МОДАЛЬНЫЙ АТТЕНЮАТОР СНИЖЕНИЯ ШУМА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ (ВАРИАНТЫ) И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
MODAL ATTENUATOR OF NOISE REDUCTION IN PROCESS SYSTEM (VERSIONS) AND RELEVANT METHOD

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение в целом относится к устройствам для подавления шума в управляющих клапанах и регулирующих устройствах и, более конкретно, к встроенному модальному аттенюатору для управляющего клапана или регулирующего устройства.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Гидравлические клапаны регулируют поток жидкости из одного места в другое. Когда гидравлический клапан находится в закрытом положении, он предотвращает переток жидкости со стороны, где она находится под высоким давлением, на другую сторону клапана, где она находится под низким давлением. Разница давлений между входом и выходом управляющего клапана, в сочетании с бурным состоянием потока при прохождении через управляющий клапан, порождают турбулентность в потоке жидкости за управляющим клапаном, которая вызывает нежелательные и потенциально опасные шумы.
[0003] Для снижения шумов в некоторых регулирующих устройствах пытались использовать многопортовые клетки или тримы, чтобы уменьшить перепад давления через клетку и сгладить выходящий поток. Тем не менее, эти шумоподавители клеточного типа снижают также и скорости потока жидкости через клетку, что может приводить к снижению эффективности регулирующего устройства.
[0004] Другие типы устройств для подавления шумов включают расположенные на пути потока материалы, которые поглощают звуковые волны и конвертируют их в тепловую энергию. Тем не менее, такие материалы, поглощающие звук, имеют ограниченные эффективные частоты, кроме того, они уменьшают поток жидкости через материал.
[0005] Недавно были сделаны некоторые попытки уменьшить шум при помощи аттенюаторных устройств, расположенных за регулирующим устройством ниже по направлению потока. В частности, устройство для подавления модальных совпадений описано в "The Modal Coincidence Suppression Device (MCSD) For The Reduction Of Noise From Control Valves", авт. Ali E. Broukhiyan, в дальнейшем ("MCSD"), содержание которой в данный документ включено посредством ссылки. Тем не менее, устройство модального подавления, описанное в MCSD, было очень тяжелым, и его трудно было собирать.
[0006] Другое устройство снижения шума для потока газов известно из патентного документа GB 471431 А. Устройство снижения шума содержит кожух с входом и выходом, обложенный звукопоглощающим материалом, внутренний канал для протекания газа, сформированный одним или более спиральными элементами, витки которых разнесены друг от друга.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, приведенным в качестве примера, модальный аттенюатор может включать корпус аттенюатора, имеющий входной сегмент и выходной сегмент, связанные соединительным сегментом, перфорированный экран, расположенный внутри корпуса аттенюатора и отстоящий от него, чтобы формировать кольцевое пространство, и множество колец, расположенных между перфорированным экраном и корпусом аттенюатора. Когда жидкость протекает через модальный аттенюатор, звуковые волны проходят через перфорированный экран и отражаются обратно множеством колец, разрушая другие звуковые волны, и тем самым уменьшая шум жидкости в модальном аттенюаторе.
[0008] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, приведенным в качестве примера, способ уменьшения шума от жидкости, протекающей через трубу, может включать компоновку множества кольцевых зазоров внутри корпуса аттенюатора, окружающих перфорированный экран внутри корпуса аттенюатора таким образом, чтобы расстояние между перфорированным экраном и внутренней поверхностью колец во множестве колец формировало кольцевое пространство, и компоновку противоположных колец во множестве колец на расстоянии, соответствующем нарушению конкретной частоты звуковой волны.
[0009] В дальнейшем соответствии с одним или более вышеизложенных аспектов модальный аттенюатор (или способ уменьшения шума от жидкости, текущей через трубу) может дополнительно включать любую одну или более из следующих предпочтительных форм.
[0010] В некоторых предпочтительных формах модальный аттенюатор может дополнительно включать множество перегородок, расположенных на внутренней поверхности корпуса аттенюатора, которые установлены перпендикулярно к направлению течения жидкости через корпус аттенюатора, и эти перегородки формируют множество полостей между поверхностью экрана и корпусом аттенюатора. В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь самое меньшее две полости во множестве полостей, которые различаются по объему. В других вариантах реализации изобретения модальный аттенюатор может иметь полости, которые увеличиваются в объеме от входа к соединительному сегменту. В других предпочтительных вариантах реализации изобретения модальный аттенюатор может иметь полости, которые уменьшаются в объеме от соединительного сегмента в направлении выхода. В других предпочтительных вариантах реализации изобретения модальный аттенюатор может иметь множество полостей, которые приближаются к кривой, проведенной в поперечном сечении.
