CN102365486A - 用于高压降比的流体减压装置的改进的噪声控制 - Google Patents

Abstract

公开了用于高压降比的流体减压装置的改进的噪声控制。改进的流体减压装置包括沿纵轴对准的周边与中空中部，还包括该中空中部处的入口区与该周边处的出口区，其中所述出口区包括多个尺寸的出口区域，其被布置为实质上减小出口音调的生成。

Description

用于高压降比的流体减压装置的改进的噪声控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年3月4日提交的申请号为61/310,568的美国临时申请的优先权，并在此将其引用作为参考。

技术领域

本公开大体涉及流体减压装置，更具体地，涉及用于消除从流体减压装置发出的音调(tone)或峰值频率的流体减压装置的改进。

背景技术

在过程控制工业应用中，许多控制系统向大气排放，并且通常非常地嘈杂，这是由于所涉及的高压比以及高出口速度。适当设计的排放口，结合适当尺寸的阀，能够将总体的系统噪声减少到40dBA的水平。排放气体或蒸汽到大气是普遍的过程。示例的系统可以包括蒸汽室的回压控制或者受控的过压保护系统。排放系统具有能够生成不可接受的噪声水平的两个潜在的噪声源：1)控制阀和2)出口点或排放口。由于低下游压强与相关联的高压降，通常在建筑物内部或者以其他方式位于工厂员工附近的控制阀会具有高噪声可能性。当排出的流体创建其自身的一个或多个射流或湍流时，在通风竖管顶部的出口点或排放口生成大量噪声。控制来自这些源的噪声对于满足工厂周边或围栏线的噪声限制以及满足保护工人的规章或工厂要求是很重要的。阀内件以及扩散器是通常被用于减小湍流的流体流并减小出口射流互作用以控制过程控制应用中的噪声的流体减压装置。

例如，典型的扩散器由中空外壳构建，该中空外壳包括一组贯穿外壳壁的通道，其将沿扩散器的内表面或内周边的入口连接至沿扩散器的外表面或外周边的出口。通常地，流体被允许进入扩散器的中空中部并通过通道到外表面。本领域普通技术人员可以理解，传统的扩散器通过以下各项提供噪声控制：1)使用在扩散器外壳内的多级减压，以在不同级之间分开流体动力并相应地减小声波转换效率；2)将产生的声能的频谱转换到能够听见的范围之外；3)保持出口射流独立，以避免由于射流互作用或聚结引起的噪声再生；以及4)通过扩大容纳膨胀气体的区域来管理出口射流的速度。这些传统设计技术解决了贯穿在宽频谱上的噪声问题。然而，已发现，特定的流体减压应用可能经历由对称的出口几何形状引起的额外的现象，其产生不希望的特定音调或峰值频率或多个峰值频率。

也就是说，当出口几何形状在面积、尺寸和/或位置上对称时，在这种情况下射流可能相互作用并产生与射流互作用相关的特定音调或频率。传统的解谐或减小这些音调的方法包括减小装置内的入口/出口面积比、减小装置内可用的入口数量、或者在装置附近增加隔板。不幸的是，任一的这种技术可能减小系统或阀的总的流体容量。为了维持这种装置的给定的流体容量，流体减压装置的高度或总直径必须增加。这种技术不适用于扩散器或阀内件的某些应用。例如，通风竖管高度或装置直径的增加可能使得结构过大而不能够装配在与管道支架或阀体尺寸相关的设计壳层内，并且还可能制造起来过于昂贵。因此，希望创建消除这种不许可的音调或峰值频率的改进的流体减压装置。

发明内容

在一个示例性流体减压装置中，该装置包括两个或更多的可堆叠的环形板，其形成限定内表面与外表面的中空外壳。入口部分包括多个入口，该多个入口设置在内表面并经由内部通道可操作地耦接到外表面。出口部分，包括多个出口，该多个出口限定第一出口区域和第二出口区域，其设置在外表面处并可操作地耦接到所述内部通道，以提供从所述内表面到所述外表面的流体路径，以使得所述多个出口被布置为大体减少出口射流互作用。

