改进的裙部导向阀的制作方法

专利名称：改进的裙部导向阀的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及控制阀，更具体地涉及具有增大流量的裙部导向(skirtguided)球形阀。
背景技术：
电站和制造厂利用程序控制装置来控制程序中流体流量，其中“流体”包括液体，气体或任何可以通过管道流动的混合物。那些生产消费物品或货品如燃料、食品和布料的制造程序则需要控制阀来控制和调节流体流量。甚至一个中型的工厂可能使用数百个控制阀以控制工艺程序。控制阀已被应用一个世纪多，在这期间阀设计者已不断地改进控制阀的操作性能。
在设计工艺程序时，该设计者面对许多设计要求和设计限制。当阀门处在全开启的位置上时虽然阀门必须能够提供所要求的流量，但是为了特殊的应用使阀门的主体尺寸减至最小将提供许多利益。使阀门尺寸最小化可减少阀门本身的成本，并且减少控制该阀门的致动器的成本。更重要地，一个具有较小主体的阀门可提供改进的性能和稳定性，因为较小的阀门相比较大的阀门具有较小的增益(gain)、更高的精度和较佳的柔性。除了导致程序不稳定性和其他控制系统不可靠性以外，大尺寸的阀门则需要更大频率的阀塞运动，以便精确地控制流动流体，从而在阀门部件和阀门致动器上引起增加的磨损。因此大尺寸的阀门增加了程序的变异性。程序的变异性是很严重的，因为它将导致无效性，无效性会连续一天24小时，一周7天(或该程序运行在任何时候)，这将是昂贵的花费。因此，一个低成本的、小型的阀门在它可以满足最大流量需求时就能够提供优越的性能。
有些程序控制应用还要求阀门在两个方向上使流量最大，通常被称之为“双-向流量应用”。在一个典型的双-向阀门中设置有一个流体向上流动的垂直的部分。因此在一个方向上的流动经常被称为向上-流动，在另一个方向上的流动则被称之为向下-流动。在大多数应用场合中阀门的选择要基于通过该阀门的流动方向。裙部球形阀普遍用于双-向流动应用，因为它们能够在使用时不用考虑流动方向。一个裙部阀塞当阀塞向上和向下滑动时通过该裙部进行支承，并且通过在阀主体中的环形阀座被导引，不管流动方向如何。在一些情况下该环形阀座起到双重作用一是用于该阀塞裙部的支承表面，一是用于与阀塞上的密封表面匹配的密封表面。具体地说，裙部起导向作用，以当流体力在阀塞上作用一侧向负荷时使阀塞稳定在阀门中。该裙部阀塞可允许阀杆减小尺寸，因为该阀塞是从两个侧端(即杆部和裙部)被支承的。
一个较小的阀杆提供了多种利益，包括为了运动阀塞所需要的作用力最小，因为在阀杆上存在很小的来自于阀杆衬垫和密封件的摩擦力。因此较小的阀杆也容易密封，因为在密封件上由于减小了的表面积存有较小的作用力。依此阀杆的尺寸最小将由于减小了的操作摩擦力而使得为了运动阀塞所需要的致动器的尺寸也减小。因而减小的摩擦还提供了改善阀塞反应时间和更佳的整体阀门性能。
一个在使用裙部球形阀时固有的问题是，该阀塞是从来不能被完全地从阀座上离开的。结果，裙部材料就妨碍了流动通路并且减小了在完全开启状态中的流量。除了通过减小流动通路的直径使最大流量下降以外，裙部的阻碍作用还有在流动流体中产生旋涡、紊流和压力梯度，其结果导致流体动力的阻力。因此，通过裙部产生的这种阻碍就妨碍了阀门产生最大的流量特性，这种情况也出现在具有同样阀口尺寸的其他阀门类型中。

发明内容
公开了一种裙部导向控制阀，其具有更大的流量，同时保持了与较小的主体尺寸相关的最佳的控制特性。该公开的裙部控制阀当该阀处于完全开启时提供了流线型的流动和在向上流动和向下流动中最小的流动阻力。该裙部阀具有混合(blended)的边缘和在流动通道中被构形(contoured)的表面。更具体地说，该阀具有在裙部阀塞(skirted valve plug)和阀座上被混合的边缘和构形的表面。
