阀内件组件的制作方法

1.本公开内容总体上涉及流体流动控制设备，更具体地，涉及既改善阻流性能又提高流过其中的流体的体积流量的向下推打开的高恢复阻流阀。


背景技术：

2.过程控制系统通常包括用于控制各种过程参数的各种部件。例如，流体过程控制系统可包括用于控制流过该系统的流体的流速、温度、和/或压力的多个控制阀。最终产品依赖于这些参数的控制准确度，其转而依赖于控制阀的几何结构和特性。例如，专门地设计和选择控制阀以提供特定的流动容量和压力变化。当损害这些特性时，可能会影响最终产品的质量。
3.在一些应用(例如，燃气轮机应用)中，提供可在受抑制的流动状况下操作的控制阀可能是有必要的。当流过控制阀的流体速度达到音速或超音速时(例如，对于流过用于燃气涡轮发电应用的控制阀的燃料，大约马赫数1或马赫数2.19)，发生受抑制的流动。
4.图1示出了可在受抑制的流动状况下操作的控制阀100的一个已知示例。如图所示，该控制阀100包含阀体104和布置在阀体104中的内件组件108。阀体104限定通过环形的阀端口120连接的入口112和出口116。内件组件108包括座环124、座环保持器128、以及阀塞132。座环124布置在阀端口120中。座环保持器128抵靠座环124落座，以将座环124保持在阀端口120内的适当位置。阀塞132可移动地与座环124相互作用，以控制穿过阀端口120(以及因此控制阀100)的流体流动。
5.然而，已知的流动控制阀100遇到很多问题。由于流过阀端口120的流体倾向于采用最小阻力的路径(即，最容易的路线)，因此，相比于阀端口120的后部144(与前部136相对)而言，流过阀端口120的大部分流体倾向于在阀端口120的周边的前部136(其最靠近座环124的前侧140和阀塞的前侧)处流过阀端口120，或者穿过阀端口120的周边的前部136流过阀端口120。换句话说，当流体从入口112穿过阀端口120流到出口116时，流体没有均匀地分配到阀塞132和阀端口129的周边和分配在阀塞132和阀端口129的周边附近。由于这种不均匀的分配，产生了漩涡效应，由此在阀端口的后部144处流过阀端口120的流体在实际进入和流过阀端口120 之前多次改变方向。这种在方向上的改变使得流速下降，相对于在前部136 处流过阀端口120的流体的压力而言，这还减小了流体的压力，从而引起跨已知的控制阀100的不平衡的速度分布(velocity profile)和不平衡的压力分布(pressure profile)。


技术实现要素：

6.为了解决常规控制阀存在的上述问题，本实用新型提供了阀内件组件。本实用新型提供了一种阀内件组件，被配置为设置在流体流动控制阀中，该阀内件组件包括：适于设置在流体流动控制阀的流体通路中的阀座。阀座包括环形凸缘和与该环形凸缘间隔开的落座表面。阀内件组件附加地包括流体控制构件，该流体控制构件能够相对于阀座移动，以控
制穿过流体通路的流体流动，其中，通过使流体控制构件移动远离阀座的环形凸缘，流体控制构件能够从闭合位置和打开位置移动，在闭合位置，流体控制构件密封地接合阀座的落座表面，在打开位置，流体控制构件与落座表面间隔开。
7.在一些示例中，流体控制构件包括第一直径和大于所述第一直径的第二直径，其中，阀座包括第一会聚-发散管口，并且其中，流体控制构件的第二直径能够移动地设置在该会聚-发散管口的发散部内。
8.在一些示例中，阀座还包括邻近第一会聚-发散管口并且在第一会聚
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发散管口的下游设置的第二会聚-发散管口。
9.在一些示例中，第二会聚-发散管口比第一会聚-发散管口长。
10.在一些示例中，流体控制构件还包括小于第一直径、在第一直径和第二直径之间设置的第三直径。
11.根据本实用新型的阀内件组件，可以改善流体控制阀的阻流性能，并且提供了更佳的体积的流体流动控制。
附图说明
12.本公开内容的特征被认为是新颖的，本公开内容的各特征将具体在所附的权利要求中进行阐述。参考以下结合附图的描述可以最好地理解本公开内容，其中在一些图中类似的附图标记标识类似的元件，其中：
13.图1是可在受抑制的流动状况下操作的常规控制阀的横截面视图；
14.图2是根据本实用新型的教导构造的高恢复的流体流动阻流阀的第一示例的横截面视图，该流体流动阻流阀处于闭合位置；
15.图3与图2类似，但示出了处于打开位置的高恢复的流体流动阻流阀；
16.图4是根据本实用新型的教导构造的高恢复的流体流动阻流阀的第二示例的横截面视图；以及
17.图5是根据本实用新型的教导构造的高恢复的流体流动阻流阀的第三示例的横截面视图。
