NO328366B1 - Ventilplugg. - Google Patents

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt ventiler, og mer spesielt en ventilplugg med variabel åpning som effektivt varierer åpningsstørrelsen til en ventil.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Ventiler blir brukt på et bredt anvendelsesområde slik som prosess-styrings-systemer for å regulere forskjellige parametere for et medium som behandles, slik som et fluid. En lang rekke ventiltyper er kjent og kan f.eks. innbefatte tømmeven-tiler, reguleringsventiler, strupeventiler og lignende. Likeledes blir prosess- og re-gulerings-systemer anvendt til å håndtere en myriade av forskjellige medier.

En typisk ventil har et mediainnløp koplet gjennom et strømningsreguler-ings- eller åpnings-område til et mediautløp. En lukkeinnretning av en eller annen type er vanligvis anordnet i strømningsreguleringsområdet med en del som er bevegelig for å regulere strømningen til et medium fra ventilinnløpet til ventilutløpet. Denne bevegelige delen er ofte en ventilplugg som kan beveges til anslag mot en tilsvarende fast seteoverflate i lukkeinnretningen for selektivt å avstenge strøm-ningen av et medium gjennom ventilen. Under drift er det vanlig at et regulerings-system betjener ventilen slik at ventilpluggen blir beveget mot og bort fra ventilseteringen mellom henholdsvis faste lukkede og åpne posisjoner, for å regulere strømningen gjennom åpningsområdet og dermed gjennom ventilen.

Én ventiltype er en glidespindelventil som har en ventilplugg på enden av en langstrakt spindel som glir langs sin langsgående akse mot og bort fra ventilsetet. En kombinasjon av ventilpluggen, ventilsetet og ventilspindelen bestemmer det som er kjent som et trimsett for en gitt ventil. En ventil med en gitt strømnings-åpningsdimensjon og geometri har en maksimal strømningskapasitet eller gjen-nomstrømningsmengde. Denne gjennomstrømningsmengden kan være relatert til det som kalles "strømningskoeffisient" (Cv) som brukes til å forutsi gjennomstrøm-ningsmengden gjennom ventilen under et standardsett med testbetingelser. Ver-dien Cv er antallet 3.8 liter (US-gallons) pr. minutt av vann ved 15,6°C som vil strømme gjennom den kjente ventilen med et trykkfall på 0,69 mbar (ett pund pr. kvadrat tomme (psi)) over ventilen.

Det er kjent at en gitt del av et prosesstyringssystem kan kreve en ventil som har en spesiell gjennomstrømningsmengde eller strømningskapasitet. Det er videre kjent at andre deler av systemet kan kreve ventiler med forskjellige strøm-ningskapasiteter eller gjennomstrømningsmengder. Det er også kjent at et fullstendig forskjellig system kan kreve en ventil med nok en annen gjennomstrømnings-mengde eller strømningskapasitet. Det er også kjent at den ønskede gjennom-strømningsmengde eller strømningskapasiteten kan endre seg for et gitt prosess-styringssystem når systemparameterne endres. Ventilytelseskarakteristikkene til det spesielle systemet kan derfor periodisk måtte endres. For alle disse forholdene må det lagres en lang rekke ventilenheter og/eller ventiltrimsett.

For å oppnå endring fra én ventilgjennomstrømningsmengde eller strøm-ningskapasitet til en annen, må man enten fjerne hele den eksisterende ventilen og erstatte den med en komplett annen ventil, eller ombygge den eksisterende ventilen slik at den innbefatter et annet trimsett. For en ventil av glidespindeltypen definerer ventilsetet typisk strømningsåpningsdimensjonen og resulterer i valg av en ventilpluggdimensjon som svarer til vedkommende åpningsdimensjon. Ventilpluggen kan typisk bare bevege seg mellom den lukkede ventilposisjonen og én eneste, fast åpen ventilposisjon. Hver ventil kan derfor bare frembringe én gjen-nomstrømningsmengde eller strømningskapasitet. Som nevnt ovenfor er det nød-vendig, for å skifte fra én strømningskapasitet til en annen, å endre enten ventil-trimsettet eller erstatte hele ventilenheten.

