ИЗНОСОСТОЙКИЙ КРУТОИЗОГНУТЫЙ ОТВОД "ИГР"
WEAR-RESISTANT KNUCKLE BEND '' IGR ''

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в оборудовании газовой, нефтяной, химической, энергетической, металлургической и угольной промышленности.
Известны конструкции износостойких биматериальных отводов труб с внутренней асимметричной наплавкой с максимальной толщиной износостойкого слоя на участке колена, имеющего больший радиус изгиба (см. патент SU 2492171 А1, кл. F16L 43/00), либо с внутренним равномерным слоем керамики (см. рекламный материал фирмы Cera System  GmbH, Германия, 2012).
Недостаток известных конструкций заключается в отсутствии учета газодинамической ситуации вблизи изнашиваемого участка внутренней поверхности отвода и высокой трудоемкости изготовления. Это приводит к низкой надежности и высокой стоимости отвода.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является колено стального трубопровода, внутри которого вдоль оси установлена лопатка из керамического материала, имеющая плоскую поверхность и спрофилированная по винтовой линии (см. патент RU 2118737 С1, кл. F16L 43/00).
Недостаток известной конструкции колена стального трубопровода заключается в образовании за счет профилирования плоской поверхности лопатки по винтовой линии в области изнашиваемого участка колена цилиндрического желоба, не имеющего преимущества по износостойкости по сравнению с внутренней поверхностью тора (колена). Кроме этого способ крепления керамической лопатки внутри колена имеет повышенную трудоемкость, а сама керамическая лопатка имеет низкую прочность при взаимодействии с потоком рабочей среды, загрязненной механическими примесями.
Задачей изобретения является повышение износостойкости крутоизогнутого отвода в потоках рабочих сред, загрязненных механическими примесями, за счет изменения геометрии лопатки и схемы ее размещения внутри отвода, позволяющего устранить сосредоточенное воздействие потока на внутреннюю стенку отвода.
Поставленная задача достигается тем, что в износостойком крутоизогнутом отводе «ИГР», содержащем входную, выходную и центральную криволинейную части с углом изгиба от 45° до 180°, с диаметром условного прохода не менее диаметра условного прохода трубопровода и с установленной внутри вдоль оси кривизны между плоскостями торцов входной и выходной части лопаткой с заостренными кромками, лопатка выполнена шириной не более диаметра условного прохода отвода и имеет поверхность отрицательной Гауссовой кривизны, кроме того:
- крепление лопатки внутри отвода вблизи торцов входной и выходной части выполнено неподвижным и обтекаемым;
- лопатка выполнена из стойкого в рабочей среде моно- или полиматериала.
Сущность изобретения заключается в том, что в износостойком крутоизогнутом отводе «ИГР» установлена лопатка шириной не более диаметра условного прохода отвода и имеет поверхность отрицательной Гауссовой кривизны. Такая поверхность обеспечивает воздействие на газодинамическую ситуацию вблизи изнашиваемого участка отвода, что устраняет сосредоточенное воздействие загрязненного потока среды на стенку отвода и тем самым повышает его долговечность.
На фиг. 1 показана схема износостойкого крутоизогнутого отвода «ИГР» с углом изгиба 90°; на фиг. 2 - разрез Е-Е фиг. 1; на фиг. 3 - аналитическое представление формообразования поверхности лопатки; на фиг. 4 - ракурсы теоретической поверхности лопатки в теоретическом отводе.
O
T
Между концами трубопровода 4 для плавного изменения его направления размещен крутоизогнутый отвод, например, с углом изгиба 90°, содержащий входную 1, выходную 2 и центральную криволинейную 3 части. Диаметр условного прохода отвода DN не менее диаметра условного прохода трубопровода DN. Внутри отвода вдоль оси кривизны 5 между плоскостями торцов 6, 7 размещена лопатка 8 шириной не более диаметра условного прохода отвода и имеющая поверхность отрицательной Гауссовой кривизны. Заостренные навстречу потоку среды кромки 9, 10 лопатки 8 закреплены неподвижно вблизи торцов 6, 7 отвода и выполнены обтекаемыми. Лопатка 8 выполнена из стойкого в рабочей среде моно- или полиматериала, а размещение ее вдоль оси кривизны 5 допустимо произвольным (см. фиг. 2).
