专利名称：降压补偿直动作用的压力调节阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体压力膜片调节阀，特别适用于天然气和液化石油气(液化石油或丙烷)设施中的气体压力调节阀。
气体压力膜片式调节阀在技术上是公知的。在这种阀中，有一个阀芯膜片和与之相配的阀座被安置在流道的上游和下游的之间，通过改变阀门的开口，也就是阀芯膜片从与之相配合的阀座离开的位移量，来控制下游段气体的压力和流量。在输送由负载而定的气体需要量时，通过调节阀门的开口，实现气体压力和流量的调节，从而保持所需的下游压力。通用的，低成本的单级调节阀通常包括一个膜片，该膜片对下游压力起到测量和传送装置的作用，上述的下游压力作用在膜片的一侧，以克服相对侧可调整的调节弹簧的力。弹簧力最初使膜片和相接的推杆连接机构保持在使阀芯膜片从阀座上缩回这样一种位置上。当引入上游压力时，气流将通过阀座与阀芯的开口进入阀装置的下游方。下游方的压力作用在膜片上，使膜片克服相对侧的弹簧力，而使推杆机构运动，并使阀芯膜片处于靠近阀座的位置。在这种方式中，当弹簧的加载力和作用在膜片上的下游压力产生的力达到力平衡时，对于调节弹簧加载的调整便决定了下游的控制压力。连接机构提供的机械增益，通过由很低的下游控制压力作用的小膜片，使阀芯膜片相对于阀座关闭，尽管有较高的压力作用使阀芯膜片开启。
所有的单级调节阀在其压力流量特性上一般都具有被称作“降压”的作用。降压包括两个原因，一个是由于膜片位移时弹簧的长度改变，故由调节弹簧产生的作用力也有了小的变化;另一个原因是，当膜片移动时，膜片有效面积有了非常轻微的改变。这些作用的合成，降低了下游控制压力，而流量增加了。所以，压力被称作“降压”了。一个相对简单、便宜和有效的部分解决方法就是使用“增速器”给膜片提供一个比被控制的下游压力略低一些的压力。这种作用产生了较大的阀门开口和较高的气体流速。增速器可以用一个毕托管来实现，该毕托管被装在阀中的过流断面收缩处检测较低压力;或者，通过一个增速管来实现，该增速管在与膜片相连接的阀腔内，产生较低压力而具有增加的流速。通过对阀腔的抽吸把有效压力降低在被控制的下游压力以下的其它方法也可被考虑。
应该注意到，在民用气体装置中，下游压力必须保持在极低的水平上，对于天然气和液化石油气装置，一般需要17.8～27.9cm的水柱压力的量级。相应地，在入口或上游的压力可能需要20.7Kg/cm2或更高些。为消除下游系统中可能出现的严重过压状态，以及在民用场合，减少指示灯熄灭的烦恼(和可能的危险)，需要良好的压力卸荷控制。但是，大多数民用场合中，对气体压力调节器的要求，使得有必要对于一个简单机械装置在设计上采取折衷方案。例如，连接机构所固有的摩擦，滞后或间隙，将会降低与调节性能的一致性。如前所述，弹簧和膜片作用的结合会引起输出压力下降。这个压差将通过某个进口压力或有限的流动范围，由某个增速方法来克服。固定的机械增益连接机构对克服这个压差不起任何作用。在许多通用的技术例子中，卸荷阀被包含在致动器壳体中，而该壳体与装有阀座的壳体相分离，在达到卸荷阀泄出之前，迫使过压的下游气体流经防护通路。
本发明的气体压力调节阀通过一个特别的凸轮推杆和节流管的结合克服了这些限制，节流管是一个带整体加速管的阀座。凸轮推杆的特征即外形具有凸轮轮廓，它由调节弹簧和膜片直接控制，用来沿直线移动一个阀芯膜片，在无任何连杆机构的情况下，以非线性方式与阀座进行或脱离配合。当需要将阀芯膜片相对阀座关闭时，凸轮推杆提供了较高的机械增益，而在完成快速地非线性的阀芯膜片的开启时，则表现出较低的机械增益，从而机械地导致了增速作用，并且在整个流动情况下，保持所需要的下游控制压力。节流管通过引入由流体作用的增速器，在下述情况下对调节的一致性提供帮助，即由增速器的形状轮廓决定节流管的端部和调节阀出口之间的间隔，该间隔又依次控制膜片空腔的抽吸，上述膜片空腔也是调节阀下游压力的测量元件。这种结构允许膜片暴露在一个大容积的流体腔室内，并且与凸轮推杆的一个大面积的卸荷支座连接在一起，提供极好的过压保护即卸荷性能。根据本发明的这种直动式压力调节阀，通过简单地改变预定的、可调整的卸荷阀弹簧和调节弹簧的载荷，就既适用于天然气也适用于液化石油气装置的使用。
