Устройство для гашения пульсации давления
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для гашения пульсации параметров жидких или газообразных сред и снижения вибрации элементов трубопроводной сети и может быть использована для гашения пульсации давления перекачиваемой рабочей жидкости в системах трубопроводов.
Устройство для гашения пульсаций давления устанавливается на расстоянии не менее двух гидравлических диаметров трубопровода от источника пульсации давления в трубопроводе и содержит трубопровод, пластину с цилиндрическими отверстиями или отверстиями в виде щелей, установленную ортогонально оси трубопровода в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода. Протяженность камеры, в которой установлена пластина с отверстиями находится в диапазоне 0,5÷1,5 ее гидравлического диаметра. При этом суммарная проходная площадь пластины с отверстиями не менее площади проходного сечения трубопровода. Технический результат - увеличения надежности, экономичности и срока службы систем трубопроводов и присоединенного к ним оборудования. 3 ил.
Предлагаемая полезная модель относится к вспомогательным устройствам для трубопроводной сети, а более конкретно, к устройствам для гашения пульсации параметров жидких или газообразных сред и снижения вибрации элементов трубопроводной сети и может быть использована для гашения пульсации давления перекачиваемой рабочей жидкости (газа) в системах трубопроводов.
Имеется устройство для гашения пульсации давления, взятое за прототип (US 2011/0061757 A1), состоящее из трубопровода, пластины с отверстиями, установленной под острым углом к оси трубопровода в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода с внутренним диаметром камеры, большим внутреннего диаметра трубопровода. Угол между осью трубопровода и плоскостью установки камеры находится в диапазоне 5°÷20°. Переход от внутреннего диаметра камеры к внутреннему диаметру трубопровода осуществляется посредством конических вставок. Перфорированная пластина разделяет камеру на две части: входную и выходную. Жесткость конструкции обеспечивается посредством установки ребра жесткости в выходной камере между перфорированной пластиной и внутренним обводом камеры. При этом отношение длины камеры к ее диаметру находится в диапазоне 3÷10. Работа прототипа основана на разбиении крупных вихревых образований генерируемых источником пульсации давления на множество мелких вихревых образований, скорость диссипации которых больше, чем у исходного вихря, а амплитуда пульсации параметров потока (скорости и давления) - меньше. А следовательно, наличие в системе трубопроводов такого устройства снижает опасность возникновения вибрации трубопроводов, вызванной наличием нестационарных гидродинамических вихревых течений, которые возникают в отдельных элементах трубопровода и присоединенного к ним оборудования, и сглаживает последствия возникновения в системе трубопроводов гидроударов. Конструкция устройства (а именно, установка пластины с отверстиями под острым углом к оси трубопровода в камере, внутренний диаметр которой больше внутреннего диаметра трубопровода) дает принципиальную возможность снижения гидравлического сопротивления устройства.
Прототип имеет следующие недостатки:
1) Сложность конструкции, поскольку достаточно сложно обеспечить заданный угол наклона пластины, установленной в цилиндрической камере. Кроме того, для обеспечения жесткости такой конструкции приходится идти на дальнейшее ее усложнение путем установки ребра жесткости между перфорированной пластиной и внутренним обводом камеры. Усложнение конструкции приводит к ее удорожанию и уменьшению надежности.
2) Большие гидравлические потери в указанном устройстве обусловлены большими углами натекания потока рабочей жидкости на пластину (зависимость гидравлического сопротивления решетки от угла натекания потока на пространственную решетку показана в протоколе рабочего совещания по рассмотрению результатов работ по исследованию теплогидравлики ТВС с перемешивающими решетками секторного типа, выполненными в НИЯУ МИФИ тема 
00-3-013-1460), и наличием ребра жесткости, которое вносит дополнительное возмущение в поток транспортируемой по трубопроводу рабочей жидкости (газа).
3) Расчетно-экспериментальные исследования (основные результаты исследований отражены в работе: А.В.Николаева, А.П.Скибин, О.В.Белова «Расчетно-экспериментальное исследование нестационарного течения в вихрегасителях различных конструктивных исполнений», тезисы конференции «Будущее машиностроения России», М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 28 сентября-1 октября 2011 г.) показывают, что при увеличении отношения общей протяженности камеры к ее диаметру (L/D) от 0,25 до 2,5 среднеквадратичные пульсации давления за устройством гашения пульсации давления в трубопроводах увеличивается в 4 раза. При этом среднеквадратичные пульсации давления в системе с устройством гашения пульсаций превышают аналогичный показатель в системе без устройства гашения пульсации более чем в 3 раза. Таким образом, устройство гашения пульсаций давления с L/D=3÷10, как рекомендовано в прототипе, может приводить к усилению среднеквадратичных пульсаций давления.
