СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА В ТРУБОПРОВОДНОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO COMPENSATE HYDRAULIC SHOCK IN PIPELINE NETWORK AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электромеханике, а именно к способам и устройствам с использованием пьезоэлектрического эффекта, производящим электрический выходной сигнал от механического входного сигнала, и может быть использовано в машиностроении как вспомогательное оборудование для трубопроводных сетей с целью защиты от воздействий пульсаций давления при гидравлических ударах (далее гидроудар).
Как известно из уровня техники, существующие способы и устройства для гашения пульсаций давления при гидроударе в трубопроводах можно подразделить на следующие типы, направленные на:
1) увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов (установка элементов с повышенным гидравлическим сопротивлением);
2) перераспределение энергии потока (перенаправление потоков жидкости через байпасные, переточные линии; отвод части энергии с перебрасываемым потоком и т.д.);
3) сглаживание пульсаций давления за счет сжатия упругого или вязкоупругого элемента (воздушный колпак, пружина с поршнем и т.д.);
4) комбинация вышеуказанных типов гашения пульсаций давления.
Устройства первого типа достаточно просты, но при работе происходит диссипация (рассеивание) избыточной энергии потока, что приводит к увеличению расхода энергии на транспортировку жидкости. Увеличение гидравлического сопротивления также приводит к повышенному расходу энергии.
Устройства второго типа недостаточно эффективно компенсируют пульсации давления. Для устройств этого типа характерно использование большого количества элементов в конструкции, что снижает надежность системы в целом и приводит к ее удорожанию.
В устройствах третьего типа при использовании в качестве упругого элемента газа, необходим контроль его объема (газ может раствориться в жидкости), а использование автоматики для контроля удорожает систему. Если устройство используется на открытом пространстве, окружающая среда играет важную роль, так как понижение температуры воздуха может привести к заклиниванию, примерзанию поршня (особенно зимой). Кроме того, пружина имеет ограниченный ресурс работоспособности по циклическим нагрузкам при эксплуатации.
Комбинированные устройства (четвертого типа) наиболее эффективно сглаживают пульсации давления, но основным их недостатком является сложность конструкции, что приводит к увеличению затрат на их изготовление и эксплуатацию, а также к снижению надежности таких устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, реализованный в устройстве (а.с. СССР 1695022, Б.И №44, 1991), которое содержит спиралевидные отводные патрубки (с вибродемпфирующим покрытием) от магистрального трубопровода. При распространении пульсаций давления по магистрали возбуждаются колебания жидкости в отводном патрубке. Спиралевидность оси патрубка приводит к тому, что пульсации жидкости в патрубке возбуждают изгибные колебания его стенок. Эти колебания в виде бегущих изгибных волн бегут от основания патрубка к его незакрепленному тупиковому концу. При этом вибродемпфирующее покрытие испытывает деформации сдвига и сжатия-растяжения и тем самым преобразует энергию механических колебаний в тепловую энергию. Коническая форма незакрепленного конца патрубка способствует большим амплитудам изгибных колебаний его стенок, следовательно, большим величинам деформации вибродемпфирующего покрытия. В результате колебательная энергия полностью поглощается вибродемпфирующим покрытием, бегущая волна изгибных колебаний стенок патрубка не претерпевает отражения от незакрепленного конца, поэтому отсутствует обратное преобразование энергии механических колебаний стенок патрубка в пульсации давления жидкости и магистрали. При этом особенности конструкции отводного патрубка (коническая форма, спиралевидность оси и вибродемпфирующее покрытие на его внешних стенках) позволяет снизить пульсации давления в широком диапазоне частот, начиная с частоты возникновения изгибных колебаний стенок патрубка. Указанным способом достигается повышение эффективности демпфирования колебаний. Недостатком известного способа является невозможность аккумулирования, передачи и использования полученной в результате преобразования энергии. Кроме того, за счет накопления усталостных напряжений в спиралевидных элементах возможен их быстрый выход из строя.
Прототипом заявляемого устройства является демпфер (а.с. СССР 1756726, Б.И. №31, 23.08.92), который содержит поперечно-гофрированный элемент (ПРГЭ) и два дополнительных демпфирующих элемента с внутренней поверхностью экспоненциальной формы. ПРГЭ установлен между торцевыми поверхностями трубопроводов. При возникновении в трубопроводе гидроудара часть энергии высокочастотной волны распространяется по его стенке. Дополнительные демпфирующие элементы, закрепленные на торцовых поверхностях трубопроводов и выполненные в виде акустических трансформаторов с внутренней поверхностью экспоненциальной формы, преобразуют энергию высокочастотной волны в тепловую энергию жидкости в полости ПРГЭ и уменьшают интенсивность отраженной от концов трубопровода высокочастотной волны. Введение дополнительных демпфирующих элементов позволяет изменить физическую картину процесса диссипации энергии ультразвуковой волны, распространяющейся по трубопроводу за счет концентрации энергий ультразвуковой волны с последующим ее рассеянием в жидкости, протекающей по трубопроводу. Тем самым достигается повышение эффективности гашения высокочастотных волн. Недостатками известного устройства являются:
- невозможность аккумулирования, передачи и использования полученной в результате преобразования энергии;
- отсутствие у ПРГЭ с внешней стороны противодействия нагрузкам (статическому и динамическому давлению противодействует лишь ПРГЭ);
- отсутствие жесткой центровки труб (при возникновении нагрузки может произойти перекос труб);
- возникновение изгибающих напряжений ПРГЭ при растяжении может привести к деформации труб в результате потери устойчивости по Эйлеру;
- недостаточная надежность конструкции (в случае прорыва ПРГЭ жидкость попадет в окружающую среду, что может привести к ее загрязнению).
