Стабилизатор давления

Стабилизатор давления
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к пневмогидравлической технике и может быть использована в нефтяной, газовой промышленности, а также в коммунальном хозяйстве населенных пунктов для разработки и изготовления устройств гашения колебаний давления в трубопроводах при движении по ним жидких и газообразных рабочих сред, возникающих при включении, работе и выключении насосов, закрытии и открытии клапанов или задвижек.
Известен стабилизатор давления /1/, содержащий центральный перфорированный трубопровод и сообщенную с ним демпфирующую камеру, и при этом центральный перфорированный трубопровод и демпфирующая камера охвачены цилиндрическим кожухом, расположенным коаксиально центральному перфорированному трубопроводу с образованием расширительной полости.
С существенными признаками заявленной полезной модели совпадают следующие признаки аналога: стабилизатор давления, содержащий перфорированный трубопровод, кожух, охватывающий перфорированный трубопровод с образованием расширительной полости.
Недостатком аналога является: большая масса конструкции стабилизатора. Волны сжатия, проходящие через перфорацию перфорированного трубопровода, воздействуют на кожух и отражаются от него под углами, равными прямому углу, а это, в свою очередь, приводит к существенному, увеличению радиальных нагрузок /3/ на кожух по сравнению с нагрузками, которые возникли бы при воздействии волн сжатия на кожух при движении их вдоль образующей корпуса кожуха.
Уровень техники Повышенные радиальные нагрузки требуют усиления конструкции кожуха, что
приводит к увеличению его массы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели (прототипом) является стабилизатор давления /2/, содержащий перфорированный трубопровод, кожух, охватывающий перфорированный трубопровод с образованием расширительной полости, по меньшей мере один демпфирующий элемент, расположенный в расширительной полости. В качестве демпфирующего элемента используется газовая полость, ограниченная упругой металлической мембранной. Перфорированный трубопровод содержит два фланца для крепления стабилизатора давления в магистральном трубопроводе.
С существенными признаками заявленной полезной модели совпадают следующие признаки прототипа: стабилизатор давления, содержащий перфорированный трубопровод, кожух, охватывающий перфорированный трубопровод с образованием расширительной полости, по меньшей мере один демпфирующий элемент, расположенный в расширительной полости.
Недостатком прототипа является:
Большая масса конструкции стабилизатора. В рабочем состоянии стабилизатор давления заполнен рабочим телом (нефтью, газом или водой). Волны сжатия, проходящие по рабочему телу, находящемуся в перфорированном трубопроводе, проходят через перфорацию перфорированного трубопровода, попадают в расширительную полость и воздействуют на кожух стабилизатора давления. Волны сжатия отражаются от кожуха под углами равными прямому углу, а это, в свою очередь, приводит, как уже указывалось выше, к существенному, от 2 до 7.5 раз, увеличению радиальных нагрузок /3/ на кожух по сравнению с нагрузками, которые возникли бы при воздействии волн сжатия на кожух при движении их вдоль образующей корпуса кожуха. Повыщенные
:%
2 радиальные нагрузки требуют усиления конструкции кожуха и сварных швов,
соединяющих кожух с перфорированным трубопроводом, что приводит к увеличению массы стабилизатора давления.
Сущность полезной модели
Заявленная полезная модель направлена на решение следующей задачи: снижение массы и повышение надежности работы стабилизатора давления.
При осуществлении полезной модели может быть получен следующий технический результат: облегчение конструкции стабилизатора за счет обеспечения воздействия волн сжатия, проходящих через перфорацию перфорированного трубопровода, на кожух и отражения от кожуха под углами, отличными от прямого угла, что приведет к перераспределению нагрузок на кожух, уменьшению радиальных усилий и появлению усилий, направленных вдоль образующей корпуса кожуха.
Указанный технический результат достигается тем, что стабилизатор давления содержит перфорированный трубопровод, кожух, охватывающий перфорированный трубопровод с образованием расширительной полости, по меньшей мере один демпфирующий элемент, расположенный в расширительной полости, и кожух по длине выполнен с переменным диаметром.
