1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28973
(51) F16K 31/68 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2012/1525.1
(22) 22.02.2012
(45) 15.09.2014, бюл. №9
(31) 13/033,297
(32) 23.02.2011
(33) US
(72) БУССЕАР, Терри Р. (US)
(73) Бейкер Хьюз Инкорпорейтед (US)
(74) Тагбергенова Модангуль Маруповна;
Тагбергенова Алма Таишевна; Касабекова Найля
Ертисовна
(56) US 2005/0000578 A1, 06.01.2005
US 2010/0243077 A1, 30.09.2010
DE 10027379 A1, 13.12.2001
(54) РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С
ТЕРМОГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
(57) Клапан с термогидравлическим приводом
имеющий корпус; запирающий элемент, способный
перекрывать и открывать поток текучей среды через
корпус; камеру приводной текучей среды,
расположенную на корпусе и уплотненную от
внешней среды; элемент передачи движущей силы,
находящийся в контакте для передачи усилия с
запирающим элементом. При этом этот элемент
гидравлически связан с камерой приводной текучей
среды, и нагревательный элемент, находящийся в
тепловом контакте с камерой приводной текучей
среды. Этот клапан не имеет динамического
уплотнения между зоной клапана,
взаимодействующей с регулируемой текучей средой
внутри клапана и окружающей средой за пределами
клапана.
(19)KZ(13)B(11)28973
2. 28973
2
Регулирующие клапаны технологического
процесса используются во многих отраслях для
регулирования движения текучей среды, которое
бывает необходимым по разнообразным причинам.
Так как при обращении с некоторыми текучими
средами, для регулирования которых используются
такие клапаны, существуют определенные
сложности, утечка таких текучими сред из системы
является нежелательной. Одной из таких текучих
сред является сероводород, который специалисты
считают газом, утечки которого из системы, в
которой он содержится, следует избегать.
Традиционно регулирующие клапаны
технологического процесса содержат открывающий
или закрывающий рычаг, приводимый в действие
механическим способом: вручную или при помощи
механизма. Хотя такие клапаны позволяют
регулировать поток соответствующей текучей
среды, они также имеют недостаток, так как
содержат динамическое уплотнение между
соответствующей текучей средой и окружающей
атмосферой. Это динамическое уплотнение
устанавливается на штоке, соединяющем
собственно клапан с рычагом. Поскольку
динамические уплотнения требуют периодического
обслуживания и представляют собой
потенциальный канал утечки соответствующей
текучей среды в окружающую атмосферу, и
поскольку, как уже указывалось выше, желательно,
иметь системы, которые более надежно удерживают
соответствующую текучую среду внутри системы, в
которой они установлены, было бы полезно создать
альтернативные регулирующие клапаны
технологического процесса с повышенной
герметичностью.
Клапан с термогидравлическим приводом,
содержащий корпус; запирающий элемент,
способный перекрывать и открывать поток текучей
среды через корпус; камеру приводной текучей
среды, расположенную на корпусе и уплотненную
от внешней среды; элемент передачи движущей
силы, находящийся в контакте для передачи усилия
с запирающим элементом, гидравлически
связанным с камерой приводной текучей среды; и
нагревательный элемент, находящийся тепловом
контакте с камерой приводной текучей среды; при
этом клапан не имеет динамического уплотнения
между областью клапана, с которой контактирует
регулируемая текучая среда внутри клапана, и
окружающей средой за пределами клапана.
Клапан с термогидравлическим приводом,
имеющий корпус без динамического уплотнения
между камерой регулируемой текучей среды
клапана и окружающей средой за пределами
клапана; запирающий элемент внутри корпуса;
приводную текучую среду, находящуюся в контакте
для передачи давления с запирающим элементом; и
элемент, способный вызвать изменение давления
приводной текучей среды.
Клапан с термогидравлическим приводом,
имеющий корпус без динамического уплотнения
между камерой регулируемой текучей среды
клапана и окружающей средой за пределами
клапана; запирающий элемент внутри корпуса;
первую приводную текучую среду, находящуюся в
контакте для передачи давления с запирающим
элементом, сконфигурированным с возможностью
обеспечения движущий эффект в отношении
запирающего элемента в одном направлении;
вторую приводную текучую среду, находящуюся в
контакте для передачи давления с запирающим
элементом, сконфигурированным так, чтобы
обеспечить движущее действие в отношении
запирающего элемента в другом направлении;
первый элемент, способный вызвать изменение
давления первой приводной текучей среды; и
второй элемент, способный вызвать изменение
давления второй приводной текучей среды.
