031] На фиг. 4А приведен вид в поперечном разрезе клапана 300 осевого течения по фиг. 3 в начале осуществления операции опускания плунжера для закрытия клапана 300 осевого течения.

[0032] На фиг. 4В приведен вид в поперечном разрезе клапана 300 осевого течения по фиг. 3 в начале осуществления операции поднимания плунжера для открытия клапана 300 осевого течения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0033] На фиг. 2А и 2В изображено устройство 200 преобразования движения согласно примеру осуществления. Устройство 200 преобразования движения преобразует поступательное перемещение вдоль первой оси А1 в поступательное перемещение вдоль второй оси А2. Устройство 200 преобразования движения содержит корпус 210 с первым каналом 212, вторым каналом 214 и третьим каналом 216. Каналы 212, 214 и 216 соединены друг с другом по текучей среде и образуют замкнутый контур. Первый цилиндр 220 двухстороннего действия расположен в первом канале 212, а второй цилиндр 230 двухстороннего действия расположен во втором канале 214. Первый цилиндр 220 двухстороннего действия перемещают вдоль первой оси A1, а второй цилиндр 230 двухстороннего действия перемещают вдоль второй оси A2. Первый цилиндр 220 двухстороннего действия приводят в движение вдоль первой оси A1 с помощью исполнительного механизма 240. Первый, второй и третий каналы 212, 214 и 216 заполняют жидкостью (например, гидравлической жидкостью) или газом. Первый цилиндр 220 двухстороннего действия действует в качестве плунжера, который давит жидкостью или газом на второй цилиндр 230 двухстороннего действия, в результате чего второй цилиндр 230 двухстороннего действия перемещается вдоль второй оси А2.

[0034] Первый цилиндр 220 двухстороннего действия содержит первый шток 222, выровненный вдоль первой оси A1, и первый поршень 224. Первый шток 222 и первый поршень 224 могут быть выполнены в виде одной детали или в виде отдельных компонентов, скрепленных, например, с помощью резьбового соединения. Первый поршень 224 может иметь цилиндрическую форму и может иметь диаметр D1. Поршень 224 содержит первую и вторую торцевые поверхности 226, 228, обращенные в противоположных направлениях. Первая торцевая поверхность 226 толкает жидкость или газ в первом канале 212, когда первый цилиндр 220 двухстороннего действия приводят в движение с помощью линейного исполнительного механизма 240 в направлении вниз, как показано на фиг. 2A. Вторая торцевая поверхность 228 первого поршня 224 толкает жидкость или газ в первом канале 212, когда первый цилиндр 220 двухстороннего действия приводят в движение с помощью линейного исполнительного механизма 240 в направлении вверх, как показано на фиг. 2B. Цилиндр 220 представляет собой цилиндр двухстороннего действия, поскольку для толкания жидкости или газа в первом канале 212 в противоположных направлениях используют первую и вторую торцевые поверхности 226, 228 цилиндра 220.

[0035] Первый поршень 224 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 242 первого канала 212. Этого достигают, например, с помощью уплотнительного кольца 244, надетого поверх периферической поверхности 246 первого поршня 224. Периферическая поверхность 246 может содержать кольцевую канавку для удержания уплотнительного кольца 244. В одном варианте осуществления первый поршень 224 содержит множество уплотнительных колец 244, расположенных в множестве соответствующих кольцевых канавок. Уплотнительное кольцо 244 препятствует прохождению жидкости или газа вокруг первого поршня 224. Это позволяет создавать с помощью первого поршня 224 положительное давление с одной стороны первого поршня 224 и отрицательное давление с другой стороны первого поршня 224 и наоборот.

[0036] Второй цилиндр 230 двухстороннего действия является аналогичным первому цилиндру 220 двухстороннего действия. Второй цилиндр 230 двухстороннего действия содержит первый шток 232, выровненный вдоль второй оси A2, и второй поршень 234. Первый шток 232 и второй поршень 234 могут быть прикреплены, например, с помощью резьбового соединения, или они могут быть выполнены как одна деталь в виде цельной конструкции. Второй поршень 234 может иметь цилиндрическую форму и может иметь диаметр D2. Противоположные концы второго поршня 234 содержат первую и вторую торцевые поверхности 236, 238. Жидкость или газ толкает первую торцевую поверхность 236 по второму каналу 214, когда первый цилиндр 230 двухстороннего действия приводят в движение в направлении вниз, как показано на фиг. 2A. Жидкость или газ толкает вторую торцевую поверхность 238 по второму каналу 214, когда первый цилиндр 230 двухстороннего действия приводят в движение в направлении вверх таким образом, как показано на фиг. 2B. Первый цилиндр 230 двухстороннего действия представляет собой цилиндр двухстороннего действия, поскольку первая и вторая торцевые поверхности 236, 238 позволяют толкать первый цилиндр 230 двухстороннего действия в противоположных направлениях.

