Комбинированное устройство гашения колебаний давления в трубопроводах энергетических установок и снижения шума энергетических установок
COMBINED DEVICE FOR DAMPING PRESSURE FLUCTUATIONS IN PIPELINES OF POWER PLANTS AND NOISE REDUCTION OF POWER PLANTS

Изобретение относится к области виброакустической защиты, касается вопросов снижения и распространения газо- и гидродинамического шума и газо- и гидродинамических колебаний (пульсаций) давления в трубопроводных системах энергетических установок.
Известно устройство активного гашения гидродинамического шума в системах трубопроводов (патент RU 2 578 792 C2), включающее участок трубопровода с двумя приваренными упорными фланцами, между которыми закреплены вибраторы. Контроллер вырабатывает на вибраторы управляющие сигналы с использованием информации с акселерометров. Акселерометр состоит из вставки в вырезанный между фланцами участок трубы, которая имеет свои фланцы и элемент, являющийся упругим и гофрированным. Также в состав акселерометра входят вибраторы, которые закреплены параллельно оси трубопровода; и контроллер, который вырабатывает дополнительно управляющие сигналы с использованием сигналов с гидрофонов. Устройство эффективно снижает гидродинамический шум, однако не оказывает влияния на снижение пульсации давления внутри трубопровода, что может вызывать колебания и шум после прохождения данного устройства. К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного устройства, можно отнести то, что в известном устройстве отсутствуют элементы, оказывающие влияние на пульсацию давления внутри трубопровода.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для гашения пульсаций давления (патент RU 2062940 C1). Гаситель пульсаций давления включает регулировочные винты и перфорированную вставку, которая опирается своим фланцем на упругие элементы в виде пружин. Пружины расположены по обе стороны фланца и перемещаются по направляющим между опорным и прижимным кольцами. Перфорированная вставка выполнена конусной, а диаметр ее отверстий уменьшается от входа к выходу. Между пружинами и фланцем с обеих его сторон установлены прокладки из шумопоглощающего материала. Гаситель снабжен толкателями и дополнительным опорным кольцом. Опорные кольца установлены с упором в корпус. В корпусе выполнены каналы, а в дополнительном опорном кольце - отверстия, в которых установлены пропущенные через уплотнения толкатели, одним концом упирающиеся в прижимное кольцо, а другим в регулировочные винты с навинченными на них контргайками. При этом перфорированная вставка, опорные и прижимные кольца, направляющие, пружины и прокладки собраны в единую кассету. Устройство принято за прототип.
Устройство-прототип обладает рядом недостатков. Оно позволяет  снижать пульсации давления, однако не позволяет достигать снижения гидродинамического (аэродинамического или газодинамического) шума при распространении потока газа (жидкости) через трубопровод. Устройство-прототип имеет усложненную конструкцию, содержит регулировочные винты, прижимное кольцо, упругие демпферы, требует настройки частоты резонансных колебаний колебательной системы «перфорированная конусная вставка – упругие демпферы». При этом использование устройства-прототипа не позволяет достичь значительного эффекта снижения пульсаций давления газа. Согласно описанию устройства-прототипа, перфорация конуса-вставки позволяет разрушать крупные вихри, переводя низкочастотные колебания в высокочастотные. Но высокочастотные колебания также могут создавать значительные вибрации трубопроводов. Кроме того, в условиях рабочей среды возможна перенастройка частоты резонансных колебаний колебательной системы «перфорированная конусная вставка – упругие демпферы», что может снизить эффективность снижения пульсаций давления, а в некоторых случаях даже увеличить амплитуду пульсаций.
К причинам недостаточной эффективности работы и недостижения указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, можно отнести то, что в известном устройстве отсутствует компенсация пульсаций давления по центру канала и вблизи стенок трубопровода, что снижает эффективность его работы.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять одновременное эффективное гашение газо- и гидродинамического шума и газо- и гидродинамических пульсаций давления в трубопроводных системах, генерируемых при работе энергетических установок и повысить эффективность снижения пульсаций давления и шума при распространении потока газа или жидкости по трубопроводу.
