МНОГОКОНУСНОЕ, МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ СОПЛО
MULTI-CONE, MULTI-STAGE SPRAY NOZZLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к распылительным соплам и, в частности, к распылительным соплам для устройств кондиционирования пара, таких как пароохладители и клапаны кондиционирования пара.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Устройства кондиционирования пара (например, пароохладители и клапаны кондиционирования пара) используются во многих промышленных трубопроводах для текучей среды и газа для снижения температуры перегретой технологической текучей среды и газа до необходимой заданной температуры. Например, пароохладители используют в энергетической промышленности для охлаждения перегретого пара. В пароохладителе используют сопла для впрыскивания мелкодисперсной струи распыленной охлаждающей воды или другой текучей среды, которую можно назвать облаком распыленной воды, в паропровод, через который проходит технологический пар. Испарение капель воды в облаке распыленной воды снижает температуру технологического пара. Результирующее падение температуры может быть регулируемым за счет регулирования характеристик облака распыленной воды путем регулирования одной или более регулируемых величин, таких как скорость потока, давление и/или температура охлаждающей воды, подаваемой через сопла. Но возможность регулирования этих регулируемых величин может быть ограничена, будучи обусловленной механикой самих сопел. Например, сопло, оборудованное для условий высокой скорости потока и/или высокого давления, может не функционировать должным образом в условиях низкой скорости потока и/или низкого давления. Таким образом, при разработке устройства для кондиционирования пара для любого конкретного применения должен учитываться рабочий диапазон для любого данного набора сопел.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В одном варианте настоящего изобретения представлено распылительное сопло, включающее корпус сопла, наружный шток клапана, внутренний шток клапана, наружное смещающее устройство и внутреннее смещающее устройство. Корпус сопла имеет ближний конец, дальний конец, первое сквозное отверстие, проходящее между ближним и дальним концами корпуса сопла, и наружное седло клапана, расположенное на дальнем конце корпуса сопла. Наружный шток клапана расположен с возможностью скольжения относительно первого сквозного отверстия корпуса сопла и содержит ближний конец, дальний конец и наружную головку клапана. Наружная головка клапана содержит внутреннее седло клапана на дальнем конце наружного штока клапана, и по меньшей мере через дальнюю часть наружного штока клапана проходит второе сквозное отверстие. Наружная головка клапана выполнена с возможностью взаимодействия с наружным седлом клапана в корпусе сопла, когда наружный шток клапана находится в закрытом положении, и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от наружного седла клапана в корпусе сопла, когда наружный шток клапана находится в открытом положении. Внутренний шток клапана расположен с возможностью скольжения относительно второго сквозного отверстия наружного штока клапана и содержит ближний конец, дальний конец и внутреннюю головку клапана, расположенную на дальнем конце внутреннего штока клапана. Внутренняя головка клапана выполнена с возможностью взаимодействия с внутренним седлом клапана, когда внутренний шток клапана находится в закрытом положении, и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от внутреннего седла клапана, когда шток клапана находится в открытом положении. Наружное смещающее устройство создает первое усилие, смещающее наружную головку клапана наружного штока клапана в направлении наружного седла клапана корпуса сопла. Внутреннее смещающее устройство создает второе усилие, смещающее внутреннюю головку клапана внутреннего штока клапана в направлении внутреннего седла клапана наружного корпуса сопла. При такой конфигурации внутренний шток клапана занимает открытое положение, а наружный шток клапана занимает закрытое положение при приложении первого давления к дальним концам внутреннего и наружного штоков клапана, а внутренний и наружный штоки клапана занимают открытые положения при приложении второго давления, которое больше, чем первое давление, к дальним концам внутреннего и наружного штоков клапана.
[0004] В другом варианте настоящего изобретения предложено устройство для кондиционирования пара, содержащее паропровод и множество распылительных сопел, соединенных с коллектором и установленных вокруг паропровода. Множество распылительных сопел выполнено с возможностью подачи потока охлаждающей воды в паропровод, причем каждое распылительное сопло содержит распылительное сопло, как описано выше и далее в настоящем описании.
[0005] В некоторых вариантах первое усилие, создаваемое наружным смещающим устройством, больше, чем второе усилие, создаваемое внутренним смещающим устройством.
[0006] В некоторых вариантах корпус сопла содержит цилиндрическую стенку, образующую первое сквозное отверстие.
[0007] В некоторых вариантах наружное смещающее устройство расположено на ближнем конце наружного штока клапана, а внутреннее смещающее устройство расположено на ближнем конце внутреннего штока клапана.
[0008] В некоторых вариантах наружное смещающее устройство содержит первую гайку, прикрепленную к ближнему концу наружного штока клапана, и первую пружину, смещающуюся относительно первой гайки, а внутреннее смещающее устройство содержит вторую гайку, прикрепленную к ближнему концу внутреннего штока клапана, и вторую пружину, смещающуюся относительно второй гайки.
[0009] В некоторых вариантах первая пружина расположена вокруг ближнего конца наружного штока клапана, а вторая пружина расположена на ближнем конце внутреннего штока клапана.
[0010] В некоторых вариантах ближний конец корпуса сопла образует поверхность заплечиков, и, когда наружный шток клапана находится в закрытом положении, первая гайка находится на расстоянии от поверхности заплечиков, а когда наружный шток клапана находится в открытом положении, первая гайка находится в контакте с поверхностью заплечиков.
[0011] В некоторых вариантах, когда внутренний шток клапана находится в закрытом положении, вторая гайка расположена на расстоянии от первой гайки, а когда внутренний шток клапана находится в открытом положении, вторая гайка находится в контакте с первой гайкой.
[0012] В некоторых вариантах корпус сопла, наружный шток клапана и внутренний шток клапана расположены соосно.
[0013] В некоторых вариантах внутренний и наружный штоки клапана перемещаются в общем первом направлении из закрытых положений в открытые положения.
