Устройство гашения гидравлического удара и способ его применения Российский патент 2023 года по МПК F16L55/45 

Изобретение относится к гидравлике и может быть использовано в оборудовании для защиты трубопроводов от разрушения в результате действия импульсов давления в жидкости, сопровождающих гидравлический удар, возникающий при включении, работе и выключении насосов, открытии и закрытии клапанов, задвижек и других устройств.

Известен способ гашения волн при гидравлическом ударе, который заключается в том, что для уменьшения амплитуды при возникновении фронта ударной волны повышенного давления, одновременно формируют фронт ударной волны пониженного давления в коаксиально установленном трубопроводе, обеспечивают их взаимодействие через кольцевую щель и перепускают избыточное давление через пассивное сопло эжекторного насадка на удалении от места возникновения гидравлического удара, определяемом временем, превышающим фазу колебаний (патент на изобретение РФ № 2421654, опубл. 20.16.2011г.).

Известен способ гашения гидравлического удара и устройство для его осуществления (патент на изобретение РФ № 2037226, опубл. 19.06.1995г.). Данный способ гашения гидроудара предусматривает изменения гидравлического сопротивления проточной части и рассеивания энергии волны давления в потоке жидкостной среды, отличающийся тем, что проточную часть устройства для гашения гидроудара на входном и выходном его участках перекрывают, энергию волны между прерывателями потока рассеивают на перфорированных элементах, избыток жидкостной среды между прерывателями потока направляют в полость переменного объема, а полость между прерывателями потока разделяют на две гидравлически разообщенные полости.

Устройство для гашения гидроудара, содержит корпус и размещенный в нем прерыватель потока в виде нормально открытого клапана, отличающееся тем, что клапан выполнен в виде поворотных заслонок, установленных на сердечнике, соединенных между собой посредством упругой связи и установленных с возможностью разворота поперек потока и прилегания к упорным выступам при повышении давления в потоке выше заданного перед клапаном уровня, а устройство дополнительно снабжено установленными последовательно вдоль по потоку за клапаном диафрагмой с отверстием и уплотнительным элементом, размещенным вокруг отверстия, демпфирующим элементом, выполненным в виде неподвижного профилированного сердечника с канавками и опорным элементом на его входном участке, упорных элементов в виде продольных ребер жесткости и по крайней мере двух поворотных перфорированных лепестков, соединенных между собой посредством упругого элемента и установленных на шарнирах, размещенных в канавках сердечника, и дополнительным прерывателем потока, выполненным в виде поворотных лепестков, соединенных между собой посредством упругой связи и установленных на сердечнике демпфирующего элемента с возможностью разворота поперек потока и прилегания к дополнительным продольным ребрам жесткости при повышении давления в потоке за перфорированными лепестками выше заданного уровня, при этом корпус дополнительно снабжен направляющей втулкой и направляющими элементами качения, сердечник клапана установлен с возможностью осевого перемещения во втулке и между направляющими элементами качения и подпружинен относительно корпуса, а со стороны выходного торца сердечник снабжен полостью с подпружиненным поршнем и уплотнительным фланцем, взаимодействующим с уплотнительным элементом диафрагмы в крайнем правом своем положении.

В результате патентных исследований также выявлены следующие технические решения, относящие к данной области техники: EP 0971164, WO 2019042637, CN 114962845, CN 111448418, WO 2002042677, DE 000010215846, CN 11100131516, CN 1113294589, KR 10201140452, KR 1020200083868.

В результате сопоставительного анализа существенных признаков наиболее близкими техническими решением является устройство, которое содержит полый цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого соосно размещен дополнительный цилиндрический корпус, выполненный в виде стакана с образованием кольцевой камеры между стенкой корпуса и стенкой стакана, корпус снабжен дросселем в виде отверстия расположенного после входного патрубка и регулируемым дросселем, который соединяет кольцевую камеру и внутренний объем дополнительного цилиндрического корпуса (Т.М. Башта. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. Москва. Машиностроение. 1972 г., стр. 113). Вместе с тем, известное устройство, содержащее два дросселя, предназначено только для регулирования расхода жидкости при прохождении потока рабочей жидкости через задающий и регулируемый дроссели при разделении объема устройства на две гидравлически разобщенные полости, работает вне зависимости от перепада давлений и не применяется для гашения гидроудара.

