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文档序号:19641809发布日期:2020-01-07 13:12
用于降低高压气溶胶的压力的减压系统和五星体育与五星体育

本主题大体涉及一种减压系统和五星体育,因此用于降低来自高压环境的气溶胶流的压力,使得可以对该流的代表性非挥发性颗粒浓度进行取样。



背景技术:

燃气涡轮发动机的排气包含燃烧副产物。示例性燃烧副产物包括二氧化硫,二氧化碳,氮氧化物和颗粒物质,包括挥发性和非挥发性颗粒物质。非挥发性颗粒物中最常见的物质是黑碳(通常称为碳质烟灰)。黑碳由燃料的不完全燃烧形成。其他非挥发性颗粒物可包括灰尘,金属和陶瓷颗粒。非挥发性颗粒物可能对人类健康和环境产生负面影响。

因此,减少这种燃烧副产物(特别是非挥发性颗粒物质)的负面影响已成为共同的目标。通常,为了研究来自气溶胶流的非挥发性颗粒物质,从这些流中取样并且使用颗粒物质测量装置来测量非挥发性颗粒物质的各种参数,包括例如颗粒质量浓度,数量浓度,颗粒尺寸分布等。从这种高压气溶胶流获得代表实际非挥发性颗粒物质浓度的样品已经提出了某些挑战。

获得代表实际非挥发性颗粒物质浓度的样品的一个挑战是在高压环境(例如,燃气涡轮发动机的燃烧器组件)中产生排气气溶胶流。对于精确测量非挥发性颗粒物质的现有颗粒测量装置,气溶胶排气流的压力必须降低到环境压力或接近环境压力。虽然传统的减压系统能够将气溶胶流的压力降低到环境压力,但是当气溶胶流的压力降低到环境压力时,这种传统系统极大地改变或变动非挥发性颗粒物质的浓度。因此,当通过颗粒测量装置测量来自气溶胶流的样品时,测量可能不代表在高压下存在的颗粒环境。

由于传统的减压系统在降低气溶胶流的压力而不影响或最小地影响这种流的非挥发性颗粒物质浓度方面是不成功的,因此对于燃气涡轮发动机的设计者来说,成功地测量和表征这种气溶胶排气流的非挥发性颗粒物质具有挑战性。因此,验证新的减排设计,测试使用中的发动机,对“颗粒减排”的建模,以及表征气溶胶源(例如,燃烧器)和认证机构要求的典型测量平面之间的传递函数特别具有挑战性。

因此,解决上述一个或多个挑战的减压系统和五星体育将是有用的。



技术实现要素:

本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述,或者可以从描述中显而易见,或者可以通过实践本发明来学习。

在一个方面,本公开涉及减压系统。减压系统包括限定第一室和定位在第一室下游的第二室的的外壳。减压系统还包括流体连接高压环境和第一室的入口端口,入口端口限定第一膨胀孔,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流通过第一膨胀孔从高压环境输送到第一室,其中气溶胶流在经过第一膨胀孔之后具有从高压到中压的第一压降。此外,减压系统包括流体连接第一室和第二室的过渡管,过渡管限定入口和第二膨胀孔,气溶胶流通过第二膨胀孔从第一室输送到第二室,其中气溶胶流在经过第二膨胀孔之后具有从中压到低压的第二压降。此外,减压系统包括限定第二室的样品出口的样品出口端口,其中具有低压的气溶胶流的一部分被构造成流过样品出口。

在另一方面,本发明涉及一种用于将由非挥发性颗粒组成的气溶胶流的压力从高压降低到低压的五星体育。该五星体育包括使气溶胶流通过第一膨胀孔膨胀进入由外壳限定的第一室中,以将气溶胶流从高压降低到中压。该五星体育还包括使气溶胶流通过由过渡管限定的第二膨胀孔膨胀进入由外壳限定的第二室中,以将气溶胶流从中压降低到低压,其中过渡管完全包含在外壳内。

在另一方面,本发明涉及一种减压系统。减压系统包括至少部分地由导电材料形成并且限定第一室和第二室的外壳,第二室位于第一室的下游。此外,减压系统包括流体连接高压环境和第一室的入口端口,入口端口限定第一膨胀孔,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流通过第一膨胀孔从高压环境输送到第一室,其中气溶胶流在经过第一膨胀孔后具有从高压到中压的第一压降。另外,减压系统包括流体连接到第一室的溢流压力阀,用于选择性地调节第一室内的气溶胶流的压力。减压系统还包括过渡管,过渡管由导电材料形成,并且流体连接第一室和第二室并安装到外壳,过渡管限定入口和第二膨胀孔,气溶胶流通过第二膨胀孔从第一室输送到第二室,其中气溶胶流在经过第二膨胀孔之后具有从中压到低压的第二压降。此外,减压系统包括用于向外壳提供热量的加热组件。减压系统另外包括限定第二室的样品出口的样品出口端口,其中具有低压的一部分气溶胶流构造成流过样品出口。

参考以下描述和所附权利要求,将更好地理解本发明的这些和其他特征,方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开,包括其最佳模式,其参考附图,其中:

图1提供了根据本公开的示例性实施例的示例性减压系统的立体视图;

图2提供了图1的减压系统的立体视图,描绘了加热元件被移除以露出减压系统的外壳;

