устройство для снижения давления текучей среды, используемое в процессах с высокими коэффициентами падения давления

Формула изобретения

1. Устройство для снижения давления текучей среды, содержащее:

две или более кольцевых пластин, пригодных для складывания в стопу, причем у каждой пластины имеются наружный периметр и полая центральная часть, которые, при укладке кольцевых пластин одна на другую с образованием стопы, расположены концентрично относительно продольной оси стопы, а каждая пластина дополнительно содержит:

по меньшей мере, один входной проточный сектор, имеющий входную проточную ступень для формирования первой входной зоны и первой выходной зоны, и,

по меньшей мере, один выходной проточный сектор, имеющий выходную проточную ступень для формирования второй входной зоны и второй выходной зоны, причем отношение площади второй входной зоны к площади второй выходной зоны выбрано из условия создания обратного давления на выходной проточной ступени для обеспечения дозвукового течения текучей среды у указанного периметра,

при этом входная проточная ступень выполнена как ступень снижения давления, обеспечивающая существенное снижение давления проходящей через нее текучей среды, а выходная проточная ступень выполнена как ступень снижения давления, обеспечивающая существенное ослабление аэродинамического шума.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что:

по меньшей мере, одна входная проточная ступень содержит:

по меньшей мере, один входной проточный канал, проходящий по участку кольцевой пластины от полой центральной части в направлении периметра, и

первую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным входным каналом и смежную с ним, причем указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее периметром и полой центральной частью, при этом,

по меньшей мере, одна выходная ступень содержит:

по меньшей мере, один выходной проточный канал, проходящий по участку кольцевой пластины от периметра в направлении полой центральной части, и

вторую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным выходным каналом и смежную с ним, причем указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее полой центральной частью и периметром.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первая кольцевая пластина селективно расположена в стопе поверх второй кольцевой пластины с обеспечением возможности для текучей среды течь из входного проточного канала входной ступени первой пластины во вторую полость выходной ступени второй пластины с разделением потока текучей среды в осевом направлении на верхний и нижний компоненты, способные поступать в смежные полости с различными направлениями радиальных потоков с последующим выводом, по меньшей мере, через один канал выходной ступени, по меньшей мере, в одной пластине.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая пластина содержит группу проточных ступеней, причем первая и вторая проточные ступени выполнены как ступени снижения давления, обеспечивающие существенное снижение давления проходящей через них текучей среды.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что третья и четвертая проточные ступени выполнены как ступени снижения давления, обеспечивающие существенное ослабление аэродинамического шума, создаваемого указанным устройством.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что первая и вторая проточные ступени содержат каналы, образующие пары из сходящегося участка и расходящегося участка, формирующие конфигурацию типа сопла.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что третья и четвертая проточные ступени содержат каналы, имеющие, по существу, прямоугольный профиль поперечного сечения.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что первая и вторая проточные ступени выполнены с возможностью обеспечить коэффициент падения давления, лежащий в интервале от 0,50 до 0,78.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что третья и четвертая проточные ступени выполнены с возможностью обеспечить коэффициент падения давления, лежащий в интервале от 0,30 до 0,40.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая пластина снабжена крепежными отверстиями, расположенными на ее периферии, а устройство дополнительно содержит удлиненные крепежные элементы, каждый из которых может быть проведен через соответствующее ему крепежное отверстие в каждой из кольцевых пластин для удерживания сборки кольцевых пластин, уложенных в стопу.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что каждое крепежное отверстие снабжено каналом для текучей среды, сообщающимся с потоком текучей среды, текущим через указанное устройство.

12. Устройство для снижения давления текучей среды, содержащее группу уложенных в стопу кольцевых пластин, причем у каждой пластины имеются наружный периметр и полая центральная часть, которые, при укладке кольцевых пластин одна на другую с образованием стопы, расположены концентрично относительно продольной оси стопы, а каждая пластина дополнительно содержит:

входной проточный сектор, имеющий входную проточную ступень, содержащую входной проточный канал, проходящий по участку кольцевой пластины от полой центральной части в направлении периметра, и первую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным входным каналом и смежную с ним, причем указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее периметром и полой центральной частью, и

выходной проточный сектор, имеющий выходную проточную ступень, содержащую выходной проточный канал, проходящий по участку кольцевой пластины от периметра в направлении полой центральной части, и вторую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным выходным каналом и смежную с ним, причем указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее полой центральной частью и периметром,

при этом входная проточная ступень выполнена как ступень снижения давления, обеспечивающая существенное снижение давления проходящей через нее текучей среды, а выходная проточная ступень выполнена как ступень снижения давления, обеспечивающая существенное ослабление аэродинамического шума.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что смежные кольцевые пластины в стопе селективно расположены с обеспечением возможности для текучей среды течь из входной проточной ступени первой пластины во вторую полость смежных кольцевых пластин с разделением потока текучей среды на компоненты с осевым и радиальным направлениями течения с последующим выводом через первую полость первой пластины в выходные каналы смежных кольцевых пластин.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждая пластина дополнительно содержит пространственно разделенные крепежные отверстия, каждое из которых снабжено каналом для текучей среды, сообщающимся с потоком текучей среды, текущим через указанное устройство.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что содержит удлиненные крепежные элементы, каждый из которых может быть проведен через соответствующее ему крепежное отверстие в каждой из кольцевых пластин для удерживания сборки кольцевых пластин, уложенных в стопу.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что каждая пластина содержит группу проточных ступеней, при этом первая проточная ступень обеспечивает поступление текучей среды во вторую проточную ступень, а вторая проточная ступень - поступление текучей среды в третью проточную ступень.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что третья проточная ступень обеспечивает поступление текучей среды в четвертую проточную ступень.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что четвертая проточная ступень создает обратное давление, достаточное для формирования дозвукового течения у периметра устройства.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к устройствам для снижения давления текучей среды, и более конкретно к усовершенствованию подобных устройств, используемых для управления процессами с высокими коэффициентами падения давления.

Уровень техники

Многие автоматически управляемые промышленные процессы могут создавать недопустимо высокий уровень аэродинамического шума. Например, современные электростанции обычно применяют для генерации энергии паровые турбины. Паровым турбинам требуется периодическое техническое обслуживание, причем известно, что, как правило, более экономично продолжать генерирование пара во время такого обслуживания, чем полностью выключить электростанцию. Во время технического обслуживания турбины вспомогательные трубы и клапаны, образующие совместно обводной контур, направляют пар, в обход паровой турбины, в контур регенерации, в котором осуществляется многократная подготовка к его повторному использованию. Должно быть понятно, что условия протекания процессов в контуре регенерации приводят к возникновению высоких температур и больших перепадов давления (например, до 650°С и 3,4 МПа), которые могут привести к разрушающим вибрациям и высоким уровням шума в системе, когда пар отводится от турбины. Чтобы такие условия не повредили компоненты контура регенерации пара, необходимо понизить температуру и давление пара перед его подачей в систему.