在一个具体实施例中，该裙部导向阀具有一带裙部的阀塞，一流体进口，一流体出口和一安置在流体进口和流体出口之间的流动通道。该裙部阀塞可包括一具有第一和第二侧面的盖帽，该第一侧面具有一周边和一在该周边上的弯曲表面，而盖帽的第二侧面被连接到一个管状件上，其构成一具有内表面和外表面的裙部。在裙部上的外侧表面提供一用于与阀座滑动接合的支承表面。在管状件的壁内的通孔形成通道，以当裙部阀塞在开启位置上时使通过该壁的流体流动容易、顺畅。一安置在内表面和外表面之间的窗表面，具有一在与该管状件内表面和外表面的接合处的混合边缘。在另一个具体实施例中，一突起被安置在管状件的内部，以使贴近阀塞流线型流动。被混合的表面和轮廓以及突起都促进了层流式流动，并且减少了阀主体中的旋涡和压力梯度，从而使流体动力的阻力最小以及流量最大。


图1显示裙部导向球形阀；图2是图1的球形阀的裙部阀塞的透视图；图3是图2的裙部阀塞的底视图，显示裙部边缘的各种混合构形；图4描述一具有与阀塞不同部分互相连接的腹板的裙部阀塞；图5显示在阀塞的裙部中具有相对小的穿孔的裙部阀塞；图6描述应用一层叠的圆盘结构制成的裙部阀塞；和图7描述图6的阀塞一部分的放大视图。
具体实施例方式
裙部导向球形阀已被应用在程序控制工业中数十年了。虽然裙部导向阀具有许多优点，但它们也具有严重的缺陷。一个缺陷是，与其他类型的阀相比减小的流量，因为在裙部导向阀中一部分的阀塞从来也不能完全地被缩回离开阀座。在本文中公开的双-向裙部导向球形阀已提高了流量，这是由于在阀门中为了实现流线型的、层流的流动，使表面构形和混合边缘的结果，同时保持了与裙部导向阀通常相关联的效率和可靠性。
图1显示一裙部导向球形阀2具有一阀主体4，一出口6，一进口8(当用在向上-流动的结构中时)以及一裙部阀塞10(在图2中更详细地表示)。出口6和进口8一般具有安装机构如法兰9，以将球形阀2安装到程序系统中。出口6和进口8通过流动通道12相连接，并且裙部阀塞10可移动地安装在流动通道12中，以控制流体通过流动通道12的流动。一环形阀座或座环14提供一导引和密封表面，用于与裙部阀塞10相接合。环形阀座和座环14具有在第一侧面19上的密封表面，当裙部阀塞10处在关闭位置(未示出)时，其与阀塞密封表面18相配合。
混合的边缘38可安置在其中该座环14终止的或与该座环14的孔相交的表面上，例如在座环14底部边缘上。另外，混合的边缘39可安置在例如在进口流动通道6中的用于座环14的孔和流体流动通道12的接合处。混合的边缘38和39提供了流线型的流动，并提高了球形阀2的最大流量。阀座或座环14可以任何公知的或希望的方式以及阀座保持方法固定在阀主体4中，本文中不再描述。
裙部阀塞10包括一盖帽30和一管状件40。该盖帽30具有第一表面33(在图1中示为顶表面)和第二表面34(在图1中示为底表面)。构成裙部阀塞10的裙部分的管状件40连接到盖帽30的第二表面34上。虽然管状件40被描述为圆筒的形状，但是它也可以从它自身去除明显多的材料以在其中形成大的通孔17。在图2的具体实施例中，裙部阀塞10看来更像一个“微型圆咖啡桌”，其中盖帽30是桌顶面而裙部16则是桌子的腿。
管状件40可以是任何其他的管状件，例如管状件带有如图5所示的许多小通孔17或者如图6和7所示的散射型通孔17。在本文中描述的裙部阀塞通过环形阀座14被导引在阀门2中。
现参照图1，该管状件40的壁具有内侧面或内壁表面24和一外侧面或外壁表面22，其支承在环形阀座14上。在操作中，当阀塞10处在开启位置上时流体则流动通过通孔17。窗表面20形成在外壁表面22和内壁表面24之间。一般情况，虽然不是必需地，通过通孔17的流体的至少一部分在基本平行于窗表面20的方向上流动。