От наиболее близкого аналога (прототипа) полезная модель отличается следующим признаком: кожух по длине выполнен с переменным диаметром. Т.е. поперечные сечения кожуха в различных его местах, а именно наружные границы сечений по длине кожуха выполнены с различными значениями диаметров. Диаметр, в соответствии с источником /5/ - это верхняя грань расстояний между всевозможными парами точек границы поперечного сечения.
Интенсивность волны отражения зависит от угла падения волны сжатия на преграду, в данном случае на стенку кожуха. Для облегчения конструкции кожуха И в целом стабилизатора давления целесообразно сориентировать стенку кожуха
относительно движущихся волн сжатия в расширительной полости таким образом, чтобы при отражении их от стенки кожуха радиальные нагрузки уменьшались и появились нагрузки, действующие вдоль образующей кожуха. Т.е. необходимо стенку кожуха сориентировать относительно направления движения волн сжатия под углом не равным прямому углу.
При реализации полезной модели могут быть получены дополнительные технические результаты: улучшение демпфирующих свойств стабилизатора давления вследствие обеспечения направленного движения волн сжатия вдоль расширительной полости и многократного пересечения волн сжатия между собой в расширительной полости после отражения их от стенки кожуха под углами, не равными прямому углу, что приводит к более интенсивному гашению волн сжатия; расширение диапазона рабочих давлений и амплитуд гасимых колебаний в расширительной камере; снижение инерционности гашения колебаний давления; более рациональное использование пространства, занимаемого стабилизатором давления.
Ниже приводятся признаки, характеризующие полезную модель лишь в частных случаях её исполнения. Эти признаки в совокупности с существенными признаками полезной модели обеспечат получение технического результата полезной модели, а также частных технических результатов.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что внутренний объем расширительной камеры составляет величину от 5% до 95% от общего внутреннего объема стабилизатора давления. Общий внутренний объем стабилизатора давления это суммарный объем всех внутренних полостей стабилизатора давления, исключающий объем, занимаемый элементами корпуса (корпусом кожуха.
4 корпусом демпфирующей камеры или камер, корпусом перфорированного
трубопровода и т.п.) стабилизатора давления. Общий внутренний объем может быть увеличен за счет использования вынесенных за пределы расширительной полости и соединенных с ней посредством трубопроводов демпфирующих камер, в которых располагаются демпфирующие элементы. При этом в расширительной камере может быть организовано многократное пересечение фронтов волн сжатия и волн отражения, что приведет к существенному рассеянию энергии волнового процесса в стабилизаторе давления. Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что кожух выполнен из стали с модулем упругости 190:210ГПа, модулем сдвига 77:81 ГПа, прочностью на разрыв 320:1500МПа, пределом текучести 190:1200МПа. Данная сталь способна поглощать энергию высокочастотной составляющей волнового процесса.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что толщина кожуха больше толщины перфорированного трубопровода, например в 1.01:10 раз. Толщина кожуха должна быть во столько раз больше толщины трубопровода, во сколько раз диаметр кожуха больше диаметра трубопровода.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что кожух закреплен на перфорированном трубопроводе посредством сварных швов, в частности посредством двух сварных швов, выполненных по замкнутым линиям. Сварные швы обеспечат герметичность расширительной камеры и прочность её крепления к трубопроводу. Кроме того, в стабилизаторе давления могут располагаться 2:10 перфорированных трубопровода. Тогда кожух посредством сварки крепится ко всем трубопроводам.
