УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ

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, в частности, для гашения пульсации давления перекачиваемой рабочей жидкости (газа) в системах трубопроводов.
Имеется устройство для гашения пульсации давления, взятое за прототип (патент на полезную модель RU 119062 U1, приоритет от 24.01.2012), содержащее трубопровод, пластину с отверстиями, установленную в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода, при этом пластина содержит отверстия с суммарной проходной площадью не менее площади проходного сечения трубопровода, расположена в камере ортогонально оси трубопровода, а длинна цилиндрической камеры находится в диапазоне 0,5÷1,5 гидравлических диаметров камеры. 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. Конструкция устройства (а именно, установка пластины с отверстиями в камере, внутренний диаметр которой больше внутреннего диаметра трубопровода) дает принципиальную возможность снижения гидравлического сопротивления устройства.
Прототип имеет следующие недостатки:
1) Устройство для гашения пульсаций давления имеет участок с внезапным расширением потока и участок с внезапным сужением потока при переходе от диаметра трубопровода к диаметру камеры и при переходе от диаметра камеры к диаметру трубопровода соответственно. Это приводит к возрастанию гидравлического сопротивления системы и одновременному снижению амплитуд пульсации давления в системе, что в некоторых случаях допустимо, но иногда приводит к значительным сложностям. Так, например, при установке устройства для гашения пульсаций давления в системе парораспределения энергетических турбоустановок, увеличение сопротивления трубопровода приводит к значительному уменьшению коэффициента полезного действия и мощности турбоустановки (см. стр.17-18 [1]).
2) Устройство для гашения пульсации давления имеет значительное гидравлическое сопротивление по причине того, что при установке в камере решеток с отверстиями в виде цилиндрических отверстий технологически сложно обеспечить изготовление решетки с геометрическим коэффициентом заполнения , определяемым по формуле (1), сформулированной на стр.408 [2], меньше 0,55. При этом, наибольшее воздействие на коэффициент гидравлического сопротивления ζ оказывает именно геометрический коэффициентом заполнения  (см. стр.401-420 [2], стр.217-225 [3]).
отв
где  - площадь проходного сечения камеры, F - суммарная площадь отверстий в решетке.
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, упрощение задачи изготовления устройства для гашения пульсаций давления.
Поставленная задача решается тем, что устройство для гашения пульсаций давления, включает трубопровод, пластину с отверстиями, установленную ортогонально оси трубопровода в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода, при этом длинна цилиндрической камеры находится в диапазоне 0,5÷1,5 гидравлических диаметров камеры.
Отличительной особенностью устройства является то, что переход от внутреннего диаметра камеры к внутреннему диаметру выходного участка трубопровода осуществляется по конической поверхности, при этом длина прямолинейного участка трубопровода устройства на входе в камеру составляет не менее двух гидравлических диаметров трубопровода.
Кроме того, отличительной особенностью является то, что пластина выполнена в виде плетеной сетки, двухполосной сетки или хонейкомба с геометрическим коэффициентом заполнения не более 0,45 или содержит цилиндрические отверстия с геометрическим коэффициентом заполнения не более 0,6.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-2.
На фиг.1 представлен рисунок предлагаемого устройства, где на фиг.1а показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг.1б - пластина с цилиндрическими отверстиями; на фиг.1в пластина, выполненная в виде двухполосной сетки; на фиг.1г - пластина, выполненная в виде плетеной сетки; на фиг.1д и фиг.1е - пластины выполненные в виде хонейкомбов различных конструктивных исполнений.
На фиг.2 представлена зависимость величины степени гашения пульсаций устройством для гашения пульсации давления Δ, определяемого по формуле (2), приведенной на стр.106 [4], и коэффициента гидравлического сопротивления ζ, определяемого по формуле (3), приведенной на стр.401 [2], 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 устройства).
где σ″, σ″ - степени неравномерности в выбранной точке трубопровода без устройства для гашения пульсаций давления.
