КЛАПАН ДЛЯ КРИТИЧЕСКОГО ПОТОКА С ЗАЖАТЫМ СЕДЕЛЬНЫМ КОЛЬЦОМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение в целом относится к регулирующим клапанам и, в частности к регулирующим клапанам для критического потока, имеющим зажатое седельное кольцо.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Клапаны для текучей среды регулируют поток текучей среды, протекающей из одного места в другое. Если клапан для текучей среды находится в закрытом положении, текучая среда высокого давления на одной стороне не может протекать в место с пониженным давлением с другой стороны клапана. Часто клапаны для текучей среды содержат выполненный с возможностью перемещения управляющий элемент для текучей среды и седло некоторого типа, которое взаимодействует с управляющим элементом для текучей среды для регулирования потока текучей среды через клапан. В некоторых случаях может быть желательным упорядочивание текучей среды, когда она протекает через клапан, например для уменьшения шума. В этих случаях может быть использовано дроссельное устройство, которое содержит клетку с множеством отверстий. Отверстия могут иметь размер и форму, подходящие для упорядочивания потока текучей среды через дроссельное устройство. Однако упорядочивание потока текучей среды через клапан происходит за счет большого падения давления при протекании текучей среды через дроссельное устройство.

[0003] В одном варианте реализации известного регулирующего клапана для текучей среды, показанного на ФИГ. 1, регулирующий клапан 10 содержит корпус 12, имеющий входное отверстие 14 для текучей среды и выходное отверстие 16 для текучей среды, соединенные каналом 18 для текучей среды. Дроссельное устройство 20 расположено внутри корпуса 12 клапана между входным отверстием 14 и выходным отверстием 16. Дроссельное устройство 20 содержит клетку 22 и седельное кольцо 24. Управляющий элемент для текучей среды, такой как затвор 26, расположен в клетке 22, и затвор 26 взаимодействует с седельным кольцом 24 для регулирования потока текучей среды через корпус 12 клапана. Шток 28 в одном конце соединен с затвором 26 и в другом конце с исполнительно-приводным механизмом 30. Исполнительно-приводной механизм 30 управляет перемещением затвора 26 внутри клетки 22.

[0004] При некоторых операциях регулирующий клапан должен работать в состоянии критического потока. Критический поток возникает, когда скорость текучей среды, протекающей через регулирующий клапан, достигает сверхзвуковой скорости (например, примерно 1070 футов в секунду для топлива, протекающего через регулирующий клапан, во время генерации электроэнергии с использованием газовой турбины). Для повышения эффективности регулирующих клапанов для критического потока при генерации электроэнергии посредством газовой турбины состояние критического потока должно возникать при падении давления 10% или меньше от давления на входе. Препятствия для потока, например, дроссельные клетки, вызывают замедленное дросселирование потока и при более высоких падениях давления, в результате чего снижается эффективность турбин. Для решения этой проблемы современные газотурбинные агрегаты содержат топливные регулирующие клапаны, которые имеют снабженное резьбой седельное кольцо и направляемый юбкой затвор для создания большой свободной от препятствий области, в которой топливо протекает через регулирующий клапан.

[0005] Согласно одному варианту реализации, показанному на ФИГ. 2, известный регулирующий клапан 110 для критического потока содержит корпус 112 клапана, имеющий входное отверстие 114 для текучей среды и выходное отверстие 116 для текучей среды, соединенные каналом 118 для текучей среды. Дроссельное устройство 120 расположено внутри корпуса 112 клапана между входным отверстием 114 для текучей среды и выходным отверстием 116 для текучей среды. Дроссельное устройство 120 содержит юбку 122 и седельное кольцо 124. Управляющий элемент для текучей среды, такой как затвор 126, расположен по меньшей мере частично внутри юбки 122, и затвор 126 взаимодействует с седельным кольцом 124 для регулирования потока текучей среды через корпус 112 клапана. Юбка 122 направляет возвратно-поступательное перемещение затвора 126 (например, вверх и вниз, как показано на ФИГ. 2) таким образом, что затвор 126 сохраняет правильное выравнивание с седельным кольцом 124. Шток 128 в одном конце соединен с затвором 126 и в другом конце с исполнительно-приводным механизмом 130. Исполнительно-приводной механизм 130 управляет перемещением затвора 126 внутри юбки 122. Между юбкой 122 и седельным кольцом 124 образуется большая область 131 потока, так что препятствия для потока в этой области минимизированы, и состояние критического потока происходит при относительно низком падении давления.

