本发明总的涉及阀门，尤其涉及其中具有流率稳定器的节流阀。

                         发明背景

节流阀被应用于众多的过程控制系统中，以控制过程流体的某些参数。当过 程控制系统使用节流阀以控制压力、液位、PH值或者其它所需的流体参数时， 节流阀最终控制流体的流率。

节流阀通常包括一通过一流孔与一流体输出通道相连的流体输入通道，以及 一安装在流孔内、用于控制流过其中的流量的密闭件。该密闭件可包括一阀塞， 该阀塞具有顶着安装在流孔上的座环所设置的表面。操作时，控制系统将阀塞向 着座环的表面移动，或者使其远离该表面移动，以便提供所需的流体流过流孔及 节流阀时的流量。

对于某一阀塞位置与某一压力状况而言，节流阀的流率通常被认为是稳定 值。因此，系统设计者在设计一控制系统时，传统地将节流阀的流率定为恒定值。 然而，事实上在使用时，节流阀的流率无法完全地维持恒定，相反会有所波动。 阀门流率的变化表现为阀门流率的瞬间跳动或者引起例如双稳态流率之类的阀 门流率中的持久变化。虽已推测阀门流率中的变化涉及湍流，但是引起阀门流率 变化的准确的原因至今尚未人知。

然而，通常已知的是，在大多数状况下会在阀门内形成湍流。湍流是一种无 规律的流量状况，其中的流体压力、流速等紊乱变化。湍流存在于实际尺寸和时 标的范围内，即自实际较大的流体移动至实际较小的流体移动，并自较快地无规 则变化至较慢地无规则变化。

此外，在阀门的工作期间，阀门内的流体必须加速，直到克服由阀塞及流孔 所引起的流动限制。已推测，阀门内湍流和/或流体的较高的流速会引起阀门中的 流动型式不稳定。这些不稳定的流动型式会引起流率扰动。

在不同的流体压力及流率下产生的较大或较小量的流率扰动在阀门内发生 在较大的频率范围之中，并影响流过阀门的流量。阀门中的某些流动扰动产生在 大大高于被控制的过程的特性频率的频率上，或产生在大大高于典型的控制过程 设备能够响应的频率范围内的频率上。这些高频流动扰动表现为噪音形式，并被 过程中固有的机械流动容量有效地过滤掉。因此，这些高频扰动不会明显地影响 控制系统的运行。

另外，阀门中的某些扰动产生在大大低于过程及过程控制设备的特性频率的 频率上。由于控制系统能够识别由这些低频扰动所引起的较缓的流量变化值，并 相应地调节节流阀，因此该过程控制系统可在闭环运行期间补偿这些低频扰动。

然而，出现在过程及过程控制设备相关的特性频率的数量级上的频率的扰 动，即中频扰动，由于过程控制器正改变过程控制参数来在扰动出现与消失大致 相同的速率上补偿这些扰动，因此这些扰动在过程控制系统中引起了值得注意的 问题。因此，过程控制器难以跟上这些中频扰动，于是导致了较差的控制器性能。

直至今日，没有人真正知道是什么引起了中频扰动，以及如何在过程中最佳 地消除这些扰动。此外，现有技术中至今还没有用来减小诸如节流阀之类的阀门 中的中频扰动的适用范围较广的解决方法。

                          发明概述

已发现存在于阀门流率中的扰动是由在阀门的上游或流体输入通道内形成 诸如准恒稳态涡流之类的流量扰动所产生的，并且这些涡流的形成和中断与阀门 流率中明显的变化相对应。已确定的是，为了提供一种尽可能稳定的流率的阀 门，最重要的是要防止在阀门的上游或流体输入通道内的诸如涡流的间歇性形成 与中断之类的扰动。

本发明涉及阀门设计，尤其涉及使用在阀门内的座环设计、阀塞设计以及流 体通道的设计，比如一种节流阀，它可以通过防止在存在于阀门的上游或流体输 入通道内的流体中间歇形成涡流来消除由湍流或其它物理现象所引起的中等频 率流量扰动。

根据本发明的一个方面，阀门包括一通过一流体输出通道与一流体输出口相 连的流体输入通道。在流体输入通道与流体输出口之间安置一流孔，并且安装着 一阀塞，该阀塞可相对于流孔移动以改变流过阀门的流体的流率。在流体输入通 道内安装一构件，该构件可减小存在于流体输入通道内的流体中的间歇性扰动。