图3提供了沿图1中的线3-3截取的减压系统的横截面视图;

图4提供了如在图3的部分4处所观察的减压系统的入口端口的近视横截面视图;

图5提供了如在图3的部分5处所观察的减压系统的过渡管的近视横截面视图;

图6提供了图5的过渡管的侧视图;

图7提供了沿图6中的线7-7截取的过渡管的横截面视图;和

图8提供了根据本公开的示例性方面的用于将由非挥发性颗粒组成的气溶胶流的压力从高压降低到低压的示例性五星体育的五星体育图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例,其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明,而不是限制本发明。事实上,对于本领域技术人员来说显而易见的是,在不脱离本发明的范围或精神的情况下,可以在本发明中进行各种修改和变化。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用,以产生又一个实施例。因此,本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。此外,如本文所使用的,近似项,例如“近似”,“基本”或“大约”,是指在百分之十(10%)的误差范围内。此外,如本文所使用的,术语“第一”,“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开,并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如,“上游”是指流体从其流动的方向,“下游”是指流体向其流动的方向。

大体上,本公开涉及一种减压系统和五星体育,因此用于将高压气溶胶的压力例如降低至环境压力,而不会显著改变气溶胶的特性。以这种方式,在环境压力下从气溶胶流获得的样品流中的非挥发性颗粒物质浓度代表在压力降低之前在高压下气溶胶流中存在的非挥发性颗粒物质浓度。这些代表性样品可用于测量高压气溶胶的非挥发性颗粒的各种特性。

在一个示例性方面,提供了一种减压系统。减压系统包括将高压气溶胶的压力降低到环境压力而不显著改变气溶胶特性的特征。特别地,减压系统包括两个膨胀孔,其在两个阶段中降低气溶胶流的压力。气溶胶从高压环境(例如,燃气涡轮发动机的燃烧器组件)被导向通过由入口端口限定的第一膨胀孔并进入由外壳限定的第一室中,从而使气溶胶流膨胀。随着气溶胶膨胀,高压气溶胶降低到中压并且温度也降低。将第一室与由外壳限定的第二室流体连接的过渡管接收一部分气溶胶流。当气溶胶流过过渡管时,过渡管使流动稳定并与气体气溶胶交换热量。流动的加热有利于通过系统的恒定体积流速(或接近恒定体积流速),并防止沿系统的气体路径形成冷凝。气溶胶被导向通过由过渡管在其下游端限定的第二膨胀孔并进入第二室。因此,气溶胶流再次膨胀,从而将气溶胶流的压力从中压(第二膨胀孔上游和第一膨胀孔下游的气溶胶流的压力)降低到低压。例如,低压可以是环境压力。然后可以将一部分低压气溶胶导向颗粒物质测量装置,其用于测量气溶胶的颗粒。气溶胶的压力降低而不显著改变气溶胶的特性通过以下方式实现:通过经由过渡管中的第二膨胀孔上游(在较小程度上,在入口端口处的第一膨胀孔的上游)的气溶胶的等熵膨胀和等压加热的第一和第二膨胀孔的气溶胶的恒定体积流速。在另一个示例性方面,还提供了利用减压系统将高压气溶胶的压力降低到环境压力而不显著改变气溶胶的特性的五星体育。

图1、2和3提供了根据本公开的示例性实施例的示例性减压系统100的各种视图。更具体地,图1提供了减压系统100的立体视图,图2提供了减压系统100的另一立体视图,其中移除了加热组件以露出减压系统100的外壳,以及图3提供了沿图1中的线3-3截取的减压系统100的横截面视图。减压系统100限定轴向方向a,径向方向r和绕轴向方向a延伸的周向方向c。轴向方向a,径向方向r和周向方向c限定了方向系统。此外,减压系统100还限定了沿轴向方向a延伸的主轴线m。

如图2和图3中最佳所示,减压系统100包括外壳110,外壳110限定第一室112和第二室114。第二室114定位在第一室112的下游。对于该实施例,外壳110包括第一筒体116和第二筒体118,第二筒体118连接到第一筒体116的凸缘120。第一筒体116限定第一室112,第二筒体118限定第二室114。然而,在一些实施例中,外壳110可以形成为单个连续的整体部件。此外,对于该实施例,外壳110至少部分地由导电材料形成,例如金属材料。在优选实施例中,外壳110完全由导电材料形成。

如图3中特别示出的,入口端口130流体连接高压环境122和第一室112。更具体地,如图所示,入口导管124将高压环境122与入口端口130流体连接,入口端口130又将入口导管124与第一室112流体连接。高压环境122可以是任何合适的高压环境。例如,高压环境122可以是燃气涡轮发动机的燃烧器组件。入口端口130限定入口132和第一膨胀孔134,第一膨胀孔134与入口132例如沿轴向方向a间隔开。第一膨胀孔134用作入口端口130的出口。入口端口130的入口132位于第一膨胀孔134的上游,并且与入口导管124流体连接。由入口端口130限定的入口端口通道136在入口132与第一膨胀孔134之间延伸并且流体连接入口132与第一膨胀孔134。在减压系统100的操作期间,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流s流过第一膨胀孔134,使得气溶胶流s从高压环境122输送到第一室112。气溶胶流s可以是排气流,例如来自燃气涡轮发动机的燃烧器组件的排气流。