在另一示例性流体减压装置中，该装置包括两个或更多的可堆叠环形板，其形成限定外周边与内周边的中空外壳；该外周边与内周边具有多个入口，其设置在所述内周边处并经由内部通道可操作地耦接到所述外周边。多个出口被设置在所述外周边处并可操作地耦接到所述内部通道以提供从所述内周边到所述外周边的流体路径。出口包括至少第一尺寸的出口与第二尺寸的出口。所述出口被形成这样的尺寸以使得在离开所述外周边预定的径向距离处所述第一尺寸的出口的第一出口射流速度大体不同于所述第二尺寸的出口的第二出口射流速度。

在又一示例性流体减压装置中，该装置包括限定内周边与外周边的中空圆筒。多个入口被设置在所述内周边处并经由内部通道可操作地耦接到所述外周边。多个出口被设置在所述外周边处并可操作地耦接到所述内部通道以提供从所述内周边到所述外周边的流体路径。出口具有至少第一尺寸的出口与第二尺寸的出口，所述出口被定位在所述外壳的所述外周边上以使得所述至少第一尺寸的出口与所述至少第二尺寸的出口被布置为大体减少由所述流体减压装置产生的峰值音频。

在另一示例性流体减压装置中，该装置包括中空圆筒，其具有多个开口，该多个开口限定通道，这些通道提供从圆筒的内表面至圆筒的外表面的流体连通。流体减压装置具有至少两个不同尺寸的出口区域，其中类似的尺寸的出口区域被以不重复的形状定位，以大体减少出口音调的产生。

附图说明

特别地在所附的权利要求中说明了被认为是新颖的本发明的特性。可以通过结合所附附图并参考下述描述来最佳地理解本发明，在这些附图中相似的参考标记标识类似的元件，其中：

图1是根据示例性流体减压装置的扩散器的流动板的俯视图；

图2是根据示例性流体减压装置的堆叠的板组件的立体图；

图3是根据示例性流体减压装置的堆叠的板组件的立体图；

图4是示例性钻孔(drilled hole)流体减压装置的侧视图；以及

图5是具有不重复的出口的示例性钻孔流体减压装置的侧视图。

具体实施方式

用于扩散器的示例性流体减压装置被示于图1与2中。示例性流体减压装置或扩散器使用一堆环形板来提供在该装置的入口与出口之间的多个减压流动路径。堆叠的板组件可以具有以下特征：1)该堆叠的板组件具有多个减压流动路径，该多个减压流动路径具有在单独的流动扇区中径向地对准的在中空中部处的多个入口与在外周边处的多个出口；2)该减压流动路径大体是径向的并且由多于至少两个串联地耦接的减压级限定，每个减压级耦接到在相邻的环形板中的至少一个后续的减压级；3)每级包括一个或多个开口，其中内部或第一与第二级开口具有滚圆的或正锥形的入口以及突变(abrupt)的排出口，外部级或第三与第四级开口具有提供预定回压来控制装置外部处的流速以保持次声波流动的限制；以及4)流体减压装置包括被布置以大体减小出口音调生成的至少两个不同尺寸的出口。

