Устройство для гашения пульсаций давления в трубопроводе

Полезная модель относится к устройствам для гашения пульсаций давления в трубопроводах, вызванных течением жидкости или различными устройствами: клапанами, компрессорами, насосами. Пульсации давления в потоке жидкости вызывают вибрации поверхности трубопровода, создающие шум в окружающей среде, а также приводят к преждевременному износу агрегатов гидравлической системы. Использование устройств для гашения пульсаций давления может способствовать повышению работоспособности узлов гидравлической системы, предотвращая повреждения, вызываемые пульсациями давления, а также снижению шума.
Существует гаситель колебаний давления и расхода (а.с. SU 1753174 A1 F16L 55/04), содержащий центральный трубопровод с перфорацией в виде отверстий и сообщенную с ним через отверстия демпфирующую камеру, образованную упругой оболочкой с поперечным сечением в форме эллипса. Центральный трубопровод частично охвачен кожухом, внутренняя полость которого может быть сообщена с окружающей средой. Оболочка установлена коаксиально трубопроводу внутри кожуха. Отверстия в трубопроводе выполнены в области больших дуг эллипса. При возникновении колебаний давления и расхода в центральном трубопроводе происходит взаимодействие протекающей жидкости с демпфирующей полостью через отверстия. Диссипация энергии пульсаций давления и расхода осуществляется за счет прогиба упругой оболочки и дросселирования жидкости через отверстия.
К недостаткам конструкции данного гасителя можно отнести малую податливость в связи с тем, что упругая оболочка выполнена из металла и имеет эллипсообразную форму поперечного сечения. Однако выполнение упругой оболочки из металла, с другой стороны, является и достоинством, поскольку расширяет его сферу применения.
Также известен гаситель пульсаций давления DE 3544368 А1 F16L 55/04, выбранный в качестве прототипа, состоящий из корпуса, имеющего внутреннюю проточку, и размещенного в нем упругого элемента таким образом, что между ними остается необходимый зазор. При этом стенка упругого элемента неравномерна по толщине, поскольку наружная поверхность упругого элемента имеет несколько выступов (утолщений), расположенных вдоль образующих по всей длине упругого элемента и опирающихся на внутреннюю поверхность жесткого элемента трубопровода. Более тонкие участки (сектора) упругого элемента имеют способность растягиваться до соприкосновения с внутренней поверхностью корпуса, что обеспечивает гашение пульсаций давления.
Данный гаситель имеет недостаток, состоящий в том, что упругий элемент выполнен из резины, а это ограничивает область его применения (например, резинотехнические изделия не могут применяться при работе с радиоактивными материалами, имеют ограниченный температурный диапазон, а также не могут применяться в загрязненной абразивными частицами среде) и повышает риск повреждения и преждевременного износа упругого элемента (резинотехнические изделия подвержены старению, ведущему к потере упругих свойств).
Однако достоинством прототипа является то, что упругий элемент данного гасителя обеспечивает высокую податливость благодаря форме, сочетающей жесткие участки, опирающиеся на внутреннюю поверхность корпуса, и тонкие гибкие участки, очень восприимчивые к прогибу. Хотя информация об эффективности снижения пульсаций давления в описании отсутствует.
Задача состоит в разработке конструкции, сочетающей в себе достоинства аналога и прототипа, а именно - выполнение упругого элемента из металла и при этом обеспечение податливости, достаточной для достижения высокой эффективности гашения колебаний.
Техническим результатом данной полезной модели является расширение сферы применения устройства за счет выполнения упругого элемента из тонкостенного металлического листа, сформированного в виде многогранной призмы. Причем форма многогранной призмы позволяет обеспечить податливость, достаточную для эффективного гашения пульсаций давления.