5
Однако наиболее простая и эффективная схема стабилизатора - с одним перфорированным трубопроводом.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что кожух в одном из продольных сечении, в частности, в вертикальном продольном сечении, проходящем через продольную ось перфорированного трубопровода, по длине выполнен с чередованием выпуклостей (выступов) и вогнутостей (впадин) относительно перфорированного трубопровода (оси перфорированного трубопровода). На участках выпуклостей и вогнутостей обеслечивается угол падения волны сжатия на стенку кожуха под углом не равным прямому углу. Чем больше вогнутость (выпуклость) стенки кожуха на определенном участке, тем больше отличается на этом участке угол падения волны сжатия от прямого.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что суммарная площадь отверстий перфорированного трубопровода составляет величину от 3% до 600% от ллощади поперечного проходного сечения перфорированного трубопровода и от 0.00001% до 30% от боковой поверхности перфорированного трубопровода, охваченной кожухом. А площадь проходного сечения одного отверстия составляет величину от 0.01% до 2.5% от площади поперечного проходного сечения трубопровода. Чем больше площадь перфорации, тем выше чувствительность стабилизатора давления к повышению частоты и амплитуды возмущающего давления. Чем больше количество отверстий, тем больше энергии волны сжатия перейдет в тепловую энергию вследствие трения о стенки отверстия. Конкретная величина суммарной площади отверстий перфорированного трубопровода и количество отверстий зависит от характеристик источника возмущения и задач, стоящих перед стабилизатором давления.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть
достигнуто за счет того, что демпфирующий элемент выполнен в виде упругого элемента с отношением массы к объему, равным 50:980кг/м. Чем меньше плотность демпфирующего элемента, тем выше чувствительность стабилизатора давления к понижению частоты и повышению амплитуды возмущающего давления. С целью уплотнения компоновки стабилизатора в расширительной полости могут размещаться демпфирующие элементы.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что демпфирующий элемент выполнен в виде упругого элемента с использованием кремнийорганического каучука плотностью 960:980кг/м, прочностью на разрыв б:10МПа, относительным удлинением от 50% до 550%. Данный элемент характеризуется высокой стойкостью к агрессивным средам и повышенным температурам.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что демпфирующая камера содержит цилиндрический корпус и соединена с расширительной камерой посредством 1:2 отверстий или трубопроводов. Внутренний объем демпфирующей камеры может составлять величину от 3% до 30% от общего внутреннего объема стабилизатора давления, соответственно 3% - при внутреннем объеме расширительной полости, равном 95% от общего внутреннего объема стабилизатора давления, и 30% - при внутреннем объеме расширительной полости, равном 5% от общего внутреннего объема стабилизатора давления.
Трубопроводы позволят разнести демпфирующие камеры в пространстве и при необходимости занять ими свободные объемы вокруг магистрального трубопровода.
7 Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть
достигнуто за счет того, что демпфирующая камера расположена под углом 1 -.QQ к продольной оси перфорированного трубопровода. Интенсивность волны отражения зависит от угла падения волны сжатия на преграду, в данном случае на стенку демпфирующей камеры. Для облегчения конструкции демпфирующей камеры целесообразно сориентировать камеру относительно движущихся по трубопроводу из расширительной полости в демпфирующую камеру волн сжатия таким образом, чтобы при отражении их от стенки камеры радиальные нагрузки уменьшались и появились нагрузки, действующие вдоль образующей корпуса камеры.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что перфорированный трубопровод выполняется в поперечном сечении в виде овала. Это позволит, во-первых, сориентировать перфорированный трубопровод внутри расширительной полости таким образом, чтобы, например, приблизить отверстия перфорации к стенке кожуха. Кроме того, перфорированный трубопровод содержит два фланца для соединения с магистральным трубопроводом. Это позволит оперативно осуществлять замену стабилизатора давления.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что перфорированный трубопровод и корпус демпфирующей камеры выполнены из стали с модулем упругости 190:210ГПа, модулем сдвига 77:81 ГПа, прочностью на разрыв 320:1500МПа, пределом текучести 190:1200МПа. Эта сталь аналогична стали, из которой выполнен кожух, что повышает их совместимость при сварке, температурных деформациях.
