ГАСИТЕЛЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА
DAMPER OF HYDRAULIC SHOCK

Изобретение относится к устройствам защиты напорных трубопроводов от гидравлических ударов, в частности для применения в шахтном водоотливе глубоких горизонтов.
Известны примеры расстановки противоударной защиты при различных профилях напорных гидротранспортных систем, а также конструктивные схемы различных компенсаторов приведены в (А.М.Курганов, А.Ф.Федоров. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения. - Л.: Стройиздат, 1986 (раздел 5.4 "Оценка гидравлического удара при применении противоударных мероприятий", с.122-135)).
Нормативными документами на проектирование шахтного водоотлива регламентируется, что при высотах подъема воды 400 м и более необходимо предусматривать специальные устройства для защиты трубопроводов от возможного гидравлического удара (В.Г.Гейер, Г.М.Тимошенко. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. - М.: Недра, 1987, гл.4.9, с.218-227). В условиях современного шахтного водоотлива применяются, как правило, стальные трубопроводы для одноступенчатого подъема воды на земную поверхность на геометрическую высоту 1200 м и более при принятой скорости движения воды в пределах 2-3 м/с. В общем случае резкие изменения скорости движения воды в шахтном трубопроводе могут возникнуть в насосных установках при пуске, остановке и регулировании. Особенно опасные колебания давления в шахтных водоотливных установках наблюдаются при внезапном отключении электродвигателей приводов насосов. В этом случае, при отсутствии специальных устройств защиты от гидравлического удара, происходит разрушение насоса, поскольку при подобном аварийном режиме обычная управляющая задвижка не может быть мгновенно использована (В.Г.Гейер, Г.М.Тимошенко. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. - М.: Недра, 1987, гл.4.9, с.218-227).
Известны гасители гидравлического удара поршневого типа с пружинным и газовыми упругими элементами, устанавливаемые непосредственно на трубопроводе. Воздушно-гидравлические колпаки практически не применяют в горнорудной промышленности из-за быстрого заиливания их объема и сложности при изготовлении и эксплуатации. Мало применяют также предохранительные пружинные клапаны, которые не сразу открываются полностью и только частично сбрасывают избыток воды. Применение пружин в шахтных гасителях гидравлического удара неэффективно, т.к. основную роль в них играет временной фактор: гаситель может стоять продолжительное время без действия и сработать при экстремальной сложившейся ситуации. Применение пружин в этом случае невозможно или неэффективно из-за временной релаксации витков пружины. Кроме того, трудность точной настройки пружины клапана без надлежащей проверки и «запрессовки» отверстий при откачке загрязненных шахтных вод ограничивает область их применения.
В условиях горной промышленности на рудниках успешно применяют способ защиты нагнетательных трубопроводов с помощью установки обратных клапанов на промежуточных горизонтах или посредине трубопровода, который при этом секционируется на два более коротких трубопровода. В результате этого снижается статический напор и сокращается продолжительность фазы гидравлического удара. Экспериментальные исследования позволили установить селективность срабатывания обратных клапанов при работе водоотливных установок, при этом в более коротких трубопроводах происходит более быстрое затухание волновых процессов и уменьшается давление в трубопроводах. Однако в условиях шахты секционирование трубопровода не применяется, т.к. существенно усложняет систему водоотлива. (В.М.Попов. Рудничные водоотливные установки. - М.: Недра, 1983, С.271-280). Осциллографирование режимов работы водоотливных установок показало, что гидравлический удар наиболее опасен в нагнетательных трубопроводах большого диаметра и при большой геодезической глубине шахт. Применение для гашения гидравлического удара только обратных клапанов в этих условиях неэффективно из-за малой надежности трубопровода и необходимости полного устранения возникновения ударной волны. Оценка известных способов защиты от гидравлического удара показывает, что перспективным является применение автоматических гасителей удара, работающих по принципу сброса части транспортируемой воды.
Известны гасители гидравлического удара прямого и непрямого действия. В гасителях первого типа перемещение исполнительного элемента (клапана предохранительного или клапана-регулятора) осуществляется энергией рабочей среды под управлением измерительного устройства перепада давления, возникающего в начальной стадии гидравлического удара, а в гасителях непрямого действия эта операция реализуется вспомогательным приводом, использующим энергию специального усилителя. В течение целого ряда лет разрабатывались модификации гасителя гидравлического удара непрямого действия конструкции Донецкого политехнического института (ДПИ), защищенные авторскими свидетельствами СССР: а.с. СССР №764751, F16K 47/00, бюл. №11, 1975, а.с. СССР №773367, F16K 47/10, бюл. №39, 1980; а.с. СССР №992883, F16K 47/10, бюл. №4, 1983; а.с. СССР №1681107, F16K 47/10, F16L 55/02, бюл. изобретений №36, 1991.