Для регулирования температуры и давления пара перед его подачей в систему регенерации часто используют редукционные устройства, понижающие давление текучей среды, которые известны под названием "распылители" ("spargers"). Распылители представляют собой аэродинамические ограничители, которые понижают давление текучей среды и ее температуру путем отвода и/или поглощения энергии текучей среды, заключенной в отводимом паре. Типичные распылители строятся на основе полого корпуса, в стенках которого выполнены сквозные отверстия, соединяющие множество входов, расположенных на внутренних стенках, с выходами, расположенными на наружной поверхности распылителя, как это описано в патентах США № № 5769122, 6244297, содержание которых включено в данное описание посредством ссылки. В общем случае каналы, имеющиеся внутри таких устройств, разделяют поступающую текучую среду на все более мелкие струи, что соответственно понижает давление и температуру поступающей текучей среды.

Аналогично, в некоторых применениях управляющих клапанов некоторые их узлы, например клетки, также могут испытывать тяжелые условия. Так, в приложениях, связанных с распределением жидкого природного газа, перед вводом газа в распределительный трубопровод природный газ подвергается сжатию с помощью больших компрессоров для того, чтобы перевести его в жидкую фазу. При этом известно, что в процессе работы компрессора может возникнуть потенциально опасное состояние, именуемое "помпаж". Точка помпажа обычно определяется для компрессора как рабочая точка, в которой может быть достигнуто максимальное давление при минимальном стабильном потоке для заданной скорости компрессора.

Функционирование компрессора в точке помпажа или ниже ее может привести к нестабильной работе, что, в свою очередь, может вызвать помпаж.

Например, в случае работы в нормальном режиме при уменьшении потока газа через компрессорную систему давление текучей среды повышается, чтобы поддержать поток неизменным. Однако вблизи точки помпажа компрессор не в состоянии придать газу достаточное количество движения, чтобы обеспечить течение газа через компрессор, в результате чего происходит мгновенное прекращение течения газа. Когда течение прекращается, входное давление падает и выходное давление может превысить входное. Это вызовет обратное течение потока внутри компрессора (т.е. в данный момент газ течет от выхода к входу). Обратное течение поддерживается до тех пор, пока давление на входе турбины не возрастет до уровня, достаточного для преодоления условия помпажа. Если компрессор продолжает работать вблизи точки помпажа, условие помпажа будет повторяться, вызывая повторные изменения направления потока, продолжающиеся до соответствующего изменения условий. Такие изменения направления течения, обусловленные помпажем, приводят к изменению направления вектора давления компрессора, что может вызывать нестабильную осевую и радиальную вибрацию, которая способна повредить компрессор и создать высокий уровень шума.

Чтобы избежать возникновения помпажа и повреждения компрессора, он снабжается противопомпажными средствами. Хорошо известно, что противопомпажные системы требуют применения противопомпажных клапанов, рассчитанных на большой поток и высокое давление. Например, такие клапаны могут иметь входное отверстие диаметром 22 дюйма и работать при перепадах давления до 3,7 МПа. Специалисту в данной области будет понятно, что такие условия приводят к высоким массовым расходам, которые могут вызвать высокую турбулентность потока и создать недопустимые уровни аэродинамического шума. Чтобы предотвратить нежелательный шум и вредные вибрации, противопомпажные клапаны также содержат устройства для ослабления шума и снижения давления текучей среды.

Известные устройства для снижения давления текучей среды, такие как Whisperflo® trim, предлагаемые фирмой Fisher Controls International LLC (США), используют для снижения давления текучей среды многоступенчатые конструкции в виде стопы кольцевых пластин, которые формируют множество каналов ограниченного диаметра между полым центром и наружным периметром. В подобных устройствах текучая среда проходит через группу каналов, изменяющих характеристики радиального и осевого потоков посредством серии структур для сжатия-расширения текучей среды, которые существенно снижают давление текучей среды в результате смешивания потоков текучей среды и ее разбиения на выходе устройства на множество пространственно разделенных высокоскоростных струй. Как это известно специалистам, такие устройства лучше всего работают в приложениях с малыми и средними перепадами давления, но не в приложениях с очень высокими перепадами давления.

Можно определить приложения с высокими перепадами давления как приложения, в которых коэффициент падения давления на устройстве для снижения давления текучей среды относительно входного давления превышает заданное значение, такое как 0,93. В качестве приложений с высокими перепадами давления могут рассматриваться, с учетом условий протекания процесса, также приложения, в которых отношение площадей входного и выходного отверстий в устройстве для снижения давления текучей среды способствует возникновению на последней (выходной) ступени устройства звукового течения (т.е. скоростей текучей среды, превышающих скорость звука или равных ей). Обычно принимается, что наличие звукового течения текучих сред в устройствах для снижения давления текучей среды означает, что поток "задросселирован". Специалисту известно, что в этих условиях возникает разрыв в условиях течения на входе и выходе устройства. Более конкретно, применительно к устройству для снижения давления и его внутренней структуре, взаимодействующей с текучей средой, массовый расход пропорционален давлению на входе. При этом именно указанные условия (т.е. максимальный массовый расход) приводят к скоростям, соответствующим звуковому течению текучей среды. Когда скорость текучей среды приближается к скорости звука, внутри текучей среды образуются ударные зоны, которые вносят основной вклад в недопустимо высокие уровни шума. В приложениях, связанных с большими перепадами давления, в известных устройствах для снижения давления быстро возникает задросселированный поток; поэтому эти устройства непригодны для приложений, в которых учитываются уровни шума и вибрации.

Для решения рассмотренной проблемы обычные устройства для снижения давления текучей среды, как правило, снижают недопустимые уровни шума, возникающие в приложениях, связанных с высокими перепадами давления, установкой вокруг устройства для снижения давления дополнительной заслонки, чтобы сформировать достаточную область течения потока на периферии устройства с целью создания малого, контролируемого падения давления на выходной ступени. Контролируемое падение давления создает на выходной ступени обратное давление, чтобы ограничить выходные скорости текучей среды до дозвуковых значений. К сожалению, применительно к приложениям с очень высокими перепадами давления требуются заслонки, имеющие большие площади поверхности, так что такие устройства не могут быть размещены внутри корпусов клапанов для формирования узлов затвора. Кроме того, такой подход существенно увеличивает стоимость изготовления крупных распылителей. При этом типичные многоступенчатые устройства для снижения давления не содержат достаточно прочных конструктивных элементов внутри корпуса, способных выдерживать очень высокие падения давления, так что имели место случаи разрушения подобных устройств под нагрузкой, приводившие к катастрофическим повреждениям корпуса клапана или системы трубопроводов в месте расположения распылителя.

Другие типичные подходы к улучшению показателей традиционных устройств для снижения давления текучей среды в приложениях с высоким перепадом давления включают уменьшение отношения площадей входного и выходного сечений в устройстве, например путем сокращения количества имеющихся входных каналов. К сожалению, этот подход снижает общий расход текучей среды через систему или через клапан. Чтобы обеспечить требуемый расход текучей среды через устройство с пониженным значением указанного отношения, необходимо увеличивать общую высоту стопы, формирующей устройство для снижения давления. Данная технология непригодна для узла затвора или распылителя, поскольку увеличение высоты стопы может привести к тому, что устройство станет слишком большим для установки в корпусы клапанов или в трубопроводы, а также слишком дорогим в изготовлении. С учетом этого желательно создать устройство для снижения давления текучей среды для приложений с большим перепадом давления (с высоким коэффициентом падения давления), которое было бы пригодно для распылителей и/или узлов затвора.