该减少扰动件可包括一安装在流体输入通道内的叶片，该叶片可自例如一安 装在流孔内的座环延伸。该叶片可平行于、垂直于或倾斜于流过流体输入通道的 流体的流动方向安装。减少扰动件可包括多片例如构成十字形的叶片。另外，减 少扰动件可呈篮状，或者可包括一个或多个自座环延伸的圆筒体或管体。倘若需 要的话，这种圆筒体或者管体的壁内可具有洞眼。此外，减少扰动件可不与座环 相连，而与阀塞或者流体输入通道的管壁相连。

根据本发明的另一方面，在流体输入通道内可形成一室腔，该室腔可在位于 流体输入通道的流体内形成一种恒定或稳态的涡流。这种稳态涡流防止形成间歇 性涡流或者其它的流率扰动。尤其，该室腔可以一种与流体输入口或者介于流体 输入通道与流体输出通道之间的流孔不对称的方式安装，以便使流入流体输入通 道直接邻接于流孔的部分内的流体形成涡流。

                          附图简介

在详细阅读了下面的描述以及附图之后，对于本发明的优越性将一目了然， 这些附图为：

图1是一种已知的节流阀的剖视图；

图2是本发明具有一座环的节流阀的第一实施例的剖视图；

图3是图2所示座环的俯视图；

图4是图2所示座环的侧视图；

图5是图2-4所示座环的立体图；

图6是图2-5所示座环的部分剖切的侧视图；

图7是图2所示节流阀的仰视线条结构简图；

图8是具有以与流体的流动方向垂直安装的图3-6所示座环的节流阀的仰视 线条结构简图；

图9是具有以与流体的流动方向斜向安装的图3-6所示座环的节流阀的仰视 线条结构简图；

图10是本发明第二实施例的座环的立体图；

图11是图10所示座环的另一立体图；

图12是本发明第三实施例的座环的立体图；

图13是本发明第四实施例的座环的立体图；

图14是一节流阀的剖视图，该节流阀中安装着本发明第五实施例的座环；

图15是本发明节流阀的第二实施例的剖视图；

图16是图15所示阀塞的立体图；

图17是本发明节流阀的第三实施例的剖视图；

图18是本发明节流阀的第四实施例的剖视图；

图19是本发明节流阀的第五实施例的仰视线条结构简图。

                            实施例详述

请参阅图1，一种已有技术中的节流阀9包括一流体输入口12、一流体输 出口14以及一流体输入通道16，该通道通过一流孔15使流体输入口12与流体 输出通道18相通。一阀塞20通过一阀杆22与一致动器(图中未示)相连，该阀塞 具有与阀座相接触、比如与安装在流孔15内的座环26的表面相接触的外侧表面 24。该座环26包括一具有使阀塞20进入的孔的环形部分。然而，没有将座环26 的任何部分安装在流体输入腔16内。

在操作节流阀9时，致动器(图中未示)移动阀杆22，并使阀塞20向着或远 离座环26移动，以分别闭合或打开节流阀9。阀塞表面24相对于座环26的表面 25的位置决定了流体在阀塞20与座环26之间流动的流率，因此决定了流体流过 节流阀9时的速率。

请参阅图2，如图所示为本发明的一种节流阀30。该节流阀特别适用于液 体应用中，但同时它也适用于气体应用中，该节流阀与图1所示的节流阀9相似， 其与节流阀9相同的部分的标号与图1所示标号一致。然而，节流阀30的座环 32包括一安装在流体输入通道内的构件，该构件可防止诸如形成在流体输入通道 16内的准稳态涡流之类的扰动。

请参阅图2-6，座环32包括一顶着形成在阀门30内的凸缘42安装的环形部 分40。该环形部分40包括一用于容纳阀塞20的孔或洞孔44和表面45，当将阀 塞20移动到闭合位置时，该表面45与阀塞表面24相接触。座环32还包括一叶 片50，该叶片具有两个与环形部分40相连的引腿部分52、以及一安装在两个 引腿部件52之间直接邻接环形部分40的孔44或在其下方的连接部分54。