[0037] Второй поршень 234 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 252 второго канала 214. Уплотнительное кольцо 254 может быть установлено таким образом, что второй поршень 234 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 252 второго канала 214. Уплотнительное кольцо 254 может быть расположено в кольцевой канавке на периферической поверхности 256 второго поршня 234. В одном варианте осуществления второй поршень 234 содержит множество кольцевых канавок, каждая из которых содержит соответствующее уплотнительное кольцо 254. Уплотнительное кольцо препятствует прохождению жидкости или газа вокруг второго поршня 234 и, таким образом, позволяет создавать перепад давления на втором поршне 234.

[0038] Первый, второй и третий каналы 212, 214, 216, показанные на фиг. 2А и 2В, выполняют путем механической обработки или отливки блока материала (т. е. корпуса 210). В одном варианте осуществления каналы 212, 214, 216 формируют в отдельных компонентах. Первый канал 212 содержит закрытый конец 260 и открытый конец 262. Закрытый конец 260 может быть образован частью корпуса 210 или пробкой 264, расположенной на конце первого канала 212, как показано на фиг. 2А и 2В. Первый шток 222 первого цилиндра 220 двухстороннего действия проходит через отверстие в закрытом конце 260 первого канала 212. Для уплотнения первого штока 222 и отверстия в закрытом конце 260 может быть предусмотрено уплотнительное кольцо или другое уплотнительное устройство (не показано). Открытый конец 262 первого канала 212 соединяет по текучей среде первый канал 212 со вторым каналом 214. Открытый конец 262 первого канала 212 может быть открыт непосредственно во второй канал 214, как показано на фиг. 2А и 2В, или может быть соединен каналом для текучей среды со вторым каналом 212.

[0039] Второй канал 214 содержит закрытый конец 270 и открытый конец 272. Как показано на фиг. 2А и 2В, закрытый конец 270 второго канала 214 может быть образован частью корпуса 210 или пробкой 274, расположенной во втором канале 214. Второй шток 232 второго цилиндра 230 двухстороннего действия проходит через отверстие в закрытом конце 270 второго канала 214. Второй шток 232 может взаимодействовать с уплотнением с закрытым концом 270 посредством уплотнительного кольца или другого уплотнительного устройства (не показано). Открытый конец 262 второго канала 214 соединяет второй канал 214 по текучей среде с первым каналом 212. Открытый конец 272 первого канала 212 может быть открыт непосредственно в первый канал 212, как показано на фиг. 2А и 2В, или может быть соединен гидравлическим каналом (не показан) с первым каналом 212.

[0040] Третий канал 216 содержит первый открытый конец 280, соединенный по текучей среде с первым каналом 212, и второй открытый конец 282, соединенный по текучей среде со вторым каналом 214. Как видно на фиг. 2А и 2В, первый и второй открытые концы 280, 282 открыты непосредственно в первый и второй каналы 212, 214, соответственно. В одном варианте осуществления первый и второй открытые концы 280, 282 могут быть соединены через соответствующие гидравлические каналы с первым и вторым каналами 212, 214. Третий канал 216 соединяет по текучей среде часть первого канала 212, ограниченную закрытым концом 260 и первым поршнем 224, и часть второго канала 214, ограниченную закрытым концом 270 и вторым поршнем 234.

[0041] Первый канал 212 проходит вдоль первой оси А1 и направляет первый цилиндр 220 двухстороннего действия вдоль первой оси А1. Второй канал 214 проходит вдоль второй оси А2 и, таким образом, направляет второй цилиндр 230 двухстороннего действия вдоль второй оси А2. Первая и вторая оси A1 и A2 образуют угол α. Первая и вторая оси A1 и A2, показанные на фиг. 2A и 2B, являются взаимно ортогональными, таким образом, угол α равен приблизительно (например, ± 10%) 90 градусов. Угол α может быть любым углом от 0 до 180 градусов. Первый и второй поршни 220, 230 двухстороннего действия действуют по существу одинаково независимо от угла α. Соответственно, устройство 200 преобразования движения может быть реализовано во множестве различных вариантов применения, имеющих различные размерные ограничения.