Износостойкий крутоизогнутый отвод «ИГР» работает следующим образом. Загрязненный механическими примесями поток рабочей среды, проходящий через отвод, обтекает лопатку 8 и закручивается. Тем самым устраняются агрессивные зоны турбулентности, имеющие место в безлопаточном отводе, т.е. на участках сквозного разрушения стенки отвода абразивной эрозией. Кроме того, твердые частицы загрязнений в потоке несущей среды вследствие геометрии лопатки с поверхностью отрицательной Гауссовой кривизны приобретают разнонаправленность векторов скорости относительно внутренней поверхности стенки отвода, что устраняет их сосредоточенное воздействие на стенку отвода, также приводящее к ее сквозному разрушению.
Технический результат данного решения состоит в повышении износостойкости крутоизогнутого отвода за счет реализации известного принципа разделения функций в трубопроводных устройствах для загрязненных сред (Карелин И. Техническая керамика в нефтегазовых трубопроводных устройствах. Опыт применения в России. - : Palmarium Academic Publishing, 2012. - С. 57-93). В износостойком крутоизогнутом отводе «ИГР» функцию защиты стенки отвода от абразивной эрозии протекающим загрязненным потоком выполняет лопатка путем воздействия на газодинамическую ситуацию в отводе, а отвод выполняет служебное назначение - функцию изменения направления трубопровода. Кроме этого симметричность лопатки относительно входной и выходной части крутоизогнутого отвода способствует повышению технологичности его монтажа на трубопроводе.
Обоснование вида поверхности лопатки представлено в нижеприведенном математическом выражении.
Рассмотрим трехмерное пространство с декартовыми координатами х, у, z (см. фиг. 3). В горизонтальной плоскости z = 0 проведем окружность С радиуса R>0 с центром в начале координат О. Часть L окружности С, состоящая из точек с неотрицательными координатами х, у, задается формулами
х=Rcost, у=Rsint, z=0, 0≤t≤π/2.
Пусть П - вертикальная плоскость, проходящая через ось z и точку Р дуги L. Введем в плоскости П декартову систему координат u, z с началом в точке О, где ось u определяется вектором . В плоскости П проведем отрезок I длины 2r, где 0<r<R, так, что:
- точка Р является серединой отрезка I;
- если точка Р лежит на оси х, то отрезок I лежит в плоскости z = 0;
- при равномерном вращении точки Р вокруг точки О по направлению от оси х к оси у отрезок I вращается вокруг точки Р по направлению от оси z к оси u с вдвое большей угловой скоростью (на фиг. 3 изображены две кривые, которые заметаются концами отрезка I при его движении в пространстве).
Отрезок I, проходящий через точку Р=(Rcost, Rsint, 0), задается формулами:
u=scost, z =-ssin2t, -r≤s≤r.
Поэтому объединение S отрезков I по всем точкам Р дуги L является параметризованной поверхностью
х=(R+scos2t)cost, у=(R+scos2t)sint, z =-ssin2t,
, -r≤s≤r.
Она и есть поверхность требуемого исполнения лопатки.
Легко видеть, что поверхность S может быть задана неявно уравнением
.
Это уравнение задает в пространстве алгебраическую поверхность 6-й степени. Поскольку градиент функции
определен и не равен нулю во всех точках (х, у, z), не лежащих на оси z, то S - гладкая поверхность.
Гауссова кривизна поверхности S вычисляется по формуле
.
Она отрицательна всюду, причем ее абсолютная величина отделена от нуля:
.
Следует отметить, что простейшие в изготовлении плоская, цилиндрическая и коническая поверхности имеют Гауссову кривизну, равную нулю.
Поверхность S лежит внутри тора, образованного окружностями радиуса r, имеющими центр на окружности С и лежащими в вертикальных плоскостях, проходящих через ось z. Часть Т этого тора, состоящая из точек с неотрицательными координатами х, у, задается формулами
х=(R+rcosφ)cost, у=(R+rcosφ)sint, z=rsinφ,
, 0≤φ≤2π.
Края
х=(R±rcos2t)cost, у=(R±rcos2t)sint, ,
поверхности S принадлежат поверхности Т, т.е. лопатка S вписана в крутоизогнутый отвод Т (см. фиг. 4).