如图2所示，当将座环32安装到节流阀30内时，连接部分54被安装到流 体输入通道16中，直接邻接着阀塞20的下表面。当将座环32的叶片50安装到 流体输入通道16中时，该叶片可防止或破坏当流体在流体输入通道16与流体输 出通道18之间流动时产生在流体输入通道16内的涡流。尤其，一旦涡流开始在 流体输入通道16内形成时，即当流体以在一不与流孔15垂直的方向上的流速在 流体输入通道16内环流时，叶片50阻挡涡流的环流或漩流的分量，从而消除了 涡流。另外，该作用还防止了诸如产生在节流阀30内的间歇性涡流之类的流动 扰动。

如图2与图7所示，座环32的叶片50平行于流动在流体输入通道16内的 流体流动方向安装。然而，该叶片50还可安装在与流体流过流体输入通道16时 的流动方向相垂直的方向上，如图8所示，或者也可在相对于流体流过流体输入 通道16时的流动方向呈任一斜角的方向上进行安装。例如，如图9所示，叶片 50的连接部分54的方位相对于流体输入通道16内的流体流动方向呈45°倾斜。 然而，最好使叶片50的方位平行于流体流过流体输入通道16时的流动方向，以 便对位于节流阀30内的流体产生最小的流动阻力。

虽然如图所示，叶片50具有一穿过环形部分40的孔44的中心安装的单片 平直部分，并具有一大致呈V形的上表面，但是叶片50可加工成任何所需的形 状，例如圆弧形，该叶片还可包括自环形部分40延伸的以平行或非平行的方式 安装的多片叶片，还可具有一片或多片在任何所需的位置上、即介于环形部分40 的任意两圆周点之间穿过环形部分40的孔44的叶片。

请参阅图10和图11，如图所示为使用在节流阀30内的另一种座环60的实 施例。该座环60具有两片垂直安装、并与环形部分40相连的叶片62与64。如 图10和11所示，在将叶片62与64以90°角互相交叉以形成一十字形部分的同 时，这些叶片可以任何所需的角度交叉，或者相互平行设置。

请参阅图12，如图所示为使用在节流阀30内的又一种座环70的实施例。 该座环70包括一与环形部分40相连的圆筒体72。圆筒体72的筒壁可自环形部 分40延伸任何所需的长度。然而，这些筒壁的长度必须极其谨慎地设计，以便 在圆筒体72与流体输入通道16最近的表面之间提供足够的空隙，从而使得所需 的最大流率流过节流阀30。即，圆筒体72必须向下低于座环70延伸一段足够 的距离，以防止在流体输入通道16内产生涡流，但是其不能延伸至太接近流体 输入通道16的表面，以至于座环70减小了节流阀30的流体流量。

请参阅图13，如图所示为图12所示圆筒体的变化型式，在其筒壁内具有长 椭圆形洞孔74。该洞孔可加工成任何所需的形状，并间隔分布在圆筒体72的筒 壁上任何所需的分隔位置上，这些洞孔有助于确保适当的流体流量流过圆筒体 72，同时仍然可使该圆筒体72破坏或者防止在流体输入通道16内产生涡流。图 12及13所示的实施例包括与一环形部分同心安装的圆筒体，其优点在于，当将 它们插入到节流阀30内时，它们不必相对于一特定方向定向。

虽然如图12及13所示的圆筒体72为一具有环形横截面并与环形部分40轴 向对齐的管体，但是该圆筒体72可为任何其它的形状，例如诸如正方形、六边 形等任何有角的形状，并且还可构造成不与环形部分40同轴的型式。圆筒体还 可包括向下低于环形部分40平直延伸的、位于环绕于环形部分40的圆周的一个 或多个位置上的多片叶片。

图14所示为安装在节流阀30内的一种座环90的另一个实施例。该座环90 包括与环形部分相连的、并安装在流体输入通道16内的篮状物92。该篮状物92 包括多根与环形部分40相连的线材，以及一与线材相连的粗网筛94。线材和/ 或粗网筛94可由诸如金属或者塑料之类的任何所需的材料制成。

重要的是，这样制造粗网筛94是为了使其不必过滤流过它的流体中的微粒 或其它物质。即，网筛94可包括一其中有着众多洞眼的粗筛，这些洞眼较大， 以便足以使流过阀门30的液体或气体内的微粒及其它物质通过。这些洞眼构成 粗孔道。倘若篮状物94起到过滤器的作用，特别是在液体应用中，微粒将会积 累在网筛上，由此阻挡了液体的流动路径，最终由于流动着的液体力量过大地冲 击在积累在网筛94上的微粒上，从而致使该蓝状物受到损坏。显然，特别是在 将该座环90使用在存在着高流体流动力的阀门中时，必须要使座环90的结构坚 固(sound)。

