УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА
HYDRAULIC SHOCK DAMPING DEVICE

Изобретение относится к вспомогательному оборудованию для трубопроводных сетей, а именно к устройствам для защиты трубопроводов путем гашения пульсации давления в трубопроводах, в частности, путем гашения гидравлических ударов.
Известно также устройство, содержащее запорный клапан, установленный в магистральном трубопроводе, возвратные трубопроводы, входные патрубки которых расположены перед запорным клапаном, а выходные соединены с магистральным трубопроводом (см. авторское свидетельство SU № 1298474, кл. F16L 55/02, 23.03.1987).
Однако данное устройство имеет сравнительно высокую трудоемкость изготовления возвратных трубопроводов с входными и выходными патрубками, расположенными на значительном расстоянии друг от друга, с площадями поперечного сечения, увеличивающимися в направлении запорного клапана и, кроме того, имеет место недостаточная степень снижения гидроудара при повышенных давлениях нагнетания и больших диаметрах магистральных трубопроводов.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для гашения гидравлического удара, содержащее полый непроточный демпфирующий элемент, сообщенный с трубопроводом и выполненный в виде кожуха, внутри которого соосно последнему размещены перфорированный патрубок и охватывающие его торообразные упругие элементы с различным модулем упругости, а между торообразными упругими элементами размещены дискообразные перегородки (см. патент US № 3035613, кл. F16L 55/04, 22.05.1962).
Однако данное устройство имеет сложную конструкцию, обусловленную выполнением устройства из большого числа деталей с системой индивидуального подвода сжатого газа в полые упругие элементы, и недостаточную защищенность трубопровода от разгерметизации, что связано с отсутствием средств гашения ударной волны, направленной на торцевую донную поверхность кожуха.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является выполнение устройства из простых по конструкции деталей, легких в изготовлении, и полное отсутствие подвижных деталей в проточной части устройства.
Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства и снижении стоимости его изготовления и эксплуатации.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для гашения гидравлического удара содержит полый непроточный демпфирующий элемент, сообщенный с трубопроводом и выполненный в виде кожуха, внутри которого соосно последнему размещены перфорированный патрубок и охватывающие его торообразные упругие элементы с различным модулем упругости, а между торообразными упругими элементами размещены дискообразные перегородки, при этом перфорированный патрубок сообщен с размещенным вне кожуха соосно последнему неперфорированным входным патрубком, причем последний плавно изогнут на угол от 45° до 135° и на нем выполнен расположенный под углом к нему боковой отводной патрубок, устройство установлено в разрыв трубопровода с возможностью прохода транспортируемой по трубопроводу среды в направлении от неперфорированного входного патрубка к боковому отводному патрубку, при этом перфорированный патрубок выполнен с двойным выпуклым днищем с образованием между наружным и внутренним днищем полости, в которой размещен упругий элемент, а внутреннее днище выполнено перфорированным, причем в перфорированном патрубке соосно последнему на штоке, закрепленном в двойном выпуклом дне перфорированного патрубка, установлена, по крайней мере, одна конусообразная перфорированная оболочка, обращенная вершиной в сторону входа в перфорированный патрубок, угол β при вершине в осевом сечении конусообразной перфорированной оболочки определяют из выражения:
0
β≥2arcsin a/а, где
0
а - скорость звука в протекающей через трубопровод жидкой среде;
а - скорость звука в материале, из которого изготовлен перфорированный патрубок, а внутри конусообразной перфорированной оболочки размещен упругий элемент.
Устройство может быть снабжено проточным демпфирующим элементом, подключенным к боковому отводному патрубку и выполненным в виде кожуха, внутри которого соосно последнему размещены перфорированный патрубок и охватывающие его торообразные упругие элементы с различным модулем упругости, а между торообразными упругими элементами размещены дискообразные перегородки, причем торообразные упругие элемента с меньшим модулем упругости чередуются с торообразными упругими элементами с большим модулем упругости.
Торообразные упругие элементы могут быть выполнены в виде заполненных сжатым газом деформируемых эластичных оболочек, причем оболочки с давлением сжатого газа, равным гидростатическому давлению транспортируемой по трубопроводу среды, чередуются с оболочками, в которых давление сжатого газа меньше гидростатического давления транспортируемой по трубопроводу среды.
