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节流阀

阅读：1071发布：2020-08-01

IPRDB可以提供节流阀专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种节流阀(1，25)，带有壳体(2)，该壳体具有用于入流压力下的流体的流入口(3)，一节流器(4，27)，借助于该节流器可将所述流体节流至流出压力，和用于所述流体的流出口(5)，以及带有在所述壳体(2)外部的调节元件(11，32)，带有可旋转的轴(13)和活塞(16)，该活塞可在所述壳体(2)内部在管状的节流保持架(15)中轴向移动，其中，借助于所述调节元件(11，32)可导致所述轴(13)的旋转，并且通过所述轴(13)的旋转可导致所述活塞(16)的轴向移动，并且可通过所述活塞(16)的轴向移动调节所述节流器(4，27)的节流横截面。为了海底应用，尤其是在大管界面的石油和天然气开采中，按照本发明如此地进一步发展所述节流阀(1)，即，在所述调节元件(11，32)上设置初级磁体，在所述轴(13)上设置次级磁体以及在所述轴(13)上设置滚动体-丝杠传动机构(20)，其中，所述调节元件(11，32)的旋转借助于所述初级磁体与所述次级磁体的磁耦合传递到所述轴(13)上，并且借助于所述滚动体-丝杠传动机构(20)转化为所述活塞(16)的轴向移动。，下面是节流阀专利的具体信息内容。

1.一种节流阀(1，25)，

带有壳体(2)，该壳体具有用于入流压力下的流体的流入口(3)，可将所 述流体节流至流出压力的节流器(4，27)和用于所述流体的流出口(5)，以及带有在所述壳体(2)外部的调节元件(11，32)，带有可旋转的轴(13)和 活塞(1 6)，该活塞可在所述壳体(2)内部在管状的节流保持架(15)中轴向移动， 其中，借助于所述调节元件(11，32)可导致所述轴(13)的旋转，并且通过所述 轴(13)的旋转可导致所述活塞(16)的轴向移动，并且可通过所述活塞(16)的轴 向移动调节所述节流器(4，27)的节流横截面，其特征在于，在所述调节元件 (11，32)上设置有初级磁体，在所述轴(13)上设置次级磁体以及在所述轴(13) 上设置滚动体-丝杠传动机构(20)，其中，所述调节元件(11，32)的旋转借助于 所述初级磁体与所述次级磁体的磁耦合传递到所述轴(13)上，并且借助于所 述滚动体-丝杠传动机构(20)转化为所述活塞(16)的轴向移动。

2.如权利要求1所述的节流阀(1，25)，其特征在于，该节流阀具有一控 制轴(21，26)，其中，所述调节元件(11，32)的旋转借助于所述滚动体-丝杠传动 机构(20)首先转化为所述控制轴(21，26)的直线运动，以及该节流阀还具有一 斜齿的齿条传动机构(22)，借助于该齿条传动机构将所述直线运动转化为所 述活塞(16)的轴向移动。

3.如权利要求1所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述调节元件(11，32) 的旋转借助于所述滚动体-丝杠传动机构(20)直接转化为所述活塞(16)的轴向 移动。

4.如权利要求1至3之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，该节流阀 具有用于调节所述节流横截面的电动驱动元件。

5.如权利要求1至4之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述调节 元件(11，32)设计为所述电动驱动元件的定子，而所述轴(13)设计为所述电动 驱动元件的转子，以及所述初级磁体设计为电磁铁，而所述次级磁体设计为 永磁铁。

6.如权利要求1至5之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，该节流阀 具有一弹簧元件(23)，该弹簧元件从所述活塞(16)的基本位置出发通过所述 调节元件(11，32)的旋转被张紧，并且所述活塞(16)可借助于所述弹簧元件回 复到所述基本位置。

7.如权利要求2和6所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述弹簧元件 (23)设置在所述控制轴(21，26)上，并且通过所述控制轴的直线运动被张紧。

8.如权利要求1至7之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述弹簧 元件(23)设置在所述壳体(2)的内部。

9.如权利要求6所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述弹簧元件(23) 设置在所述调节元件(11，32)上，并且通过所述调节元件(11，32)的旋转被张紧。