Betydelig dødtid, arbeidsutgifter og delomkostninger kan påføres et prosesstyringssystem som et resultat av håndtering av flere ventilenheter og/eller trimsett. Dette er fordi det er nødvendig å fremstille, transportere, lagre, håndtere og skifte ut de forskjellige trimsettene eller hele ventilene når en endring i ventil-karakteristikkene er ønsket. Disse ulempene reduserer arbeids-, fremstillings-, lag-rings-, lagerhåndterings- og anleggs-effektivitet og øke arbeidsomkostningene for et gitt prosesstyringssystem hvor en forandring av ventilstrømningskarakteristikk-ene er ønsket eller nødvendig.

Hvis en konvensjonell ventilplugg og sete innsatt i en ventil skulle brukes til å endre strømningskapasiteten til ventilen, slik som ved å endre den maksimalt til-gjengelige bevegelseslengden til ventilpluggen, vil strømningskarakteristikker gjennom åpningsområdet bli alvorlig og negativt påvirket. Karakteristikkene til et konvensjonelt trimsett er ikke ment for slike anvendelser. Hvis en redusert ventilstrøm-ningskapasitet ved bruk av et konvensjonelt trimsett blir forsøkt ved å stoppe og holde ventilpluggen nærmere setet i en annen åpen ventilposisjon, vil også media som strømmer gjennom ventilen, ha en tendens til å presse pluggen mot ventilsetet fordi pluggen vil være posisjonert for nær setet. Dette vil skape bistabil strøm-ning og vibrasjon i ventilenheten.

DE 1 940 941, GB 1 378 497, og 1 574 764, viser alle ventilenheter. Ingen av disse dokumentetne, verken alene eller i kombinasjon, viser imidlertid en enkel strømningsåpning med ett enkelt ventilsete plassert inne i denne regionen og en ventil plugg med en enkel variabel åpning, med en kuppelformet, distal endeflate som glatt går over i en avskrådd vegg. En slik ventilenhet fremgår av krav 1.

Kort beskrivelse av tegningene

Formål, trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå tydeligere ved lesing av den følgende beskrivelse i forbindelse med tegningene, hvor: Fig. 1 er et langsgående tverrsnitt gjennom et utførelseseksempel av en tidligere kjent ventil. Fig. 2 er et langsgående tverrsnitt gjennom et eksempel på en ventil som innbefatter en plugg for en ventil med variabel åpning i samsvar med læren i henhold til foreliggende oppfinnelse, og posisjonert i en første strømningskapasitets-posisjon.

Fig. 3 er et langsgående tverrsnitt gjennom den ventilen som er vist på

fig. 2, hvor ventilpluggen er anbrakt i en annen strømningskapasitetsposisjon.

Fig. 4 er et langsgående tverrsnitt gjennom ventilen på fig. 1 og 2, hvor ventilpluggen er anordnet i nok en annen strømningskapasitetsposisjon. Fig. 5 er en forstørret skisse av ventilseksjonen som er vist på fig. 2, hvor ventilpluggen er i en lukket ventilposisjon.

Detaljert beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer

En plugg for en ventil med variabel åpning er beskrevet som kan eliminere eller i betydelig grad redusere behovet for å fremstille, lagre og skifte ut forskjellige trimsett for ventilen. Den beskrevne ventilpluggen er egnet for mange forskjellige typer ventiler. Det viste eksempel er beskrevet under henvisning til det som er kjent som en ventilkonstruksjon av glidespindel-typen. Den viste pluggen er imidlertid like godt egnet for mange andre ventiltyper og konstruksjoner, slik som f.eks. styreventiler, strupeventiler eller lignende. Den foreliggende fremstillingen er ikke ment å være begrenset til en spesiell ventiltype. Den beskrevne ventilkonstruksjo-nen er også brukbar i forbindelse med mange forskjellige typer media.