[0014] В некоторых вариантах распылительное сопло дополнительно содержит кожух сопла, прикрепленный к корпусу сопла и охватывающий ближний конец по меньшей мере одного из (а) внутреннего штока клапана и внутреннего смещающего устройства, и (b) наружного штока клапана и наружного смещающего устройства.
[0015] В некоторых вариантах распылительное сопло дополнительно содержит соединитель сопла, имеющий ближний конец, дальний конец и третье сквозное отверстие, проходящее между ближним и дальним концами соединителя сопла, причем соединитель сопла закреплен во втором сквозном отверстии наружного штока клапана, в третье сквозное отверстие с возможностью скольжения входит внутренний шток клапана, и третье сквозное отверстие образует внутреннее седло клапана на дальнем конце соединителя сопла.
[0016] В некоторых вариантах вторая гайка соединена с ближним концом соединителя сопла, а вторая пружина расположена между второй гайкой и соединителем сопла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] На фиг. 1 приведен вид в перспективе паропровода, содержащего множество распылительных сопел, выполненных в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0018] На фиг. 2 представлен поперечный разрез одного варианта распылительного сопла, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения, причем сопло показано на ступени полного закрывания.
[0019] На фиг. 3 приведен поперечный разрез распылительного сопла по фиг. 2, где сопло показано на первой ступени открытия.
[0020] На фиг. 4 приведен поперечный разрез распылительного сопла по фиг. 2 и 3, где сопло показано на второй ступени открытия.
[0021] На фиг. 5 представлен поперечный разрез другого варианта распылительного сопла, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения, причем сопло показано на ступени полного закрывания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0022] Настоящее изобретение относится к распылительному соплу, обычно используемому в системах кондиционирования пара, например, в пароохладителях и клапанах кондиционирования пара, но предполагаются и другие применения. В раскрытых вариантах реализации распылительное сопло содержит две или более рабочих ступеней для приспособления к увеличенному диапазону рабочих давлений и скоростей потока охлаждающей текучей среды через сопло. Две или более ступеней получают путем выполнения двух или более штоков клапанов, чувствительных к различным рабочим давлениям.
[0023] На фиг. 1 изображен паропровод 10, содержащий множество распылительных сопел 100, выполненных в соответствии с настоящим изобретением. Как правило, паропровод 10 может быть использован для снижения температуры перегретого пара, проходящего через него, до необходимой заданной температуры. В качестве примера, паропровод 10, показанный на фиг. 1, может быть частью пароохладителя, такого как, например, пароохладитель Fisher TBX-Т, пароохладитель Fisher DMA/AF, или пароохладитель Fisher DMA/AF-HTC. В других примерах паропровод 10 по фиг. 1 может представлять собой часть клапана для кондиционирования пара, такого как, например, клапан для кондиционирования пара Fisher TBX и CVX. Паропровод 10, как правило, содержит полую цилиндрическую стенку 12, которая в некоторых случаях может содержать термовкладыш 14, образующий путь P потока пара. Кроме того, как показано, паропровод 10 содержит множество распылительных сопел 100, каждое из которых снабжается охлаждающей текучей средой посредством коллектора 18 для распыления воды, имеющего впускное отверстие 16 для текучей среды. В раскрытом варианте паропровод 10 содержит четыре (4) распылительных сопла 100, расположенных на расстоянии приблизительно 90° вокруг цилиндрической стенки 12. Предполагается, что в пределах объема настоящего изобретения находятся другие конфигурации. Как указано, распылительные сопла 100 согласно настоящему изобретению выполнены таким образом, что имеют большой диапазон рабочих давлений и скоростей потока, так что один и тот же паропровод 10 может использоваться во множестве различных вариантов, имеющих различные рабочие требования, без необходимости замены сопла 100.
[0024] Во время работы перегретый пар или газ могут проходить вдоль пути P потока в паропроводе 10 при высоких температурах, находящихся, например, в диапазоне приблизительно от 1000 °F до 1200 °F. В зависимости от температуры, состава и скорости потока рабочей текучей среды, количество охлаждающей текучей среды, необходимое для снижения температуры до заданного значения, могут изменяться. По существу, количество и давление охлаждающей текучей среды, проходящей через распылительные сопла 100, может изменяться для различных вариантов применения и сред. Например, в определенных обстоятельствах может существовать необходимость в высоком давлении и высоких скоростях потока охлаждающей текучей среды, проходящей через распылительные сопла 100, тогда как в других обстоятельствах необходимы низкое давление и низкие скорости потока. Настоящее изобретение преимущественно обеспечивает одно распылительное сопло, которое может работать в обеих ситуациях, обслуживая большой диапазон рабочих условий, а также обеспечивает компактное устройство с оптимальным сроком службы. Типичные давления пара находятся в диапазоне от очень низких давлений, примерно до 5 фунтов на квадратный дюйм (34,47 кПа) (вакуум), возможно, до 2500 фунтов на квадратный дюйм (17 237 кПа) или более. Тогда давление охлаждающей текучей среды обычно на 50-500 фунтов/кв. дюйм (344,7-3447 кПа) больше, чем давление пара. Расход пара и воды может изменяться в еще более широких пределах, в зависимости от размера и давления трубопровода, а также от того, насколько устранение перегрева желательно при конкретном применении для перегрева.
[0025] На фиг. 2 изображен поперечный разрез одного из вариантов реализации распылительных сопел 100, установленных на цилиндрической стенке 12 паропровода 10 по фиг. 1. Как показано, сопло 100 содержит корпус 102 сопла, наружный шток 104 клапана, внутренний шток 106 клапана, наружное смещающее устройство 108, внутреннее смещающее устройство 110 и кожух 112 сопла. Кожух 112 сопла показан как установленный в проеме или отверстии в цилиндрической стенке 12 паропровода 10. Такой монтаж может быть выполнен с помощью резьбового соединения, сварного шва, фрикционной посадки, клея или любых других средств.
