Устройство для уменьшения местного гидравлического сопротивления в трубопроводе
APPARATUS FOR REDUCING LOCAL HYDRAULIC RESISTANCE IN A PIPELINE

Изобретение относится к гидрогазодинамике и может быть использовано в устройствах, имеющих внезапное расширение потока.
Известно устройство для транспортирования жидкости по трубопроводу, содержащее частично выполненный из ферромагнитного материала активный орган, внутренняя поверхность которого снабжена ворсовым покрытием в виде упругих стержней, и источник магнитного поля, охватывающий снаружи трубопровод.
Активный орган установлен с возможностью осевого перемещения и охватывающий трубопровод корпус с конусообразной проточкой, ориентированной вершиной в направлении потока, и выполнен в виде конусного кольца, состоящего из связанных друг с другом посредством упругих элементов ферромагнитных секторов, конусность которого совпадает с конусностью проточки корпуса, при этом источник магнитного поля выполнен в виде обмотки с постепенно увеличивающимся в направлении потока числом витков, а упругие стержни, образующие ворсовое покрытие активного органа, установлены под углом к направлению транспортирования жидкости.
Наружная поверхность секторов снабжена антифрикционным покрытием или роликами (а.с. №1712735 F17D 1/08).
Недостатками данного устройства являются:
1. Сложность конструкции.
2. Повышенная энергоемкость.
3. Устройство создает дополнительный вихревой поток при возвратно поступательном движении секторов.
Известен диффузор, содержащий участки меньшего и большего диаметров и расположенный между ними переходный участок, выполненный в виде тела вращения. Диффузор снабжен установленной на выходе переходного участка проницаемой перегородкой с коэффициентом сопротивления, определяемым из соотношения:
1
2
где R и R соответственно радиусы входного и выходного сечений переходного участка, а образующая переходного участка очерчена гиперболой. (А.с. №1357613 F04D 29/44, F15D 1/08).
Недостатками данного устройства являются:
1. Сложность изготовления данной конструкции;
2. Переходный участок будет создавать дополнительные гидравлические потери.
i
0
i
0
a
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству относится трубопровод, содержащий ступенчато соединенные между собой секции с различной площадью поперечного сечения, увеличивающийся по ходу потока. На входе секции трубопровода с большей площадью поперечного сечения установлены ребра, имеющие переменную высоту, уменьшающуюся по ходу потока и определяемую из соотношения: H=h - tg γ, где h - высота ступени в плоскости соединения секций;
a
i
- текущее расстояние от плоскости соединения секций ребра; γ=7-12°.
(А.с. №777269 F15D 1/02, F16L 55/00, F24F 13/02).
Недостатками данного устройства являются:
1. Сложность изготовления данной конструкции;
2. Образование мелких вихрей на ребрах будет повышать гидравлические потери.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции устройства при уменьшении местного гидравлического сопротивления.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что устройство для уменьшения местного гидравлического сопротивления в трубопроводе, содержащее ступенчато соединенные между собой секции с различной площадью поперечного сечения увеличивающейся по ходу потока, между секцией трубопровода большего диаметра и секцией трубопровода меньшего диаметра устанавливается и жестко крепится к их торцам кольцевая крышка с центральным входным отверстием, диаметр которого равен внутреннему диаметру секции трубопровода меньшего диаметра, при этом по всему наружному периметру кольцевой крышки выполнено плечико толщиной Δ, которое ответно толщине секции трубопровода большего диаметра и сопряженное с боковой наружной поверхностью кольцевой крышки ответной внутренней поверхности секции трубопровода большего диаметра, с которой сопряжено  (α=225°) тороидальной поверхности с радиусом R, и боковая внутренняя поверхность кольцевой крышки частично выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, меньший диаметр которого равен внутреннему диаметру секции трубопровода меньшего диаметра, а высота усеченного конуса равна H=R+Δ, при этом  где D - внутренний диаметр секции трубопровода большего диаметра, d - внутренний диаметр секции трубопровода меньшего диаметра, а - толщина боковой внутренней поверхности кольцевой крышки по отношению к тороидальной поверхности, расположенной на диаметре основания усеченного конуса, боковая поверхность которого плавно сопряжена со второй частью боковой внутренней поверхностью кольцевой крышки при плавном уменьшении толщины боковой внутренней поверхности по дуге до нуля по отношению к тороидальной поверхности до соприкосновения с ней при a=225°.
На фиг. 1 - схематично в разрезе изображено устройство для уменьшения местного гидравлического сопротивления в трубопроводе.