Раскрытие изобретения

В одном из своих вариантов устройство для снижения давления текучей среды содержит две или более кольцевых пластин (дисков), пригодных для формирования стопы. У каждой пластины имеются наружный периметр и полая центральная часть, которые, при укладке кольцевых пластин одна на другую с образованием стопы, расположены концентрично относительно продольной оси стопы. Каждая пластина дополнительно содержит, по меньшей мере, один входной проточный сектор, имеющий входную проточную ступень для формирования первой входной зоны и первой выходной зоны, и, по меньшей мере, один выходной проточный сектор, имеющий выходную проточную ступень для формирования второй входной зоны и второй выходной зоны. При этом отношение площади второй входной зоны к площади второй выходной зоны выбрано из условия создания обратного давления на выходной проточной ступени для обеспечения дозвукового течения у указанного периметра. Чтобы существенно ослаблять любой аэродинамический шум, ассоциированный с устройством для снижения давления текучей среды, оно может содержать две ступени дозвукового течения.

В другом примере устройство для снижения давления текучей среды содержит группу уложенных в стопу кольцевых пластин, причем у каждой пластины имеются наружный периметр и полая центральная часть, которая, при укладке кольцевых пластин одна на другую с образованием стопы, расположена концентрично относительно продольной оси стопы. Каждая пластина дополнительно содержит входной проточный сектор и выходной проточный сектор. Входной проточный сектор имеет входную проточную ступень, содержащую входной проточный канал, проходящую по участку кольцевой пластины от полой центральной части в направлении периметра, и первую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным входным каналом и смежную с ним. Указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее периметром и полой центральной частью. Выходной проточный сектор имеет выходную проточную ступень, содержащую выходной проточный канал, проходящий по участку кольцевой пластины от периметра в направлении полой центральной части, и вторую полость, согласованную в радиальном направлении с указанным выходным каналом и смежную с ним. Указанная полость расположена на участке кольцевой пластины между ее полой центральной частью и периметром.

Краткое описание чертежей

Признаки изобретения, которые рассматриваются как новые, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Изобретение будет полностью разъяснено в нижеследующем описании, которое должно рассматриваться совместно с прилагаемыми чертежами, причем для обозначения одинаковых или сходных элементов на различных фигурах используются одинаковые обозначения.

На фиг.1 в перспективном изображении показана стопа пластин в составе распылителя согласно примеру устройства для снижения давления.

На фиг.2 пример распылителя по фиг.1 представлен с пространственным разделением деталей.

На фиг.3 в перспективном изображении показана стопа пластин в составе узла затвора клапана согласно примеру устройства для снижения давления.

На фиг.4 пример узла затвора по фиг.3 представлен с пространственным разделением деталей.

Осуществление изобретения

Пример устройства для снижения давления применительно к распылителю показан на фиг.1 и 2. В этом примере данное устройство (распылитель) использует стопу кольцевых пластин, чтобы создать множество снижающих давление путей течения между входами и выходами устройства. Сборка в виде стопы пластин может быть охарактеризована следующим образом:

1) сборка образует множество снижающих давление путей течения со входами, расположенными в полой центральной части, и с выходами на наружном периметре, причем входы и выходы согласованы в радиальном направлении в пределах индивидуальных проточных секторов;

2) снижающие давление пути течения являются, по существу, радиальными, причем они образуются более чем двумя соединенными последовательно ступенями снижения давления, каждая из которых связана с другой ступенью снижения давления выполненной, по меньшей мере, в одной смежной кольцевой пластине;

3) каждая ступень имеет одно или более отверстий, причем отверстия внутренних (в частности, первой и второй) ступеней выполнены с закругленными кромками или плавно сужающимися на входе и с острыми краями на выходе, тогда как наружные ступени (в частности, третья или четвертая ступень) снабжены ограничениями, которые создают заданное обратное давление, чтобы контролировать скорости текучей среды за пределами устройства и тем самым поддерживать ее дозвуковое течение.

Фиг.1 и 2 иллюстрируют первый пример, соответствующий распылителю 100 для обводного контура турбины или любого аналогичного применения, в котором производится сброс большого объема газа способом, приводящим к очень высоким перепадам давления. Должно быть понятно, что хотя описывается пример распылителя 100, использующего четыре кольцевых пластины 110, 113, 115, 117, распылитель может быть сформирован, без выхода за пределы данного варианта устройства для снижения давления, из любого количества таких пластин и при различных значениях высоты стопы и диаметра пластин, зависящих от конкретного применения. Характеристики течения в распылителе 100 легче всего понять, если разделить распылитель на шесть, по существу, аналогичных проточных секторов (140, 141, 142, 143, 144, 145). Каждый из проточных секторов 140, 141, 142, 143, 144, 145 содержит каналы, которые соединяют группу входов 162 в полой центральной части 151 с выходом 197 на наружном периметре 154 распылителя 100. Более конкретно, каждый проточный сектор 140, 141, 142, 143, 144, 145 содержит, по меньшей мере, три, предпочтительно четыре проточные ступени, которые обеспечивают снижение давления на распылителе 100, как это будет описано далее. Эти ступени 160, 170, 180, 190 снижения давления могут быть сформированы, по меньшей мере, на паре кольцевых пластин 110, 113, но предпочтительно на трех смежных пластинах 110, 113, 115, чтобы обеспечить радиальное, поперечное и осевое течения внутри проточного сектора распылителя 100 (как это показано стрелками на фиг.1 и описано далее).

Как показано на фиг.1 и 2, первая ступень 160 снижения давления образована в пределах первого ограничения для текучей среды внутри каждого проточного сектора 140, 141, 142, 143, 144, 145 посредством узкого входа 162, связанного с относительно широким выходом 167 первым промежуточным каналом 166. Вторая ступень 170 снижения давления образована в пределах множества вторых ограничений для текучей среды внутри каждого проточного сектора 140, 141, 142, 143, 144, 145 посредством узких входов 172, связанных с относительно широкими выходами 177 группой соответствующих (вторых) промежуточных каналов 176.

Аналогично, третья ступень 180 снижения давления образована в пределах множества третьих ограничений для текучей среды посредством входов 182, связанных с выходами 187 третьей группой промежуточных каналов 186. Четвертая ступень 190 снижения давления образована в пределах ограничения для текучей среды посредством входа 192, связанного с выходом 197 промежуточным каналом 196. Специалисту в данной области будет понятно, что первая, вторая и третья ступени 160, 170 и 180 содержат каналы, которые выходят в отверстия, соответствующие следующей ступени, и что каждая ступень снижения давления занимает согласованное положение в пределах соответствующего проточного сектора индивидуальной пластины. Применительно к распылителю 100 паттерн из четырех ступеней 160, 170, 180, 190 снижения давления повторяется по окружности распылителя 100 в каждом проточном секторе 140, 141, 142, 143, 144, 145 с формированием шести таких секторов с четырьмя ступенями снижения давления в каждом. Должно быть понятно, что, не выходя за пределы рассматриваемого устройства для снижения давления текучей среды, можно изменять общее количество проточных ступеней и проточных секторов.