[0026] Корпус 102 сопла представляет собой полый цилиндрический корпус, содержащий ближний конец 114, дальний конец 116, сквозное отверстие 118 и наружное седло 120 клапана. Сквозное отверстие 118 проходит между ближним и дальним концами 114, 116 и содержит увеличенную проточную полость 117 на дальнем конце 116. Наружное седло 120 клапана расположено на дальнем конце 116 и содержит внутреннюю кольцевую поверхность корпуса 102 сопла, окружающую увеличенную проточную полость 117. В одном варианте наружное седло 120 клапана содержит поверхность в форме усеченного конуса, проходящую под углом α относительно продольной оси A распылительного сопла 100. Корпус 102 сопла дополнительно содержит резьбовой участок 122, расположенный между ближним и дальним концами 114, 116, и выполненный с возможностью резьбового соединения с кожухом 112 сопла. Таким образом, корпус 102 сопла предохранен от осевого смещения относительно кожуха 112 сопла. Ближний конец 114 корпуса 102 сопла расположен внутри кожуха 112 сопла и снаружи паропровода 10. Дальний конец 116 корпуса 102 сопла расположен снаружи кожуха 112 сопла и внутри паропровода 10. В раскрытом варианте реализации резьбовой участок 122 имеет диаметр, который больше диаметра ближнего конца 114 головки 102 сопла и меньше диаметра дальнего конца 116 корпуса 102 сопла. Хотя настоящий вариант распылительного сопла 100 описан как содержащий кожух 112 сопла, в других вариантах кожух 112 сопла можно рассматривать как компонент коллектора 18 для распыления воды или цилиндрической стенки 112 паропровода 10. Например, в некоторых вариантах реализации кожух 112 сопла может быть неотъемлемой частью паропровода 10, так что корпус сопла ввинчивается непосредственно в паропровод 10.
[0027] Как показано на фиг. 2, наружный шток 104 клапана расположен с возможностью скольжения относительно сквозного отверстия 118 корпуса 102 сопла и содержит удлиненный элемент, расположенный вдоль продольной оси А. В данном варианте наружный шток 104 клапана расположен с возможностью скольжения в сквозном отверстии 118. По существу, наружный шток 104 клапана расположен соосно с корпусом 102 сопла. Более конкретно, наружный шток 104 клапана содержит ближний конец 124, дальний конец 126, наружную головку 128 клапана, сквозное отверстие 134 и внутреннее седло 130 клапана, которое удерживается наружной головкой 128 клапана. Сквозное отверстие 134 проходит между ближним и дальними концами 124, 126 и образует увеличенную проточную полость 119 и внутреннее седло 130 клапана на дальнем конце 126. Внутреннее седло 130 клапана содержит внутреннюю кольцевую поверхность, окружающую увеличенную проточную полость 119 сквозного отверстия 134 в наружном штоке 104 клапана. В одном варианте внутреннее седло 130 клапана содержит поверхность в форме усеченного конуса, проходящую под углом β относительно продольной оси A распылительного сопла 100. Наружная головка 128 клапана расположена на дальнем конце 126 наружного штока 104 клапана и содержит увеличенный участок, образующий посадочную поверхность 132 для выборочной посадки на наружное седло 120 клапана корпуса 102 сопла. В некоторых вариантах реализации для обеспечения герметичного гидравлического затвора посадочная поверхность 132 наружной головки 128 клапана наружного штока 104 клапана может быть расположена под тем же углом α, что и наружное седло 120 клапана. Таким образом, посадочная поверхность 132 наружной головки 128 клапана выполнена с возможностью взаимодействия с наружным седлом 120 клапана корпуса 102 сопла, когда наружный шток 104 клапана находится в закрытом положении (например, как показано на фиг. 2 и 3), и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от наружного седла 120 клапана корпуса 102 сопла, когда наружный шток 104 клапана находится в открытом положении (например, как показано на фиг. 4).
[0028] Внутренний шток 106 клапана расположен с возможностью скольжения относительно сквозного отверстия 134 наружного штока 104 клапана и содержит удлиненный элемент, расположенный вдоль продольной оси А. В данном варианте внутренний шток 106 клапана расположен с возможностью скольжения в сквозном отверстии 134. Внутренний шток 106 клапана расположен соосно с корпусом 102 сопла и наружным штоком 104 клапана. Более конкретно, внутренний шток 106 клапана содержит ближний конец 136, дальний конец 138 и внутреннюю головку 140 клапана, расположенную на дальнем конце 138. Внутренняя головка 140 клапана содержит увеличенную часть внутреннего штока 106 клапана, образующую посадочную поверхность 142, которая может представлять собой поверхность в форме усеченного конуса, расположенную под углом β относительно продольной оси А распылительного сопла 100. Следовательно, посадочная поверхность 142, выполнена с возможностью взаимодействия с внутренним седлом 130 клапана наружного штока 104 клапана, когда внутренний шток 106 клапана находится в закрытом положении (например, как показано на фиг.2), и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от посадочной поверхности 142 внутреннего седла 130 клапана наружного штока 104 клапана, когда внутренний шток 106 клапана находится в открытом положении (например, как показано на фиг. 3 и 4).
[0029] Как указано выше, распылительное сопло 100 согласно настоящему изобретению дополнительно содержит наружное и внутреннее смещающие устройства 108, 110. В раскрытом варианте реализации наружное и внутреннее смещающие устройства 108, 110, соответственно, смещают наружный и внутренний штоки 104, 106 клапана в закрытые положения. То есть, наружное смещающее устройство 108 создает первое усилие F1, смещающее посадочную поверхность 132 наружной головки 128 клапана наружного штока 104 клапана к наружному седлу 120 клапана корпуса 102 сопла. Аналогично, внутреннее смещающее устройство 110 создает второе усилие F2, смещающее посадочную поверхность 142 внутренней головки 140 клапана внутреннего штока 106 клапана к внутреннему седлу 130 клапана наружного штока 104 клапана.