值得注意的是,表示为高压p1的第一膨胀孔134上游的气溶胶流s的压力相对于第一室112内的压力和减压系统100的出口压力更高,如在本文中将详细说明的。例如,高压p1可以是三巴(3巴)至约七十巴(70巴)。在一些实施例中,高压p1甚至可高于七十巴(70巴)。当气溶胶流s流过第一膨胀孔134时,第一膨胀孔134将气溶胶流s的压力从高压p1降低到中压p2,例如经由通过第一膨胀孔134的膨胀。作为一个例子,假设气溶胶流s的高压p1为五十巴(50巴)。第一膨胀孔134可以将气溶胶流s的压力降低到七又十分之一巴(7.10巴)的中压p2。中压p2表示第一室112内的气溶胶流的压力,如图3所示。

图4提供了入口端口130的近视图。如图所示,第一膨胀孔134具有第一直径d1。入口端口通道136具有直径dip。入口端口130的入口132具有与入口端口通道136相同的直径dip。对于该实施例,直径dip至少比第一直径d1大三倍半(3.5倍)。如进一步所示,由入口端口130限定的第一圆锥截头锥体138将入口端口通道136过渡到第一膨胀孔134。对于该实施例,第一圆锥截头锥体138使入口端口通道136相对于轴向方向a以大约六十度(60°)的角度θ1过渡到第一膨胀孔134。优选地,角度θ1相对于轴向方向a至少为45度(45°)。第一圆锥截头锥体138将气溶胶流s汇集到第一膨胀孔134中并防止应力上升。第一圆锥截头锥体138和第一膨胀孔134形成入口端口130的汇聚喉部。

返回图1至图3,如图所示,减压系统100包括流体连接到第一室112的压力感测装置140,用于测量或感测第一室112中的气溶胶流s的压力,其在减压系统100的这个阶段具有中压p2。例如,压力感测装置140可以是模拟压力计。如图3中特别示出的,外壳110限定开口142。导管144的入口定位在开口142中并且沿径向方向r从第一室112向外延伸,以将压力感测装置140与第一室112流体连接。

减压系统100还包括溢流压力阀150。具体地,对于该实施例,减压系统100包括一对溢流压力阀150(图2)。在一些实施例中,减压系统100可包括多于两个(2)阀或仅一个(1)溢流压力阀150。每个溢流压力阀150流体连接到第一室112,用于选择性地调节减压系统100内(更具体地,第一室112内)的气溶胶流s的压力。换句话说,每个溢流压力阀150可在打开位置和关闭位置之间移动,并且在超过第一室112中的预定设定压力的压力的情况下,一个或多个溢流压力阀150移动到开口位置以从第一室112移除一部分气溶胶流s以降低其中的压力。在第一室112内的压力处于或低于预定设定压力的情况下,溢流压力阀150可以移动到关闭位置。溢流压力阀150可以在无限多个打开位置和关闭位置之间移动,例如通过使用比例控制阀,或者可以在单个打开位置和关闭位置之间切换。第一室112限定一对出口152(图3和5中仅示出一个),其允许气溶胶流s的多余部分离开第一室112并向下游流到溢流压力阀150。

另外,对于该实施例,减压系统100包括加热组件160。加热组件160构造成选择性地将外壳110加热到预定设定温度。有利地,外壳110由加热组件160加热,以在气溶胶流s在流过第一膨胀孔134和第二膨胀孔之后的膨胀期间防止或最小化冷凝,如下面将进一步说明的。在一些实施例中,加热组件160被构造为将温度保持在预定设定温度的正或负五摄氏度(5℃)内。在一些实施例中,预定设定温度设定在一百摄氏度(100℃)和大约二百五十摄氏度(250℃)之间。在一些优选实施例中,预定设定温度设定在大约一百五十摄氏度(150℃)。

加热组件160可包括用于加热外壳100的各种部件。例如,在一些实施例中,加热组件160包括一个或多个加热元件(例如电阻加热器),以及缠绕外壳110的绝缘体。此外,加热组件160可包括一个或多个风扇,以使相对较热的空气移过外壳110的表面。

如图1和3中最佳所示,对于该实施例,加热组件160包括缠绕外壳110的加热套162。优选地,加热套162沿周向方向c完全缠绕外壳110(即,围绕外壳110)。而且,在一些优选实施例中,加热套162沿着外壳110的整个轴向长度缠绕外壳110,例如,如图1和3所示。加热套162可以由具有高隔热性能的任何合适材料形成,例如玻璃棉。加热套162还包括一个或多个合适的加热元件。例如,在一些实施例中,加热套162包括多个电线,当电流通过时,多个电线排出热量。附加地或替代地,在一些实施例中,加热套可包括一个或多个流体导管,其构造成用于携带相对温热的流体通过,以加热外壳110。

此外,减压系统100包括一个或多个控制器170或计算装置,其构造用于控制如图3所示的减压系统100的各种部件。例如,在该示例性实施例中,控制器170与溢流压力阀150,压力感测装置140和加热组件160的加热套162通信地联接。控制器170可以以任何合适的方式与压力感测装置140,溢流压力阀150,加热套162和减压系统100的其他部件通信地联接,例如通过合适的有线或无线连接。在一些实施例中,减压系统100可包括用于控制加热套162的专用控制器170和用于控制溢流压力阀150的专用控制器170。例如,控制器170可以至少部分地基于来自压力感测装置140的一个或多个信号来控制溢流压力阀150,如下面将更全面地说明的。然而,在一些实施例中,单个控制器170可以控制减压系统100的各个方面。