18.附图仅出于说明的目的描绘了优选的实施例，并且不必按比例绘制。本领域技术人员将容易地从以下论述中认识到：在不脱离本文所描述的本实用新型的原理的情况下，可以采用本文所示出的设备的替代实施例。
具体实施方式
19.本公开内容涉及高恢复的流体流动阻流阀(choke valve)，其提供改善的受抑制流动性能和受控的穿过其中的体积流率。高恢复的流体流动阻流阀是向下推打开(push-down-to-open)的阻流阀，其被设计为提供比如图1 所示的控制阀100的常规流体控制阀更低的抑制点。因此，通过所公开的流体流动阻流阀的流体被更均匀地分配穿过限制点。穿过限制点的更加均匀的流体流动改善了流体控制阀的阻流性能，并且提供了更佳的体积的流体流动控制。例如，与诸如控制阀100的常规控制阀相比，均匀的流体流动提供更低的总体压降。
20.图2是根据本实用新型的教导构造的流体流动控制阀200的横截面视图。流体流动
控制阀200是向下推打开的高恢复阻流阀，其总体上包括阀体202、耦接到阀体202的阀内件组件204、以及耦接(例如，紧固)到阀体202的阀盖组件206(在图2中仅示出其小部分)。尽管未示出，如本领域已知的，阀盖组件206可包括阀填料、一个或多个填料环、以及一个或多个填料凸缘。
21.阀体202具有入口208、出口210、以及在入口208和出口210之间的流体通路212。在该示例中，入口208和出口210具有大致环形的横截面。如图2中所示，在该示例中，入口208沿入口轴线214定向，并且出口210 沿与入口轴线214垂直的出口轴线216定向，以使得出口210垂直于入口 208。在其他示例中，出口轴线216可与入口轴线214平行或同轴，以使得出口210与入口208平行或者同轴。
22.阀内件组件204总体上包括阀座220、流体流动控制构件222、以及阀杆224，阀杆224耦接到流体流动控制构件222并且穿过阀盖组件206。在示出的示例中，阀座220设置在流体流动控制阀200的流体通路212中，并且延伸穿过出口210且延伸出出口210(以及阀体202)。阀座220包括环形凸缘226和与环形凸缘226间隔开的落座表面228。如图2的示例中所示，环形凸缘226将阀座220连接到阀体202。尽管在本文中未示出，一个或多个密封元件可设置在环形凸缘226和阀体202之间，以便实现阀座220 和阀体202之间的密封。
23.如图2中所示，该示例中的阀座220包括在落座表面228上游的第一会聚-发散管口(convergent-divergent nozzle)230a。第一会聚-发散管口230a 由第一座部232a和第二座部232b形成，第一座部232a从第一直径234a 会聚到小于第一直径234a的第二直径234b，第二座部232b邻近第一座部 232a(并且在第一座部232a的下游)，并且从第二直径234b发散到大于第二直径234b的第三直径234c。第二座部232b还承载或限定在第二直径234b 和第三直径234c之间的落座表面228。除了形成第一会聚-发散管口230a，第一座部232a和第二座部232b还大致形成文丘里管(venturi tube)。在该示例中，第二座部232b具有与第一座部大约相同的长度(以沿着出口轴线 216的方向测量)。然而，在其他示例中，第一座部232a可比第二座部232b 长或短。
24.如图2中还示出，在该示例中的阀座220还包括第二会聚-发散管口 230b，其在第一会聚-发散管口230a的下游并且与第一会聚-发散管口230a 邻近。第二会聚-发散管口230b由第三座部232c形成，第三座部232c从第三直径234c会聚到小于第三直径234c的第四直径234d。在该示例中，第四直径234d大于第二直径234b。第二会聚-发散管口230b还由第四座部 232d形成，第四座部232d与第三座部232c邻近并且从第四直径234d发散到大于第四直径234d的第五直径234e。第三座部232c和第四座部232d也大致形成文丘里管。如图2中所示，在该示例中第二会聚-发散管口230b 比第一会聚-发散管口230a长(以沿着出口轴线的方向测量)。在其他示例中，第一会聚-发散管口230a可以比第二会聚-发散管口长或者这两个会聚
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发散管口可以是相同的长度。