4) Расчетно-экспериментальные исследования, цитированные выше, показывают, что наличие конического перехода от диаметра камеры к диаметру трубопровода не вносит ощутимого экономического эффекта, поскольку это усложнение конструкции приводит к равноценному уменьшению гидравлического сопротивления системы и увеличению амплитуды пульсации давления.
5) В прототипе предлагается изготавливать перфорированные решетки с эллиптическими отверстиями, которые сложны в изготовлении и обеспечивают маленькую относительную проходную площадь решетки, что приводит к возрастанию гидравлических потерь в такой решетке и увеличению стоимости ее изготовления.
Задачей предлагаемой полезной модели является снижение уровня пульсации давления перекачиваемой рабочей жидкости в системах трубопроводов, снижение уровня вибрации трубопроводов, уменьшение воздействия гидроударов на трубопроводы и присоединенное к ним оборудование, увеличение надежности, экономичности и срока службы систем трубопроводов и присоединенного к ним оборудования.
Поставленная задача решается тем, что устройство для гашения пульсации давления, включает трубопровод и пластину с отверстиями, установленную в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода.
Отличительной особенностью устройства является то, что пластина содержит отверстия с суммарной проходной площадью не менее площади проходного сечения трубопровода и расположена в камере ортогонально оси трубопровода, при этом длина цилиндрической камеры находится в диапазоне 0,5-1,5 гидравлических диаметров камеры.
Кроме того, отличительной особенностью является то, что в пластине выполнены цилиндрические отверстия или отверстия в виде щелей.
Кроме того, отличительной особенностью является то, что на входе и выходе из отверстий в пластине с цилиндрическими отверстиями имеются конические фаски.
Кроме того, отличительной особенностью является то, что устройство устанавливается на расстоянии не менее двух гидравлических диаметров трубопровода от источника пульсации давления.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на Фиг.1-3.
На Фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства.
На Фиг.2 представлена зависимость величины среднеквадратичных пульсаций давления 
P и относительного коэффициента гидравлического сопротивления 
участка трубопровода с устройством для гашения пульсации давления от относительной длинны камеры L/D (здесь L - длина камеры, D - диаметр камеры).
На Фиг.3 представлена зависимость величины среднеквадратичных пульсаций давления Р и относительного коэффициента гидравлического сопротивления участка трубопровода с устройством для гашения пульсации давления от относительного расстояния L/D между источником пульсации давления и устройством для гашения пульсации давления (здесь L - абсолютное значение расстояния, D - диаметр трубопровода).
Предлагаемое устройство включает:
Трубопровод 1 (Фиг.1), пластину с отверстиями 3 (Фиг.1), установленную ортогонально оси трубопровода в цилиндрической камере 2 (Фиг.1), коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и внутренним диаметром камеры, большим внутреннего диаметра трубопровода.
Устройство работает следующим образом:
Пульсации давления в трубопроводах, как правило, обусловлены наличием в трубопроводах крупных вихревых образований, генерируемых при прохождении рабочей жидкости (газа) через арматуру, турбоагрегаты, различные местные сопротивления и т.д. Устройство для гашения пульсаций давления (Фиг.1) устанавливается за источником пульсации давления в трубопроводе на расстоянии не менее 2-х гидравлических диаметров трубопровода 1 (Фиг.3). Рабочая жидкость с крупными вихревыми образованиями по трубопроводу 1 (Фиг.1) поступает во входную часть камеры 2 (Фиг.1), гидравлический диаметр которой больше гидравлического диаметра трубопровода 1 (Фиг.1). При переходе на больший гидравлический диаметр происходит внезапное расширение потока и уменьшение осевой скорости потока. Далее, заторможенная рабочая жидкость поступает в отверстия пластины 3 (Фиг.1), суммарная проходная площадь которых не менее площади проходного сечения трубопровода. В пластине 3 крупные вихревые образования, разбиваются на множество маленьких вихревых образований, амплитуда пульсации давления в которых меньше амплитуды пульсации давления в исходных крупных вихревых образованиях, а частота напротив больше. Из отверстий пластины 3 (Фиг.1) рабочая жидкость (газ) поступает в выходную часть камеры 2 (Фиг.1). Из выходной части камеры 2 (Фиг.1) рабочая жидкость (газ) направляется в трубопровод 1 (Фиг.1), где скорость потока рабочей жидкости опять увеличивается до исходного уровня.
Образующиеся после выходной части камеры маленькие вихревые шнуры уже не могут причинить вред трубопроводу и присоединенному к нему оборудованию, а благодаря тому, что частота пульсации давления в этих шнурах велика, то достаточно быстро происходит диссипация кинетической энергии шнуров и они затухают на значительно меньшем расстоянии, чем крупные вихревые образования. А следовательно, наличие в системе трубопроводов такого устройства снижает опасность возникновения вибрации трубопроводов, вызванной наличием нестационарных гидродинамических вихревых течений, которые возникают в отдельных элементах трубопровода и присоединенного к ним оборудования, и сглаживает последствия возникновения в системе трубопроводов гидроударов.