Для повышения эффективности и уменьшения габаритов стабилизатора давления перфорированный трубопровод может быть смещен относительно центральной оси кожуха в сторону по направлению к одной из направляющих
кожуха. При этом достигается неравномерное распределение объема расширительной полости относительно (или вокруг) перфорированного трубопровода и, как следствие, более интенсивное взаимодействие между пересекающимися волнами сжатия и отражения. Данная неравномерность распределения объема расширительной полости вокруг перфорированного трубопровода может служить одним из варьируемых параметров стабилизатора давления.
Повышение эффективности работы стабилизатора давления может быть достигнуто за счет того, что по меньшей мере одно отверстие перфорированного трубопровода выполнено в форме овала. Выполнение отверстия в виде овала увеличит поверхность трения рабочего тела (жидкости) о стенки отверстия, тем самым увеличится энергия рассеяния на отверстии. Таким образом, поставленная задача полезной модели решена.
Перечень фигур чертежей
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами. На Фиг.1 изображен стабилизатор давления с расширительной полостью. Кожух расширительной полости по длине выполнен с переменным диаметром. На Фиг.2 представлен стабилизатор давления, у которого кожух по длине выполнен с чередованием выпуклостей и вогнутостей относительно перфорированного трубопровода. На фиг.З и 4 представлены схемы воздействия волн сжатия на стенку кожуха. На Фиг.5 изображен стабилизатор давления с демпфирующими элементами в виде герметичных металлических упругих камер. На Фиг.6 изображен стабилизатор давления с демпфирующими элементами, расположенными в расширительной полости.
9 Сведения, подтверждающие возможность
осуществления полезной модели
Стабилизатор давления содержит перфорированный трубопровод 1 (см. Фиг.1), кожух 2, охватывающий перфорированный трубопровод 1 с образованием расширительной полости 3. Трубопровод крепится к напорной магистрали с помощью фланцев 4 и 5. К кожуху крепятся трубопроводы 6, 7 и 8, соединяющие расширительную полость 3 с демпфирующими камерами 9 и 10. Внутри демпфирующих камер расположены демпфирующие элементы 11 и 12. Демпфирующий элемент 11 отделен от внутренней полости демпфирующей камеры мембраной 13. Отверстие 14 перфорированного трубопровода выполнено в виде окружности, а отверстия 15 и 16 выполнены в виде овалов. Кожух 2 выполнен с переменным диаметром по длине. Образующая кожуха располагается под углом 17 к оси 18 перфорированного трубопровода 1. Демпфирующая камера 9 расположена под углом 19 к оси 18 перфорированного трубопровода 1. Демпфирующая камера 10 расположена по прямым углом к оси 18 перфорированного трубопровода 1.
На Фиг.2 представлен стабилизатор давления, у которого кожух 20 по длине выполнен с чередованием выпуклостей и вогнутостей относительно перфорированного трубопровода. Корпус кожуха выполнен из трех частей, образующая каждой части располагается под определенным углом к оси перфорированного трубопровода. Образующая 21 располагается под углом 22 к оси перфорированного трубопровода, образующая 23 располагается под углом 24 к оси перфорированного трубопровода, образующая 25 располагается под углом 26 к оси перфорированного трубопровода.
Стабилизатор давления работает следующим образом. В установившемся режиме движения рабочего тела (в частности, жидкости) по трубопроводу 1
3
10
жидкость через перфорацию (в частности, отверстия 14, 15, 16) заполняет полость 3, по трубопроводам 6, 7 и 8 заполняет полости демпфирующих камер 9 и 10. При появлении пульсаций давления в трубопроводе 1 происходит дополнительное перетекание рабочей среды через отверстия 14-16 (перфорацию трубопровода) в расширительную полость 3 и демпфирующие камеры 9 и 10, при этом происходит диссипация энергии колебаний на перфорационных отверстиях. Поскольку давление в расширительной полости возросло, то происходит упругое перемещение мембраны 13 в сторону демпфирующего элемента 11 и его деформация с уменьшением занимаемого объема, а также происходит уменьшение объемов других демпфирующих элементов, за счет чего обеспечивается увеличение объема пространства расширительной полости между упругими элементами и перфорированным трубопроводом, обеспечивается большая степень податливости стабилизатора давления. Вследствие большой податливости демпфирующих элементов происходит увеличение скорости перетекания жидкости из трубопровода 1 в расширительную полость, что приводит к диссипации энергии колебаний давления на сосредоточенных сопротивлениях перфорационных отверстий, и как следствие к уменьшению амплитуды пульсаций давления в трубопроводе 1.