Den beskrevne ventilpluggen for ventiler med variabel åpning har en form og et omriss slik at pluggen kan posisjoneres i forhold til et ventilsete i en valgt posisjon blant et antall tillatte maksimale bevegelsesposisjoner. I en hvilken som helst av de valgbare posisjonene hindrer ventilpluggen som beskrives her, uønskede strømningskarakteristikker gjennom åpningsområdet til ventilen og endrer like-vel strømningskapasiteten til ventilen. Ventilpluggen for en ventil med variabel åpning kan posisjoneres selektivt i forhold til seteringen for effektivt å frembringe en valgt kapasitet for ventilen uten å måtte bytte ut deler av trimsettet, slik som ventilpluggen og/eller ventilsetet. Posisjonen til ventilpluggen kan reguleres for å begrense den maksimale bevegelseslengden til ventilpluggen, dvs. dens åpne ventilposisjon, etter ønske.

Det vises nå til tegningene hvor fig. 1 viser et eksempel på en tidligere kjent ventilkonstruksjon, hvor den her beskrevne ventilplugg representerer en betydelig forbedring. Den tidligere kjente ventilenheten 10 har et ventillegeme 12 med et mediainnløp 14 ved én ende og et mediautløp 16 ved en motsatt ende. Mediainn-løpet kommuniserer med en innløpspassasje 18, og mediautløpet kommuniserer med en utløpspassasje 20. Hver av innløps- og utløps-passasjene 18 og 20 møtes hovedsakelig inne i ventillegemet og er i kommunikasjon med hverandre gjennom et åpningsområde 22.

Ventilen 10 kan ha en ventilplugg 24 koplet til en ventilspindel 26 ved én ende. Ventilspindelen 26 er ved sin motsatte ende koplet til en drivanordning (ikke vist). Pluggen og spindelen kan beveges langs en langsgående akse for spindelen ved hjelp av drivanordningen mellom en lukket og en åpen ventilposisjon. I den lukkede ventilposisjonen som er vist på fig. 1, ligger pluggen 24 an mot et ventilsete 30 anordnet i åpningsområdet 22. Ventilseteringen 30 definerer en åpning 32 som blir lukket av ventilpluggen i den lukkede ventilposisjon og som er åpen for en mediastrøm når pluggen er i den åpne ventilposisjon.

Som diskutert ovenfor må i det minste trimsettet (plugg og sete) fjernes og skiftes ut for å endre denne ventilens strømningskapasitet. Hvis bevegelsen til ventilpluggen 24 er begrenset til en kortere maksimal bevegeIsesposisjon, vil den bli posisjonert nærmere setet. I denne tilstanden vil et medium som strømmer i retning av pilen "F" ha en tendens til å presse eller suge ventilpluggen mot setet. Dette vil enten forårsake at pluggen lukker for tidlig mot ventilsetet 30 eller i det minste hindrer strømningen gjennom åpningsområdet 22. Denne hindringen vil forårsake bistabil strømning og vibrasjon i ventilen 10, som fortidlig kan slite ut spindelen, setet og/eller pluggen eller på annen måte skade ventilen. Dette kan også forårsake variable gjennomstrømningsmengder gjennom ventilen og andre dynam-iske strømningsproblemer. Hvis det ønskes en redusert strømningskapasitet gjennom ventilen, er det nødvendig å skifte ut enten trimsettet som innbefatter pluggen 24 og setet 30, eller hele ventilen 10.

Den beskrevne ventilpluggen for en ventil med variabel åpning, konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse, eliminerer behovet for å endre et ventiltrimsett for å variere strømningskapasiteten til en gitt ventil. Figurene 2-5 illustrerer et eksempel på et åpningsområde 50 vist i tverrsnitt. Åpningsområdet 50 erstatter området 22 som er beskrevet ovenfor for ventilen 10 på fig. 1. De grunnleggende ventilkomponenter til ventilen som er skissert på fig. 2-5, er hovedsakelig de samme, med mindre annet blir angitt nedenfor.

Åpningsområdet 50 i det viste eksempel er for en glidespindelventil med et ventillegeme 52 som definerer et mediainnløp (ikke vist) ved én ende og et media-utløp (ikke vist) ved en motsatt ende. Mediainnløpet åpner seg til en innløpspas-sasje 54, og utløpspassasjen 56 avslutter mediautløpet. Hver av innløps- og ut-løps-passasjene 54 og 56 møtes generelt inne i ventillegemet 52 og kommuniserer med hverandre gjennom åpningsområdet 50.

