Способ и устройство гашения импульсов давления в магистральных трубопроводах
METHOD AND DEVICE FOR DAMPING PRESSURE PULSES IN MAIN PIPELINES

Изобретение относится к объектам теплоснабжения, нефтяной, газовой, химической, атомной промышленности, а также к авиационно-космической технике и может быть использовано как средство защиты магистральных трубопроводов от разрушения в результате действия импульсов и пульсаций давления в жидкости или газе, сопровождающих гидравлический удар, возникающий при включении, работе и выключении насосов, открытии и закрытии клапанов, задвижек и других устройств.
Известны традиционные способы гашения колебаний в магистральных трубопроводах, заключающиеся в том, что поток жидкости или газа разделяют на части, а отведенные из трубопровода потоки заводят в демпфирующие камеры с упругими элементами, в которых происходит изменение объема под действием перепада давления, за счет использования потенциальной энергии импульсов [1, 2].
Недостатком такого способа является ограниченный диапазон частот гасимых импульсов давления, зависящий от жесткости упругих элементов и ограниченного объема расширительных камер.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототип) является способ, который реализован в устройстве гашения импульсов давления [3]. Способ диссипации импульсов давления заключается в том, что поток жидкости или газа магистрального трубопровода разделяют на части и отведенные потоки направляют через расширительные камеры в демпфирующую камеру с двух противоположных сторон так, что один и тот же импульс действует на демпфирующие элементы, расположенные в камере, сжимает их за счет потенциальной энергии самого импульса.
Достоинством описанного способа гашения импульсов давления является нефиксированный диапазон частот пульсации импульсов давления, так как в качестве демпфирующего упругого элемента используют упругие элементы, на которые с противоположных сторон действуют импульсы давления.
Недостатком указанного способа гашения импульсов давления является низкая эффективность в результате рассеяния (диссипации) только потенциальной энергии, затрачиваемой на сжатие упругих элементов, и неиспользовании кинетической энергии импульсов давления.
Устройство для реализации способа гашения импульсов давления содержит цилиндрический корпус, охватывающий участок магистрального трубопровода с центральной демпфирующей камерой, ограниченной двумя поперечными перегородками со сквозными отверстиями, и две расширительные камеры, образованные указанными поперечными перегородками и торцовыми донышками и соединенные с центральным участком трубопровода радиальными сквозными отверстиями одного диаметра и количества. Внутри демпфирующей камеры размещены демпфирующие элементы - автомобильные шины с упругой набивкой и установленные с перекрытием сквозных отверстий поперечных перегородок.
Недостатком данного устройства является наличие демпфирующих элементов - автомобильных шин с упругой набивкой, в результате чего устройство имеет большие габариты, стоимость и может быть использовано только в магистральных трубопроводах большого диаметра.
Задачей способа изобретения является повышение эффективности гашения колебаний давления в магистральных трубопроводах за счет диссипации как потенциальной, так и кинетической составляющих энергий импульсов давления.
Задачей устройства изобретения, реализующего указанный способ, является уменьшение габаритов, упрощение конструкции, сокращение стоимости и расширение диапазона диаметров трубопроводов.
Указанный технический эффект в способе повышения эффективности гашения колебаний импульсов давления заключается в том, что потоки жидкости или газа магистрального трубопровода, в котором действуют импульсы давления, разделяют на части и отведенные потоки через расширительные камеры заводят в демпфирующую камеру, в которой потоки направляют встречно на жидкость или газ, находящиеся в камере, так, что импульсы давления изменяют их плотность и давление за счет потенциальной энергии самих импульсов и одновременно закручивают потоки в противоположные стороны, тормозя скорость жидкости или газа за счет кинетической энергии этих же импульсов давления.
Указанный технический эффект в устройстве, реализующий заявляемый способ, достигается за счет конструкции, состоящей из цилиндрического корпуса, охватывающего участок магистрального трубопровода с центральной демпфирующей камерой, ограниченной двумя поперечными перегородками со сквозными отверстиями, и двух расширительных камер, образованных указанными поперечными перегородками и торцовыми донышками, и соединенных с участком магистрального трубопровода радиальными отверстиями одного диаметра и количества, при этом сквозные отверстия в поперечных перегородках выполнены в виде струйных каналов так, что их оси расположены под углом α - к продольной и β - к радиальной осям участка центрального трубопровода и образуют в демпфирующей камере потоки жидкости или газа, вращающихся навстречу друг к другу.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 - общий вид устройства гашения импульсов давления,
- на фиг. 2 - вид А на левую и правую поперечные перегородки с каналами.