本发明的首要目的是提供一种新颖的气体压力调节阀。
本发明的另一个目的是提供一种低成本，高性能的直动式单级气体压力调节阀。
本发明的再一个目的就是提供一种改进的单级气体压力调节阀。
在阅读完下面的附图及其说明后，本发明的目的及优点将是显而易见的，其中
图1是根据本发明的调节阀结构的截面图;
图2是表示本发明调节阀中的凸轮推杆、增速管和直线移动的膜片保持架特征的局部放大图;
图3是图2结构的俯视图;
图4是关于图2和图3结构的局部剖切透视图;
图5是沿图2中5-5线的局部视图;
图6是图3结构的侧视图。
参见图1，一个调节阀10包括一个弹簧壳体12，它按常规方式安装在调节阀阀体即下部壳体14上，例如，该壳体有沿其周边的连接法兰，通过合适的螺纹紧固件和与之相啮合的螺纹孔将法兰夹紧，这些细节没有在图中表示。弹簧壳体12限定了上腔16，阀体14限定了大容积的下腔18。隔开这两个腔的是一种弹性体，一般是固定在一个大直径膜片圆盘21上的环状隔膜20，膜片20的环形外侧周边被弹簧壳体12和阀体14的法兰夹紧。采用任何适当的方法，将膜片20的内侧周边部分与膜片圆盘21的外侧边缘牢固连接。膜片圆盘21包括布置在中心且直立的圆柱形套环19。本领域的技术人员可以理解到，膜片圆盘不是实心的，而是限定了多个大孔，正常工作时，上述孔由一个较大的面积的，通常为杯状的并与凸轮推杆26连成整体的卸荷支座30来密封。卸荷支座可以简单地与凸轮推杆26牢固连接。凸轮推杆26包括一个以螺纹段结尾的圆柱形支柱28，膜片圆盘21的套环19可滑动地安装在支柱28上。通过夹紧在圆柱形套环19和调节螺母48之间的可调节卸荷弹簧46提供的压力，使膜片20的下侧面与卸荷支座30形成密封，上述调节螺母与支柱28的螺纹段相啮合。卸荷弹簧46可以进行调节，以使在正常工作压力下，膜片圆盘21相对于凸轮推杆26并不运动，因而，卸荷支座30仍然保持与膜片20相贴合。
当膜片与卸荷支座相贴合时，从阀体14到弹簧壳体12之间就没有通路了。当处在过载状态下，膜片圆盘21相对于凸轮推杆26被向上驱动，使膜片20与卸荷支座30之间的密封被破坏，并且从环绕卸荷支座30的下腔18产生的气流，通过膜片圆盘21本体上的大孔(图中没有表示)到达上腔16中。
弹簧壳体12的上部被一个密封顶盖40所封闭。一个可进行调整的调节弹簧36被夹紧在膜片圆盘21和上部的弹簧座39之间，通过旋转一个可调节的螺旋38可使该弹簧座垂直移动，以增加或减少由调节弹簧36施加在膜片圆盘上的力。顶盖40包括一个向下凸出的行程止动挡块42，来限制凸轮推杆26的向上移动，万一阀门机构发生严重损坏，强迫调节阀进入卸荷工作状态，如中断气体供应量时未能关闭阀门，以及不能够通过正常的卸荷操作对由此产生的过载进行卸荷。弹簧壳体12还限定了卸荷开口44，通过该出口使上腔16与外部环境相通。
调节阀体14包括进口22和出口24，上述的进口和出口可通过螺纹将调节阀连接到通有气流的管道(未表示)上。进口22和出口24最好沿轴向对正，如图所示，以对管道中的气体提供一个相对直通的流道。凸轮推杆26以推杆端部32结尾，该推杆端部32具有一个正面凸轮轮廓即表面33和一个相似的反面凸轮轮廓即表面34。推杆端部32从圆柱形节流管50上一般呈矩形的开口中穿过，该节流管的长度占据了进口22和出口24之间间隔距离的相当一段。节流管50被固定在阀体14上，并且通过一个“0”形圈54与进口22的内壁形成气密封。节流管内有一个锥形段51，用以提供一个入口通道并形成一个圆环状的阀座52。节流管50还有增速延伸端56，对经过这里的气流产生增速作用，通过对阀腔中流速的抽吸，使作用在膜片20上的压力比出口24中存在的压力略微低一些。一个阀芯膜片60被安装在膜片保持架58上，该保持架在节流管内，随着与其成直角的凸轮推杆26的垂直位移而水平移动。这将通过膜片保持架58上凸轮随动器的表面62和63与凸轮推杆端部32的前凸轮表面33的配合来完成。可以参见其它的附图看出，膜片保持架58在节流管中沿轴向的直线位移由节流管内的一对槽来限制，其中的一个槽70表示在图1中。一个偏置弹簧64与推杆端部32的后凸轮表面34相配合，用来克服阀工作时的滞后影响。