[0042] Отводной клапан 286 предусмотрен для сброса давления в первом, втором и/или третьем каналах 212, 214, 216. Отводной клапан 286 может обеспечивать возможность удаления загрязняющего газа, захваченного в первый, второй и/или третий каналы 212, 214, 216. Хотя на фиг. 2А и 2В показан одиночный отводной клапан 286, прикрепленный к первому каналу 212, для вентилирования различных частей каналов 212, 214, 216 может быть предусмотрено множество отводных клапанов.

[0043] Линейный исполнительный механизм 240 обеспечивает усилие, необходимое для перемещения первого цилиндра 220 двухстороннего действия вперед и назад вдоль первой оси А1. Линейный исполнительный механизм 240 содержит шток 241 исполнительного механизма, который соединен с возможностью снятия с первым штоком 222 посредством соединителя 245 (например, резьбовой муфты). Линейный исполнительный механизм 240 может содержать устройство для механизации, например, электродвигатель. Программируемый контроллер может быть подключен к электродвигателю для управления выходом линейного исполнительного механизма 240 и, таким образом, может управлять положением первого цилиндра 220 двухстороннего действия. В одном варианте осуществления линейный исполнительный механизм 240 представляет собой рукоятку, выполненную с возможностью ручного управления, осуществляемого пользователем. Линейный исполнительный механизм 240 может быть частично (или полностью) расположен внутри первого канала 212 или линейный исполнительный механизм 240 может быть расположен снаружи первого канала 212, как показано на фиг. 2А и 2В.

[0044] В одном варианте осуществления линейный исполнительный механизм 240 может представлять собой мембранно-пружинный исполнительный механизм, в котором усилие гидравлического давления внутри кожуха 243 давит на мембрану (не показана) для противодействия силе смещения, создаваемой пружиной (не показана). Линейный исполнительный механизм 240 может представлять собой исполнительный механизм прямого действия, в котором при увеличении гидравлического давления на диафрагму шток 241 исполнительного механизма выдвигается в направлении корпуса 210. Альтернативно, линейный исполнительный механизм 240 может представлять собой исполнительный механизм обратного действия, в котором при увеличении гидравлического давления на диафрагму шток 241 исполнительного механизма отводится от корпуса 210. В другом варианте осуществления линейный исполнительный механизм 240 может представлять собой поршневой исполнительным механизмом двухстороннего действия, который прикладывает отдельные гидравлические давления к каждой стороне поршня исполнительного механизма (не показан) внутри кожуха 243 для создания перепада давления, который выборочно перемещает шток 241 исполнительного механизма в направлении корпуса 210 и от него.

[0045] Вариант осуществления устройства 200 преобразования движения, показанного на фиг. 2А и 2В, выполнен таким образом, что длина перемещения первого цилиндра 220 двухстороннего действия, как правило, равна длине перемещения второго цилиндра 230 двухстороннего действия. Соответственно, соотношение величин перемещения первого и второго цилиндров 220, 230 двухстороннего действия составляет приблизительно (например, ± 10%) 1:1. Это соотношение величин перемещения обусловлено тем, что первый диаметр D1 первого поршня 224 является таким же или по существу таким же, как второй диаметр D2 второго поршня 226. Другие соотношения величин перемещения могут быть получены путем изменения относительных величин первого и второго диаметров D1, D2. Первый диаметр D1 может быть большим, чем второй диаметр D2, с тем, чтобы расстояние, проходимое вторым цилиндром 230 двухстороннего действия, было большим, чем расстояние, проходимое первым цилиндром 220 двухстороннего действия. Альтернативно, первый диаметр D1 может быть меньшим, чем второй диаметр D2, с тем, чтобы расстояние, проходимое вторым цилиндром 230 двухстороннего действия, было меньшим, чем расстояние, проходимое первым цилиндром 220 двухстороннего действия. В одном варианте осуществления может быть предусмотрен регулятор (не показан) для настройки различных объемов текучей среды.

[0046] Жидкость или газ, заполняющий каналы 212, 214, 216, может быть любой жидкостью или газом, а может быть жидкостью или газом, которые, как правило, используют в областях применения цилиндров. Например, жидкость может быть гидравлической жидкостью, такой как масло. Жидкость может быть несжимаемой для обеспечения того, что потери движения между первым цилиндром 220 двухстороннего действия и вторым цилиндром 230 двухстороннего действия будут небольшими или будут полностью отсутствовать. Если каналы должны быть заполнены газом, может быть использован азот.