在第一示例性实施例中，图1和图2的视图示出用于一种应用的扩散器100，在该应用中大量的流体，例如蒸汽，被以受控的方式排放或倾倒。应当理解，尽管示例性扩散器100被使用5个环形板110、113、115、117以及119描述，但是该扩散器也可以由任意数量的包括堆叠高度与板直径变化的环形板构成，如具体应用所要求的，而不偏离在此所述的流体减压装置的精神与范围。示例性扩散器100包括堆叠板组件，该堆叠板组件包括绕纵轴z组合的并沿定位缺口145对准的一堆环形板。扩散器100绕中空中部106形成，该中空中部106提供经过形成在大体相似的流动扇区140、141和142内的一组入口162的流体入口，这些流动扇区140、141和142包括到外周边105的多个通道。本示例性扩散器100由多个环状板对构成，该多个环状板对限定流体通道。在示例性扩散器100中，板对由流动板113和117以及增压板(plenum plate)110、115以及119构成。每对环状板提供径向对准的第一减压级、第二减压级、第三减压级以及第四减压级。每个减压级包括一个或多个开口，这些开口跟随一个或多个通道，该一个或多个通道引入其后续级的开口。示例性扩散器的减压级与流动路径沿独立的板在扇区中径向地对准，这四个减压级的形状围绕示例性扩散器100的圆周重复以形成总共3个流动扇区，其中的每一个流动扇区具有4级。应当理解，尽管示例性扩散器100使用4个减压级来被描述，但是扩散器可以由任意数量的级构成(例如，2或3个减压级)，而不偏离示例性流体减压装置100的精神和范围。

示例性扩散器100使用朝向如下文所描述的、一堆大体相同的环形板对110、113；113、115；115、117；以及117、119，来提供扩散器100的入口与出口之间的多个减压流动路径。图2的立体图示出了使用布置为两对环形板对的5块板的扩散器100。每个环形板对110与113可以分离为流动扇区140、141以及142，其将流动通道从中空中部106处的入口162连接到扩散器100的外周边105处的出口197A与197B。更具体地，每个扇区140、141以及142包括至少3个流动级，优选为4级，其提供该装置上的流体减压。流动级160、170、180以及190可以被形成为跨过至少一对环形板110与113，并且优选地，可以被形成为跨过3个相邻的板110、113与115，以提供装置内的径向的、横向的以及轴向的流动。在同样未决的申请号为11/020,941(美国申请公开号为2008/0023086)名称为“用于高压降比的流体减压装置”的专利申请中具体描述了示例性扩散器的流动特性，那些需要更多细节的读者应当参考11/020,941号美国专利申请。

如图1和2中所示，每个减压级160、170、180与190包括一个或多个开口，其跟随有一个或多个通道。第一减压级160被形成为跨过由窄入口162提供的第一流体限制，该窄入口162通过中间通道166连接到相对较宽的出口167。第二减压级170被形成为跨过由窄入口172提供的多个第二流体限制，该窄入口172通过中间通道176(示于图1)连接到相对宽的出口177。第三减压级180被形成为跨过由入口182提供的多个第三流体限制，该入口182通过中间通道186连接到出口187，以及第四减压级190被形成为跨过由入口192提供的流体限制，该入口192通过中间通道196(示于图1)连接到出口197A和/或197B。正如图2中用流动箭头A和B所表示的，减压流动路径以如图所示的优选的板旋转偏置从中空中部106推进到堆叠板组件的外周边105。环形板110与113被提供有定位缺口145以对准通道。堆中的每个流动板113与117优选地相对相邻板旋转。本领域技术人员应当认识到，优选的方向可以通过绕纵轴或z轴180度旋转相邻的板或绕y轴翻转相邻的板以对准通道来实现。增压板110、115以及119大体相同并且可能沿定位缺口对准，以在堆中适当的定位。以所示出的旋转方向，第一级出口167与在至少一个相邻板130中的第一增压175对准，并且优选地与相邻板140中的增压对准，以使得排出第一级160的流体流动进入形成在相邻板113中的至少第一增压175。

应当理解，经过喷嘴型限制的流体的收缩-扩张在流体中引入了所需的压降。相对较低压强的流体汇集在第一增压175中，并在压强下被转移到外级。流动路径可以经过堆叠的板组件中的至少两个连续的板推进，并包括径向、横向以及轴向流动部件，流动路径具有相对于堆叠的板组件的截面被认为是“发散径向的”流动的总的方向。当流体流过第一增压175时，其进入相邻的第二板113上的相对窄的第二级入口172。限制性的第二级入口172加速流体进入到引入第二压降的较宽的第二级出口177。来自第二级170的流体由形成在至少第一增压板110中，并且优选地形成在第二增压板130中，的第二增压185汇集。流体持续从第二级出口177流出并流入相邻的流动板113上的第三级入口182。第三级出口187与第二板113上的第四级入口192对准，以引导流体经过堆的外周边105处的第四级出口197A与197B。出口197A与197B可以通过强化元件198分离，如图所示，而不会不利地影响装置100的回压。