[0006] Известные регулирующие клапаны для критического потока со снабженным резьбой седельным кольцом страдают множеством недостатков. Например, известные регулирующие клапаны для критического потока со снабженным резьбой седельным кольцом страдают от самопроизвольного выбивания седельного кольца ударными волнами, генерируемыми сверхзвуковым потоком. Эти ударные волны вызывают интенсивные вибрации, которые могут вызвать выбивание седельного кольца из его резьбового посадочного положения, и, таким образом, вызывают нарушения потока и повреждение регулирующего клапана.

[0007] Известные регулирующие клапаны для критического потока со снабженным резьбой седельным кольцом также страдают от завихряющегося потока через зазор между юбкой и седельным кольцом. Эта проблема вызвана изменением геометрии канала для потока от входной стороны юбки к задней стороне юбки. Например, как показано на ФИГ. 2, текучая среда относительно свободно протекает в седельное кольцо на входной стороне. Однако, поток, входящий в седельное кольцо с задней стороны (противоположной входной стороне), должен многократно изменить направление прежде, чем войти в седельное кольцо. Это изменение направления вызывает изменение скорости потока, в результате чего также изменяется статическое давление текучей среды относительно статического давления текучей среды, протекающей в седельное кольцо с входной стороны. Этот перепад давлений вызывает завихрение текучей среды, когда она протекает через седельное кольцо, в результате чего снижается эффективность регулирующего клапана и повышается падение давления через седельное кольцо.

[0008] Кроме того, известные регулирующие клапаны для критического потока со снабженным резьбой седельным кольцом являются относительно дорогими в изготовлении, например, по той причине, что резьба в корпусе клапана должна быть обработана на станке, и являются трудоёмкими и сложными в изготовлении.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Согласно одному предпочтительному варианту реализации клапан для текучей среды содержит корпус клапана, имеющий входное отверстие для текучей среды и выходное отверстие для текучей среды, соединенные каналом для текучей среды; дроссельное устройство, расположенное в канале для текучей среды; и управляющий элемент для текучей среды, расположенный с возможностью перемещения внутри канала для текучей среды, причем управляющий элемент для текучей среды взаимодействует с дроссельным устройством для регулирования потока текучей среды через канал для текучей среды. Дроссельное устройство содержит зажатое седельное кольцо, которое содержит сходящееся-расходящееся сопло.

[0010] Другие предпочтительные варианты реализации могут содержать одну или более из следующих предпочтительных форм.

[0011] В одной предпочтительной форме дроссельное устройство содержит держатель, который вжимает седельное кольцо в корпус клапана.

[0012] В другой предпочтительной форме держатель содержит верхнюю корпусную часть и юбку, которая проходит в направлении от верхней корпусной части и направляет перемещение управляющего элемента для текучей среды.

[0013] В еще одной предпочтительной форме держатель дополнительно содержит крепежное кольцо, расположенное рядом с седельным кольцом, причем седельное кольцо по меньшей мере частично расположено между крепежным кольцом и корпусом клапана.

[0014] В еще одной предпочтительной форме юбка соединена с крепежным кольцом множеством ног.

[0015] В еще одной предпочтительной форме по меньшей мере одна нога из указанного множества ног имеет аэродинамическую форму поперечного сечения.

[0016] В еще одной предпочтительной форме передняя кромка ноги содержит волнорез, имеющий острый край.

[0017] В еще одной предпочтительной форме задняя кромка ноги имеет острый край.

[0018] В еще одной предпочтительной форме аэродинамическая форма поперечного сечения максимизирует ламинарный поток.

[0019] В еще одной предпочтительной форме множество ног содержит от трёх до двенадцати ног.

[0020] Согласно еще одному предпочтительному варианту реализации узел зажатого седельного кольца для критического потока содержит держатель седельного кольца, имеющий верхнюю корпусную часть; юбку, которая проходит от верхней корпусной части и выполнена с возможностью направления перемещения управляющего элемента для текучей среды; крепежное кольцо, расположенное на расстоянии от юбки; и множество ног, соединяющих крепежное кольцо с юбкой. Седельное кольцо содержит сходящееся сопло и расходящееся сопло, которые встречаются в местном сужении. Крепежное кольцо выполнено с возможностью прижатия части седельного кольца к корпусу клапана.