Åpningsområdet 50 har en ventilplugg 60 konstruert i samsvar med læren i henhold til foreliggende oppfinnelse, som er forskjellig fra den ventilpluggen 24 som er beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 1. Ventilpluggen 60 er koplet til en ventilspindel 62 ved én ende. Ventilspindelen 62 er ved sin motsatte ende koplet til en drivanordning (ikke vist) som kan bevege ventilspindelen og pluggen langs en langsgående akse for spindelen mellom en lukket ventilposisjon (se fig. 5) og en valgt av et antall forskjellige maksimale åpne posisjoner (se fig. 2-4 og beskrivel-sen nedenfor). Ventilpluggen 60 ligger an mot en ventilsetering 70 i den lukkede ventilposisjon. Ventilseteringen er installert i åpningsområdet 50 og definerer en strømningsåpning 72. Under drift av den beskrevne ventil, flytter drivanordningen (ikke vist) ventilspindelen 62 og ventilpluggen 60 mot og bort fra en seteoverflate 74 i seteringen 70 for henholdsvis å lukke og åpne ventilen for å tillate et medium å strømme fra innløpet til utløpet gjennom passasjene og strømningsåpningen.

I samsvar med læren i henhold til foreliggende oppfinnelse og som tydeligst vist på fig. 5, har ventilpluggen 60 for ventilen med variabel åpning en ringformet skulder 80 ved enden av spindelen 62 koplet til pluggen. Spindeldiameteren er bare litt mindre enn skulderdiameteren. Ventilpluggen 60 har også en avkortet, kjegleformet avskrådd eller prosjektilformet seksjon 82 med en ytre omkretsvegg 84 som er avskrådd og gradvis avtar i diameter bort fra skulderen 80. En avskrådd eller vinklet overgangsflate 84 strekker seg mellom og forbinder skulderen 80 og veggen 84 til pluggen 80. Overgangsflaten 86 er skarpere vinklet eller avskrådd enn veggen 84. En distal ende av ventilpluggen 60 på motsatt side av skulderen 80, er en glatt, buet eller kuppelformet endeflate 84 og glir glatt inn i veggen 84 til legemet 82. Kombinasjonen av den glatt avskrådde veggen 60, overgangsflaten 86 og den kuppelformede enden 88 gir glatte, gradvis endrende strømningskarak-teristikker over pluggen 60.

Som vist på fig. 5 ligger den avskrådde flaten 86 ved skulderen 80, når ventilpluggen 60 er i den lukkede ventilposisjonen, an mot seteoverflaten 74 til seteringen 70. Diameteren til skulderen 80 og den bredeste delen av den vinklede overflaten 86 hindrer ventilpluggen fra å passere gjennom strømningsåpningen 72 i seteringen, og lukker dermed åpningen i den lukkede ventilposisjonen.

Den lille differansen i diameter mellom skulderen 80 og spindelen 62 bidrar til å hindre kavitasjon eller turbulent strømning av et medium, slik som et fluid, som passerer gjennom åpningsområdet 50 over skulderenden av pluggen 60. Den lille forskjellen i diameter mellom spindelen og et eksponert, ubalansert parti 90 av skulderen 80 bidrar også til å minimalisere en kraft som påføres av det medium som strømmer gjennom åpningsområdet 50 og ned til det ubalanserte parti 90. Den lille diameteren til skulderen 80, det lille eksponerte område av det ubalanserte partiet 90, de glatte og avskrådde overflatene 86 og 84 og den kuppelformede, distale enden 88 til ventilplugglegemet 82 bidrar i kombinasjon til å hindre bistabil strømning gjennom åpningsområdet 50 uansett posisjonen til ventilpluggen 60 i forhold til seteringen 70 når den ikke er i den lukkede ventilposisjon. Disse trekkene gjør det mulig å endre ventilstrømningskapasiteten som beskrevet nedenfor, uten å endre trimsettet eller skifte ut hele ventilen. Det eksponerte, ubalanserte partiet 90 av skulderen 80 kan, selv om det er lite, også vinkles eller gjøres bueformet for ytterligere å redusere virkninger på mediastrømningen ved forbindel-sesområdet mellom spindelen 62 og pluggen 60.