正如前述，减压流动路径从中空中部106推进到堆叠的板组件100的外周边105，并且如图所示地通过以旋转偏置堆叠环形板来提供减压流动路径。附加地，本领域普通技术人员还能够理解，到第一级的入口162可以绕中空中部不对称的安置。第一级160的入口162的不对称安置允许来自中空中部的最大数量的入口而避免这些入口的轴向对准，这可以消除该堆板内柱状轴向流动的形成，从而可以减小不可接受的噪声水平的形成。还应当理解，连续的流动板出口并不沿纵轴对准。

现有技术的流体减压装置通常通过多个相等尺寸的出口将射流分散为相对于扩散器容量最小的可行尺寸，并且在装置内引入分级的压降来控制噪声。实际的尺寸可能根据经济设计的考虑在制造成本与所需的噪声衰减之间变化。即使相对较小的出口提供更大的衰减，但是需要更多的出口来通过相等的流动。这种方法增加了装置的成本。附加地，相似尺寸的出口可能产生与出口面积以及装置周边处的出口射流聚结直接相关的特定的峰值噪声频率。也就是说，通过创建几何形状和/或出口位置的对称，相似的出口射流能够在离开装置周边的一段径向距离处再加强其他射流或者互作用以发出特定音调或频率。示例性流体减压装置可以大体减小特定峰值频率的噪声生成。

如图所示，流体减压装置100使用外周边105处的至少两个不同的出口区域197A与197B，以使得所放出的声能不可以在特定峰值频率或音调再被加强。也就是说，外周边105处的射流速度大体相等。然而，应当理解，由射流所引起的频率直接与射流速度与出口区域的特征尺寸的比率成比例。也就是说，出口区域197A可以具有特征尺寸d_A，而出口区域197B可以具有特征尺寸d_B。在外周边105之外，对于每个分别的出口区域，特征尺寸处的出口速度是相似的。因此，当从出口进行射流时，尺寸d_A处的出口射流A的速度大体相等于尺寸d_B处的出口射流B的速度。因此，在外周边的给定距离，诸如径向距离d_B，出口射流A与B的速度实质上不同，从而形成不同的出口射流频率。出口的这种布置破坏了射流互作用。通过在流体减压装置100的外周边105实现多个出口区域197A与197B，出口峰值频率相对于出口区域被分散，这降低了归属于每个峰值频率的噪声水平。

在本示例性流体减压装置中，出口区域197B与197A的比例优选为1.2∶1。本领域普通技术人员应当理解到，在不偏离示例性流体减压装置的精神和范围下其他的比例也是可能的。例如，相邻的出口区域比例可以优选为非整数倍数以避免音调的谐波增强。另外的这种比例可以基于质数的倍数。通过提供非整数比例的多个出口区域，示例性减压装置100将出口音调或频率分散在较宽的频谱上，从而大体消除与特定出口区域的几何形状或尺寸相关的特定峰值音调。

