Устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды Советский патент 1992 года по МПК F16L55/04 

сл

С

Изобретение относится к гидравлике и может быть использовано в пневмогидрав- лических системах и трубопроводах для гашения пульсаций давления рабочей среды. Устройство состоит из участка перфорированного трубопровода, корпуса с газовой полостью, отделенной от рабочей среды упругой мембраной. Газовая полость устройства разделена на секции тороидальной формы. Устройство снабжено трубопроводами с обратными клапанами, при этом первая секция сообщена с второй и третьей трубопроводом, на котором установлены обратные клапаны у первой и третьей секций. Последняя секция сообщена с первой дополнительным трубопроводом с обратным клапаном. Давление газа в секциях не меньше давления рабочей среды в трубопроводе. Устройство отличается высокой эффективностью гашения пульсаций давления, надежностью в эксплуатации и может быть использовано в различных системах и с различными рабочими средами. 4 ил.

Изобретение относится к гидравлике и может быть использовано в пневмогидрав- лических системах и трубопроводном транспорте для гашения пульсаций давления рабочей среды.

Известен гаситель гидравлических ударов для трубопроводов. Гаситель содержит сосуд, который нагружается давлением, действующим в трубопроводе. В рабочем состоянии одна часть сосуда заполнена жидкостью, а другая - газовой подушкой, отделенной от жидкости упругой газонепроницаемой мембраной, которая снабжена питающей линией, ведущей наружу через стенку сосуда. Объем сосуда составляет по крайней мере 1 % предохраняемого участка трубопровода, разделен по меньшей мере на два сосуда, работающих под давлением независимо один от другого. Сосуды связаны, каждый, отдельной подводящей линией

с несущим трубопроводным участком, через который непосредственно проходит поток жидкости. Внутренний диаметр указанного участка по меньшей мере равен внутреннему диаметру трубопровода. Сосуды жестко связаны с участком трубопровода и/или между собой дополнительными крепежными элементами. Линии подвода к упругим диафрагмам в сосудах снабжены, каждая, зарядным клапаном и манометром.

Недостатками такого гасителя гидравлических ударов являются сложность и громоздкость конструкции, ограниченный круг применения - только в трубопроводах, нагруженных давлением. Наличие соединительной магистрали между основной трубой и каждым из сосудов требует принятия специальных мер против возникновения резонансных явлений и против механических повреждений.

ю сл

О О СЛ

Известен демпфер пульсаций давления жидкости. Демпфер включает диафрагму, разделяющую две камеры демпфера, одна из которых (центральная) соединяется с нагнетательным трубопроводом, а другая (пе- риферийная) заполняется сжатым газом (азотом) с давлением, примерно вдвое меньшим, чем давление жидкости в линии нагнетателя, имеющую форму кольца. Края диафрагмы зажимаются между корпусными деталями демпфера и краями специальной втулки, которая располагается соосно с диафрагмой и на которую эта диафрагма может ложиться. Во втулке выполнен ряд отверстий и прорезей для прохода жидко- сти. При пульсациях давления диафрагма раздувается в радиальном направлении и вновь ложится на втулку.

Однако наличие в газовой камере давления газа вдвое ниже, чем в трубопроводе, приводит к тому, что мембрана постоянно находится в нагруженном состоянии, а это отрицательно сказывается на ее надежности.

Расположение мембраны вне прямого потока жидкости не позволяет использовать ее вязкоупругих свойств для снижения частоты и амплитуды энергонесущих волн пульсаций давления.

Наличие центральной камеры, соеди- ненной с трубопроводом, требует принятия специальных мер по предотвращению возможности возникновения резонансных явлений. Известно предохранительное устройство для полого тела с внутренним скачком давления,позволяющее гасить пульсации давления в трубопроводах. Предохранительное устройство состоит из полого тела, одной или нескольких полостей, заполненных газом. Для профилактики дав- ление в газовых полостях повышается с помощью скачков давления. В защитных камерах инертный газ, в частности гелий, находится в продольных секционированных отделениях, например трубчатых. Такие га- зосодержащие предохранительные устройства могут быть снаружи на стенке полого тела. Они содержат мембраны или подобные элементы различной прочности, сжимаемые изнутри при скачках давления.

Однако секционированная трубчатая конструкция газосодержащих элементов существенно усложняет конструкцию всего устройства и затрудняет его эксплуатацию.