[0047] Ниже приведено описание функционирования устройства 200 преобразования движения. На фиг. 2А показан цилиндр 200 преобразования движения во время операции опускания плунжера. В данном случае исполнительный механизм 240 перемещает первый цилиндр 220 двухстороннего действия вдоль первой оси A1 в направлении вниз. Первая торцевая поверхность 226 первого поршня 224 проталкивает жидкость или газ в первом канале 212 во второй канал 214. Это, в свою очередь, приводит к тому, что жидкость или газ во втором канале 214 давит на первую торцевую поверхность 236 второго поршня 234. Заштрихованные стрелки на рис. 2А показывают движение жидкости или газа во время осуществления операции опускания плунжера. Жидкость или газ оказывает давление на первую торцевую поверхность 236 второго поршня 234, в результате чего второй цилиндр 230 двухстороннего действия перемещается вправо по фиг. 2A вдоль второй оси A2.

[0048] На фиг. 2В показано устройство преобразования движения во время осуществления операции поднимания плунжера. В данном случае исполнительный механизм 240 перемещает первый цилиндр 220 двухстороннего действия вдоль первой оси A1 в направлении вверх. Вторая торцевая поверхность 228 первого поршня 224 проталкивает жидкость или газ в первом канале 212 в третий канал 216. В результате этого жидкость или газ, находящийся в третьем канале 216, перемещается во второй канал 214. Это, в свою очередь, приводит к тому, что жидкость или газ во втором канале 214 давит на вторую торцевую поверхность 238 второго поршня 234. Заштрихованные стрелки на рис. 2В показывают движение жидкости или газа во время осуществления операции поднимания плунжера. Жидкость или газ оказывает давление на вторую торцевую поверхность 238 второго поршня 234, в результате чего второй цилиндр 230 двухстороннего действия перемещается влево по фиг. 2B вдоль второй оси A2.

[0049] Во время осуществления операции опускания плунжера и операции поднимания плунжера первый цилиндр 230 двухстороннего действия гидравлически или пневматически толкает второй цилиндр 240 двухстороннего действия вдоль второй оси А2. Жидкость или газ в каналах 212, 214, 216 преобразует перемещение первого цилиндра 220 двухстороннего действия вдоль первой оси А1 в перемещение второго цилиндра 230 двухстороннего действия вдоль второй оси А2. Расстояние, проходимое первым поршнем 224, приблизительно (например, ± 10%) равно расстоянию, проходимому вторым поршнем 234, в результате чего соотношение величин перемещения составляет 1:1. Другие значения соотношения величин перемещения (например, 1:2 или 2:1) могут быть реализованы путем применения различных диаметров первого и второго поршней 224, 234.

[0050] Вышеописанное устройство преобразования движения может быть реализовано во множестве различных вариантов применения, которые включают, среди прочих, клапан осевого течения. Клапаны осевого течения, как правило, используют в промышленности, например, в нефте- и газопроводах, химических трубопроводах, водопроводах и т. д. На фиг. 3 показан вид в разрезе клапана 300 осевого течения, содержащего устройство преобразования движения, аналогичное описанному выше. Клапан 300 осевого течения содержит корпус 301 клапана, содержащий проточный канал 302, проходящий вдоль продольной оси A3 между впускным отверстием 303 и выпускным отверстием 304. Концы корпуса 302 клапана могут содержать соединители 305 для прикрепления клапана 300 осевого течения к трубопроводу (не показан). Проточный канал 302 включает часть 306 большого диаметра и часть 307 малого диаметра. Запорный элемент или пробка 308 расположена в части 306 большого диаметра проточного канала 302. Запорный элемент 308 выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси А3 между закрытым положением и открытым положением. В закрытом положении (фиг. 3) запорный элемент 308 взаимодействует с уплотнением с внутренней поверхностью 309 корпуса 301 клапана, окружающего проточный канал 302, и, таким образом, препятствует протеканию текучей среды через клапан 300 осевого течения. В открытом положении (не показано) запорный элемент 308 отведен вдоль продольной оси A3 таким образом, что запорный элемент 308 уже не соприкасается с внутренней поверхностью 309 корпуса 301 клапана. Это позволяет текучей среде свободно проходить через проточный канал 302.

[0051] Исполнительный механизм 340 обеспечивает приведение в движение для перемещения запорного элемента 306 вдоль продольной оси A3. Исполнительный механизм 340 находится снаружи относительно проточного канала 302 и создает поступательное перемещение вдоль оси A4, которая расположена под углом относительно продольной оси A3. Для преобразования перемещения вдоль оси A4 в перемещение вдоль продольной оси A3 предусмотрено устройство преобразования движения. Устройство преобразования движения содержит оболочку 310, которая вмещает первый канал 312, второй канал 314 и третий канал 316. Оболочка 310 расположена в части 305 большого диаметра проточного канала 302. Текучая среда в проточном канале 302 протекает вокруг оболочки 310, проходя через часть 306 большого диаметра проточного канала 302. Наружная поверхность оболочки 310 имеет форму, которая позволяет уменьшить сопротивление течению. Например, оболочка 310 может иметь форму удлиненного сфероида (т. е. форму мяча для американского футбола), причем конец этого удлиненного сфероида направлен в сторону впускного отверстия 303 клапана 300 осевого течения.