К известным недостаткам вышеприведенных конструкций гасителей гидравлического удара следует отнести, во первых, необходимость использования вспомогательной жидкости, как, например, в а.с. СССР №464751 и а.с. СССР №773367, причем в последнем решении герметичная эластичная камера должна быть заполнена антикоррозионной жидкостью и сжатым газом; во-вторых, трудность настройки и забивку отверстий механическими примесями, имеющимися в большом количестве в шахтных водах. Для защиты дросселей в конструкцию гасителей необходимо вводить специальные фильтры.
Также известны автоматические клапаны-гасители гидравлических ударов системы «Укрводгео», действие которых основано на гидравлическом принципе: открываются при повышении или понижении давления против нормального и сбрасывают часть воды из трубопровода, тем самым снижая давление. Гаситель разработан для насосных установок, когда гидравлический удар начинается с фазы пониженного давления у обратного затвора. Отсутствие пружин повышает надежность работы конструкции, чему способствует и перемещение исполнительных устройств непосредственно энергией рабочей среды нагнетательного трубопровода.
В условиях работы водоотливных установок рекомендуются две схемы использования автоматических гасителей:
1) установка гасителя за обратным затвором и сброс воды в водосборник, и использование гасителя в качестве безударного обратного затвора;
2) использование практически той же схемы для сброса воды через насос. В шахтных условиях вторая схема практически неприемлема, т.к. приводит к неизбежной поломке обычно используемых в водоотливных установках центробежных многосекционных насосов.
В качестве иллюстрации указанных схем на фиг.1 приведен рис.8.21 из кн.: В.М.Попова «Рудничные водоотливные установки», М.: Недра, 1972, с.261. Обе схемы использования гасителя гидравлического удара предусматривают его установку совместно с обратным затвором, который является неотъемлемым элементом системы гашения гидравлического удара, и поэтому конструкцию и работу гасителя необходимо рассматривать только совместно с обратным затвором.
В первой схеме цилиндр корпуса гасителя, в котором размещен клапан-регулятор, присоединяется импульсными трубками через распределитель давления к трубопроводу таким образом, что клапан-регулятор гасителя находится в закрытом состоянии. При определенном соотношении давления в трубопроводе до и после затвора обратного клапан-регулятор гасителя открывается, сбрасывает рабочую среду и понижает давление в трубопроводе до заданной величины. Для возвращения клапана-регулятора гасителя в исходное положение и прекращения сброса рабочей среды, распределитель соединяет надпоршневое пространство цилиндра с напорным трубопроводом до обратного затвора. При пуске насосного агрегата распределитель соединяет цилиндр гасителя с нагнетательным трубопроводом до обратного затвора и подготавливает его к работе.
Более подробно вышеуказанная конструкция автоматического гасителя гидравлического удара по первой схеме системы «Укрводгео» (конструкции В.М.Папина) приведена на фиг.2 (взятой из книги А.А.Угинчус «Гидравлика и гидравлические машины», изд. Харьковского университета, Харьков, 1970. С.193).
В подавляющем большинстве случаев при эксплуатации шахтных водоотливных установок возникает прямой гидравлический удар, когда время закрывания обратного затвора меньше продолжительности фазы гидравлического удара.
Экспериментально установлено, что время срабатывания обратных клапанов и затворов различного диаметра на закрытие составляет в пределах 0,6-1,5 с. Отсюда, вследствие значительных динамических нагрузок, возникают требования к высоким прочностным параметрам указанных устройств.
В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования гасителя гидравлического удара, чтобы за счет конструктивных особенностей его исполнения повысить эффективность гашения прямого гидравлического удара путем ускорения срабатывания запирающего элемента с одновременным сохранением стабильности параметров его исходной настройки в процессе долговременной эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в гасителе гидравлического удара, включающем затвор обратный с установленным в его корпусе запирающим элементом - диском, в котором выполнено отверстие с установленным в нем дросселем, угловой дифференциальный клапан-регулятор автоматического действия, выполненный в виде вертикально установленного цилиндрического корпуса, в котором размещен шток, согласно изобретению выполненный в виде составного из двух частей, расположенных дистанционно между собой, плунжера. В его нижней части сформированы по диаметру отверстия, суммарная площадь которых не менее площади входного сопла дифференциального клапана, а общая площадь верхнего плунжера по крайней мере в два раза больше площади входного сопла. Боковые отверстия в корпусе расположены на уровне промежутка между плунжерами в крайнем верхнем их положении. Отверстия соединены с секторными отверстиями кольцевой рубашки, а те, в свою очередь, с отверстиями приемной камеры, в которую сбрасывается транспортируемая среда. На фланце под цилиндрическим корпусом размещено седло. Труба сброса транспортируемой среды соединяет полость приемной камеры с атмосферой или сливным трубопроводом. Импульсная трубка соединяет полость над штоком с трубопроводом до запирающего элемента затвора обратного.