Предложенное устройство гашения импульсов давления состоит из участка магистрального трубопровода 1 с отверстиями - 2 и 3, цилиндрического корпуса 4, торцовых донышек 5 и 6 и поперечных перегородок 7, 8. Цилиндрический корпус 4 охватывает участок магистрального трубопровода 1 и с двух сторон соединен торцовыми донышками 5 и 6 с участком магистрального трубопровода 1, образуя герметичную камеру, которая поперечными перегородками 7 и 8 разделена на три части: центральную 9 - демпфирующую и две боковые 10 и 11 - расширительные камеры.
Отверстия 2 и 3, соединяющие участок трубопровода с расширительными камерами 10 и 11, расположены в каждой камере равномерно по трубопроводу 1 и выполнены радиальными, одного диаметра и количества.
В поперечных перегородках 7 и 8, разделяющих расширительные камеры 10, 11 с демпфирующей 9, сквозные отверстия выполнены в виде каналов 12, 13. Каналы расположены рядами равномерно между участком трубопровода 1 и корпусом 4 с углами наклона α относительно продольной оси трубопровода и с углами наклона β относительно радиальных осей. Углы α и β могут иметь значения в диапазоне 0<(α, β)<90°, например 45°. Величины углов α и β зависят от плотности и вязкости используемых жидкости или газа.
Способ и устройство гашения импульсов давления в магистральном трубопроводе работает следующим образом.
В установившемся стационарном режиме поток жидкости или газа, проходящий через участок магистрального трубопровода 1, имеет постоянное давление на входе и выходе устройства. При этом постоянное давление устанавливается и во всех камерах 10, 9, 11. Жидкость или газ будут перемещаться из одной расширительной камеры в другую параллельно движению жидкости или газа в участке магистрального трубопровода 1. В демпфирующей камере 9 поток закручивают в направлении, соответствующем ориентации каналов, исполненных в поперечных перегородках 12 и 13. Поскольку каналы 12, 13 в поперечных перегородках имеют угол наклона α относительно продольной оси и угол наклона β относительно радиальных осей, то, если поток в участке трубопровода 1 движется, например, слева направо, то он через каналы 2 проходит в расширительную камеру 10, затем через каналы 12 в демпфирующую камеру 9, в которой согласно положению каналов 12 (фиг. 2) будет вращаться по часовой стрелке и далее через каналы 13, в расширительную камеру 11, в которой будет так же вращаться в ту же сторону и далее через каналы 3 вернется в участок магистрального трубопровода.
При появлении импульса давления на входе, например, слева участка трубопровода 1 импульс проходит через каналы 2 в расширительную камеру 10, в которой происходит частичная потеря энергии за счет расширения, далее импульс проходит через каналы 12 в демпфирующую камеру 9, в которой поток закручивается по часовой стрелке.
Учитывая, что скорость импульсов или пульсаций давления зависит от источника их возникновения (гидравлического удара) и существенно превышает скорость потока жидкости или газа в трубопроводе (ее величина может достигать скорости звука при гидроударах), то импульс давления с незначительным запаздыванием проходит против потока через каналы 3 в расширительную камеру 11, в которой также происходит частичная потеря энергии импульса, и далее через каналы 13 в демпфирующую камеру 9, изменяя в ней плотность и давление жидкости или газа, и закручивая в ней встречные слои потока в направлении против часовой стрелки.
Поток, проходящий из расширительной камеры 10 через каналы 12, закручивается в противоположную сторону относительно закрученного потока в каналах 13 и, встречая его, ослабляет действие импульса давления в демпфирующей камере за счет потенциальной и кинетической энергий импульсов при взаимодействии встречных вихревых потоков.
В результате гашение импульсов давления достигается путем расширения потока и диссипации потенциальной энергии импульсов, которое обусловлено организацией действия встречно направленных импульсов давлений, сжимая упругую среду, изменяя плотность и давление жидкости или газа, и одновременно с диссипацией кинетической энергии импульса за счет торможения потоков жидкости или газа при контакте встречных потоков.
Таким образом, предлагаемый способ гашения импульсов давления в магистральном трубопроводе позволяет повысить эффективность гашения импульсов давления за счет одновременной диссипации как потенциальной, так и кинетической энергий самих импульсов путем изменения плотности, давления и скорости встречных потоков жидкости или газа в демпфирующей камере.
Предлагаемое устройство, реализующее данный способ, позволяет достичь повышения степени эффективности гашения упрощенной конструкцией, меньшими габаритами и, как следствие, меньшей стоимостью за счет применения в качестве демпфирующего элемента непосредственно упругой среды используемых жидкости или газа и выполнения сквозных отверстий в поперечных перегородках демпфирующей камеры определенной формы и и направлений.
Используемые источники
1. Б.Б. Некрасов. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. Изд-во «Машиностроение», М., 1967 г., стр. 202.
2. Патент РФ №2386889, кл. F16L, 55/04 за 2010 г.
3. Авт. свид. №1717898, кл. F16L, 55/04 за 1992 г.