Технический результат изобретения – одновременное эффективное гашение газо- и гидродинамического шума и газо- и гидродинамических пульсаций давления в трубопроводных системах, генерируемых при работе энергетических установок, эффективное снижение пульсаций давления и шума при распространении потока газа или жидкости по трубопроводу в широком диапазоне частот, защита трубопровода от деформаций и расширений, вызванных воздействием вибрации и перепадами температуры среды и, как следствие, снижение риска аварий в промышленных условиях, а также расширение функций гасителя пульсаций давления.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве гашения гидродинамических и газодинамических колебаний давления в трубопроводах энергетических установок, включающем установленную в разборном корпусе с крышкой с входом и выходом перфорированную вставку с уменьшающимся диаметром отверстий от входа к выходу, опирающуюся своим фланцем, снабженным с обеих сторон шумопоглощающими прокладками, на упругие элементы в виде пружин, расположенных по обе стороны фланца и перемещающихся по направляющим закрепленным между передним и задним опорными кольцами, установленными с упором в корпус и его крышку, снабженную каналами, толкатели, пропущенные через уплотнение, каналы крышки корпуса, отверстия заднего опорного кольца, особенность заключается в том, что оно дополнительно снабжено датчиками пульсаций давления и звука, сильфонными компенсаторами, блоком формирования характеристик компенсации пульсаций давления и звука, исполнительным элементом вибратора и дополнительным источником, или источниками, компенсации звука, при этом сильфонные компенсаторы установлены в вырезанный участок трубопровода с обеих сторон разборного корпуса, перед сильфонными компенсаторами размещены датчики пульсаций давления и, или, звука, соединенные с блоком формирования характеристик компенсации пульсаций давления и звука, передающим выработанный им компенсирующий сигнал на исполнительный элемент вибратора и, или, на дополнительный источник компенсации звука; перфорированная вставка, опорная часть которой выполнена в виде диска, а диаметры её отверстий выполнены из расчёта обеспечения максимальной эффективности работы устройства за счет выравнивания пульсаций давления и скоростей при распространении потока газа или жидкости среды по трубопроводу; толкатель снабжён направляющей шайбой.
Блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и звука вырабатывает компенсирующий сигнал либо для уменьшения пульсаций давления, либо для снижения звука.
Исполнительный элемент вибратора выполнен в виде осциллирующей заслонки, поршня или виброактивной массы.
Дополнительный источник компенсации звука может быть выполнен в виде громкоговорителя. Внутренняя часть перфорированной вставки может иметь параболоидальную, круглую, прямоугольную или конусообразную форму.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Устройство гашения колебаний давления в трубопроводах энергетических установок, создаваемых потоком газа или жидкости от энергетических установок и вызывающих вибрацию трубопроводов, и снижения шума энергетических установок имеет перфорированную вставку, направляющую, демпфирующие пружины, переднее и заднее мягкие опорные кольца, сильфонные компенсаторы, соединительные фланцы и систему формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки. Опорная часть перфорированной вставки выполнена в виде диска, а внутренняя - может иметь различную форму (например, параболоидальную, круглую, прямоугольную, конусообразную и др.) и различные размеры, выбираемые в зависимости от типа энергетической установки, вида потока рабочей среды (газ, жидкость), характеристик и характера распространения рабочей среды по трубопроводу, а диаметры отверстий перфорированной вставки варьируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы устройства за счет выравнивания пульсаций давления и скоростей потока при распространении потока газа или жидкости среды по трубопроводу.
Для снижения пульсаций давления при распространении потока газа или жидкости в трубопроводе распределение отношения пропускной площади отверстий перфорированной вставки выполняется приближенным к отношению скорости установившегося стационарного течения в сечении трубопровода к ее среднему значению.
3
При реальных средних скоростях течения газа, соответствующих числам Рейнольдса Re>4·10, распределение скорости по радиусу трубы определяется универсальной логарифмической зависимостью профиля скоростей, подтвержденной экспериментально (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. 7-е изд. - М.: Дрофа, 2003. - 651-660 с.).
Расчет теоретического распределения пропускной площади отверстий перфорированной вставки проводится по формулам (1) и (2):
O
В
В
T
В
В
dF(F) = k(F)(F - F)dF,                                            (1)
p
k(F) =  ,                                                        (2)
O
В
В
где: F(F) – теоретическое распределение пропускной площади отверстий перфорированной вставки по площади ее поперечного сечения F;
В
k(F) – коэффициент распределения пропускной площади отверстий по площади поперечного сечения перфорированной вставки;
n – количество отверстий в перфорированной вставке;
O
F – пропускная площадь отверстий в перфорированной вставке;
В
F – площадь поперечного сечения перфорированной вставки в трубопроводе;
p
F – площадь поперечного сечения внутри трубопровода;
C
V – средняя скорость течения среды в трубопроводе за перфорированной вставки, рассчитанная по величине объемного расхода и площади трубопровода;
P
p
V(F) – скорость установившегося стационарного течения в поперечном сечении трубопровода площадью F.