[0030] В раскрытом варианте распылительного сопла 100 наружные и внутренние смещающие устройства 108, 110 расположены на ближних концах 124, 136 соответствующих наружного и внутреннего штоков 104, 106 клапана. И, таким образом, наружное и внутреннее смещающие устройства 108, 110 расположены внутри кожуха 112 сопла варианта распылительного сопла 100, изображенного на фиг. 2-4. При такой конфигурации, во время использования наружное и внутреннее смещающие устройства 108, 110 подвергаются воздействию только охлаждающей текучей среды, проходящей через распылительное сопло 100, которая в описанном варианте проходит через кожух 112 сопла и коллектор 18 для распыления воды. Это предпочтительно поддерживает наружное и внутреннее смещающие устройства 108, 110 при температуре, соответствующей охлаждающей жидкости, которая находится в пределах нормального рабочего диапазона для используемых материалов. Это предпочтительно оптимизирует срок эксплуатации смещающих устройств 108, 110, поскольку воздействие высоких температур, таких как температура внутри паропровода 10, может ухудшать целостность компонентов смещающих устройств 108, 110.
[0031] С более конкретной ссылкой на фиг. 2, описанный вариант наружного смещающего устройства 108 содержит первую гайку 144 и первую пружину 146, тогда как внутреннее смещающее устройство 110 содержит вторую гайку 148 и вторую пружину 150. Первая пружина 146 может быть расположена вблизи или вокруг ближнего конца 124 наружного штока 104 клапана, а вторая пружина 150 может быть расположена вблизи или вокруг ближнего конца 136 внутреннего штока 106 клапана.
[0032] Первая гайка 144 представляет собой полый трубчатый элемент, содержащий втулочную часть 154 и часть 152 заплечиков, имеющую резьбу 156, выполненную с возможностью резьбового соединения с ближним концом 124 наружного штока 104 клапана. Кроме того, изображенный вариант наружного смещающего устройства 108 дополнительно содержит стопорный штифт 157, проходящий через первую гайку 144 и соединяющий ее с ближним концом 124 наружного штока 104 клапана. Поэтому стопорный штифт 157 может предотвращать относительное поворачивание первой гайки 144 и наружного штока 104 клапана, которое может изменить осевое положение первой гайки 144. Втулочная часть 154 образует кольцевую выемку 155, в которой находится первая пружина 146, сжатая между ближним концом 114 корпуса 102 сопла и частью 152 заплечиков первой гайки 144. Таким образом, в изображенном варианте сжатая первая пружина 146 прилагает первое усилие F1, опираясь на неподвижный корпус 102 сопла, чтобы отталкивать первую гайку 144 и, таким образом, наружный шток 104 клапана, который прикреплен к первой гайке 144, от корпуса 102 сопла.
[0033] Вторая гайка 148 второго смещающего устройства 110 также представляет собой полый трубчатый элемент, содержащий втулочную часть 158 и часть 160 заплечиков, имеющую резьбу 162, выполненную с возможностью резьбового соединения с ближним концом 136 внутреннего штока 106 клапана. Кроме того, изображенный вариант внутреннего смещающего устройства 110 дополнительно содержит стопорный штифт 159, проходящий через вторую гайку 148 и соединяющий ее с ближним концом 136 внутреннего штока 106 клапана. Поэтому стопорный штифт 159 может предотвращать относительное поворачивание второй гайки 148 и внутреннего штока 106 клапана, которое может изменить осевое положение второй гайки 148. Втулочная часть 158 образует кольцевую выемку 161, в которой находится вторая пружина 150, сжатая между ближним концом 124 наружного штока 104 клапана и частью 160 заплечиков второй гайки 148. Таким образом, в изображенном варианте сжатая вторая пружина 150 прилагает второе усилие F2, опираясь на ближний конец 124 наружного штока 104 клапана, чтобы отталкивать вторую гайку 148 и, следовательно, внутренний шток 106 клапана, который прикреплен ко второй гайке 148, от наружного штока 104 клапана и корпуса 102 сопла.
[0034] В раскрытом варианте реализации первое усилие F1, создаваемое наружным смещающим устройством 108, больше, чем второе усилие F2, создаваемое внутренним смещающим устройством 110. По существу, вторая пружина 150 второго смещающего устройства 110 может отталкивать вторую гайку 148 и внутренний шток 106 клапана от наружного штока 104 клапана и корпуса 102 сопла, не отталкивая посадочную поверхность 132 наружного штока 104 клапана от контакта с наружным седлом 120 клапана корпуса 102 сопла. Кроме того, указанная взаимосвязь относительных усилий между первой и второй пружинами 146, 150 способствует заданной двухступенчатой работе описанного распылительного сопла 100.
[0035] Во время работы распылительное сопло 100, раскрытое в настоящем документе, имеет одно закрытое состояние и два рабочих состояния или ступени. На фиг. 2, описанной выше, изображено закрытое состояние, в котором посадочная поверхность 132 наружного штока 104 клапана взаимодействует с обеспечением герметичности с наружным седлом 120 клапана корпуса 102 сопла посредством первого усилия F1, создаваемого наружным смещающим устройством 108. И на фиг. 2 посадочная поверхность 142 внутреннего штока 106 клапана взаимодействует с обеспечением герметичности с внутренним седлом 130 клапана наружного штока 104 клапана посредством второго усилия F2, создаваемого внутренним смещающим устройством 110. В этой конфигурации охлаждающая текучая среда не может проходить через распылительное сопло 100.
[0036] Однако на первой ступени работы охлаждающая текучая среда с первым давлением и скоростью потока может подаваться к распылительному соплу 100 через кожух 112 сопла и, более конкретно, подаваться к дальним концам 124, 136 наружных и внутренних штоков 104, 106 клапана. В конечном итоге охлаждающая вода подается в увеличенную проточную полость 117 в корпусе 102 сопла через канал 166 для потока в корпусе 102 сопла и в увеличенную проточную полость 119 наружного штока 104 клапана через канал 168 для потока во внутреннем штоке клапана 104. Таким образом, давление текучей среды в проточной полости 117 корпуса 102 сопла прилагается к открытой задней стороне посадочной поверхности 132 наружного штока 104 клапана, а давление в проточной полости 119 прилагается к открытой задней стороне посадочной поверхности 142 внутреннего штока 106 клапана. Эти приложенные давления препятствуют смещениям первой и второй пружин 146, 150.