Проточный демпфирующий элемент может быть выполнен с дополнительными упругими элементами большего объема, чем торообразные упругие элементы, размещенными в отдельном кожухе, сообщенном с кожухом для торообразных упругих элементов с образованием проходов между группами торообразных упругих элементов с равным числом торообразных упругих элементов.
Устройство может быть снабжено дополнительным непроточным демпфирующим элементом, выполненным аналогично непроточному демпфирующему элементу, к которому он подсоединен, но с прямым неперфорированным входным патрубком, подключенным сбоку к неперфорированному входному патрубку непроточного демпфирующего элемента.
Устройство может быть снабжено проточными демпфирующими элементами, выполненными по любому из описанных выше вариантов и подключенными один со стороны входа к неперфорированному входному патрубку непроточного демпфирующего элемента, а другой - к боковому отводному патрубку.
Устройство предпочтительно содержит дополнительный непроточный демпфирующий элемент, подключенный боковым отводным патрубком к боковому отводному патрубку непроточного демпфирующего элемента.
Между боковыми отводными патрубками может быть установлен проточный демпфирующий элемент в соответствии с любым из описанных выше вариантов.
Со стороны входа в неперфорированные входные патрубки непроточных демпфирующих элементов могут быть установлены проточные демпфирующие элементы, выполненные в соответствии с любым из описанных выше вариантов.
Непроточные демпфирующие элементы с изогнутым неперфорированным патрубком могут быть снабжены (каждый) дополнительным непроточным демпфирующим элементом, выполненным аналогично непроточному демпфирующему элементу, к которому он подключен, но с прямым неперфорированным входным патрубком, подключенным сбоку к изогнутому неперфорированному входному патрубку непроточного демпфирующего элемента.
В ходе проведенного исследования была выявлена возможность повысить надежность гашения гидравлического удара и при этом создать устройство, в котором в проточной части, а именно в той части, где через устройство протекает транспортируемая по трубопроводу жидкая среда, отсутствуют подвижные конструктивные элементы.
Выполнение устройства с размещенным вне кожуха соосно перфорированному патрубку неперфорированным входным патрубком, плавно изогнутым на угол от 45° до 135°, и выполнение на нем расположенного под углом к нему бокового отводного патрубка позволяет организовать перепуск через устройство транспортируемой по трубопроводу жидкой среды с небольшой потерей напора. В тоже время при возникновении в трубопроводе гидравлического удара распространяющаяся ударная волна вначале набегает на этот изогнутый участок, что позволяет направить в непроточный демпфирующий элемент многократно отраженную о стенки плавно изогнутого неперфорированного патрубка и таким образом частично рассеянную ударную волну. Выполнение изгиба с углом более 135°, как оказалось, практически бесполезно и только усложняет и удорожает конструкцию, а выполнение с углом менее 45° приводит к резкому повороту потока, неоправданному росту гидравлического сопротивления и необходимости усиления неперфорированного патрубка, что ухудшает массогабаритные характеристики устройства.
Выполнение перфорированного патрубка с двойным выпуклым дном с образованием между наружным и внутренним днищем полости, в которой размещен упругий элемент, в сочетании с выполнением внутреннего днища перфорированным позволяет рассеивать ударную волну, которая достигает днища, на перфорированном внутреннем днище и окончательно гасить ее с помощью упругих элементов.
0
Кроме того, в перфорированном патрубке соосно последнему на штоке, закрепленном в двойном выпуклом дне перфорированного патрубка, установлена, по крайней мере, одна конусообразная перфорированная оболочка, обращенная вершиной в сторону входа в перфорированный патрубок, угол β при вершине в осевом сечении конусообразной перфорированной оболочки определяют из выражения: β≥2arcsin a/a, где
0
а - скорость звука в протекающей через трубопровод среде,
а - скорость звука в материале, из которого изготовлен перфорированный патрубок, а внутри конусообразной перфорированной оболочки размещен упругий элемент. Такое выполнение перфорированного патрубка позволяет эффективно задействовать все упругие элементы в гашении ударной волны и рассеять ее по всем камерам, образованным в кожухе дискообразными перегородками, и пропустить к днищу в значительной степени ослабленную ударную волну.