Перечисленные выше признаки составляют сущность изобретения, т.к. являются необходимыми в любых вариантах реализации изобретения и достаточными для достижения поставленной задачи.
Конкретным отличием заявляемого гасителя является то, что плунжер клапана-регулятора разделен на две секции, одна из которых несет седло - вставку, вокруг которой по диаметру сформированы отверстия, суммарная площадь которых не меньше площади входного сопла. Другим конкретным отличием является то, что боковые отверстия для сброса рабочей среды расположены в стенке корпуса цилиндра перпендикулярно оси цилиндра, объединены кольцевой выточкой, выполненной в стакане, коаксиальном корпусу клапана-регулятора, и посредством отверстий, оси которых параллельны главной оси клапана, соединены с приемной камерой сброса жидкости в водосборник.
Еще одним конкретным отличием является то, что клапан-регулятор разобщен от приемной емкости, которая располагается над корпусом клапана и соединена с фланцем корпуса шпильками, стягивающими одновременно и нижний фланец корпуса клапана. Указанные особенности реализации изобретения не являются обязательными, а наиболее предпочтительны с точки зрения заявителя и не исключают возможности другого конкретного исполнения устройства в пределах заявляемой сущности изобретения.
Причинно-следственная связь отличительных признаков и технического результата состоит в следующем:
Гаситель гидравлического удара предназначен для гашения прямого удара - первой фазы гидравлического удара. При отключении насосного агрегата ударная волна, отражаясь от конца трубопровода, у затвора обратного сообщается через отверстия прохода потока рабочей среды клапана-регулятора с атмосферой и гидравлический удар практически отсутствует. Последующие фазы ударной волны (гармоники) после срабатывания клапана и сброса части рабочей среды будут по амплитуде небольшими. При этом клапан-регулятор быстро реагирует на перепады давления, открывается при повышении давления, предотвращая сброс большого объема рабочей среды из нагнетательного трубопровода. Наличие отверстия с дросселем в диске затвора обратного обеспечивает постепенное плавное выравнивание давления рабочей среды по обе стороны затвора обратного после гашения гидравлического удара, снижает время запаздывания повышения давления в импульсном трубопроводе и в надплунжерной полости, а также сглаживает фронт ударной волны и смягчает эффект гидравлического удара на участке после диска, что повышает качество гидравлической защиты.
Выполнение плунжера клапана-регулятора из пористого антифрикционного антикоррозионного материала с заполнением пор смазкой, снижает поверхностное трение пары плунжер-цилиндр корпуса, тем самым уменьшая длительность срабатывания гасителя и повышая его долговременную эксплуатационную надежность. При этом выполнение в обеих подплунжерах смазочных канавок, аналогичных канавкам на плунжере гасителя по прототипу, обеспечивает постоянное наличие смазки, т.к. давлением рабочей среды в надплунжерной полости смазка из винтовых канавок выдавливается в зону трения, но продавить ее вдоль всего плунжера препятствуют кольцевые смазочные канавки.
Наличие в верхней части плунжера противоударного амортизатора из упругого материала обеспечивает защиту клапана-регулятора от резких ударов, повышает надежность и долговечность клапана.
Выполнение штока клапана-регулятора в виде плунжера автоматического действия, выполненного двойным с промежуточным элементом - шпилькой, связывающей подплунжеры между собой, увеличивает его опорную длину, содействует плавному, без перекосов, перемещению его в корпусе клапана-регулятора, увеличивает относительную длину участка сопротивления просачивания транспортируемой жидкости из зоны высокого давления (подплунжерной) в зону низкого (надплунжерную).
Соединение верхнего и нижнего подплунжеров между собой, позволяет менять расстояние между ними и регулировать величину раскрытия отверстий в корпусе клапана-регулятора, что соответственно меняет объем сбрасываемой при гидравлическом ударе жидкости.
Наличие расположенных по диаметру отверстий в плунжере клапана-регулятора, параллельных оси плунжера позволяет равномерно дросселировать транспортируемую жидкость по всему объему плунжера, причем мгновенно, как только начинается срыв кольца-вставки с седла клапана. Кроме того, наличие этих отверстий позволяет осуществить двойное гашение волны не только в боковых отверстиях корпуса, но и непосредственно при прохождении жидкости через плунжер, затем гашение происходит в боковых отверстиях.
