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CN104011388A - 用于往复式压缩机相关方法的平移旋转式促动旋转阀 - Google Patents

用于往复式压缩机相关方法的平移旋转式促动旋转阀 Download PDF

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CN104011388A
CN104011388A CN201280064965.6A CN201280064965A CN104011388A CN 104011388 A CN104011388 A CN 104011388A CN 201280064965 A CN201280064965 A CN 201280064965A CN 104011388 A CN104011388 A CN 104011388A
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valve
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Abstract

提供了用于在油气行业中使用的往复式压缩机的促动旋转阀和相关方法。旋转阀(300)具有带定子开口(315)的定子(310)、带转子开口(325)的转子(320)和促动机构。促动机构(340)构造成接收旋转运动，且促动转子首先执行移离定子的轴向平移，且然后执行旋转。促动机构包括构造成接收旋转运动的外轴，和在外轴内且构造成旋转转子的内轴。外轴构造成在接合内轴以与转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将转子推离定子。

Description

用于往复式压缩机相关方法的平移旋转式促动旋转阀
技术领域
在此公开的主题的实施例大体上涉及能够在用于油气行业的往复式压缩机中使用的促动旋转阀，并且更具体而言，涉及平移旋转阀(translo-rotating valve)，其通过首先使阀转子远离阀定子平移，且然后使阀转子围绕旋转轴线旋转以使转子的开口沿流体流动方向与定子的开口重叠来打开。
背景技术
油气行业中使用的压缩机必须满足工业特定要求，这例如考虑了压缩流体通常是腐蚀性且可燃的。美国石油组织(API)，制定油气行业中使用的设备的公认行业标准的组织，已经发行了文件API618，其列出了往复式压缩机的整套最低要求。
压缩机可分类为正排量压缩机(例如，往复、螺旋或叶片压缩机)或动力压缩机(例如，离心或轴向压缩机)。在正排量压缩机中，通过捕集固定体积的气体且然后减小该体积来压缩气体。在动力压缩机中，通过将动能从旋转元件(诸如，叶轮)传递至待由压缩机压缩的气体来压缩气体。
图1为在油气行业中使用的常规双室往复式压缩机10的图示。流体压缩发生于缸20中。待压缩的流体(例如，天然气)经由入口30输入到缸20中，且在压缩之后经由出口40输出。压缩是循环过程，其中流体由于活塞50沿缸20在头端26与曲柄端28之间的移动而被压缩。实际上，活塞50将缸20分成在压缩循环的不同阶段中操作的两个压缩室22和24，当压缩室24的容积处于其最高值时压缩室22的容积处于其最低值，且反之亦然。
吸入阀32和34打开以允许将要被压缩(即，具有第一压力p1)的流体从入口30分别进入压缩室22和24中。排出阀42和44打开以允许已经压缩(即，具有第二压力p2)的流体经由出口40分别从压缩室22和24输出。活塞50由于从曲轴60经由十字头70和活塞杆80传输来的能量而移动。
通常，在往复式压缩机中使用的吸入和压缩阀为自动阀，其由于跨过阀的压差而在关闭状态与打开状态之间切换。使用自动阀的往复式压缩机中的低效的一个来源归因于间隙容积，即，压缩流体不可从其抽出的容积。旋转阀需要比自动阀小的间隙容积，但只有在外力促动时才操作。旋转阀是已知的，例如，授予Wolff的美国专利No.4,328,831和授予Schiavone等人的美国专利6,598,851中已经描述了它们。
图2A和2B示出了常规旋转阀200。阀包括定子210和转子220。定子210和转子220为具有开口的同轴盘，该开口跨越围绕轴230的相同尺寸的扇段(sector)。转子210可被促动来围绕轴230从第一位置(图2A)旋转至第二位置(图2B)，在第一位置，转子的开口212重叠定子的开口222，而在第二位置，转子的开口212和定子的开口222(使用虚线示出)跨越不同的扇段。当转子220处于第一位置时，旋转阀200处于打开状态，允许流体从转子定子区域的一侧流至转子的另一侧。当转子220处于第二位置时，旋转阀200处于关闭状态，从而防止流体从转子定子区域的一侧流至转子的另一侧。