Рассмотрим теперь чертежи; обратите внимание,
что схожие элементы на нескольких чертежах
имеют схожую нумерацию.
На фиг.1 показан описанный здесь вариант
регулирующего клапана технологического процесса
с термогидравлическим приводом, находящийся в
положении "Закрыто";
на фиг.2 показан изображенный на фиг.1 вариант
регулирующего клапана технологического процесса
с термогидравлическим приводом, находящийся в
положении "Открыто";
на фиг.3 показан описанный здесь вариант
клапана в другом исполнении;
на фиг.4 показан описанный здесь вариант
клапана в еще одном исполнении;
на фиг.5 показан описанный здесь вариант
клапана в еще одном исполнении;
на фиг.6 показан описанный здесь вариант
клапана в другом исполнении в положении
"Закрыто";
на фиг.7 показан описанный здесь вариант
клапана в исполнении, изображенном на фиг.6, в
положении "Открыто";
на фиг.8 показан описанный здесь вариант
клапана в другом исполнении в положении
"Открыто"; и
на фиг.9 показан описанный здесь вариант
клапана в исполнении, изображенном на фиг.8, в
положении "Закрыто".
Подробное описание изобретения
Изображенный на фиг.1 регулирующий клапан
технологического процесса 10 имеет
цилиндрический корпус 12, к которому
последовательно присоединяется ряд других
цилиндрических элементов (на фигуре не показаны),
составляющих общую систему регулирования
текучей среды. Внутри корпуса 12 расположен
запирающий элемент 14, способный перекрывать и
открывать поток регулируемой текучей среды через
корпус, например, заслонка. Этот запирающий
элемент находится в контакте с элементом передачи
движущей силы 15, который, в свою очередь,
находится в функциональном контакте с приводной
текучей средой, описанной ниже.
В исполнении, представленном на фиг.1,
заслонка 14 отклоняется от положения "Закрыто" до
положения "Открыто", вращаясь на оси 16. Ось 16
соединена с корпусом 12 таким образом, что
3. 28973
3
проточный канал 18, в исполнении, показанном на
фигуре, будет удерживать заслонку 14 и положении
"Открыто" пока она остается в соприкосновении с
проточным каналом 18. Упор 20 схематически
показан взаимодействующим с силовой пружиной
22, соединенной с проточным каналом 18 через
фланец 24. Проточный канал при движении в
правую часть фигуры сжимает пружину 22 между
упором 20 и фланцем 24. Проточный канал 18 также
удерживает заслонку 14 в положении "Открыто".
Если движущую силу, действующую на проточный
канал и сжимающую силовую пружину 22, убрать,
пружина переместит проточный канал 18 в левую
часть фигуры и даст возможность торсионной
пружине (не показана) внутри оси 16 закрыть
заслонку 14. Упомянутая движущая сила передается
на фланец 24 через шток плунжера 26,
расположенный внутри цилиндра плунжера 28 и
соединенный с плунжером 30. Плунжер 30 имеет
динамическое уплотнение (не показано), например,
плунжерное кольцо или группу колец, позволяющее
ему воспринимать давление текучей среды,
действующее на него. Подразумевается, что хотя на
фигуре показан один плунжер, можно использовать
большее их количество или заменить сплошной
плунжер кольцевым. С другой стороны, плунжер 30
подвергается воздействию приводной текучей среды
31, содержащейся в герметичной камере 32. В
исполнении, показанном на фигуре, эта камера
представляет собой кольцевую полость, но следует
понимать, что приемлемой является любая ее
форма. В этой камере в исполнениях,
представленных на фиг.1 и 3, устанавливается
статическое уплотнение 34, для ввода, но меньшей
мере, одного нагревательного элемента 36/136 и/или
проводника цепи электропитания 35. Следует
понимать, что элемент или проводник цепи
электропитания являются примерными, и что через
уплотнение 34 также можно вводить и другие
элементы, необходимые в зависимости от
конкретного применения. В то же время, обратите
внимание, что в другом исполнении,
представленном на фиг.4, нагревательный элемент
236 расположен полностью за пределами камеры 32
и не заходит внутрь нее. Электропитание и/или
связь с элементом 236 обеспечивается посредством
линии 237, расположенной полностью за пределами
камеры 32. Если в отдельных исполнениях,
использующих нагревательный элемент 236 нет
необходимости обеспечивать его ввод в камеру 32,
то уплотнение 34 в таких исполнениях не требуется.
