СТАБИЛИЗАТОР ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F16L55/04 

Изобретение относится к средствам пневмогидравлической техники и может быть использовано в трубопроводах малого диаметра исполнительных устройств систем автоматики, гидросистем корректирующих двигательных установок, импульсных трубках контрольно-измерительных приборов с целью гашения гидроударов, колебаний давления, вызываемых работой нагнетательных установок и запорной арматуры, а также устранения резонансных явлений.

Известны устройства, предназначенные для уменьшения интенсивности гидроударов и пульсаций давления рабочей среды в трубах, в частности, для предотвращения аварийных ситуаций в резонансных частотах. Наибольшая эффективность присуща стабилизаторам давления [1], принцип работы которых основан на изменении параметров трубопроводной системы - податливости и приведенного гидравлического сопротивления - при использовании диссипативных элементов в виде распределенных по длине стабилизатора перфорационных отверстий и демпфирующих камер из упругого материала или газовых полостей. Указанным устройствам присуща ограниченная эффективность, что обусловлено особенностями конструктивного исполнения стабилизаторов: инерционность гидравлического тракта, сообщающего демпфирующие элементы с трубопроводной системой, отсутствие регулирования степени податливости демпфирующих элементов при больших амплитудах колебаний давления или изменении рабочего давления в трубопроводе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа гаситель колебаний давления и расхода [2] , включающий кожух, частично охватывающий центральный перфорированный трубопровод, и установленную коаксиально центральному трубопроводу внутри кожуха демпфирующую камеру, образованную упругой оболочкой с поперечным сечением в форме эллипса и сообщенную с полостью центрального трубопровода посредством перфорационных отверстий.

Недостатком указанного устройства является невозможность его использования при высоких рабочих давлениях в трубопроводе, а также при больших амплитудах колебаний давления, поскольку при этом необходимо увеличивать толщину стенки упругой оболочки, исходя из прочностных ограничений, что приводит к уменьшению податливости демпфирующей камеры.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства путем расширения диапазонов рабочих давлений и амплитуд колебаний давления при сохранении высоких значений объемной податливости.

Указанная цель достигается за счет того, что стабилизатор давления, содержащий присоединительные фланцы, кожух, охватывающий центральный перфорированный трубопровод и коаксиальную с ним демпфирующую камеру, образованную упругой оболочкой с поперечным сечением в форме эллипса, внутренняя полость которой через отверстия перфорации сообщена с центральным трубопроводом, снабжен пружиной в форме спиралевидного цилиндра с эллиптическим поперечным сечением, облегающего внутреннюю поверхность упругой оболочки. Для уменьшения изгибных напряжений при деформациях пружина в форме спиралевидного цилиндра может быть выполнена в виде вложенных друг в друга однослойных витков с нахлестом в области малой оси эллипса.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, а на фиг. 3 - тот же разрез, но с вариантом исполнения пружины в виде вложенных друг в друга однослойных витков.

Стабилизатор давления состоит из центрального трубопровода 1, соединенного посредством фланцев 2 с напорной магистралью. На центральном трубопроводе выполнены перфорационные отверстия 3, распределенные по его длине и периметру. Коаксиально центральному трубопроводу 1 установлена демпфирующая камера, образованная тонкостенной упругой оболочкой 4 из пружинной стали, герметизированной в области торцев с помощью уплотнительных колец 5. Внутренняя полость упругой оболочки 4, посредством перфорационных отверстий 3 на центральном трубопроводе 1 сообщена с напорной магистралью. Внешняя поверхность упругой оболочки 4 охвачена пружиной 6 в форме спиралевидного цилиндра с эллиптическим поперечным сечением, выполняемой из пружинной стали. Вышеперечисленные элементы и конструкции заключены в металлический цилиндрический кожух 7. Пространство между наружной поверхностью пружины 6 и кожуха 7 заполнено упругодемпфирующим материалом 8 (целлулоид, металлическая стружка, поливинилхлорид и т.п.).

Стабилизатор давления работает следующим образом. При поступлении рабочей среды из напорной магистрали через присоединительные фланцы 2 в центральный трубопровод 1 она через перфорационные отверстия 3 заполняет внутреннюю полость упругой оболочки 4. При повышении давления в центральном трубопроводе 1 происходит дополнительное перетекание рабочей среды через перфорационные отверстия 3 во внутреннюю полость упругой оболочки 4, которая при этом растягивается в поперечном сечении, воздействуя на витки пружины 6, которые также испытывают деформации растяжения и сжимают упругодемпфирующую набивку 8. При падении давления в центральном трубопроводе 1 упругая оболочка 4 под действием сил упругости со стороны витков пружины 6 и упругодемпфирующего материала 8 испытывает деформации поперечного сжатия, выдавливая рабочую среду через перфорационные отверстия 3 в полость центрального трубопровода, что способствует восстановлению давления в нем.