Чтобы обеспечить контролируемое течение через указанные ступени и желаемое снижение давления на распылителе 100, движение текучей среды по соответствующему каналу от полой центральной части 151 к наружному периметру 154 сборки в виде стопы пластин имеет место предпочтительно при взаимном угловом смещении пластин, как это показано на чертежах. Другими словами, для формирования в рассматриваемом примере устройства траектории течения, обеспечивающей снижение давления, необходимы, по меньшей мере, две, по существу, идентичные взаимно развернутые кольцевые пластины 110 и 113. Чтобы облегчить настройку правильного углового положения, т.е. согласование каналов, кольцевые пластины снабжены рисками 130 разметки, нанесенными на наружном периметре 154. Желательная ориентация в пределах стопы соответствует предпочтительному положению пластины в стопе относительно смежных пластин (дисков), показанному на фиг.1. Специалисту должно быть понятно, что эта предпочтительная ориентация может быть обеспечена взаимным разворотом пластин на 180° вокруг продольной оси (оси z) и/или переворотом одной из смежных пластин вокруг горизонтальной оси y. Обеспечением указанной ориентации каждой пластины в стопе достигается желательное снижение давления текучей среды и подавление аэродинамического шума. Риски разметки могут облегчить также изготовление устройства для снижения давления. Например, внутри рисок может быть выполнен "технологический сварочный шов", чтобы удерживать пластины до начала сборки.

В процессе работы представленного варианта распылителя 100, после того как инициируется поток текучей среды, она поступает во входы 162, имеющиеся на первой пластине 113, в ее полой центральной части, и течет через первую ступень 160 снижения давления. В этой первой ступени 160 текучая среда проходит от входа 162 через промежуточный канал 166 к выходу 167, выполненному в первой пластине 113. Этот выход 167 согласован по положению с первой полостью 175, выполненной, по меньшей мере, в смежной пластине 110 и предпочтительно во второй смежной пластине 115, так что поток текучей среды, выходящий из первой ступени 160, поступает, по меньшей мере, в первую полость 175, предшествующую второй ступени 170. Специалисту будет понятно, что использование относительно узкого входа 162 первой ступени на первой пластине 113 увеличивает скорость текучей среды, когда она входит в соответствующее ограничение, поскольку массовый расход остается относительно постоянным. Когда текучая среда выходит через выход 167 первой ступени, последующее расширение текучей среды в первой полости 175 создает соответствующее падение давления.

Выходя из первой полости 175, текучая среда поступает в относительно узкие входы 172 второй ступени на смежной пластине 110. Как уже упоминалось, использование ограниченных по размерам входов приводит к ускорению текучей среды, тогда как широкие выходы 177 второй ступени вызывают второе падение давления. Текучая среда из второй ступени 170 собирается в ассоциированной с этой ступенью второй полости 185, где происходит смешивание потоков текучей среды из множества выходов 177 второй ступени в радиальном, поперечном и осевом направлениях (в частности, имеет место смешивание потоков из полостей смежных, верхней и нижней, пластин). Имеющийся на входе источник давления текучей среды обеспечивает продвижение текучей среды от выходов 177 второй ступени к полости 185 этой ступени и далее к входам 182 третьей ступени на первой пластине 110. Как показано на фиг.1, выходы 187 третьей ступени согласованы по положению с входом 192 четвертой ступени на второй пластине 113, от которого текучая среда поступает к широкому выходу 197 четвертой ступени, выполненному на наружном периметре 154 стопы для обеспечения желательного снижения давления в распылителе. Должно быть понятно, что конструкции первой и второй ступеней 160 и 170 снижения давления имеют общие признаки, способные обеспечить существенные снижения давления текучей среды до ее поступления в завершающие (наружные) ступени. Более конкретно, первая и вторая ступени снижения давления содержат отверстие, которое открывается в полость. Данное отверстие характеризуется входом, стенки которого выполнены гладкими с целью достижения минимального сужения текучей среды в поперечном направлении (т.е. высокой пропускной способности). Затем следует быстрый выброс текучей среды на выходе с целью обеспечения быстрого расширения текучей среды (т.е. большого падения давления). В представленном варианте распылителя 100 эти отверстия, аналогичные соплам, создают относительно большое падение давления на малом радиальном отрезке. Данный вариант распылителя эффективно использует эти конструктивные элементы, взаимодействующие с текучей средой, для достижения существенного падения давления в пределах первых двух ступеней 160 и 170, чтобы уменьшить падение давления, требуемое от наружных ступеней, и тем самым уменьшить турбулентность и шум в устройстве в целом.

В предпочтительном варианте первые две ступени 160, 170 распылителя 100, при обеспечении относительно большого падения давления, могут формировать звуковое или даже сверхзвуковое течение. При этом такие условия могут создавать значительный шум. Однако специалисту будет ясно, что шум, генерируемый в пределах внутренних ступеней 160 и 170, не будет эффективно распространяться за пределы распылителя 100. Поэтому шум, генерируемый в результате звукового или сверхзвукового течения, не будет влиять заметным образом на уровень шума, создаваемого устройством. В то же время падение давления и, как следствие, скорость текучей среды в наружных ступенях устройства оказывают существенное влияние на суммарный уровень шума. С учетом этого третья и четвертая ступени 180 и 190, использующие отверстия прямоугольной формы, создают относительно меньшее падение давления и тем самым обеспечивают намного более значительное ослабление аэродинамического шума. Другими словами, отсутствие отверстия с относительно узкой ограничивающей частью (например, в конструкции с сужением-расширением, использованной в первой и второй ступенях) существенно снижает общее падение давления в наружных ступенях 180 и 190, обеспечивая в то же время улучшенный контроль отношений площадей на входе и выходе, как это будет подробно описано далее.

Следует также учитывать, что в представленном варианте распылителя 100 не требуется отдельная изоляция потока между двумя пластинами. Например, как показано на фиг.2, поток, подаваемый во вторую ступень, может также поступать в смежные пластины. Тем самым в устройстве формируется осевой канал для текучей среды, который может проходить, например, по меньшей мере, через две последовательные пластины сборки в виде стопы. Таким образом, поток будет иметь радиальные, поперечные и осевые компоненты, так что применительно к указанной сборке течение потока может быть охарактеризовано как "радиальное расходящееся". На фиг.1 иллюстрируется также комбинирование смежных потоков текучей среды на траектории потока, обеспечивающей снижение давления (и показанной стрелками в проточном секторе 141), через, по меньшей мере, секцию из двух пластин в составе сборки в виде стопы. В рассматриваемом примере поток текучей среды имеет радиальный и поперечный компоненты, движущиеся из полой центральной части через первую ступень в первой пластине, осевой компонент, проходящий из первой пластины во вторую пластину, радиальные и поперечные компоненты, проходящие через вторую ступень во второй пластине, осевой компонент, проходящий из второй пластины в первую пластину, радиальные и поперечные компоненты, проходящие через третью ступень в первой пластине, осевой компонент, проходящий из первой пластины во вторую пластину, и, по существу, радиальный компонент, проходящий через четвертую ступень во второй пластине до наружного периметра.