在一些示例性实施例中,控制器170被构造成例如从压力感测装置140接收指示第一室112内的气溶胶流s的压力的一个或多个信号。然后控制器构造成确定第一室112内的气溶胶流s的压力是否在设定压力的预定范围内。预定范围可以是静态的或动态的。例如,预定范围可以至少部分地基于设定压力,其可以动态地改变以在减压系统100的出口处实现特定压力。可以改变设定压力以适应在入口端口130上游流到减压系统100的气溶胶流s的压力的波动。控制器170还被构造成至少部分地基于第一室112内的气溶胶流s的压力(例如,中压p2)是否在设定压力的预定范围内来控制溢流压力阀150以调节溢流压力阀150的阀位置。例如,如果第一室112内的气溶胶流s的压力p2大于设定压力的预定范围,则控制器170启动或控制一个或多个溢流压力阀150移动到打开位置。以这种方式,可以将过量的压力排出到周围环境中,从而有效地降低第一室112内的压力。另一方面,如果第一室112内的气溶胶流s的压力p2小于设定压力的预定范围,则控制器170启动或控制一个或多个溢流压力阀150移动到关闭状态,因此,防止第一室112内的压力损失。

如图3中最佳所示,减压系统100包括过渡管180,过渡管180流体连接第一室112和第二室114。值得注意的是,过渡管180完全包含在外壳110内。也就是说,过渡管180不暴露于可能对流过其中的气溶胶流s的温度产生负面影响的外部元件。如图3所示的实施例中所示,过渡管180延伸到第一室112中,进入第二室114,并且定位在室112,114之间,但仍然包含在外壳110内。

过渡管180限定入口182和第二膨胀孔184。第二膨胀孔184与过渡管180的入口182例如沿轴向方向a间隔开。由过渡管180限定的过渡通道186在过渡管180的入口182与过渡管180的第二膨胀孔184之间延伸并流体连接入口182和第二膨胀孔184。过渡管180的入口182位于第二膨胀孔184的上游。第二膨胀孔184用作过渡管180的出口和第二室114的入口。在减压系统100的操作期间,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流s流过第二膨胀孔184,使得气溶胶流s从第一室112输送到第二室114。

如上所述,第二膨胀孔184上游和第一膨胀孔134下游的气溶胶流s的压力具有中压p2。当气溶胶流s流过第二膨胀孔184时,第二膨胀孔184将气溶胶流s的压力从中压p2降低到低压p3,例如,经由通过第二膨胀孔184的膨胀。继续上述示例,假设气溶胶流s的中压p2是七又十分之一巴(7.10巴)。第二膨胀孔184可以将气溶胶流s的压力降低到一巴(1巴)的低压p3。低压p3表示第二室114内的气溶胶流的压力。在一巴(1巴)下,颗粒测量装置可以测量气溶胶流s的代表性样品中的非挥发性颗粒的浓度。

图5提供了过渡管180的近视图。如图所示,第二膨胀孔184具有第二直径d2。对于该实施例,第一膨胀孔134(图4)的第一直径d1和第二膨胀孔184的第二直径d2相等(即,它们具有相同的直径)。过渡通道186具有直径dt。过渡通道186的直径dt在过渡管180的基本上轴向长度上保持相同或恒定。对于该实施例,过渡通道186的直径dt比第二膨胀孔184的第二直径d2大至少三倍半(3.5倍)。如进一步所示,由过渡管180限定的第二圆锥截头锥体188将过渡通道186过渡到第二膨胀孔184。另外,对于该实施例,第二圆锥截头锥体188相对于轴向方向a以大约六十度(60°)的角度θ2将过渡通道186过渡到第二膨胀孔184。优选地,角度θ2相对于轴向方向a至少为45度(45°)。第二圆锥截头锥体188将气溶胶流s汇集到第二膨胀孔184中并防止应力上升。第二圆锥截头锥体188和第二膨胀孔184形成过渡管180的汇聚喉部。

当如图4所示气溶胶流s流过第一膨胀孔134并进入第一室112时,气溶胶流s通过第一膨胀孔134经历膨胀,气溶胶流s在其填充进第一室112中时体积膨胀,因此,第一室112内的气溶胶流s的压力和温度降低。气溶胶流s可以通过第一膨胀孔134经历等熵膨胀。此外,当气溶胶流s在离开第一膨胀孔134之后膨胀进入第一室112中时,气溶胶流s可以表现出湍流特性。为了最小化对气溶胶流s的浓度质量的影响,有利地,减压系统100包括在气溶胶流s到达第二膨胀孔184之前加热气溶胶流s并使流动稳定的特征。例如,如图3中最佳所示,距离d限定在第一膨胀孔134和第二膨胀孔184之间。值得注意的是,该距离比第一直径d1和第二直径d2大至少十(10)倍。距离d为气溶胶流s在进入第二膨胀孔184之前被加热和稳定提供了足够的距离。可以是等压的这种加热以及气溶胶流s的稳定有利于通过减压系统100的第二膨胀孔184的恒定体积流速(或接近恒定体积流速)。

