形状优化集管及其制造方法
【专利摘要】本文公开了一种形状优化集管(200)，其包括可操作以用于收集流体的外壳(202)；其中外壳的内径和/或壁厚随外壳(202)中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和管(204)；其中，管(204)与外壳(202)连通且可操作以将流体传递到外壳(202)中。本文公开了一种方法，包括将管固定地附接于外壳；其中，外壳可操作以用于收集流体；其中，外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。
【专利说明】形状优化集管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及形状优化集管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]工厂(诸如化工厂和发电设备)通常使用集管来收集流体(例如蒸汽和/或其它蒸气)。这些集管和相关联的分送硬件总是拥有具有一致壁厚的圆形截面几何形状。选择这些几何性质是因为它们可容易地由可得到的管制造，或通过滚轧和缝焊板或通过离心铸造来制成。易制性规定了集管几何形状以及壁厚。
[0003]图1绘出了目前市售的集管100(本文中也称为“比较集管”)的前视图和侧视图。如可从图1看到的那样，集管100包括具有一致的圆形截面内径“d”和一致的壁厚“t”的外壳102，其与沿其长度进入集管的管104阵列连通。外壳102可操作以收集经由管104阵列排放到外壳中的流体。
[0004]外壳102包括第一端部106和与第一端部106相对的第二端部108。第一端部106相对于外侧密封，而第二端部108与出口端口(未示出)连通，该出口端口允许收集在集管100中的流体抽出至外界。
[0005]在图1所示的描述中，到集管100中的蒸汽压力和/或流体流速在最接近第一端部106的管104阵列中最低,而它在最接近相对端部的管104阵列中最高。外壳102的内径“d”通过考虑外壳102内的压降来确定。执行此来确保管104阵列控制系统中的阻力。外壳102的直径d也以一种方式计算，以便限制集管自身中的摩擦损失。该内径d然后限定用于装配外壳102的管的开孔。由于整个内径基于进入外壳102的流体的累积流动，故除出口平面处外，图1所示的集管设计比所需要的大，且因此使用比有效设计所需要的更大量的材料。这增加了材料成本，且导致集管昂贵且在工厂中占据比所需要的更多的空间。
[0006]在更昂贵的材料用于制造集管时，这些旧设计可变得成本过高。期望的是使用允许成本节省同时降低维护成本和构件故障的几何形状和壁厚。还期望如下生产集管和相关联的分送系统，其可在工厂中的现有条件下操作与现存集管设计一样长或更长的时间周期。
【发明内容】
[0007]在本文中公开了一种形状优化集管，其包括可操作以用于收集流体的外壳；其中，该外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和管；其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。
[0008]在本文中公开了一种方法，其包括将管固定地附接到外壳；其中，外壳可操作以用于收集流体；其中，外壳的内径和/或壁厚随外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，管与外壳连通且可操作以将流体传递到外壳中。
【专利附图】
【附图说明】[0009]图1绘出目前市售的集管100 (在本文中也称为“比较集管”)的正视图和侧视图； 图2绘出了根据本发明的图1的比较集管的形状优化形式；
图4为绘出图2的集管200的示范实施例的正视图，其中例外在于外壳的截面面积以阶梯方式从第一端部206增大到第二端部208 ；
图5A示出了具有多个出口的集管100的比较构造(现有技术)；
图5B示出了根据本发明的具有多个出口的图5A的相同集管的形状优化构造；
图6A示出了具有中心T形件(central tee)的集管100的比较构造(现有技术)；
图6B示出了根据本发明的具有单个出口的相同集管200的形状优化构造；
图7A绘出了在管104接触图6A的外壳102的壁的点处的比较集管壁100的截面；且 图7B绘出了图6B的形状优化集管200的壁的截面图。
【具体实施方式】
[0010]现在，之后将参照附图来更完整地描述本发明，附图中示出了各种实施例。然而，本发明可体现为许多不同形式，且不应当看作是限于在本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例，以便本公开将为彻底的和完整的，且将本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。相似的参照标号表示所有相似的元件。
[0011]将理解的是，当元件称为“在”另一元件“上”时，其可直接地在另一元件上，或居间元件可存在于其间。相反，当元件称为“直接在”另一个元件“上”时，不存在居间元件。如本文使用的用语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或更多个的任何和所有组合。