На фиг. 2 - схематично в разрезе изображена кольцевая крышка.
Устройство для уменьшения местного гидравлического сопротивления в трубопроводе содержит ступенчато соединенные между собой секции с различной площадью поперечного сечения увеличивающейся по ходу потока. Между секций трубопровода большего диаметра 1 и секций трубопровода меньшего диаметра 2 устанавливается и местно крепится к их торцам кольцевая крышка 3 с центральным входным отверстием 4, диаметр которого равен внутреннему диаметру секции трубопровода меньшего диаметра 2.
По всему наружному периметру кольцевой крышки 3 выполнено плечико 5 толщиной Δ, которое ответно толщине секции трубопровода большего диаметра 1 и сопряженное с боковой наружной поверхностью 6 кольцевой крышки 3 ответной внутренней поверхности 7 секции трубопровода большего диаметра 1, с которой сопряжено  (α=225°) тороидальной поверхности 8 с радиусом R. Боковая внутренняя поверхность кольцевой крышки 3 частично выполнена в виде боковой поверхности 9 усеченного конуса, меньший диаметр 4 которого равен внутреннему диаметру секции трубопровода меньшего диаметра 2. Высота усеченного конуса Н=R+Δ, при этом  где D - внутренний диаметр секции трубопровода большего диаметра, d - внутренний диаметр секции трубопровода меньшего диаметра, а - толщина боковой внутренней поверхности кольцевой крышки по отношению к тороидальной поверхности, расположенной на диаметре 10 основания усеченного конуса, боковая поверхность 9 которого плавно сопряжена со второй частью боковой внутренней поверхности кольцевой крышки 3 при плавном уменьшении толщины боковой внутренней поверхности по дуге 11 до нуля по отношению к тороидальной поверхности 8 до соприкосновения с ней при α=225°.
Угол α отсчитывается от точки соприкосновения наружной боковой поверхности 6 кольцевой крышки 3 в разрезе с ее тороидальной поверхностью 8.
Кольцевая полость 12 образована между тороидальной поверхностью 8 и внутренней поверхностью секции трубопровода большего диаметра 1.
Центральные оси секций трубопроводов большего 1 и меньшего 2 диаметров и кольцевой крышки 3 совпадают.
В целях подтверждения работоспособности предполагаемого устройства проводились опыты на экспериментальном стенде для двух вариантов трубопровода с внезапным расширением, а именно для соотношений  и  в диапазоне изменения скорости течения жидкости от 2,8 до 6,6 м/с (турбулентный режим течения жидкости). Результаты опытов приведены в таблице.
В таблице введены следующие обозначения:
1cp
ν - осредненная скорость течения жидкости на выходе из трубопровода диаметром d (м/с);
1
2
ξ, ξ - коэффициенты местного сопротивления при внезапном расширении потока, соответственно при  и ;
1г
2г
ξ, ξ - коэффициенты местного сопротивления при наличии кольцевой камеры, соответственно при  и
% снижения - снижение коэффициента местного сопротивления, выраженное в процентах.
1ср
w
Приводится пример расчета коэффициента местного сопротивления  для двух вариантов по скорости течения жидкости ν=2,8 и 6,3 (м/с) и двух соотношений диаметров  В формуле h - гидравлические потери напора на участке внезапного расширения потока, g=9,8 - ускорение свободного падения.
1ср
При ν=2,8 м/с
При
При
1ср
При ν=6,3 м/с
При
При
Во всем рассмотренном диапазоне скоростей течения жидкости наблюдается снижение коэффициента местного сопротивления для  в среднем на 30%, для  в среднем на 23%. Полученный технический результат достигнут благодаря выполнению предложенной конструкции кольцевой крышки 3.
Данная конструкция кольцевой крышки 3 позволяет получить в кольцевой полости 12 одиночный, устойчивый, тороидальный вихрь и вместо внезапного расширения потока - плавное расширение. При этом взаимодействие потока жидкости выходящего из секции трубопровода меньшего диаметра 2 с тороидальным вихрем за счет касательных напряжений и нормальных давлений приводит к ликвидации отрыва жидкости, как это происходило при внезапном расширении потока, что в итоге приводит к уменьшению местного гидравлического сопротивления. Результаты полученные авторами косвенно подтверждаются многочисленными экспериментальными данными, которые приведены в [Михайлов В.Н., Ткачук Г.Н. Влияние шероховатости корпуса судна на сопротивление воды. Судостроение, 1971, стр. 111-143].