Наиболее близким способом гашения гидроудара является способ снижения величины ударного давления в трубопроводах путем изменения гидравлического сопротивления проточной части устройства кольцевого типа, которое осуществляется за счет регулирования времени переключения на распределителе- дроссельном реле, которое осуществляют изменением сечения кольцевой камеры, через которую проходит жидкость, перемещением под действием пружины клапана конусной формы, установленного в кольцевой полости, при этом время переключения зависит от длины трубопровода- чем больше длина трубопровода, тем больше время переключения распределителя (Т.М. Башта и др. Объемные гидравлические приводы. Москва. Машиностроение. 1969г., стр. 100).

Недостатком известных технических решений является ограниченные функциональные возможности устройства, связанные запаздыванием срабатывания устройства за счет инерции и, как следствие, возникновение ударной волны.

Технической задачей заявляемого изобретения является сокращение времени запаздывания срабатывания устройства при перепаде давлений, предотвращая возникновение ударной волны.

Объединение двух технических решений в оду заявку обусловлено тем, что они решают одну техническую задачу и связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Техническая задача достигается тем, что заявляемое устройство гашения гидравлического удара содержит полый корпус, выполненный цилиндрическим, с входным и выходным патрубками и проточной частью, имеющей зону повышенного и пониженного давлений, в которой соосно корпусу размещен стакан с образованием кольцевой камеры между стенкой корпуса и стенкой стакана, находящегося в зоне пониженного давления, корпус снабжен задающим дросселем постоянного сечения в виде отверстия, расположенного после входного патрубка, и регулируемым дросселем переменного сечения, который соединяет кольцевую камеру и внутренний объем стакана, находящийся в зоне повышенного давления, отличающееся тем, что на торце стакана перпендикулярно потоку жидкости, установлена подвижная кольцевая пластина, которая по внутреннему диаметру заведена с зазором в канавку, образованную на внешней поверхности торца стакана, а по внешнему диаметру с зазором взаимодействует с наружной поверхностью кольцевой камеры и имеет возможность под действием перепада давления на задающем дросселе постоянного сечения изменять сечение регулируемого дросселя, причем подвижная кольцевая пластина выполнена упруго-деформируемой и делит полость корпуса на левую и правую полости, регулируемый дроссель выполнен в виде кольцевой прорези по внешнему диаметру правой полости, отверстие, которое выполнено после выходного патрубка расположено в торце стакана, а стенки стакана левой полости имеют проемы.

Техническая задача достигается также тем, что заявляется способ гашения гидравлического удара путем изменения гидравлического сопротивления в проточной части устройства между зонами повышенного и пониженного давлений и рассеивание энергии перепада давления в двух полостях, отличающийся тем, что изменение гидравлического сопротивления осуществляют размещением между зонами повышенного и пониженного давлений, перпендикулярно потоку жидкости, подвижной кольцевой пластины, выполненной из упругого- деформируемого материала с возможностью регулирования гидравлического сопротивления под воздействием перепада давления, причем период собственных колебаний пластины Т соответствует следующему условию:

Т < (t₁ - t₂)

где

Т- период собственных колебаний пластины;

(t₁ - t₂) - время нарастания перепада давлений.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что он отличается следующими признаками:

- на торце стакана, перпендикулярно потоку жидкости, установлена подвижная кольцевая пластина;

- кольцевая пластина по внутреннему диаметру заведена с зазором в канавку, образованную на внешней поверхности торца стакана, а по внешнему диаметру с зазором взаимодействует с наружной поверхностью кольцевой камеры;

- кольцевая пластина имеет возможность изменять сечение регулируемого дросселя под действием перепада давления за задающем дросселе;

- пластина выполнена упруго-деформируемой;

- кольцевая пластина делит полость корпуса на левую и правую полости;

- регулируемый дроссель выполнен в виде кольцевой прорези по внешнему диаметру правой полости;

- отверстие, которое выполнено после выходного патрубка, расположено в торце стакана,

- стенки стакана левой полости имеют проемы.