кин
где ΔP - потери давления на участке трубопровода с УГПД; E - кинетическая энергия жидкости в характерном сечении; с - скорость рабочего тела в характерном сечении трубопровода; ρ - плотность рабочего тела.
Предлагаемое устройство включает:
Трубопровод 1 (фиг.1а), пластину с отверстиями 2 (фиг.1а), установленную ортогонально оси трубопровода в цилиндрической камере 3 (фиг.1а), коаксиальной с внутренней цилиндрической поверхностью трубопровода и внутренним диаметром камеры, большим внутреннего диаметра трубопровода, а переход от внутреннего диаметра камеры 3 (фиг.1а) к внутреннему диаметру выходного участка трубопровода 4 (фиг.1а) осуществляется по конической поверхности 5 (фиг.1а).
Устройство работает следующим образом:
Устройство для гашения пульсации давления изготавливаться в виде неразъемной конструкции (т.е. собирается с помощью сварных или других неразъемных соединений) или в виде разъемной конструкции (т.е. имеет в составе винтовые, шпилечные или другие разъемные соединения). Присоединение к трубопроводу для транспортировки жидких или газообразных рабочих сред так же выполняется разъемным или неразъемным в зависимости от выдвигаемых к устройству для гашения пульсации давления требований.
Пульсации давления в трубопроводах, как правило, обусловлены наличием в трубопроводах крупных вихревых образований, генерируемых при прохождении рабочей жидкости (газа) через арматуру, тройники, поворотные колена, насосное оборудование, турбооборудование и компрессорные установки, различные местные сопротивления и т.д. или изменением режимов работы оборудования. Устройство для гашения пульсаций давления (фиг.1а) включает трубопровод 1 (фиг.1а) длиной (L) не менее 2-х гидравлических диаметров (D) трубопровода 1 (фиг.1а, фиг.2). Рабочая жидкость с крупными вихревыми образованиями по трубопроводу 1 (фиг.1а) поступает во входную часть камеры 3 (фиг.1а), гидравлический диаметр которой больше гидравлического диаметра трубопровода 1 (фиг.1а). При переходе на больший гидравлический диаметр происходит внезапное расширение потока и уменьшение осевой скорости потока. Далее, заторможенная рабочая жидкость поступает в отверстия пластины 2 (фиг.1), с геометрическим коэффициентом заполнения не более 0,45 для плетеных (фиг.1г) и двухполосных (фиг.1в) сеток и хонейкомбов (фиг.1д и фиг.1е) (или не более 0,6 для пластины с цилиндрическими отверстиями). В пластине 2 (фиг.1) 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 2 (фиг.1) рабочая жидкость (газ) поступает в выходную часть камеры 3 (фиг.1а). Из выходной части камеры 3 (фиг.1) рабочая жидкость (газ) направляется по конической поверхности 5 (фиг.1а) в трубопровод 4 (фиг.1а), где скорость потока рабочей жидкости опять увеличивается до исходного уровня. Переход от внутреннего диаметра камеры 3 (фиг.1а) к внутреннему диаметру выходного участка трубопровода 4 (фиг.1а) осуществляется по конической поверхности 5 (фиг.1а), что позволяет организовать конфузорное течение в проточной части предлагаемого устройства для гашения пульсаций давления, одним из свойств которого является снижение пульсаций давления потока (см. рис.2.47 стр.142 [3]).
Маленькие вихревые шнуры, получаемые на выходе из устройства для гашения пульсаций давления 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 (стр.122-123 [5]). 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.
