针对端口引导球阀的改进流动.pdf

一种阀组件包括阀体、阀座和阀塞(10)。所述阀体限定流体的流动路径。所述阀塞适于在所述阀体中的闭合位置与打开位置之间移位。所述阀塞包括冠状部(26)、裙缘(28)和突起(30)。当所述阀塞处于所述闭合位置时，所述冠状部用于与所述阀座密封地接合。当所述阀塞处于所述打开位置时，所述裙缘限定用于通过所述流体的流动路径。所述突起与所述裙缘基本同心对齐。所述裙缘和所述突起的每一个均含有表面处理部，用于在所述一个或多个打开位置时增强通过所述阀的流体流动。

1、  一种在闭合位置与一个或多个打开位置之间能选择性地移动以控制通过阀的流体流动的阀塞，该阀塞包括：
适于与所述阀的阀座接合的冠状部；
从所述冠状部的周界延伸以引导所述阀塞通过所述阀座的裙缘，该裙缘为基本圆筒形状并至少具有内表面和外表面；
从所述冠状部延伸的突起，该突起被设置为与所述裙缘基本同心；以及
所述内表面、所述外表面和所述突起中的至少之一含有的表面处理部，该表面处理部适于增强通过所述阀的流体流动。

2、  如权利要求1所述的阀塞，其中所述表面处理部提供紧邻所述内表面、所述外表面和所述突起中的所述至少之一的流体紊流区域，以实质上减小所述阀塞的流体动力阻力，其中所述流体动力阻力的减小增大所述阀的流量。

3、  如权利要求1所述的阀塞，其中所述裙缘由从所述冠状部延伸的至少一个支腿形成。

4、  如权利要求1所述的阀塞，其中所述裙缘由从所述冠状部的周界延伸的中空圆筒形成。

5、  如权利要求3所述的阀塞，其中所述冠状部包括顶面和底面，其中所述支腿和所述突起从所述底面延伸。

6、  如权利要求3所述的阀塞，其中所述冠状部包括周界部，且所述至少一个支腿包括围绕所述周界部沿圆周隔开的多个支腿。

7、  如权利要求6所述的阀塞，其中所述多个支腿包括侧面，该侧面限定设置在所述多个支腿之间的多个窗口。

8、  如权利要求7所述的阀塞，其中所述内表面和所述多个支腿的所述侧面中的至少之一包括所述表面处理部。

9、  如权利要求3所述的阀塞，其中所述表面处理部包括多个细长凹部。

10、  如权利要求1所述的阀塞，其中所述表面处理部包括多个凹窝。

11、  如权利要求9所述的阀塞，其中所述多个细长凹部形成在所述至少一个支腿中，并被设置为相对于彼此基本等距离。

12、  如权利要求1所述的阀塞，其中所述突起包括含有所述表面处理部的基本截头圆锥形外表面部，且所述表面处理部包括至少一个凹部。

13、  如权利要求12所述的阀塞，其中所述突起上含有的所述表面处理部包括多个基本同心凹部。

14、  如权利要求12所述的阀塞，其中所述突起含有的所述至少一个凹部包括以基本螺旋结构围绕所述截头圆锥形外表面部形成的至少一个细长凹部。

15、  一种在闭合位置与一个或多个打开位置之间能选择性地移动以控制通过阀的流体流动的阀塞，该阀塞包括：
裙缘，其限定多个窗口，用于为通过所述阀的流体提供流动路径；以及
设置在所述裙缘内的突起，该突起具有按第一图样布置的第一表面处理部，用于增强通过所述阀的流体流动。