当上述如图所示及描述的节流阀和座环的实施例具有诸如叶片、篮状物或圆 筒体之类为稳定流量而与座环相连的结构部分时，这些结构部分可不与座环相 连，而与节流阀的任何其它的诸如阀塞和/或流体输入通道的管壁之类的部分相 连，或者这些结构件既与座环相连，又与节流阀的任何其它的部分相连，只要这 些部分安装在最接近介于流体输入通道及流体输出通道之间的流孔的流体输入 通道内即可。

现在请参阅图15，如图所示为一种具有一十字形叶片部分95的节流阀30， 该十字形叶片部分附着于一阀塞96或与该阀塞一起形成。图16更详细地示出了 阀塞96与叶片95。叶片95可为任何所需的尺寸、形状或结构，包括上文相对 于座环所描述或图示的叶片的圆筒体、篮状物等任何结构，叶片95自阀塞96的 底部延伸，以便使其安装在流体输入通道16内。因此，叶片95邻接于流孔15 安装，以便操作时可减小或消除流孔15附近的流动扰动，从而稳定了流过阀门 30的流体的流率。在某些结构中，在阀塞96上安装一诸如叶片95之类的结构件 可导致由阀杆22上的转矩所引起的流动，所以需要给阀杆增配防转装置。

请参阅图17，如图所示为一种具有一附着于流体输入通道16的管壁或与该 管壁一起形成的叶片97的节流阀30。叶片97可与阀门30的阀门体一起铸造而 成，或者在铸成阀门体之后另外附加上去，该叶片平行于流动在流体输入通道16 内的流体的流动方向设置，该叶片延伸穿过介于流体输入通道16与流体输出通 道18之间的流孔15的大约一半距离，以后逐渐变细至流体输入通道16的底面。 图18所示为另一种附着于流体输入通道16的管壁的叶片98，该叶片延伸穿过 了几乎整个流孔15，并且其轮廓与阀塞20处于闭合位置时阀塞下表面的轮廓相 符。图17和图18所示的实施例仅仅起到举例示范的作用，要明白的是，根据这 两个实施例的创作思想所构造的任何其它所需的部分，包括文中相对于座环及阀 塞的实施例所描述或图示的任何叶片、圆筒体部分、篮状物等，可附着于流体输 入通道的管壁或阀门的其它部分。

无论包括一叶片、圆筒体或其它部分的减少扰动件是否与座环、阀塞、流体 输入通道的管壁或者阀门的其它部分相连，该减少扰动件必须邻接于介于流体输 入通道16与流体输出通道18之间的流孔设置。否则，减少扰动件将不会防止在 其与流孔之间产生涡流，由此将无法预防阀门流率中的波动。

为了达到本发明的目的，任何附着于座环或阀门的阀塞、并延伸进入流体输 入通道内的减少流体扰动件邻接于介于流体输入通道与流体输出通道之间的流 孔设置。

另外，当减少流体扰动件附着于流体输入通道的一个或多个管壁、或者与该 管壁相连时，倘若该件围绕或穿过流孔的较大部分延伸，并/或延伸进入流体输入 通道内一段较大距离，则该件被认为是邻接于介于流体输入通道与流体输出通道 之间的流孔。减少扰动件延伸进入流体输入通道内的距离越大，或者该件围绕或 穿过介于流体输入通道与流体输出通道之间的流孔部分越大，则它减小存在于流 体输入通道内的涡流或者其它扰动的能力就越强。为了达到本发明的目的，当减 少流体扰动件延伸进入自介于流体输入通道与流体输出通道之间的流孔延伸至 流体输入通道的底面的、与流孔同轴并具有涉及阀门的管道公称尺寸的直径的虚 构圆筒内一段最小距离时，该减少流体扰动件延伸进入流体输入通道内一段较长 距离，或者围绕或穿过介于流体输入通道与流体输出通道之间的流孔较大部分。 减少流体扰动件最好延伸进入或穿过该虚构圆筒一段至少为介于该件于其外进 入该虚构圆筒的圆筒表面与该虚构圆筒最接近流孔的轴向点之间距离的50％的 最小长度。然而，该减小件延伸进入或穿过虚构圆筒一段只为该距离的20％之小 的最小长度，它仍可运行，并带某种程度的成功。当然同样也可接受其间的任何 百分比例。另外，虚构圆筒的直径最好是阀门的管道公称尺寸的1.5倍。然而， 同样也可采用其它倍数，例如介于1.0与1.5之间的任何倍数。