10.如权利要求6至9之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述节流 横截面在所述活塞(16)的基本位置被最大程度地打开。

11.如权利要求1至10之一所述的节流阀(1，25)，其特征在于，所述滚 动体-丝杠传动机构(20)符合石油和天然气工业中防腐蚀的NACE和ISO标 准。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种节流阀，带有一壳体，该壳体具有用于入流压力下的流 体的流入口，一节流器，借助于该节流器可将流体调节到流出压力，和用于 所述流体的流出口，以及在壳体外部带有一调节元件，带有可旋转的轴和活 塞，该活塞可在壳体内部在管状的保持架中轴向移动，其中，借助于调节元 件可导致轴旋转并通过轴的旋转使得活塞轴向移动，并且可通过活塞的轴向 移动调节节流器的节流横截面。

背景技术

前述类型的节流阀有多种结构型式，例如由本申请人的供货品种单就公 知。这种具有可调节的节流横截面的节流阀由于在安装状态用于更换磨损部 件的良好的可接近性以及由于机械上相对简单的调节机构通常大多以角形 结构方式(角型阀)设计，也就是设计具有垂直于活塞的轴线以及垂直于流出 方向流入的流体。
最近，尤其是在不希望流动方向转向的情形下，节流阀也以轴向结构方 式(轴向式阀)应用，也就是带有可与流入和流出方向同轴地移动的活塞。此 外，这种节流阀在流动技术方面的参数相同时具有较小的外部尺寸，并且由 于轴向式结构方式，流动的流体造成的材料负荷较小，因此具有减小的磨损。
在公知的节流阀中，可旋转的轴与调节元件机械地，例如通过凸缘固定 连接。轴的旋转运动在壳体外部通过互相滑动的螺纹(根据螺栓和螺母的原 理)要么在角形结构方式中直接转化为活塞的直线运动，要么转化为控制轴 的直线运动。在轴向式结构中，控制轴和活塞分别设有相互啮合的斜齿，该 斜齿使得可以实现直线运动的转向。
在近海开采石油和天然气的框架内，第一处理步骤-例如压缩所输送的 天然气-越来越多地直接在海底的开采位置进行。随着该趋势，对适于海底 使用的部件，如对节流阀的要求随之提高：
这些部件不仅出于环保原因必须没有排放，也就是保证流动的流体(石 油、天然气)与周围的海水隔离，并且防止流体流出到周围环境中。此外， 也要在所有情况下避免高度腐蚀性且带有微生物的海水侵入阀本身或调节 元件。最后，尤其是调节元件的电子部件与输送的流体的各个接触是不希望 的，尤其被硫化氢污染的流体同样是非常腐蚀的。
一方面将节流阀的元件与流动的流体和周围环境隔开，另一方面完全没 有排放，以公知的节流阀的设计方案仅在显著提高用于密封的耗费以及加强 对材料和表面质量要求的情况下才能实现。此外，在使用者方面部分对于将 非金属密封系统和密封器件应用在海底有显著的保留。
EP0308878A1和EP0681130A1公开了一种带有可旋转的球头的截止阀， FR2536825A1公开了带有直线运动的、通过调节螺纹驱动的活塞，阀体中可 旋转的轴和阀体外面的调节元件分别通过磁耦合连接在该活塞上。因此不需 要密封可运动的、穿过阀体的部件就可以将流动的流体与环境隔开。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，建议一种用于海底应用的节流阀，尤其 是石油和天然气开采中具有大的管截面的节流阀。
从公知的节流阀出发，本发明建议，节流阀具有设置在调节元件上的初 级磁体、设置在轴上的次级磁体以及设置在轴上的滚动体-丝杠传动机构， 其中，调节元件的旋转借助于初级磁体与次级磁体的磁耦合传递到轴上，并 借助于滚动体-丝杠传动机构转化为活塞的轴向移动。
如在按DE8712878U1的现有技术那样，通过磁耦合，调节元件和阀体 内腔在无需密封运动部件的情况下完全相互分开。可旋转的轴(以及在轴向 式结构方式中另外还有的控制轴)完全由流动的流体包围，并因此在轴向减 压。
通过磁耦合从调节元件传递到可旋转的轴上的调节扭矩较小，并且尤其 不能达到公知的、在海底使用的典型大体积的部件所需要的值。通过使用滚 动体-丝杠传动机构明显减小轴的旋转运动转换到平动运动的功率损耗，并 因此在设计原理基本上不变的情形下明显减小了轴所需要的调节扭矩。