Поскольку, суммарная площадь отверстий в пластине 3 (Фиг.1) не меньше проходной площади трубопровода 1 (Фиг.1), а скорости в камере 2 (Фиг.1) меньше скорости в трубопроводе 1 (Фиг.1) удается добиться значительного снижения гидравлических потерь в устройствах гашения пульсации давления.
В прототипе предлагается устанавливать пластину с отверстиями в камере под углом 5°÷20° по отношению к оси трубопровода. Как отмечалось выше, это приводит не только к усложнению и удорожанию конструкции устройства для гашения пульсации давления, но и к увеличению гидравлического сопротивления, вносимого устройством для гашения пульсации давления в общее сопротивление системы трубопроводов. Для устранения этих недостатков предлагается устанавливать пластину с отверстиями 3 (Фиг.1) в камере 2 (Фиг.1) ортогонально оси трубопровода 1 (Фиг.1), что упрощает конструкцию устройства и повышает ее надежность и экономичность.
В прототипе предлагается изготавливать перфорированные решетки с эллиптическими отверстиями, которые сложны в изготовлении и обеспечивают маленькую относительную проходную площадь решетки, что приводит к возрастанию гидравлических потерь в такой решетке. В полезной модели предлагается изготавливать пластины с цилиндрическими отверстиями или отверстиями в виде щелей суммарной проходной площадью отверстий не менее площади проходного сечения трубопровода, в котором установлено устройство для гашения пульсации давления, что приводит к уменьшению гидравлических потерь в такой решетке и упрощает задачу изготовления устройства для гашения пульсаций давления. При этом необходимо учитывать, что устройства для гашения пульсации давления с цилиндрическими отверстиями в пластине имеют большее гидравлическое сопротивление, но лучшие характеристики по снижению пульсации давления, чем устройства для гашения пульсаций давлений с щелевыми отверстиями в пластине при одинаковой проходной площади отверстий в пластине. Это происходит, потому что отверстия в виде щелей разбивают исходный крупный вихрь на меньшее количество маленьких вихревых образований, чем пластина с цилиндрическими отверстиями той же проходной площади. При этом амплитуда колебаний давления в крупных вихревых образованиях больше чем в мелких, а частота напротив меньше. Поэтому, рекомендуется устройства для гашения пульсаций давления с отверстиями в виде щелей в пластине устанавливать преимущественно в случаях необходимости отстройки собственных частот колебаний трубопроводов от частот колебаний возмущающих сил, т.е. от частот пульсации давления в потоке перекачиваемой рабочей жидкости (газа).
Для уменьшения гидравлического сопротивления устройства для гашения пульсации давления с цилиндрическими отверстиями рекомендуется изготовление конических фасок на входе и на выходе из отверстий.
Расчетно-экспериментальные исследования, цитированные выше, показывают (Фиг.2), что наибольший экономический эффект приносит устройство для гашения пульсации давления с камерой, длинна которой находится в диапазоне 0,5÷1,5 гидравлических диаметров камеры (L/D=0,5÷1,5).
Расчетно-экспериментальные исследования, цитированные выше, показывают, что большое значение имеет расстояние от источника пульсации давления в трубопроводе до устройства гашения пульсации давления (Фиг.3). Исходя из этого, предлагается устанавливать устройства для гашения пульсации давления на расстоянии не менее двух гидравлических диаметров трубопровода от источника пульсации давления, что позволяет ощутимо снизить амплитуды пульсации давления и гидравлическое сопротивление в трубопроводе с устройством для гашения пульсации давления.
Таким образом, достигаются задачи, поставленные перед предлагаемой полезной моделью, а именно снижение уровня пульсации давления перекачиваемой рабочей жидкости в системах трубопроводов, снижение уровня вибрации трубопроводов, уменьшение воздействия гидроударов на трубопроводы и присоединенное к ним оборудование, увеличение надежности, экономичности и срока службы систем трубопроводов и присоединенного к ним оборудования.
В настоящее время проводится изготовление с последующим испытанием предлагаемого устройства для подготовки к внедрению его на АЭС.
1. Устройство для гашения пульсации давления, содержащее трубопровод, пластину с отверстиями, установленную в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода, отличающееся тем, что пластина содержит отверстия с суммарной проходной площадью не менее площади проходного сечения трубопровода, расположена в камере ортогонально оси трубопровода, при этом длина цилиндрической камеры находится в диапазоне 0,5÷1,5 гидравлических диаметров камеры.
2. Устройство для гашения пульсации давления по п.1, отличающееся тем, что в пластине выполнены цилиндрические отверстия.
3. Устройство для гашения пульсации давления по п.1, отличающееся тем, что в пластине выполнены отверстия в виде щелей.
4. Устройство для гашения пульсации давления по п.2, отличающееся тем, что на входе и на выходе из отверстий в пластине с цилиндрическими отверстиями имеются конические фаски.