Однако принимая во внимание, что ударная волна набегает первоначально на перфорированные, как правило, металлические элементы, при определенных условиях возможно формирование отраженной ударной волны, которая, встречаясь с набегающей повторной ударной волной, может передать колебания давления в боковой отводной патрубок. В этих случаях целесообразно снабжать устройство проточным демпфирующим элементом, главное назначение которого - гашение пульсаций давления на выходе из непроточного демпфирующего элемента и стабилизация потока жидкой среды по трубопроводу.
На фиг.1 представлен схематически продольный разрез непроточного демпфирующего элемента.
На фиг.2 представлен схематически продольный разрез проточного демпфирующего элемента.
На фиг.3 представлен разрез А-А на фиг.2
На фиг.4 представлен схематически продольный разрез проточного демпфирующего элемента в варианте выполнения с дополнительными упругими элементами большего объема.
На фиг.5 представлен разрез Б-Б на фиг.4
На фиг.6 схематически представлен вариант выполнения устройства с непроточным и подключенным к боковому отводному патрубку проточным демпфирующими элементами.
На фиг.7 схематически представлен вариант выполнения устройства с двумя непроточными и одним проточным демпфирующим элементом.
На фиг.8 схематически представлен вариант выполнения устройства с одним непроточным и двумя проточными демпфирующими элементами.
На фиг.9 схематически представлен вариант выполнения устройства с двумя непроточными демпфирующими элементами.
На фиг.10 схематически представлен вариант выполнения устройства с двумя непроточными и одним проточным демпфирующим элементом, расположенным между ними.
На фиг.11 схематически представлен вариант выполнения устройства с двумя непроточными и двумя проточными демпфирующими элементами.
На фиг.12 схематически представлен вариант выполнения устройства с четырьмя непроточными и одним проточным демпфирующим элементом.
Устройство для гашения гидравлического удара содержит полый непроточный демпфирующий элемент 1, сообщенный с трубопроводом 2 и выполненный (см. фиг.1) в виде кожуха 3, внутри которого соосно последнему размещены перфорированный патрубок 4 и охватывающие его торообразные упругие элементы 5 с различным модулем упругости, а между торообразными упругими элементами 5 размещены дискообразные перегородки 6. Перфорированный патрубок 4 сообщен с размещенным вне кожуха 3 соосно последнему неперфорированным входным патрубком 7, причем последний плавно изогнут на угол α от 45° до 135° и на нем выполнен расположенный под углом к нему боковой отводной патрубок 8. Устройство установлено в разрыв трубопровода 2 с возможностью прохода транспортируемой по трубопроводу 2 среды в направлении от неперфорированного входного патрубка 7 к боковому отводному патрубку 8. Перфорированный патрубок 4 выполнен с двойным выпуклым днищем с образованием между наружным 9 и внутренним 10 днищем полости, в которой размещен упругий элемент 11, а внутреннее днище 10 выполнено перфорированным. В перфорированном патрубке 4 соосно последнему на штоке 12, закрепленном в двойном выпуклом дне перфорированного патрубка 4, установлена, по крайней мере, одна конусообразная перфорированная оболочка 13, обращенная вершиной в сторону входа в перфорированный патрубок 4. Угол β при вершине в осевом сечении конусообразной перфорированной оболочки 13 определяют из выражения:
0
β≥2arcsin a/a,
0
где а - скорость звука в протекающей через трубопровод жидкой среде;
а - скорость звука в материале, из которого изготовлен перфорированный патрубок,
а внутри конусообразной перфорированной оболочки 13 размещен упругий элемент 14.
Устройство может быть снабжено (см. фиг.6) проточным демпфирующим элементом 15, подключенным к боковому отводному патрубку 8 и выполненным в виде (см. фиг.2 и 3) кожуха 16, внутри которого соосно последнему размещены перфорированный патрубок 17 и охватывающие его торообразные упругие элементы 18 с различным модулем упругости, а между торообразными упругими элементами 18 размещены дискообразные перегородки 19. Торообразные упругие элементы 18 с меньшим модулем упругости чередуются с торообразными упругими элементами 18 с большим модулем упругости.