[0021] Другие предпочтительные варианты реализации могут содержать одну или более из следующих предпочтительных форм.

[0022] В одной предпочтительной форме по меньшей мере одна нога из множества ног имеет аэродинамическую форму поперечного сечения.

[0023] В еще одной предпочтительной форме передняя кромка ноги содержит волнорез, имеющий острый край.

[0024] В еще одной предпочтительной форме задняя кромка ноги имеет острый край.

[0025] В еще одной предпочтительной форме аэродинамическая форма поперечного сечения максимизирует ламинарный поток.

[0026] В еще одной предпочтительной форме множество ног содержит от трех до двенадцати ног.

[0027] В еще одной предпочтительной форме седельное кольцо содержит кольцевую полку, выполненную с возможностью её зажатия между крепежным кольцом и корпусом клапана.

[0028] В еще одной предпочтительной форме расходящееся сопло является более длинным, чем сходящееся сопло.

[0029] В еще одной предпочтительной форме по меньшей мере одна нога из множества ног искривлена в радиальном направлении внутрь от крепежного кольца к юбке.

[0030] Согласно одному предпочтительному варианту реализации держатель для узла зажатого седельного кольца критического потока содержит: верхнюю корпусную часть; юбку, которая проходит от верхней корпусной части и выполнена с возможностью направления перемещения управляющего элемента для текучей среды; крепежное кольцо, расположенное на расстоянии от юбки; и множество ног, соединяющих крепежное кольцо с юбкой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0031] На ФИГ. 1 показан разрез известного регулирующего клапана, содержащего дроссельное устройство с зажатым седельным кольцом;

[0032] На ФИГ. 2 показан разрез известного регулирующего клапана для восстановления высокого давления, содержащего снабженное резьбой седельное кольцо и юбку, направляющую затвор;

[0033] На ФИГ. 3 показан разрез регулирующего клапана для восстановления высокого давления с зажатым седельным кольцом и держателем, выполненным в соответствии с описаниями настоящего изобретения; и

[0034] На ФИГ. 4 показан перспективный вид держателя регулирующего клапана, показанного на ФИГ. 3.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0035] Регулирующие клапаны для критического потока и дроссельные устройства, описанные в настоящей заявке, предпочтительно предотвращают возвращение ударной волны от седельного кольца, направляют поток текучей среды через седельное кольцо и предотвращают или уменьшают завихрение потока, а также снижают производственные затраты и сокращают время сборки. Кроме того, регулирующие клапаны для критического потока и дроссельные устройства, описанный в настоящей заявке, обеспечивают 100% или более (предпочтительно 200% или более) проходное сечение вблизи седельного кольца по сравнению с дроссельными устройствами, имеющими клетки.

[0036] Как показано на ФИГ. 3, регулирующий клапан 210 содержит корпус 212, имеющий входное отверстие 214 для текучей среды и выходное отверстие 216 для текучей среды, соединенные каналом 218 для текучей среды. Дроссельное устройство 220 расположено внутри корпуса 212 клапана между входным отверстием 214 и выходным отверстием 216. Дроссельное устройство 220 содержит держатель 222 и седельное кольцо 224. Управляющий элемент для текучей среды, такой как затвор 226, расположен в держателе 222, и затвор 226 взаимодействует с седельным кольцом 224 для управления потоком текучей среды через корпус 212 клапана. Шток 228 в одном конце соединен с затвором 226 и в другом конце с исполнительно-приводным механизмом 230. Исполнительно-приводной механизм 230 управляет перемещением затвора 226 в держателе 222.

[0037] Седельное кольцо 224 содержит сходящуюся часть или сходящееся сопло 240 и расходящуюся часть или расходящееся сопло 242, которые встречаются в горловине или местном сужении 244. Текучая среда, протекающая через седельное кольцо 224, достигает сверхзвуковой скорости в горловине 244. Согласно некоторым вариантам реализации расходящееся сопло 242 является более длинным, чем сходящееся сопло 240. Согласно другим вариантам реализации расходящееся сопло 242 может быть более коротким, чем сходящееся сопло 240, или расходящееся сопло 242 и сходящееся сопло 240 могут иметь одинаковую длину. В любом случае затвор 226 взаимодействует с посадочной поверхностью в седельном кольце 224 (такой как горловина 244) для регулирования потока текучей среды через седельное кольцо.