Применение в этом устройстве мемб- ран различной прочности отрицательно сказывается на надежности всего устройства,

Скачкообразное повышение давления требует применения дополнительных мер по защите и устройства, и полого тела от

динамических нагрузок, возникающих при скачках давления.

Наиболее близким к предлагаемому является гаситель пульсаций давления, состоящий из корпуса с подводящим и отводящими штуцерами, в котором установлен перфорированный трубопровод и охва- тывающая его эластичная мембрана. Эластичная мембрана выполнена с поперечным сечением, уменьшающимся по направлению потока. Отверстия перфорации трубопровода выполнены коническими. Мембрана снабжена коническими запорными элементами, закрепленными на ней большими основаниями с возможностью взаимодействия с отверстиями для прохода жидкости и с образованием своими меньшими основаниями с внутренней поверхностью трубопровода профиля одного диаметра.

Недостатками известного гасителя пульсаций давления являются:

а)гашение пульсаций давления происходит за счет деформации мембраны, которая отделена от основного потока жидкости перфорированной трубой. Это снижает эффективность использования гасящих свойств мембраны;

б)эффективность гашения пульсаций давления определяется величиной отверстия перфорации трубопровода, так как этот параметр определяет количество жидкости, поступающей к мембране;

в)исполнение мембраны с поперечным сечением, уменьшающимся по направлению потока, отрицательно сказывается на надежности гасителя;

г)неравномерный износ мембраны приведет к тому, что запорные элементы конической формы выйдут из взаимодействия с соответствующими отверстиями.

Целью изобретения является повышение эффективности гашения пульсаций давления в трубопроводах,

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для гашения пульсаций давления рабочей среды, содержащем установленный на участке перфорированного трубопровода корпус с газовой полостью, отделенной от рабочей среды упругой мембраной, газовая полость разделена на секции тороидальной формы, а само устройство снабжено трубопроводами с обратными клапанами, при этом первая секция сообщена с второй и третьей трубопроводом, на котором установлены обратные клапаны у первой и третьей секции, а последняя сообщена с первой секцией дополнительным трубопроводом с

обратным клапаном, давление в секциях не меньше давления среды в трубопроводе.

Явление снижения уровня турбулентных пульсаций давления с помощью или вязкоупругих, ил и упругих тел, помещенных в турбулентный поток, широко известно в современной технике. Доказано, что стенки каналов, форма которых задается воздействием извне, существенным образом влияют на затухание турбулентных пульсаций давления в каналах. Применение податливых стенок позволяет снизить уровень турбулентных пульсаций давления до 40% (2Б120ДЕП). Это свойство используется в предлагаемом устройстве путем непосредственного размещения мембран в соприкосновении с потоком рабочей среды, а также созданием давления в секциях газовой полости не меньшего давления рабочей среды. Перетекание газа из одной секции в другую под действием пульсаций давления, воздействующей на одну из мембран, приводит к изменению формы остальных мемб- ран. Подверженные воздействию пульсации давления мембраны прогибаются, что приводит к расширению проходного сечения канала, а остальные выгибаются и уменьшают проходное сечение этого канала. Таким образом, осуществляется воздействие на турбулентный поток в нескольких местах одновременно. При создании давления в секциях, отличного от давления, действующего в трубопроводе, порядок изменения формы мембран нарушается, что приводит к снижению эффективности гашения пульсаций давления.

На фиг. 1 представлено устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды в случае применения его на трубопроводе, продольное сечение; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - устройство в случае применения его на вертикальном цилиндрическом резервуаре (цифро-буквенное обозначение введено для второй тройки секций аналогичного назначения); на фиг. 4 схематично изображено устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды и графики изменения давления в секциях газовой полости при прохождении пульсации давления через устройство (пунктирной линией на графиках показано значение амплитуды пульсаций давления при прохождении соответствующей секции газовой полости).

Устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды состоит из трубопровода 1 (резервуара на фиг. 3) и газовой полости, разделенной на секции: первую 2, вторую 3 и третью 4. Секции 2, 3 и 4 отделены от внутренней полости трубопровода

мембранами, соответственно 5, 6 и 7. Секции 2,3 и 4 надуты газом до давления Р0, не меньшего давления в трубопроводе. Равенство давлений с обеих сторон мембран 5, 6

и 7 обеспечивает не нагруженное состояние этих мембран в установившемся режиме. Это позволяет увеличить чувствительность устройства к пульсациям давления и продлить срок службы мембран. Секция 2 соединена с секцией 4 двумя трубопроводами 8 и 9. Трубопровод 8 оснащен двумя обратными клапанами 10 и 11. Клапан 10 обеспечивает выход газа из секции 2, а клапан 11 - поступление газа в третью секцию 4. Вторая секция 3 подключена к трубопроводу 8 между обратными клапанами 10 и 11 с помощью трубопровода 12. Трубопровод 9 оснащен обратным клапаном 13, который обеспечивает проход газа из секции 4 в секцию 2. Максимальный прогиб мембран 5, б и 7 под действием пульсаций давления ограничивается корпусами 14, 15 и 16 секций 2, Зи4.

На фиг. 4 приняты следующие обозначения:

ti; 12; ta - время прихода пульсаций давления соответственно в первую, вторую и третью секции газовой полости;

At , At - время прохождения

пульсацией давления соответственно первой, второй, третьей секций;

Ati , At2 - время прохождения пульсацией давления расстояний соответственно между первой и второй секциями и между

второй и третьей секциями;

Ро - установившееся давление в трубопроводе;

APi , ДР2 , ЛРз - величина уменьшения амплитуды пульсаций давления после

прохождения ею соответственно первой, второй и третьей секций газовой полости.

Устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды работает следующим образом.

в установившемся режиме при давлении в секциях 2, 3 и 4, равном давлению в трубопроводе, мембраны 5, 6 и 7 находятся в недеформированном состоянии и воздействие их на поток жидкости минимальное

(только за счет поверхностного трения). Прохождение пульсаций давления малой амплитуды вызывает малые колебания мембран 5, 6 и 7. При этом существенного изменения проходного сечения трубопровода 1

не происходит в силу инерционности мембран, газа, заполняющего секции, а также в силу сжимаемости этого газа. Таким образом происходит рассеивание энергии таких пульсаций.

Работу устройства при прохождении пульсаций давления с большой амплитудой удобно рассматривать с использованием графиков, представленных на фиг. 4. На первом графике показано изменение давления в секции 2, на втором в секции 3, на третьем в секции 4 при прохождении пульсации давления через устройство. На четвертом графике показано изменение амплитуды пульсации давления в трубе.

Пусть в момент времени ti на вход устройства поступает пульсация давления с амплитудой Р, превосходящей значение Ро, и достигает первой секции 2. Для простоты рассмотрения будем считать, что пульсация давления имеет прямоугольный фронт. С этого момента начнется прогиб мембраны 5 и вытеснение газа из секции 2, Этот газ через обратный клапан 10 по трубопроводу 8 и трубопроводу 12 устремится в секцию 3 и секцию 4. Обратный клапан 11 обеспечит поступление газа в секцию 4 и предотвратит выход газа из нее в обратном направлении. Прогиб мембраны 5 будет продолжаться до тех пор, пока либо давление пульсации давления в трубопроводе 1 не уравновесится давлением за мембраной 5, либо эта пульсация не пройдет участок трубопровода, занятый мембраной 5. В любом случае этот процесс приведет к рассеиванию энергии пульсации давления.

Возможен случай, когда давление пульсации столь велико, что деформация мембраны достигнет предельных значений, Разрыв мембраны в этом случае можно предотвратить конструктивным исполнением корпуса 14 этой секции 2. Разрыва не произойдет, если мембрана 5 ляжет на внутреннюю поверхность корпуса 14.

За время прохождения пульсацией давления мембраны 5 Дт давление в секции 2 достигнет значения PL Такое же давление из-за перетекания газа установится и в секции 3. Одновременно начнется рост давления в секции 4, Рост давления в секциях 3 и 4 вызовет деформацию мембран 6 и 7 навстречу потоку, что приведет к уменьшению проходного сечения трубопровода 1 и росту его гидросопротивления. При этом прогиб мембраны 6 будет больше прогиба мембраны 7 в силу разного их пространственного расположения, а также инерционных свойств газа и самих мембран. Увеличение гидросопротивления приведет к интенсификации рассеивания энергии пульсации давления и снижению его амплитуды на величину Д PL

После прохождения секции 2 пульсацией давления произойдет закрытие обратного клапана 14 и мембрана 5 вернется в

исходное положение. Этому процессу будет способствовать перетекание газа из секции 4 по трубопроводу 9 с обратным клапаном 13 в секцию 2.