В заявляемом способе имеются следующие отличительные признаки:

- изменение гидравлического сопротивления осуществляют размещением между зонами повышенного и пониженного давлений, перпендикулярно потоку жидкости, подвижной кольцевой пластины;

- кольцевая пластина выполнена из упругого- деформируемого материала с возможностью регулирования гидравлического сопротивления под воздействием перепада давления;

- период собственных колебаний пластины Т соответствует следующему условию:

Т < (t₁ - t₂)

где

Т- период собственных колебаний пластины;

(t₁ - t₂) - время нарастания перепада давлений.

Поэтому можно предположить, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «новизна».

Заявляемый способ и устройство могут быть выполнены с использованием известного оборудования, поэтому они соответствуют критерию «промышленная применимость».

Пример применения заявляемого устройства для гашения гидравлического удара.

На Фиг. 1 представлены результаты моделирования процесса гашения гидравлического удара, где кривые расхода: при наличии заявляемого устройства (зелёного цвета) и при его отсутствии (серого цвета), а также, кривая падения давления (красного цвета), на Фиг. 2 схематично показано заявляемое устройство.

Заявителем было проведено моделирование заявляемого способа с помощью программы «HyDrawSim_v1.0» (регистрационный № 2009612645 в реестре РФ). Результаты моделирования представлены на Фиг. 1.

Результаты моделирования выявили высокое быстродействие заявляемого устройства: время переходного процесса до устойчивого ограничения расхода составило около 2 мсек. Заявляемое устройство начало реагировать, как только расход превысил величину настройки задающего дросселя. При этом, величина перерегулирования (превышение расхода над заданной величиной во время переходного процесса), на порядок меньше, чем величина расхода при отсутствии устройства, что значительно снижает гидравлический удар.

Другими словами, устройство реагирует с задержкой не более полупериода собственных колебаний. Так, типичное время нарастания давления во фронте волны гидроудара порядка 2..3 мсек. Собственная частота предлагаемого устройства составляет порядка 1,5 кГц. Т.е. время задержки реакции составляет менее 1 мсек. Таким образом, менее, чем через 1 мсек в заявляемом устройстве наступает положение равновесия, ограничивая расход жидкости заданной величиной.

При моделировании учитывались: инерция и сжимаемость рабочей жидкости (модуль упругости 1,7х10⁴ кгс/см²), при объёмном содержании нерастворённого воздуха до 5%.

В результате патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков, как по первому, так и по второму техническому решениям выявлена не была, поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Ниже приводятся технические данные устройства, которые были заданы при моделировании:

- кольцевая пластина - плоская шайба из листа толщиной 1,7 мм;

- материал кольцевой пластины - сплав ВТ6;

- наружный диаметр кольцевой пластины 80 мм;

- внутренний диаметр кольцевой пластины 38 мм;

- максимальная величина регулируемого зазора (при отсутствии расхода) h = 1,7 мм;

- период собственной частоты колебаний кольцевой пластины за счёт упругой деформации 7,17 х 10^-4сек;

- перепад давления (Δ p) составляет 400 бар. (Фиг. 1);

- задающий дроссель: отверстие диаметром 14 мм.