En drivanordnings- og justerings-mekanisme (ikke vist) kan være anbrakt nær enden av spindelen på motsatt side av pluggen 60. Mekanismen kan brukes till å velge og innstille en ønsket maksimal bevegelsesgrense for ventilspindelen 62 og pluggen 60. Mekanismen kan være utformet for å tilveiebringe et antall forskjellige og velgbare, maksimale bevegelsesposisjoner eller fullstendige åpnings-posisjoner for ventilpluggen. Ventilpluggen 60 for en ventil med variabel åpning som er beskrevet her, tillater slik justering for å endre ventilens strømningskapasi-tet uten negativ innvirkning på strømningskarakteristikkene gjennom åpningsområdet 50.

Fig. 2 illustrerer f.eks. pluggen 60 posisjonert i en første velgbar, fullstendig åpen bevegelsesposisjon i forhold til setet 70. Mekanismen (ikke vist) kan være slik at pluggen 60 ikke kan bevege seg lenger fra seteringen 70 etter å ha nådd den valgte, fullstendig åpne posisjon. I dette eksempelet er plugglegemet 82 fullstendig klart fra strømningsåpningen 72 og ventilseteoverflaten eller ventilsetet 74 til seteringen 70. Denne posisjonen gir fri strømning gjennom åpningen 72 i denne ventilen. Hvis åpningen 72 har en diameter på åpningen lik en halv tomme, kan som en illustrasjon åpningsområdet 50 som er vist på fig. 2 for en ventil med en gitt geometri, ha en ventilstrømningskoeffisient lik seks (6) Cv med pluggen fullstendig åpen.

Drivanordnings- og justerings-mekanismen kan manipuleres for å tilbakestil-le pluggens bevegelsesgrense eller fullstendig åpne posisjon. Som vist på fig. 3 er pluggen 60 i en annen, fullstendig åpen posisjon hvor pluggen er nærmere seteringen 70 enn som vist på fig. 2. På fig. 3 rager i det minste den distale eller kuppelformede ende 88 delvis inn i strømningsåpningen 72 til seteringen 70. En annen måte å beskrive denne posisjonen på, vil være at den kuppelformede flaten 88 i det minste delvis bryter et plan for seteflaten 74. Den minste diameteren til plugg-veggen 84 nær den distale ende 88, gjør det mulig for et medium å passere gjennom åpningen 72 til seteringen på 12,7mm (halv tomme), men reduserer effektivt strømningskapasiteten til ventilen. Med pluggen i den posisjon som er vist på fig. 3, vil ventilen f.eks. ha en strømningskapasitet eller koeffisient lik fire (4) Cv. Dette vil simulere den sammen ventilen med en åpningsdiameter på 9,5mm (tre/åtte tommer), selv om seteringen ikke er blitt skiftet ut og fremdeles har en åpningsdiameter på en halv tomme. Den glatte, langstrakte og avskrådde formen til pluggen 60 gjør det mulig å oppnå dette resultatet uten å erstatte trimsettet og uten å på-virke strømningskarakteristikkene gjennom åpningsområdet 50 på negativ måte.

Fig. 4 illustrerer en tredje, ytterligere begrenset, maksimal eller fullstendig åpen posisjon for pluggen 60 som er enda mindre enn de første og andre valgbare posisjoner som er nevnt ovenfor. I dette eksempelet rager en betydelig del av plugglegemet 82 inn i åpningen 72 til seteringen 70. Igjen tillater en redusert eller avskrådd diameter av veggen 84 et medium å passere gjennom åpningen, selv med en ytterligere begrenset kapasitet. I dette eksempelet, ved å benytte den samme pluggen 60 og seteringen 70, kan en strømningskarakteristikk for den samme ventilen gjennom åpningsområdet 50 simulere en åpningsdiameter på 6,3171171 (en kvart tomme) noe som resulterer i en strømningskapasitet eller - koeffisient på f.eks. to (2) Cv uten å endre trimsettet. Andre mellomstillinger kan også rommes avhengig av den spesielle plugg- og seterings/åpnings-utformingen. Pluggen 60 kan f.eks. rage inn i åpningen med enten en mer eller mindre enn en hoveddel av veggen eller overflaten 84 i åpningen for å bryte seteoverflateplanet.