Во всех других отношениях клапан в исполнении,
представленном на фиг.4, работает так же, как и в
других, описанных здесь исполнениях, включая все
возможные конфигурации.
Подразумевается, что через уплотнение 34 также
можно вводить и другие элементы, необходимые
или желаемые в зависимости от конкретного
применения. В исполнении, показанном на фигуре,
также подразумевается наличие коммуникационной
линии 38, соединенной с датчиком положения 40.
Так как уплотнение 34 является статическим, в нем
нет существенной возможности для утечек. Это
уплотнение не должно подвергаться динамическим
воздействиям и, следовательно, оно, по
определению, является более надежным.
Датчик положения может быть магнитного типа
или представлять собой другой датчик ближнего
расположения, позволяющий подтвердить
фактическое положение проточного канала 18.
Для ясности, следует отметить, что
нагревательный элемент 36 на фиг.1 представляет
собой элемент стержневого типа, а элемент 136 на
фиг.3 имеет кольцевую форму. В любом случае,
функцией этого элемента является нагрев
приводной текучей среды.
Для повышения давления текучей среды в
камере 32 на нагревательный элемент 36/136 подают
электропитание, что вызывает повышение
температуры приводной текучей среды, например,
гидравлической жидкости, в камере 32, что ускоряет
ее расширение. Коэффициент теплового расширения
приводной текучей среды можно подбирать (путем
выбора соответствующей текучей среды или
изменения ее химического состава до достижения
требуемого коэффициента теплового расширения
текучей среды) какой нужно, чтобы создать
необходимый уровень движущей силы для
конкретного применения. В результате нагрева
текучей среды в камере 32, плунжер 30 движется в
направлении заслонки 14; при этом шток 26
упирается во фланец 24 и вынуждает протонный
канал 18 двигаться к заслонке 14, переводя заслонку
14 в положение "Открыто" как показано на фиг.2.
Охлаждение текучей среды в камере 32 дает
возможность проточному каналу вернуться в
положение, показанное на фиг.1 под воздействием
силовой пружины 22, приводящей проточный канал
18 в отпущенное положение.
Следует понимать, что конкретная конфигурация
изобретения не ограничивается той, что показана на
чертежах. Скорее концепция изобретения
охватывает более широкую сферу и предполагает
наличие текучей среды в камере, нагрев этой
текучей среды с тем, чтобы ее давление в камере
повысилось, что заставляет плунжер под
воздействием текучей среды действовать на
заслонку или другой элемент клапана, открывая его.
Использование тепла и приводной текучей среды
для обеспечения движущей силы и изменения
положения клапана означает отсутствие
необходимости иметь в системе динамические
уплотнения и, следовательно, отсутствие протечек
регулируемой текучей среды из системы в
окружающую среду.
В одном исполнении следует отметить, что
приводная текучая среда 31 находится под таким
предварительно установленным давлением, что для
срабатывания клапана достаточно меньшей степени
теплового расширения. Это, конечно, дает
возможность подводить меньшую мощность к
нагревательному элементу, так как необходимый
прирост температуры, приводной текучей среды
получается сравнительно меньшим в силу того, что
приводная текучая среда уже предварительно
находится под давлением. Такую предварительную
4. 28973
4
нагрузку давлением можно обеспечить при
производстве клапана или на месте установки, но в
последнем исполнении понадобится статическое
уплотнение в камере. Если статическое уплотнение
уже имеется, как, например, в исполнениях,
показанных на фиг.1 и 3, дополнительное
уплотнение не требуется; в то же время, для случая,
показанного на фиг.4, такое уплотнение будет
необходимо, хотя ранее оно не требовалось.
В другом исполнении, как показано на фиг.5,
клапан также предварительно нагружен давлением,
но имеет систему сброса давления 350, что
позволяет быстро его закрыть. Сбрасывать давление
можно туда, где это удобно, но, придерживаясь
концепции минимального количества уплотнений (и
отсутствия динамических уплотнений) между
регулируемой текучей средой и атмосферой, сброс
может осуществляться в сбросную камеру 352
имеющую заранее заданное более низкое давление,
чем давление приводной текучей среды. Эта камера
имеет собственный клапан 354 того или иного типа
для пропуска нагруженной давлением приводной
текучей среды в случае необходимости сброса.