Исходя из характера распространения потока газа (жидкости) по трубопроводу наиболее универсальной формой внутренней части перфорированной вставки является параболоидальная.
Перфорированная вставка размещена непосредственно в канале трубопровода между двумя сильфонными компенсаторами.
Предлагаемое устройство позволяет благодаря своим конструкционным особенностям эффективно гасить как шум, так и газо- и гидродинамические пульсации давления в трубопроводных системах энергетических установок. Многофункциональное использование устройства достигается путем совмещения в одном гасителе колебаний давления – глушителе шума двух функций.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, где приняты следующие обозначения: 1- трубопровод; 2 – датчик пульсаций давления и (или) звука; 3 – фланец соединения с трубопроводом; 4 – сильфонный компенсатор; 5 – фланец соединения с корпусом; 6 –переднее опорное кольцо; 7 – направляющая; 8 – демпфирующие пружины; 9 –заднее опорное кольцо; 10 – корпус; 11 –шумопоглощающая прокладка; 12 – рабочий диск; 13 – направляющая шайба штанги-толкателя; 14 – перфорированная вставка; 15 – штанга-толкатель вибратора; 16 – фторопластовый уплотнитель; 17 – крышка корпуса; 18 – исполнительный элемент вибратора; 19 – блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки; 20 – опорный фланец; 21 – дополнительный источник компенсации звука.
В вырезанный участок трубопровода 1 помещается сильфонный компенсатор 4, за которым прикрепляется перфорированная вставка 14, выполняющая функцию гасителя колебаний давления – глушителя шума. Опорная часть перфорированной вставки выполнена в виде диска, внутренняя - может иметь различную форму (например, параболоидальную, круглую, прямоугольную, конусообразную и др.) и различные размеры, а диаметры её отверстий варьируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы устройства за счет выравнивания пульсаций давления и скоростей при распространении потока газа или жидкости среды по трубопроводу. При этом, исходя из характера распространения потока газа (жидкости) по трубопроводу, наиболее универсальной формой внутренней части перфорированной вставки является параболоидальная.
Перфорированная вставка 14, выполняющая функции гасителя колебаний давления и глушителя шума, опирается своим рабочим диском 12 на упругие элементы в виде пружин – демпфирующие пружины 8. Демпфирующие пружины 8 перемещаются по направляющим 7 между корпусом 10 и крышкой корпуса 17. Между демпфирующими пружинами 8 и корпусом 10 с обеих сторон установлены опорные кольца из шумоизолирующего и (или) шумопоглощающего материала, например, резины, фибролита, полиуретана и др.: переднее опорное кольцо 6 и заднее опорное кольцо 9. В крышке корпуса 17 выполнены каналы, а в шумопоглощающей прокладке 11 и направляющей шайбе штанги-толкателя 13 сделаны отверстия, в которых установлены пропущенные через фторопластовый уплотнитель 16 штанги-толкатели вибратора 15 исполнительных элементов вибратора 18 (вибраторов). При этом перфорированная вставка 14, направляющая 7, демпфирующие пружины 8, переднее опорное кольцо 6 и заднее опорное кольцо 9 собраны в единую кассету, после которой помещается второй сильфонный компенсатор 4. Направляющая шайба штанги-толкателя 13 размещается исходя из удобства компановки и конструктивных особенностей энергетической установки и может быть прикреплена, например, к стенке корпуса 10.
Для измерения параметров пульсаций давления жидкости или газа и шума в трубопроводе энергетической установки перед обоими сильфонными компенсаторами 4, на поверхности трубопровода, установлен датчик (или датчики) пульсаций давления и (или) звука, например, выполненный (выполненные) в виде датчиков вибрации или в виде чувствительных микрофонов. Данные с датчиков пульсаций давления и (или) звука 2 передаются на блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки 19, выполненный, например, в виде программируемого логического цифрового контроллера, который вырабатывает компенсирующий сигнал с характеристиками, необходимыми для эффективной компенсации, и подает его на исполнительный элемент вибратора 18 и (или) на дополнительный источник компенсации звука 21. Соединения с трубопроводом и отдельными элементами устройства происходят при помощи фланца соединения с трубопроводом 3, фланца соединения с корпусом 5 и опорного фланца 20.
