具有平行的偏压弹簧的差压阀和用于减少弹簧颤动的方法

摘要

本发明涉及具有平行的偏压弹簧的差压阀和用于减少弹簧颤动的方法。公开了一种差压阀，其包括：阀本体(111)，所述阀本体具有至少一个流入口(118)和一个流出口(120)；至少一个闸(112)，所述闸能够在跨过阀的差压下在打开位置和关闭位置之间移动；从流入口(118)到流出口(120)的流道(126)；至少一个偏压部件(114)，其构造成将闸(112)偏压向关闭位置，以便堵塞通过流入口(118)的流道。偏压部件(114)包括平行地布置的至少两个弹簧(114A,114B)，所述弹簧中的一个具有不同于所述两个弹簧中的另一个的至少一个共振频率的至少一个共振频率。

说明书

技术领域

公开的实施例大体涉及差压阀，即涉及由跨过阀的压差自动地促动的阀。一些示例性实施例特别涉及往复式压缩机阀，例如具体而言高压压缩机的提动阀(poppet valve)。

背景技术

能够产生高达或超过3000巴的气体压力水平的那些高压压缩机广泛地用于工业应用中，包括(但不限于)产生低密度聚乙烯或LDPE。这些压缩机的效率性能至少部分地由吸入和排出自动提动阀控制。图1示出了传统技术的高压压缩机2的一部分的剖面，高压压缩机2包括两个提动阀10。图2示出了图1中显示的压缩机的在打开位置上的一个传统提动阀的放大截面。根据现有技术的提动头导引件在US-A-2010/0024891中有所公开。

如图1中显示，高压压缩机2通常包括壳体3，缸体4形成于壳体3中。活塞杆5在缸体4中往复地滑动，以从吸入管道6吸入流体，以及在排出管道7中以较高的压力排出流体。提动阀10布置在各个所述吸入管道6和排出管道7中。在图1中，参考标号10S标示吸入管道6中的提动阀，而参考标号10D标示排出管道7中的提动阀。各个提动阀10S、10D如图2中显示的那样设计，并且在其中标示为10。

如图2中显示的那样，传统提动阀10包括：阀本体11，阀本体11在其中包含构造成打开和关闭进出高压压缩机1的气体流径的提动头或提动闸(poppet shutter)12；弹簧14，其构造成将提动闸12抵靠着由阀本体11的内表面的一部分形成的关闭座13而保持在关闭位置上；以及闸导引件16，其包含提动闸12和弹簧14。如显示的那样，当提动闸12被迫打开时，形成从传统的提动阀10的流入口18到流出口20的流道17(在图2中由若干箭头标示)，流径由提动闸12和阀本体11之间以及闸导引件16和阀本体11之间形成的空间限定。传统提动阀10的闸导引件16进一步包括沿着闸导引件16的轴线A-A的排出开口22，排出开口22在流滞区域中将闸导引件16的内室26连接到流道17，内室26中的背压至少部分地由在传统提动阀10的轴线A-A周围的流道17的区域中的静压力限定。

提动阀10、10S、10D的打开和关闭由跨过阀的差压自动地控制。这些阀因此有时称为“自动阀”，并且与受控制的阀区别开，例如在内燃机发动机中常使用的那些，其中阀的打开和关闭由外部促动器控制，例如借助于凸轮轴。

吸入提动阀10S布置成使得其在活塞杆5的吸入行程期间在高压压缩机2的缸体4中的压力减小时打开。吸入管道6中的压力克服弹簧14的力；跨过阀的差压使阀打开，并且流体被吸入压缩机缸体4中。排出阀10D被关闭。一旦活塞杆5到达底部死点，移动就反向，并且缸体中的流体的压缩开始。在跨过压缩机缸体4和排出管道7之间的排出阀10D的差压克服相关弹簧的力时，缸体4中的增大的压力自动地关闭吸入阀10S且打开排出阀10D。

在各个关闭运动时，相关提动阀10、10S、10D的提动闸12会猛烈地撞击阀本体11的座13，并且各个打开行程使提动闸12撞击闸导引件16。

这些提动阀在用于产生LDPE的装置中使用的高压压缩机的可靠性方面扮演重要的角色。这样的阀的性能不仅取决于所选择的材料属性和经受高运行气体压力的适当的设计，而且还取决于提动闸12的恰当的动态行为。阀的恰当的打开和关闭受与作用在阀上的若干动态力有关的各种设计约束影响，除了别的之外，这包括：作用在提动闸12和闸导引件16上以打开阀的牵引力，这个牵引力由气体流与所提到的阀部件的相互作用产生；作用在闸导引件16上以关闭传统阀10的气体压力，这个气体压力由作用在闸导引件16的后表面上的流背压产生；与提动闸12的质量相关联的惰性力；以及弹簧14所产生来关闭阀的弹簧力。