[0037] В одном варианте реализации первое давление является достаточным для преодоления второго усилия F2 для перемещения внутреннего штока 106 клапана к корпусу 102 сопла, так что посадочная поверхность 142 располагается на расстоянии от внутреннего седла 130 клапана на наружном штоке 104 клапана. В этом положении, как показано на фиг. 3, первый конус распыления S1 испускается из распылительного сопла 100 и, более конкретно, из первого зазора G1, расположенного между посадочной поверхностью 142 внутреннего штока 106 клапана и внутренним седлом 130 клапана. До того как давление текучей среды преодолевает второе усилие F2, вторая гайка 148 внутреннего смещающего устройства 110, прикрепленная к внутреннему штоку 106 клапана, располагается на расстоянии d1 (показано на фиг. 2) от первой гайки 144 наружного смещающего устройства 108. Но когда давление текучей среды преодолевает второе усилие F2, вторая гайка 148 контактирует с первой гайкой 144, как показано на фиг. 3. В этой конфигурации первая гайка 144 действует как ограничитель для ограничения перемещения внутреннего штока 106 клапана и позиционирования внутреннего штока 106 клапана в открытом положении, тогда как наружный шток 104 клапана продолжает сохранять свое закрытое положение, поскольку первое давление недостаточно, чтобы преодолеть первое усилие F1.
[0038] Когда давление подаваемой охлаждающей воды увеличивается, оно также может преодолевать первое усилие F1, так что распылительное сопло 100 работает на второй ступени. На второй ступени второе давление текучей среды, большее, чем первое, перемещает наружный шток 104 клапана в том же направлении, что и внутренний шток 106 клапана, к корпусу 102 сопла, так что посадочная поверхность 132 перемещается так, что отодвигается на второе расстояние d2 (показано на фиг. 2 и 3) от наружного седла 120 клапана на корпусе 102 сопла. В этой конфигурации, как показано на фиг. 4, внутренний и наружный штоки 106, 104 клапана занимают открытые положения. Более конкретно, первая гайка 144, прикрепленная к наружному штоку 104 клапана, перемещается из положения, находящегося на расстоянии от поверхности 164 заплечиков на ближнем конце 122 корпуса 102 сопла, до положения в контакте с поверхностью 164 заплечиков. По существу, поверхность 164 заплечиков ограничивает перемещение первой гайки 144 и наружного штока 104 клапана. Таким образом, на фиг. 4 второй конус распыления S2 сопровождает первый конус распыления S1, испускаемый из распылительного сопла 100, благодаря наличию второго зазора G2 между посадочной поверхностью 132 наружного штока 104 клапана и наружным седлом 120 клапана корпуса 102 сопла.
[0039] На фиг.5 изображен поперечный разрез альтернативного распылительного сопла 200, которое может быть взаимозаменяемым с распылительными соплами 100, описанными выше на фиг. 1-4. Как показано, сопло 200 содержит корпус 202 сопла, наружный шток 204 клапана, внутренний шток 206 клапана, наружное смещающее устройство 208, внутреннее смещающее устройство 210 и кожух 212 сопла. Кроме того, как будет более подробно описано ниже, распылительное сопло 200 содержит соединитель 203 сопла, поддерживающий внутренний шток 206 клапана и внутреннее смещающее устройство 210. Кожух 212 сопла показан как установленный в проеме или отверстии в цилиндрической стенке 12 паропровода 10 способом, идентичным способу для распылительных сопел 100 на фиг. 1. Такой монтаж может быть выполнен с помощью резьбового соединения, сварного шва, фрикционной посадки, клея или любых других средств.
[0040] Как и в случае с соплом 100, описанным выше на фиг. 2-4, корпус 202 сопла на фиг. 5 представляет собой полый в целом цилиндрический корпус, содержащий ближний конец 214, дальний конец 216, сквозное отверстие 218 и наружное седло 220 клапана. Сквозное отверстие 218 проходит между ближний и дальним концами 214, 216 и содержит увеличенную проточную полость 217 на дальнем конце 216. Наружное седло 220 клапана расположено на дальнем конце 216 и содержит внутреннюю кольцевую поверхность корпуса 202 сопла, окружающую увеличенную проточную полость 217. В одном варианте наружное седло 220 клапана содержит поверхность в форме усеченного конуса, по меньшей мере часть которой проходит под углом α относительно продольной оси A распылительного сопла 100. Корпус 202 сопла дополнительно содержит резьбовой участок 222, расположенный между ближним и дальними концами 214, 216, и выполненный с возможностью резьбового соединения с кожухом 212 сопла. Таким образом, корпус 202 сопла предохранен от осевого смещения относительно кожуха 212 сопла. Ближний конец 214 корпуса 202 сопла расположен внутри кожуха 212 сопла и снаружи паропровода 10. Дальний конец 216 корпуса 202 сопла расположен снаружи кожуха 212 сопла и внутри паропровода 10. В раскрытом варианте реализации резьбовой участок 222 имеет диаметр, который больше диаметра ближнего конца 214 головки 202 сопла и меньше диаметра дальнего конца 216 корпуса 202 сопла. Хотя настоящий вариант распылительного сопла 200 описан как содержащий кожух 212 сопла, в других вариантах кожух 212 сопла можно рассматривать как компонент коллектора 18 для распыления воды или цилиндрической стенки 12 паропровода 10. Например, в некоторых вариантах реализации кожух 12 сопла может быть неотъемлемой частью паропровода 10, так что корпус сопла ввинчивается непосредственно в паропровод 10.
