ГАСИТЕЛЬ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОПРОВОДЕ
GAS PIPELINE PRESSURE PULSATION DAMPER

Изобретение относится к устройствам для гашения пульсаций давления в трубопроводных транспортных системах газовых сред, в частности на газораспределительных станциях.
Известен гаситель пульсаций давления в жидкостях и газах, содержащий перфорированную вставку, установленную в разборном корпусе, которая опирается фланцем на упругие элементы в виде пружин, расположенных по обе стороны фланца и перемещающуюся по направляющим между опорным и прижимным кольцами. Перфорированная вставка выполнена конусной, а диаметры ее отверстий уменьшаются от входа к выходу. Для уменьшения гидродинамического или газодинамического сопротивления площадь перфорации конусной вставки выполняется не менее площади поперечного сечения входного и выходного участка (Гаситель пульсаций давления. Патент 2062940, МПК F16L 55/04, дата публикации 27.06.1996). Гашение пульсаций давления возникает за счет диссипации энергии потока на перфорации конуса вставки и ее колебательных движений вдоль оси, что позволяет разрушать крупные вихри, переводя низкочастотные колебания в высокочастотные. Недостатком такого гасителя являются малая эффективность гашения высокочастотных пульсаций, которые возникают в магистрали за регуляторами и другими дросселирующими элементами при сверхкритических перепадах давлении, неравномерность скорости потока по сечению за перфорированным конусом, которая может создавать за ним вихревое течение и пульсацию давления. Наличие движущихся и вибрирующих деталей в гасителе - конуса и пружин увеличивает вероятность поломки и снижает его надежность.
Известен дроссельный шумоглушитель типа 3381 фирмы Samson (Краткий каталог, Издание: 2007, SAMSON AG), выбранный в качестве прототипа. Его конструкция представляет устанавливаемый в корпусе пакет от 2 до 5 фиксированных шайб, в каждой из которых выполнены дросселирующие отверстия, распределенные по их площади. Применяется для работы в жидких, газообразных и парообразных средах за регулирующим клапаном. Шумоглушитель выравнивает скорости потока по сечению, разрушает вихревое течение, за счет сопротивления при протекании через него рабочей среды уменьшается перепад давления на клапане. В результате снижаются пульсации давления и уровень шума в окружающей среде.
Недостатком существующего гасителя является то, что дросселирующие отверстия имеют цилиндрическую форму и за счет резкого сужения потока на входе и резкого расширения на выходе из них возникают вихри, вызывающие пульсации давления. В выходной шайбе пакета дросселирующие отверстия равномерно распределены по ее площади, в результате чего скорости в сечении приближены к равномерному их распределению по радиусу. За счет трения на участке газопровода за пакетом шайб происходит перестройка профиля скоростей в сечениях по длине трубы. Скорости у поверхности снижаются и увеличиваются по оси трубы. В результате этого за гасителем также возникают вихревые течения и пульсации давления.
Пульсации давления вызывают вибрацию поверхности трубопровода и создают шум в окружающей среде.
Целью изобретения является уменьшение уровня пульсаций давления на участке газопровода, расположенном за гасителем, снижение вибрации поверхности газопровода и шума в окружающей среде.
Указанная цель достигается тем, что в гасителе пульсаций давления, состоящем из пакета шайб с дросселирующими отверстиями, зафиксированными в корпусе, и полостей между шайбами, при этом в дросселирующих отверстиях на входе выполнены конфузоры с углом при их вершине α=40…80°, а на выходе диффузоры с углом при их вершине β=6…30°, дросселирующие отверстия распределены по радиусу шайб так, что их пропускная площадь формирует профиль скоростей в сечении трубопровода, приближенный к профилю скоростей установившегося стационарного течения среды.
Конфузор и диффузор создают на входе и выходе из отверстия плавное изменение площади и уменьшают вихреобразование при протекании потока через дросселирующие отверстия. За счет расширения площади на выходе отверстий в диффузоре уменьшается скорость течения потока, поступающего в полость между дросселирующими шайбами и на выходе гасителя, что также снижает вихреобразование и пульсации давления.
Оптимальный угол при вершине круглого конфузора в зависимости от отношения его длины к диаметру отверстия может составлять α=40…80°, угол диффузора в зависимости от степени расширения, равной отношения площади на выходе из него к площади на входе и числа Re, может составлять β=6…14°. Эти значения соответствуют минимальным значениям коэффициента гидравлического и газодинамического сопротивления и, следовательно, минимальному вихреобразованию (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1992. - 673 с.). Для увеличения выходного диаметра при определенной толщине шайбы и уменьшения скорости на выходе из диффузора, угол β может составлять до 30°.
Для снижения пульсаций давления за счет вихреобразования при перестройке профиля скоростей в трубопроводе за гасителем пульсаций давления распределение отношения пропускной площади дросселирующих отверстий в кольцевом элементе шайбы выполняется приближенным к отношению скорости установившегося стационарного течения в сечении трубы к ее среднему значению. Расчет теоретического распределения пропускной площади по радиусу шайбы проводится по формулам (1) и (2):
П
где: F(R) - теоретическое распределение пропускной площади дросселирующей шайбы по ее текущему радиусу R;
k(R) - коэффициент распределения пропускной площади отверстий по радиусу R дросселирующей шайбы;
n - количество дросселирующих отверстий;
O
F - пропускная площадь дросселирующего отверстия;
Ш
T
T
F=F - площадь дросселирующей шайбы в трубопроводе, равная пропускной площади трубопровода F;
T
R - наружный радиус шайбы, находящийся в трубопроводе;
C
V - средняя скорость течения среды в трубопроводе за шайбой, рассчитанная по величине объемного расхода и площади газопровода;
V(R) - скорость установившегося стационарного течения в сечении трубы на радиусе R.
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.). Приближенное значение скорости рассчитывается по формуле (3):
где:
- динамическая скорость и ее зависимость от коэффициента сопротивления трубы λ и средней скорости;
- коэффициент сопротивления гладкой трубы и его эмпирическая зависимость от числа Re по данным Никурадзе.
Расположение отверстий по радиусу шайбы выбирается так, чтобы обеспечить наилучшее приближение к теоретической зависимости распределения пропускной площади по радиусу шайбы в соответствии с формулой (1).
На фигуре 1 изображен гаситель пульсаций давления в разрезе. Гаситель состоит из корпуса 1 с установленными в нем дросселирующими шайбами 2, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом длиной втулок 3. Шайбы имеют дросселирующие отверстия, на входе которых выполнен конфузор, а на выходе диффузор. Отверстия смещены друг относительно друга в окружном направлении, что обеспечивается фиксацией шайб и втулок шпонками. Смещение шайб предотвращает сквозное прохождение газа и способствует сглаживанию пульсаций давления в полостях между шайбами. Пакет шайб фиксируется в корпусе втулкой 4 и винтами 5.