[发明专利]流体减压装置

说明书

本发明涉及一种流体能量耗散装置，特别是涉及对气体流具有较低声学转换效率的流体减压装置以及对液体流具有抗气穴能力因而具有低噪声特性的装置。

                              发明背景

下面将通过分开列标记的段落来描述与本发明有关的几个因素。特别针对本发明的流体减压装置，以下将分别讨论关于(A)空气动力噪声；(B)制造；以及(C)流体动力噪声等方面的问题。

(A)空气动力噪声

在例如油和气体管道系统以及化学加工等工业生产的流体控制中，经常需要对流体减压。通常采用例如流量控制阀和流体调节器之类的可调限流装置以及例如扩散器、消声器和其它背压装置之类的其它固定流体限制装置来实现此目的。流体控制阀和/或特定场合下的其它流体限制装置的目的是控制流速或其它过程变量，但是它的一个限制之处在于，会产生一个作为其流体控制功能之副产品的减压现象。

压力流体含有被储存起来的机械势能。使压力降低就会释放这种能量。该能量本身表现为流体动能，包括流体的整体运动和随机的紊流运动。紊流是流体的不规则运动。然而，在这种随机运动中有一瞬时结构，会形成涡流(涡旋体)，但是迅速地分解成较小的涡流，这些涡流会作进一步地分解。最后，粘性将使最小涡流的运动阻息，将能量转换成热能。

紊流运动伴随发生了作用在管道系统各构件上的相关压力和速度的起伏波动，这将导致振动。振动是不希望有的，因为它可以(如果足够强大)导致压力保持构件的疲劳破坏，或导致对相连装置等产生其它类型的磨损、性能下降或失效。即使当没有物理损坏的情况下，振动还可以产生由空气传播的噪声，会妨碍甚至损害人们的听力。

对噪声控制有三个基本的方法：

1.)限制最初产生的振动幅度。由于须耗散能量的大小是根据场合来设定的，所以这种降噪水平必定来自于使流体能量相对于声能转换的效率下降。

2.)吸收声能。工业装置的一个典型例子是填充玻璃纤维的消声器。

3.)阻挡声音的传送。这样的一个例子是厚壁管。

除了对周围结构的响应或想要使该结构吸收该能量的意愿之外，被转换成振动的总能量中的一部分还取决于流动场和紊流的特性。转换成噪声的机械能的比率被称作声学转换效率。

有几种已知的方法可以使由于流体压力降低而产生的噪声和振动减至最小。在气体领域，经常采用的四种方法是：

1.)通过少量步骤或阶段，而不是在一单个的紊流发生过程中使压力降低。通常，一减压阶段是通过一流体流(flowstream)的收缩/膨胀对、或通过一方向变化来实现的。在这两种情况下，均形成一具有较高速度的流体射流，该射流被一速度较低区域所围绕。最终的紊流混合体可产生噪声。若该阶段两端的压力变化足够高，射流将“阻塞”或达到超音速，在流体流内产生振动。振动可使流体的热动力状态发生突然的变化。例如，压力可以明显地下降。当新的紊流通过一冲激波时，还可产生宽频的振动噪声。

2.)避免高速射流和紊流与固体表面接触。自由流体紊流内的所谓雷诺应力是一噪声源。然而，当紊流与一固体表面接触时，将产生偶极声源。当平均流动速度较低时，偶极源是相当有效的噪声源。

3.)将流体流细分成小股流体。这种对策实际上可以实现多个期望的结果。由于小股流体具有较小的特性尺寸，并且其最初涡流较小，因而会产生高频紊流。在涡流分解过程中，能量向前移动，从而跳过发生振动的可能性。第二，这些较小的涡流的绝大多数能量都在高频范围内，其中能被管道构件可靠吸收(随后作为噪声散发)的比较少。因此，小股流体可提高普通工业管道的效用，阻挡所产生之噪声的传播。第三，人类的耳朵对高频噪声的敏感度较低，因而将使噪声明显降低。第四，比较容易避免小射流撞击固体表面，从而使偶极噪声最小。最后，只要使射流相互之间保持隔离，来自每股射流的噪声就可以与其它噪声保持不相关状态，并使总量最小，这类似于分阶段降噪的作用。由流体携带的碎屑所引起的通道堵塞将对流体流的尺寸建立一个实际低限值。

4.)上述各种方法的组合。用于可压缩流体的分阶段方法的一个问题是，随着压力降低，流体的体积将在下一个阶段中增大。对高压比(入口压力/出口压力)场合而言，所需流动面积的增大是非常重要的。很多已有技术的流体限制装置利用了具有增大流动面积的通道。对可压缩的流体而言，通常采用所述限制器使流体沿径向向外地穿过环形壳壁。这样就可以利用总横截面积天然增大而提供增大的通道面积。