此外,为了促进通过过渡管180离开第一膨胀孔134的气溶胶流s的流线捕捉,过渡管180的入口182与入口端口130的第一膨胀孔134对准,如图3和4中所示。更具体地,过渡管180的入口182与入口端口130的第一膨胀孔134同心对准。对于该实施例,过渡管180的入口182沿着主轴线m与入口端口130的第一膨胀孔134同心对准。通过将过渡管180的入口182与入口端口130的第一膨胀孔134对准,更好地保持气溶胶流s的颗粒浓度,特别是在当一个溢流压力阀150移动到打开位置以减小第一室112内的压力p2期间。

如图5中进一步所示,过渡管180在上游端190和下游端192之间延伸,例如,沿轴向方向a,并且大致沿主轴线m延伸。过渡管180的上游端190定位在第一室112内,下游端192定位在第二室114内。过渡管180包括本体194和头部196。本体194包括台阶部分198和圆锥截头椎体部分200。过渡管180的头部196定位在过渡管180的下游端192处并且抵靠第一筒体116(更具体地,第一圆筒116的凸缘120)安置。圆锥截头锥体部分200从上游端190延伸到台阶部分198。台阶部分198定位在在第一室112和第二室114之间由外壳110限定的过渡开口126内。而且,对于该实施例,过渡管180由导电材料形成,例如金属材料。在一些实施例中,仅本体194需要由导电材料形成。

值得注意的是,过渡管180沿轴向方向a朝向过渡管180的入口182逐渐变细。更具体地,过渡管180的圆锥截头锥体部分200沿轴向方向a从其与台阶部分198连接的位置向过渡管180的上游端190逐渐变细。如图6和7中最佳所示,本体194的台阶部分198的外径大于过渡管180在其上游端190处的外径。更具体地,台阶部分198限定基本直径db,其是台阶部分198处的过渡管180的外径。圆锥截头锥体部分200限定上游直径du,例如,在过渡管180的上游端190处。上游直径du是圆锥截头锥体部分200的外径。对于该实施例,台阶部分198的基本直径db比上游直径du大至少三(3)倍。

如图5所示,过渡管180的锥形几何形状有助于与流过过渡管180的气溶胶流s进行热传递。也就是说,当气溶胶流s在流过第二膨胀孔184之前加速通过过渡管180(因此冷却气溶胶流s)时,过渡管180的几何形状使得过渡管180与气溶胶流s交换热量,以抵消由于其加速而导致的气溶胶流s的冷却。更具体地,例如经由加热套162将热量供应到外壳110。外壳110的导电材料有助于从外壳110的外表面到凸缘120的传导热交换。台阶部分198的导电环形外表面和外壳110的导电凸缘120之间的交界使过渡管180变热。过渡管180被加热,使得其热分布在气溶胶流s流过由过渡管180限定的过渡通道186时加热气溶胶流s。加热流过过渡通道186的气溶胶流s有助于气溶胶通过第二膨胀孔184的膨胀。通过第二膨胀孔184的膨胀可以是等熵膨胀。

如图3中进一步描绘的,减压系统100包括限定第二室114的样品出口212的样品出口端口210。如图所示,样品出口端口210沿主轴线m与第二膨胀孔184不对准。然而,在一些实施例中,样品出口端口210可以沿着主轴线m与第二膨胀孔184对准。在减压系统100的操作期间,具有低压p3的气溶胶流s的一部分(表示为样品流ss)流过样品出口212。位于样品出口212下游的颗粒测量装置230与第二室114流体连接,例如,经由样品导管214,并接收样品流ss。在接收到样品流ss时,颗粒测量装置230被构造为测量样品流ss内的非挥发性颗粒物质的各种参数,包括例如颗粒质量,数量,尺寸分布等。还可以测量其他参数。

在一些实施例中,如图3所示,减压系统100限定竖直方向v,例如沿径向方向r。在这样的实施例中,颗粒测量装置230沿竖直方向v定位在减压系统100上方。以这种方式,颗粒损失被最小化并且防止水(例如来自冷凝)流到颗粒测量装置230,这可以提供更准确的颗粒测量。

减压系统100还包括主出口端口220,其限定第二室114的主出口222。在减压系统100的操作期间,第二室114内不流过样品出口212的气溶胶流s的部分通过主出口222离开减压系统100并通过主导管224至周围环境。因此,第二室114限定两个(2)出口,样品出口212和主出口222。

现在将提供一种示例性方式,其中减压系统100降低高压气溶胶的压力,同时对用于取样目的的气溶胶流的非挥发性颗粒物质的浓度的影响最小。参考图3,具有高压p3的气溶胶流s从高压环境122(例如,燃气涡轮发动机的燃烧器组件)经由入口导管124导向至减压系统100。高压气溶胶流s由非挥发性颗粒物质组成,例如炭黑(烟灰),灰尘,金属和陶瓷颗粒。气溶胶流s通过入口端口130进入减压系统100,并在通过第一膨胀孔134之后经历从高压到中压的第一压降。特别地,当气溶胶流s流过由入口端口130的下游端限定的第一膨胀孔134时,气溶胶流s通过第一膨胀孔134膨胀进入第一室112中。也就是说,气溶胶流s被第一膨胀孔134压缩和加速,使气溶胶流s在气溶胶流s进入第一室112时迅速膨胀。气体气溶胶流s通过第一膨胀孔134并进入第一室112的膨胀可以是绝热的,因为气溶胶流s通过第一膨胀孔134的高速和短停留时间阻止了例如与入口端口130的热交换。此外,膨胀也可以是等熵或近等熵。在通过第一膨胀孔134膨胀并进入第一室112之后,气溶胶流s的压力从高压p1减小到中压p2。因此,第一膨胀孔134下游和第二膨胀孔184上游的气溶胶流s的压力是中压p2。由于第一压降,气溶胶流s的温度也降低。如前所述,可以将中压p2控制到设定压力,例如通过一个或多个溢流压力阀150释放压力。