高压压缩机通常在150rpm和300rpm之间的速度范围中运行。在各个循环时，所有阀执行打开和关闭运动，提动闸对应地冲击座13和闸导引件16。重复的冲击导致冲击磨损和前沿损伤，这最终导致提动头失效。冲击磨损导致材料消耗和表面不规则，这可产生形成裂缝的可能点位。这些可通过冲击疲劳(由于冲击导致的动态载荷产生的应力波引起)而传播，直到提动闸最终破裂。在高冲击速度的情况下，冲击疲劳本身可为裂纹的核心，即便是在缺乏冲击磨损的情况下。

当在弹簧上存在冲击载荷时，应力沿着弹簧线材传播。接触所应用的载荷的弹簧的端部线圈吸收了所有偏移，并且然后其将其偏移的大部分传递到相邻的线圈。这个压缩波沿着弹簧无限地行进。取决于行进的时间而将出现共振。这导致非常大的偏移，并且对应地导致非常高的应力。在这些状况下，只可能的是弹簧可能失效。这个现象称为颤动。从另一个观点看，在关闭和打开闸之后在弹簧上应用的冲击应力会引入弹簧的与可在傅里叶级数中分解的函数相符的变形，这还可包括对应于弹簧的共振频率的谐波。在一些情况下，这可产生上面提到的沿着弹簧行进的压缩波。由共振在弹簧中引起的高应力可最终导致弹簧失效。如果这在往复式压缩机的自动阀中出现时，闸将继续运行，但是在异常的运行状况下运行。闸的冲击速度增大到非常高的值，从而增大闸的前沿损害(冲击磨损和冲击疲劳)。前沿损害产生裂纹，裂纹在重复的冲击所产生的动态应力下快速地传播，直到当闸断裂时阀最终失效。

弹簧颤动还可由气体动态力(涡流)引起。这些力产生压力震荡，频率范围典型地在100Hz和1200Hz之间，这对应于阀弹簧的一个或多个共振频率。

自动阀不仅用于高压压缩机中，而且还用于其它种类的往复式压缩机中，通常用于较低的压力范围，例如在100巴和1000巴之间。这些自动阀包括具有一个或多个出口孔口的阀挡和具有一个或多个入口孔口的阀座。盘形或环形的闸或阀板布置在阀座和阀挡之间，并且由弹簧弹性地推动到相反的座上。打开和关闭由跨过阀的差压控制。这些阀通常称为“环阀”，以指示其中所用的闸的形状。由于在打开和关闭环形闸之后在弹簧上的冲击载荷的作用，还可在往复式压缩机的这个种类的自动阀中产生弹簧颤动。

因此将合乎需要的是开发改进的往复式压缩机阀，具体而言自动阀，例如具体而言用于高压压缩机的提动阀，其中弹簧颤动现象得到抑制或至少得到减轻。

发明内容

通过提供包括具有不同的共振特征的至少两个弹簧的偏压部件，颤动现象得到了抑制或至少得到了减轻。如果可获得足够的空间的话，可提供平行的不止两个弹簧来增强颤动抑制作用。当对偏压部件施加的应力包含等于或近似于所述至少两个弹簧中的一个的共振频率的频率时，所述弹簧往往会共振。但是，压缩波的传播由所述至少两个弹簧中的另一个对抗。

因此，根据一些实施例，提供了一种差压阀，例如具体而言提供了一种往复式压缩机阀，包括：

阀本体，所述阀本体具有至少一个流入口和一个流出口；

至少一个闸，所述闸能够在跨过阀的差压下在打开位置和关闭位置之间移动；

从流入口到流出口的至少一个流道；

至少一个偏压部件，其构造成将闸偏压向关闭位置，以便堵塞通过流入口的流道；

其中，偏压部件包括平行地布置的至少两个弹簧，所述弹簧中的一个具有不同于所述两个弹簧中的另一个的至少一个共振频率的至少一个共振频率。

概括地，差压阀是基于跨过阀的差压而自行打开和自行关闭的一个阀，差压例如为往复地在往复式压缩机的缸体中移动的活塞产生的差压。

平行地布置的弹簧在受载荷被偏压时经历相同的偏移。

在一些实施例中，两个弹簧是螺旋弹簧。如果弹簧被同轴地布置，即一个在另一个内部，则实现特别紧凑的设计。

两个弹簧可为线性弹簧。在其它实施例中，两个弹簧中的一个是非线性弹簧，例如变刚度弹簧，其刚度随着偏移的增大而增大。在其它另外的实施例中，两个弹簧可为非线性的，例如变刚度的弹簧。

