CN103244747B - 用于加压管道的减压器及阀组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了减压器，在一些实施例中，减压器被设计用在加压管道中来向例如蒸气或水等过程流体的流动提供可变抵抗，而不需要移动部件。减压器具有细长的外壳和从外壳径向向内间隔开的内套筒。外壳由具有开口端和与开口端相对的端壁的外环形壁限定。内套筒和外壳在开口端附近连接。内套筒限定延伸到由外壳限定的腔室内的通道，并具有与端壁间隔开的出口。外环形壁和端壁被穿过其延伸的多个流动孔穿孔，套筒优选没有穿孔。

Description

用于加压管道的减压器及阀组件

技术领域

本公开涉及一种减压器，其适用于加压过程管道，并特别适用于其中有可变流动穿过减压器的应用中。

背景技术

减压器用于加压流体流动管路中，例如工业设备中的过程管道、石化精炼、化学过程管道等，出于多种不同的原因以可控的方式消耗管道、阀或排放口中的压强。减压器的一个常见用途是在从加压管路到大气的出口处，例如在高压蒸汽管路中。在这种情形下，减压器通常用来避免在高压下直接将蒸汽释放到周围空气中，如果不控制的话，由于在管路和周围大气之间的急速压降，该蒸汽可能产生不想要的噪音。

减压器可以和在阀下游的管道中或其它操作点的节流件(restriction)一样简单。管道中的下游节流件是比较便宜的装置，其能够用来增加控制阀或例如加压蒸汽管路等高压管道内的额外的压降，这能够减小噪音和震动。不幸地是，由于扩散器的流动系数(Cv)是固定的，所以诸如扩散器等固定节流件通常仅仅在一个应用条件(即，在单个流速和压降下)有效形成理想的压降。直到现在，改变用于不同的流动条件的Cv的任何尝试都因为增加了例如阀塞和弹簧等移动部件而增加了复杂性和成本。

在一个示例性的应用中，高压蒸汽管路的压强释放出口通常设有调节阀，用来控制来自管路的蒸汽的释放并调节蒸汽，使其在比管路中更低的压强和温度下排放到周围大气中。在这种应用中，也经常需要减少或基本消除多余的噪音，例如吹笛声或嘶嘶声。

图1示出了一个已知的用于高压蒸汽排放的调节阀10，其包括罐 筒形式的减压器12，减压器12具有圆柱形侧壁14和覆盖释压阀20的阀出口18的端壁16。端壁16是实心的，小孔22穿过侧壁14布置，其用来消散蒸汽的能量，并减小在减压阀12的下游侧24上的蒸汽的压力。减压阀12由护罩26包围，护罩26引导减压的蒸汽在排放到周围大气之前经过冷却部28。这种类型的减压器在具有穿过小孔的相对恒定或不变的流速的应用中是最有效的。但是，由于蒸汽从其穿过的开口的区域的不变设计，减压器仅在有限范围的流速上维持预定的压降，所以减压器12通常被限制在一种应用条件中有效地使用。

图2中所示的另一种已知的调节阀30通过在减压器12内增加了阀塞32而克服了对流量的上述限制，阀塞32沿侧壁14是可移动的，用来根据穿过阀的蒸汽的流量比率来露出更多或更少的小孔22。联动件34连接阀塞32和阀杆36，使得阀塞32在主阀塞38打开或闭合时打开和/或闭合。在这种设置中，阀塞32响应于主阀塞38的移动来自动地调节，以在更低的流量下覆盖更多的小孔22，并在更高的流量下露出更多的小孔22。因此，可在较大的流量范围中在减压器12的两侧维持相对恒定的压降。尽管这是一种增加减压器的有效操作范围的有效设计，但是移动部件的增加给调节阀30的设计、安装和维护带来了不同的挑战。

本申请发明人试图借助用于可变过程流动应用的减压器来克服上述的至少一些限制，这将从下面的描述中看出来。当然，其它用途、益处和优点也可或选择性地根据这里描述的装置来了解。