另一示例性实施例示于图3中。能够通过以不规则或非对称的形状布置出口来进一步分散相关于特定出口区域的特征音调。图2中所示的流体减压装置100呈现了规则或对称的形状。由流体减压装置100所示的形状是通过在装配期间绕x轴旋转相同的板来被装配的相似的流动板113、117的函数。图3中所示的流体减压装置300大体相似于流体减压装置100，除了流动板313与317中的至少2个在外周边305具有不类似的出口几何结构。也就是说，不同于在装配期间使用单个流动板的流体减压装置100，流体减压装置300使用多个流动板313与317，其与相似的增压板310、315以及319配对，从而达到不规则或不重复的形状。尽管这略微地增加了制造成本，但是由于流体板制造期间提供的不同的出口区域位置，附加的流动板允许不规则的出口安置。例如，如图3中所示，出口397A、397B、397F、397H、397M、397O、397R和397T大于出口397C、397D、397E、397G、397I、397J、397K、397L、397N、397P、397Q、397S和397U。并且不同于图2中所示的扩散器100，本示例性扩散器300基于流动板113与117的出口结构的几何形状使用不重复安置的出口。确信的是，示例性装置300的外周边305处的干扰性出口形状(即，出口区域与出口位置)将进一步干扰射流互作用与聚结以提供增加的音调或峰值频率减小。当然，本领域普通技术人员能够理解，诸如在此所述的那些流体减压装置的流体减压装置可以包括任意数量的流动板设计和/或出口区域尺寸以增强峰值频率的减小。附加地，在单独的出口处使用多个几何形状有益于大体减小音调或峰值频率。

在另一示例性实施例中，图4示出了在扩散器中使用的本发明。扩散器400包括中空圆筒，其具有始发于中空中部并提供到装置周边405的直接流体通道的多个开口或“通孔”。类似于前述实施例的堆盘扩散器，图4中所示的扩散器400使用非轴向的开口来分离和分开进入的流体流，以减小射流互作用和聚结，来大体减小从装置发出的噪声。特别地，流体流分离为较小的射流将产生的声能转移到较高的频率，这易于较低效率地传播，更易于减弱，并且包括在可听见范围内较少的能量。正如前述，这种“钻孔”装置的传统构造使用大体相似的出口区域的出口(即小钻孔器被用于创建通孔)，其使得该装置易于受到直接关联于这种出口区域的峰值频率处的音调再增强的影响。本示例性实施例通过使用不同尺寸的出口区域来大体减轻峰值频率生成，这些不同尺寸的出口区域被定位以在出口之间创建附加的隔离来避免射流互作用以及随后的音调再增强。正如图4中所示，两个不同尺寸的出口402与403被以沿扩散器400的周边405的交替方式定位。这种相似尺寸的出口的隔离足以分散所产生的出口射流以大体减小峰值频率生成。

在另一例子中，图5示出了类似于图4所示出的扩散器设计的钻孔扩散器500。图5的钻孔扩散器500示出了采用被以不重复的形状布置的4个不同的出口尺寸502、503、504以及505的通孔结构。也就是说，不同于图4中所示的描绘为采用2个出口尺寸的规则的、交替的出口形状的扩散器，图5的实施例采用4个不同的出口尺寸创建不重复的形状。例如，这种不重复的形状可能基于不重复的间隔，诸如伪随机模式或基于质数的模式。

虽然示出并描述了目前被认为是本发明优选的实施例，但对于本领域普通技术人员而言，显然可以做出各种变换或修改而不偏离由所附的权利要求所限定的范围。例如，本领域普通技术人员应当理解到，多个出口尺寸可以与出口位置结合，以减小或减弱流体减压装置中存在的多个峰值频率。也就是说，噪声谱可以包括一个或多个峰值频率。通过使用以预定间隔定位的不同尺寸的出口，多个频率可以被减弱。应当进一步理解，图1和2中所示的实施例可以被修改，以使得每个板可以包括在单个板内的流动以及增压扇区，而不偏离本发明的精神和范围。此外，图4和5中所示的例子可以由多个、同心圆筒制作，以在外周边之前创建附加的减压级。在此所述的原理同样地适用于气相、液相或多相应用中的流体。尽管在此已经描述了某些示例性方法、设备以及制品，本专利的覆盖范围并不局限于此。相反，本专利覆盖从字面上或在等同原则下完全落入所附权利要求范围的所有方法、设备和制品。

Claims (22)