Pluggens omriss og utforming gjør det mulig å justere den maksimale be-vegelsesposisjonen til ventilpluggen for å oppnå en justerbar eller variabel åpn-ingsegenskap for ventilen uten å skifte ut trimsettet. Avskråningsgraden og/eller krumningen til veggen 84, den kuppelformede enden 88 og overgangsflaten 86 kan endres i likhet med størrelsen av strømningsåpningen til seteringen 70 for å oppnå ønskede strømningskarakteristikker for en ventil. Den her beskrevne pluggen 60 muliggjør imidlertid justering av den maksimale bevegelsesgrense uten å skape bistabil strømning eller vibrasjon i ventilåpningsområdet 50, som vil bli ge-nerert av de tidligere kjente pluggutformingene.

Selv om visse ventilplugger for ventiler med variabel åpning er vist og beskrevet her i samsvar med læren til den foreliggende oppfinnelse, er omfanget av dette patentets ramme ikke begrenset til dette. Tvert imot dekker dette patentet alle utførelsesformer av oppfinnelsen som faller innenfor rammen av de tillatte ekvivalenter.

Claims (7)

1. Ventilenhet (62), omfattende: et ventillegeme (52) med en innløpspassasje (54) og en utløpspassasje (56); en enkel strømningsåpning (72) anordnet i et åpningsområde (50) i ventillegemet (52) og som tilveiebringer strømningskommunikasjon mellom innløpspas-sasjen (54) og utløpspassasjen (56); et enkelt ventilsete (70) anordnet i åpningsområdet (50); og en enkel ventilplugg (60) for en ventil med variabel åpning, som innbefatter et plugglegeme (82) med en konisk formet, glatt avskrådd vegg (84), en proksimal ende forbundet med en bevegelig del av ventilenheten (62), og en kuppelformet, distal endeflate (88) som glatt går over i den avskrådde veggen (84), hvor ventilpluggen (60) er bevegelig mellom en åpen posisjon ute av kontakt med ventilsetet (70), og en lukket posisjon hvor ventilpluggen (60) ligger an mot ventilsetet (70), og hvor en maksimal, åpen stilling av ventilpluggen (60) i forhold til ventilsetet (70) kan endres selektivt for å variere strømningskarakteristikker gjennom ventilenheten (62).

2. Ventilenhet (62) i følge krav 1, hvor den maksimale bevegeIsesposisjon kan velges fra et antall diskrete maksimale åpne posisjoner.

3. Ventilenhet (62) i følge krav 2, hvor antallet maksimale, åpne posisjoner innbefatter minst en velgbar posisjon hvor hele plugglegemet (82) er atskilt med en avstand fra et plan for ventilsetet (70) i en retning i forhold til den åpne posisjon.

4. Ventilenhet (62) i følge krav 2, hvor antallet maksimale, åpne posisjoner innbefatter minst én velgbar posisjon hvor i det minste en del av den kuppelformede endeoverflate (88) av plugglegemet (82) bryter et plan for ventilsetet (70) i en retning i forhold til den lukkede stilling.

5. Ventilenhet (62) i følge krav 2, hvor antallet maksimale, åpne posisjoner innbefatter minst én velgbar posisjon hvor den kuppelformede endeoverflaten (88) og minst én del av den avskrådde veggen (84) til plugglegemet (82) bryter et plan for ventilsetet (70) i en retning i forhold til den lukkede stilling.

6. Ventilenhet (62) i følge krav 2, hvor antallet maksimale, åpne posisjoner innbefatter minst én velgbar posisjon hvor den kuppelformede endeoverflaten (88) og en majoritetsdel av den avskrådde veggen (84) til plugglegemet (82) bryter et plan for ventilsetet (70) i en retning i forhold til den lukkede stilling.

7. Ventilenhet (62) i følge krav 1, hvor den andre ende av ventilsetet (70) har en hovedsakelig sylindrisk vegg.