[0011] В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь конический входной сегмент. В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь конический выходной сегмент. В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь первый выступ на первом торце и второй выступ на втором торце.
[0012] В других предпочтительных формах перфорированный экран может иметь множество отверстий. В других предпочтительных формах по меньшей мере одно отверстие из множества отверстий может быть круглой формы.
[0013] В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может включать пружину, расположенную между одним кольцом из множества колец и входной частью корпуса аттенюатора.
[0014] В других предпочтительных формах перфорированный экран может иметь внутренний диаметр, который равен внутреннему диаметру корпуса аттенюатора.
[0015] В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь перфорированную пластину, расположенную внутри корпуса аттенюатора, и эта перфорированная пластина проходит перпендикулярно к направлению течения жидкости через корпус аттенюатора. В других предпочтительных формах модальный аттенюатор может иметь расстояние между противоположными кольцами, которое соответствует нарушению звуковой волны конкретной частоты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0016] ФИГ. 1 иллюстрирует вид в перспективе на сечение модального аттенюатора;
[0017] ФИГ. 2 иллюстрирует вид сбоку на сечение модального аттенюатора, показанного на ФИГ. 1;
[0018] ФИГ. 3 иллюстрирует график данных для сравнения снижения шума между прямой трубой и одним из вариантов реализации изобретения модального аттенюатора.;
[0019] ФИГ. 4 иллюстрирует вид сбоку на сечение модального аттенюатора в альтернативном варианте реализации изобретения; и
[0020] ФИГ. 5 иллюстрирует вид сбоку на сечение модального аттенюатора в другом варианте реализации изобретения;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Модальные аттенюаторы, описанные в данном документе, преимущественно обеспечивают снижение шума ниже по направлению потока, чем установленные регулирующие устройства или контрольные клапаны, очень слабо ограничивая поток. Следовательно, раскрытые модальные аттенюаторы высокоэффективны в снижении шума. Раскрытые модальные аттенюаторы могут быть значительно меньше и/или легче известных устройств для снижения шума. Следовательно, раскрытые модальные аттенюаторы можно применять в регулирующих устройствах или контрольных клапанах, имеющих меньшие корпуса.
[0022] Кроме того, перфорированная труба в раскрытых модальных аттенюаторах может быть изготовлена по специальным требованиям для конкретных применений путем подгонки параметра передачи перфорированной трубы. Более того, раскрытые модальные аттенюаторы можно комбинировать с более традиционными устройствами для подавления шума, такими как тримы для подавления шума, чтобы достичь более полного подавления шума.
[0023] В общем случае модальные аттенюаторы, описанные в данном документе, уменьшают шум в жидкости, протекающей через трубу или трубопровод, используя интерференцию звуковой волны для разрушения или снижения амплитуды звуковых волн в трубе. Раскрытые модальные аттенюаторы используют серию щелей различных размеров или форм, которые создаются внутренними пластинами в разных компоновках. Общая длина и/или объем щелей может быть оптимизирована под конкретную конфигурацию потока газа или жидкости, чтобы воздействовать на специфические частоты звуковой волны.
[0024] До тех пор, пока не указано иное, любые свойства или характеристики модального аттенюатора в любом из описанных здесь вариантов реализации изобретения могут быть объединены со свойствами или характеристиками модальных аттенюаторов из любых других вариантов реализации изобретения.
[0025] Показанный на ФИГ. 1 модальный аттенюатор 10 по одному из вариантов реализации изобретения, приведенный в качестве примера, имеет полый корпус аттенюатора 12, первый пристыковочный фланец 14 на первом торце 16 полого корпуса аттенюатора 12 и второй пристыковочный фланец 18 на втором торце 20 полого корпуса аттенюатора 12. Первый пристыковочный фланец 14 и второй пристыковочный фланец 18 присоединяются по одной линии с технологическими трубами и/или по одной линии с регулирующим устройством на одном торце и с технологическим трубопроводом на другом торце. Следовательно, раскрытые модальные аттенюаторы 10 легко поддаются модификации для практически любой технологической системы, поскольку не возникает необходимости заменять или модифицировать регулирующий устройства, и модальный аттенюатор 10 присоединяется как любой другой сегмент трубы.