发明内容

根据一个方面，用于加压管道的减压器包括外壳和环形套筒。所述外壳具有环形侧壁和端壁。所述环形侧壁限定内部空间、第一端和第二端。所述第一端限定进入所述内部空间的开口，所述端壁横跨所述第二端布置。所述环形侧壁具有从所述第一端到所述第二端的第一长度。所述环形套筒从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内，并具有与所述环形侧壁的所述第一端连接的入口、布置在所述 内部空间内并与所述端壁间隔开的出口和从所述入口延伸到所述出口的通道。所述环形套筒延伸到所述内部空间内小于第一长度的第二长度。环形间隙围绕所述环形套筒并布置在所述环形侧壁和所述环形套筒之间。第二间隙布置在所述端壁和所述环形套筒的所述出口之间。第一组孔隙穿过所述端壁，第二组孔隙穿过所述环形侧壁。所述第二组孔隙中的至少一个第一孔隙沿着所述第二长度与所述环形套筒相对布置。

根据另一个方面，用于加压管道的阀组件包括阀和与阀出口可操作地连接的减压器。所述阀具有本体和流动控制部件，所述本体限定从阀入口延伸到阀出口的通道，所述流动控制部件适于选择性地打开和/或闭合所述通道。所述减压器包括外壳和环形套筒。所述外壳具有限定内部空间的环形侧壁和端壁。所述环形侧壁具有第一端、第二端和从所述第一端到所述第二端的第一长度。所述第一端限定进入所述内部空间的开口，所述内部空间可操作地连接到所述阀出口，以收容来自阀出口的流体，所述端壁横跨所述第二端布置。所述环形套筒从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内，并具有与所述环形侧壁的所述第一端连接的入口和与所述端壁间隔开的出口。所述出口从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内第二距离，其中所述第二距离小于所述第一距离。环形间隙位于所述环形侧壁和所述环形套筒之间，轴向间隙位于所述环形套筒的所述出口和所述外壳的所述端壁之间。第一组孔隙穿过所述端壁，第二组孔隙穿过所述环形侧壁。所述第二组孔隙中的至少一个第一孔隙沿着所述第二长度与所述环形套筒相对布置。

结合下面的详细描述，其它的方面和优点将变得明显。

附图说明

图1是用于蒸汽过程管道的调节阀中的现有技术的减压器的部分横截面的侧视图；

图2是用于蒸汽过程管道的调节阀中的另一个现有技术的减压器 的部分横截面的侧视图；

图3是具有根据本发明的原理的减压器的阀组件的部分横截面的侧视图；

图4是图3的减压器的详细横截面视图；

图5是适用于管道中单用途(stand-alone use)的减压器的横截面视图；以及

图6-8是具有根据本发明的可替换设计的减压器的横截面视图，其适用于阀组件或管道中。

具体实施方式

在一些设置中，这里公开的减压器被设计用于加压管道中，以向诸如蒸汽或水等过程流体的流动提供可变的抵抗，而优选不使用任何移动部件。该减压器被设计成使用固有的流体动力来改变过程流体将流经的流动通道的数目，这在一些情形下可在较宽的流速范围上维持减压器两侧的恒定的压降。因此，基于减压器的不变配置，流体将在较低的流速下流动穿过更少的流动通道，并将在较高的流速下流动穿过更多的流动通道，由此响应于从其穿过的流速的改变来有效地改变减压器的Cv。

在优选的设计中，减压器具有细长的外壳，该外壳由具有两端的外围壁限定，一端在上游侧开口，横跨在下游侧上的另一端布置有一端壁。衬垫或套筒布置在外壳内，从外围壁径向向内间隔开。该套筒在开口端附近与外围壁连接，并从开口端延伸到与端壁隔开的出口。该套筒限定通孔，该通孔通过外壳的开口端延伸到由外壳限定的腔室内。外围壁和端壁被多个穿过其延伸的流动孔穿孔。套筒的环形壁优选是没有穿孔的，即，套筒由实心环形壁或管形成，并且优选没有流动孔穿过套筒和外围壁之间的连接的上游侧上的外围壁。