需要注意的是，膜片20的下侧面与进口22和出口24之间存在的流道直接相连。该结构与一个位于凸轮推杆26上的较大的卸荷支座30连在一起，当出口或下游的压力突然增高时，上述结构能够快速有效地将高压卸荷。如上所述，还应该注意的是，凸轮推杆26的垂直位移被直接转换成相对于阀座52的阀芯膜片的水平直线位移。由于没有连接机构，即连杆和轴销，也就没有摩擦损失和机械运动。因而根据本发明所设计的结构，一种结构简单，成本低的直动调节阀，能严格控制输出的压力和流量，并具有良好的压力卸荷能力。
参见图2～6，它们揭示了本发明的进一步的细微结构。在局部放大视2中，切开的膜片保持架58清楚地显示出阀芯膜片60。该膜片最好是由合成橡胶一类的弹性材料制成，并保持在膜片保持架58前端一个合适的槽中。膜片保持架58通常为带有一段被切除部分的圆柱体，上述的切除部分由一对内表面相互平行的侧壁72和74，后壁76及由凸轮随动器表面62和63所限定的前壁所组成。后壁76延伸至槽66中，偏置弹簧64的一端被固定在上述槽中，该弹簧弯曲的头部65与凸轮推杆26的推杆端部32上的后凸轮轮廓34弹性地配合。膜片保持架58有四个外伸端即翼57，每侧有两个，它们与节流管50内表面上一对径向相对的槽68和70相配合，来限定膜片保持架58在节流管内沿轴线向直线移动。第一和第二安装接耳55被布置在节流管50的前端，该接耳还包括安装小孔55a，用来将节流管固定在调节阀的下部壳体14内。
如图所示，凸轮随动器表面62和63是扁平的而且相互构成一定角度。凸轮随动器表面与凸轮推杆26上的前凸轮轮廓33相啮合，用以移动膜片保持架58，从而控制阀座52与阀芯膜片60之间的流量开口。凸轮轮廓33的外形和凸轮随动器表面62和63提供了近似41的力增益，以利于阀芯膜片在需要时稳定地闭合，并降低至近似21的机械增益，以利于在流动状态下的调节稳定性和容量。
如前所述，在上游压力和下游负载改变时，在调节中，由变化量带来的滞后和机械偏差是一难点，而这个难点在本发明的结构中被这样解决了，即在该结构中提供一个具有相似轮廓的，在凸轮推杆26端部32的后端的凸轮轮廓34。偏置弹簧64的弯曲65顶在该凸轮轮廓面34上，始终推动凸轮表面33与凸轮随动器表面62和63之一相配合。这就消除了滞后因素，从而在负载周期性变化和进口压力改变时，提供与这种变化相一致的调节性能。
调节器最好用重量较轻、但是高强度的材料制造，以符合它的造价设计目标。凸轮推杆，节流管和膜片保持架可由自身固有较好自润滑性的工程树脂或类似的重量轻，强度高，低摩擦的其它材料制成。膜片可由任何己知的可用于这种用途的弹性材料来制造。凸轮推杆和卸荷支座最好被压制成一个单件。同样，阀座也可做成一个单独的插件，或如图所示，与节流管的一部分结合成一个整体。对于本领域的技术人员来说很明显，改变阀座52上阻尼孔直径和凸轮表面的轮廓以及变更节流管的长度和尺寸，可使制造者能提供一个单级的、低成本的气压调节阀，它可以满足广泛的场合和工作状况。
应该指出，对于本领域的技术人员，在所述的发明基础上，进行没有脱离其实质和范围的许多改进是显而易见的。本发明仅限于权利要求书限制范围。
权利要求