16、  如权利要求15所述的阀塞，其中按所述第一图样布置的所述第一表面处理部包括多个基本同心凹部。

17、  如权利要求15所述的阀塞，其中按所述第一图样布置的所述第一表面处理部包括多个凹窝。

18、  如权利要求15所述的阀塞，其中按所述第一图样布置的所述第一表面处理部包括螺旋凹部。

19、  如权利要求15所述的阀塞，其中所述裙缘为基本圆筒形裙缘，该圆筒形裙缘包括外表面、内表面和设置在所述内、外表面之间的多个中间表面。

20、  如权利要求19所述的阀塞，其中所述多个中间表面的每一个限定所述多个窗口其中之一。

21、  如权利要求20所述的阀塞，其中所述多个中间表面的每一个包括按第二图样布置的第二表面处理部，用于增强通过所述阀的流体流动。

22、  如权利要求21所述的阀塞，其中所述第二表面处理部包括至少一个细长凹部。

23、  如权利要求22所述的阀塞，其中所述第二表面处理部的所述至少一个细长凹部包括被设置为间隔基本相等的多个细长凹部。

24、  一种阀组件，包括：
阀体，其限定用于流体的流动路径；
阀座，其设置在所述阀体内；
阀塞，其设置在所述阀体内，并适于在闭合位置与一个或多个打开位置之间移位，该阀塞包括冠状部、裙缘和突起，
所述冠状部具有周界部，用于在所述阀塞处于所述闭合位置时与所述阀座密封接合；
所述裙缘从所述冠状部的周界部延伸，该裙缘限定至少一个窗口，用于在所述阀塞处于所述一个或多个打开位置时通过所述流体，
所述突起被设置为与所述裙缘基本同心，
所述裙缘和所述突起中的至少之一具有表面处理部，用于在处于所述一个或多个打开位置时增强通过所述阀的流体流动。

25、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述突起上的所述表面处理部包括多个同心凹部。

26、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述突起上的所述表面处理部包括至少一个螺旋凹部。

27、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述突起上的所述表面处理部包括多个凹窝。

28、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述裙缘上的所述表面处理部包括形成在裙缘上的邻近所述至少一个窗口的至少一个细长凹部。

29、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述裙缘包括内壁、外壁和设置在所述内壁与所述外壁之间的至少一个中间壁，其中所述至少一个中间壁限定所述至少一个窗口并包括所述表面处理部。

30、  如权利要求24所述的阀组件，其中所述表面处理部提供紧邻所述裙缘和所述突起中的所述至少之一的流体紊流区域，以实质上减小所述阀塞的流体动力阻力，其中所述流体动力阻力的减小增大所述阀的流量。