При компоновке этих механизмов в систему трубопроводов удается получить максимальные эффекты по уменьшению потоков колебательной и акустической энергии по всем трем путям ее распространения: через амортизацию, по воздушной среде и через трубопроводы.
Устройство может содержать несколько датчиков пульсаций давления и (или) звука 2 и несколько штанг-толкателей вибратора 15.
Устройство работает следующим образом. Поток газа или жидкости, генерирующий пульсации давления и шум, проходит через трубопровод 1 и первый сильфонный компенсатор 4 в единую кассету, включающую перфорированную вставку 14, направляющие 7, демпфирующие пружины 8, переднее опорное кольцо 6 и заднее опорное кольцо 9 и, проходя через второй сильфонный компенсатор 4, продолжает распространяться по трубопроводу энергетической установки. Под воздействием колебательной энергии потока газа или жидкости перфорированная вставка 14, размещенная в трубопроводе, начинает совершать колебательные движения. Сглаживание (выравнивание) пульсаций давления достигается путем прохождения потока газа или жидкости среды через перфорированные отверстия вставки и демпфирующих свойств пружин. Эффект снижения шума достигается за счет шумоизолирующих и (или) шумопоглощающих свойств мягких опорных колец: переднего опорного кольца 6 и заднего опорного кольца 9. Дополнительно колеблющаяся перфорированная вставка 14 через штанги-толкатели вибратора 15 передает колебательную энергию на исполнительные элементы вибратора 18 (вибраторов), демпфирующие колебательную энергию потока газа или жидкости и снижающие тем самым пульсации давления и шум при распространении потока по трубопроводу. Использование сильфонных компенсаторов 4 позволяет дополнительно сглаживать пульсации давления потока жидкости или газа в трубопроводе, а также осуществлять дополнительную защиту трубопровода от деформаций и расширений, вызванных воздействием вибрации и перепадами температуры среды. Это позволит снизить риск аварий в промышленных условиях.
Заявляемое устройство также содержит систему формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки, позволяющую достичь дополнительного эффекта снижения пульсаций давления и шума при распространении газо-гидродинамического потока в трубопроводе энергетической установки, в том числе в диапазоне низких частот.
Датчики пульсаций давления и (или) звука 2 определяют характеристики пульсаций давления и (или) звука и передают полученные данные на блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки 19, который вырабатывает компенсирующий сигнал и подает его на исполнительный элемент вибратора 18 в противофазе к звуку и (или) пульсациям давления жидкости и (или) газа, проходящим через трубопровод 1 энергетической установки, с необходимыми для эффективной компенсации характеристиками звука и вибрации. В результате суперпозиции и (или) интерференции звука и (или) пульсаций давления жидкости и (или) газа, проходящих через трубопровод 1 энергетической установки, и компенсирующего сигнала, генерируемого блоком формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки 19 и подаваемого на исполнительный элемент вибратора 18 и (или) дополнительный источник (источники) компенсации звука, генерирующими звук и вибрацию с требуемыми для эффективной компенсации виброакустическими характеристиками, достигается эффективное ослабление (компенсация) пульсаций давления и шума энергетической установки. При этом перфорированная вставка 14, опорная часть которой выполнена в виде диска, а внутренняя часть может иметь различную форму (например, параболоидальную, круглую, прямоугольную и др.) и различные размеры, выбираемые в зависимости от типа энергетической установки, вида потока рабочей среды (газ, жидкость), характеристик и характера распространения рабочей среды по трубопроводу. Диаметры отверстий внутренней части перфорированной вставки варьируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы устройства за счет выравнивания пульсаций давления и скоростей при распространении потока газа или жидкости среды по трубопроводу.
Исполнительный элемент вибратора 18 может приводиться в действие с помощью штанги-толкателя вибратора 15 или непосредственно путем подачи компенсирующего сигнала, генерируемого блоком формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки 19, что повышает надежность и долговечность использования заявляемого устройства в реальных условиях эксплуатации.
Блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и звука может вырабатывать компенсирующий сигнал либо для уменьшения пульсаций давления, либо для снижения звука.
Исполнительный элемент вибратора 18 может быть выполнен в виде осциллирующей заслонки, поршня, виброактивной массы и др. Дополнительный источник компенсации звука 21 может быть выполнен в виде громкоговорителя.