在本发明在高压压缩机的提动阀中实施时，实现了特定的优点。根据一些实施例，该提动阀包括：不动地布置在阀本体内部的闸导引件，阀闸由闸导引件滑动地导引；从流入口到流出口的流道，所述流道形成于阀本体的内表面和所述闸导引件的外表面和闸的外表面之间。偏压部件至少部分地容纳在闸导引件中。

根据其它实施例，阀是环阀，例如用于往复式压缩机的自动环阀。各个环由多个偏压部件弹性地偏压，偏压部件沿着环的环形延伸部分布。在一些实施例中，各个偏压部件包括平行地布置的至少两个弹簧，例如两个螺旋弹簧。在一些实施例中，各个偏压部件的两个弹簧可同轴。

根据另一方面，本文公开的主题涉及往复式压缩机，其包括：缸体；活塞，其滑动地布置在所述缸体中，并且往复地在所述缸体中移动；与所述缸体处于流体连通的吸入管道和排出管道；在所述吸入管道中的至少吸入阀和在所述排出管道中的排出阀；所述吸入阀和所述排出阀的打开和关闭由跨过阀的差压自动地控制；以及其中，如上面公开的那样，对所述吸入阀和所述排出阀中的至少一个提供了闸和作用在闸上的偏压部件，其中，所述偏压部件包括具有不同的共振频率的至少两个弹簧。

在一些实施例中，压缩机是高压压缩机。在一些示例性实施例中，压缩机在150rpm和300rpm之间旋转，即活塞每分钟执行150-300次循环，各个循环包括吸入行程和反向的压缩和排出行程。因此，压缩机中的各个吸入阀和排出阀每分钟执行150-300次打开和关闭循环。根据一些实施例，压缩机以800巴和4500巴之间的排出压力运行，例如在1500巴和3500巴之间。

根据另外的另一个方面，本文公开的主题涉及一种用于减轻或抑制往复式压缩机阀中的弹簧颤动的方法，所述压缩机包括：阀本体，所述阀本体具有流入口和流出口；闸，所述闸能够在跨过所述阀的差压下在打开位置和关闭位置之间移动；从流入口到流出口的流道；至少一个偏压部件，其构造成将闸偏压向关闭位置，以便堵塞通过流入口的流道。该方法包括通过平行地布置至少两个弹簧来抑制所述偏压部件中的共振压缩波的传播，所述弹簧中的一个具有不同于所述两个弹簧中的另一个的至少一个共振频率的至少一个共振频率。

上面的简要描述产生了本发明的各种实施例的特征，以便可更好地理解后面的详细描述，以及以便可更好地理解目前对本领域的贡献。当然，存在本发明的将在下文中描述且将在所附权利要求中阐述的其它特征。在这方面，在详细阐述本发明的若干实施例之前，要理解，本发明的各种实施例在它们的应用方面不限于后面的描述中阐述或图中示出的结构的细节和构件的布置。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实践和执行。而且要理解，本文采用的措词和术语用于描述的目的，并且不应当看作限制性的。

因而，本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念可容易地用作设计用于执行本发明的若干目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求被看作包括这样的等效结构，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图说明

本发明的公开的实施例和本发明所意图的许多优点的更全面的理解将容易地获得，因为在结合附图考虑时，参照以下详细描述，它们会变得更好理解，其中：

图1显示了根据现有技术的往复式高压压缩机的一部分的截面；

图2示出了沿着用于根据本发明的高压压缩机的提动阀的纵向轴线的截面；

图3示出根据示例性实施例的高压压缩机的一部分的纵向截面；

图4示出根据示例性实施例的在打开位置上的提动阀的纵向截面；

图5示出变刚度的非线性螺旋弹簧的示意性侧视图；

图6示出具有平行的弹簧布置的环阀的根据图6A中的线VI-VI的示意性截面；图16示出根据另一个实施例的具有非线性弹性部件的环阀的根据图16A中的线XVI-XVI的纵向截面；

图6A示出根据图6的线VIA-VIA的图；

图7示出图6的弹簧布置的放大图。

具体实施方式

示例性实施例的以下详细描述参照了附图。在不同的图中的相同的参考标号标示相同或类似元件。另外，图未必按比例绘制。而且，以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书，对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的参照指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”在说明书中各位置出现未必指相同实施例(一个或多个)。另外，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。