Следует отметить, что для поддержания массового расхода через распылитель с учетом уменьшения скоростей по мере прохождения через ступени снижения давления суммарные площади сечения отверстий (в частности, отношения площадей на входе и выходе) каждой ступени должны увеличиваться, чтобы обеспечить достаточную пропускную способность. В распылителе 100 первая ступень в секторах 140, 141, 142, 143, 144, 145 сформирована с одним отверстием, связанным соответствующим каналом с первой полостью; вторая ступень имеет пять отверстий, связанных с единственной большой второй полостью; третья ступень имеет десять отверстий, связанных с единственной третьей полостью; а четвертая ступень имеет одно относительно широкое отверстие, выходящее на наружный периметр сборки в виде стопы пластин. Таким образом, количество отверстий увеличивается по мере продвижения потока через зону, обеспечивающую снижение давления, до достижения завершающей ступени. Должно быть понятно, что количество и размеры отверстий в составе различных ступеней могут определяться конкретным применением или конструктивными соображениями. Кроме того, в данном примере распылителя отверстия третьей и четвертой ступеней 180, 190 предпочтительно имеют прямоугольный профиль и одновременно обеспечивают отношение площадей на входе и выходе, предотвращающее ускорение текучей среды на их выходе до звуковых скоростей (которые, как это было объяснено выше, могут иметь место для первой и второй ступеней 160 и 170) и значительный массовый расход через распылитель 100. Прямоугольный профиль отверстий третьей ступени в составе проточных секторов позволяет реализовать максимальное количество параллельных путей течения для максимизации потока текучей среды при обеспечении пространственного разделения струй текучей среды на выходах 187 с целью минимизации их взаимодействия на входах 197 четвертой ступени.

Известно, что обычные многоступенчатые устройства для снижения давления текучей среды часто имеют множество выходов на завершающей ступени, что может оказаться неприемлемым в приложениях с большим перепадом давления. Более конкретно, множество небольших выходов будет способствовать разделению струй, что, как известно, уменьшает шум, обусловленный их взаимодействием. К сожалению, такая конфигурация способствует относительно большому возрастанию скорости текучей среды, а это может существенно усилить шум, связанный с этой скоростью, если будут достигнуты звуковые скорости. В случае распылителя 100 большое прямоугольное отверстие четвертой ступени не создает звуковых скоростей. Фактически в данном варианте распылителя 100 благодаря значительной площади сечения на выходе данной ступени, не вносящей больших ограничений, не может возникнуть ускорение текучей среды по сравнению с предыдущей ступенью. При этом обеспечивается заданное отношение площадей входа и выхода завершающей ступени, способствующее дозвуковому течению. Как будет подробно описано далее, отношения площадей входа и выхода для третьей и четвертой ступеней выбираются такими, чтобы создать определенное обратное давление (т.е. контролируемое падение давления на соответствующей ступени) и тем самым обеспечить дозвуковое течение на выходе в приложениях с большим перепадом давления.

В дополнение к контролю падения давления в наружной ступени, пример распылителя 100 эффективно обеспечивает снижение шума путем устранения, по существу, любых взаимодействий в столбе текучей среды, которые могут возникнуть в стопе пластин (т.е. неконтролируемых осевых потоков внутри устройства для снижения давления). Как показано на фиг.1, взаимная ориентация пластин, описанная выше, выбрана такой, чтобы входы 162 первой ступени располагались со смещением или асимметрично. Асимметричное расположение входов 162 первой ступени 160 позволяет получить максимальное количество входов из полой центральной части при предотвращении их согласования в осевом направлении. Специалисту должно быть понятно, что такое асимметричное расположение приводит к диагональному расположению входов первой ступени, что существенно ослабляет формирование осевых потоков внутри стопы пластин. Это, в свою очередь, препятствует возникновению недопустимого уровня шума. Распылитель 100 решает также присущие известным распылителям проблемы, связанные с их закреплением и вызываемые неблагоприятным влиянием температурных градиентов на сборку устройства.

Как показано на фиг.1, кольцевые пластины рассматриваемого примера устройства снижения давления содержат внутренние крепежные отверстия 200, взаимно согласованные в осевом направлении, когда кольцевые пластины собраны в стопу. Как было описано, распылители обычно выпускают текучую среду при высоких давлениях и высоких температурах в атмосферу, имеющую низкое давление и низкую температуру. Обычные распылители со стопой пластин должны иметь очень высокую конструктивную прочность и содержать специальные крепежные средства, чтобы выдерживать подобные условия. Типичные распылители обычно собираются и закрепляются в трубопроводной или аналогичной системе посредством крепежных болтов, расположенных вокруг внешней поверхности распылителя, снаружи по отношению к стопе пластин. Конструкции такого типа используют хорошо известные фланцы с выступающим ободком, требующие увеличения размера устройства по диаметру в связи с применением крупных болтов, которые необходимы для обеспечения соответствия нагрузке на болт и для удерживания пластин в заданном положении в процессе работы.

Этот типичный вариант крепления имеет тот недостаток, что крупные болты создают ограничения для потока на выходе рассеивающих пластин, где пропускная способность особенно важна вследствие расширения газов при пониженном давлении. Кроме того, при сбросе пара возможность температурных градиентов между крепежными элементами и стопой пластин может привести к неравномерному тепловому расширению, создающему переменную нагрузку на болты, которая может привести к катастрофическому повреждению распылителя. Альтернативой установки болтов снаружи стопы пластин является размещение их внутри кольца, образованного пластинами. В известных конструкциях этого типа с целью ослабления ограничений для выходного потока, создаваемых болтами, выполнялись изолированные отверстия в стопе. К сожалению, эта технология неадекватно решает проблемы, связанные с быстрыми температурными изменениями (т.е. с большими температурными градиентами), которые могут возникать при высоких давлениях и высокой температуре сбрасываемой текучей среды, имеющих место в обводных контурах турбин. Вариант распылителя по фиг.1 и 2 решает проблемы, связанные как с температурными градиентами, так и с ограничениями потока.