在通过第一膨胀孔134膨胀之后进入第一室112之后,一部分气溶胶流s进入过渡管180的入口182。气溶胶流s向下游流过过渡通道186,并且当这发生时,过渡管180使流动稳定并使过渡通道186内的气溶胶流s变热。加热组件160的加热套162与外壳110交换热量,外壳110又与过渡管180交换热量。加热的过渡管180又加热气溶胶流s。加热气溶胶流s防止在过渡通道186或第二膨胀孔184中形成冷凝,这可能不利地影响非挥发性颗粒的浓度和/或破坏通过第二膨胀孔184的气溶胶流s的体积流量。

在过渡管180的下游端,具有中压p2的变热的气溶胶流s经历第二压降。特别地,气溶胶流s通过第二膨胀孔184膨胀并进入第二室114。也就是说,气溶胶流s被第二膨胀孔184压缩和加速,从而当气溶胶流s进入第二室114时,使得气溶胶流s迅速膨胀。气溶胶流s的膨胀将压力从中压p2降低到低压p3,其例如可以是环境压力。然后将具有低压p3的气溶胶流s导向通过样品出口212到颗粒物质测量装置230,其用于测量气溶胶流s的样品流ss的颗粒。第二室114中的过流流过主出口222。

在不显著改变气溶胶特性的情况下气溶胶流s的压降至少部分地经由以下方式来实现:通过第一和第二膨胀孔134、184的恒定或接近恒定体积流速,通过第一膨胀孔134膨胀并进入第一室112,在过渡管180中稳定和加热,以及气溶胶流s通过过渡管180的第二膨胀孔184膨胀并进入第二室114。

图8提供了用于将由非挥发性颗粒组成的气溶胶流的压力从高压降低至低压而不影响或最小程度地影响气溶胶流的非挥发性颗粒物质浓度的示例性五星体育(300)的五星体育图。例如,本文所述的减压系统100可用于降低高压气溶胶流的压力。例如,气溶胶流可以是燃气涡轮发动机的排气流。对于上下文,下面将使用用于描述减压系统100及其各种特征的附图标记。

在(302)处,五星体育(300)包括使气溶胶流通过第一膨胀孔膨胀进入由外壳限定的第一室中,以将气溶胶流从高压减小到中压。例如,高压气溶胶流(例如来自燃烧器组件的排气流)可以被导向通过减压系统100的入口端口130的第一膨胀孔134。在第一膨胀孔134的上游,气溶胶流的压力具有高压p1。例如,高压可以是大约三巴(3巴)至大约七十巴(70巴)之间的压力水平。当高压气溶胶流被导向通过第一膨胀孔134时,气溶胶流膨胀并流入由外壳110限定的第一室112中。气溶胶流的膨胀使气溶胶流的压力从高压p1降低到中压p2。中压p2是高压p1和低压p3之间的压力。

在(304)处,五星体育(300)包括使气溶胶流通过由过渡管限定的第二膨胀孔膨胀进入由外壳限定的第二室中,以将气溶胶流从中压降低到低压,其中过渡管完全包含在外壳内。例如,在(302)处通过第一膨胀孔134膨胀之后具有中压p2的第一室112内的气溶胶流s可以被导向通过由减压系统100的过渡管180限定的第二膨胀孔184。当具有中压p2的气溶胶流s被导向通过第二膨胀孔184时,气溶胶流s膨胀进入由外壳110限定的第二室114中。气溶胶流s通过第二膨胀孔184并进入第二室114的膨胀将气溶胶流s的压力从中压p2降低到低压p3。低压p3可以是环境压力,例如一个大气压(1atm)。

在一些实施方式中,五星体育(300)包括从第二室获得低压下的气溶胶流的样品流。以这种方式,可以通过一个或多个颗粒测量装置230测量在高压下气溶胶流中具有代表性浓度的非挥发性颗粒的样品流ss。例如,一部分气溶胶流s可以流过第二室114的样品出口212并且向下游流到颗粒测量装置230。由于高压气溶胶的压力降低至低压p3,对气溶胶流的非挥发性颗粒的质量和性质影响最小,样品流ss包括在高压气溶胶流中发现的代表性浓度的非挥发性颗粒,因此,一个或多个微粒测量装置230可以精确地测量非挥发性颗粒的各种参数。

此外,在一些实施方式中,五星体育(300)包括加热外壳。当外壳被加热时,外壳与过渡管交换热量,过渡管又与流过由第二膨胀孔上游的过渡管限定的过渡通道的气溶胶流交换热量。在一些实施方式中,五星体育(300)包括利用加热套加热外壳,或者更广泛地,五星体育(300)包括利用加热组件加热外壳。