Торообразные упругие элементы 18 предпочтительно выполнены в виде заполненных сжатым газом деформируемых эластичных оболочек (не показано на чертеже), причем оболочки с давлением сжатого газа, равным гидростатическому давлению транспортируемой по трубопроводу среды, чередуются с оболочками, в которых давление сжатого газа меньше гидростатического давления транспортируемой по трубопроводу среды.
Проточный демпфирующий элемент 15 выполнен с дополнительными упругими элементами 27 большего объема (см. фиг.4 и 5), чем торообразные упругие элементы 18, размещенными в отдельном кожухе 20, сообщенном с кожухом 16 для торообразных упругих элементов 18 с образованием проходов 21 между группами торообразных упругих элементов 18 с равным числом торообразных упругих элементов 18.
Устройство с непроточным демпфирующим элементом 1 и подключенным к боковому отводному патрубку 8 проточным демпфирующим элементом 15 может быть снабжено (см. фиг.7) дополнительным непроточным демпфирующим элементом 22, выполненным аналогично непроточному демпфирующему элементу 1, но с прямым неперфорированным входным патрубком 23, подключенным сбоку к неперфорированному входному патрубку 8 непроточного демпфирующего элемента 1.
Устройство с непроточным демпфирующим элементом 1 и подключенным к боковому отводному патрубку 8 проточным демпфирующим элементом 15 может быть снабжено (см. фиг.8) проточным демпфирующим элементом 15, выполненным в соответствии с любым из описанных выше вариантов его исполнения и подключенным со стороны входа к неперфорированному входному патрубку 7 непроточного демпфирующего элемента 1.
Устройство с непроточным демпфирующим элементом 1 (см. фиг.9) может содержать дополнительный непроточный демпфирующий элемент 24, выполненный аналогично непроточному демпфирующему элементу 1 и подключенный его боковым отводным патрубком 25 к боковому отводному патрубку 8 непроточного демпфирующего элемента 1.
Устройство с непроточным демпфирующим элементом 1 (см. фиг.10) и дополнительным непроточным демпфирующим элементом 24 может быть снабжено установленным между боковыми отводными патрубками 8 и 25 проточным демпфирующим элементом 15, выполненным в соответствии с любым из описанных выше вариантов его исполнения.
Устройство с непроточным демпфирующим элементом 1 (см. фиг.11) и дополнительным непроточным демпфирующим элементом 24, соединенными между собой боковыми отводными патрубками 8 и 25, может содержать установленные со стороны входа в неперфорированные патрубки соответственно 7 и 26 непроточных демпфирующих элементов 1 и 24 проточные демпфирующие элементы 15, выполненные в соответствии с любым из описанных выше вариантов его исполнения.
Устройство с непроточными демпфирующими элементами 1 и 24 (см. Фиг.12) с изогнутыми неперфорированными патрубками соответственно 7 и 26 и расположенным между ними подключенным к боковым патрубкам 8 и 25 проточным демпфирующим элементом 15 снабжено дополнительными непроточными демпфирующими элементами 22, выполненными аналогично непроточным демпфирующим элементам 1 и 24, но с прямым неперфорированным входным патрубком 23, каждый из которых подключен сбоку к изогнутому неперфорированному патрубку непроточного демпфирующего элемента соответственно 1 и 24.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При возникновении в трубопроводе 2, например, в результате остановки одного из насосов высокого давления, установленных для организации транспортировки жидкой среды по трубопроводу, волнового импульса, направленного в сторону устройства для гашения гидравлических ударов, последний в виде ударной волны набегает на изогнутую стенку неперфорированного патрубка 7 (см. фиг.1). В результате отражения от изогнутой в двух направлениях криволинейной стенки ударная волна частично рассеивается, гасится и направляется неперфорированным изогнутым патрубком 7 в непроточный демпфирующий элемент 1. Поступая в последний, ударная волна набегает в первую очередь на конусообразную перфорированную оболочку 13, которая выполняет сразу три функции, а именно: частично сама гасит центральную часть ударной волны с помощью расположенных в ней упругих элементов 14; направляет ударную волну в сторону охватывающих перфорированный патрубок 4 торообразных упругих элементов 5 и турбулизирует поток жидкой среды, резко снижая его скорость путем создания взаимно пересекающихся потоков жидкой среды с одновременным уменьшением фазовой скорости волны. Непогашенная часть энергии ударной волны гасится с помощью упругих элементов 11, расположенных между наружным днищем 9 и внутренним перфорированным днищем 10.