针对端口引导球阀的改进流动
技术领域
本公开大体上涉及控制阀，更具体而言，涉及一种具有增大的流量的端口引导球阀。
背景技术
通常已知的是，加工厂，例如精炼厂、化工厂或制浆造纸厂，包括多个连接在一起的过程控制回路，以生产各种消费品。这些过程控制回路的每一个均被设计用于将一些重要的过程变量，例如压力、流动、水平或温度，保持在所需操作范围内，以确保最终产品的质量。这些回路中的每一个均承受和在内部形成负荷扰动，其影响工厂内过程控制回路的过程变量和控制。为了减少这些负荷扰动的影响，过程变量由传感器或变送器来检测并传递给过程控制器。过程控制器处理该信息并改变或修改过程回路，以在负荷扰动发生之后使过程变量返回至其应该的值。这些修改通常通过改变经过某一类型的诸如控制阀等最后控制元件的流动来实现。控制阀操纵流动流体，例如气体、蒸汽、水或化合物，以抵消负荷扰动并将调节的过程变量保持为尽可能接近所需的控制或设定点。
通常应理解的是，各种控制阀结构可特别应用于特定应用。例如，当具有窄控制范围的快开阀适合时，可使用诸如蝶阀的旋转控制阀。可替换地，当需要大控制范围的精确控制时，可使用滑杆控制阀。因此，当设计过程时，过程工程师必须考虑很多设计要求和设计约束。所使用的阀的类型和阀的型号可对过程控制系统中的控制阀的性能产生很大影响。一般而言，当阀处于特定打开位置时，阀必须能够提供所需的流量。阀的流量通过阀的固有特性与阀的类型相关。
当阀上的压降保持恒定时，固有特性为阀流量与阀行程之间的关系。在恒定压降的特定条件下，阀流动变成仅为阀行程与阀内件的固有设计的函数。这些特性被称为阀的固有流动特性。固有的阀特性为阀流动通路几何结构的固有函数，并且只要压降保持恒定，固有的阀特性也不会改变。多数滑杆阀选择可互换的阀罩或阀塞，以改变固有流动特性。认识固有的阀特性是有用的，但是出于过程优化的目的，更重要的特性为包括回路中的阀和所有其它设备的整个过程的安装流动特性。当阀被安装在特定系统中时，安装流动特性被定义成通过阀的流动与阀组件输入之间的关系，并且阀上的压降被允许自然改变，而不是保持恒定。
如上所述，由于其被测量的方式，安装流动特性和安装增益其实是针对整个过程的安装增益和流动特性。典型地，受控单元的增益随流动而改变。例如，压力容器的增益往往随着容许量而减小。因此，由于阀是在此限定的回路过程的一部分，重要的是选择阀的类型和尺寸，其将产生充分线性的安装流动特性，以在系统的操作范围内保持在特定增益极限内。如果在控制阀自身中出现太多增益变化，则留下较少的调节控制器的灵活性。例如，如果增益范围的低端太低，响应的缺乏可在正常操作过程中对过程产生太多可变性。然而，增益变得太大也有危险。如果回路增益变得太高，回路会变得振荡甚至不稳定，这样，阀的型号变得很重要。例如，当试图通过减小过程可变性来优化过程性能时，一般会使阀的尺寸过大。使阀的尺寸过大通过两种方式危害过程可变性。第一，过大尺寸的阀向阀施加太多增益，留下较少的调节控制器的灵活性。当大部分回路增益来自控制器时产生最佳性能。如果阀尺寸过大，使其更可能在或接近该区域操作，该高增益很可能意味着，控制器增益将需要被减小以避免回路的不稳定问题。当然，这意味着增大过程可变性的不利后果。
由于尺寸过大的阀针对给定的阀行程增量产生不成比例的较大流动变化，该现象可大大增大与由摩擦造成的死区相关的过程可变性。与其实际固有的阀特性无关，严重尺寸过大的阀往往更可能用作快开阀，其在低提升区域中产生高安装过程增益。另外，当阀尺寸过大时，该阀往往在相对较低的行程时达到系统容量，使流动曲线在较高阀行程处变平。在选择阀时，重要的是考虑固有特性以及提供适于应用的最宽广的可能控制范围的阀尺寸。适当的流量可通过简单地选择较大的控制阀来实现，但使阀的尺寸过大可引起问题。这样，针对具体应用，使阀的主体尺寸最小化提供很多益处。