Установка в нижней части запирающего элемента в виде вставки из высокопрочного материала со сферической поверхностью в месте контакта с острой кромкой седла, выполненного из высокопрочного материала, обеспечивает герметичность клапана сброса даже при наличии в рабочей среде твердых частиц, таких как уголь и порода, которые раздавливаются сферической поверхностью запирающего элемента об острую кромку седла. Кроме того, такая форма затвора: сфера - острая кромка обладает (без учета сил трения) хорошей гидравлической характеристикой - минимальным перепадом давления начала открытия и конца закрытия клапана, что обеспечивает стабильность работы.
Отделение трубы сброса от бокового отверстия прохода потока рабочей среды цилиндрического корпуса и размещение между ними камеры приемной уменьшает длительность срабатывания клапана-регулятора, из-за уменьшения гидравлического сопротивления начальный сброс рабочей среды происходит в полость приемной камеры, объем которой выбран из расчета ее частичного заполнения за время полного открытия запирающего элемента клапана-регулятора. Для спуска воздуха из клапана-регулятора при его первоначальном заполнении рабочей средой в верхней части клапана установлен кран, например конический, спуска воздуха, что повышает надежность работы гасителя гидравлического удара.
На фиг.1 изображен предлагаемый гаситель гидравлического удара, состоящий из корпуса затвора обратного, соединенного посредством фланцев поворотных и шпилек с корпусом гасителя 4, с установленными на нем патрубками 5 и 6 клапанов-регуляторов. В корпусе затвора обратного на оси 7 установлен запирающий поворотный диск 8, перекрывающий входное отверстие для транспортируемой среды. В диске 8 сформировано резьбовое отверстие, в которое вмонтирована дроссельная втулка 9, соединяющая задисковое пространство обратного затвора с входным отверстием затвора. Патрубки 5 и 6 клапанов-регуляторов соединены посредством фланцевого соединения с опорами 10 и 11 цилиндрического корпуса 12 клапана и шпильками 13 стянуты между собой, создавая замкнутый герметичный объем. На верхнюю плоскость опоры 11 установлена приемная камера 14, в которую через секторные отверстия V дросселируется транспортируемая среда и через патрубок с фланцем и отводящий трубопровод сбрасывается в водосборник или накопитель. Клапан-регулятор состоит из корпуса 12, выполненного в верхней его части из двух цилиндрических стаканов; во внутреннем стакане имеются боковые отверстия II, расположенные по окружности стакана, суммарная площадь которых равна или больше площади отверстия седла 16, а также равна суммарной площади отверстий I в нижнем подплунжере 17 клапана-регулятора. На седло 16 установлен плунжер 17, несущий в нижней части на сформированном для этого выступе запирающий элемент в виде кольца-вставки 18, выполненной из высокопрочного материала и очерченной по внешнему контуру сферической поверхностью, что обеспечивает герметичность клапана сброса даже при наличии в транспортируемой среде твердых частиц, таких как уголь и порода, которые раздавливаются сферической поверхностью запирающего элемента об острую кромку седла 16. Кроме того, такая форма затвора - сфера - острая кромка обладает (без учета сил трения) хорошей гидравлической характеристикой - минимальным перепадом давления начала открытия и конца закрытия клапана, что обеспечивает стабильность работы. Плунжер клапана-регулятора состоит из двух частей: верхнего 18 и нижнего 17 подплунжеров, связанных между собой шпилькой 19 и контргайками 20 и 21, позволяющим осуществлять регулировку величины проходного сечения между плунжерами и точность позиционирования их относительно проходных отверстий II. В верхнем подплунжере имеется кольцевая выточка, где размещена стопорная гайка 22, прикрытая упругим элементом 23, выполняющим роль амортизатора при ударе плунжера о нижнюю плоскость опоры 11.
Надплунжерная полость VI корпуса 12 клапана-регулятора соединена с выходной полостью VII корпуса 1 затвора обратного посредством импульсной трубки 24, осуществляющей сброс жидкости из полости VI в полость VII при гашении гидравлического удара, через отверстие VIII. Импульсная трубка соединена с корпусом 1 затвора обратного посредством штуцера 25.
Силовое замыкание верхней 11 и нижней 10 опор, а также фланцев 2 и 3 осуществляется посредством стяжных шпилек 13 и 26, стягивающих также сам гаситель гидравлического удара с напорным ставом, расположенным в наклонном водотрубном ходке. Стыки корпуса и опор, фланцев и переходных стаканов из-за наличия высокого давления изолированы кольцевыми манжетами 27+31 или кольцами из деформируемых сплавов, имеющих чаще всего трапецеидальное сечение. Силовое замыкание корпуса с фланцем клапана сброса осуществляется шпильками 32, количество и диаметр которых взаимосвязаны с типом насоса и напором.