[0038] Седельное кольцо 224 содержит кольцевую полку 246, которая посажена на кольцевой заплечик 248, сформированный в корпусе клапана 212. Седельное кольцо 224 зажато на месте держателем 222, кольцевая полка 246 расположена между держателем 222 и кольцевым заплечиком 248. В результате, седельное кольцо 224 не закреплено резьбой и, таким образом не подвержено выпаданию из-за вибраций, вызванных сверхзвуковым потоком. Согласно некоторым вариантам реализации одно или более уплотнение или одна или более прокладка (не показаны) могут быть размещены между кольцевой полкой 246 и кольцевым заплечиком 248 и/или между кольцевой полкой и держателем 222.

[0039] Держатель 222 содержит верхнюю корпусную часть 250, которая прикреплена внутри корпуса 212 рядом с исполнительно-приводным механизмом 230. Юбочная часть 252 проходит от верхней корпусной части 250 к крепежному кольцу 254. Крепежное кольцо 254 соединено с юбочной частью 252 множеством ног или опор 256. Крепежное кольцо 254 вписано в круговую выемку 258 в верхней части седельного кольца 224 для зажатия седельного кольца 224 между держателем 222 и корпусом 224. Согласно другим вариантам реализации седельное кольцо 224 может быть зажато между держателем 222 и корпусом 212 без круговой выемки 258. Ноги 256 отделяют юбку 252 от крепежного кольца 254 и, таким образом, образуют большое проходное сечение 260 между юбкой 252 и крепежным кольцом 254, как показано на ФИГ. 4.

[0040] Ноги 256 могут иметь аэродинамическую форму поперечного сечения. Согласно некоторым вариантам реализации аэродинамическая форма может быть симметричной аэродинамической формой (т.е. средняя линия профиля может совпадать с линией хорды). Однако возможны другие формы поперечного сечения. Форма поперечного сечения ног 256 должна минимизировать гидродинамическое сопротивление текучей среды и в то же время предотвращать периферийный поток. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации форма поперечного сечения ног 256 должна усиливать или максимизировать ламинарный поток текучей среды для уменьшения лобового сопротивления и турбулентности. Например, для использования в максимизации ламинарного потока текучей среды могут быть пригодными аэродинамические формы NACA 6 или 7 серий.

[0041] Согласно некоторым вариантам реализации передняя кромка ног 256 может быть сформирована в виде острой передней кромки 262, например, добавлением клина или волнореза 264 к передней кромке 262. Согласно другим вариантам реализации передняя кромка может быть гладкой или скругленной может быть сформирована закруглённым краем (не показан). Задняя кромка 266 схожим образом может быть сформирована в виде острого края. Согласно еще одному варианту реализации задняя кромка 266 может иметь скругленный или круговой край.

[0042] Ноги 256 также могут быть изогнуты в радиальном направлении внутрь от крепежного кольца 254 к юбке 252. Например, ноги 256 могут иметь нижнюю часть 270, соединенную с крепежным кольцом 254, которая в продольном направлении ориентирована больше, чем верхняя часть 272, соединенная с юбкой 252. Эта кривизна ноги позволяет сместить крепежное кольцо 254 от юбки 252 в радиальном направлении. Иными словами, крепежное кольцо 254 может иметь внутренний диаметр, который больше, чем наружный диаметр юбки 252, для дополнительного увеличения проходного сечения 260, что дополнительно уменьшает падение давления на держателе 222.

[0043] Согласно одному варианту реализации, показанному на ФИГ. 3 и 4, юбка 252 соединена с крепежным кольцом 254 шестью ногами 256. Согласно другим вариантам реализации может быть использовано большее или меньшее количество ног 256. Например, согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации количество ног 256 может составлять три или больше и двенадцать или меньше для оптимизации соотношения между прочностью и проходным сечением.

[0044] Верхняя корпусная часть 250 может содержать выравнивающий цилиндр 280, который проходит в направлении от юбки 222. Выравнивающий цилиндр 280 может облегчать центрирование или выравнивание верхней корпусной части 250 между корпусом клапана 212 и крышкой 282.

[0045] Несмотря на то, что в настоящей заявке описаны конкретные дроссельные устройства и регулирующие клапаны в соответствии с принципами настоящего изобретения, объем охраны, определенный пунктами приложенной формулы, не ограничивается ими. Напротив, пункты приложенной формулы охватывают все варианты реализации настоящего изобретения, которые справедливо находятся в пределах объема охраны допустимых эквивалентов.