25.流体控制构件222(其例如采用阀塞的形式)可相对于阀座220和阀体 202移动，以控制穿过流体通路212的流体流动。阀杆224由例如致动器(未示出)致动，以使流体控制构件222在闭合位置(在图2中示出)和打开位置(在图3中示出)之间移动，在闭合位置，流体控制构件密封地接合阀座220的落座表面228，在打开位置，流体控制构件222与落座表面228 间隔开。重要的是，流体控制构件从闭合位置到打开位置的移动是通过使流体控制构件222移动远离阀座220的环形凸缘226(并且远离入口208和阀盖组件206)来实现的。因此，当流
体流动控制阀200处于图2中示出的定向时，该方式下的流体控制构件222的移动将流体控制构件222“向下”从闭合位置移动到打开位置(因此这是流体流动控制阀200在本文中被称为向下推打开的阻流阀的原因)。相反地，流体控制构件222从打开位置到闭合位置的移动是通过将流体控制构件222朝着环形凸缘226(并且朝着入口108和阀盖组件206)移动来实现的。因此，当流体流动控制阀200处于图2中示出的定向时，该方式下的流体控制构件222的移动将流体控制构件222“向上”从打开位置移动到闭合位置。
26.流体控制构件222总体上具有本体部262、渐缩部264、鼻部266、以及被限定在渐缩部264和鼻部266之间的密封表面268。本体部262具有有着第一直径280的大致圆柱形。同时，渐缩部264在进一步朝着鼻部266 向后发散前从本体部262会聚，以使得密封表面268具有大于(本体部262 的)第一直径280的第二直径282。鼻部266进而朝着在流体控制构件222 的远端271处限定的尖部270会聚。
27.在一些示例中，诸如在图2中示出的示例，阀内件组件204还包括座环保持器272，其抵靠阀座220落座，以将阀座220保持在阀体202内的适当位置。在该示例中，座环保持器272包括阀裙(valve skirt)274和从阀裙274向下延伸并且接合阀座220的环形凸缘226的多个腿部276。在一些示例中，腿部276被设计为将环形凸缘226和阀裙274分离，以在流体通路212中创建大的流动区域。附加地，腿部276可具有翼型横截面形状，以将流体阻力减小到最低并且阻止周向的流动。座环保持器272可包括三个到十二个之间的腿部。
28.如上文所论述的，在操作中，流体控制构件222可在图2中所示的闭合位置和在图3中所示的打开位置(其在闭合位置的下游)之间移动。更具体地，当流体控制构件222在闭合位置和打开位置之间移动时，渐缩部264、鼻部266、以及密封表面268可移动地设置在阀座220内。当流体控制构件222处于闭合位置时，密封表面268密封地接合阀座220的落座表面228，并且鼻部266部分地设置在第一会聚-发散管口230a的第二座部 232b内并且部分地设置在第二会聚-发散管口230b的第一座部232c内。此外，当流体控制构件222处于闭合位置时，流体控制构件222的远端271 被设置在阀座220的第二直径234b和第四直径234d之间。因此，流体控制构件222的远端271至少部分地设置在阀体202的外部。相反地，当流体控制构件222处于打开位置时，密封表面268在阀座220的落座表面228 的下游，并且鼻部266大致地设置在第二会聚发散管口230b的第一座部 232c内。此外，远端271设置在阀体202的外部。附加地，应该理解的是，渐缩部264具有小于第一直径280和第二直径282的第三直径284。因此，第一直径280和第三直径284可以穿过阀座220的第二直径234b，但是第二直径282不可以。
29.如在图3中最佳地示出，流体控制阀200还包括多个流体流动限制部，其用于在流体控制构件222处于打开位置时限制流体流动。在该示例中，流体控制阀200包括由第二直径234b限定的第一流体流动限制部312，以及设置在流体控制构件222和第二座部232b之间的第二流体流动限制部 314。因此，在该示例中，第二流体流动限制部314具有环形横截面区域并且提供了比第一流体流动限制部312更小的横截面区域。因为第二流体流动限制部314提供了比第一流体流动限制部312更小的横截面区域，第二流体流动限制部314是流动抑制点。附加地，流动抑制点314比典型地位于诸如阀100的常规流体控制阀中的流动抑制点更为下游，以使得穿过流体通路212的流体在流体控制构件222周围更加均匀地分配。与常规的流体控制阀相比，更加均匀的流动改善了阀的效率。在该示例中，流体控制阀200还
包括第三流体流动限制部316，其可由第四直径234d限定或可由在远端271和第四直径234d之间的横截面区域限定。