往复式压缩机中的旋转阀不曾用于油气行业，因为无法获得定子与转子一起之间的可靠密封和所需的快速促动时间。此外，当促动转子时，由于(1)系统压力朝定子推动转子和(2)大摩擦表面而可出现较高摩擦力。
因此，将期望的是提供避免前述问题和缺陷的系统和方法。
发明内容
平移旋转阀为能够在用于油气行业的往复式压缩机中使用的促动旋转阀，其通过促动转子首先远离定子平移且然后沿流体流动方向旋转，以使转子开口与定子开口重叠，而既实现了阀关闭时的良好密封，且又实现了当阀切换至打开时没有摩擦。在往复式压缩机中使用旋转阀具有的优点在于增大的通流面积通过加强吸入和/或排出阶段而产生了提高的压缩机效率。
根据一个示例性实施例，提供了一种能够在用于油气行业的往复式压缩机中使用的旋转阀。旋转阀包括(1)具有定子开口的定子、(2)具有转子开口的转子，和(3)促动机构。促动机构构造成接收旋转运动，且促动转子首先执行移离定子的轴向平移，且然后执行旋转。促动机构包括构造成接收旋转运动的外轴，和在外轴内且构造成旋转转子的内轴。外轴构造成在接合内轴以与转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将转子推离定子。
根据另一个示例性实施例，一种用于油气行业的往复式压缩机包括压缩室和至少一个旋转阀。阀包括具有定子开口的定子、具有转子开口的转子，和促动机构。促动机构构造成接收旋转运动，且促动转子首先执行移离定子的轴向平移，且然后执行旋转。促动机构包括构造成接收旋转运动的外轴，和在外轴内且构造成旋转转子的内轴。外轴还构造成在接合内轴以与转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将转子推离定子。
根据另一个示例性实施例，提供了一种改造最初具有自动阀的往复式压缩机的方法。该方法包括移除自动阀，并且将旋转阀安装在已经移除自动阀的位置。该方法还包括安装促动机构，促动机构连接于旋转阀的转子且构造成接收旋转运动，以促动转子旋转运动且促动转子首先执行移离旋转阀的定子的轴向平移且然后执行旋转。促动机构包括构造成接收旋转运动的外轴，和在外轴内且构造成旋转转子的内轴。外轴还构造成在接合内轴以与转子一起旋转之前在接合内轴以与转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将转子推离定子。
附图说明
并入说明书且构成说明书的一部分的附图示出了一个或更多个实施例，且结合描述阐释了这些实施例。在附图中：
图1为常规双室往复式压缩机的示意图；
图2A和2B为常规旋转阀的图示；
图3为根据示例性实施例的旋转阀的截面；
图4A和4B为根据示例性实施例的具有密封轮廓的旋转阀的定子和转子的表面视图；
图5为根据示例性实施例的旋转阀的促动机构的截面；
图6为根据示例性实施例的旋转阀的另一个截面；
图7为根据示例性实施例的包括至少一个旋转阀的压缩机的示意图；
图8为根据示例性实施例的用作往复式压缩机的吸入阀的旋转阀的示意图；
图9为根据示例性实施例的用作往复式压缩机的排出阀的旋转阀的示意图；并且
图10为示出根据示例性实施例的由改造最初具有自动阀的往复式压缩机的方法执行的步骤的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参考附图。不同图中的相同参考标号表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是由所附权利要求限定本发明的范围。为了简单起见，参照了用于油气行业中且包括旋转阀的往复式压缩机的用语和结构论述了以下实施例。然而，接下来将论述的实施例不限于该设备，而是可应用于其它设备。
遍及说明书提到的“一个实施例”或“实施例”意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。因此，在整个说明书的各种位置出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定是指相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适合的方式组合在一个或更多个实施例中。
在下文所述的一些实施例中，促动机构构造成促动旋转阀的转子以首先执行轴向平移来将转子移离定子，且然后执行转子的旋转。通过以此方式促动旋转阀，产生较低(或没有)摩擦，且因此促动时间得到较好控制。
图3为根据示例性实施例的旋转阀300的截面。旋转阀300位于导管与压缩室之间，粗箭头305代表在阀300打开时穿过其的流体。阀300包括定子(或“阀座(seat)”)310和转子320。定子310具有定子开口315，从而允许流体穿过阀300沿箭头305的方向从导管流至压缩室。转子320具有转子开口325，从而允许流体沿箭头305方向流过阀。转子320构造成围绕旋转轴线330在第一位置与第二位置之间旋转，在第一位置，转子开口325不重叠定子开口315，且在第二位置，如图3所示，转子开口325重叠定子开口315。
定子315和转子325可具有分别加强其间的密封的密封轮廓318和328。然而，这些密封轮廓的存在不是必需的。图4A和4B分别为定子315和转子325的表面视图，具有根据示例性实施例的密封轮廓318和328。
转子320由促动机构340促动，促动机构340构造成从图3中未示出的促动器接收围绕旋转轴线330的旋转运动。当将阀300从关闭位置切换至打开位置时，促动机构340使转子320首先执行线性运动以使转子320移离定子310距离D，且然后执行旋转以使转子开口325重叠定子开口315。
促动机构340包括构造成接收旋转运动的外轴350，和位于外轴350内且构造成旋转转子320的内轴360。图5为垂直于旋转轴线330的促动机构340的截面A-A'(如图3中所标记的)。外轴350构造成在接合内轴360以与转子320一起旋转之前旋转预定角位移α。
内轴360的截面包括半径R1的整圆362，该半径R1的整圆362除预定成角扇段β之外由具有外半径R2(大于半径R1)的环364部分地包绕。预定成角扇段β为内轴360的外表面中的切口。外轴350的截面包括(1)具有近似等于半径R2的内半径和大于半径R2的外半径R3的环352，和(2)从环352朝内轴360突出的齿354，齿354构造成在预定成角扇段β内移动。因此，齿354为环的一部分，该环类似于环364且具有等于预定成角扇段β与预定角位移α之间之差的齿成角跨距。
现在回到图3，外轴350具有在转子320与定子310之间延伸的部分356，和从部分356朝转子320突出的轮廓358。图6所示的截面B-B'有助于更好地理解这些特征。转子320在其表面324上具有凹槽322，凹槽322构造成容纳外轴350的轮廓358。凹槽322具有当外轴350在接合内轴360之前执行预定角位移α时沿由轮廓358扫过的路径变化的深度。凹槽的深度可变化，以便使凹槽与轮廓之间的摩擦力最小化，例如，深度可根据多项式函数变化。沿路径的总深度差为D。
又返回图3，外轴350具有轴环(collar)359，轴环359位于定子310的与转子320相反的一侧上。轴衬(bushing)370位于轴环359与定子310之间。位于转子320下方的弹簧380可朝定子310偏压转子320。
定子310安装在穿过压缩室的壁390的通路中。密封件392防止流体在壁390与定子310之间漏出。另一个密封件316置于定子310与外轴350之间。又一个密封件394置于外轴350与内轴360之间。这些密封件(392,316,394)防止流体在阀300关闭时在压缩室与导管之间泄漏。密封件可为O形环类型的密封件，且可由任何适合的材料制成，包括但不限于聚合物如聚醚酮醚(PEEK)和合成氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)。
在壁390附近，定子310和转子320构造成在定子310表面314与转子320表面324之间具有空间396。空间396经由转子320与壁390之间的流体通路与压缩室流体连通。由于空间396中的压力与压缩室中的压力相同，故空间396的存在使得其更容易执行转子310的轴向平移。
阀300可替代(单或双)往复式压缩机的阀中的任一个来使用。例如，图7示出了双往复式压缩机400的示意图，包括根据示例性实施例的至少一个旋转阀432的压缩机。压缩发生于缸420中。待压缩的流体(例如，天然气)经由入口430输入缸420中，且在压缩之后经由出口440输出。压缩由于活塞450沿缸420在头端426与曲柄端428之间的来回移动而发生。活塞450将缸420分成在循环压缩过程的不同阶段中操作的两个压缩室422和424，当压缩室424的容积处于其最高值时压缩室422的容积处于其最低值，且反之亦然。
吸入阀432和434打开，以允许将被压缩(即，具有第一压力p1)的流体从入口430分别进入压缩室422和424中。排出阀442和444打开，以允许已压缩(即，具有第二压力p2)的流体经由出口440分别从压缩室422和424输出。活塞450由于例如经由十字头(未示出)和活塞杆480从曲轴(未示出)接收的能量而移动。在图7中，阀432,434,442和444示为位于缸420的侧壁上。然而，阀432和442、434和444可分别位于缸420的头端426上或曲柄端428上。
当促动器437将旋转运动传递至促动机构435以打开阀432时，通过使转子433首先执行移离阀432的定子431的轴向平移且然后执行旋转以使转子433的开口重叠定子的开口，促动旋转阀432打开。往复式压缩机400的一个或更多个阀可为旋转阀，诸如促动旋转阀300。促动旋转阀和自动阀的组合也可存在于一些实施例中；例如，在一个实施例中，吸入阀可为促动旋转阀，诸如阀300，而排出阀可为自动阀；在另一个实施例中，排出阀可为促动旋转阀，诸如阀300，而吸入阀可为自动阀。
图8为根据示例性实施例的用作往复式压缩机的吸入阀的旋转阀500的示意图。促动器510将旋转运动提供至促动机构520，对应于图3中的促动机构340。促动机构520构造成导致转子530首先执行移离定子540的轴向平移，且然后执行旋转以使定子540的开口542与转子530的开口532沿流动方向重叠，从而允许流体从导管550流至压缩机室内。当阀关闭时，定子540的开口542和转子530的开口532不重叠，从而防止流体流动，转子530接近定子540，从而提供导管与压缩机之间的密封。
转子530位置比定子540更接近压缩室。动态密封件560设在定子540与促动机构520之间。密封件565设在定子540与压缩机室的壁570之间。图8中的阀组件还可包括盖580。
图9为根据另一个示例性实施例的用作往复式压缩机的排出阀的旋转阀600的示意图。促动器610将旋转运动提供至促动机构620，促动机构620类似于图3中的促动机构340。促动机构620构造成导致旋转阀的转子630首先执行移离定子640的轴向平移，且然后执行旋转以使转子630的开口632与定子640的开口642沿流动方向重叠，从而允许流体从导管650流到压缩机室内。当阀关闭时，定子640的开口642和转子630的开口632不重叠，从而防止流体流动，转子630接近定子640，从而提供导管与压缩机之间的密封。
转子630位置比定子640离压缩室更远。动态密封件660设在定子640与促动机构620之间。密封件665设在定子640与压缩机室的壁670之间。图9中的阀组件还可包括盖680。
最初具有自动阀的往复式压缩机可改造成包括一个或更多个促动旋转阀，诸如阀300。图10为改造最初具有自动阀的往复式压缩机的方法700的流程图。该方法700包括在S710处移除自动阀，并且在S720处将旋转阀安装在已经移除自动阀的位置。该方法700还包括在S730处安装促动机构，促动机构连接于旋转阀的转子且构造成接收旋转运动，以促动转子首先执行移离旋转阀的定子的轴向平移且然后执行旋转。促动机构包括(1)构造成接收旋转运动的外轴，和(2)构造成旋转转子的内轴，外轴构造成在接合内轴以与转子一起旋转之前旋转预定角位移同时将转子推离定子。
步骤S710、S720和S730可应用一次以用于替换一个阀，或应用多次以用于替换往复式压缩机的一些或全部阀。
公开的示例性实施例提供了旋转阀，其通过在旋转转子之前使转子移离定子来促动，并且提供了使用这些阀的往复式压缩机。还提供了改造常规往复式压缩机的方法。应当理解的是，该描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图涵盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、改型和等同方案。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐明了许多具体细节以提供请求得到专利保护的本发明的全面理解。此外，本领域技术人员将理解的是，各种实施例可在没有此类具体细节的情况下实施。
尽管在实施例中以特定组合描述了本示例性实施例的特征和元件，但各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或在具有或没有本文公开的其它特征和元件的情况下以各种组合使用。
本书面说明使用了公开的主题的实例来使本领域技术人员能够实施公开的主题，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。主题的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。此类其它实例旨在在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种能够在用于油气行业的往复式压缩机中使用的旋转阀，所述旋转阀包括：
定子，所述定子具有定子开口；
转子，所述转子具有转子开口；和
促动机构，其构造成接收旋转运动且接收旋转运动且促动所述转子首先执行移离所述定子的平移且然后执行旋转，所述促动机构包括
外轴，其构造成接收旋转运动，和
内轴，其位于所述外轴内且构造成旋转所述转子，其中，所述外轴在接合所述内轴以与所述转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将所述转子推离所述定子。
2. 一种用于油气行业的往复式压缩机，包括：
压缩室；和
至少一个旋转阀，所述旋转阀具有
定子，其具有定子开口；
转子，其具有转子开口；和
促动机构，其构造成接收旋转运动且促动所述转子首先执行移离所述定子的轴向平移且然后执行旋转，所述促动机构包括
外轴，其构造成接收所述旋转运动，和
内轴，其在所述外轴内且构造成旋转所述转子，
所述外轴还构造成在接合所述内轴以与所述转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将所述转子推离所述定子。
3. 根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，
所述内轴的第一截面包括第一半径的圆，所述第一半径的圆除预定成角扇段外，由具有大于所述第一半径的第二外半径的第一环部分地包绕，
所述外轴的第二截面包括(1)具有大致等于所述第二外半径的内半径和大于所述第二外半径的第三外半径的第二环，和(2)从该环朝所述内轴突出的齿，所述齿构造成在所述预定成角扇段内移动，
所述第一截面和所述第二截面大致垂直于旋转轴线。
4. 根据权利要求2或权利要求3所述的往复式压缩机，其特征在于，齿为环的一部分，所述环类似于所述第一环且具有小于所述预定成角扇段的齿成角跨距。
5. 根据权利要求2至4中的任一项所述的往复式压缩机，其特征在于，
所述外轴具有在所述转子与所述定子之间延伸的一部分，和从所述部分朝所述转子突出的轮廓，并且
所述转子在朝所述定子的表面上具有凹槽，所述凹槽构造成容纳所述轮廓，所述凹槽具有当所述外轴在接合所述内轴之前旋转预定角位移时沿由凸起扫过的路径变化的至表面的深度。
6. 根据权利要求2至5中的任一项所述的往复式压缩机，其特征在于，所述深度根据多项式函数变化。
7. 根据权利要求2至6中的任一项所述的往复式压缩机，其特征在于，所述外轴具有位于所述定子的与所述转子相反的一侧上的轴环，并且所述促动机构还包括所述轴环与所述定子之间的轴衬。
8. 根据权利要求2至7中的任一项所述的往复式压缩机，其特征在于，所述定子和所述转子构造成具有空间，所述空间在所述定子的朝所述转子的表面与所述转子的朝所述定子的表面之间，与所述压缩室连通。
9. 根据任一前述权利要求所述的往复式压缩机，其特征在于，还包括：
第一密封件，其位于所述定子与所述压缩室的壁之间；
第二密封件，其位于所述外轴与所述定子之间；和
第三密封件，其位于所述外轴与所述内轴之间。
10. 一种改造最初具有自动阀的往复式压缩机的方法，包括：
移除自动阀；
将旋转阀安装在已经移除所述自动阀的位置处；并且
安装促动机构，所述促动机构连接于所述旋转阀的转子，且构造成接收旋转运动，以促动所述转子首先执行移离所述旋转阀的定子的轴向平移，且然后执行旋转，所述促动机构包括
外轴，其构造成接收所述旋转运动，和
内轴，其在所述外轴内且构造成旋转所述转子，
所述外轴构造成在接合所述内轴以与所述转子一起旋转之前旋转预定角位移，同时将所述转子推离所述定子。
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