Устройство содержит полый корпус 1, имеющий цилиндрическую форму, с входным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса 1 соосно размещен дополнительный цилиндрический корпус, выполненный в виде стакана 4 и кольцевую камеру 5, образованную между стенкой 6 корпуса 1 и стенкой 7 стакана 4. Корпус 1 снабжен задающим дросселем постоянного сечения в виде дроссельного отверстия 8, расположенного после входного 2 патрубка в торце стакана 4, и регулируемым дросселем 9, который соединяет кольцевую камеру 5 и внутренний объем стакана 4. На торце стакана 4 установлена подвижная кольцевая пластина 10, которая по внутреннему диаметру заведена с зазором в канавку 11, образованную на внешней поверхности торца стакана 4, а по внешнему диаметру с зазором взаимодействует с наружной поверхностью кольцевой камеры 5 и имеет возможность изменять сечение регулируемого дросселя 9. Подвижная кольцевая пластина 10 делит полость корпуса 1 на левую 12 и правую 13 полости и имеет период собственных колебаний меньший, чем время нарастания перепада давлений. Регулируемый дроссель 9 выполнен в виде кольцевой прорези по внешнему диаметру правой полости 13, дроссельное отверстие 8 выполнено после выходного 3 патрубка расположено в торце стакана 4, при этом стенки стакана 4 левой полости 12 имеют проемы 14. Следует отметить, что подвижная кольцевая пластина 10 может быть выполнена, например, из нержавеющей стали, углепластика, пружинной стали, либо из любого другого материала, обладающего упругостью и усталостной прочностью, соответствующими конкретному случаю применения.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают в гидравлической линии (гидравлическая линия на рисунке не показана), которая работает следующим образом. Поршень силового гидроцилиндра доходит до упора. В момент остановки поршня насос гидросистемы продолжает нагнетать рабочую жидкость, из-за чего, давление в напорной полости гидроцилиндра (ёмкость 6 л.) повышается до 400 бар. Затем, запорный элемент (золотниковый распределитель) разъединяет напорную полость гидроцилиндра с насосом и соединяет её с линией слива (длина 2 м, внутренний диаметр 28 мм), соединённой с баком. Время срабатывания запорного элемента до полного открытия проходного сечения (5 см²) составляет 0,01 сек. При падении давления сжатая жидкость начинает расширяться и на входе в сливную линию формирует волну расхода, которая вызывает гидроудар в линии слива. Увеличить время срабатывания золотника для смягчения процесса, что было бы естественным, не представляется возможным. Для устранения гидроудара перед запорным элементом установлено заявляемое устройство, задающий дроссель которого, рассчитан на ограничение расхода до величины 300..350 л/мин., что соответствует производительности насоса.

При скачке давления в гидравлической линии фронт волны повышенного давления заходит в корпус 1 устройства через входной патрубок 2, при этом часть жидкости через проемы 14 попадает в левую полость 12, другая часть жидкости проходит через дроссельное отверстие 8 задающего дросселя в правую полость 13. Жидкость с двух сторон воздействует на подвижную кольцевую пластину 10, которая приходит в равновесное положение с учетом периода собственных колебаний, меньшего, чем время нарастания перепада давлений. При этом подвижная кольцевая пластина 10 отклоняется от вертикальной оси, причем её нижний торец остается в канавке 11 верхней поверхности стакана 4, а верхний торец частично перекрывает кольцевую прорезь 9 до величины h. Далее жидкость из полости 13 через кольцевую прорезь 9 попадает в кольцевую камеру 5 и выводится из устройства через выходной патрубок 3.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить быстродействие за счет сокращения времени задержки реакции срабатывания устройства, т.е. снизить его инерционность, а также предотвращает появление ударной волны, т.к. при таком быстродействии ударная волна не успевает возникнуть.