Возможен случай возникновения обратного волнового импульса, отраженного от двойного днища непроточного демпфирующего элемента 1, что может, в свою очередь, привести к распространению волнового импульса через боковой отводной патрубок 8. Кроме того, данная ситуация возможна при возникновении пульсирующего волнового импульса. В этом случае целесообразно присоединение к нему проточного демпфирующего элемента 15 (см. фиг.6). Поступающий в него поток жидкой среды взаимодействует через стенки перфорированного патрубка 17 (см. фиг.2 и 3) с торообразными упругими элементами 18, которые, работая как амортизаторы, сглаживают пульсации давления вдоль перфорированного патрубка 17. Причем здесь важно, что данный поток жидкой среды характеризуется уже не ударной волной, а волновыми, пульсирующими явлениями с характерными для них сменами волн повышенного и пониженного давления. Именно поэтому для эффективного сглаживания пульсаций давления торообразные упругие элементы 18 с меньшим модулем упругости чередуются с торообразными упругими элементами 18 с большим модулем упругости. В случае, если недостаточно установки проточного демпфирующего элемента 15, возможно гашение отраженных ударных волн с помощью дополнительного непроточного демпфирующего элемента 22 (см. фиг.7), который работает аналогично описанному выше для непроточного демпфирующего элемента 1. Для гашения сильно пульсирующего потока жидкой среды устанавливают проточный демпфирующий элемент 15, выполненный с дополнительными упругими элементами 27 большего объема (см. фиг.4 и 5), которые способны погасить более интенсивные импульсы давления. При возможности возникновения пульсирующей ударной волны целесообразно (см. фиг.8) устанавливать проточный демпфирующий элемент 15 на входе в непроточный демпфирующий элемент 1. В результате поступающий поток жидкой среды взаимодействует с торообразными упругими элементами 18, что позволяет резко снизить пульсации потока и одновременно частично погасить ударную волну перед ее поступлением в непроточный демпфирующий элемент 1. В остальном работа аналогична тому, как описано для фиг.1 и фиг.6.
Для трубопроводов, в которых возможна транспортировка жидкой среды как в прямом, так и в обратном направлениях, возможно возникновение ударной волны в обоих направлениях. В этом случае целесообразна установка двух непроточных демпфирующих элементов 1 и 24, соединенных между собой посредством боковых отводных патрубков соответственно 8 и 25 (см. фиг.9). Работа каждого из них аналогична описанной выше для фиг.1. При необходимости сглаживания пульсаций на входе в непроточные демпфирующие элементы 1 и 24 возможна установка на их входах проточных демпфирующих элементов 15 (фиг.11), что позволяет, как описано выше, сглаживать и частично гасить ударную волну перед поступлением в непроточные демпфирующие элементы 1 и 24.
Работа устройства, показанного на фиг.11, аналогична работе устройства по фиг.7, но установка между непроточными демпфирующими элементами 1 и 24 проточного демпфирующего элемента 15 позволяет сглаживать пульсации давления протекающего по трубопроводу 2 потока жидкой среды.
Работа устройства, показанного на фиг.12, аналогична работе устройства по фиг.11, но установка между непроточными демпфирующими элементами 1 и 24 проточного демпфирующего элемента 15 позволяет сглаживать пульсации давления протекающего по трубопроводу 2 потока жидкой среды, а установка дополнительных непроточных демпфирующих элементов 22 и 24 позволяет повысить эффективность гашения ударной волны.
Настоящее изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где производится транспортировка жидких сред по трубопроводам.