1.一个具有一个进口和一个出口的降压补偿调节阀包括膜片机构；向上述膜片机构的一侧提供调节力的机构；与上述进口相接的阀机构，包括一个阀座和一个可移动的阀芯膜片机构，所述的阀芯膜片机构在直线上移动与所述的阀座形成或脱离啮合；与所述膜片机构相连接的推杆机构，它具有一个凸轮轮廓用来调节响应于所述膜片机构的位移的，阀芯膜片机构相对于阀座的位置；与所述的出口相连接的增速机构，用来向所述膜片机构的另一侧提供压力。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于所述的阀机构包括一个支承所述阀座的节流管，而所述的增速机构包括了所述节流管的一个延伸端。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述节流管包括一导向机构，而所述的可直线运动的阀芯膜片机构包括一个具有与所述凸轮轮廓相配合的凸轮随动器表面的膜片保持架和一个阀芯膜片，所述的导向机构与所述膜片保持架配合来限制所述膜片保持架沿所述节流管轴线的直线运动。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于所述的凸轮轮廓面把响应所述膜片机构的位移量按非线性比例传递给所述膜片保持架。
5.根据权利要求4的装置，进一步包括与所述节流管直接流通相连的压力卸荷机构。
6.根据权利要求5的装置，进一步包括偏压机构，用来保持所述的凸轮轮廓面与所述的凸轮随动器表面相配合。
7.根据权利要求6的装置，其特征在于所述推杆机构包括一个推杆端部，所述推杆端部在其一侧限定了一凸轮轮廓面并在其相反侧限定了一相似的凸轮轮廓面，而所述的偏压机构包括一个连接在所述膜片保持架和所述的相似凸轮轮廓面之间的一个偏置弹簧，以使所述的凸轮轮廓面与所述的凸轮随动器表面保持配合。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于所述导向机构包括一对在所述节流管内沿径向相对的槽，而所述的膜片保持架包括与所述槽相配合的多个象翼一样的延伸端。
9.一个降压补偿气体调节阀包括一个弹簧壳体和一个下部壳体;一个插在所述弹簧壳体和下部壳体之间的膜片;一个在所述弹簧壳体中向所述膜片的一侧加载的调节弹簧机构;一个与所述膜片相连的推杆，它有一个伸进所述下部壳体的成型的端部;在下部壳体中沿轴向对准的一个进口和一个出口;一个放置在进口的阀座;一个用来固定阀芯膜片的机构，沿直线移动，以便与所述阀座形成或脱离配合;一个用来把所述的成型的推杆端部与阀芯膜片固定机构连接在一起的机构。
10.根据权利要求9的装置，进一步包括支承所述阀座的一个节流管，该节流管具有一个放置在所述出口附近的一个增速延伸端，用来控制向所述膜片的另一侧提供的压力。
11.根据权利要求10的装置，进一步包括了与所述膜片相连接的，位于弹簧壳体中的压力卸荷机构。
12.根据权利要求10的装置，其特征在于所述的可移动阀芯膜片机构包括一个具有外伸翼阀芯膜片保持架，而所述的节流管包括与外伸翼相配合的一对在内侧相对的槽。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于所述的成型端部包括一个凸轮轮廓，而所述膜片保持架包括的一个与凸轮轮廓相接触的凸轮随动器表面，并进一步包括在所述推杆相反侧的一个相似凸轮轮廓面;以及连接在所述膜片保持架和所述相似的凸轮轮廓之间的一个偏置弹簧。
14.根据权利要求13的装置，其特征在于所述凸轮轮廓把响应于所述膜片机构的运动，按非线性比例传递给所述膜片保持架。
15.根据权利要求14的装置，进一步包括在弹簧壳体中与所述膜片相连接的压力卸荷机构，其特征在于所述的推杆包括一个与所述膜片连接的大面积的卸荷支座。
全文摘要
自控降压补偿调节阀包括弹簧壳体和下部壳体及夹在当中的膜片。下部壳体有轴向对正的进口和出口。整体的凸轮推杆和卸荷支座被安装用来与膜片一起移动，并包括用来与可移动的膜片保持架直接配合的第一凸轮表面。该膜片保持架在支承阀座的节流管内沿直线移动。凸轮表面响应于膜片的运动，按非线性比例来移动膜片保持架。节流管具有一个向膜片提供加速作用的延伸端。膜片的上方装有压力卸荷机构。偏置弹簧用以保持第一凸轮表面与膜片保持架相配合。
文档编号F16K31/165GK1036626SQ8910094
公开日1989年10月25日 申请日期1989年2月27日 优先权日1988年2月29日
发明者唐纳德·杜安·莱斯, 玛丽·厄比·胡德 申请人:费希尔控制国际有限公司