Кольцевые пластины сборки в виде стопы снабжены отверстиями 200, расположенными вблизи наружного периметра 154, предпочтительно симметрично между проточными секторами 140, 141, 142, 143, 144, 145. Вокруг отверстий 200 под болты сформированы группы каналов 210 для текучей среды, чтобы обеспечить циркуляцию текучей среды, текущей через распылитель, вокруг крепежных элементов, например болтов (не изображены). Такое выполнение создает, по меньшей мере, три преимущества: 1) болтовые соединения могут быть расположены рядом с камерами повышенного давления, где желательно иметь ограничения для потока, так что при этом не создаются ограничения для общей пропускной способности; 2) круглые зоны, занимаемые в плане болтовыми соединениями, находятся в пределах диаметра стопы пластин, так что устройству для снижения давления можно придать больший диаметр, чем в известных распылителях, благодаря чему оно будет иметь большую выходную площадь для потока расширяющегося газа, т.е. более высокую пропускную способность; 3) рабочая текучая среда имеет более длительное время контакта (взаимодействия) с болтовыми соединениями, что облегчает восприятие ими больших температурных градиентов.

Второй пример устройства для снижения давления текучей среды, сконфигурированный как узел затвора, показан на фиг.3 и 4. Аналогично описанному примеру распылителя, данный узел 300 затвора содержит сборку в виде стопы кольцевых пластин, расположенных вокруг продольной оси z и совмещенных своими рисками 345 разметки. Узел 300 затвора имеет полую центральную часть 306, из которой текучая среда поступает в группу входов 362, сформированных в, по существу, аналогичных проточных секторах 340, 341, 342. В данных секторах имеются каналы, идущие к наружному периметру 305, который является выходом устройства в целом. В узле 300 затвора центральная часть 306 образует также направляющую, внутри которой может двигаться затвор клапана (не изображен), пересекая плоскость каждой из пластин и, в зависимости от своего положения, открывая индивидуальные входы 362 для осуществления управления поступлением текучей среды в узел 300 затвора.

В отличие от описанного примера распылителя, данный пример узла 300 затвора образован парами кольцевых пластин, которые задают каналы для текучей среды. Одна пара пластин состоит, например, из пластины 310 с полостями и пластины 320 с каналами. Перспективное изображение четырех кольцевых пластин с пространственным разделением представлено на фиг.4. Каждая пара кольцевых пластин формирует согласованные в радиальном направлении первую, вторую, третью и четвертую ступени снижения давления. Каждая ступень снижения давления включает одно или более отверстий, за которым (за которыми) следует один или более каналов, как это будет описано далее. Аналогично примеру распылителя, в каждой ступени имеются каналы, которые выходят в отверстия соответствующей последующей ступени. Ступени снижения давления и пути течения в данном примере узла затвора согласованы в радиальном направлении в пределах проточных секторов, распределенных по индивидуальным пластинам, причем четыре ступени снижения давления повторяются по окружности узла затвора с образованием трех проточных секторов с четырьмя ступенями в каждом таком секторе.

В примере узла 300 затвора использована стопа из, по существу, идентичных пар кольцевых пластин 310, 320, ориентированных, как это будет описано далее, так, чтобы получить множество снижающих давление путей течения между входами и выходами устройства. Перспективные изображения на фиг.3 и 4 иллюстрируют узел 300 затвора, использующий две пары кольцевых пластин. Однако специалисту будет понятно, что, не выходя за пределы данного примера, можно, в зависимости от применения, использовать любое количество пар кольцевых пластин при различных значениях высоты стопы и диаметра пластин. Каждая пара кольцевых пластин 310 и 320 может быть разделена на проточные секторы 340, 341, 342, которые соединяют каналы, идущие от входов 362, находящихся в полой центральной части 306, с выходами 397 на наружном периметре 305. Более конкретно, каждый проточный сектор 340, 341, 342 содержит, по меньшей мере, три, а предпочтительно четыре проточные ступени, обеспечивающие снижение давления текучей среды в устройстве. Эти ступени 360, 370, 380 и 390 могут быть сформированы, по меньшей мере, с охватом пары кольцевых пластин 310 и 320, а предпочтительно трех смежных пластин 310, 320 и 330 с целью получения радиальных, поперечных и осевых потоков внутри устройства, как это было описано выше.

Как показано на фиг.3 и 4, каждая ступень 360, 370, 380, 390 снижения давления имеет одно или более отверстий, за которыми следует (следуют) один или более каналов. Первая ступень 360 снижения давления сформирована на базе первого ограничения для текучей среды, создаваемого узким входом 362, связанным с относительно широким выходом 367 промежуточным каналом 366. Вторая ступень 370 снижения давления (показанная на фиг.4) сформирована на базе группы вторых ограничений для текучей среды, каждое из которых создается узким входом 372, связанным с относительно широким выходом 377 промежуточным каналом 376. Третья ступень 380 снижения давления сформирована на базе группы третьих ограничений для текучей среды, каждое из которых создается входом 382, связанным с выходом 387 промежуточным каналом 386. Четвертая ступень 390 снижения давления сформирована на базе ограничения для текучей среды, создаваемого входом 392, связанным с выходом 397 промежуточным каналом 396.

Как показано стрелками на фиг.3, снижающие давление пути течения ведут от полой центральной части 306 к наружному периметру 305 сборки в виде стопы пластин, причем пластины предпочтительно взаимно развернуты так, как это показано на фиг.3, 4. Чтобы облегчить согласование каналов, кольцевые пластины 310 и 320 снабжены рисками 345 разметки. Специалисту в данной области будет понятно, что предпочтительная ориентация каждой пластины 320 (имеющей форму диска) в стопе, т.е. ее угловое положение относительно смежных пластин, показанное на фиг.3, может быть обеспечена взаимным разворотом смежных пластин на 180° вокруг продольной оси (оси z) или переворотом одной из смежных пластин вокруг соответствующей горизонтальной оси. Полости пластин, по существу, идентичны, и их правильная взаимная ориентация в собранной стопе может быть обеспечена совмещением рисок разметки. Применительно к проиллюстрированной ориентации выход 367 первой ступени совмещен с первой полостью 375, по меньшей мере, в одной смежной пластине 320, а также предпочтительно с полостью в другой смежной пластине 335. В результате поток текучей среды, выходящий из первой ступени 360, поступает, по меньшей мере, в первую полость 375, сформированную в смежной пластине 320. Как было объяснено ранее, сжатие-расширение текучей среды при прохождении через ограничения типа сопел вызывает желательное падение давления в текучей среде. Текучая среда с пониженным давлением собирается в первой полости 375 и переносится из нее под давлением к наружным ступеням. Путь течения проходит, по меньшей мере, через две последовательные пластины сборки в виде стопы пластин и включает радиальные, поперечные и осевые компоненты, так что течение потока в целом при его рассмотрении в сечении сборки в виде стопы пластин может быть охарактеризовано как "радиальное расходящееся".

Текучая среда, проходящая через первую полость 375, поступает в относительно узкие входы 372 второй ступени на смежной второй пластине 320. Ограничивающие течение входы второй ступени ускоряют текучую среду в направлении широких выходов 377 второй ступени, вызывая второе падение давления. Текучая среда после прохождения второй ступени 370 собирается во второй полости 385, сформированной, по меньшей мере, в первой пластине 310 с полостями и предпочтительно во второй пластине 330 с полостями. Здесь происходит смешивание компонентов текучей среды в радиальном и поперечном направлениях. Текучая среда далее перемещается из выходов 377 второй ступени во входы 382 третьей ступени в смежной пластине 320 с каналами.