5За время движения пульсации давления

с амплитудой (Р- Д Pi) от секции 2 к секции 3 Дц давление в секции 3 изменится с Pi до 2 за счет перетекания газа по трубопроводам 12 и 8 в секцию 4. Процесс будет 10 происходить до выравнивания давления в этих секциях. В момент времени t2 пульсация давления достигнет секции 3, начнется прогиб мембраны 6 и вытеснение газа из секции 3. Нагнется рост давления в секциях 15 3 и 4. За время прохождения пульсацией

I

давления мембраны 6 At давление в обеих секциях достигнет значения Рз, а амплитуда пульсации давления уменьшается на

0 величину Д Ра за счет рассеивания энергии пульсации давления на вытеснение газа из секции 3 в секцию 4 и на деформацию мембран 6 и 7. После прохождения пульсацией давления мембраны 6 секции 3 она вернется

5 в исходное положение. При этом давление в секции 3 выровняется с давлением в трубе 1, секции 2, так как секция 2 связана с секцией 3 трубопроводом 8 с клапанами 10 и 12. Одновременно в секции 4 будет проис0 ходить понижение давления за счет оттока газа по магистрали 9 с обратным клапаном 13.

За время прохождения скачком давления расстояния между секциями 3 и 4 Д t2 и

5 к моменту времени 1з давление в секции 4 достигнет значения РА, меньшего Рз. Начнется процесс прогибания мембраны 7 в противоположную сторону и вытеснение газа из секции 4 по магистрали 9 с обратным

0 клапаном 13, Этот процесс будет сопровождаться ростом давления s секции 4. Процесс

in будет продолжаться время Д: - время

прохождения пульсацией давления мембра- ,- ны 7. В результате этих процессов произойдет дальнейшее рассеивание энергии пульсации давления и уменьшение его амплитуды на величину ДРз. Таким образом, за время прохождения пульса- Q цией давления устройства для гашения пульсаций давления рабочей среды

(Дм+Дг +At + At2+At ) ее амплитуда уменьшается до величины (Р- ДРг-ДРа- ДРз) Р. 5 Перетекание газа из одной секции в другую вызывает деформацию мембран навстречу потоку, что приводит к изменению проходного сечения трубы 1, Этот процесс аналогичен установке в трубопроводе управляемого дросселя. Разница заключается лишь в том, что инерционность прогиба мембран под действием перетекающего газа больше, чем в первом случае. Эта особенность устройства повышает плавность воздействия на турбулентный поток и не приводит к росту динамических нагрузок в трубопроводе.

Таким образом, предлагаемое устройство для гашения пульсаций давления рабо- чей среды позволяет добиться повышения эффективности гашения пульсаций давления в сравнении с известными. При этом устройство обладает следующими преимуществами:

1)воздействие осуществляется непосредственно на поток рабочей среды;

2)гашение энергии пульсации давления происходит не только за счет однонаправленной деформации мембран. В данном устройстве направление деформации определяется местоположением пульсации давления в устройстве;

3)перетекание газа из секции в секцию позволяет многократно воздействовать на поток;

4)создание в секциях давления, близкого к давлению в трубопроводе позволяет повысить чувствительность устройства к пульсациям давления малых амплитуд, по2. W в3

- А

высить срок службы мембран и обеспечить разнонаправленность их деформации под действием газа и рабочей среды ;

5) устройство обладает в установившемся режиме малым гидросопротивлением ввиду отсутствия местных гидросопротивлений.

Перечисленные достоинства предлагаемого устройства позвбляют сделать вывод о применимости устройства в различных системах и для различных рабочих сред.

12

Формула изобретения Устройство для гашения пульсаций давления рабочей среды, содержащее установленный на участке перфорированного трубопровода корпус с газовой полостью, отделенный от рабочей среды упругой мембраной, отличаю ще ее я тем, что, с целью повышения эффективности гашения пульсаций давления, газовая полость устройства разделена на секции тороидальной формы, а устройство снабжено трубопроводами с обратными клапанами, при этом первая секция сообщена со второй и третьей трубопроводом, на котором установлены обратные клапаны у первой и третьей секции, а последняя сообщена с первой секцией допол- нительным трубопроводом с обратным клапаном,

Ч

/

11