[0052] Оболочка 310 содержит полое цилиндрическое удлинение 317, проходящее вдоль продольной оси A3 в направлении выпускного отверстия 304. Полое цилиндрическое удлинение 317 содержит запорный элемент 308, который также может иметь цилиндрическую форму. Уплотнительное кольцо 318 надето поверх запорного элемента 308 для взаимодействия с уплотнением и со скольжением с запорным элементом 308 и внутренней поверхностью полого цилиндрического удлинения 317. Другое уплотнительное кольцо 319 может быть надето поверх запорного элемента 308 рядом с концом запорного элемента 308, обращенным к выпускному отверстию 304, для создания уплотнения между запорным элементом 308 и внутренней поверхностью 309 корпуса 301 клапана, когда запорный элемент 308 установлен в закрытое положение.

[0053] Первый, второй и третий каналы 312, 314 и 316 образуют замкнутый контур внутри оболочки 310. Первый цилиндр 320 двухстороннего действия расположен в первом канале 312, а второй цилиндр 330 двухстороннего действия расположен во втором канале 314. Первый цилиндр 320 двухстороннего действия перемещают вдоль оси A4, а второй цилиндр 330 двухстороннего действия перемещают вдоль продольной оси A3. Второй цилиндр 330 двухстороннего действия и второй канал 314 соосны с продольной осью А3 проточного канала 302. В некоторых вариантах осуществления второй цилиндр 330 двухстороннего действия перемещают вдоль оси, смещенной относительно продольной оси A3.

[0054] Первый цилиндр 320 двухстороннего действия приводят в движение вдоль оси A4 с помощью исполнительного механизма 340. Гидравлической жидкостью или газом, отличным от текучей среды, протекающей через проточный канал 302, заполняют первый, второй и третий каналы 312, 314 и 316. Первый цилиндр 320 двухстороннего действия действует в качестве плунжера, который давит гидравлической жидкостью или газом на второй цилиндр 330 двухстороннего действия. В результате этого второй цилиндр 330 двухстороннего действия перемещается вдоль продольной оси A3. Второй цилиндр 330 двухстороннего действия соединен с запорным элементом 308 таким образом, что перемещение второго цилиндра 330 двухстороннего действия приводит к перемещению запорного элемента 308.

[0055] Первый цилиндр 320 двухстороннего действия содержит первый шток 322, выровненный вдоль оси A4, и первый поршень 324. Первый шток 322 и первый поршень 324 могут быть выполнены в виде одной детали или в виде отдельных компонентов, скрепленных, например, с помощью резьбового соединения. Первый поршень 324 может иметь цилиндрическую форму и может иметь диаметр D3. Первый поршень 324 содержит первую и вторую торцевые поверхности 326, 328, обращенные в противоположных направлениях. Первая торцевая поверхность 326 толкает гидравлическую жидкость или газ в первом канале 312, когда первый цилиндр 320 двухстороннего действия приводят в движение с помощью исполнительного механизма 340 в направлении вниз по фиг. 3. Вторая торцевая поверхность 328 первой головки 324 толкает гидравлическую жидкость или газ в первом канале 312, когда исполнительный механизм 340 приводит в движение первый цилиндр 320 двухстороннего действия в направлении вверх по фиг. 3. Цилиндр 320 представляет собой цилиндр двухстороннего действия, поскольку для толкания гидравлической жидкости или газа в первом канале 312 в противоположных направлениях используют первую и вторую торцевые поверхности 326, 328 цилиндра 320.

[0056] Первый поршень 324 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 342 первого канала 312. Этого достигают, например, с помощью уплотнительного кольца 344, надетого поверх периферической поверхности 346 первого поршня 224. Периферическая поверхность 346 может содержать кольцевую канавку для удержания уплотнительного кольца 344. В одном варианте осуществления первый поршень 324 содержит множество уплотнительных колец 344, расположенных в множестве соответствующих кольцевых канавок. Уплотнительное кольцо 344 препятствует прохождению жидкости или газа вокруг первого поршня 324. Это позволяет создавать с помощью первого поршня 324 положительное давление с одной стороны первого поршня 324 и отрицательное давление с другой стороны первого поршня 324 и наоборот.