使阀尺寸最小化降低阀自身的成本并降低控制该阀的致动器的成本。另外，一些过程控制应用需要阀沿两个方向使流动最大化，经常称为“双向流动应用”。在典型的双向阀中，有流体向上流动的竖直段。因此，沿一个方向的流动经常被称为向上流动，沿另一方向的流动被称为向下流动。在大多数应用中，阀的选择基于通过该阀的优选流动方向。端口引导球阀由于其使用与流动方向无关而被普遍用于双向流动应用。当塞沿阀体中的环形阀座被引导上下滑动时，端口引导塞由裙缘支撑，而与流动方向无关。在一些情况下，环形阀座起到双重作用，即用作塞裙缘的支撑表面和与塞上的密封面相匹配的密封面。具体而言，裙缘用作引导部，以当流体力向塞施加侧向载荷时稳定阀内的阀塞。较小的阀杆提供多个益处，包括使移动塞所需的力最小化，原因在于阀杆填料和密封在杆上施加较小的摩擦。较小的阀杆还较易于密封，原因在于由于减小的表面积而在密封件上产生较小的力。由于减小的操作摩擦，使阀杆的尺寸最小化还使移动阀塞所需的致动器尺寸最小化。减小的摩擦还提供改进的塞反应时间和更好的总体阀性能。使用端口引导球阀的一个固有问题在于阀塞通常不会从阀座中完全移除。因此，裙缘材料阻塞流动路径并减小完全打开条件时的流动量。除了通过减小流动路径的直径减小最大容量之外，裙缘阻塞产生流体动力阻力。这样，由裙缘产生的阻塞阻止阀产生具有相同端口尺寸的其它阀类型得到的最大流动性能。
发明内容
本公开的一个方面包括：阀塞，其可在关闭位置与一个或多个打开位置之间选择性地移动，用于控制通过阀的流体流动。所述阀塞包括冠状部、至少一个支腿、突起以及表面处理部。所述冠状部适于与所述阀的阀座接合。所述至少一个支腿从所述冠状部延伸。所述突起从所述冠状部延伸并被设置在多个支腿之间。所述表面处理部由所述支腿和所述突起中的至少之一含有。所述表面处理部适于提高增强通过所述阀的流体流动。
根据另一方面，所述冠状部包括顶面和底面，且所述支腿和所述突起从该底面延伸。
根据另一方面，所述冠状部包括周界部，且所述支腿包括围绕该周界部沿圆周隔开的多个支腿。
根据另一方面，所述多个支腿中的每一个均包括内表面和侧面，该侧面限定设置在所述多个支腿之间的多个窗口。
根据另一方面，所述多个支腿的内表面和侧面中的至少之一包括所述表面处理部。
根据另一方面，所述表面处理部包括多个细长凹部。
根据另一方面，所述表面处理部包括多个凹窝。
根据另一方面，所述多个细长凹部形成在所述至少一个支腿中并被设置为相对于彼此基本等距离。
根据另一方面，所述突起包括含有所述表面处理部的基本截头圆锥形外表面部，且所述表面处理部包括至少一个凹部。
根据又一方面，所述突起上的含有的所述表面处理部包括多个同心凹部。
根据再一方面，所述突起含有的所述多个凹部包括以螺旋形式围绕截头圆锥形外表面部形成的至少一个细长凹部。
附图说明
图1为包括根据本公开原理构成的阀塞的端口引导球阀的剖视侧视图；
图2为根据本公开原理构成的阀塞的一种形式的立体图；
图3为图2的阀塞的端视图；
图4为根据本公开原理构成的阀塞的另一形式的立体图；以及
图5为根据本公开原理构成的阀塞的又一形式的立体图。
具体实施方式
图1示出设置在向上流动结构中的端口引导球阀组件2。大体上，球阀组件2包括阀体4、出口6、入口8、带裙阀塞10、阀座12和杆13。出口6和入口8典型地具有诸如法兰11等安装机构，用于将球阀2安装至过程控制系统的管道中。出口6和入口8通过由阶梯孔16部分地限定的通路14连接。带裙阀塞10被固定至杆13，该杆适于通过致动器(未示出)相互移位。另外，阀塞10包括密封面18，并可移动地邻近阶梯孔16安装，以控制通过通路14的流体流动。阀座12包括设置在阶梯孔16内的环形主体，并具有支撑面20。当阀塞10处于闭合位置(未示出)时，阀塞10的密封面18与阀座12的支撑面20接合。在所公开的形式中，阀座12包括过渡边缘22。另外，阀体4包括设置在阶梯孔16下部的过渡边缘24。所公开形式的过渡边缘22、24有助于提供流线型流动，以使球阀2的流量最大化。应该理解的是，阀座12可以任何已知或希望的形式保持在阀体4中。