30.当流体控制构件222处于图3中示出的打开位置时，阀内件组件204 提供了平滑和延伸的流动通道几何结构，其改善了流体控制阀200的性能。平滑和延伸的流动通道几何结构在抑制点(即第二流体流动限制部314)之前提供了缓慢压缩，并且在抑制点之后提供了平滑的扩张。例如，渐缩部 264提供了穿过流体控制阀200的流体流动的平滑的收缩和扩张。附加地，抑制点在阀座220中更低(例如，与流体控制阀100相比)，这还改善了流体控制阀200相对于比如流体控制阀100的常规阀的性能。平滑和延伸的流动通道可附加地成角度，如在该示例中通过第三座部232c的方式，或者可被弯曲以进一步控制流动扩张。如此配置，流体控制阀200相对于诸如流体控制阀100的常规阀提供了改善的控制和压力损失性能。
31.图4示出了根据本实用新型的教导构造的流体流动控制阀400的替代示例。图4的流体流动控制阀400与流体流动控制阀200大致类似，因为流体流动控制阀400是向下推打开的高恢复阻流阀，并且包括阀体402、耦接到阀体402的阀内件组件404、以及阀盖组件406(在图4中仅示出其小部分)。阀体402和阀盖组件406分别与阀体202和阀盖组件206相同。
32.然而，不同于阀内件组件204，阀内件组件404包括平衡的流体控制构件450(例如，平衡塞)。平衡的流体控制构件450具有平衡孔452，其提供在平衡的流体控制构件450的远端462和平衡的流体控制构件450的近端464之间的流体连通。因此，在平衡的流体控制构件450下游的压力作用于平衡的流体控制构件450的远端462和近端464两者。这进而将流体控制构件450的相对端上的压力差减小到最低，以使得流体控制构件450 不受流体流动的力影响。附加地，作用在流体控制构件450的中立的流体力大大降低了用于致动平衡的流体控制构件450所需的力(以及因此，能量)。此外，由于流体控制构件450包括平衡孔452，因此平衡的流体控制构件450附加地包括密封组件470，密封组件470由流体控制构件450的外表面承载。例如，密封组件470可包括一个或多个密封件(例如，o型环)、一个或多个衬套、一个或多个轴承、其他合适的元件、或其组合。因此密封组件470阻止已经流过平衡孔452的流体在流体控制构件450的外表面和座环保持器472(其与座环保持器272相同)之间流动。
33.图5示出了根据本实用新型的教导构造的另一替代的流体控制阀500。流体控制阀500与流体控制阀200大致类似，因为流体流动控制阀500是向下推打开的高恢复阻流阀，并且包括阀体502、耦接到阀体502的阀内件组件504、以及阀盖组件506(在图5中仅示出其小部分)。阀体502和阀盖组件506分别与阀体202和阀盖组件206相同。
34.然而，阀内件组件504包括与阀座220不同的阀座520。首先，阀座 520包括在阀座520中(例如，远离入口504)比在阀座220中设置的更低的落座表面524。阀座520和更低的落座表面524是替代的设计方案，其相较于流体控制阀200或流体控制阀400，提供了在不同的阀行程处不同的阻流性能。其次，阀座520仅包括单个会聚-发散管口528。如图所示，会聚
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发散管口528承载或限定落座表面524。与会聚-发散管口230a相比，会聚
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发散管口528提供了更长的、更平滑的流动几何结构。如图5中所示，会聚-发散管口528具有邻近发散部526b设置的会聚部526a，并且会聚部526a 比发散部526b长。然而，在其他示例中，会聚部526a可以与发散部526b 是相同长度或者比发散部526b短。
35.流体控制阀500还包括流体控制构件530。通过使流体控制构件530 以类似于流体
控制构件222的移动的方式移动，流体控制阀500能够在打开位置和闭合位置之间致动。如图5中所示，流体控制阀500设置在闭合位置，但是通过致动流体控制构件530远离密封表面524，其在所描绘的定向中从密封表面524“向下”移动流体控制构件530，可以打开流体控制阀500。类似于流体控制阀200，当流体通过流体控制阀500和抑制点时，这提供了平滑的流动收缩和扩张。
36.申请人已经验证了本文所描述的流体控制阀的改善的性能。以下的表格1示出了在阀的高百分比行程下流体控制阀200或者在阀的低百分比行程下(例如，10％和90％)流体控制阀500的改善的性能。已经观察到，流体控制阀500对于较低的行程具有较好的压力差，而流体控制阀200对于较高的行程具有较好的压力差。
[0037][0038]
表格1
[0039]
最后，尽管本文所描述的流动控制阀200、400、和500能够操作用于抑制流体流动，但是应该理解的是，本公开内容的原理可应用于不抑制流体流动的流体流动控制阀。