在低流速下，或在减压器的最小有效流量下，期望大多流体直接流经扩散器的端壁的流动孔，套筒将阻塞流体流动穿过与套筒相对的外围壁上的流动孔。但是，当流速增加时，端壁上的孔将到达容量， 流体将被迫沿着套筒的外侧向上游流回，并流动穿过与套筒相对的孔。随着流速继续增加，流动孔将从套筒出口朝向套筒的顶部连续地到达容量，流体将顺着与套筒相对的外围壁沿相反方向流动，直到所有的流动孔在减压器的最大有效流量下到达容量。随着从最大有效流量减少到最小有效流量，流体将相应地倒流。因此，减压器有效地增加了系统容量，同时提供相对恒定的分段压强下降，由于Cv将随着流速而改变，所以不需要任何机械移动部件来改变流动孔的容量。

现在参见附图，图3-4示出了根据第一个方面的减压器40。减压器40适用于例如高压管道等加压管道，或者例如如图所示，用于蒸汽调节阀42中，或者用在压强大于1个大气压或一般的周围环境大气压的其它应用中和沿着管道的一些位置上。最佳如图4中详细地所示，减压器40包括外壳44，外壳44优选具有圆柱形罐筒的形状，包括限定内部空间48、第一端50和第二端52的环形侧壁46。第一端50限定进入内部空间的开口54，端壁56横跨环形侧壁46的第二端布置。该环形侧壁具有从第一端50延伸到第二端52的第一长度L1。

减压器40还具有从环形侧壁46的第一端50延伸到内部空间48内的内部环形套筒58。环形套筒58具有细长的圆柱形本体，其限定入口62、出口64和从入口62延伸到出口64的通道(例如，通孔)63。入口62优选大体上与开口54共同延伸，环形套筒58优选在入口62附近与环形侧壁46的第一端50连接。在所示设置中，法兰60在入口62处从圆柱形本体径向向外延伸，并在第一端50通过例如焊接、紧固件和/或粘合剂连接到环形壁46的内表面或顶边缘。(所有方向参考，例如上、下、左、右等，都是为了方便来参考附图，并非用于限制。)但是，内部环形套筒58可通过任何设置在外壳44的内部空间48中被固定就位，该设置足以引导流体流入环形套筒58的入口62，其阻止流体在任何路径进入外壳44，除了穿过环形套筒58流动。出口64沿着通道的轴线和入口62相对并与端壁56间隔开。环形套筒58从第一端50延伸到外壳44的内部空间48内第二长度L2，第二长度L2小于第一长度L1，由此在出口64和端壁56之间形成末 端间隙67，该间隙可具有沿着通道63的轴线从出口64延伸到端壁56的轴向距离G1。环形套筒58还从环形侧壁46径向向内间隔开，由此在环形侧壁46和环形套筒58之间围绕环形套筒58形成环形间隙65。环形间隙65优选在环形侧壁46和环形套筒58之间具有至少一径向距离G2，该距离足以允许流体从出口64朝着环形侧壁46的第一端50在环形套筒58和环形侧壁46之间的环形间隙65内沿着逆流方向行进。如下面将要详细描述的，径向距离G2可沿着长度L2是恒定的，或径向距离G2可沿着长度L2改变。

外壳44穿设有通过端壁56的第一组孔隙66a或通孔和穿过环形侧壁46的第二组孔隙66b。至少一个并且优选多个穿过端壁56的孔隙66a与环形套筒58的开口64轴向相对对准。另外，至少一个并且优选多个穿过环形侧壁46的孔隙66b沿着长度L2与环形套筒58径向相对布置。优选地，孔隙66b沿着长度L2在离出口64不同距离处与环形套筒58径向相对穿过环形侧壁46。在一个实施例中，孔隙66b设置在沿着环形侧壁46从第二端52朝向第一端50的长度轴向间隔开的圆周排内；然而，孔隙66a、66b可以设置成其它排列或任意排列，优选地，有数个孔隙沿着环形侧壁46在轴向上离开口64不同距离处与环形套筒58相对设置。

优选地，环形侧壁46和环形套筒58被设置成迫使流体在穿过外壳44之前流过开口64。环形套筒58优选沿着其整个长度没有被穿孔，即，是实心的。此外，在环形套筒58到环形侧壁46的连接的上游延伸的环形侧壁46的任何部分都没有被穿孔，以阻止流体在穿过环形套筒58之前穿过环形侧壁46。