[0057] Второй цилиндр 330 двухстороннего действия устроен аналогично первому цилиндру 320 двухстороннего действия. Второй цилиндр 330 двухстороннего действия содержит первый шток 332, выровненный вдоль продольной оси A3, и второй поршень 334. Первый шток 332 и второй поршень 334 могут быть прикреплены, например, с помощью резьбового соединения, или они могут быть выполнены как одна деталь в виде цельной конструкции. Второй поршень 334 может иметь цилиндрическую форму и может иметь диаметр D4. Противоположные концы второй головки 334 содержат первую и вторую торцевые поверхности 336, 338. Жидкость или газ толкает первую торцевую поверхность 336 по второму каналу 314, когда первый цилиндр 320 двухстороннего действия приводят в движение в направлении вниз по фиг. 3. Жидкость или газ толкает вторую торцевую поверхность 338 по второму каналу 314, когда первый цилиндр 320 двухстороннего действия приводят в движение в направлении вверх по фиг. 3. Цилиндр 330 представляет собой цилиндр двухстороннего действия, поскольку первая и вторая торцевые поверхности 336, 338 позволяют толкать цилиндр 330 в противоположных направлениях.

[0058] Второй поршень 334 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 352 второго канала 314. Уплотнительное кольцо 354 может быть установлено таким образом, что второй поршень 334 с уплотнением и со скольжением взаимодействует с периферической поверхностью 352 второго канала 314. Уплотнительное кольцо 354 может быть расположено в кольцевой канавке на периферической поверхности 356 второго поршня 334. В одном варианте осуществления второй поршень 334 содержит множество кольцевых канавок, каждая из которых содержит соответствующее уплотнительное кольцо 254. Уплотнительное кольцо препятствует прохождению гидравлической жидкости или газа вокруг второго поршня 334 и, таким образом, позволяет создавать перепад давления на втором поршне 334.

[0059] Оболочка 310 и корпус 301 клапана, показанные на фиг. 3, выполнены как одна деталь в виде цельной конструкции. Оболочка 310 и корпус 301 клапана также могут быть выполнены в виде отдельных компонентов, соединенных с возможностью снятия. Оболочка 310 может быть выполнена не в виде единого блока материала, показанного на фиг. 3. Оболочка 310 может содержать несколько соединяемых элементов, причем каждый элемент содержит один из каналов 312, 314 и 316.

[0060] Первый канал 312 содержит закрытый конец 360 и открытый конец 362. Закрытый конец 360 может быть образован частью оболочки 310 или пробкой 364, расположенной на конце первого канала 312. Первый шток 322 первого цилиндра 320 двухстороннего действия проходит через отверстие в закрытом конце 320 первого канала 312. Для уплотнения первого штока 322 и отверстия в закрытом конце 360 может быть предусмотрено уплотнительное кольцо (не показано). Открытый конец 362 первого канала 312 соединяет по текучей среде первый канал 312 со вторым каналом 314. Открытый конец 362 первого канала 312 может быть открыт непосредственно во второй канал 314, как показано на фиг. 3, или может быть соединен каналом для текучей среды со вторым каналом 312.

[0061] Второй канал 314 содержит закрытый конец 370 и открытый конец 372. Как показано на фиг. 3, закрытый конец 370 второго канала 314 может быть образован частью оболочки 310 или пробкой 374, расположенной во втором канале 314. Второй шток 332 второго цилиндра 330 двухстороннего действия проходит через отверстие в закрытом конце 370 второго канала 314 и прикреплен к запорному элементу 308. Второй шток 332 может быть прикреплен с возможностью снятия к запорному элементу 308. Второй шток 323 может взаимодействовать с уплотнением с закрытым концом 370 посредством уплотнительного кольца 373. Открытый конец 362 второго канала 314 гидравлически соединяет второй канал 314 с первым каналом 312. Открытый конец 372 второго канала 314 может быть открыт непосредственно в первый канал 312 по фиг. 3 или может быть соединен гидравлическим каналом (не показан) с первым каналом 312.

[0062] Третий канал 316 содержит первый открытый конец 380, соединенный по текучей среде с первым каналом 312, и второй открытый конец 382, соединенный по текучей среде со вторым каналом 314. Как видно на фиг. 3, первый и второй открытые концы 380, 382 открыты непосредственно, соответственно, в первый канал 312 и второй канал 314. В одном варианте осуществления первый и второй открытые концы 380, 382 могут быть соединены через соответствующие гидравлические каналы с первым и вторым каналами 312, 314. Третий канал 316 гидравлически соединяет часть первого канала 312, ограниченную закрытым концом 360 и первым поршнем 324, и часть второго канала 314, ограниченную закрытым концом 370 и вторым поршнем 334.