在动力流动条件下，裙部阀塞10可以在环形阀座14中径向地运动，并且裙部16可以接触环形阀座14。当流动通过通孔17的高速流体将力矩置于阀塞10上时，环形阀座14提供用于裙部阀塞10的支承。已经发现，在边缘上设置混合的构形，特别是设置在裙部16内侧边缘上将减小在阀塞10上的力矩量。在一典型的应用中，管状件40的支承表面具有一外直径，其比环形阀座14内直径小2-6/1000英寸。在某些情况下，具有阀口直径尺寸超过4英寸或者承受温度超过几百度的阀门可以要求不同的容差。这个间隙使得操作摩擦最小并且仍能提供用于裙部阀塞10的适当的径向支承。裙部导向球形阀2可具有一平衡调整结构(其使得在阀塞每个侧面上的压力均衡，因此为了阀塞关闭需要一个减小的力)或具有一不平衡的调整结构。
图2描述了裙部阀塞10的放大透视图。图1和2中相同的构件具有相同的附图标记。一个称之为柏努利原理的基本物理现象表示，当流动流体遇到减小的横截面时，该流动流体的速度增加。阀塞10的窗口表面20就是这个典型的位置，在这里流动流体具有其最大的速度。如果流体必须流经一粗糙表面或者以高速转过一个锐利角部，那么该流体层将会分离，产生紊流、旋涡流和压力梯度，从而导致流体动力阻力。为了在球形阀2中减小阻力及增加流量，流动流体所遇到的横截面的变化率是通过使阀塞的表面流线型化而被减小，具体地说在那里呈现最大的速度。通过减小横截面的变化率，流体动力的阻力就减小了。
窗表面20存在于管状件40或裙部16的内表面24和外表面22之间，并被混合到内表面24和外壁表面22中，从而贴近窗表面20处提供了层流流动，这又减小了在裙部16上的作用力矩。在向上-流动的条件下，流动流体开始就遇到裙部16的底表面21。底表面21也可以被混合以使流动最佳，并且使得阀塞10的底部更加符合流体动力学。通孔17的周边(轮廓)可构成为使得通孔17的周边不存在任何突然的变化，或者在通孔17的周边中不存在任何“拐角”。具体是，通孔17的周边具有“构形的角部”以代替可测量的角度。
盖帽30具有由周边46限定的顶表面33。构形的表面可安置在盖帽30的周边46上。构形可以是半径、斜面或任何变型的形式，只要它提供一个经过盖帽30周边46的流线型流动即可。所希望的是，经过盖帽30的流体流动当它流过盖帽30时不要过激地改变方向，例如周边46具有锐利边缘如直角时所要求的那样。已经发现，盖帽周边46的轮廓可在向上-流动和向下-流动两者条件下减小流体动力的阻力。
在一个具体实施例中，该盖帽30具有在管状件40内的突起50，以使在管状件40内部的流体流动流线型。该突起50可以安装得相对管状件40基本上同轴，或者为了各种应用它可以一个非-常规的方式安装。突起50的构形表面可实现贴近阀塞10产生层流流动，这就在管状件40和阀门本体2中减少了旋涡、流动分离和急剧的压力梯度。突起50可安装在盖帽30中，或者它也可以采用例如从该突起50到管状件40延伸的叶片或径向元件被安装在管状件40中(未示出)。
在图3中，图2所示的裙部阀塞10的底视图表明了可以在管状件40上实施的不同的混合类型。在图1和3中相同的构件具有相同的附图标记。虽然只表明了三个不同的混合类型，但也可以采用其他的类型，并且不应该认为这些构形限定了本发明的保护范围。第一裙部21具有在内壁表面24和窗表面20之间的交界面上的径向混合构形(radious blend)。第二裙部53的两个边缘以约60度角斜切，并且顶点(在该处两斜切边相交)被混合或倒圆。第三裙部54具有在内表面24和窗表面20之间的交界面上以及在外表面22和窗表面20之间的交界面上混合的边缘。优选方式是在表面交界上制造混合构形，该混合构形比管状件40壁的厚度大。一个具有一半径为大于裙部壁厚度10％的混合构形已被确定其可有效地增加裙部球形阀的流量。因此该混合构形可以通过在边缘(未示出)上安置一个斜面、斜切角或一个不规则的弧来完成，因此就可减少或避免在流动通路上的多个“锐利”角。阀塞10具有一个混合构形，其大于标准的去毛刺工序所得到的混合构形，因为当去毛刺时产生的半径通常小于该壁材料厚度的1/10。