Наибольшее воздействие на коэффициент гидравлического сопротивления ζ оказывает именно геометрическим коэффициентом заполнения  (см. стр.401-420 [2], стр.217-225 [3]), поэтому предлагается устанавливать вместо пластины с цилиндрическими отверстиями (на фиг.1б), где конструктивно сложно добиться геометрического коэффициента заполнения  меньше 0,55, пластины других конструктивных исполнений: пластину, выполненную в виде двухполосной сетки (на фиг.1в); пластину, выполненную в виде плетеной сетки (на фиг.1г); пластины выполненные в виде хонейкомбов различных конструктивных исполнений (фиг.1д и фиг.1е) с геометрическим коэффициентом заполнения  не более 0,45, что приводит к уменьшению гидравлических потерь в такой пластине 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 достаточно высокие прочностные характеристики, поэтому несмотря на указанный недостаток для трубопроводов с высоким уровнем пульсации давления и одновременно с большими значениями давлений и плотностей рабочего тела все же необходимо использовать устройства для гашения пульсации давления с цилиндрическими отверстиями в пластине с геометрическим коэффициентом заполнения не более 0,6.
Поскольку, в предлагаемой полезной модели геометрический коэффициент заполнения F пластины с цилиндрическими отверстиями не более 0,6 (и для плетеных и двухполосных сеток и хонейкомбов не более 0,45), то удается добиться значительного снижения коэффициента гидравлического сопротивления ζ системы трубопроводов с устройством для гашения пульсации давления.
Использование хонейкомбов, плетеных или двухполосных сеток наряду с цилиндрическими отверстиями упрощает задачу изготовления эффективных устройств для гашения пульсации давления.
Для уменьшения гидравлического сопротивления устройства для гашения пульсации давления рекомендуется переход от внутреннего диаметра камеры 3 (фиг.1а) к внутреннему диаметру выходного участка 4 (фиг.1а) трубопровода осуществлять по конической поверхности 5 (фиг.1а). Проведенные расчетно-экспериментальных исследования (см. стр.[6]) и анализ имеющихся исследований (см. стр.136 [3], рис.1.30 стр.36 [7]) показали, что наличие диффузорных течений в проточной части перед различными пластинами с отверстиями усиливают пульсации давления потока в сечении за пластинами с отверстиями, однако организация конфузорных течений в потоке за пластиной с отверстиями позволяет снизить общий уровень пульсации давления потока с одновременным снижением общего гидравлического сопротивления системы.
Расчетно-экспериментальные исследования [6] показывают, что большое значение имеет расстояние от источника пульсации давления в трубопроводе до устройства гашения пульсации давления (фиг.2). Исходя из этого, предлагается выполнять устройства для гашения пульсаций давления с прямолинейным участком трубопровода 1 устройства (фиг.1а) на входе в камеру длиной не менее двух гидравлических диаметров трубопровода устройства, что позволяет ощутимо снизить амплитуды пульсации давления и гидравлическое сопротивление в трубопроводе с устройством для гашения пульсации давления.
Расчетно-экспериментальные исследования [6] показывают, что устройства для гашения пульсаций давления спроектированные согласно пунктам, предлагаемой полезной модели позволяют до 3 раз снизить коэффициент гидравлического сопротивления ζ, системы трубопроводов с устройством для гашения пульсации давления и до 3,5 раз увеличить степень гашения пульсаций давления Δ устройства гашения пульсации давления по сравнению с имеющимися аналогами.
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, а так же упрощение задачи изготовления устройств для гашения пульсации давления.
В настоящее время проводится изготовление с последующим испытанием предлагаемого устройства для подготовки к внедрению его на АЭС.
Использованные источники
1. Костюк А.Г., Фролов В.В., Булкин А.Е. Турбины тепловых и атомных электростанций. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 488 с.
2. Идельчик И.Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. Штейнберга М.О. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
3. Репик Е.У., Соседко Ю.П. Управление уровнем турбулентности потока. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2002. - 244 с.
4. Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. - М.: Энергия, 1979. - 288 с.
5. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин Т.В. Аэродинамика отрывных течений. - М.: Высшая школа, 1988. - 351 с.
6. Николаева А.В., Белова О.В., Скибин А.П. Разработка виртуального стенда для оптимизации вихрегасителей по месту их установки в пневматических системах // тезисы восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2012, - с.292-294.
7. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1983. - 351.