[0026] Полый корпус аттенюатора 12 может иметь входную часть 22, соединенную с первым пристыковочным фланцем 14, и выходную часть 24, соединенную со вторым пристыковочным фланцем 18. Входная часть 22 и выходная часть 24 могут быть цилиндрической формы с постоянным внутренним диаметром. Конический входной сегмент 26 может быть присоединен к входной части 22, а конический выходной сегмент 28 может быть присоединен к выходной части 24. Входной сегмент 26 может иметь меньший диаметр вблизи входа 22, а конический выходной сегмент 28 может иметь меньший диаметр вблизи выхода 24. Иными словами, входной сегмент может расширяться, а выходной сегмент 28 может сужаться. Входной сегмент 26 может быть соединен с выходным сегментом 28 цилиндрическим соединительным сегментом 30.
[0027] Внутри корпуса аттенюатора 12 может быть помещен полый перфорированный экран 32, причем экран 32 может иметь внутренний диаметр такой же, как внутренний диаметр входа 22 и/или выхода 24. Экран 32 может иметь цилиндрическую рабочую часть 34, имеющую множество отверстий 36. В одном из вариантов реализации изобретения, приведенном в качестве примера, по меньшей мере одно из отверстий 36 может быть круглой формы. В других вариантах реализации изобретения отверстия 36 могут иметь другие формы, такие как, например, квадратную, прямоугольную, треугольную, многоугольную, овальную или неправильную формы. В других вариантах реализации изобретения рабочая часть экрана 34 может быть полностью или частично покрыта звукопоглощающим материалом.
[0028] На внутренней части корпуса аттенюатора 12 может быть расположено множество перегородок 38. Перегородки 38 делят пространство между внутренней поверхностью корпуса аттенюатора 12 и наружной поверхностью рабочей части экрана 34 на множество камер 40. По меньшей мере две из камер 40 имеют разные объемы. В варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 1, объем камер увеличивается во входном сегменте 26 корпуса аттенюатора 12 от входа 22 в направлении соединительного сегмента 30. С другой стороны, объем камер 40 уменьшается в выходном сегменте 28 от соединительной части 30 в направлении выхода 24. Перегородки 38 и камеры 40 скомпонованы таким образом, чтобы отражать звуковые волны в жидкости, которая движется через модальный аттенюатор 10 назад, во внутреннюю часть рабочей части экрана 34, что приводит к нарушению или подавлению звуковых волн при их столкновении с другими звуковыми волнами во внутренней части рабочей части экрана 34. Отверстия 36 дают возможность звуковым волнам проходить туда и обратно между внутренней частью рабочей части экрана 34 и камерами 40. Управление объемом и шириной камер 40, а также расстоянием между противоположными камерами, дает возможность ориентировать систему на разрушение звуковых волн определенных частот. Каждая камера 40 ограничивает кольцевое пространство 46 между рабочей частью экрана 34 и корпусом аттенюатора 12. Каждое кольцевое пространство 46 имеет ширину 47 и высоту 49. Ширина и высота могут изменяться от камеры 40 к камере 40.
[0029] На ФИГ. 2, схематически показано продольное поперечное сечение корпуса аттенюатора 12. На ФИГ. 2, заштрихованные участки 41 иллюстрируют полые части камер 40. Камеры 40 увеличиваются от маленьких объемов около входа 22 и выхода 24 до больших объемов вблизи соединительного сегмента 30. Увеличение и уменьшение объема происходит приблизительно по кривой 51. Кривая 51 может быть описана математической формулой для эллипса.
[0030] Кривую 51 можно подбирать для фокусировки системы на специфические частоты звуковых волн, и, таким образом, ее можно подобрать для любого конкретного применения.
[0031] ФИГ. 3 иллюстрирует графическое сопоставление уровней звука 100 в типичной прямой трубе и уровней звука 101 в модальном аттенюаторе. На вертикальной оси откладываются внутренние уровни звука в дБ, а на горизонтальной оси - центральная частота третьоктавной полосы в Гц. Как было проиллюстрировано, при частотах выше примерно 1000 Гц уровни звука в модальном аттенюаторе значительно снижаются.