例如,外壳可以利用图1的加热组件160加热。更具体地,外壳110可以在如图1所示的加热套162缠绕外壳110的情况下被加热。加热套162可以由一个或多个控制器170控制,以根据需要保持特定温度或者增加或降低加热套162的温度。如上所述,当加热套162加热外壳110(其优选地由导电材料形成)时,外壳110与过渡管180交换热量,过渡管180又与流过过渡管180的过渡通道186的气溶胶流交换热量。因此,气溶胶流在第二膨胀孔184的上游被加热。利用加热组件160加热外壳110防止冷凝阻塞膨胀孔134,184,特别是防止冷凝在第二膨胀孔184上游的过渡通道186中形成。此外,加热过渡通道186内的气溶胶流有助于通过过渡通道186保持更一致的体积流速。

在一些实施方式中,第一膨胀孔与由过渡管限定的入口对准。通过将过渡管180的入口182与入口端口130的第一膨胀孔134对准,如前所述,可以更好地保持气溶胶流s的颗粒浓度。

另外,在一些实施方式中,减压系统100包括与第一室112流体连接的溢流压力阀150。减压系统100还包括压力感测装置140,其构造成感测第一室112内的气溶胶流的压力。在这样的实施方式中,五星体育(300)包括由控制器从压力感测装置接收指示第一室内的气溶胶流的压力的一个或多个信号。控制器可以是一个或多个控制器170。五星体育(300)还包括确定第一室内的气溶胶流的压力是否在设定压力的预定范围内。五星体育(300)还包括至少部分地基于第一室内的气溶胶流的压力是否在设定压力的预定范围内来调节溢流压力阀的阀位置。

在一些实施方式中,第一室内的设定压力至少部分地基于以下等式来设定:

其中,pset是第一室112内的设定压力,p1是第一膨胀孔134上游的气溶胶流的压力,p3是第二膨胀孔184下游的气溶胶流的压力。例如,减压系统100的控制器170可以控制一个或多个溢流压力阀150的阀位置以打开或关闭,以在第二室114中实现期望的压力p3。通过根据等式1设定设定温度,由于气溶胶流通过第一膨胀孔134进入第一室112的膨胀,温度降低,并且气溶胶流通过第二膨胀孔184进入第二室114的膨胀最小化,当气溶胶流流过减压系统100时,这又有利于气溶胶流的更一致的体积流速。

在一些实施方式中,至少部分地基于第一膨胀孔上游的气溶胶流的压力来动态地设定设定压力。也就是说,第一室112内的设定压力可以至少部分地基于进入的高压气溶胶流的压力读数而动态地改变。有利地,通过动态地设定第一室112内的气溶胶流的压力的设定压力并例如经由打开溢流压力阀150从中去除过量的压力,第二室114内的气溶胶流的环境压力可以一致地实现,即使进入的气溶胶流的压力波动。这在从来自瞬态操作中的燃气涡轮发动机的燃烧器组件的排气气溶胶流中获得样品流方面可能是特别有利的。因此,可以研究颗粒物质排放,用于安装到飞行器的燃气涡轮发动机的瞬态操作。例如,可以获得模拟在起飞,回避操纵,爬升或其他动力改变操纵期间从燃气涡轮发动机排放的排放物的样本。

尽管各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出,但这仅是为了方便。根据本公开的原理,可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用示例来公开本发明,包括最佳模式,并且还使本领域技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的五星体育。本发明的可专利范围由权利要求限定,并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件,则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

本发明的各种特征,方面和优点也可以体现在以下条项中描述的各种技术方案中,这些方案可以以任何组合方式组合:

1.一种减压系统,其特征在于,包括:

外壳,所述外壳限定第一室和定位在所述第一室下游的第二室;

入口端口,所述入口端口流体连接高压环境和所述第一室,所述入口端口限定第一膨胀孔,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流通过所述第一膨胀孔从所述高压环境输送到所述第一室,其中所述气溶胶流在经过所述第一膨胀孔之后具有从高压到中压的第一压降;

过渡管,所述过渡管流体连接所述第一室和所述第二室,所述过渡管限定入口和第二膨胀孔,所述气溶胶流通过所述第二膨胀孔从所述第一室输送到所述第二室,其中所述气溶胶流在经过所述第二膨胀孔之后具有从所述中压到低压的第二压降;和

样品出口端口,所述样品出口端口限定所述第二室的样品出口,其中具有所述低压的所述气溶胶流的一部分构造成流过所述样品出口。

2.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述减压系统限定主轴线,并且其中所述过渡管的所述入口沿着所述主轴线与所述入口端口的所述第一膨胀孔同心地对准。

3.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述第一膨胀孔具有第一直径,所述第二膨胀孔具有第二直径,并且其中所述第一直径等于所述第二直径。

4.根据条项3所述的减压系统,其特征在于,其中在所述第一膨胀孔和所述第二膨胀孔之间限定距离,并且其中所述距离比所述第一直径和所述第二直径大至少十(10)倍。

5.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述减压系统限定轴向方向,并且其中所述过渡管包括沿着所述轴向方向朝向所述过渡管的所述入口逐渐变细的本体。

6.根据条项5所述的减压系统,其特征在于,其中所述本体具有台阶部分,所述台阶部分定位在所述第一室和所述第二室之间由所述外壳限定的过渡开口内,并且其中所述台阶部分限定基本直径,并且其中所述过渡管的所述本体沿着所述轴向方向从所述台阶部分到所述过渡管的所述入口逐渐变细。