[0012]将理解的是，尽管用语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种元件、构件、区域、层和/或区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段将不会由这些用语限制。这些用语仅用于将一个元件、构件、区域、层或区段与另一个元件、构件、区域、层或区段区分开。因此，下文所述的第一元件、构件、区域、层或区段可称为第二元件、构件、区域、层或区段，而不脱离本发明的教导。
[0013]本文所使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，且不意图进行限制。如本文使用的单数形式“一个”或“一种”和“该”意图还包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语“包括(comprise) ”和/或“包括(comprising) ”或“包含(includes) ”和/或“包含(including)”在用于本说明书中时，指定存在规定的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但并不排除存在或添加一个或更多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
[0014]此外，相对用语，诸如“下”或“底部”和“上“”或“顶部”可在这里用于描述如附图所示的一个元件与另一个元件的关系。将理解的是，相对用语旨在包含装置的除附图中绘出的定向之外的不同定向。例如，如果一个图中的装置倒置，则描述为在其它元件的“下”侧上的元件然后将定向为在其它元件的“上”侧上。因此，示范用语“下”可取决于附图的具体定向而涵盖“下”和“上”的定向两者。同样，如果一个附图中的装置倒置，则描述为在其他元件“下方”或“下面”的元件然后将定向在其它元件“上方”。因此，示范用语“下方”或“下面”可包含上方和下方的定向两者。
[0015]除非另外限定，则本文所使用的所有用语(包括技术和科学用语)都具有本发明所属领域的技术人员通常理解的相同意义。还将理解的是，诸如常用词典中限定的那些的用语应当理解为具有与在相关技术和本公开的上下文中的其意义一致的意义，且将不被理解为理想化或过于正式的意义，除非本文中明确地如此限定。
[0016]在本文中参照截面示图描述了示范实施例，截面示图为理想化的实施例的简图。因此，将预计到例如制造技术和/或公差引起的从示图的形状的变化。因此，本文所述的实施例不应当看作是限于本文所示的区域的特定形状，而是包括例如由制造引起的形状上的偏差。例如，示为或描述为平坦的区域通常可具有粗糙和/或非线性的特征。此外，示出的锐角可为圆角的。因此，附图中所示的区域在性质上为示意性的，且它们的形状不意图示出区域的精确形状，且不意图限制本权利要求的范围。
[0017]过渡用语“包括”涵盖诸如“基本由以下构成”或“由以下构成”的过渡用语。
[0018]在本文中公开的所有数字范围包括端点。此外，给定范围内的所有数字和数值(包括在本文中未明确指出的那些)理解为本质上包括在本发明内。本文中包括的所有数值能够互换。
[0019]本文公开了形状优化集管和相关导管(下文称为“形状优化集管”)，其具有针对集管操作期间遇到的局部操作应力和流体(例如，水、蒸汽和/或其它蒸气或流体)速度而优化的截面面积和壁厚。形状优化集管具有可变截面面积和/或壁厚的外壳。集管的外壳的特定部分的截面面积和/或壁厚与局部流动和局部应力成比例地变化，局部流动和局部应力由进入流体的集管中的累积流动和连接管的几何形状的组合引起，并且由外壳的该特定部分中的进入流体的流体速度和/或化学成分引起。形状优化集管以一种方式设计成以便仅在集管遇到较高应力(由进入管的几何形状引起)和流体速度的那些局部部分中具有较大的截面面积和可能较大的壁厚(大于同一集管的其它截面面积和壁厚)。
[0020]外壳的经历比接近于出口的那些低的流体速度的那些区段具有比如图1绘出的以常规方式设计的外壳的对应截面面积和壁厚小的截面面积和壁厚。
[0021]所得的形状优化集管可取决于操作期间遇到的局部应力和流体速度而具有许多截面面积和壁厚。在一个实施例中，形状优化集管还可取决于不同区段中遇到的流体的化学性质来使用不同构造材料。形状优化集管可由特殊材料制成，该特殊材料比图1中绘出的集管中使用的那些更昂贵，但由于优化的设计，故成本可低于如果图1的集管由相同特殊材料构成的情况。
[0022]这些形状优化集管的有利之处还在于，它们使用工厂中的较少占地面积和体积空间，且可在操作中使用与以图1中绘出的方式设计的集管一样长或更长的时间段。
[0023]图2绘出了图1的比较集管的形状优化型式。在图2中，形状优化集管200包括外壳202 (为锥形截面形式)，外壳202具有圆形截面内径，该内径其从最小直径值Cl1 (在应力和/或流体流速最低的端部处)变到相对端部(在此应力和/或流体流速最大)处的最大直径值d2。壁厚也从最小壁厚(在应力和/或流体流速最低的端部处)变到相对端部(在此应力和/或流体流速最大)处的最大壁厚t2。
