УЗЕЛ ТРУБОПРОВОДА С ОТВЕТВЛЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК F16L41/02 

Изобретение относится к области машиностроения и касается конструкции неразъемного соединения трубы с отводом или тройника.

Известен узел неразъемного соединения труб (авт. св. N 1638430, кл. F 161 L 41/00, опубл. в бюл. N 12 30.03.91), используемый в разветвленных трубопроводах, испытывающих воздействие вибрационных и изгибающих нагрузок. Но конструктивное использование его направлено не на снижение уровня вибрации, а на повышение вибропрочности конструкции путем повышения ее жесткости созданием участков овальности с определенной длиной этих участков и расположением.

Наиболее близким конструктивным решением, влияющим на степень деформации потока и принятым за прототип, является узел трубопровода с ответвлением (авт. св. N 1337604, кл. F 16 L 41/02, опубл. в бюлл. N 34 за 1987 г). Ответвление выполнено по типу тройника с входным и двумя выходными сечениями. Осевые линии выполнены изогнутыми по внутреннему и внешнему радиусу, благодаря чему происходит снижение уровня шума и вибрации и коэффициента гидравлического сопротивления путем исключения вихреобразования. Однако конструкция этого трубопроводного элемента не является гидравлически оптимальной. Течение жидкости в этом узле будет сопровождаться образованием водоворотных зон, характеризоваться повышенной турбулентностью и, как следствие, достаточно высокой интенсивностью износа, повышенными уровнями виброакустических характеристик и гидравлического сопротивления. В то же время на прямых участках трубопроводов, где поток стабилен и водоворотные зоны отсутствуют, все указанные характеристики на порядки ниже.

Задачей изобретения является повышение долговечности трубопроводных элементов (отводов, тройников), снижение их виброакустических характеристик и гидравлического сопротивления.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном узле трубопровода с ответвлением, например в виде отвода или тройника, содержащем в зоне ответвления участки изогнутости, новой является совокупность выполнения поперечных сечений участков изогнутости в форме эллипса с постоянным значением величины малой оси эллипса, равной начальному диаметру трубопровода, и изменяемой в диапазоне текущей угловой координаты от 0 до 90^o большой осью, расположенной вдоль направления радиуса гиба, с образованием карманов по направлению потока.

Заявляемое конструктивное исполнение элементов трубопровода является оптимальной формой проточной части трубопроводных элементов, обеспечивающей плавный безотрывный поток при различных схемах течения (отвод, тройник). Это приводит к существенному понижению интенсивности износа трубопроводов, уменьшению их вибрации, воздушного шума и гидравлического сопротивления.

На фиг. 1, 3 6 схематично представлен узел трубопровода для различных вариантов течения жидкости, на фиг. 2 формы сечения поверхности канала в зоне ответвления.

Узел трубопровода представляет собой основную трубу 1 (фиг. 1) с ответвлением 2 под углом 90^o. В районе неразъемного соединения имеется участок изогнутости 3 с образованием карманов 4, 5, втянутых и выступающих соответственно. Поперечное сечение участка изогнутости 3 имеет форму эллипса (фиг. 2) с постоянным значением малой оси 6, равной начальному диаметру трубопровода d и изменяемой большой осью 7, расположенной по направлению радиуса гиба r₂.

Изменение требуемых значений наружного и внутреннего радиусов r_нт и r_вт происходит неравномерно и зависит от угла погиба θ, радиуса гиба r_г, диаметра трубопровода d и текущей угловой координаты v, т.е. r_нт, r_вт= f(θ,r_г,d,Φ). Изменение значений r_нт и r_вт для угла погиба θ = 90^° может быть описано следующими зависимостями


(На чертеже угол погиба θ показан для примера 90^o).

В связи с этой неравномерностью изменения r_нт и r_вт центральная ось X-X эллипсов сечения имеет смещение E относительно оси ординат:
E r_г r₂ (r_нт r_вт r_н + r_в)/2,
где r_в и r_н соответственно внутренний и наружный радиусы стандартного канала;
r_гт требуемый радиус гиба.

Трубопровод может иметь ответвление 2 типа тройник. На чертежах фиг. 3 - 6 представлены тройники с различными вариантами течения жидкости (a,β,γ - направления течения) и различным размещением участков изогнутости 3. Течение жидкости в стандартных тройниках с присоединением отростка под углом 90^o сопровождается образованием водоворотных зон и значительной турбулизацией потока. В предлагаемых конструкциях тройников с гидравлически оптимальными формами отросток (патрубок g) присоединен к основному трубопроводу плавно без образования острых углов, изменена форма основного канала (патрубки a и β, что в целом обеспечивает безотрывность течения при различных схемах работы тройников и диаметрах от 32 до 1000 мм.

Текущие значения радиусов r_i будут зависеть от угла присоединены отростков q, радиуса сочленения отростка и основной трубы r₂, диаметров патрубков d_α, d_β, d_γ, соотношения диаметров отростка и основной трубы d_γ/d_α,β для неравнопереходных тройников и текущей угловой координаты v, т.е.

r_i= f(θ,r_г, d_α, d_β, d_γ, d_γ/d_α,β,Φ).
Поперечные сечения патрубков в районе присоединения отростка (в зоне изогнутости) будут иметь форму эллипса с изменяемой большой осью и постоянным значением малой оси, равной начальному диаметру трубопровода. Предлагаемая форма проточной части позволяет минимизировать вихреобразование, а также уровни турбулентности в потоке, протекающем через тройник.

Примеры конкретного выполнения участков изогнутости (их размеров) приведены в таблице.

Технико-экономическая эффективность заявляемого решения заключается в уменьшении интенсивности износа трубопроводов, снижении уровней шума и вибрации, гидравлического сопротивления их. Использование в трубопроводах элементов с улучшенными эксплуатационными характеристиками позволит повысить долговечность трубопроводов, уменьшить объем, сроки и стоимость их ремонтов, обеспечить более высокий уровень обитаемости помещений, в которых размещены трубопроводы.

Возможно применение таких трубопроводных элементов в машиностроении, судостроении, в трубопроводах тепловых, гидравлических атомных электростанций, нефтяной, газовой, нефтехимической промышленности и т.д.

Предлагаемые элементы трубопроводов изготавливаются литьем или штамповкой без соединительных элементов.

Использование: в области машиностроения, в частности в конструкциях неразъемного соединения трубы с отводом или в конструкциях тройников. Сущность: поперечные сечения узла трубопровода с ответвлением на участках изогнутости имеют форму эллипсов с постоянным значением величины малой оси эллипса, равной начальному диаметру трубопровода, изменяемой в диапазоне текущей угловой координаты от 0^o до 90^o большой осью, расположенной вдоль направления радиуса гиба, с образованием карманов по направлению потока. 6 ил. 1 табл.

Узел трубопровода с ответвлением, например в виде отвода или тройника, содержащий в зоне ответвления участки изогнутости, отличающийся тем, что поперечные сечения участков изогнутости имеют форму эллипса с постоянным значением величины малой оси эллипса, равной начальному диаметру трубопровода, изменяемой в диапазоне текущей угловой координаты от 0 до 90^o большой осью, расположенной вдоль направления радиуса гиба, с образованием карманов по направлению потока.