После ликвидации гидравлического удара (произошедшего вследствие, например, внезапного отключения двигателя), сброса жидкости через сливные патрубки и выравнивания давления по обе стороны затвора осуществляется пуск насосной установки. При этом жидкость в полости VIII осуществляет посадку составного плунжера на седло и ввиду разности площадей запирает проход транспортируемой жидкости в приемную камеру. Гаситель гидравлического удара взведен для демпфирования последующих гидравлических ударов.
Работает гаситель гидравлического удара следующим образом. Под действием энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу, затвор обратный автоматически открывается - диск 8 поворачивается на рычаге 7, открывается отверстие VII. Одновременно с открытием затвора обратного рабочая среда подается по импульсной трубке 24 в надплунжерную полость VI и по отводу 5 в подплунжерную полость IX клапана-регулятора, который является дифференциальным, так как площадь полости VI больше площади полости IX. Под действием собственного веса и усилия, возникающего из-за разности площадей над- и подплунжерных полостей VI и IX, плунжер сферической поверхностью вставки 18 поджат к острой кромке седла 16, запирая проход рабочей среды через клапан-регулятор на слив. Седло 16 и вставка 18 выполнены из высокопрочного материала типа твердого сплава, что обеспечивает надежную работу клапана при закрытии, разбивая загрязняющие рабочую среду частицы, например частицы угля и породы. В аварийных ситуациях, например при внезапном отключении электродвигателя насоса, давление в трубопроводе до затвора обратного 1 падает и последний закрывается - диск 8 перекрывает входное отверстие VII. Падает давление и в надплунжерной полости VI. Давление же после диска 8 в задисковой полости сначала падает, а затем, в результате гидравлического удара, начинает повышаться. При повышении давления на определенную величину, достаточную для создания усилия на подъем плунжера, он поднимается. Перемещению плунжера вверх оказывает гидравлическое сопротивление рабочая среда, находящаяся в надплунжерной полости VI. На преодоление этого сопротивления расходуется часть энергии движения ударной волны. Скорость перемещения плунжера в обе стороны зависит от площади поперечного сечения отверстия дросселя (дросселей) 29, а также формы сечения по длине - цилиндрической, конической, веретенообразной или переменного сечения.
Объем рабочей среды, вытесненной плунжером из полости 18, равен объему, протекающему через отверстие дросселя (дросселей) 29, т.к. рабочая среда является практически несжимаемой. В подплунжерной полости IX скорость движения рабочей среды достигает сотен метров в секунду, на что затрачивается большое количество энергии. Плунжер при восприятии ударной волны, вызывая дросселирование рабочей среды через отверстие дросселя (дросселей) 29, расходует энергию своего движения, теряет скорость и постепенно останавливается. Для сокращения объема надплунжерной полости VI остановка плунжера осуществляется противоударным амортизатором 23 при его определенной незначительной скорости. Энергия первой гармоники волны гидравлического удара переходит в энергию движения плунжера и рабочей среды в надплунжерной полости VI, дросселируя рабочую среду через отверстие в дросселе (дросселях) 29, а также через импульсную трубку 24 в додисковую полость затвора обратного.
При подъеме плунжера освобождается проход рабочей среды через отверстия I нижнего подплунжера к отверстиям II в корпусе 12, и далее через полости III и IV и отверстия V в приемную камеру 14, а из нее, через трубу сброса 15, на слив в атмосферу или в сливной трубопровод. Вследствие вышесказанного давление не может подняться выше заданной величины, и удар ликвидируется. После незначительного слива рабочей среды, давление падает до рабочего, плунжер перемещается в исходное положение, перекрывая слив. Отверстие в диске 8 с дросселем 9 выполняет роль байпаса, выравнивая давление по обе стороны диска 8, снижает время запаздывания повышения давления в импульсном трубопроводе и повышает качество гидравлической зашиты. После закрытия клапана-регулятора гаситель гидравлического удара готов к действию.
Устройство обеспечивает повышение скорости гашения прямой волны рабочей среды за счет изменения конструкции плунжера (и соответственно уменьшения длины хода для открытия отверстий сброса рабочей среды). Гаситель гидравлического удара имеет расширенную область применения - может устанавливаться как на горизонтальных, наклонных, так и на вертикальных ставах трубопроводов непосредственно за обратным клапаном.