СПОСОБ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЛН ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ УДАРЕ
PROCEDURE FOR DISSIPATION OF WAVE ENERGY AT HYDRAULIC SHOCK

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и устройствам, обеспечивающим нормальную эксплуатацию машин и установок, в частности к способу гашения энергии волн при гидравлическом ударе в трубопроводе.
Известен способ гашения гидравлического удара, включающий разделение фронта волны давления по меньшей мере на три части и снижение за счет этого значения давления во фронте волны давления, движущейся по магистральному трубопроводу, реализованный в устройстве [а.с. СССР № 1298474, МПК4 F16L 55/02, 1987 г.].
В известном устройстве на установившемся режиме течения, поток по всем трубопроводам движется в направлении запорного клапана, соответственно, при закрытии запорного клапана, фронт ударной волны повышенного давления возникает во всех трубопроводах - в магистральном и возвратном, что снижает эффективность гашения энергии волн гидравлического удара.
Известен способ гашения гидравлических ударов, заключающийся в рассеивании энергии гидравлического удара путем уменьшения амплитуды давления гидравлического удара за счет принудительного формирования гидравлически сообщенных с фронтом гидравлического удара зон жидкости постоянного объема с пониженным давлением относительно давления нагнетаемого потока (патент РФ №2067253, МПК6 F16L 55/02, 1996 г.). Этот способ гашения выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного способа является недостаточная эффективность гашения энергии волн при гидравлическом ударе, связанная с пассивным рассеиванием энергии в «карманах» - зонах постоянного объема, гидравлически сообщенных с основной магистралью. Кроме того, по известному способу вначале формируется фронт максимального давления, а затем по мере движения этого фронта по трубопроводу и прохождения зон пониженного давления происходит гашение энергии. Таким образом известный способ не препятствует формированию фронта волны в начальной стадии, что также является недостатком.
Из-за того что колебания волны гидравлического удара носят затухающий характер, необходимо влиять и уменьшить первое повышение давления - первую амплитуду.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности гашения энергии волн при гидравлическом ударе в начале формирования ее фронта.
Для достижения этого технического результата в способе гашения энергии волн при гидравлическом ударе в трубопроводе, заключающемся в уменьшении амплитуды повышения давления при последующем прохождении возмущений по длине трубопровода за счет принудительного формирования гидравлически сообщенных с фронтом гидравлического удара зон жидкости с пониженным давлением относительно давления нагнетаемого потока, при возникновении фронта ударной волны повышенного давления одновременно формируют фронт ударной волны пониженного давления, обеспечивают их взаимодействие и перепускают, тем самым, избыточное давление на удалении перед местом возникновения гидравлического удара, определяемом временем, превышающим фазу колебаний.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что при возникновении фронта ударной волны повышенного давления одновременно формируют фронт ударной волны пониженного давления, обеспечивают их взаимодействие и перепускают, тем самым, избыточное давление на удалении перед местом возникновения гидравлического удара, определяемом временем, превышающим фазу колебаний.
Благодаря наличию этих признаков, в начальной стадии формирования фронта ударной волны в магистральном трубопроводе часть кинетической энергии жидкости тратится на восстановление давления за фронтом ударной волны пониженного давления до исходного уровня в полости магистрали, а затем на деформацию стенок и собственно деформацию жидкости - местное повышение давления, распространяющееся впоследствии в виде фронта на всю длину трубопровода.
На чертеже представлен участок магистрального трубопровода, реализующий предлагаемый способ, продольный разрез.
Участок состоит из заслонки 1, размещенных перед ней центрального трубопровода 2 и трубопровода 3, установленного коаксиально последнему с помощью продольных ребер 4 с образованием кольцевой полости 5. Последняя сообщена с полостью 6 центрального трубопровода 2 с двух противоположных сторон: в месте установки заслонки 1 через кольцевую щель 7 и с другой стороны - через пассивное сопло 8 эжекторного насадка 9, активным соплом которого является собственно магистральный трубопровод. В кольцевой полости 5 могут быть размещены дополнительные гасители энергии в виде гидравлических сопротивлений 10. Кольцевая щель 7 может быть выполнена в виде перфорированного кольца.
На установившемся режиме работы, при неизменной скорости, поток жидкости движется по центральному трубопроводу 2 в направлении заслонки 1. Часть жидкости через щель 7 поступает в кольцевую полость 5 и, двигаясь в обратном направлении от заслонки 1, через пассивное сопло 8 возвращается обратно в центральный трубопровод 2. Таким образом, на установившемся режиме работы поток жидкости движется как в прямом, так и в обратном направлениях от заслонки 1.
При закрытии заслонки 1 в поперечном сечении кольцевой щели 7 под действием инерционного напора - за счет останавливающегося потока, формируются два фронта ударной волны: в полости 6 центрального трубопровода 2 происходит местное повышение давления, а в кольцевой полости 5 - местное понижение давления жидкости относительно установившегося режима работы. Это приводит к увеличению перепада давления в кольцевой щели 7, соответственно, увеличению расхода, сопоставимому по величине с расходом жидкости в магистральном трубопроводе на установившемся режиме работы.
Таким образом, при закрытии заслонки 1 поток в центральном трубопроводе не останавливается, а происходит перелив жидкости в кольцевую полость 5 и перепуск избыточного давления на удалении от места возникновения гидравлического удара через пассивное сопло 8 эжекторного насадка 9. На неустановившемся режиме, вследствие неразрывности потока жидкости пассивное сопло 8 обретает функцию активного сопла.
Например, при размерах трубопровода: длина =1000 м; диаметр =150 мм; толщина стенки δ=7 мм; фаза гидравлического удара составляет 1,55 с и при скорости потока жидкости (воды) в кольцевой полости 5, равной 1 м/с, удаление s эжекторного насадка 9 от заслонки 1 должно быть более 1,55 м.
s>1 м/с·1,55 с=1,55 м
Реализация способа растягивает время формирования фронта ударной волны повышенного давления, при любых, даже случайных нерегулируемых мгновенных закрытиях заслонки обеспечивает режим медленного закрытия за время, превышающее фазу колебаний, и создает условия для останова потока жидкости за счет сил трения о шероховатые стенки трубопровода и сил внутреннего трения жидкости - вязкости.