1.一种流体减压装置，包括：

中空外壳，其限定内表面与外表面；

入口部分，其包括多个入口，该多个入口设置在所述内表面处并经由内部通道可操作地耦接到外表面；以及

出口部分，包括多个出口，该多个出口设置在所述外表面处并可操作地耦接到所述内部通道，以提供从所述内表面到所述外表面的流体路径，所述出口限定至少第一出口区域与第二出口区域以使得所述多个出口被布置为实质上减少出口射流互作用。

2.根据权利要求1所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由一堆至少两个环形板构成，该堆至少两个环形板提供绕纵轴径向对准的至少第一减压级与第二减压级。

3.根据权利要求1或2所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由至少第一中空圆筒构成，该第一中空圆筒提供至少第一减压级。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口被定位在所述外壳的外周边上，以使得所述第一出口区域仅紧邻于所述第二出口区域。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述第一出口区域的所述位置与所述第二出口区域的所述位置限定不重复的顺序。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述多个出口的布置实质上减小所述流体减压装置的峰值音频。

7.一种流体减压装置，包括：

中空外壳，其限定内周边与外周边；

多个入口，其设置在所述内周边处并经由内部通道可操作地耦接到所述外周边；以及

多个出口，其设置在所述外周边处并可操作地耦接到所述内部通道以提供从所述内周边到所述外周边的流体路径，所述出口具有至少第一尺寸的出口与第二尺寸的出口，如此地形成所述出口的尺寸，以使得在离开所述外周边的预定径向距离处所述第一尺寸的出口的第一出口射流速度实质上不同于所述第二尺寸的出口的第二出口射流速度。

8.根据权利要求7所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由一堆至少两个环形板构成，该堆至少两个环形板提供绕纵轴径向对准的至少第一减压级与第二减压级。

9.根据权利要求7或8所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由至少第一中空圆筒构成，该第一中空圆筒提供至少第一减压级。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口被定位在所述外壳的所述外周边上，以使得所述第一出口区域仅紧邻于所述第二出口区域。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述第一出口区域的所述位置与所述第二出口区域的所述位置限定不重复的顺序。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述多个出口的布置实质上减小所述流体减压装置的峰值音频。

13.根据权利要求7-12中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口包括第三尺寸的出口。

14.一种流体减压装置，包括：

中空外壳，其限定内周边与外周边；

多个入口，其设置在所述内周边处并经由内部通道可操作地耦接到所述外周边；以及

多个出口，其设置在所述外周边处并可操作地耦接到所述内部通道以提供从所述内周边到所述外周边的流体路径，所述出口具有至少第一尺寸的出口与第二尺寸的出口，所述出口被定位在所述外壳的所述外周边上以使得所述至少第一尺寸的出口与所述至少第二尺寸的出口被布置为实质上减少由所述流体减压装置产生的峰值音频。

15.根据权利要求14所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由一堆至少两个环形板构成，该堆至少两个环形板提供绕纵轴径向对准的至少第一减压级与第二减压级。

16.根据权利要求14或15所述的流体减压装置，其特征在于，所述中空外壳由第一中空圆筒构成，该第一中空圆筒提供至少第一减压级。

17.根据权利要求14-16中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口被定位在所述外壳的所述外周边上，以使得所述第一尺寸的出口仅紧邻于所述第二尺寸的出口。

18.根据权利要求14-17中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述第一尺寸出口的所述位置与所述第二尺寸的出口的所述位置限定不重复的顺序。

19.根据权利要求14-18中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口包括第三尺寸的出口。

20.根据权利要求14-19中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述多个出口的布置实质上减少所述流体减压装置的第二峰值音频。

21.根据权利要求14-20中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述出口被定位在所述外壳的所述外周边上以使得所述第一出口区域仅紧邻于所述第二出口区域。

22.根据权利要求14-21中任一项所述的流体减压装置，其特征在于，所述第一出口区域的所述位置与所述第二出口区域的所述位置限定不重复的顺序。

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