带裙阀塞10大体上包括环形上部或冠状部26、裙缘28和突起30(示于图2)。裙缘28为大致中空圆筒体，包括限定多个窗口38的多个支腿36，如下文更为详细所述。在操作过程中，且当阀塞10处于图1所示的打开位置时，流经通路14的流体从入口8流动，向上流过阶梯孔16，流入阀座12，流过阀塞10中的窗口38，流到出口6。突起30用作转向器，用于在流体流动流经阀塞10时将其分离并搅动。然而，可替换地，当阀塞10处于闭合位置时，冠状部26的密封面18接合并密封抵靠阀座12的支撑面20。这样定位的话，阀塞10防止流体流过通路14。
现在参见图2-5，将详细描述根据本公开原理构成的阀塞10的各种形式。具体而言，图2和图3示出阀塞10的一种形式，如上所述其包括冠状部26、裙缘28和突起30。冠状部26包括大致平坦的圆形板，其具有顶面32、底面34和周界部26a。在所示形式中，周界部26a将密封面18限定为相对于顶面32和底面34稍微倾斜的表面。在所公开形式中，密封面18包括倾斜或倒角密封面，其用于最优化与阀座12上边缘的线密封。
裙缘28从冠状部26的底面34的周界部26a延伸，并如上所述，包括限定多个窗口38的多个支腿36。在所示形式中，裙缘28包括围绕冠状部26的周界部26a基本均匀隔开的四个支腿36。因此，裙缘28限定支腿36之间的四个窗口38。然而，应该理解的是，阀塞10的可替换形式可包括大于或小于四个的支腿36。应该进一步理解的是，阀塞10的可替换形式可包括不均匀隔开的多个支腿36。除了包括支腿36之外，裙缘28还包括内表面40、外表面42和多个中间表面44。如图1所示，阀塞10被设置在阀座12内，以使外表面42与阀座12密封地接合。如图2所示，所述多个中间表面44将支腿36限定为具有上部36a和下部36b。上部36a具有大致梯形的侧视图。下部36b具有大致矩形的侧视图。
中间表面44和支腿36因而将窗口38限定为具有改进的大致倒置的V形或U形侧视图，如图2所示。具体而言，所述多个中间表面44的每一个均包括上部44a和一对相对的下部44b。上部44a朝冠状部26轴向收敛至倒圆部44c。下部44b相对于彼此大致等距离，并设置在窗口38的相反侧。上部44a和下部44b在过渡部44d连接。因此，中间表面44的上部44a将每个窗口38限定为具有大致三角形的上部。而且，中间表面44的下部44b将每个窗口38限定为具有大致正方形的下部。
而且，如图3所示，中间表面44的下部44b用作每个支腿36的侧壁。更具体而言，每个支腿36的下部36b从裙缘28的外表面42朝裙缘28的内表面40径向收敛。这样构造的话，每个支腿36均包括大致截顶的饼形或四分之一圆形截面，如图3所示。然而，应该理解的是，在本文中没有详细描述的阀塞10的可替换形式中，支腿36可具有大致任意形状的截面。应该进一步理解的是，尽管支腿36被描述为具有截顶的饼形截面，但阀塞10的另一形式可包括将支腿36限定为具有理想饼形截面的相交中间表面44。
继续参见图2和图3，突起30包括圆顶形主体，其从冠状部26的底面34延伸并在裙缘28内大致位于中心。更具体而言，突起30包括由半球部30b盖住的截头圆锥部30a。裙缘28的中间表面44包括采用多个细长凹部46形式的表面处理部。特别地，图2和图3示出每个中间表面44均包括三个等距离的细长凹部46。所述细长凹部从每个窗口38一侧上的下部44b大致成直线地并连续地延伸，通过相邻的过渡部44d，沿包括倒圆部44c的上部44a，通过下一个过渡部44d，最终穿过窗口38另一侧上的下部44b。另外，突起30的截头圆锥部30a包括采用多个同心凹部48形式的表面处理部。在图2和图3所示形式中，截头圆锥部30a包括沿突起30在轴向方向上均匀隔开的九个同心凹部。