如图3-4所示，减压器40优选具有圆形横截面，并形成圆柱形外壳44和圆柱形环形套筒58，环形套筒58沿着纵向轴线68与环形侧壁46同轴。在本实施例中，环形套筒58平行于环形侧壁46。然而，如下面将更详细描述的，根据本公开内容，其它形状也可用于减压器40。同样如图4中最佳所示，端壁56具有正交于轴线68的大致平坦形式，具有在端壁56的平坦表面和环形侧壁46的圆柱形表面之间的 平缓曲率或圆角。

在操作中，当加压流体70流过阀入口72并流过阀42时，阀塞74能够允许从完全封闭位置到完全打开位置的可变流速，在完全闭合位置上，没有流动，在完全打开位置上，有穿过阀42并流出阀出口76的充分流动，环形侧壁46的第一端50被连接到阀出口76，使得例如流出阀的蒸汽等加压流体必须被引导穿过开口54和入口62，并穿过减压器40。不受理论约束，一般认为在低流速下，加压流体流过环形套筒58，流出出口64，并直接流经外壳44的端壁56的第一组孔隙66a，而没有任何实质性流量的流体沿着环形侧壁46逆流，并流出任意第二组孔隙66b。随着流速增加并且第一组孔隙66a达到流动容量，多余的加压流体将朝着第一端50沿着在环形套筒58和环形侧壁46之间的环形间隙65逆向或反向上流动，并越来越多地流经环形侧壁46的孔隙66b。随着对于减压器40的流速继续增加，多余的加压流体将进一步从出口64朝着第一端50沿着环形间隙65行进，直到穿过外壳44的所有孔隙66b达到容量。之后，随着穿过减压器40的流速减小，加压流体的流动将沿着环形间隙65向下退回，使得流体将不再流过离第一个最远间隔的孔隙66b，然后流体不再流过下一个最远的孔隙等等，直到流体再次基本上仅仅流过孔隙66a。

图3中示出的阀组件是调节阀42；然而，减压器40可同样同于其它的阀组件。调节阀42包括阀体78，阀体78限定从阀入口72延伸到阀出口76的流体流动通道80。例如阀塞74等流动控制部件适于以任何足够的方式来选择性地打开和/或闭合流体流动通道80。调节阀42优选还包括冷却罩82，冷却罩82围绕并延伸超过减压器40的远端。调节阀42还优选包括一个或多个喷水歧管84，喷水歧管84延伸到冷却罩82内，并被设置成将水以喷雾状喷入冷却罩内与减压器40流体连通的腔室内。因此，当蒸汽例如穿过调节阀42和减压器40时，蒸汽将随后穿过冷却罩82并在排出排放开口86之前由来自喷水歧管84的水喷雾冷却。

现在转向图5，减压器40被显示为适于沿着远离阀的管道90使 用。在这种环境中，减压器40被固定到具有从其穿过的中心流动孔94的法兰92。法兰92适于通过本领域已知的方式固定于相对的管段法兰96a、96b之间。流动孔94对准内部环形套筒58的入口62，并被设置成使从管道的上游侧流动的加压流体将流过流动孔94、流过内部环形套筒58并流出出口64，并从那里以前面描述的方式经过孔隙66a、66b流入减压器40的下游侧。减压器40的其它部分基本与前述相同，因此为了简洁而不再重复描述。

在图3-5中所示的任一示例性使用环境中，围绕减压器40的管道部分90和/或护罩82从环形侧壁46径向向外间隔开一段距离，以提供环形间隙，该环形间隙足以允许流过孔隙66a、66b的流体穿过其间和下游上的环形空间或间隙。

图6示出了减压器40a的稍微改进的设计。减压器40a与减压器40基本相似，区别在于内部环形套筒58具有至少一个锥形的外环形表面100，使得环形套筒58与环形侧壁46在入口62附近径向间隔开第一距离d1，并在出口64处径向间隔开第二距离d2，其中第二距离d2大于第一距离d1。因此，在这种设置中，形成在环形套筒58和环形侧壁46之间的环形间隙65是锥形的，随着流体从出口64朝着环形侧壁46的第一端50沿相反方向流回而变得更窄。如图6中右半部分所示，锥形的环形间隙65可形成有圆锥形的环形套筒58，使得套筒的内直径同套筒的外直径一样逐渐缩小；然而，也可使用其它形状。例如，如图6的左半侧所示，套筒58可具有这样的横截面形状，套筒的内直径沿着套筒的长度基本恒定，而外直径连续地变化。