В обоих случаях обеспечивается диссипация энергии колебаний при протекании рабочей среды через распределенные по поверхности центрального трубопровода 1 перфорационные отверстия 3 с последующим упругим демпфированием колебаний за счет податливости упругой оболочки 4, пружины 6 и упругодемпфирующей набивки 8. Дополнительный эффект гашения достигается при рассеивании энергии колебаний за счет сил трения при скольжении витков пружины 6 друг относительно друга, а также относительно упругой оболочки 4 и упругодемпфрирующей набивки 8.

При значительных амплитудах колебаний давления увеличивается степень поперечного растяжения упругой оболочки 4 и соответственно витков пружины 6, при этом в области большой полуоси эллиптического сечения, где наибольшая кривизна витков, при перемещении их друг относительно друга могут возникнуть недопустимо большие напряжения. Для снижения изгибных напряжений при деформациях пружина 6 выполнена в виде вложенных друг в друга однослойных витков 9 с нахлестом в области малой полуоси.

Регулирование диапазона гасимых частот и степени снижения амплитуды колебаний достигается выбором длины и соотношения большой и малой полуосей упругой оболочки 4, количества витков пружины 6, размеров перфорационных отверстий 3 и суммарной площади перфорации, модуля упругости материала набивки 8.

Использование предлагаемого стабилизатора обеспечивает по сравнению с существующими аналогами следующие преимущества:
- наличие пружины в форме спиралевидного цилиндра с эллиптическим поперечным сечением и набивки из упругодемпфирующего материала позволяет уменьшить толщину стенок упругой оболочки и тем самым увеличить объемную податливость стабилизатора при функционировании в расширенном диапазоне рабочих давлений и амплитуд колебаний давления, исключив разрыв упругой оболочки;
- использование пружины в форме спиралевидного цилиндра, облегающего упругую оболочку с эллиптическим поперечным сечением, обеспечивает дополнительное рассеивание энергии колебаний за счет трения витков пружины друг о друга, а также относительно поверхности упругой оболочки и упругодемпфирующей набивки;
- изготовление пружины в виде вложенных друг в друга однослойных витков с нахлестом в области малой оси эллиптического поперечного сечения позволяет уменьшить изгибные напряжения при растяжении и повысить надежность конструкции.

Таким образом, использование заявляемого устройства позволяет улучшить демпфирующие и диссипативные свойства стабилизатора давления, расширить диапазон рабочих давлений и амплитуд гасимых колебаний при обеспечении высокой надежности работы.

Источники информации:
1. Стабилизация колебаний давления в трубопроводных системах энергетических установок. Р. Ф. Ганиев, Х.Н. Низамов, А.И. Чучеров, П.П. Усов. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993, стр. 26-33.

2. Авторское свидетельство СССР N 1753174, кл. F 16 L 55/04, 1992, Бюл. N 29 (прототип).

Стабилизатор предназначен для устранения гидроударов, колебаний давления, а также устранения резонансных явлений. Стабилизатор давления состоит из центрального трубопровода 1, соединенного посредством фданцев с напорной магистралью. На центральном трубопроводе выполнены перфорационные отверстия 3, распределенные по его длине и периметру. Коаксиально центральному трубопроводу 1 установлена демпфирующая камера, образованная тонкостенной упругой оболочкой 4 из пружинной стали, герметизированной уплотнительными кольцами 5. Внутренняя полость упругой оболочки 4 посредством перфорационных отверстий 3 на центральном трубопроводе 1 сообщена с напорной магистралью. Внешняя поверхность упругой оболочки 4 охвачена пружиной 6 в форме спиралевидного цилиндра с эллиптическим поперечным сечением, выполняемой из пружинной стали. Вышеперечисленные элементы конструкции заключены в металлический цилиндрический кожух 7. Пространство между поверхностями пружины и кожуха 7 заполнено упругодемпфирующим материалом 8. Для снижения изгибных напряжений при деформациях пружина 6 может быть выполнена в виде вложенных друг в друга однослойных витков 9 с нахлестом в области малой оси эллиптического сечения. Использование предлагаемого стабилизатора обеспечивает по сравнению с существующими аналогами преимущества: уменьшение толщины стенок упругой оболочки, то есть увеличение объемной податливости стабилизатора при функционировании при повышенных рабочих давлениях и амплитудах колебаний давления, снижение вероятности разрыва упругой оболочки, дополнительное рассеивание энергии колебаний за счет трения витков пружины друг о друга, а также относительно поверхности упругой оболочки и упругодемпфирующей набивки; уменьшение изгибных напряжений при растяжении и повышение надежности конструкции. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизатор давления, содержащий присоединительные фланцы, кожух, охватывающий центральный перфорированный трубопровод и коаксиальную с ним демпфирующую камеру, образованную упругой оболочкой с поперечным сечением в форме эллипса, внутренняя полость которой через отверстия перфорации сообщена с центральным трубопроводом, отличающийся тем, что он снабжен пружиной в форме спиралевидного цилиндра с эллиптическим поперечным сечением, облегающего внешнюю поверхность упругой оболочки. 2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что пружина в форме спиралевидного цилиндра выполнена в виде вложенных друг в друга однослойных витков с нахлестом в области малой оси эллипса.