У аналогов волна сжатия с вектором 27 (см. Фиг.З), проходящая через отверстие 28 в перфорированном трубопроводе, воздействует на кожух 29 под прямым углом. В результате воздействия волны сжатия, а затем и волны отражения на кожух в нем появляются большие радиальное усилие 30. Обеспечение надежной работы в этом случае достигается за счет увеличения толщины кожуха и усиления сварных швов, с помощью которых кожух крепится к перфорированному трубопроводу.
3/ В заявленном техническом решении стенка кожуха наклонена под углом 34 к
вектору волны сжатия 31. Волна сжатия с вектором 31 (см. Фиг.4), проходящая через отверстие 32 в перфорированном трубопроводе, воздействует на кожух 33 под углом 34. В результате воздействия волны сжатия на кожух от кожуха отражается волна отражения 35. В результате действия волны сжатия и волны отражения на кожух в нем появляются радиальное усилие 36, которое раскладывается на нормальное усилие 37 и усилие 38, направленное вдоль по образующей кожуха. Величины усилий 37 и 38 зависят от угла 34. Чем больше угол 34 между вектором волны сжатия 31 и нормалью к поверхности кожуха в точке воздействия волны на кожух, тем менее интенсивна волна отражения, тем выше усилие 38 и меньше усилие 37. Увеличение угла 34 с 0° до 10° может привести к уменьшению давления в отраженной волне на 45-50%. Величина угла также определяет количество отражений волны сжатия от стенки кожуха и перфорированного трубопровода. Чем больше угол, тем меньшее количество раз волна сжатия отразится от стенки кожуха и перфорированного трубопровода в расширительной полости. Количество отражений при угле в 1° в 10 раз больше чем при угле в 10°. Угол 34 целесообразно выбирать из диапазона 3:15°.
Внутренний объем расширительной полости оказывает влияние на демпфирующие качества стабилизатора давления. Целесообразно задавать объем расширительной полости, равный 5:95% от внутреннего объема стабилизатора давления. При объеме менее 5% не эффективно используются возможности демпфирования за счет пересечения и гашения волн сжатия. При объеме более 95% не эффективно используются возможности демпфирующих элементов из-за из малого объема. С целью уплотнения компоновки в расширительной полости могут размещаться демпфирующие элементы 39 (СМ.ФИГ1) и 40, 41 (см.фиг.2). На фиг.5 изображен стабилизатор давления с двумя
12 демпфирующими элементами 42 и 43 в виде герметичных металлических упругих
камер. Срединная часть упругих камер в поперечном сечении выполнена овальной формы. При повышении давления срединная часть овальной формы еще более сжимается, а при понижении давления срединная часть стремится занять объем цилиндра с поперечным сечением в виде окружности. Работа подобного стабилизатора описана в источнике /2/ и патенте РФ №2156912, опубликованном 27.09.2000 г.
Демпфирующие элементы могут располагаться в расширительной полости и занимать объем от 30% до 60% от объема расширительной камеры. На фиг.6 изображен стабилизатор давления с тремя демпфирующими элементами 44, 45 и 46. Демпфирующий элемент 45 выполнен многослойным. Материалы слоев различаются величиной относительного удлинения.