滚动体-丝杠传动机构尤其是应用在金属加工机器上的公知的驱动系统： 为了实现在旋转和平动之间的转换，采用滚珠或螺杠(“滚柱”)，它们至少在 平动运动的部件上滚动。与螺纹之间的滑动摩擦相比，滚动元件明显更小的 滚动阻力使得可以非常小损耗地实现所述转换。滚柱丝杠传动机构和滚珠丝 杠传动机构的效率基本上类似。一方面，滚柱丝杠传动机构明显比滚珠丝杠 传动机构更紧凑地构造，另一方面，滚柱丝杠传动机构既可实现从平动到旋 转的转换又可实现从转动到平移运动的转换。
一方面，按本发明的节流阀可以具有控制轴，其中，调节元件的旋转借 助于滚动体-丝杠传动机构首先转换为控制轴的直线运动，另一方面，按本 发明的节流阀可以具有斜齿的齿条机构，所述直线运动借助于该齿条机构转 化为活塞的轴向移动。这种节流阀的流入方向和流出方向在轴向式结构方式 中朝向相同，并且与活塞同轴。
作为上述措施的替代措施，在按本发明的节流阀中，调节元件的旋转也 可以借助于滚动体-丝杠传动机构直接转换为活塞的轴向移动。在这种方式 中，滚动体-丝杠传动机构按本发明尤其应用在角形结构类型的节流阀中。
在一种优选的实施形式中，按本发明的节流阀具有用于调节节流横截面 的电动驱动元件。然后，按本发明的节流尤其适于应用在自动控制的系统中。 作为上述措施的替代措施，按本发明的节流阀的调节元件也可以气动、液压 或人工地通过手动轮或操纵杆驱动。
在这种按本发明的、电动驱动的节流阀中，尤其可以将调节元件设计为 定子，轴设计为驱动元件的转子，以及初级磁体设计为电磁体，而次级磁体 设计为永磁体。通过将调节元件和轴集成在这种电动驱动器中，可明显简化 按本发明的节流阀的结构。按本发明的节流阀的结构尺寸以及制造耗费和费 用得到减小。
在一种尤其优选的实施形式中，按本发明的节流阀具有一弹簧元件，从 活塞的基本位置出发，通过调节元件的旋转可张紧该弹簧元件，并且活塞可 借助于该弹簧元件回复到基本位置。因此，按本发明的节流阀具有用于驱动 器失效的保险件。
通常公知的、带有失效保险件的节流阀具有可直线移动的调节装置。失 效保险件可以简单地通过在这种阀上安置螺旋弹簧实现。磁耦合要求可在两 个方向上旋转的调节装置，亦即运行方向的转向，与带有螺纹和螺母的调节 丝杆(Stellgewinde)相反，滚动体丝杠传动机构的调节装置可以实现这一点： 作用在控制杆上的轴向力通过滚动体可转化为转矩，并且传递到丝杠传动壳 体上，使该壳体旋转。
在轴向式结构的、按本发明的节流阀中，弹簧元件可以设置在控制轴上， 并且通过控制轴的直线运动张紧。在驱动器失效时，弹簧元件首先直接作用 在控制轴上，并且通过斜齿间接地作用在活塞上，以及通过滚动体-丝杠传 动机构间接地作用在调节元件上。在这种结构类型中，弹簧元件尤其可以直 接被设置在壳体内部。
然后，用于张紧螺旋弹簧的力必须由调节装置通过磁耦合和滚动体丝杠 传动机构传递到控制轴上。相应地，磁耦合和滚动体丝杠传动机构都必须设 计用于传递相应的力和扭矩。此外，设置在控制轴上的螺旋弹簧与流过节流 阀的流体接触(因为该螺旋弹簧设置在阀体内部)。因此，螺旋弹簧的材料选 择要受到这样的限制(如其它所有在阀体内部的部件一样)，即，该材料不能 与流体反应，尤其是不允许被流体腐蚀。
作为上述措施的替代手段，也可以在这种按本发明的节流阀(轴向式结 构或角形结构)中将弹簧元件设置在调节元件上，并且通过调节元件的旋转 张紧弹簧元件。在驱动器失效时，弹簧元件直接作用在调节元件上，并且通 过滚动体-丝杠传动机构以及必要时通过斜齿作用在活塞上。在这种结构类 型中，弹簧元件以及调节元件通常设置在壳体外部。在此，可以使用螺旋弹 簧或螺形弹簧。
此外也可选择将所述弹簧元件在阀体内部直接耦合在活塞杆上。
在按本发明的、带有失效保险件的节流阀中，可以通过弹簧元件在活塞 的基本位置最大地打开节流横截面。这种按本发明的节流阀例如可用作压缩 机的进口和出口之间的旁路的泵保险阀。作为其他可选择的替代方案，活塞 的基本位置的节流横截面也可以根据具体情况下的需要完全关闭或者设定 在任意确定的中间位置。
按本发明的节流阀的滚动体-丝杠传动机构优选满足石油和天然气工业 中防腐蚀的NACE和ISO标准。滚动体丝杠传动机构不必耗费地与流动的 流体分隔开，这简化了结构并明显减小了对材料和制造公差的要求。为此， 例如滚柱丝杠传动机构的运动部分可以设计为陶瓷材料。
按本发明的节流阀可以例如借助在可运动的部件上的永磁体和电磁传 感器实现对于节流阀位置显示的无接触式控制。因此有效地避免了磁耦合在 机械方面的不可靠性。