[0041] Как показано на фиг. 5, наружный шток 204 клапана расположен с возможностью скольжения относительно сквозного отверстия 218 корпуса 202 сопла и в нем, и содержит удлиненный элемент, расположенный вдоль продольной оси А. По существу, наружный шток 204 клапана расположен соосно с корпусом 202 сопла. Наружный шток 204 клапана содержит ближний конец 224, дальний конец 226, наружную головку 228 клапана и сквозное отверстие 234. В изображенном варианте сквозное отверстие 234 в наружном штоке 204 клапана проходит от дальнего конца 226 к ближнему концу 224, но не полностью сквозь ближний конец 224. Вместо этого сквозное отверстие 234 содержит удерживающую часть 235, примыкающую к дальнему концу 226, и по меньшей мере пару участков 237a, 237b канала на противоположном конце, проходящих радиально под углом к боковой стенке наружного штока 204 клапана. Таким образом, текучая среда, проходящая через распылительное сопло 200, может достигать внутреннего штока 206 клапана, как будет описано ниже. В других вариантах сквозное отверстие 234 в наружном штоке 204 клапана может проходить насквозь через наружный шток 204 клапана от дальнего конца 226 до ближнего конца 224, аналогично конфигурации наружного штока клапана на фиг. 2-4.
[0042] Как показано на фиг. 5, наружная головка 228 клапана расположена на дальнем конце 226 наружного штока 204 клапана и содержит увеличенный участок, образующий посадочную поверхность 232 для выборочной посадки на наружное седло 220 клапана корпуса 202 сопла. В некоторых вариантах реализации для обеспечения герметичного гидравлического затвора посадочная поверхность 232 наружной головки 228 клапана наружного штока 204 клапана может быть расположена под тем же углом α, что и наружное седло 220 клапана. Таким образом, посадочная поверхность 232 наружной головки 228 клапана выполнена с возможностью взаимодействия с наружным седлом 220 клапана корпуса 202 сопла, когда наружный шток 204 клапана находится в закрытом положении (показано на фиг. 5), и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от наружного седла 220 клапана корпуса 202 сопла, когда наружный шток 204 клапана находится в открытом положении (не показано).
[0043] Внутренний шток 206 клапана в варианте распылительного сопла 200, показанном на фиг. 5, отличается от варианта, показанного на фиг. 2-4, тем, что внутренний шток 206 клапана находится внутри соединителя 203 сопла, который, в свою очередь, неподвижно установлен в удерживающей части 235 сквозного отверстия 234 наружного штока 204 клапана. То есть, соединитель 203 сопла представляет собой полый, в целом цилиндрический корпус, аналогичный по геометрии корпусу 202 сопла, содержащий ближний конец 254, дальний конец 256, сквозное отверстие 258 и внутреннее седло 260 клапана. Сквозное отверстие 258 проходит между ближним и дальним концами 254, 256 и содержит увеличенную проточную полость 257 на дальнем конце 256. Внутреннее седло 260 клапана расположено на дальнем конце 256 и содержит внутреннюю кольцевую поверхность соединителя 203 сопла, окружающую увеличенную проточную полость 257. В одном варианте внутреннее седло 260 клапана содержит поверхность в форме усеченного конуса, по меньшей мере часть которой проходит под углом β относительно продольной оси A распылительного сопла 200. Соединитель 203 сопла дополнительно содержит резьбовой участок 262, расположенный между ближним и дальним концами 254, 256 и выполненный с возможностью резьбового крепления внутри удерживающей части 235 сквозного отверстия 234 в наружном штоке 204 клапана. Таким образом, соединитель 203 сопла предохранен от осевого смещения относительно наружного штока 204 клапана. Ближний конец 254 соединителя 203 сопла расположен внутри наружного штока 204 клапана. Дальний конец 256 соединителя 203 сопла расположен снаружи наружного штока 204 клапана и внутри паропровода 10. В раскрытом варианте реализации резьбовой участок 262 имеет диаметр, который больше диаметра ближнего конца 254 соединителя 203 сопла и меньше диаметра дальнего конца 256 соединителя 203 сопла.
[0044] Как показано на фиг. 5, внутренний шток 206 клапана расположен с возможностью скольжения относительно сквозного отверстия 258 соединителя 203 сопла и в нем, и содержит удлиненный элемент, расположенный вдоль продольной оси А. Таким образом, внутренний шток 206 клапана расположен соосно с соединителем 203 сопла, корпусом 202 сопла и наружным штоком 204 клапана. Внутренний шток 206 клапана содержит ближний конец 236, дальний конец 238 и внутреннюю головку 240 клапана, расположенную на дальнем конце 238. Внутренняя головка 240 клапана содержит увеличенную часть внутреннего штока 206 клапана, образующую посадочную поверхность 242, которая может представлять собой поверхность в форме усеченного конуса, расположенную под углом β относительно продольной оси А распылительного сопла 200. Таким образом, посадочная поверхность 242 выполнена с возможностью взаимодействия с внутренним седлом 260 клапана соединителя 203 сопла, когда внутренний шток 206 клапана находится в закрытом положении (например, как показано на фиг. 5), и выполнена с возможностью расположения на расстоянии от внутреннего седла 260 клапана соединителя 203 сопла, когда внутренний шток 206 клапана находится в открытом положении (не показано).
[0045] Как указано выше, распылительное сопло 200 согласно настоящему изобретению дополнительно содержит наружное и внутреннее смещающие устройства 208, 210. В раскрытом варианте реализации наружное и внутреннее смещающие устройства 208, 210, соответственно, смещают наружный и внутренний штоки 204, 206 клапана в закрытые положения. То есть, наружное смещающее устройство 208 создает первое усилие F1, смещающее посадочную поверхность 232 наружной головки 228 клапана наружного штока 204 клапана к наружному седлу 220 клапана корпуса 202 сопла. Аналогично, внутреннее смещающее устройство 210 создает второе усилие F2, смещающее посадочную поверхность 242 внутреннего штока 206 клапана в направлении внутреннего седла 260 клапана соединителя 203 сопла.