[0063] Оси A3 и A4, показанные на фиг. 3, являются взаимно ортогональными, таким образом, угол α равен приблизительно (например, ± 10%) 90 градусов. Однако угол α может быть любым углом от 0 до 180 градусов. Первый и второй цилиндры 320, 330 двухстороннего действия действуют по существу одинаково независимо от угла α.

[0064] Отводной клапан 386 предусмотрен для сброса давления в первом, втором и/или третьем каналах 312, 314, 316. Отводной клапан 386 может обеспечивать возможность удаления загрязняющего газа, захваченного в первый, второй и/или третий каналы 312, 314, 316. На фиг. 3 показан одиночный отводной клапан 386, прикрепленный к первому каналу 312, но для удаления загрязнений каналов 314, 316 также могут быть предусмотрены другие отводные клапаны.

[0065] Линейный исполнительный механизм 340 обеспечивает усилие, необходимое для перемещения первого цилиндра 320 двухстороннего действия вперед и назад вдоль первой оси А4. Линейный исполнительный механизм 340 может содержать шток 341 исполнительного механизма, который соединен с возможностью снятия с первым штоком 322 посредством соединителя 345 (например, резьбовой муфты). Линейный исполнительный механизм 340 может содержать устройство для механизации, например, электродвигатель. Программируемый контроллер может быть подключен к электродвигателю для управления выходом линейного исполнительного механизма 340 и, таким образом, может управлять положением первого цилиндра 320 двухстороннего действия. В одном варианте осуществления линейный исполнительный механизм 340 представляет собой рукоятку, выполненную с возможностью ручного управления, осуществляемого пользователем. Например, линейный исполнительный механизм 340 может быть колесом, которое может поворачивать пользователь. Линейный исполнительный механизм 340 может быть частично (или полностью) расположен внутри первого канала 312 или исполнительный механизм 340 может быть расположен снаружи первого канала 312, как показано на фиг. 3.

[0066] В одном варианте осуществления линейный исполнительный механизм 340 может представлять собой мембранно-пружинный исполнительный механизм, в котором усилие гидравлического давления внутри кожуха 343 давит на мембрану (не показана) для противодействия силе смещения, создаваемой пружиной (не показана). Линейный исполнительный механизм 340 может представлять собой исполнительный механизм прямого действия, в котором при увеличении гидравлического давления на диафрагму шток 341 исполнительного механизма выдвигается в направлении оболочки 310. Альтернативно, линейный исполнительный механизм 340 может представлять собой исполнительный механизм обратного действия, в котором при увеличении гидравлического давления на диафрагму шток 341 исполнительного механизма отводится от оболочки 310. В другом варианте осуществления линейный исполнительный механизм 340 может представлять собой поршневой исполнительным механизм двухстороннего действия, который прикладывает отдельные гидравлические давления к каждой стороне поршня исполнительного механизма (не показан) внутри кожуха 343 для создания перепада давления, который выборочно перемещает шток 341 исполнительного механизма в направлении оболочки 310 и от нее.

[0067] Вариант осуществления устройства преобразования движения, показанного на фиг. 3, выполнен таким образом, что длина перемещения первого цилиндра 320 двухстороннего действия, как правило, равна длине перемещения второго цилиндра 330 двухстороннего действия. Соответственно, соотношение величин перемещения первого и второго цилиндров 320, 330 двухстороннего действия составляет приблизительно (например, ± 10%) 1:1. Это соотношение величин перемещения обусловлено тем, что диаметр D3 первого поршня 324 является таким же или по существу таким же, как диаметр D4 второго поршня 326. Другие соотношения величин перемещения могут быть реализованы путем изменения относительных величин первого и второго диаметров D3, D4. Диаметр D3 может быть большим, чем диаметр D4, с тем, чтобы расстояние, проходимое вторым цилиндром 330 двухстороннего действия, было большим, чем расстояние, проходимое первым цилиндром 320 двухстороннего действия. Альтернативно, диаметр D3 может быть меньшим, чем диаметр D4, с тем, чтобы расстояние, проходимое вторым цилиндром 330 двухстороннего действия, было меньшим, чем расстояние, проходимое первым цилиндром 320 двухстороннего действия. В одном варианте осуществления может быть предусмотрен регулятор для настройки различных объемов текучей среды.