Выходы 387 третьей ступени пространственно согласованы с входами 392 четвертой ступени на второй пластине 320, чтобы выводить текучую среду через относительно широкие выходы 397 четвертой ступени, выполненные на наружном периметре 305 стопы пластин. Как показано на фиг.4, каждый выход 397 может быть разбит на группу выходов, разделенных элементами 398 жесткости, не препятствующими формированию обратного давления. Например, в любом из вариантов устройства по изобретению может оказаться желательным предусмотреть элементы жесткости в выходной зоне, чтобы, по существу, исключить вызываемые вибрацией резонансные явления на выходе без существенного уменьшения площади сечения потока на выходе. Применительно к узлу затвора кольцевые пластины могут быть скреплены одна с другой посредством сварочных швов по периметру сборки в виде стопы пластин или посредством припаивания пластин одна к другой. При этом элементы жесткости для пластин с каналами могут быть припаяны к смежным пластинам с полостями, чтобы уменьшить размеры выходных зон, подвергающихся воздействию высокоскоростных потоков, которые могут создавать в устройстве вибрации и шум.

Снижающие давление пути течения, которые проходят от полой центральной части 306 к наружному периметру 305 сборки в виде стопы пластин, образованы выполнением кольцевых пластин, собранных в стопу, и их взаимным разворотом, как это показано на фиг.3, 4. При этом специалисту будет понятно, что, аналогично описанному примеру распылителя, входы 362 первой ступени могут быть асимметрично расположены по поверхности полой центральной части. Учитывается, что асимметричное расположение входов 362 первой ступени 360 позволяет получить максимальное количество таких входов при предотвращении их согласования в осевом направлении. Тем самым может быть ослаблено формирование осевых потоков внутри стопы пластин и, соответственно, возникновение недопустимого уровня шума. Следует также отметить, что выходы в пластинах с каналами взаимно рассогласованы в осевом направлении. Для обеспечения такого рассогласования указанных выходов 397 вдоль продольной оси z пластины с каналами могут быть развернуты относительно смежных пластин. Взаимодействие струй у выходов может приводить к недопустимым уровням шума, так что такое рассогласование выходов может существенно понизить шум, производимый устройством для снижения давления текучей среды. Кроме того, предпочтительное расположение выходов 397 минимизирует расстояния между элементами 398 жесткости, что позволяет повысить резонансную частоту выходов с целью дальнейшего уменьшения шума, воспринимаемого на слух.

В заключение следует отметить, что, аналогично примеру распылителя, ограничения третьей ступени в примере узла 300 затвора, в отличие от первой и второй ступеней, не используют сходящуюся-расходящуюся геометрию (подобную используемой в соплах). Как это было объяснено ранее, третья и четвертая ступени обеспечивают создание давления, обратного по отношению к предыдущим ступеням при относительно малом падении давления. Это существенно улучшает ослабление аэродинамического шума в приложениях с высоким перепадом давления благодаря эффективному предотвращению звукового течения у выходов. Таким образом, в обоих примерах устройства для снижения давления текучей среды суммарный шум, генерируемый устройством, может быть существенно понижен обеспечением определенного падения давления на выходных ступенях, задаваемого отношением площадей на входе и выходе для соответствующей ступени.

Специалисту должно быть известно, что существует множество методов определения или выбора перепадов давления и геометрии описанных каналов, обеспечивающих дозвуковое течение на выходных ступенях в примерах устройства для снижения давления текучей среды без выхода за пределы этих примеров. Далее будет подробно описан один из таких методов. В частности, с учетом того, что для сжимаемых текучих сред, таких как пар, коэффициент падения давления более 0,5 может привести к звуковому течению, четырехступенчатое устройство, например распылитель 100 или узел 300 затвора, может быть сконструировано таким образом, чтобы уменьшить шум, генерируемый в приложениях с большим перепадом давления. Более конкретно, четырехступенчатое устройство для снижения давления текучей среды может обеспечивать дозвуковое течение на своих выходах при выборе коэффициентов падения давления на третьей и четвертой ступенях примерно равными 0,4.

Хорошо известно, что коэффициент падения давления полезен для предсказания скорости текучих сред в каналах (например, в устройстве для снижения давления или в канале для текучей среды в данном устройстве), причем этот коэффициент может быть найден из уравнения 1.

Как следует из уравнения 1, коэффициент падения давления (х) равен отношению перепада давления (P _inlet-P_outlet) на соответствующем компоненте к давлению на входе (P_inlet). Например, когда давление на входе (P_inlet) примерно равно 2,7 МПа при давлении на выходе (P_outlet), составляющем около 100 кПа, коэффициент х падения давления примерно равен 0,963. Как было описано выше, приложение с такими параметрами рассматривалось бы как приложение с высоким перепадом давления, так что для получения допустимого уровня шума оно потребовало бы использования устройств для снижения давления текучей среды с характеристиками, более высокими, чем у известных устройств аналогичного назначения. Чтобы задать параметры падения давления для многоступенчатого устройства, подобного устройству по изобретению, следует принять во внимание, что для промежуточных ступеней давление на выходе предшествующей ступени, по существу, равно давлению на входе следующей ступени в составе того же сектора. Данное соотношение может быть использовано при расчете перепадов давления на соответствующих ступенях, на основании которых будут заданы геометрические характеристики (например, отношения площадей на входе и выходе), необходимые для определения конструктивных параметров устройства.

Специалисту будет понятно, что определение давлений на входе и выходе конкретной ступени создаст базу для определения ее геометрии, обеспечивающей желательное снижение давления и, следовательно, желательный перепад давления. Например, если принять, что поток через все ступени является неизменным (т.е., по существу, одинаковым), при расчете отношений площадей на входе и выходе для индивидуальной ступени применительно к задросселированному и незадросселированному течениям можно использовать известные размерные уравнения для сжимаемых текучих сред, приведенные в совместной публикации ANSI/ISA-75.01.01-2002 Американского института стандартов и Американского общества приборостроителей. Решая уравнение для массового расхода и принимая, что поток через каждую ступень остается, по существу, неизменным (т.е. постоянным для всех ступеней устройства), можно рассчитать отношения площадей на входе и выходе для каждой ступени.

Таким образом, зная давления на входе и на выходе (P_inlet, P _outlet) для устройства в целом и желательный коэффициент падения давления для завершающих (третьей и четвертой) ступеней (х₃=0,4; x₄=0,4) применительно к конкретному приложению, специалист в данной области может рассчитать остальные необходимые соотношения (например, коэффициенты падения давления и отношения площадей на входе и выходе для всех ступеней).

Как следует из приводимого далее уравнения 2, давление на входе четвертой ступени (P_4inlet) может быть определено из известного давления на выходе этой ступени (например, P _4outlet=100 кПа) и заданного коэффициента падения давления (например, x₄=0,4). Так, при указанных условиях давление на входе четвертой ступени можно определить делением 100 кПа на 0,6, что приближенно соответствует 170 кПа. Как уже отмечалось, для промежуточных ступеней давление на выходе предыдущей ступени, по существу, равно давлению на входе следующей ступени (что соответствует уравнению 3).