[0046] В варианте распылительного сопла 200, показанном на фиг. 5, наружные и внутренние смещающие устройства 208, 210 расположены на ближних концах 224, 236 соответствующих наружного и внутреннего штоков 204, 206 клапана. Наружное смещающее устройство 208 расположено внутри кожуха 212 сопла, а внутреннее смещающее устройство 210 расположено внутри наружной головки 228 клапана наружного штока 204 клапана. Выполненные таким же образом, как и в предыдущем варианте, распылительное сопло 100, раскрытое со ссылкой на фиг. 2-4, во время использования наружного и внутреннего смещающих устройств 208, 210 подвергается воздействию только охлаждающей текучей среды, проходящей через распылительное сопло 200, которая в раскрытом варианте проходит через кожух 212 сопла и коллектор 18 для распыления воды. Это предпочтительно поддерживает наружное и внутреннее смещающие устройства 208, 210 при температуре, соответствующей охлаждающей жидкости, которая находится в пределах нормального рабочего диапазона для используемых материалов. Это предпочтительно оптимизирует срок эксплуатации смещающих устройств 208, 210, поскольку воздействие высоких температур, таких как температура внутри паропровода 10, может ухудшать целостность компонентов смещающих устройств 208, 210.
[0047] Более конкретно, описанный вариант наружного смещающего устройства 208 содержит первую гайку 244 и первую пружину 246, тогда как внутреннее смещающее устройство 210 содержит вторую гайку 248 и вторую пружину 250. Первая пружина 246 может быть расположена вблизи или вокруг ближнего конца 224 наружного штока 204 клапана, а вторая пружина 250 может быть расположена вблизи или вокруг ближнего конца 236 внутреннего штока 206 клапана.
[0048] Первая гайка 244 представляет собой полый трубчатый элемент, содержащий втулочную часть 268 и часть 252 заплечиков, имеющую резьбу 286, выполненную с возможностью резьбового соединения с ближним концом 224 наружного штока 204 клапана. Кроме того, изображенный вариант наружного смещающего устройства 208 дополнительно содержит стопорный штифт 267, проходящий через первую гайку 244 и соединяющий ее с ближним концом 224 наружного штока 204 клапана. Поэтому стопорный штифт 267 может предотвращать относительное поворачивание первой гайки 244 и наружного штока 204 клапана, которое может изменить осевое положение первой гайки 244. Втулочная часть 268 образует кольцевую выемку 255, в которой находится первая пружина 246, сжатая между ближним концом 214 корпуса 202 сопла и частью 252 заплечиков первой гайки 244. Таким образом, в изображенном варианте сжатая первая пружина 246 прилагает первое усилие F1, опираясь на неподвижный корпус 202 сопла, чтобы отталкивать первую гайку 244 от корпуса 202 сопла, тем самым устанавливая посадочную поверхность 232 на наружный шток 204 клапана, напротив седла 220 клапана на корпусе 202 сопла.
[0049] Вторая гайка 248 второго смещающего устройства 210 также представляет собой полый трубчатый элемент, содержащий втулочную часть 288 и часть 270 заплечиков, имеющую резьбу 272, выполненную с возможностью резьбового соединения с ближним концом 236 внутреннего штока 206 клапана. Кроме того, изображенный вариант внутреннего смещающего устройства 210 дополнительно содержит стопорный штифт 259, проходящий через вторую гайку 248 и соединяющий ее с ближним концом 236 внутреннего штока 206 клапана. Поэтому стопорный штифт 259 может предотвращать относительное поворачивание второй гайки 248 и внутреннего штока 206 клапана, которое может изменить осевое положение второй гайки 248. Втулочная часть 288 образует кольцевую выемку 261, в которой находится первая пружина 250, сжатая между ближним концом 254 соединителя 203 сопла и частью 270 заплечиков второй гайки 248. Таким образом, в изображенном варианте сжатая вторая пружина 250 прилагает второе усилие F2, опираясь на ближний конец 254 соединителя 203 сопла, чтобы оттолкнуть вторую гайку 248 от соединителя 203 сопла, таким образом, устанавливая посадочную поверхность 242 внутреннего штока 206 клапана напротив внутреннего седла 260 клапана.
[0050] В варианте реализации, показанном на фиг. 5, аналогично варианту, показанному на фиг. 2-4, первое усилие F1, создаваемое наружным смещающим устройством 208, больше, чем второе усилие F2, создаваемое внутренним смещающим устройством 210. Указанная взаимосвязь относительных усилий между первой и второй пружинами 246, 250 способствует заданной двухступенчатой работе описанного распылительного сопла 200.
[0051] Во время работы распылительное сопло 200 имеет одно закрытое состояние или ступень и два рабочих состояния или ступени. На фиг. 5, описанной выше, изображено закрытое состояние, в котором посадочная поверхность 232 наружного штока 204 клапана взаимодействует с обеспечением герметичности с наружным седлом 220 клапана корпуса 202 сопла посредством первого усилия F1, создаваемого наружным смещающим устройством 208. Посадочная поверхность 242 внутреннего штока 206 клапана взаимодействует с обеспечением герметичности с внутренним седлом 260 клапана соединителя 203 сопла посредством второго усилия F2, создаваемого внутренним смещающим устройством 210. В этой конфигурации охлаждающая текучая среда не может проходить через распылительное сопло 200.
[0052] Однако на первой ступени работы охлаждающая текучая среда с первым давлением и скоростью потока может подаваться к распылительному соплу 200 через кожух 212 сопла и, более конкретно, подаваться к дальним концам 224, 236 наружных и внутренних штоков 204, 206 клапана. Охлаждающая вода подается в увеличенную проточную полость 217 в корпусе 202 сопла посредством по меньшей мере пары каналов 278 для потока, проходящих в осевом направлении через корпус 202 сопла. Охлаждающая вода дополнительно подается в увеличенную проточную полость 257 в соединителе 203 сопла через участки 237a, 237b канала и удерживающую часть 235 сквозного отверстия 234 наружного штока 204 клапана. Более конкретно, как показано на фиг. 5, диаметр второй гайки 248 внутреннего смещающего устройства 210 меньше диаметра удерживающей части 235 сквозного отверстия 234 в наружном штоке 204 клапана, образуя, в итоге, кольцевой зазор 280, окружающий вторую гайку 248. По существу, охлаждающая вода проходит через кольцевой зазор 280, а затем по меньшей мере через пару каналов 282 для потока, проходящих через соединитель 203 сопла, в увеличенную проточную полость 257 на задней стороне головки 240 клапана внутреннего штока 206 клапана.