7.根据条项6所述的减压系统,其特征在于,其中所述本体具有上游直径,并且其中所述本体的所述台阶部分的直径比所述本体的所述上游直径大至少三(3)倍。

8.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述过渡管完全包含在所述外壳内。

9.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,进一步包括:

加热组件,所述加热组件用于加热所述外壳。

10.根据条项9所述的减压系统,其特征在于,其中所述外壳由导电材料形成,所述过渡管由导电材料形成,并且其中所述加热套以预定的设定温度选择性地加热所述外壳。

11.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,进一步包括:

溢流压力阀,所述溢流压力阀流体连接到所述第一室,用于选择性地调整所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力;

压力感测装置,所述压力感测装置流体连接到所述第一室,用于测量所述第一室中的所述气溶胶流的所述压力;

控制器,所述控制器与所述溢流压力阀和所述压力感测装置通信地联接,所述控制器被构造成:

从所述压力感测装置接收指示所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力的一个或多个信号;

确定所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力是否在设定压力的预定范围内;和

至少部分地基于所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力是否在所述设定压力的所述预定范围内来控制所述溢流压力阀,以调节所述溢流压力阀的阀位置。

12.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述样品出口与颗粒测量装置流体连接,所述颗粒测量装置被构造成测量所述气溶胶流的所述非挥发性颗粒的浓度,并且其中所述减压系统限定竖直方向,并且所述颗粒测量装置沿着所述竖直方向定位在所述减压系统的上方。

13.根据条项1所述的减压系统,其特征在于,其中所述过渡管限定过渡通道,所述过渡通道将所述过渡管的所述入口与所述过渡管的所述第二膨胀孔流体连接,并且其中所述过渡管具有直径,并且所述第二膨胀孔具有第二直径,并且其中所述过渡通道的所述直径比所述第二膨胀孔的所述第二直径大至少三倍半(3.5倍)。

14.一种用于将由非挥发性颗粒组成的气溶胶流的压力从高压降低到低压的五星体育,其特征在于,所述五星体育包括:

通过第一膨胀孔使所述气溶胶流膨胀进入由外壳限定的第一室中,以将所述气溶胶流从所述高压减小到中压;和

通过由过渡管限定的第二膨胀孔使所述气溶胶流膨胀进入由所述外壳限定的第二室中,以将所述气溶胶流从所述中压减小到所述低压,其中所述过渡管完全包含在所述外壳内。

15.根据条项14所述的五星体育,其特征在于,进一步包括:

从所述第二室获得在所述低压下的所述气溶胶流的样品流,其中所述样品流包括在所述高压下的所述气溶胶流中的所述非挥发性颗粒的代表性浓度。

16.根据条项14所述的五星体育,其特征在于,进一步包括:

加热所述外壳,其中当所述外壳被加热时,所述外壳与所述过渡管交换热量,所述过渡管又与流过过渡通道的所述气溶胶流交换热量,所述过渡通道在所述第二膨胀孔上游由所述过渡管限定。

17.根据条项14所述的五星体育,其特征在于,其中溢流压力阀与所述第一室流体连接,并且压力感测装置被构造成感测所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力,并且其中所述五星体育进一步包括:

通过控制器从所述压力感测装置接收指示所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力的一个或多个信号;

确定所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力是否在设定压力的预定范围内;和

至少部分地基于所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力是否在所述设定压力的所述预定范围内来调节所述溢流压力阀的阀位置。

18.根据条项17所述的五星体育,其特征在于,其中至少部分地基于等式:来设定所述第一室内的所述设定压力,其中pset是所述第一室内的所述设定压力,p1是所述第一膨胀孔上游的所述气溶胶流的所述压力,p3是所述第二膨胀孔下游的所述气溶胶流的所述压力。

19.根据条项18所述的五星体育,其特征在于,其中至少部分地基于所述第一膨胀孔上游的所述气溶胶流的所述压力来动态地设定所述设定压力。

20.一种减压系统,其特征在于,包括:

外壳,所述外壳至少部分地由导电材料形成并且限定第一室和第二室,所述第二室定位在所述第一室下游;

入口端口,所述入口端口流体连接高压环境和所述第一室,所述入口端口限定第一膨胀孔,由非挥发性颗粒组成的气溶胶流通过所述第一膨胀孔从所述高压环境输送到所述第一室,其中所述气溶胶流在经过所述第一膨胀孔之后具有从高压到中压的第一压降;

溢流压力阀,所述溢流压力阀流体连接到所述第一室,用于选择性地调节所述第一室内的所述气溶胶流的所述压力;

过渡管,所述过渡管由导电材料形成并流体连接所述第一室和所述第二室,并且安装到所述外壳,所述过渡管限定入口和第二膨胀孔,所述气溶胶流通过所述第二膨胀孔从所述第一室输送到所述第二室,其中所述气溶胶流在经过所述第二膨胀孔之后具有从所述中压到低压的第二压降;

加热组件,所述加热组件用于向所述外壳提供热量;和

样品出口端口,所述样品出口端口限定所述第二室的样品出口,其中具有所述低压的所述气溶胶流的一部分构造成流过所述样品出口。

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