附图说明

以下根据两个实施形式说明本发明。附图中：
图1是第一种按本发明的节流阀；
图2是第二种按本发明的节流阀以及
图3是按本发明的节流阀的细节。

具体实施方式

图1中所示的第一种按本发明的节流阀1具有壳体2，带有用于入流压 力下的流体(未示出)的入口3，带有一节流器4，流体借助于该节流器4可节 流至流出压力，以及带有用于所述流体的流出口5。壳体2由一个浇铸的阀 体6、一个调节装置8螺纹连接在该阀体6外面的壳体7和一个安全保险装 置10的与该调节装置8相对的、同样焊接在所述阀体6上的壳体9组成。
所述节流阀1具有一个罐状倒扣在所述调节装置8上的可旋转的调节元 件11，该调节元件11又由一个与所述调节装置8螺纹连接的罐状保持架12 保持。在节流阀1的整个壳体2基本上由流体流过期间，该保持架12被一 种与环境兼容且尤其是海水兼容的压力油所充满。
节流阀1在调节装置8的内部具有一根管状可旋转的轴13。节流器4 借助于腹板14固定安装在阀体6中。节流器4具有一个管状的、开设有一 些径向穿孔的节流器保持架15以及一个可在该节流器保持架中轴向移动的 活塞16。通过移动活塞16陆续地关闭或打开所述节流器保持架15上的图中 未示出的穿孔。因此调节了节流阀1的有效节流横截面。
在调节元件11上设置有多个永磁体作为初级磁体17，而在所述轴13 上设置多个永磁体作为次级磁体18。所述轴13与一个滚动体-丝杠传动机构 20的支撑壳体19螺纹连接，该滚动体-丝杠传动机构20将轴13的转动转化 为一根控制轴21的直线运动。滚动体-丝杠传动机构20基本上由耐石油和 耐天然气的材料制成。控制轴21在节流阀1的壳体2的内部从调节装置8 的壳体7经过阀体6和节流器4一直延伸至所述安全保险装置10的壳体9 内。在节流器4中，所述控制轴4有斜齿并且与在此同样有斜齿的活塞16 啮合，由此形成一个齿条传动机构22，该齿条传动机构22将控制轴21的直 线运动转化为活塞16与之垂直的轴向移动。
所述安全保险装置10基本上由弹簧元件23(在此为螺旋弹簧)组成，该 弹簧元件在图示的节流阀1所处基本位置使节流阀的节流横截面保持最大开 度。通过活塞16从基本位置轴向移动开，节流横截面减小，同时，与控制 轴21连接的、安全保险装置10中的压板24克服弹簧元件23移动。如果调 节元件11上的转矩减小到小于通过弹簧力确定的值，那么安全保险装置10 就自动地打开节流横截面直至基本位置。
图2所示的第二种按本发明的节流阀25在设计的基本特征以及设计细 节相当于第一节流阀1。因此，相同的部件或组件在图2中按照图1相同地 标记。以下进一步说明与第一种节流阀1的区别。
在第二种节流阀25中，控制轴26一直延伸到节流器27中，并终止于 此。安全保险装置28不是与调节装置29相对置地设置在阀体30上，而是 与保持调节元件32的保持架31固定连接。调节元件32与可旋转的轴33螺 纹连接，该轴33贯穿安全保险装置28并且终止在用于固定一没有示出的驱 动元件的凸缘34中。