[0068] Гидравлическая жидкость или газ, заполняющий каналы 312, 314, 316, может быть любой жидкостью или газом, а может быть жидкостью или газом, которые, как правило, используют в областях применения поршней. Например, жидкость может быть гидравлической жидкостью, такой как масло. Жидкость может быть несжимаемой для обеспечения того, что потери движения между первым цилиндром 320 двухстороннего действия и вторым цилиндром 330 двухстороннего действия будут небольшими или будут полностью отсутствовать. Если каналы должны быть заполнены газом, может быть использован азот.

[0069] Работа первого и второго цилиндров 320, 330 двухстороннего действия аналогична работе первого и второго цилиндров 220, 230 двухстороннего действия, описанных выше. Приведенное выше описание работы первого и второго цилиндров 220, 230 двухстороннего действия, таким образом, в равной степени применимо к работе первого и второго цилиндров 320, 330 двухстороннего действия. На фиг. 4А и 4В показаны поперечные сечения клапана 300, изображенного на фиг. 3. Линейный исполнительный механизм 340 не показан на фиг. 4А и 4В для большей ясности и может быть реализован таким же образом, как показано и описано выше со ссылкой на фиг. 3. На фиг.4А показана операция опускания плунжера первого цилиндра 320 двухстороннего действия, которая соответствует операции опускания плунжера, показанной на фиг. 2A. Перемещение второго цилиндра 330 двухстороннего действия по фиг. 4A приводит к перемещению запорного элемента 308 из открытого положения в закрытое положение. На фиг.4В показана операция поднимания плунжера первого цилиндра 320 двухстороннего действия, которая аналогична операции поднимания плунжера, показанной на фиг. 2B. Перемещение второго цилиндра 330 двухстороннего действия по фиг. 4B приводит к перемещению запорного элемента 308 из закрытого положения в открытое положение.

[0070] По сравнению с оболочкой 155 известного клапана 100 осевого течения, показанного на фиг. 1, оболочка 310 клапана 300 осевого течения имеет меньшие размеры. Это связано с тем, что для оболочки 310 не требуется применение увеличенного заднего конца для вмещения шестерни или другого механизма, который выступает в направлении впускного отверстия клапана, когда запорный элемент находится в открытом положении. Уменьшение размеров оболочки позволяет снизить затраты на материалы и изготовление, а также позволяет уменьшить сопротивление течению, оказываемое оболочки. Кроме того, цилиндр двухстороннего действия клапана 300 осевого течения устроен таким образом, что он не требует применения зацепляющихся шестерен, зубьев или резьб, которые со временем изнашиваются. Соответственно, клапан 300 осевого течения может требовать меньшего объема обслуживания и может иметь более длительный срок эксплуатации, чем известные клапаны осевого течения.

[0071] Хотя настоящее изобретение было описано применительно к различным вариантам осуществления, понятно, что могут быть предложены дополнительные изменения настоящего изобретения. Эта заявка охватывает любые изменения, варианты применения или адаптации настоящего изобретения, которые в целом соответствуют принципам настоящего изобретения, и включает такие отступления от настоящего описания, которые находятся в рамках известной и общепринятой практики в области техники, к которой относится настоящее изобретение.

Реферат

Клапан, содержащий: корпус клапана, содержащий проточный канал; запорный элемент, выполненный с возможностью перемещения между закрытым положением, в котором текучая среда не протекает через проточный канал, и открытым положением, в котором текучая среда протекает через проточный канал; первый канал, второй канал и третий канал, образующие замкнутый контур, выполненный с возможностью приема текучей среды; первый цилиндр двухстороннего действия, расположенный в первом канале и выполненный с возможностью перемещения вдоль первой оси, содержащий первый поршень, который выполнен с возможностью с уплотнением и со скольжением взаимодействовать с периферической поверхностью первого канала; второй цилиндр двухстороннего действия, расположенный во втором канале и выполненный с возможностью перемещения вдоль второй оси, причем второй цилиндр двухстороннего действия функционально соединен с запорным элементом и содержит второй поршень, выполненный с возможностью с уплотнением и со скольжением взаимодействовать с периферической поверхностью второго канала; первая и вторая оси расположены под углом друг к другу; а замкнутый контур текучей среды выполнен таким образом, что перемещение первого цилиндра двухстороннего действия вдоль первой оси вызывает перемещение второго цилиндра двухстороннего действия вдоль второй оси, в результате чего происходит перемещение запорного элемента между закрытым положением и открытым положением, при этом первый конец третьего канала открыт в часть первого канала, ограниченную первым поршнем и закрытым концом первого канала, а второй конец третьего канала открыт в часть второго канала, ограниченную вторым поршнем и закрытым концом второго канала. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула