CN101490457B - 用于高压降比的流体减压装置 - Google Patents

Abstract

一种流体减压装置包括两个或多个能堆叠的环形板。每个板均具有周界和中空中心，当所述环形板互相堆叠时，该周界和该中空中心沿纵轴对齐。每个板进一步包括：至少一个入口流动扇区，其具有用于限定第一入口面积和第一出口面积的入口流动级；以及至少一个出口流动扇区，其具有限定第 二入口面积和第二出口面积的出口流动级，其中所述第二入口面积与所述第二出口面积之比被预先确定，以限定所述出口流动级处的背压，从而在所述周界处提供亚声速流体流动。

Description

用于高压降比的流体减压装置

技术领域

本公开内容大体涉及一种流体减压装置，更具体而言，涉及一种用于具有高压降比的过程控制应用中的流体减压装置的改进。

背景技术

在过程控制工业中，许多过程应用会产生不能接受的气动噪声水平。例如，现代化发电站通常使用汽轮机来发电。汽轮机需要定期维护，并且众所周知，在汽轮机维护期间持续汽化比完全关闭工厂更为经济节约。在汽轮机维护期间，一系列的辅助管道和阀，即已知的汽轮旁路系统包围汽轮机并使蒸汽改变方向至使蒸汽在其中重复循环的再生回路。应理解的是，再生回路内的过程条件产生高温和很大压差(例如，1200°F和500磅/平方英寸)，随着蒸汽从汽轮机被改变方向，该高温和大压差会在系统内形成破坏性振动和高噪声水平。为了防止这些条件损坏蒸汽再生回路部件，蒸汽温度和蒸汽压力必须在进入系统之前被减小。

通常，为了在蒸汽温度和蒸汽压力进入再生系统之前对其进行控制，使用普遍被称为扩散器或喷射器的流体减压装置。扩散器为气动限制装置，其通过转移和/或吸收包含在旁路蒸汽中的流体能量来减小流体压力和温度。典型的扩散器由包括穿过壳体壁的一系列通路的中空壳体构成，其中一系列通路将沿内壁的多个入口连接至沿扩散器外表面的出口，如美国专利5,769,122和美国专利6,244,297所述，并由此通过引用明确包含于此。通常，这些装置内的通路将来流分离并划分为渐进变小的流体喷射，该流体喷射随即减小来流的压力和温度。

类似地，在控制阀应用中，诸如隔离笼等阀内件(valve trim)也会遇到严峻的条件。例如，在液化天然气(LNG)分配应用中，大型压缩机用于在天然气被引入分配管线之前将其加压成液相。已知的是，在压缩机操作过程中可能出现被称为“喘振”的潜在毁坏性条件。压缩机的喘振点通常被定义为针对给定的压缩机速度在最小稳定流下可获得最大压力的操作点。

压缩机处于喘振点或低于喘振点的操作可产生导致压缩机喘振出现的不稳定操作。例如，在随着通过压缩机系统的气流减小的正常操作中，流体压力增大以保持流动，但在接近喘振点时，压缩机不能对气体施加足够的动量以使气流连续通过压缩机，从而导致气流瞬时停止。随着流动的停止，入口压力下降，出口压力可能变得大于入口压力，这造成压缩机内的反向流动(即气体流动瞬时为从出口至入口)。该反向流动会一直保持，直到足够的压头产生在汽轮机入口处以克服喘振条件。如果压缩机操作持续接近喘振点，则喘振条件将会重复，形成重复的反向流动，直到过程条件改变。与压缩机喘振相关的反向流动形成压缩机反向推力，这会导致能够损坏压缩机并形成高噪声水平的不稳定轴向和径向振动。

为了避免压缩机出现喘振和损坏压缩机，在压缩机周围设立防喘振系统。普遍已知的是，防喘振系统需要高容量的防喘振阀(即，大流量和高压阀)。例如，防喘振系统可能具有22英寸的端口并在550磅/平方英寸的压差下工作。本领域技术人员可理解的是，这些流动条件形成高质量流率，其能够产生很高的湍流，并形成无法接受的气动噪声水平。为了防止不希望的噪声和破坏性振动，防喘振阀还取决于衰减噪声的流体减压装置。

目前的流体减压装置，例如可从密苏里州的圣路易斯的费希尔控制产品国际有限公司买到的卫斯波佛乐牌(

)内件，使用多级流体减压设计，该设计由限定中空中心与外周界之间的多个限制通路的堆叠的环形板构成。在这种装置中，流体移动通过一系列通路，该通路使通过一系列收缩-膨胀结构的径向和轴向流动产生变化，通过使流体流动混合并将流体在装置的出口处分离成众多不同的高速喷射，这实质上减小了流体压力。本领域技术人员已知的是，这些传统装置最好工作在具有低至中压降比的应用中，而不是工作在很高压降比的应用中。

高压降比的应用可被视为流体减压装置的压降相对于入口压力的比超过特定比值(例如0.93)的应用。类似地，相对于过程条件，流体减压装置的入口与出口面积比有利于装置的最终或出口级处的声速流(即，流体速度大于或等于声速)的其他应用也可被视为高压降比的应用。通常应理解的是，适于流体减压装置中的可压缩流体的声速流指的是“阻流”。本领域技术人员可理解的是，在阻流的条件下，上游与下游流动条件之间存在不连续性。也就是，相对于减压装置及其内部流体结构，质量流率仅与上游压力成比例。通常正是这些流动条件(即最大质量流)产生声速流体速度。当流体速度接近声速时，流体内形成有助于不可接受的高噪声水平的冲击单元。在高压降比的应用中，传统的流体减压装置很快历经阻流，并在关注噪声水平和振动的这种应用中是不可接受的。

为了解决该问题，传统的流体减压装置通常通过在流体减压装置周围设置辅助挡板，以在装置的周界处提供足够的流动面积并在出口级处形成小的受控的压降，从而减小高压降比应用中产生的不可接受的噪声水平。受控压降在出口级处引起背压，以将出口流体速度限制为亚声速流体流动。遗憾的是，对于很高压降比的应用而言需要很大的挡板面积，并且这些类型的挡板/衰减装置不能容易地设置在阀内件的阀体中。该方法还显著增加了大型扩散器的制造成本。另外，典型的多级流体减压装置通常在壳体内不具有足够的物理结构来承受很高的压降，并且已知在负载条件下进行物理分离，会对阀体或扩散器周围的管道/导管系统造成毁坏性损坏。

用于改进高压降比应用中的传统流体减压性能的其他惯用方法包括减小装置内入口与出口的面积比，例如减少装置内可用的入口数。遗憾的是，这种技术减小了系统或阀的总流体容量。为了保持具有这种减小的入口与出口面积比的装置的给定流体容量，流体减压装置的总堆叠高度必须增大。由于堆叠高度的增大可能使得结构过大而不能装配在阀体内或管道作业，并且对制造而言可能过于昂贵，因此该技术在阀内件或扩散器中是不可行的。因此，需要制造能适合于扩散器和/或阀内件的、适于高压降比应用的改进的流体减压装置。

发明内容

在一种示例性流体减压装置中，该装置包括两个或多个能堆叠的环形板。每个板均具有中空中心和周界，当环形板被相互堆叠时，中空中心和周界沿纵轴对齐。每个板具有：至少一个入口流动扇区，其具有用于限定第一入口面积和第一出口面积的入口流动级；以及至少一个出口流动扇区，其具有限定第二入口面积和第二出口面积的出口流动级，其中所述第二入口面积与所述第二出口面积之比被预先确定，以限定所述出口流动级处的背压，从而在所述周界处提供亚声速流。该流体减压装置可提供两级亚声速流体流，以实质上减小任何相关的气动噪声。

在另一示例性流体减压装置中，多个堆叠的环形板，每个板均具有中空中心和周界，当所述环形板被相互堆叠时，所述中空中心和所述周界沿纵轴对齐。每个板进一步包括入口流动扇区和出口流动扇区。所述入口流动扇区具有入口流动级，该入口流动级包括从所述中空中心朝所述周界部分地延伸的流体入口槽和与该流体入口槽沿径向相邻并从所述周界朝所述中空中心部分地延伸的第一充压部。所述出口流动扇区具有出口流动级，该出口流动级包括从所述周界朝所述中空中心部分地延伸的流体出口槽和与该流体出口槽沿径向相邻并从所述中空中心朝所述周界部分地延伸的第二充压部。

附图说明

本发明的相信具有新颖性的特征被具体阐述在所附权利要求书中。本发明可通过参考以下结合附图的描述而被最佳理解，不同附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是根据示例性流体减压装置的扩散器的堆叠板组件的立体图；

图2是图1中的示例性扩散器的放大立体图；

图3是根据示例性流体减压装置的阀内件的堆叠板组件的立体图；以及

图4是图3中的示例性阀内件的放大立体图。

具体实施方式

用于扩散器的示例性流体减压装置示出在图1和图2中。该示例性流体减压装置或扩散器使用堆叠的环形板，以在该装置的入口与出口之间提供多个减压流动路径。该堆叠板组件的特征可为如下：1)堆叠板组件具有多个减压流动路径，所述多个减压流动路径具有位于中空中心处的入口和位于外周界处的出口，该入口和出口在各个流动扇区中沿径向对齐；2)所述减压流动路径通常为辐射状，并由串联连接的至少两个减压级来限定，其中每个减压级与相邻环形板中的后续的至少一个减压级相连；以及3)每个级包括一个或多个孔，其中内部级或第一级或第二级的孔具有适当的圆形或适当的锥形入口和陡然排放口，而外级或第三级或第四级具有提供预定背压的限制部，以控制装置外部的流体速度，从而保持亚声速流。

在第一示例性实施例中，图1和图2的立体图图示出扩散器100，其适用于汽轮旁路应用或者任意使大量气体以产生很高压降比的方式被排放或排空的类似应用中。应理解的是，尽管示例性扩散器100被描述为使用四个环形板110、113、115和117，但是在不背离该示例性流体减压装置的精神和范围的情况下，该扩散器100可根据特定应用的需求包括任意数量的具有不同堆叠高度和板直径的环形板。当扩散器被划分为6个基本类似的流动扇区140、141、142、143、144和145时，该示例性扩散器100的流动特征可被最佳理解。每个流动扇区140、141、142、143、144和145均包含将扩散器100的中空中心151处的一系列入口162连接至外周界154处的出口197的通路。更具体而言，每个流动扇区140、141、142、143、144和145均包括至少三个流动级，优选为四个流动级，如下所述，这些流动级提供对扩散器100的减压。减压流动级160、170、180和190可形成在至少一对环形板110和113上，并优选地可形成在三个相邻的板110、113和115上，以在扩散器100的流动扇区内提供沿径向、侧向和轴向的流动(如图1中的流动箭头所示并如下所述)。

参见图1和图2，第一减压级160在每个流动扇区140、141、142、143、144和145内形成在通过狭窄入口162提供的第一流体限制部上，其中狭窄入口162通过第一中间通路166连接至相对较宽出口167。第二减压级170在每个流动扇区140、141、142、143、144和145内形成在通过狭窄入口172提供的多个第二流体限制部上，其中狭窄入口172通过一系列相应的第二中间通路176连接至相对较宽出口177。

类似地，第三减压级180形成在通过入口182提供的多个第三流体限制部，其中入口182通过第三系列的中间通路186连接至出口187，而第四减压级190形成在通过入口192提供的流体限制部，其中入口192通过中间通路196连接至197。本领域技术人员应理解的是，第一、第二和第三级160、170和180包括通向后续级的孔的通路，且每个减压级在各个板内沿相关扇区径向对齐。在示例性扩散器100内，四个减压级160、170、180和190的型式围绕扩散器100的圆周重复通过每个扇区140、141、142、143、144和145，从而形成各具有四个减压级的总共六个流动扇区。应理解的是，在不背离该流体减压装置的精神和范围的情况下，也可改变流动级和流动扇区的总数。

为了在扩散器100内实现分级的流体控制和希望的减压，流体流动通路如图所示按照优选的板旋转偏移方式从堆叠板组件的中空中心151渐进至外周界154。也就是，应理解的是，需要至少两个基本相同的环形板110和113采用优选的旋转方式，以在示例性减压装置100中提供减压流动路径。为了有助于适当的旋转对齐，环形板在外周界154处设置有配准凹口130以对齐通路。当该堆叠中的每个板如图1所示相对于相邻的板优选定位时，则使整个堆叠出现希望的定位。本领域技术人员可理解的是，该优选定位可通过将每个板围绕纵轴或z轴旋转180度和/或围绕y轴“翻转”或旋转而实现。通过该堆叠内每个板的优选旋转定位，可实现希望的流体减压和气动噪声抑制。另外，这些凹口可有助于示例性减压装置100的制造。例如，可在这些凹口内布置“手工焊”，以在装配之前将各个板紧固在一起。

在操作中，随着流体流动起始出现在示例性扩散器100中，流体开始进入第一板113上的中空中心处的入口162，并流过第一级160。在第一减压级160，流体在第一板113中从入口162通过中间通路166流至第一级出口167。第一级出口167与至少一个相邻板110中的并优选和第二相邻板115中的第一充压部175对齐，以使离开第一级160的流体流至少进入第二级170前的第一充压部175。本领域技术人员可理解的是，由于质量流相对恒定，第一板113上的相对较窄的第一级入口162随着流体进入该限制部而使流体的速度增大。随着流体离开第一级出口167，流体在第一充压部175中的后续膨胀形成相应的压降。

随着流体从第一充压部175开始流动，流体进入相邻第二板110上的相对较窄的第二级入口172。如前所述，该限制性入口使流体加速进入较宽的第二级出口177，从而引起第二压降。来自第二级170的流体聚集在相关的第二充压部185内，其中流体从多个第二级出口177沿径向、侧向和轴向混合(即，流体从相邻的上、下板的充压部区域混合)。该入口处的流体压力源连续驱使流体从第二级出口177至第二级充压部185，并进入第一板110上的第三级入口182。如图1所示，第三级出口187与第二板113上的第四级入口192对齐，从而将流体引导至该堆叠的外周界154处的较宽的第四级出口197，以形成希望的扩散器减压。应理解的是，第一减压级160和第二减压级170的几何结构具有共同特征，这可在最终级或外级之前使流体压力实质上减小。也就是，第一和第二减压级包括排放至充压部的孔。该孔的特征在于具有适当圆形的入口以实现最小的流体收缩(即，高流动容量)，紧接着是出口处的突然排放以实现快速的流体膨胀(即，大压降)。在示例性扩散器100中，这些喷嘴型的孔在较小的径向距离中形成相对较大的压降。该示例性扩散器优选使用这些流体结构来在最初的两个级160和170内形成显著的压降，以限制在外级内所需的压降，从而减小装置中的总湍流和噪声。

优选地，在实现相对较大的压降中，该示例性扩散器100的最初两个级160和170可形成声速流，甚至超声速流。这些流动条件还会形成显著的噪声，不过本领域技术人员可理解的是，内部的级160和170内产生的噪声不足以耦合至扩散器100的外侧，因此，这些级内由声速流或超声速流产生的噪声不会可观地影响装置的噪声水平。可替代地，在装置外级处的压降以及相应的流体速度对总噪声水平产生显著的影响。为了解决该问题，第三和第四级180和190采用大致矩形的孔来提供相对较小的压降，从而实质上改善通过第三和第四级的气动噪声的衰减。也就是，没有相对较窄的限制性部分(例如，第一和第二级的收缩-膨胀几何结构)实质上减小了外级180和190内的总压降，同时允许改进的入口与出口面积比的控制，如下文详细所述。

应进一步理解的是，在示例性扩散器100中，流体流动可在两个板之间不被特别地隔离。例如，参见图2，至第二级中的流体可流入该板上方和下方的相邻板，以为装置提供轴向流体路径。该流体路径可渐进通过堆叠板组件中的至少两个连续的板，并包括径向、侧向和轴向流动分量，其中总方向可被视为相对于堆叠板组件横截面的“发散径向”流动。图1进一步图示出在减压流动路径内通过堆叠板组件的至少两个板扇区的相邻流体流动的组合(如流动扇区141中的流动箭头所示)。示例性扩散器100中的流体流动包括：从中空中心通过第一板中的第一级的径向和侧向流动分量；从第一板至第二板的轴向流动分量；通过第二板中的第二级的径向和侧向流动分量；从第二板至第一板的轴向流动分量；通过第一板中的第三级的径向和侧向流动分量；从第一板至第二板的轴向流动分量；以及通过第二板中的第四级至外周界的实质上径向流动分量。

还应理解的是，为了保持通过扩散器的质量流，随着速度通过相应减压级的减小，每个级的孔面积(即，入口与出口比)必须增大。为了确保足够的流动容量，示例性扩散器100的流动扇区140、141、142、143、144和145的第一级形成有与相应的第一充压部通路相连的一个孔；第二级包括与单一的较大的第二充压部通路相连的五个孔；第三级包括与单一的第三充压部通路相连的十个孔；并且，第四级包括与堆叠板组件的外周界相连的一个相对较宽的孔。因此，随着流动渐进通过减压流动路径直到最终级，孔的数量随之增多。应理解的是，各个流动级中孔的数量和尺寸可具体针对给定的应用或设计来选择。另外，在示例性扩散器中，第三级180和第四级190在形状上优选为矩形，以提供这样的入口与出口面积比，其实质消除了针对第一级160和第二级170所述的将流体加速至声速，同时提高了通过示例性扩散器100的显著质量流。流动扇区内第三级的矩形形状有利地允许最大量的平行流动路径以最大化流体流动，同时在出口187提供分离的流体喷射，以最小化第四级入口197处的喷射间相互作用。

通常应理解的是，传统的多级流体减压装置经常在该流体减压装置的最终级中采用多个出口，但这在高压降比的应用中可能无法接受。也就是，众多小几何结构的出口往往促成喷射分离，这已知为因喷射间相互作用而减小噪声，但遗憾的是，这种结构还促使相对较大地增大流体速度，这往往在产生声速流体速度的情况下实质上增大与流体速度相关的噪声。在示例性扩散器100中，第四级较大的矩形形状不会形成声速。实际上，基于其较大的横截面面积，示例性扩散器100的低限制出口不会使离开的流体相对于先前级而加速。然而，其确实在最终级中提供预定的入口与出口面积比，以促成亚声速流动。如下文中更详细的描述，第三级和第四级中的入口与出口面积比已被预先确定以提供特定的背压(即，该级上的受控压降)，从而在很高压降比的应用中保持出口处的亚声速流。

除了控制外级压降，示例性扩散器100通过实质上消除了在板的堆叠内形成的任何柱状流动间相互作用(即，流体减压装置内的未受控轴向流动)而有利地使噪声减小。如图1所示，如上所述，板的定位以错位或不对称的构形将入口162定位在第一级中。第一级160的入口162的不对称布置可提供最大数量的中空中心入口，同时防止这些入口轴向对齐。本领域技术人员可理解的是，该不对称布置形成第一级入口的对角布置，这实质上消除了在板的堆叠内形成柱状轴向流动，从而可减少无法接受的噪声水平的形成。示例性扩散器100还消除了已知的传统扩散器安装构形被热梯度不利影响的问题。

如图1所示，示例性减压装置的环形板包括内紧固孔200，当环形板堆叠时该内紧固孔沿轴向对齐。如前所述，扩散器通常将高压、高温气体释放至低压、低温环境。传统的堆叠板扩散器经常需要较高的结构完整性和安装构形，以承受这种条件。同样，典型的扩散器通常利用在板堆叠外侧以圆形定位在扩散器外表面周围的夹紧螺栓而装配并紧固至管道或导管系统。这种类型的构形利用众所周知的凸面法兰，由于为了在操作中实现适当的总螺栓负载和板的保持需要大型螺栓，所以该凸面法兰需要额外的直径间隙。

这种典型的安装构形是不利的，这是由于大型螺栓会变成限制扩散器板的出口处流动的流动限制部，但因减小压力处的气体膨胀，此时是最需要容量的。另外，在通风过程中，螺栓与板堆叠之间可能产生的热梯度会导致差热膨胀，这会形成锁紧螺栓的过载/卸载，从而导致扩散器的毁坏性失效。将螺栓定位在板堆叠外侧的可替代方案为将其定位在板的环面内部。传统的整体式螺栓在堆叠内设置有隔离孔，以减小由螺栓带来的出口限制。遗憾的是，该技术没有充分解决快速热变化(即，大热梯度)问题，该快速热变化可由高压、高温流体的排空或排放而产生，例如在汽轮机旁路应用中出现的类型。图1和图2的示例性扩散器同时解决了热梯度问题和流动限制问题。

堆叠板组件100的环形板包括孔200，其围绕外周界154布置，优选对称地位于流动扇区140、141、142、143、144和145之间。孔200提供围绕该螺栓孔200的多个流体通路210，以使流体围绕紧固件或螺栓(未示出)循环流动通过扩散器。该构形具有至少三个优点：1)螺栓可与希望有流动限制并因而不限制总容量的较高的压力腔相邻定位；2)板堆叠直径包括螺栓圆周，因此流体减压装置的直径可大于传统扩散器的直径，且具有更大的出口面积，以允许膨胀气体的流动，并由此提供较大的容量；以及3)过程流体通过螺栓连接具有更大的相互作用和保压时间，以更好地适应大热梯度。

被构造为阀内件的第二示例性流体减压装置示于图3和图4中。与先前所述的示例性扩散器类似，该示例性阀内件300包括堆叠的板组件，该堆叠板组件包括围绕纵轴z装配并沿配准凹口345对齐的堆叠环形板。阀内件300围绕中空中心306形成，该中空中心306通过形成在基本类似的流动扇区340、341和342内的一系列入口362提供流体进口，所述流动扇区包括通向作为装置出口的外周界305的通路。在阀内件300中，中空中心306还形成轴颈，在该轴颈中阀柱塞(未示出)可移动通过每个板的平面，以相对于阀柱塞的位置露出各个入口362，从而控制流体进入阀内件300。

然而不同于先前所述的示例性扩散器，该示例性阀内件300包括限定流体通路的若干环形板对。这些板对包括：充压板310和流动板320。四个环形板的分解立体图示于图4中。每对环形板提供径向对齐的第一减压级、第二减压级、第三减压级和第四减压级。每个减压级包括一个或多个孔，所述孔之后紧接着一个或多个通路，如下所述。与示例性扩散器类似，每个级均包括通向其后续级的孔的通路。示例性阀内件的减压级和流动路径以四个减压级围绕示例性阀内件的圆周重复的型式沿各个板在扇区中径向对齐，从而形成各具有四个级的总共三个扇区。

示例性阀内件300利用基本相同的堆叠的环形板对310和320，如下文所述定位，以在装置的入口与出口之间提供多个减压流动路径。图3和图4的立体图图示出使用两个环形板对的阀内件300，但本领域技术人员应理解的是，在不背离该示例性阀内件的精神和范围的情况下，根据应用需要，任意数量的成对环形板可具有不同的堆叠高度和板直径。每个环形板对310和320可被分成流动扇区340、341和342，这些扇区将流动通路从中空中心306处的入口362连接至外周界305处的出口397。更具体而言，每个扇区340、341和342包括至少三个流动级，优选四个级，这些级提供装置上的流体减压。流动级360、370、380和390可形成在至少一对环形板310和320上，并优选地可形成在三个相邻的板310、320和330上，以在装置内提供沿径向、侧向和轴向流动，如前所述。

如图3和图4所示，每个减压级360、370、380和390包括一个或多个孔，所述孔之后紧接着一个或多个通路。第一减压级360形成在由较窄入口362提供的第一流体限制部上，其中较窄入口362通过中间通路366连接至相对较宽的出口367。第二减压级370(如图4所示)形成在由较窄入口372提供的多个第二流体限制部上，其中较窄入口372通过中间通路376连接至相对较宽的出口377。第三减压级380形成在通过入口382提供的多个第三流体限制部上，其中入口382通过中间通路386连接至出口387，而第四减压级390形成在通过入口392提供的流体限制部上，其中入口392通过中间通路396连接至出口397。

如图3的流动箭头所示，减压流动路径如图所示按照优选的板旋转偏移方式从堆叠板组件的中空中心306渐进至外周界305。环形板310和320设置有用于使通路对齐的配准凹口345。该堆叠中的每个流动板320如图3所示优选相对于相邻的板旋转。本领域技术人员应理解的是，该优选定位可通过将相邻板围绕纵轴或z轴旋转180度或将相邻板围绕y轴翻转来实现，从而对齐通路。在该堆叠内，充压板基本相同，并可针对适当定位沿配准凹口对齐。采用所示的旋转定位，第一级出口367与至少一个相邻板320中的第一充压部375，并优选还与相邻板340中的第一充压部对齐，以使离开第一级360的流体流至少进入形成在相邻板320内的第一充压部375。如前所述，通过喷嘴型限制部的流体的收缩-膨胀在流体中引起希望的压降。相对较低压力的流体聚集在第一充压部375中，并在压力下传递至外级。流动路径可渐进通过堆叠板组件中的至少两个连续的板，并包括径向、侧向和轴向流动分量，其中总方向可被视为相对于堆叠板组件横截面的“发散径向”流动。

随着流体流过第一充压部375，流体进入相邻第二板320上的相对较窄的第二级入口372。限制性第二级入口使流体加速进入较宽的第二级出口377，从而引起第二压降。来自第二级370的流体聚集在至少形成在第一充压板310中的且优选和第二充压板330中的第二充压部385，其中流体沿径向和侧向混合。流体连续从第二级出口377流动，并进入相邻流动板320上的第三级入口382。

第三级出口387与相邻第二板320上的第四级入口392对齐，以引导流体通过在该堆叠外周界305处的相对较宽的第四级出口397。出口397可被分成由所示的加强件398隔开的多个出口，而不会对预定的背压产生不利影响。例如，在本文所述的任意流体减压装置中，希望在出口区域内包括加强件，以实质上消除在出口处由振动引发的共振，而不会实质上减小希望的出口流动面积。在阀内件应用中，环形板可通过堆叠板组件周围的焊接被紧固在一起或被钎焊在一起。同样，流动板的加强件可结合至相邻的充压板，以减小暴露至高速流动中的可引发装置中的振动和噪声的连续出口面积。

减压流动路径从堆叠板组件300的中空中心306渐进至外周界305，并如图所示通过以旋转偏移方式的堆叠环形板而实现。另外，本领域技术人员还应理解的是，与示例性扩散器类似，至第一级的入口362可关于中空中心不对称地布置。确信的是，第一级360的入口362的不对称布置允许最大数量的中空中心入口，同时防止这些入口的轴向对齐，这可消除在板的堆叠内形成柱状轴向流动，从而可减小不可接受的噪声水平的形成。还应理解的是，连续的流动板出口不沿纵轴对齐。连续的流动板出口397可相对于相邻板旋转，以确保沿纵轴z的相邻出口不对齐。出口处的喷射间相互作用可促成不可接受的噪声水平，从而未对齐的出口可实质上减小来自流体减压装置的辐射噪声。另外，出口397的优选对齐使得加强件398之间的距离最小化，从而实质上增大了出口的共振频率，以进一步最小化听觉噪声。

最后，应理解的是，与示例性扩散器类似，示例性阀内件300的第三级限制部不具有诸如第一级和第二级限制部的收敛-发散(即，喷嘴状)几何结构。如前所述，第三级和第四级用于向先前级提供预定背压，同时提供相对较小的压降，通过实质上消除出口处的声速流，这实质上改善了高压降比应用中对气动噪声的衰减。因此，在任一示例性流体减压装置中，通过在出口级处产生由给定级的入口与出口面积比限定的特定压降，可实质上减小总装置噪声。

本领域技术人员应理解的是，在不背离示例性流体减压装置的精神和范围的情况下，存在众多方法来预先确定或选择如前所述的压降比和通路几何结构，以在示例性流体减压装置的出口级处提供亚声速流。一种这样的方法详细描述在下文中。例如，已知对于诸如蒸汽等可压缩流体，超过0.5的压降比可促成声速流，诸如示例性扩散器100或阀内件300的四级装置可被设计为实质上减小高压降比应用中的辐射噪声。更具体而言，四级流体减压装置可通过将第三级和第四级的压降比选择为约0.4而在出口处具有亚声速流。

通常应理解的是，压降比可用于预测通过流动部件(例如，流体减压装置或该流体减压装置内的流体通路)的流体速度，并可使用以下公式1确定。

公式1 $x=\frac{P_{\mathrm{inlet}}-P_{\mathrm{outlet}}}{P_{\mathrm{inlet}}}$

如上述公式1所示，压降比(x)等于流体组件上的压差(P_inlet-P_outlet)与入口压力(P_inlet)之比。例如，如果入口压力(P_inlet)为400磅/平方英寸而出口压力(P_outlet)为14.7磅/平方英寸，则压降比(x)约为0.963。如前所述，具有这些入口/出口参数的应用被分为高压降比应用，并需要优于传统流体减压装置的性能，以获得可接受的噪声水平。为了求解适于诸如本示例性流体减压装置的多级装置的连续压降关系，应理解的是，在中间级中，流动扇区内来自先前级的出口压力基本等于后续级的入口压力。在推导装置参数时，当需要考虑几何结构(即入口与出口面积比)来计算各个级的压降比时，可利用该关系。

本领域技术人员应理解的是，确定适于给定级的入口和出口压力将提供确定该级的几何结构的基础，以实现希望的减压，以及由此希望的压降比。例如，通过将经过所有级的流动选择为恒定的(即，基本相等)，根据美国国家标准学会ANSI/ISA-75.01.01-2002(用于校准控制阀的流量方程式)公布的用于可压缩流体的已知校准公式，可用于针对非阻流条件和阻流条件推导适于每个级的面积比。通过求解适于质量流率的公式和通过将经过每个级的流动选择为基本相同(即，经过装置的每个级为恒定流动)，可确定适于每个级的入口面积和出口面积的面积比。

因此，已知整个装置的入口压力(P_inlet)、出口压力(P_outlet)，以及针对给定的应用适于第三级和第四级的希望的最终级压降比(x₃＝0.4和x₄＝0.4)，本领域技术人员可计算出其余的流体关系(即，级压降和级面积比)。

如以下公式2所示，第四级入口压力(P_4inlet)可根据已知的第四级出口压力(例如P_4outlet＝14.7磅/平方英寸)和预先确定的第四级压降比(例如x₄＝0.4)确定。例如，对于本示例的给定条件，第四级入口压力可约为14.7磅/平方英寸除以0.6即约为24.5磅/平方英寸。如前所述，对于中间级，先前级的出口压力基本等于后续级的入口压力，如公式3所示。

公式2 $P_{4\mathrm{inlet}}=\frac{P_{4\mathrm{outlet}}}{1-x_4}$

公式3    P_3outlet＝P_4inlet

公式4 $P_{3\mathrm{inlet}}=\frac{P_{3\mathrm{outlet}}}{1-x_3}$

在求解第三级入口压力(P_3inlet)时，公式2中计算出的第四级入口压力(P_4inlet)可代入用于第三级出口压力(P_3outlet)的公式4。因此，当该示例的第三级压降比x₃希望为0.4时，第三级的入口压力(P_3inlet)可约为24.5磅/平方英寸除以0.6即约40.8磅/平方英寸。一旦第四级和第三级的压力条件确定，即可确定第二级和第一级的其余参数。下文所示的公式5和6分别限定第二级和第一级的压降比。

公式5 $x_2=\frac{P_{2\mathrm{inlet}}-P_{2\mathrm{outlet}}}{P_{2\mathrm{inlet}}}$

公式6 $x_1=\frac{P_{1\mathrm{inlet}}-P_{1\mathrm{outlet}}}{P_{1\mathrm{inlet}}}$

本领域技术人员应进一步理解的是，在流体减压装置的内部级中优选采用连续的压降，以提供流体能量的实质上减小，从而减小在装置的外级处辐射的噪声。具体而言，内部级可在一个或两个级中具有产生声速流体速度的压降比，但如前所述，由于从内部级至出口周界的声音耦合较差，这些内部级产生的噪声不会对装置的总噪声衰减特性产生不利影响。

本领域技术人员还应理解的是，第一级和第二级的压降比可以但不必要基本相等，如公式7所示。

公式7 $\frac{P_{1\mathrm{inlet}}-P_{1\mathrm{outlet}}}{P_{1\mathrm{inlet}}}=\frac{P_{2\mathrm{inlet}}-P_{2\mathrm{outlet}}}{P_{2\mathrm{inlet}}}$

公式8 P_1outlet＝P_2inlet

在本示例中，第二级和第一级压降比x₂和x₁被选择为基本相等，这仅用于简化这些级的入口和出口压力的确定。如前所述并如公式8所示，第二级入口压力(P_2inlet)基本等于第一级出口压力(P_1inlet)。

公式9 $P_{1\mathrm{outlet}}=\sqrt{P_{1\mathrm{inlet}}\×P_{2\mathrm{outlet}}}$

因此，如公式9所示，第一级出口压力(P_1outlet)可通过将公式8代入公式7然后求解第一级出口压力(P_1outlet)而确定。因此，在本示例中，第一级入口压力(P_1inlet)被给定为400磅/平方英寸，第二级出口压力(P_2outlet)根据公式3(即P_2outlet＝P_3inlet)得出。因此，在进行代入之后，本示例的第一级出口压力(P_1outlet)约为127.8磅/平方英寸，而根据公式5和6，第二级和第一级压降比可约为0.681。因此，本领域技术人员应理解的是，针对可压缩流体，第二级和第一级压降比可在这些级内产生声速流。

因此，一旦每个级的入口和出口压力确定，在ANSI//ISA-75.01.01-2002中于2004年3月2日第三次印刷的用于校准控制阀的流量方程式中查到的标准流动公式，例如公式10和公式11，可用于确定入口与出口面积比，以配置适于出口级处的亚声速流的示例性四级装置。

公式10 $w=C_v{\mathrm{ANF}}_{p}Y\sqrt{x_i\×P_{\mathrm{ioutlet}}\×\mathrm{\ρ}\frac{P_{\mathrm{ioutlet}}}{P_{\mathrm{atomsphere}}}}$

公式11 $w=C_v\mathrm{ANY}\sqrt{x_{\mathrm{Ti}}\×P_{\mathrm{ioutlet}}\×\mathrm{\ρ}\frac{P_{\mathrm{ioutlet}}}{P_{\mathrm{atomsphere}}}}$

也就是，通过求解适于流动(w)的校准公式，并将每个级的质量流选择为基本相等，本领域技术人员可计算用于产生希望的质量流的入口和出口的面积(A)。因此，通过保持通路的几何结构中的每个级的入口和出口的面积比，可控制经过每个级的相对于预定压降比的流动，从而在入口条件和出口条件已知时促成出口级处的亚声速流。

举例来说，当第四级和第三级的压降比为约0.4，而第二级和第一级的压降比为约0.68时，第四级与第三级、第三级与第二级以及第二级与第一级的入口与出口面积比分别为约15.89、9.52和3.13。通过保持示例性流体减压装置中的这些面积比，在第四级和第三级中逐渐形成预定的背压，以促成最终出口级处的亚声速流。因此，一般而言，对于装置的压降比在出口处产生声速的应用，示例性扩散器和阀内件的预定入口与出口面积比以受控方式减小压力，以实质上减小通常与这种应用相关的气动噪声。

总之，堆叠板组件的特征可为如下：

1.堆叠板组件具有多个减压流动路径，所述路径具有中空中心处的入口和外周界处的出口，所述入口和出口在各个流动扇区中径向对齐。

2.所述减压流动路径由串联相连的多于两个的减压级限定。每个减压级与至少一个相邻环形板中的另一减压级相连。所述减压级可相继位于两个板之间，并可渐进通过连续的板。除了最终级外的每个级均包括通过孔进入充压部的径向流动，以及进入相邻板中的下一级的轴向流动(最终级仅包括通过孔至堆叠板组件的外周界的径向流动)。

3.每个级包括一个和多个孔。内部级或第一级和第二级的每个孔具有适当的圆形和适当的锥形入口和陡然排放口。这些级中的每一个排放至沿圆周方向相对较宽且沿径向相对较窄的充压部。在外级中，限制部在形状上通常为矩形，且尺寸被选择为用于施加背压，以控制流体速度和保持亚声速流。