Таким клапаном может быть разрывная мембрана,
подобранная так, что при увеличении давления
приводной текучей среды до предварительно
заданного порогового значения она автоматически
вызовет закрытие клапана из-за резкого сброса
давления в камере 332. В ином случае этого можно
достичь, используя дистанционно управляемый
клапан, установленный в том же месте 354 с тем,
чтобы по команде этот клапан открывался и
сбрасывал давление приводной текучей среды,
заполняя ею сбросную камеру 352. Клапан 354
может иметь внешнее питание, подаваемое через
уплотнение 334 или использовать местный источник
питания, не требующий уплотнения 334, и именно в
таком виде он используется в конфигурации,
представленной на фиг.4.
Независимо от метода открывания клапанов или
использованного механизма для пропуска текучей
среды в сбросную камеру 352, сразу после открытия
этой камеры давление приводной текучей среды
снижается в силу резкого увеличения эффективного
объема камеры 332 (объем 332 плюс объем 352).
Возвращаясь к исполнению, приведенному на
фиг.4, следует понимать, что показанный на фигуре
нагревательный элемент 236 может представлять
собой индуктивный нагревательный элемент.
Следует понимать, что в рассматриваемых здесь
исполнениях существует не только возможность
установки запирающего элемента в положение
"Открыто" или "Закрыто", но также и, при
необходимости, установка запирающего элемента в
любое положение между "Открыто" и "Закрыто" в
зависимости от давления текучей среды,
приложенного к плунжеру.
Следует также понимать, что описываемый здесь
клапан не обязательно является закрывающимся
предохранительным клапаном. Также вообще не
требуется, чтобы в нем была установлена силовая
пружина. С учетом сказанного выше, в другом
исполнении (см. фиг.6 и 7) используются две
конфигурации нагревательных элементов и объемов
для перемещения проточного канала во встречных
направлениях, на основании чего подводится
энергия к объему текучей среды. Для лучшего
понимания данной концепции обратимся к фиг. 6 и
7, на которых указанные выше числа сохранены для
одной части устройства, а аналогичные числа из
серии 400 используются для обозначения
аналогичных компонентов, устанавливаемых для
приведения клапана в действие в направлении,
противоположном тому, что обеспечивает первый
набор компонентов. Точнее говоря, при
непосредственном обращении к фиг.6 и 7, читатель,
ориентирующийся в предыдущем описании, сможет
распознать компоненты, обозначенные числами в
левой части фигур. Читатель также сможет понять
назначение элементов, обозначенных числами серии
400 в правой части фигур. Следует отметить, что
объемы текучей среды 31 и 43 1 отделены один от
другого, и влияние теплового воздействия на один
из них будет ограничиваться одним набором
компонентов. Компоненты, обозначенные числами
серии 400, для удобства читателя описаны ниже.
Это: дополнительный объем приводной текучей
среды 431, нагревательный элемент 436 (обратите
внимание на то, что для данного исполнения могут
применяться другие описанные здесь средства
нагрева, включая те из них, которые не показаны на
фигурах), плунжер 430 и стержень 426. Они
сконфигурированы так, что при воздействии на них
указанные компоненты обеспечивают движущую
силу, отводящую проточный канал 418 обратно,
давая возможность запирающему элементу 414
вернуться в положение "Закрыто". Функциональное
состояние клапана ("Открыто" или "Закрыто") в
этом другом исполнении будет соответствовать
тому, какой именно объем приводной текучей среды
будет избирательно и исключительно задействован.
Обращаясь к фиг.8 и 9, легко заметить, что
данное исполнение схоже с предыдущим,
показанным на фиг.6 и 7, с тем отличием, что
вместо заслонки здесь используется шаровый
клапан, который также может быть, использован в
любом из других исполнений, показанных здесь, где
в качестве запирающего элемента изображена
заслонка. Шаровый клапан 500 показан в положении
"Открыто" на фиг.8 и в положении "Закрыто" на
фиг.9. Движущая сила для перемещения шарового
клапана 500 в том или другом направлении
обеспечивается такими же компонентами как и те,
что мы рассматривали применительно к фиг.6 и 7.
Кроме того, подразумевается, что любой из наборов
компонентов на этих фигурах можно заменить
пружинной конфигурацией, как на фиг.1. В тех
воплощениях, где вместо заслонки используется
шаровый клапан 500, проточный канал 518
вынуждает шаровый клапан поворачиваться из
положения "Открыто" в положение "Закрыто" и,
наоборот, из положения "Закрыто" в положение
"Открыто" посредством штифтов 501,
установленных на проточном канале 518, и канавок
503 на внешней стороне шарового элемента 505.