[0053] Таким образом, давление текучей среды в проточной полости 217 корпуса 202 сопла прилагается к открытой задней стороне посадочной поверхности 232 наружного штока 204 клапана, а давление в проточной полости 257 прилагается к открытой задней стороне посадочной поверхности 242 внутреннего штока 206 клапана. Эти приложенные давления препятствуют смещениям первой и второй пружин 246, 250.
[0054] В одном варианте реализации первое давление является достаточным для преодоления второго усилия F2 для перемещения внутреннего штока 206 клапана, так что посадочная поверхность 242 располагается на расстоянии от внутреннего седла 260 клапана на соединителе 203 сопла. В этом положении первый конус распыления (не показан) выпускается из распылительного сопла 200 из места между внутренним штоком 206 клапана и соединителем 203 сопла. До того как давление жидкости преодолеет второе усилие F2, вторая гайка 248 внутреннего смещающего устройства 210, прикрепленного к внутреннему штоку 206 клапана, расположена на некотором расстоянии от ближнего конца 254 соединителя 203 сопла, как показано на фиг. 5. Но когда давление жидкости преодолевает второе усилие F2, пружина 250 сжимается, так что вторая гайка 248 контактирует с ближним концом 254 соединителя 203 сопла (не показано). Соединитель 203 сопла действует как ограничитель для ограничения перемещения внутреннего штока 206 клапана и позиционирования внутреннего штока 206 клапана в открытом положении, тогда как наружный шток 204 клапана продолжает сохранять свое закрытое положение, поскольку первое давление недостаточно, чтобы преодолеть первое усилие F1.
[0055] Когда давление подаваемой охлаждающей воды увеличивается, оно также может преодолевать первое усилие F1, так чтобы распылительное сопло 200 работало на второй ступени. На второй ступени второе давление текучей среды, большее, чем первое, также перемещает наружный шток 204 клапана в том же направлении, что и внутренний шток 206 клапана, так что посадочная поверхность 232 на наружной головке 228 клапана располагается на некотором расстоянии (не показано) от наружного седла 220 клапана на корпусе 202 сопла. В этой конфигурации внутренний и наружный штоки 206, 204 клапана занимают открытые положения. Более конкретно, первая гайка 244, прикрепленная к наружному штоку 204 клапана, перемещается из положения, находящегося на расстоянии от поверхности 274 заплечиков на ближнем конце 214 корпуса 202 сопла (показано на фиг. 5), до положения в контакте с поверхностью 274 заплечиков (не показано). По существу, поверхность 274 заплечиков ограничивает перемещение первой гайки 244 и наружного штока 204 клапана. Таким образом, второй конус распыления (не показано) испускается из места между наружным штоком 204 клапана и корпусом 202 сопла и сопутствует первому конусу распыления (не показано), испускаемому из места между внутренним штоком 206 клапана и соединителем 203 сопла.
[0056] Исходя из вышеизложенного, настоящее изобретение обеспечивает распылительное сопло, которое может работать на первой ступени открытия при низких давлениях и высоких скоростях потока и работать на второй ступени при высоких давлениях и высоких скоростях потока, что преимущественно увеличивает общий диапазон давлений и скоростей потока через известные распылительные сопла в аналогичных вариантах применения. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает очень простую и компактную конструкцию с оптимальным сроком службы. То есть, поскольку различные смещающие устройства штока клапана расположены только на пути потока охлаждающей текучей среды, они не подвержены воздействию температур перегрева, присутствующих в паропроводе, которые могут ухудшать и ослаблять компоненты смещающих устройств. Кроме того, в некоторых вариантах смещающие устройства имеют очень простую конструкцию, состоящую только из гаек и пружин, прикрепленных к ближним концам штоков клапана. Это минимальное количество компонентов позволяет минимизировать общий осевой и радиальный размер распылительного сопла, что облегчает эксплуатацию, снижает материальные затраты и уменьшает общий размер паропровода или другого устройства для кондиционирования пара, к которому прикреплены сопла.
[0057] Хотя вышеприведенное описание включает распылительные сопла 100, 200, имеющие две ступени работы - одну с одним конусом распыления и одну с двумя конусами распыления - альтернативные формы распылительных сопел в объеме настоящего изобретения могут иметь три, четыре или еще больше ступеней. Чтобы добавить ступени, специалист должен понимать, что дополнительные штоки клапана могут быть установлены в середине внутреннего штока 106, 206 клапана описанных распылительных сопел 100, 200, но те же принципы работы применимы к каждой ступени, содержащей смещающее устройство, создающее немного большее усилие, чем непосредственно предшествующее смещающее устройство.
[0058] Как указано выше со ссылкой на фиг. 1, паропровод 10, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может содержать множество распылительных сопел 100, 200. В одном варианте реализации каждое из распылительных сопел 100, 200, прикрепленных к цилиндрической стенке 12, может быть одинаковым, например, иметь штоки клапанов и/или смещающие устройства одинакового размера. Но в других вариантах реализации одно или более распылительных сопел 100, 200 могут иметь размеры, отличающиеся друг от друга, для достижения различных схем распыления в паропроводе 10. Кроме того, хотя паропровод 10 на фиг. 1 содержит четыре (4) сопла, в других вариантах их может быть больше или меньше.
[0059] Наконец, на основании вышеизложенного следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничен конкретными примерами, раскрытыми в данном документе, и могут быть полезны различные изменения и варианты, в зависимости от желаемого конечного применения, и такие изменения и варианты должны рассматриваться, как входящие в объем изобретения. Соответственно, объем изобретения должен определяться не примерами, описанными в настоящем документе и показанными на прилагаемых фигурах, а только формулой изобретения, которая, в конечном итоге, опубликована в патенте, и всеми их эквивалентами.