Кожух и перфорированный трубопровод целесообразно выполнять из одного и того же материала, например из стали с модулем упругости 190:21 ОГПа, модулем сдвига 77:81 ГПа, прочностью на разрыв 320:1500МПа, пределом текучести 190:1200МПа. Данными характеристиками обладают широко распространенные стали марок Ст1, Ст2, 09Г2, 15ГС, 25Г2С, 20ХГСА, ЗОХГСНА, 27ГЛ, 27ХГСНЛ и многие другие /4/. Упругие характеристики данных сталей позволяют воспринимать и гасить амплитуды высокочастотных колебаний.
Суммарная площадь отверстий перфорированного трубопровода может составлять величину 3:600% от площади поперечного сечения перфорированного трубопровода. Выход за эти пределы снижает эффективность работы стабилизатора на частотах колебаний, вызываемых работой промышленных насосных установок.
Важную роль в демпфировании колебаний играет форма отверстий перфорации. Выполнение отверстия в виде овала увеличит поверхность трения
13 рабочего тела (жидкости) о стенки отверстия, тем самым увеличится энергия
рассеяния на отверстии.
Демпфирующие элементы могут выполняться в виде упругих элементов с отношением массы к объему, равным 50:980кг/м. При этом демпфирующие элементы выполняются в виде упругого элемента с использованием кремнийорганического каучука плотностью 960:980кг/м, прочностью на разрыв 6:10МПа, относительным удлинением до 550% с внутренней газовой полостью, занимающей от 0.0001 до 99,9% от общего объема демпфирующего элемента. Наличие газовой полости увеличивает податливость демпфирующего элемента и снижает его массу.
Увеличение объема расширительной полости достигается использованием в стабилизаторе давления выносных демпфирующих камер. Количество камер зависит от требуемой степени стабилизации давления и может подбираться экспериментальным путем /2/. Демпфирующие камеры крепятся к кожуху по средством 1:2 трубопроводов. Два трубопровода обеспечивают большую жесткость конструкции. Демпфирующая камера расположена под углом 1:90° к продольной оси перфорированного трубопровода. Угол определяется из условий удобства крепления, минимизации занимаемого объема или определяется имеющимися свободными объемами вокруг магистрального трубопровода. Кроме того, угол крепления, отличный от 0° и 90°, позволит перераспределить действующие нагрузки на камеру и тем самым уменьшить радиальные динамические нагрузки на кожух. Механизм нагружения аналогичен показанному
на фиг.З и фиг.4.
Выбором количества демпфирующих элементов и упругих характеристик демпфирующих элементов, объема расширительной камеры и демпфирующих камер, количества отверстий перфорации и их суммарной площади, угла наклона
14 образующей кожуха к оси перфорированного трубопровода или углов наклона
образующих секций кожуха к оси перфорированного трубопровода добиваются требуемой степени уменьшения амплитуды колебания давления.
Таким образом, задача полезной модели решена. При осуществлении полезной модели будет достигнуто облегчение конструкции стабилизатора за счет перераспределения нагрузок на кожух, уменьшения радиальных усилий на кожуха и уменьшение его массы.
1.Гаситель колебаний давления и расхода. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1753174 по классу F16L55/04, опубликованное 07.08.92. Бюл. №29.
2.Ганиев Р.Ф., Низамов Х.Н., Дербуков Е.И. Волновая стабилизация и предупреждение аварий на трубопроводах. - М.:Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1996. - 260 с.
3.Динамический расчет сооружений на специальные воздействия/ М.Ф.Барштейн, Н.М.Бородачев, Л.Х.Блюмина и др.; Под ред. Б.Г.Коренева, И.М.Рабиновича. - М.:Стройиздат, 1981.-215 с.-(Справочник проектировщика).
4.Физические величины. Справочник/А.П.Бачев, Н.А.Григорьева, А.М.Братковский. - М.:Энергоатомиздат, 1991-1232 с.
5.Математика. Большой энциклопедический словарь/Гл.ред. Ю.В.Прохоров. 3-е изд. - М.:Большая Российская энциклопдия, 2000.
15
ЛИТЕРАТУРА