本文将在下面结合高压压缩机的提动阀来论述本发明的各种优点。但是应当理解，本发明的特征中的至少一些可实施在其它类型的往复式压缩机的自动阀中，例如环型阀。

本文公开的一个实施例在下面参照了单提动头阀。但是应当理解，本文公开的至少一些特征可实施在多提动头阀中，即包括不止一个提动闸和相关闸导引件的阀。例如包括用于多个提动闸的多个导引件的阀挡可结合具有多个吸入开口的阀座来使用，吸入开口各自对应于相应的提动闸。

首先参照图3，将描述高压压缩机的大体结构，这限于对于理解本发明而言重要的那些部件。高压压缩机102包括壳体103，缸体104形成于壳体103中。活塞杆105在缸体104中往复地滑动，以从至少一个吸入管道106吸入流体，以及在至少一个排出管道107中以较高的压力排出流体。相应的提动阀分别布置在各个所述吸入管道106和排出管道107中。参考标号110S标示吸入管道106中的提动阀，而参考标号110D标示排出管道107中的提动阀。吸入管道和排出管道相对于缸体104的布置可为图中显示的不同的形式。具体而言，阀轴线相对于缸体轴线的位置可不同，并且可取决于高压压缩机的入口和出口压力的设计值。

活塞杆105由曲柄(未显示)促动。在一些实施例中，曲柄的旋转速度在150rpm和300rpm之间的范围中，即活塞杆105每分钟执行完整的压缩-吸入运动150-300次。因此，各个阀110S、110D每分钟执行打开-关闭运动在150次和300次之间。压缩机的排出压的范围介于800巴和4000巴之间，例如介于1500巴和3500巴之间。

各个提动阀110S、110D可设计成如在图4中显示的示例性实施例示出的那样，其中，提动阀整个标示为110，并且显示为在其打开位置上，从而允许气体通过阀从入口流向出口。

提动阀110包括具有阀轴线A-A的阀本体111、提动闸112、偏压部件114和闸导引件116。

在一些实施例中，提动闸112具有内腔体113，间隔件115设置在内腔体113中。偏压部件114部分地容纳在提动闸112的内腔体113中，并且部分地容纳在闸导引件116的内室117中。更具体而言，偏压部件114固持在间隔件115和闸导引件116的内室117的底表面117B之间。内室117的表面117A与提动闸112的外表面112A进行滑动接触，使得提动闸112在提动闸112的打开和关闭行程期间由闸导引件116滑动地导引。根据不同的实施例，提动闸112可至少部分地包围闸导引件，并且可由在提动闸腔体内部延伸的闸导引件导引。

提动阀110还包括流入口118和流出口120。在运行中，偏压部件114将提动闸112远离闸导引件116而偏压在关闭位置上，其中，提动闸112的表面的部分122支托在阀本体111的表面部分形成的关闭座124上，从而阻止气体从流入口118流到流出口120或相反。弹簧114适当地预加载以在提动闸112和关闭座124之间提供足够的关闭压力。当跨过阀的气体差压在提动闸112上施加的力大于弹簧114的偏压力时，提动闸112移动到图4中的显示的打开位置，从而允许气体通过形成于提动闸112和阀本体111的内表面之间以及闸导引件116和阀本体111的内表面之间的流道126从流入口118流到流出口120，如图4中的箭头128所示出的那样。

在图4中显示的示例性实施例中，偏压部件114包括平行的两个预加载的压缩螺旋弹簧114A和114B，其一个布置在另一个内部。更具体而言，弹簧114A具有较大的直径，并且布置在较小的弹簧114B周围。根据未显示的不同的实施例，弹簧并排地而非同轴地布置。弹簧布置成预加载的状况，使得跨过阀不存在任何差压，提动闸112由弹簧114A、114B偏压成与关闭座124进行密封接触。

在一个实施例中，弹簧114A和114B是线性弹簧，即其中偏移线性地随着在弹簧上施加的压缩性载荷而改变的弹簧。

各个弹簧114A、114B的特征在于(一阶)共振频率和其倍数。通常如果ω指示弹簧的一阶共振频率，则更高阶的共振频率是2ω(二阶共振频率)、3ω (三阶共振频率)…Nω (N阶共振频率)。

在一些实施例中，弹簧114A、114B设计成使得所述弹簧114A、114B中的一个的至少一阶共振频率(一次谐波)不同于另一个弹簧的一阶共振频率(一次谐波)。而且在一些实施例中，至少二阶频率且优选地还有三阶频率和可能地四阶频率(二次、三次、四次谐波)对于两个弹簧114A、114B是不同的。例如，如果第一弹簧具有处于100Hz的一阶共振频率和处于200Hz、300Hz、400Hz的后续共振频率，则合适的是将第二弹簧设计成使得其一阶或二阶、三阶和四阶共振频率都不处于100Hz、200 Hz、300 Hz或400 Hz。