无论减少扰动件的形状或附着结构如何，该件的构造或形状不可用于过滤流 过阀门的气体或液体。换句话说，该件不能积累或收集流过阀门的流体中可能存 在的相对细小的微粒或碎屑。因此，在流体输入通道16的流体输入口12与阀门 30的流孔15之间存在着一粗网通道，即一较大的足以使流体内可能存在的相对 细小的微粒或碎屑通过、并因此不会过滤流体的连续流体通道。这种较大的通道 例如存在于图2所示的环形部分40与叶片50之间、存在于图11所示的环形部分 与叶片62和64之间、穿过图12和图13所示的圆筒体72的端部和洞眼74、穿 过图14所示的粗网筛94中的洞眼、以及分别存在于图15、图17和图18所示的 叶片95、97和98与座环26中的流孔15之间。倘若减少扰动件起到过滤器的作 用，则该件会限制流过阀门的流量，并且需要定期清洁或更换。然而，要注意的 是，倘若流体中不存在细小微粒或碎屑，则可将一流体过滤装置以任何已知或所 需的方式放置在流动扰动减少装置的上游。

根据本发明的另一方面，实际上最好是在节流阀的流体输入通道内形成一种 稳态涡流，以便防止产生间歇性涡流。图19所示为一种其构造是为了在流体输 入通道102中形成稳态涡流的节流阀100的仰视线条结构简图。该节流阀100的 流体输入通道102通过一流孔110和一流体输出通道112将一流体输入口104与 一流体输出口108相连。正如通常所知的，阀塞(图中未示出)顶着任何已知的座 环114安装以打开及闭合阀门100。

节流阀100的流体输入通道102包括一室腔120，该室腔在流动在流体输入 通道102内的流体中形成涡流。该室腔120形成在流体输入通道102邻接流孔110 的那端上，其中心与座环114的中心是不对齐的，即是偏置的。此外，室腔120 的室腔壁相对于流体输入口104而言是不对称的。由于这种结构的缘故，流入该 室腔120的流体形成了一种稳态涡流。另外，由于由室腔120所形成的涡流是稳 定的，因此该涡流防止产生间歇性涡流或扰动，从而提供了具有稳定的流体流率 的节流阀100。

虽然如图所示，位于节流阀100中的室腔120的形状是光滑的并大致呈圆 形，即具有大致圆形的横截面，但是可以采用任何其它所需的室腔或形状，只要 该室腔的形状可在流动在流体输入通道102内的流体中形成稳态涡流即可。

在阀门的流体输入通道内设置的上述构件与不对称室腔的目的在于通过在 流体输入通道内防止涡流或形成稳态涡流来获得流过阀门的稳定的流率。因此， 设置在流体输入通道内的任何所需形状的任何构件被认为是包括在本发明的范 围之中，只要该构件运行时可防止位于流体输入通道内的流体的漩流速度分量传 入阀塞/座环区域即可。此外，形成或安装在流体输入通道内的任何所需形状的室 腔和/或在流动在阀门的流体输入通道内的流体之中形成稳态涡流的任何其它装 置被认为是包括在本发明的范围之中。

虽然如图所示，特殊的涡流预防及形成装置使用在上行球型及角型阀门中， 但是这些装置还可使用在任何其它所需的阀门中，其中包括下行阀门，在下行阀 门中，流体向下流动通过阀塞流孔和/或自动或者人工控制的阀门。

虽然如图所示，流体输入通道以及流体输出通道的长度要大大地大于两者之 间流孔的长度，但是流体输入通道以及流体输出通道可为任意所需的长度，并且 /或者可在流动减少扰动件的上游的任何点上构成流体输入口。

由于本技术领域中的熟练人员对于本发明的修改将会一目了然，因此上述实 施例的描述仅仅是为了能够更清楚明了地理解本发明，要明白的是，由此并不存 在不必要的限制。