[0032] На ФИГ. 4 показан вид продольного поперечного сечения модального аттенюатора 110 по другому варианту реализации изобретения. На ФИГ. 4 х-образными линиями показаны сечения твердых колец 180. В проиллюстрированном на ФИГ. 4 варианте реализации изобретения корпус аттенюатора 112 имеет цилиндрическую форму, а рабочая часть экрана 134 расположена внутри корпуса аттенюатора 112. Множество колец 180 находится между корпусом аттенюатора 112 и рабочей частью экрана 134. По меньшей мере два кольца 180 из множества колец 180 имеют разную толщину кольца. Кольца 180 расположены на расстоянии от рабочей части экрана 134, чтобы создавать кольцевое пространство 182 между кольцами 180 и рабочей частью экрана 134. Как и в описанном выше варианте реализации изобретения, кольцевое пространство 182 может изменяться по кривой, увеличиваясь в размере от одного конца рабочей части экрана 134 (приближенного к входному участку 122) в направлении середины корпуса аттенюатора 112, а затем уменьшаясь в размере от середины корпуса аттенюатора 112 в направлении выхода 124. Кроме того, между первым кольцом 180а и первым торцом 116 корпуса аттенюатора 112 может быть расположена пружина 184.
[0033] Приведенный в качестве примера вариант реализации изобретения модального аттенюатора 210, проиллюстрированный на ФИГ. 5, аналогичен варианту, представленному на ФИГ. 4. На ФИГ. 5 х-образными линиями показаны сечения твердых колец 280. Модальный аттенюатор 210 включает корпус аттенюатора 212 и рабочую часть экрана 234, расположенную внутри корпуса аттенюатора 212 для образования кольцевого пространства 282. Множество колец 280 тоже ограничивает кольцевое пространство 282. Тем не менее, модальный аттенюатор 210 имеет устройство предварительного подавления в виде перфорированной пластины 290. Перфорированная пластина 290 может проходить через внутреннюю часть корпуса аттенюатора 212, перпендикулярно к направлению потока жидкости, которое показано стрелками. В одном из вариантов реализации изобретения перфорированная пластина 290 может иметь множество отверстий 292, которые нарушают звуковые волны в жидкости, протекающей через модальный аттенюатор 210. Перфорированная пластина 290 может воздействовать на частоты шума, отличающиеся от тех, на которые действует остальная часть модального аттенюатора 210. В некоторых вариантах реализации изобретения перфорированная пластина 290 может быть частично или полностью покрыта звукопоглощающим материалом. Кроме того, перфорированная пластина 290 может характеризовать поток жидкости до того, как он достигнет рабочей части экрана 234, так что шумоподавляющие свойства остальной части модального аттенюатора 210 могут быть оптимизированы.
[0034] Первое расстояние 291 можно рассчитать исходя из условий нарушения первой частоты шума, а второе расстояние 293 можно рассчитать исходя из условий нарушения второй частоты шума. За счет проектирования кольцевого пространства 282 применительно к различным расстояниям, которые относятся к различным частотам шума, модальный аттенюатор можно приспосабливать к воздействию на специфические частоты шума, которые присутствуют в конкретной технологической среде.
[0035] Способ снижения шума в жидкости, протекающей через трубу, может включать изготовление и проектирование модального аттенюатора по любому из вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе, и установку модального аттенюатора в технологическую систему. Более конкретно, способ может включать компоновку множества кольцевых зазоров внутри корпуса аттенюатора, окружающих перфорированный экран внутри корпуса аттенюатора таким образом, чтобы расстояние между перфорированным экраном и внутренней поверхностью колец во множестве колец формировало кольцевое пространство, и компоновку противоположных колец во множестве колец на расстоянии, соответствующем нарушению конкретной частоты звуковой волны.
[0036] В других вариантах реализации изобретения модальные аттенюаторы, описанные в данном документе, могут быть приспособлены к конкретным применениям путем изготовления пластин из различных материалов или за счет покрытия/завершающей отделки пластин различными способами или различными материалами для изменения способа, при помощи которого в устройстве происходит отражение звуковых волн. Сочетание пластин и/или покрытий создает одну или более акустических линз, которые направляют звуковые волны по конкретным путям для улучшения их разрушения и/или для воздействия на конкретные частоты.
[0037] Хотя определенные модальные аттенюаторы были описаны в данном документе в соответствии с идеями настоящего описания изобретения, объем прилагаемой формулы изобретения ими не ограничивается. Наоборот, формула изобретения охватывает все варианты реализации идей данного описания изобретения, которые объективно попадают в объем допустимых эквивалентов.