如果阀的运行状况使得两个弹簧中的第一个将以一阶共振频率共振，则压缩波沿着弹簧的传播将由两个弹簧中的第二个对抗，它们的一阶共振频率和后续的共振频率是不同的。这个布置的整个结果将是防止颤动或减轻颤动的作用。

根据不同的实施例，两个弹簧114A、114B中的至少一个是非线性弹簧，例如变刚度弹簧。在一些实施例中，两个弹簧114A、114B都是非线性的，例如变刚度的弹簧。弹簧的非线性行为使颤动被抑制或颤动被减少。

概括地，非线性变刚度螺旋弹簧可示意性地由具有可变刚度的串联地定位的弹簧的布置表示。概括地，这种布置可以不同的方式获得。图5示出了螺旋弹簧的一个实施例，其中形成弹簧的线圈之间的节距沿着弹簧的轴向延伸部而变化。节距，即形成弹簧114A或114B的两个相邻有效线圈之间的间距标为P1、P2、P3、…Pn-1、Pn。节距可从弹簧的一端到相对端而逐步变化，但是这不是强制的；例如节距可从各个弹簧端朝向弹簧中心减小或相反。

非线性的变刚度螺旋弹簧行为抑制或减少颤动现象，如后面的那样。理论上，在普通线性螺旋弹簧中，总的弹簧偏移在多种线圈中均匀地分配。这意味着各个成对的相邻线圈之间的距离会减少到相同的程度，直到线圈最终彼此接触。在变刚度螺旋弹簧中，距离最小节距的线圈将比其余的线圈更早彼此接触。这会改变线圈的刚度。在压缩性偏移增大时，越来越多数量的线圈彼此接触，从而导致弹簧的刚度逐渐增加，直到最终对于布置成最小空间布置的所有线圈实现最大压缩性偏移，各个线圈接触相邻的线圈。

因为变刚度弹簧的刚度随着偏移而改变，所以其共振频率也会改变，并且压缩波(弹簧颤动)的传播得到抑制或至少被大大减少。

组合两个螺旋弹簧114A、114B(其中至少一个是非线性的并且它们具有不同的共振频率)会增大偏压部件114的颤动抑制效率。

当弹簧中的至少一个具有不断增大的刚度时，诸如例如变刚度螺旋弹簧，弹簧可设计成使得刚度通过至少三个不同的步骤而逐步增大，即，使得载荷偏移曲线具有至少两个坡折点(knick point)，在坡折点处，曲线的坡度会变化，其在所涉及的偏移范围中的导数有不连续性。不连续性对应于弹簧的刚度变化。此外，在一些实施例中，两个后续的刚度值之间的比率优选包括在1.2和2之间，即

　　　　　　　　　　1.2 < K_i/K_i-1 < 2

其中，K_i和K_i-1是弹簧的后续刚度值。

图6、6A和7示出了另一个实施例。在这个实施例中，环阀整个被标示为201。阀201包括阀本体，阀本体由设有环形通路205的阀挡203和设有环形通路209的阀座207构成。呈同心地设置的密封环212的闸布置在挡203和座205之间。各个环212由沿着环的环形延伸部设置的多个偏压部件214弹性地偏压在座207上。各个偏压部件214容纳在形成于阀挡203中的壳体213中。根据一些实施例(具体而言见图7)，各个偏压部件214包括至少两个弹簧214A、214B。各个弹簧214A、214B可为螺旋弹簧。在图中公开的实施例中，弹簧214A、214B同轴，即所述弹簧中的较小的一个布置在较大的一个形成的空的空间中。在一些实施例中，两个弹簧214A、214B是线性的。在备选实施例中，一个或两个弹簧是非线性的，例如变刚度的弹簧。

虽然在图中显示且在上面特别且详细地结合若干示例性实施例来完全描述本文描述的主题的公开的实施例，但是对于本领域普通技术人员将为显而易见的是，可能有许多修改、变化和省略，而不实际脱离本文阐述的新颖的教导、原理和概念，以及所附权利要求中所叙述的主题的优点。因此，公开的创新的恰当范围应当仅通过所附权利要求的最宽泛的解释来确定，以便包含所有这样的修改、变化和省略。另外，任何工艺或方法步骤的顺序或序列可根据备选实施例来改变或重新编序。