Задачей предлагаемого технического решения является повышение экономичности, снижение потерь энергии за счет преобразования энергии потока жидкости в электроэнергию и последующее ее использование в различных целях, а также повышение надежности способа и устройства.
Поставленная задача решается тем, что в способе компенсации гидравлического удара в трубопроводной сети, заключающемся в том, что пульсации давления компенсируют путем преобразования энергии потока жидкости, при этом, согласно изобретению, преобразование энергии потока жидкости при гидравлическом ударе осуществляют частично в электрическую энергию, используя свойство пьезоэлементов продуцировать электрический заряд при их деформации, а оставшуюся часть энергии компенсируют за счет деформации последовательно соединенных упругих или вязкоупругих элементов.
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для компенсации гидравлического удара в трубопроводной сети, содержащем разрезной трубопровод с входным и выходным фланцами для соединения с защищаемой трубопроводной сетью и установленный между торцевыми поверхностями концов разрезного трубопровода поперечно-гофрированный элемент типа сильфона, герметично закрепленный к концам трубопровода, согласно изобретению, концы трубопровода помещены с радиальным зазором в цилиндрическую камеру с фланцами, в радиальном зазоре между трубопроводом и цилиндрической камерой установлены последовательно один или несколько пьезоэлементов в виде цельных или составных колец, плотно посаженных на концы трубопровода, причем цилиндрическая камера герметично закрыта с каждой из двух сторон с помощью одного или нескольких последовательно установленных упругих или вязкоупругих уплотнительных элементов, а к пьезоэлементам подсоединены электрические провода для отвода наружу преобразованной энергии, выведенные через герметизированное отверстие в цилиндрической камере, выполненной с расчетом на избыточное давление.
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для компенсации гидравлического удара в трубопроводной сети, согласно изобретению, цилиндрическая камера снабжена датчиком давления.
Заявляемые способ и устройство позволяют снизить потери энергии путем преобразования энергии потока в электроэнергию, а также повысить экономичность и надежность способа и устройства.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого устройства, а на фиг.2 - схема его подключения к защищаемой трубопроводной сети.
Предлагаемый способ реализуется в устройстве (фиг.1). Устройство содержит разрезной трубопровод 1 с входным 2 и выходным 3 фланцами, установленный между торцевыми поверхностями концов разрезного трубопровода поперечно-гофрированный элемент 4 типа сильфона, герметично закрепленный к концам трубопровода 1 при помощи фланцев 5. Концы трубопровода 1 помещены с радиальным зазором в цилиндрическую камеру 6 с фланцами 7. В радиальном зазоре между трубопроводом 1 и цилиндрической камерой 6 установлены последовательно один или несколько пьезоэлементов 8 в виде цельных или составных колец, плотно посаженых на концы трубопровода, причем цилиндрическая камера 6 герметично закрыта с каждой из двух сторон с помощью одного или нескольких последовательно установленных упругих или вязкоупругих уплотнительных элементов 9, а к пьезоэлементам 8 подсоединены электрические провода 10 для отвода наружу полученной энергии к приемнику зарядов 11 (например, аккумулятору), выведенные через герметизированное отверстие 12 в цилиндрической камере 6, внутри которой создается избыточное давление газом, нагнетаемым через штуцер 13 компрессором (на фиг.1 условно не показан). Для подключения регулирующих и измерительных приборов к камере 5 служит штуцер 14.
На фиг.2 показана установка предлагаемого устройства для компенсации гидравлического удара на защищаемом трубопроводе 15, соединенного с насосом 16, возникающего при перекрытии управляющего устройства 17. К штуцеру 14 камеры 6 может быть также подключен датчик давления (РЕ), соединенный е контроллером (PRC), который позволяет управлять частотой вращения привода (М) насоса 16.
В случае возникновения гидравлического удара (вследствие быстрого закрытия или открытия управляющего устройства 17, которым может быть запорное или регулирующее устройство, например, задвижка, а также внезапной остановки насоса 16 и др.), согласно теории Жуковского (Френкель Н.З. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1956. С.318), происходит пиковый рост давления перед управляющим устройством 17, а фронт давления распространяется по трубопроводной сети 15 со скоростью, близкой к скорости звука в водной среде, в сторону насоса 16. Важно, что движение жидкости отсутствует, а распространение давления имеет акустический характер.