Осевые штифты 507 также устанавливаются на
5. 28973
5
внешней поверхности шарового элемента 505 на его
оси вращения. По мере того как проточный канал
518 расширяется или сокращается в процессе
работы, вращательные штифты 501
взаимодействуют с канавками 503 на внешней
стороне шарового элемента, вынуждая его
поворачиваться в положение "Открыто" и
"Закрыто". Это исполнение может также, в
дополнение к вращательному действию,
описанному выше, предусматривать средства
перемещения шарового элемента по отношению к
седлу шарового элемента.
Независимо от того, что здесь показаны или
описаны одно или несколько вариантов воплощения
клапана, могут быть использованы их модификации
и замены, не предусматривающие отступления от
идеи и сферы охвата данного изобретения.
Соответственно, следует понимать, что
представленное описание изобретения имеет
иллюстративный, а не ограничительный характер.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Клапан с термогидравлическим приводом,
включающий:
корпус;
запирающий элемент, способный перекрывать и
открывать поток текучей среды через корпус;
камеру приводной текучей среды,
расположенную на корпусе и уплотненную от
внешней среды;
элемент передачи движущей силы, находящийся
в контакте для передачи усилия с запирающим
элементом, гидравлически связанный с камерой
приводной текучей среды, включающий плунжер и
проточный канал, при этом плунжер выполнен с
возможностью воспринимать действие давления
текучей среды, находящейся в камере приводной
текучей среды, и перемещать проточный канал,
чтобы открыть запирающий элемент; и
нагревательный элемент, находящийся в
тепловом контакте с камерой приводной текучей
среды, при этом клапан выполнен динамически
неуплотненным между областью клапана, с которой
контактирует регулируемая текучая среда внутри
клапана, и окружающей средой за пределами
клапана.
2. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что запирающим
элементом является заслонка или шаровый клапан.
3. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что камера приводной
текучей среды охватывает корпус.
4. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что камера приводной
текучей среды имеет статическое уплотнение для
ввода, по меньшей мере, одного компонента,
связанного с нагревательным элементом.
5. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.4, отличающийся тем, что компонентом является
нагревательный элемент и/или проводник для
подвода электропитания к нагревательному
элементу.
6. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что в качестве приводной
текучей среды используется гидравлическая
жидкость или химически регулируемая текучая
среда, обеспечивающая желаемый коэффициент
теплового расширения.
7. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что нагревательный
элемент представляет собой стержень или
кольцевой элемент, расположенный внутри камеры
приводной текучей среды.
8. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что нагревательный
элемент расположен рядом с корпусом.
9. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что нагревательный
элемент сконфигурирован без проникания внутрь
камеры приводной текучей среды.
10. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что в нем в качестве
нагревательного элемента используется
индуктивный нагревательный элемент.
11. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.1, отличающийся тем, что камера приводной
текучей среды дополнительно имеет гидравлическое
соединение со сбросной камерой.
12. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.11, отличающийся тем, что сбросная камера
расположена на корпусе.
13. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.11, отличающийся тем, что в сбросной камере
поддерживается давление, ниже давления
приводной текучей среды в момент срабатывания.
14. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.11, отличающийся тем, что сбросная камера
имеет клапанный механизм.
15. Клапан с термогидравлическим приводом,
включающий:
корпус, динамически неуплотненный между
зоной регулируемой текучей среды клапана и
окружающей средой за пределами клапана;
запирающий элемент внутри корпуса;
камеру первой приводной текучей среды,
расположенную на корпусе;
первую приводную текучую среду в камере
первой приводной текучей среды, находящуюся в
контакте для передачи давления с запирающим
элементом и сконфигурированную с возможностью
обеспечения движущего действия в отношении
запирающего элемента в первом направлении;
первый элемент, способный вызвать изменение
давления первой приводной текучей среды;
камеру второй приводной текучей среды,
расположенную на корпусе;
вторую приводную текучую среду в камере
второй приводной текучей среды, находящуюся в
контакте для передачи давления с запирающим
элементом и сконфигурированную с возможностью
обеспечения движущего действия в отношении
запирающего элемента во втором направлении;
второй элемент, способный вызвать изменение
давления второй приводной текучей среды;
6. 28973
6
первый и второй плунжеры, выполненные с
возможностью воспринимать действие давления
текучей среды, находящейся в камерах первой и
второй приводных текучих сред, соответственно; и
проточный канал; при этом первый и второй
плунжеры выполнены с возможностью перемещать
проточный канал, чтобы открыть или закрыть
запирающий элемент.
16. Клапан с термогидравлическим приводом по
п.15, отличающийся тем, что одна или более камер
первой или второй приводных текучих сред
гидравлически связаны с избирательно доступной
сбросной камерой.