[0024]集管200包括第一端部206和与第一端部206相对的第二端部208。第一端部206相对于外界密封(即，来自外界的流体不可经由第一端部206进入或离开外壳202)，而第二端部208与允许集管200抽空至外界的出口端口(未示出)连通。尽管图2绘出了从第一端部206到第二端部208的集管截面面积的平稳线性变化和壁厚的平稳线性变化，但还可使用其它变型。例如，根据局部应力和/或进入集管中的流体流速，截面面积或厚度中的任一者的变化可为非线性的(例如，曲线、根据指数函数或样条函数变化、以不连续方式随机变化、或它们的组合)。集管200的内表面218或外表面220可为连续变化的表面，或其可为不连续变化的表面(即，一个具有类似阶梯函数的变化)，或其可为它们的组合。
[0025]在一个实施例中，外壳的直径和/或壁厚的增大与集管的不同区段中经历的压力的局部增大成比例，且可由等式(I)表示如下:
【权利要求】
1.一种形状优化集管，包括: 外壳，其可操作以用于收集流体；其中，所述外壳的内径和/或壁厚随所述外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；和 管；其中，所述管与所述外壳连通且可操作以将流体传递到所述外壳中。
2.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的截面面积和/或壁厚从所述外壳中的较低压力和/或较低流体流速的区域逐渐增大至较高压力和/或较高流体流速的区域。
3.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的一部分的内径与所述外壳的该部分中的局部压力成正比。
4.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁的一部分的壁厚与所述外壳的该部分的流体流速成正比。
5.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化或壁厚变化与所述外壳中经历的局部压力变化成比例，且由等式(Ia)确定:
6.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化或壁厚变化与所述外壳中经历的流体流速变化成比例，且由等式(2a)确定:
7.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的内径变化和/或壁厚变化与所述外壳中经历的应力变化成比例，且由等式(5)确定:
8.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述形状优化集管还包括出口，所述出口用于排出收集在所述集管中的流体。
9.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述内径的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是连续的。
10.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁厚的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是连续的。
11.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述内径的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是不连续的。
12.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的壁厚的增大从较低压力的区域到较高压力的区域是不连续的。
13.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述形状优化集管还包括多个出口，所述多个出口可操作以排出收集在所述集管中的流体。
14.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳的接触所述管的区段的壁厚增大。
15.根据权利要求1所述的形状优化集管，其特征在于，所述外壳具有锥形截面形状。
16.—种方法,包括: 将管固定地附接于外壳；其中，所述外壳可操作以用于收集流体；其中，所述外壳的内径和/或壁厚随所述外壳中的压力变化和/或流体流速变化而变化；并且其中，所述管与所述外壳连通且可操作以将流体传递到所述外壳中。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述外壳铆接在一起或焊接在一起。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述管焊接于所述外壳。
【文档编号】F28F9/02GK104024731SQ201180075748
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2011年12月21日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】I.J.佩兰 申请人:阿尔斯通技术有限公司