现在转向图7，另一种减压器40b包括外壳44和内部环形套筒58，外壳44具有限定内部空间48、第一端50和第二端52的环形侧壁46，内部环形套筒58是未穿孔的，其从第一端50延伸到内部空间48，并从环形侧壁46径向向内间隔开。所有这些与前面描述的减压器40基本相似。但是，与减压器40的区别在于减压器40b包括横越环形侧壁46的第二端52设置的端壁56b，其中端壁56b是半球状的，具有一个半径r，该半径r还对应于环形侧壁46的半径。与减压器40 相似，多个孔隙66a、66b穿过环形侧壁46上的外壳44和端壁56b。减压器40b通过这里结合减压器40所述的相同方式来工作。

现在转向图8，公开了减压器40c的另一变形，其中，通过缩窄环形侧壁46而不是环形套筒58的外表面，在环形套筒58和环形侧壁46之间的环形间隙65从在套筒58的出口64处的最宽点变窄到邻近侧壁的第一端50的最窄点。另外，端壁56b为半球状，具有半径r，类似于图7的减压器40b。在该变形中，环形侧壁46优选具有截头圆锥体的截面形状，其距离纵向轴线68在第一端50具有第一半径r1并在第二端52具有第二半径r2，其中半径r2大于半径r1。减压器40c还包括在环形侧壁46和端壁56c上穿过外壳44设置的多个孔隙66a、66b。减压器40c通过类似于前面结合减压器40所述的方式工作。减压器40a和减压器40c分别具有锥形的环形间隙65，其从邻近出口64的较宽尺寸变化到邻近环形侧壁46的第一端50的较窄尺寸，该锥形的环形间隙影响流体动力和减压器的流动系数Cv的变化。

结合具体附图描述的外壳44和内部环形套筒58的示例性形状可根据本公开的原理通过多种不同的方式来改进。例如，尽管这里描述的减压器大致沿着单个轴线轴向对准，并在横截面上呈大致圆形，例如圆柱形或圆锥形，但是该公开内容并不限于这些形状和常规的几何形状。因此，例如，根据本公开内容的基本原理的减压器可具有与外壳没有同轴的内部环形套筒，或者减压器可具有非圆形的横截面形状，例如椭圆形、正方形或其它多边形，其它的非规则几何形状也落入本公开内容的基本原理内。

这里公开的减压器可由任何适当材料制成，例如钢或者不锈钢，其通过本领域已知的适当焊接或其它连接机械装置组装。孔隙可通过例如钻孔或浇铸等任何合适的方式形成。这里公开的减压器可以是任何合适尺寸，并根据特殊应用而具有不同的形状。对于这里公开的减压器的一个期望应用是用于工业管道应用中，尺寸大小将被适当调整以用于这种管道和阀。

不限于理论，一般认为不同于已知的减压器，在一些设置中，这 里公开的减压器可提供可变的有效节流区域，加压流体根据穿过减压器的流量流过有效节流区域，而不使用任何移动部件。因此，不限于理论，还认为在一些设置中，减压器的有效Cv能够响应于流体流动的变化来改变，不需要任何移动部件，而是仅仅依赖于穿过减压器的流体动力。

这里公开的减压器特别适合用作对于例如蒸汽调节等应用的可变下游节流件，在该应用中需要具有涵盖数个不同操作条件的下游节流件。然而，减压器还可用于具有恒定操作条件的管道中。

通过前面的描述，关于减压器的多种改进对于本领域技术人员来说是明显的。因此，该描述仅仅是示例性的，其目的是为了使本领域技术人员能够制造并利用本发明，并教导实现本发明的最佳模式。本发明保留对落入所附权利要求的范围内的所有改进的独有权利。

Claims (14)

1.一种用于加压管道的减压器，包括：

外壳，其具有环形侧壁和端壁，所述环形侧壁限定内部空间、第一端和第二端，所述第一端限定进入所述内部空间的开口，所述环形侧壁具有从所述第一端到所述第二端的第一长度，以及所述端壁横跨所述第二端布置；