混合构形的任何组合都可以结合在阀塞10上。例如在窗表面20和外壁表面22之间的交界面上的混合构形，可以不同于在窗表面20和内壁表面24之间的混合构形。另外，混合构形半径可以从表面到表面改变，并且甚至可以实质上是椭圆形。
参见图4，腹板件52可置于裙部的内表面24和突起50之间。在图1和4中相同的构件具有相同的附图标记。该腹板件52可以是平面形的(未示出)或者它们可构形为描绘形。腹板件52提供了许多有用的特性，例如使裙部具有刚性并且使贴近阀塞10处的流动流线型。有利的方式是，裙部16在机械加工过程期间以及在涡流的流体流动条件下是刚性的。构形的腹板件52减小了流体动力的阻力，因为基本上在阀塞的管状件40内的所有表面或区域都是在流动流体的直通的流动通道中。这个流体动力的设计方案消除了那些其中流动流体可能集聚、循环、滞留和产生流体动力的阻力的小凹穴或区域。
在图5中表明的裙部阀塞10可以实现在要求最大流量和减小最大噪声的应用中。在图1和5中相同的构件具有相同的附图标记。根据要求的噪声衰减程度和希望的阀门能力，在管状件40中通孔17的总面积可以增加或减少。在裙部阀塞10中该通孔17的数量、尺寸和形状则将影响阀门在负荷时所发出的噪声(音量及音调)。窗表面20的混合构形提高了裙部阀塞10的流体动力特性。另外，管状件40的底部或裙部21的底部被混合构形，突起50被附加到阀塞10上，以提高低噪声阀塞10的流体动力特性。
参见图6和7，其描述了另一低噪声的流体动力阀塞10。在图1和6中相同的构件具有相同的附图标记。管状件40可设置得类似于美国专利US6,244,297中描述的叠层圆盘设计方案，其已转让给Fisher ControlsInternational Inc，.结合在本文中参考。不管在裙部阀塞10的管状件40中通孔17的横截面积如何，对于总的通孔面积，利用如在图7中描述的混合构形和流线轮廓，就可以实现最大的流体流量。
前面所述是本发明优选实施例的详细说明。在不脱离本发明的构思和保护范围，可做出各种各样的改型和增加补充。另外，这种描述仅仅意味着作为本发明的示范性的例子，而决不是限制本发明的保护范围。
权利要求
1.一种流体控制阀，包括一具有一安置在流体入口和流体出口之间的流体通道的阀主体；一在流体通道中的环形阀座；一可移动地安装在该阀主体中的阀杆；一连接到阀杆上并且可在开启位置和关闭位置之间移动的阀塞，该阀塞包括一具有第一和第二侧面的盖帽，所述第一侧面具有第一周边和在第一周边上的弯曲表面，第二侧面适合于当阀塞处在关闭位置上时坐靠到环形阀座上；和一连接到盖帽第二侧面上的管状件，该管状件具有一内表面，一外表面，其提供一用于和环形阀座滑动接合的支承表面；以及具有至少一个由安置在内表面和外表面之间的窗表面限定的通孔；该至少一个通孔允许当该阀塞处在开启位置上时在内壁和外壁之间的流体通过，所述窗表面在与内表面的连接处具有混合的边缘。
2.按照权利要求1的流体控制阀，其中所述窗表面在与外表面的连接处被混合构形。
3.按照权利要求1的流体控制阀，其中所述管状件具有厚度，并且混合的边缘具有由一半径限定的曲率，该半径大于管状件壁厚度的1/10。