Изобретение относится к гидравлике и может быть использовано в оборудовании для защиты трубопроводов от разрушения в результате действия импульсов давления в жидкости, сопровождающих гидравлический удар, возникающий при включении, работе и выключении насосов, открытии и закрытии клапанов, задвижек и других устройств. Устройство гашения гидравлического удара содержит полый корпус 1 цилиндрической формы с входным 2 и выходным 3 патрубками, соосно внутри корпуса 1 размещен дополнительный цилиндрический корпус, выполненный в виде стакана 4, кольцевую камеру 5, образованную между стенкой 6 корпуса 1 и стенкой стакана 4. Корпус 1 снабжен задающим дросселем в виде дроссельного отверстия 8, расположенного в торце стакана 4, и регулируемым дросселем 9, который соединяет кольцевую камеру 5 и внутренний объем стакана 4. На торце стакана 4 установлена подвижная кольцевая пластина 10, которая по внутреннему диаметру заведена с зазором в канавку 11, образованную на внешней поверхности торца стакана 4, а по внешнему диаметру с зазором взаимодействует с наружной поверхностью кольцевой камеры 5 и имеет возможность изменять сечение регулируемого дросселя 9. Подвижная кольцевая пластина 4 делит полость корпуса 1 на левую 12 и правую 13 полости и имеет период собственных колебаний меньший, чем время нарастания перепада давлений. Регулируемый дроссель 9 выполнен в виде кольцевой прорези по внешнему диаметру правой полости 13. При скачке давления в гидравлической линии фронт волны повышенного давления заходит в корпус 1 через входной патрубок 2, при этом часть жидкости через проемы 14 попадает в левую полость 12, другая часть жидкости через дроссельное отверстие 8 проходит в правую полость 13, воздействуя с двух сторон на подвижную кольцевую пластину 10, которая приходит в равновесное положение с учетом периода собственных колебаний, меньшего, чем время нарастания перепада давлений. При этом подвижная кольцевая пластина 10 отклоняется от вертикальной оси, причем её нижний торец остается в канавке 11 верхней поверхности стакана 4, а верхний торец частично перекрывает кольцевую прорезь 9. Далее жидкость из полости 13 через кольцевую прорезь 9 попадает в кольцевую камеру 5 и выводится из устройства через выходной патрубок 3. Технический результат - повышение быстродействия за счет сокращения времени задержки реакции срабатывания устройства, предотвращение появления ударной волны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство гашения гидравлического удара, содержащее полый корпус, выполненный цилиндрическим, с входным и выходным патрубками и проточной частью, имеющей зону повышенного и пониженного давлений, в которой соосно корпусу размещен стакан с образованием кольцевой камеры между стенкой корпуса и стенкой стакана, находящегося в зоне пониженного давления, корпус снабжен задающим дросселем постоянного сечения в виде отверстия, расположенного после входного патрубка, и регулируемым дросселем переменного сечения, который соединяет кольцевую камеру и внутренний объем стакана, находящийся в зоне повышенного давления, отличающееся тем, что на торце стакана перпендикулярно потоку жидкости установлена подвижная кольцевая пластина, которая по внутреннему диаметру заведена с зазором в канавку, образованную на внешней поверхности торца стакана, а по внешнему диаметру с зазором взаимодействует с наружной поверхностью кольцевой камеры и имеет возможность под действием перепада давления на задающем дросселе постоянного сечения изменять сечение регулируемого дросселя, причем подвижная кольцевая пластина выполнена упругодеформируемой и делит полость корпуса на левую и правую полости, регулируемый дроссель выполнен в виде кольцевой прорези по внешнему диаметру правой полости, отверстие, которое выполнено после выходного патрубка, расположено в торце стакана, а стенки стакана левой полости имеют проемы.

2. Способ гашения гидравлического удара, заключающийся в изменении гидравлического сопротивления в проточной части устройства между зонами повышенного и пониженного давлений и рассеивании энергии перепада давлений в двух полостях, отличающийся тем, что изменение гидравлического сопротивления осуществляют размещением между зонами повышенного и пониженного давлений перпендикулярно потоку жидкости подвижной кольцевой пластины, выполненной из упругодеформируемого материала с возможностью регулирования гидравлического сопротивления под воздействием перепада давления, причем период собственных колебаний пластины Т соответствует следующему условию:

Т < (t₁ – t₂),

где

Т - период собственных колебаний пластины;

(t₁ – t₂) – время нарастания перепада давлений.