所述安全保险装置28又基本上由形式为螺旋弹簧的弹簧元件23组成， 该弹簧元件23使节流横截面保持最大开度。安全保险装置28中的一块压板 35与一个滚柱丝杆传动机构37的一个支撑壳体36螺纹连接：所述滚柱38 可旋转地支承在滚柱丝杠传动机构37中。弹簧元件23向压板35施加轴向 力。滚柱丝杠传动机构37的滚柱38将该轴向力转化为轴33上的转矩。在 所述支撑壳体36内部，一滑键39防止该支撑壳体36相对丝杠传动机构壳 体40的转动。一导向杆41防止压板35绕轴33转动。所述第二节流阀25 的安全保险装置28与保持架31一样被一种与环境兼容的油填充。导向杆41 防止所述压板35和所述支撑壳体36以及所述丝杠传动机构壳体40发生不 希望的旋转运动。
图2示出了在故障情况下，也就是从外部作用在调节元件32上的调节 转矩失效时，打开的节流阀25处于完全打开的位置。在节流阀25关闭时， 调节元件32的旋转同时通过轴33，滚柱丝杠传动机构37和压板35转化为 弹簧元件23的轴向压缩。在故障情况下，弹簧元件23通过压板35向滚柱 丝杠传动机构37施加轴向力，并且通过该滚柱丝杠传动机构37导致轴33 和调节元件32的转动运动，以便再次打开节流阀。在此，安全保险装置28 的、设置在壳体外部的元件不与节流阀中流动的流体接触，并因此可以相比 按图1的节流阀1更简单地设计，并且可以更廉价地制造。
图3示出了按图1和图2的节流阀1和25的滚动体丝杠传动机构20的 细节。滚动体丝杠传动机构20安装在支撑壳体42上，该支撑壳体42通过 一些滚动轴承43轴向和径向地支撑在(在此未示出的)所述壳体2上，并且直 接与次级磁体18连接。在此，支撑壳体42的转动运动也借助于滑键44传 递到滚动体丝杠传动机构20的丝杠传动机构壳体45上。该滚动体丝杠传动 机构20的滚动体46将丝杠传动机构壳体45的转动转化为控制轴21的直线 运动。滚动体丝杠传动机构20借助于一个螺旋连接的螺母47固定在支撑壳 体42中。
为了实现高效率，滚动体丝杠传动机构20可构造为滚柱丝杠传动机构。 通过滚柱丝杠传动机构也可以实现高的闭合速度，而这种高的闭合速度对于 避免压力冲击的传播是需要的。
附图标记清单：
1节流阀
2壳体
3流入口
4节流器
5流出口
6阀体
7壳体
8调节装置
9壳体
10安全保险装置
11调节元件
12保持架
13轴
14腹板
15节流器保持架
16活塞
17初级磁体
18次级磁体
19支撑壳体
20滚动体-丝杠传动机构
21控制轴
22齿条传动机构
23弹簧元件
24压板
25节流阀
26控制轴
27节流器
28安全保险装置
29调节装置
30阀体
31保持架
32调节元件
33轴
34凸缘
35压板
36支撑壳体
37滚柱丝杠传动机构
38滚柱
39滑键
40丝杠传动机构壳体
41杆
42支撑壳体
43滚动轴承
44滑键
45丝杠传动机构壳体
46滚动体
47螺母
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标题 发布/更新时间 阅读量
阀门-专利编号CN109519579A 2020-05-13 642
蝶阀阀座-专利编号CN103836210A 2020-05-11 122
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