如上所述，当阀塞10处于如图1所示的打开位置时，流体从入口8通过阀座12和阀塞10的窗口38流至出口6。这样构造的话，根据该形式形成在阀塞10的中间表面44中的细长凹部46被设置为基本垂直于流体的流动。细长凹部46因而在中间表面44处的流体流动中形成紊流。由表面处理部形成的紊流可减小沿阀塞10表面的流体摩擦和阻力(即流体动力阻力)，以使沿阀塞10并继而通过相关阀2的流体流动的速度和流量最大化。另外，同心凹部48被设置为相对于通过阀塞10的流体流动大致等距离。这样构造的话，根据该形式阀塞10的同心凹部10可使流体流动更逐渐地转向，这可减小其上的摩擦和阻力量。
现在参见图4，将描述根据本公开原理构成的阀塞10的另一形式。与以上参见图1-3所述相同，图4图示包括冠状部26、裙缘28和突起30的阀塞10。除了中间表面44和突起30具有的表面处理部，图4所示阀塞10的配置和结构与上述配置和结构相同。具体而言，中间表面44每一个均包括采用多个细长凹部50形式的表面处理部。在所示形式中，所述多个细长凹部50包括三个凹部50。三个凹部50彼此等距离隔开并类似于上述凹部46延伸中间表面的长度。然而，凹部50包括波形图样。在一种形式中，凹部50可基本类似正弦波形图样或某一其它相似的图样。图4进一步图示包括采用凹部52形式的表面处理部的突起30。形成在图4中阀体10的突起30中的凹部52包括螺旋式形成的单一细长凹部52。所示形式的突起30因而基本类似于“螺丝锥”结构。在另一形式中，凹部52可包括多个凹部52，其每一个均包括螺旋形且相对于彼此等距离，由此将突起限定为改进型螺丝锥。类似于以上参见图2和图3所述的形式，图4所示的阀塞10的形式使通过阀2的流体流动最大化。所公开形式的中间表面44上的凹部50和突起30上的凹部52用于沿阀塞10的表面产生薄膜紊流，这可在使流速和流量最大化的同时减小流体摩擦和阻力。
现在参见图5，将描述根据本公开原理构成的另一形式的阀塞10。与以上参见图2-3和图4所述相同，图5图示包括冠状部26、裙缘28和突起30的阀塞10。除了中间表面44和突起30具有的表面处理部，图5所示的阀塞10的配置和结构与上述配置和结构相同。具体而言，中间表面44以及突起30每一个均包括采用多个凹窝式凹部54形式的表面处理部。在所示形式中，凹窝式凹部54被随意设置。然而，在可替换形式中，凹窝式凹部54可按照一个或多个预定图样或结构来设置。在另一形式中，凹窝54可不为凹部，而是突起。类似于以上参见图2-3和图4所述的形式，图5所示的阀塞10的形式使通过阀2的流体流动最大化。所公开的设置在中间表面44和突起30上的凹窝式凹部54用于沿阀塞10的表面产生薄膜紊流，这可在使流速和流量最大化的同时减小流体摩擦和阻力。
根据上述内容，应该理解的是，本应用并不限于本文提出的公开形式，而是由权利要求的范围来限定。具体而言，尽管阀塞10被描述为包括采用如图2和图3所示的组合的细长凹部46和同心凹部48形式，或者如图4所示的细长波形凹部50和螺旋凹部52形式，或者如图5所示的凹窝式凹部54形式的表面处理部，但阀塞10的可替换形式可包括采用凹部或可替换突起的任何结构、或形成在表面上或表面中的任意其它结构的表面处理部。另外，阀塞10的可替换形式可包括这样的表面处理部，其包括本文所公开的各种形式的凹部彼此之间或与其它未公开形式的组合。例如，表面处理部可由其它类似于先前所述的凹窝结构的其它中断或不连续表面特征形成，或者可具有与先前所示方向方位相反的方向方位。此外，尽管本公开已将中间表面44和突起30描述为用于凹部的主要位置，但所公开阀塞10的其它形式也可包括直接在裙缘28的内表面40、冠状部26的底面34或者阀塞10的可预见地与流动流体接触的任何其它表面上的凹部。可替换地，阀塞10可包括仅在突起30和中间表面44其中之一上的表面处理部。再进一步，可替换地，阀塞10可包括在冠状部26的底面34和裙缘28的内表面40之一或多个上的表面处理部，而不仅是在中间表面44或突起30上的表面处理部。