.

.

При расчете давления на входе третьей ступени (P_3inlet) давление на входе четвертой ступени (P _4inlet), рассчитанное по уравнению 2, может быть подставлено в уравнение 4 в качестве давления на выходе третьей ступени (P _3outlet). Таким образом, если желательный коэффициент х ₃ падения давления на третьей ступени равен 0,4, давление на входе этой ступени (P_3inlet) можно определить делением 170-180 кПа на 0,6, что приблизительно даст 290 кПа. Рассчитав параметры для четвертой и третьей ступеней, можно определить оставшиеся параметры для второй и первой ступеней. Коэффициенты падения давления для второй и первой ступеней задаются уравнениями 5 и 6.

Специалисту будет также понятно, что может оказаться предпочтительным создать значительное падение давления на внутренних ступенях устройства для снижения давления, чтобы обеспечить существенное снижение энергии текучей среды и тем самым понизить шум, генерируемый наружными ступенями устройства. Более конкретно, внутренние ступени могут создавать такие перепады давления (на одной или на обеих ступенях), которые приводят к звуковым скоростям текучей среды, поскольку, как это было пояснено ранее, вследствие плохой акустической связи между внутренними ступенями и выходным периметром шум, генерируемый этими ступенями, не оказывает неблагоприятного влияния на ослабление уровня шума устройством в целом.

Специалисту должно быть ясно, что коэффициенты падения давления для первой и второй ступеней могут (но необязательно должны) быть равными, как это принято в уравнении 7:

.

В рассматриваемом примере указанные коэффициенты х₂ и x₁ выбраны равными только с целью упрощения расчета давлений на входе и выходе данных ступеней. Уже упоминалось (и это отражено в уравнении 8), что давление на входе второй ступени (P_2inlet), по существу, равно давлению на выходе первой ступени (P_1outlet).

.

Следовательно, как это следует из уравнения 9, давление на выходе первой ступени (P_1outlet ) может быть определено подстановкой уравнения 8 в уравнение 7 и решением этого уравнения относительно указанного давления (P_1outlet). В рассматриваемом примере давление на входе первой ступени (P_1inlet) было принято равным 2,7 МПа, а давление на выходе второй ступени (P_2outlet ) было определено из уравнения 4 (поскольку P_2outlet =P_3inlet). После выполнения соответствующих подстановок значение давления на выходе первой ступени (P_1outlet ) определяется как составляющее около 1,1 МПа, при этом из уравнений 5 и 6 можно определить, что коэффициенты падения давления для второй и первой ступеней могут составлять примерно 0,681. Отсюда специалист в данной области может заключить, что применительно к сжимаемым текучим средам перепады давления на второй и первой ступенях могут приводить к звуковому течению на этих ступенях.

После того как давления на входе и выходе каждой ступени определены, для определения отношений площадей входа и выхода, характеризующих конфигурацию четырех ступеней рассматриваемого устройства, обеспечивающую дозвуковое течение на выходной ступени, можно использовать стандартные уравнения, приведенные в публикации ANSI/ISA-75.01.01-2002, Flow Equations for Sizing Control Valves, Third Printing March 2, 2004, например аналогичные приведенным ниже как уравнения 10 и 11.

Более конкретно, решив соответствующее уравнение для массового расхода (w) и приняв значения этого расхода для каждой ступени, по существу, равными, специалист может рассчитать площади (А) поперечного сечения для входов и выходов, обеспечивающих получение желательного массового расхода. Таким образом, при известности входных и выходных условий можно, обеспечивая определенные отношения указанных площадей для конфигураций каналов на каждой ступени, контролировать расход текучей среды на каждой ступени, соотнесенный с заданным перепадом давления, с обеспечением дозвукового течения на выходной ступени.

В качестве примера, если коэффициенты падения давления составляют примерно 0,4 для четвертой и третьей ступеней и примерно 0,68 для второй и первой ступеней, отношения площадей входа и выхода могут составлять 15,89, 9,52 и 3,13 соответственно для отношений четвертой ступени к третьей, третьей ступени ко второй и второй ступени к первой. При обеспечении указанных отношений в примере устройства по изобретению на ступенях 4 и 3 будет создаваться обратное давление, способствующее формированию дозвукового течения на завершающей выходной ступени. Таким образом, в устройствах, в которых перепад давления создает звуковое течение на выходах, использование определенных отношений площадей на входе и выходе, как это было показано на примерах распылителя и узла затвора, контролируемым образом уменьшает давление для существенного ослабления аэродинамического шума, обычно ассоциированного с подобными приложениями.

Подводя итоги сказанному, предложенная сборка в виде стопы пластин может быть охарактеризована следующим образом.

1. Сборка образует множество снижающих давление путей течения со входами, расположенными в полой центральной части, и с выходами на наружном периметре, причем входы и выходы согласованы в радиальном направлении в пределах индивидуальных проточных секторов.

2. Снижающие давление пути течения образуются более чем двумя ступенями снижения давления, соединенными последовательно. Каждая ступень снижения давления связана с другой ступенью снижения давления, выполненной, по меньшей мере, в одной смежной кольцевой пластине. Ступени снижения давления могут чередоваться на двух пластинах или могут находиться на последовательно расположенных пластинах. Каждая ступень, кроме последней, обеспечивает выход потока в радиальном направлении через отверстия в полости, за которыми образуется осевой поток, поступающий в следующую ступень в смежной пластине (последняя ступень обеспечивает только радиальный поток, выходящий через отверстие на наружный периметр сборки в виде стопы пластин).

3. Каждая ступень имеет одно или более отверстий. Каждое отверстие внутренней (в частности, первой или второй) ступени выполнено с закругленными кромками или плавно сужающимся на входе и с острыми краями на выходе. Каждая из этих ступеней выводит поток в полость, имеющую относительно большой размер по длине окружности и относительно малый размер в радиальном направлении. В наружных ступенях каналы (ограничения) имеют, по существу, прямоугольный профиль поперечного сечения, а их размеры выбраны из условия создания обратного давления для осуществления контроля скоростей текучей среды и поддержания дозвукового течения.

В то время как выше были рассмотрены варианты изобретения, которые на момент составления данного описания представлялись предпочтительными, специалистам будет очевидно, что, не выходя за пределы изобретения, определяемые прилагаемой формулой, в изобретение могут быть внесены различные изменения и модификации. Например, применительно к относительно небольшим управляющим клапанам четвертую ступень узла затвора можно не использовать. Наоборот, в относительно крупных распылителях, без выхода за пределы изобретения, можно применить дополнительную ступень, служащую в качестве внутренней или наружной ступени.

Хотя в описании были рассмотрены определенное устройство, а также некоторые методы и изделия, описанные примеры не вносят каких-либо ограничений в объем изобретения. Напротив, изобретение включает любые технические решения, охватываемые прилагаемыми пунктами формулы либо буквально, либо с учетом эквивалентов.