4.按照权利要求3的流体控制阀，其中所述管状件具有厚度，并且混合的边缘具有由一半径限定的曲率，该半径大于管状件壁厚度的1/10。
5.按照权利要求1的流体控制阀，其中还包括一在管状件内的突起。
6.按照权利要求5的流体控制阀，其中还包括至少一个腹板件，其将管状件连接到突起上。
7.按照权利要求6的流体控制阀，其中至少一个腹板件是构形的表面。
8.按照权利要求1的流体控制阀，其中所述管状件具有第三表面，其离盖帽最远，并且该第三表面具有混合的构形，在这里第三表面与管状件的内表面相交接。
9.按照权利要求1的流体控制阀，其中至少一个通孔具有横截面积，该横截面积具有第二周边，该第二周边具有半径的构形。
10.按照权利要求1的流体控制阀，其中所述阀座还包括第一表面和第二表面，其中该第一表面具有密封表面，第二表面具有构形。
11.按照权利要求1的流体控制阀，还包括一安置在流体进口和流体出口之间的通孔，该通孔适合于接纳环形阀座，并具有在流体进口和环形阀座之间的混合的边缘。
12.一种流体控制阀，包括一具有一安置在流体入口和流体出口之间的流体通道的阀主体；一在流体通道中的环形阀座；一可移动地安装在该阀主体中的阀杆；和一连接到阀杆上并且在开启位置和关闭位置之间可移动的阀塞，该阀塞包括一具有第一和第二侧面的盖帽，该第一侧面连接到阀杆上，该第二侧面适合于当该阀塞处在关闭位置上时坐靠到环形阀座上；一在第二侧面处同轴地连接到盖帽上的管状件，所述管状件具有一带有内表面和外表面的壁，以及至少一个通孔，以允许流体通过该壁流动；以及一贴近盖帽第二侧面安装的突起。
13.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述突起伸入到管状件中。
14.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述突起具有小于管状件内表面直径的最大直径。
15.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述突起呈圆锥形状。
16.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述通孔具有在内表面和外表面之间的窗表面，以及混合的边缘，在此处窗表面与外侧表面相交接。
17.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述突起同轴安装到管状件。
18.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述阀塞的底表面被混合构形。
19.按照权利要求12的流体控制阀，其中所述通孔具有在内表面和外表面之间的窗表面，以及混合的边缘，在这里窗表面与内表面相交接。
20.按照权利要求12的流体控制阀，其中还包括一安置在流体进口和流体出口之间的通孔，该通孔适合于接纳环形阀座，并具有在流体进口和环形阀座之间混合的边缘。
全文摘要
一种裙部导向控制阀(2)，当该阀处在开启时，在向上流动和向下流动中提供流线型的流动和最小的流动阻力。裙部导向控制阀具有一流体进口(8)，一流体出口(6)，一安置在流体进口和流体出口之间的通道(12)，一阀座(14)和一带有裙部(16)的阀塞(10)。阀座和阀塞的裙部包括混合的边缘(38)和构形的表面(22)，以提供流线型流动。
文档编号F16K47/04GK1668869SQ03816613
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年7月17日
发明者威廉·E·韦尔斯, 戴维·G·哈尔姆 申请人:费希尔控制国际公司