尽管示出和描述了目前被视为本发明的优选实施例，但本领域技术人员显而易见的是，在不背离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可进行各种变化和改进。例如，在不背离本发明的精神和范围的情况下，对于相对较小的控制阀可移除阀内件的第四级，或类似地，对于相对较大的扩散器，可在内部级和外级中增加流动级。

尽管本文描述了某些装置、方法和制造品，本专利的覆盖范围并不限于此。相反，本专利覆盖字面上或等同原则下属于所附权利要求书范围内的所有装置、方法和制造品。

Claims (17)

1.一种流体减压装置，包括：

两个或多个能堆叠的环形板，每个板均具有周界和中空中心，当所述环形板互相堆叠时，所述周界和所述中空中心沿纵轴对齐，其中每个板进一步包括：

至少一个入口流动扇区，其具有用于限定第一入口面积和第一出口面积的入口流动级，以及

至少一个出口流动扇区，其具有限定第二入口面积和第二出口面积的出口流动级，其中所述第二入口面积与所述第二出口面积之比被预先确定，以限定所述出口流动级处的背压，从而在所述周界处提供亚声速流体流动。

2.如权利要求1所述的流体减压装置，其中：

所述至少一个入口流动级进一步包括：

至少一个流体入口槽，其从所述中空中心朝所述周界部分地延伸；和

第一充压部，其与所述流体入口槽沿径向对齐且相邻，并从所述周界朝所述中空中心部分地延伸，并且

所述至少一个出口流动级进一步包括：

至少一个流体出口槽，其从所述周界朝所述中空中心部分地延伸；和

第二充压部，其与所述流体出口槽沿径向相邻，并从所述中空中心朝所述周界部分地延伸。

3.如权利要求2所述的流体减压装置，其中第一板被选择性地定位成堆叠在第二板之上，以使流体从所述第一板的入口流动级的流体入口槽流至所述第二板的出口流动级的第二充压部，从而流体流动被分为沿上、下轴向流入沿多个径向流动方向的相邻充压部槽中，然后被分配通过至少一个板中的所述至少一个出口级槽。

4.如权利要求1所述的流体减压装置，其中每个板包括多个流动级，其中第一流动级和第二流动级实质上减小其中的流体压力。

5.如权利要求4所述的流体减压装置，其中第三流动级和第四流动级实质上减小所述流体减压装置的气动噪声。

6.如权利要求5所述的流体减压装置，其中所述第一流动级和所述第二流动级包括限定收缩-膨胀的成对喷嘴型结构的通路。

7.如权利要求6所述的流体减压装置，其中所述第三流动级和所述第四流动级包括形状为大致矩形的通路。

8.如权利要求5所述的流体减压装置，其中所述第一流动级和所述第二流动级被构造为提供范围在0.50至0.78之间的压降比。

9.如权利要求8所述的流体减压装置，其中所述第三流动级和所述第四流动级被构造为提供范围在0.30至0.40之间的压降比。

10.如权利要求1所述的流体减压装置，其中每个板包括位于所述每个板周界中的安装孔，并且该装置进一步包括多个细长紧固件，每个紧固件适于穿过每个所述环形板中的相应一个安装孔，以将所述堆叠的环形板保持安装在一起。

11.如权利要求10所述的流体减压装置，其中每个安装孔均包括与流过所述流体减压装置的流体连通的流体通路。

12.一种流体减压装置，包括：

多个堆叠环形板，每个板均具有周界和中空中心，当所述环形板互相堆叠时，所述周界和所述中空中心沿纵轴对齐，其中每个板进一步包括：

具有入口流动级的入口流动扇区，所述入口流动级包括：流体入口槽，其从所述中空中心朝所述周界部分地延伸；和第一充压部，其与所述流体入口槽沿径向相邻并从所述周界朝所述中空中心部分地延伸，

具有出口流动级的出口流动扇区，所述出口流动级包括：流体出口槽，其从所述周界朝所述中空中心部分地延伸；和第二充压部，其与所述流体出口槽沿径向相邻并从所述中空中心朝所述周界部分地延伸，以及

在每个板上空间分隔的安装孔，每个安装孔均具有与流过所述流体减压装置的流体连通的流体通路。

13.如权利要求12所述的流体减压装置，其中相邻的堆叠环形板被选择性地定位为使流体从第一板的所述流体入口级流至相邻的环形板的所述第二充压部，从而所述流体流动路径被分为轴向和径向流动方向，然后被分配通过所述第一板的第一充压部至所述相邻的环形板的出口槽。

14.如权利要求13所述的流体减压装置，其中所述装置包括多个细长紧固件，每个紧固件适于穿过每个所述环形板中的相应一个安装孔，以将所述堆叠的环形板保持安装在一起。

15.如权利要求13所述的流体减压装置，其中每个板包括多个流动级，其中第一流动级将流体流动提供至第二流动级，所述第二流动级将流体流动提供至第三流动级。

16.如权利要求15所述的流体减压装置，其中所述第三流动级将流体流动提供至第四流动级。

17.如权利要求16所述的流体减压装置，其中所述第四流动级提供足以在所述周界处引发亚声速流体流动的背压。

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