Данное решение существенно расширяет сферу применения устройства для гашения пульсаций давления в трубопроводе, поскольку позволяет использовать его там, где резинотехнические изделия не могут быть применены по причине их ограниченного температурного диапазона, требований к чистоте рабочей жидкости (не загрязненной абразивными частицами), а также вследствие невозможности работы с радиоактивными материалами. Кроме того, металлические изделия меньше подвержены старению, ведущему к потере упругих свойств и преждевременному износу, по сравнению с резинотехническими изделиями.
Технический результат достигается за счет того, что упругий элемент, размещенный в корпусе в виде участка трубопровода, выполнен из тонкостенного металлического листа, сформированного в виде многогранной призмы, опирающейся ребрами на внутреннюю поверхность корпуса, причем грани этой призмы способны изгибаться, что и обеспечивает высокую податливость устройства, а, следовательно, и эффективность гашения пульсаций давления.
Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 изображена схема установки устройства в трубопроводе.
Устройство для гашения пульсаций давления в трубопроводе содержит корпус 1 в виде участка трубопровода с фланцами и тонкостенный металлический упругий элемент 2, установленный в корпусе при помощи опорных втулок 3 таким образом, что корпус и упругий элемент образуют полость 4, заполненную газом, выполняющую функции герметичной демпфирующей камеры.
Устройство работает следующим образом.
Уменьшение акустического сопротивления трубопровода при использовании устройства для гашения пульсаций давления с податливым участком вызывает снижение пульсаций давления за счет образования в канале значительной эквивалентной акустической емкости, сглаживающей пульсации давления.
Эффективность устройства зависит от изменения скорости звука в системе, а скорость звука в свою очередь зависит от податливости стенок и объема газовой полости.
Оценим изменения скорости звука в системе.
Скорость звука в какой-либо среде вычисляют по формуле [Исакович М.А. Общая акустика. М., 1973]:
0
где c - скорость звука в среде, м/с;
0
-1
β - сжимаемость среды, Па;
3
ρ - плотность среды, кг/м;
тогда эффективная сжимаемость среды β в трубопроводе с сечением S будет равна:
2
где ΔS - изменение площади сечения при давлении p, м;
p - давление, действующее на податливый элемент, Па.
Таким образом, скорость звука в трубе с податливыми стенками вычисляется по формуле:
Из формулы следует, что при увеличении ΔS скорость звука в податливом канале значительно снижается по сравнению с безграничной средой.
Г
Снижение скорости звука влечет за собой резкое увеличение акустической емкости С устройства как полости с объемом V:
Импеданс гасителя определяется как:
где ω - круговая частота колебаний.
Эффективность устройства может быть оценена по его способности к отражению акустической волны за счет рассогласования импедансов гасителя и трубопровода. Эффективность гасителя в дБ можно оценить как:
И
Η
mp
0
0
0
0
где Υ, Υ - акустические проводимости входного и выходного трубопровода, в случае значительной протяженности можно их принять как обратные величины волновых сопротивлений трубопровода  где z= ρc/S, где ρ - плотность рабочей жидкости; с - скорость звука в жидкости.
Опытный образец устройства испытан на гидравлическом стенде вытеснительного типа (фиг. 4). Эффективность устройства определялась с помощью гидрофонов 4 как разница между уровнями пульсаций давления в измерительной точке с устройством 3 и без него. Она составила в диапазоне частот 20 - 3000 Гц от 15 до 40 дБ (фиг. 5). Эффективность устройства показана при различных перепадах давления (разница между манометрами 1 и 5) на клапане 1 как источнике пульсаций давления. Расход рабочей жидкости контролировался с помощью расходомера 6 и регулировался краном 7.
Образец разработанного устройства на данный момент установлен в гидравлической системе акустического стенда и используется для снижения фоновых значений пульсаций давления на измерительном участке до необходимого уровня.
Данное устройство имеет преимущество над аналогом и прототипом, заключающееся в отсутствии резинотехнических деталей и обеспечении при этом достаточно высокой эффективности, позволяющей значительно снизить пульсации давления в трубопроводе и тем самым предотвратить преждевременный износ оборудования и возникновение шума.