环形套筒，其从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内，所述环形套筒具有实心的侧壁、与所述环形侧壁的所述第一端连接的入口、布置在所述内部中间内入口远端处并与所述端壁间隔开的出口和从所述入口延伸到所述出口的通道，所述环形套筒延伸到所述内部空间内第二长度，其中所述第二长度小于所述第一长度；

环形间隙，其围绕所述环形套筒，所述环形间隙设置在所述环形侧壁和所述环形套筒之间；

第二间隙，其位于所述端壁和所述环形套筒的所述出口之间；

第一组孔隙，其穿过所述端壁；以及

第二组孔隙，其穿过所述环形侧壁，其中第二组孔隙中的至少一个第一孔隙沿着所述第二长度与所述环形套筒相对布置，

其中，所述环形套筒是未被穿孔的并且被配置用于迫使流过所述减压器的流体在流过所述外壳之前流过所述环形套筒的所述出口。

2.根据权利要求1所述的减压器，其特征在于，所述第二组孔隙的至少一个第二孔隙位于所述第一孔隙和所述入口之间。

3.根据权利要求2所述的减压器，其特征在于，所述环形套筒邻近所述第一端被连接到所述环形侧壁。

4.根据权利要求3所述的减压器，其特征在于，所述环形套筒包括围绕所述入口的环形法兰，所述环形法兰在所述第一端被连接到所述环形侧壁的内表面。

5.根据权利要求2所述的减压器，其特征在于，没有孔隙穿过所述第一端和所述环形套筒的入口之间的环形侧壁。

6.根据权利要求1所述的减压器，其特征在于，所述环形套筒平行于所述环形侧壁。

7.根据权利要求1所述的减压器，其特征在于，所述环形套筒与所述环形侧壁在所述入口附近径向间隔第一距离并在所述出口处径向间隔第二距离，其中所述第二距离大于所述第一距离。

8.根据权利要求7所述的减压器，其特征在于，所述环形套筒具有沿着所述第二长度与所述环形侧壁相对的锥形外表面。

9.根据权利要求1所述的减压器，其特征在于，穿过所述环形侧壁的所述第二组孔隙的各个孔隙的轴线正交于所述环形侧壁的轴线。

10.根据权利要求1所述的减压器，其特征在于，所述第二组孔隙的至少一些孔隙的轴线与所述环形侧壁的轴线不正交。

11.一种用于加压管道的阀组件，所述阀组件包括：

阀，其包括本体和流动控制部件，所述本体限定从阀入口延伸到阀出口的通道，所述流动控制部件适用于选择性地打开和/或闭合所述通道；

减压器，其与阀出口可操作地连接，所述减压器包括：

外壳，其具有限定内部空间的环形侧壁和端壁，所述环形侧壁具有第一端、第二端和从所述第一端到所述第二端的第一长度，其中所述第一端限定进入所述内部空间的开口，所述内部空间可操作地连接到所述阀出口，以收容来自所述阀出口的流体，所述端壁横跨所述第二端布置；

环形套筒，其从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内，所述环形套筒具有实心的侧壁、与所述环形侧壁的所述第一端连接的入口、和位于所述入口远端处并且与所述端壁间隔开的出口，其中所述出口从所述环形侧壁的所述第一端延伸到所述内部空间内第二距离，其中所述第二距离小于第一距离；

环形间隙，其位于所述环形侧壁和所述环形套筒之间；

轴向间隙，其位于所述环形套筒的所述出口和所述外壳的所述端壁之间；

第一组孔隙，其穿过所述端壁；以及

第二组孔隙，其穿过所述环形侧壁，其中所述第二组孔隙中的至少一个第一孔隙沿第二长度与所述环形套筒相对布置，

其中，所述环形套筒是未被穿孔的并且被配置用于迫使流过所述减压器的流体在流过所述外壳之前流过所述环形套筒的所述出口。

12.根据权利要求11所述的阀组件，其特征在于，所述阀包括蒸气调节阀。

13.根据权利要求12所述的阀组件，其特征在于，还包括冷却罩和喷水歧管，所述冷却罩围绕所述减压器，所述喷水歧管由所述冷却罩支撑，并被设置成将水喷入与所述减压器流体连通的腔室内。

14.根据权利要求11所述的阀组件，其特征在于，还包括与所述阀出口可操作地连接的管段，所述管段围绕所述减压器，并与所述减压器径向间隔开。