При прохождении фронта ударного давления через заявляемое устройство резкое повышение давления приводит к осевому расширению сильфона 4 и сжатию пьезоэлементов 8 между фланцами 5 и 7. Деформация пьезоэлементов 8 приводит к возникновению электрического заряда, который по проводам 10 через отверстие 12 поступает в приемник зарядов 11. Таким образом, энергия потока расходуется на получение электрической энергии.
Наличие давления (противодавления), созданного в камере 6 за счет сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором через штуцер 13, препятствует быстрому разрушению сильфона и способствует дополнительному смягчению гидравлического удара.
Отраженный фронт давления (пониженного давления) движется обратно к управляющему устройству 17, проходит через трубопровод 1 устройства. Понижение давления внутри устройства приводит к уменьшению давления, что приводит к деформации (расширению) пьезоэлементов 8, и последующему возникновению электрического заряда, который по проводам 10 через отверстие 12 поступает в приемник зарядов 11.
Процессы распространения волн и их преобразование в электрическую энергию повторяются до полного исчезновения пульсаций давления.
Поперечно-гофрированный элемент 4 в зависимости от диапазона возможных при эксплуатации давлений и диаметра защищаемой трубопроводной сети можно выполнить в виде стального однослойного сильфона или стального однослойного сильфона, армированного кольцами. Для определения максимально возможного избыточного давления, возникающего во время гидравлического удара, при полном мгновенном перекрытии потока жидкости используют формулу Жуковского (Френкель Н.З. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1956. С.318):
где Δp - приращение давления перед задвижкой при прямом гидравлическом ударе, Па;
3
ρ - плотность транспортируемой жидкости, кг/м;
u - скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с;
а - скорость звука в транспортируемой жидкости (скорость распространения ударной волны), м/с.
Скорость распространения ударной волны определяют по формуле:
где К - модуль объемного сжатия/расширения среды, Па;
Е - модуль упругости материала стенок трубопровода, Па;
d - внутренний диаметр трубопровода, м;
δ - толщина стенок трубопровода, м.
Соединение камеры 6 с трубопроводом 1 подвижное, поэтому уплотнительные элементы 9 могут быть выполнены комбинированными (Уплотнения и уплотнитель пая техника: Справочник / Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.Б.Овандер и др.; Под общ. ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - С.16-18, 153-154, 171-175). Комбинация уплотнительных элементов обеспечивает оптимальную защиту корпуса от внешней среды в данной конструкции. Кроме того, уплотнительные элементы 9 совмещают в себе функцию демпфирования высокочастотных колебаний трубопровода 1 под воздействием пульсаций давления транспортируемой среды.
Для повышения надежности устройства внутри камеры 6 возможна установка датчика давления. В этом случае, при прорыве сильфона 4, можно вовремя остановить насос 16 и информировать обслуживающий персонал об аварии. Кроме того, в случае прорыва сильфона 4 транспортируемая среда попадет в камеру 6 устройства, а не в окружающую среду, тем самым увеличивается надежность этого устройства. Пример конкретного выполнения.
3
3
-12
0
В трубопроводную сеть диаметром d=100 мм, снабженную управляющим устройством 17 (задвижкой), схема которого показана на фиг.2, подается вода плотностью ρ=1000 кг/м с объемным расходом Q=0.031 м/с (скорость движения жидкости при этом составляет u=4 м/с). В трубопроводной сети установлено предлагаемое устройство, в состав которого входит 14 пьезоэлементов 8 (фиг.1), выполненных из материала ЦТСтБС-1 (Аврора-ЭЛМА. Каталог пьезокерамических элементов. Волгоград) с пьезомодулем в динамическом или статическом режиме не менее П=500·10 Кл/Н.
L
Скорость звука в воде равна (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.471) a=1485 м/с. В соответствии с формулой (1) скачок давления при быстром закрывании задвижки (прямом гидравлическом ударе) составит
Δp=ρua=1000×4×1500=6 МПа,
при этом на пьезоэлементы 8 действует суммарное усилие, равное
2
6
2
Р=Δp×πd/4=6·10×3.14×0.1/4=47124 Н.
Под действием приложенного усилия пьезодатчики сжимаются, и в них вырабатывается электрический заряд, равный
-12
-5
Q=РП=47124×500·10=2.356·10 Кл.
-5
На обкладках каждого из пьезоэлементов генерируется разность потенциалов 1 В, суммарное напряжение, поступающее на приемник зарядов 11 (аккумулятор), составляет 14 В, что приводит к подзарядке приемника зарядов 11 при каждом прохождении фронта волны через предлагаемое устройство на величину порядка 2·10 Кл. Далее накопленная приемником зарядов 11 электрическая энергия может использоваться для поддержания напряжения в системах бесперебойного питания автоматики, установленной в трубопроводной сети, для аварийного освещения и т.д.
Благодаря наличию упругих или вязкоупругих уплотнительных элементов 9 усилие, воспринимаемое устройством при возникновении гидравлического удара, распределяется на широком интервале времени, т.е. нагрузка на трубопровод становится практически безударной и приближается к статической.
Таким образом, заявляемые способ и устройство для его осуществления позволяют снизить потери энергии и повысить экономичность и надежность способа и устройства.