Комбинированное устройство гашения низкочастотного шума и колебаний давления

Полезная модель 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 2578792 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 заявленной полезной модели 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 – 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 пульсаций давления и снижения звука в трубопроводе, 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 сильфонными компенсаторами, соединенными с разборным корпусом при помощи фланцев, исполнительным элементом вибратора, дополнительным источником компенсации звука, при этом сильфонные компенсаторы установлены в вырезанный участок трубопровода с обеих сторон разборного корпуса, исполнительный элемент вибратора и дополнительный источник компенсации звука выполнены с возможностью приемов сигналов от отдельно расположенного блока формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума, перфорированная вставка имеет параболоидальную форму, толкатель снабжён направляющей шайбой. Дополнительный источник компенсации звука может быть выполнен в виде громкоговорителя.
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 блок формирования характеристик компенсации пульсаций давления и шума энергетической установки. Перфорированная вставка имеет параболоидальную форму размер, которой выбирается в зависимости от типа энергетической установки, вида потока рабочей среды (газ, жидкость), характеристик и характера распространения рабочей 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.
При реальных средних скоростях течения газа, соответствующих числам Рейнольдса Re>4·103, 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)
dFO(FВ) = k(FВ)(nF_O)/F_В (FT - FВ)dFВ, (1)
k(Fp) =  (V(Fp))/V_С, (2)
где FO(FВ) – теоретическое распределение пропускной площади отверстий перфорированной вставки по площади ее поперечного сечения FВ;
k(FВ) – коэффициент распределения пропускной площади отверстий по площади поперечного сечения перфорированной вставки;
n – количество отверстий в перфорированной вставке;
FO – пропускная площади отверстий в перфорированной вставке;
FВ – площадь поперечного сечения перфорированной вставки в трубопроводе;
Fp – площадь поперечного сечения внутри трубопровода;
VC – средняя скорость течения среды в трубопроводе за перфорированной вставки, рассчитанная по величине объемного расхода и площади трубопровода;
V(FP) – скорость установившегося стационарного течения в поперечном сечении трубопровода площадью Fp.
Исходя из характера распространения потока газа (жидкости) по трубопроводу, наиболее универсальной формой перфорированной вставки является параболоидальная.
Перфорированная вставка размещена непосредственно в канале трубопровода между двумя сильфонными компенсаторами.
В случае, если работа энергетической установки носит периодический характер, блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки вырабатывает компенсирующий сигнал только для основной частоты работы энергетической установки и кратных ей максимальных гармоник пульсаций давления и звукового давления потока газа или жидкости.
Предложенное 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 – дополнительный источник компенсации 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 и гашения шума энергетической установки; 20 – опорный фланец.
Устройство гашения низкочастотного шума и колебаний давления состоит из корпуса 10 с крышкой, с внутренней стороны которых установлены опорные кольца из шумоизолирующего и шумопоглощающего материала: на корпусе – переднее опорное кольцо 6, на крышке корпуса – заднее опорное кольцо 9. Внутри корпуса 10 по его центру, вдоль продольной оси, расположена перфорированной вставки 14, которая закреплена на рабочем диске 12, расположенном между демпфирующих пружин 8, с возможностью перемещаться по направляющей 7, закрепленной между корпусом 10 и крышкой корпуса 17. Рабочий диск 12 с обеих сторон снабжен шумопоглощающей прокладкой 11.
Корпус 10 с перфорированной вставкой 14 внутри, в собранном состоянии, с закрытой крытой крышкой, установлен в вырезанный участок трубопровода 1 между сильфонными компенсаторами 4, которые присоединены к трубопроводу и к корпусу 10 с одной стороны и к крышке корпуса 17 – с другой стороны при помощи фланцев.
Штанга-толкатель вибратора 15 исполнительного элемент вибратора 18 снабжён направляющей шайбой. Направляющая шайба штанги-толкателя 13 расположена в корпусе 10. Штанга-толкатель вибратора 15 пропущен через отверстия, выполненные в крышке корпус 17, во фторопластовом уплотнителе 16, в направляющей шайбе штанги-толкателя 13, шумопоглощающей прокладке 11 и соединен с рабочим диском 12.
Дополнительный источник компенсации звука 2 расположен в зоне выхода трубопровода 1 и соединен с блоком формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19, который вырабатывает компенсирующий сигнал и подает его на исполнительный элемент вибратора 18 и(или) на дополнительный источник компенсации звука 2.
В вырезанный участок трубопровода 1 помещается сильфонный компенсатор 4, за которым прикрепляется перфорированная вставка 14, выполняющая функцию гасителя колебаний давления – глушителя шума. 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 (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.
Блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19, выполненный, например, в виде программируемого логического цифрового контроллера, вырабатывает компенсирующий сигнал с характеристиками, необходимыми для эффективной компенсации, и подает его на исполнительный элемент вибратора 18 и (или) на дополнительный источник компенсации звука 2. 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 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 корпусе 10, врезанном в трубопровод, начинает совершать колебательные движения. Сглаживание (выравнивание) пульсаций давления достигается путем прохождения потока газа или жидкости среды через перфорированные отверстия перфорированная вставки 14 и демпфирующих свойств демпфирующих пружин 8. 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, демпфирующие колебательную энергию потока газа или жидкости и снижающие тем самым пульсации давления и шум при распространении потока по трубопроводу 1. Использование сильфонных компенсаторов 4 позволяет дополнительно сглаживать пульсации давления потока жидкости или газа в трубопроводе 1, а также осуществлять дополнительную защиту трубопровода 1 от деформаций и расширений, вызванных воздействием вибрации и перепадами температуры среды. Это позволит снизить риск аварий в промышленных условиях.
Заявленное устройство также содержит блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19, позволяющий достичь дополнительного эффекта снижения пульсаций давления и шума при распространении газо-гидродинамического потока в трубопроводе энергетической установки, в том числе в диапазоне низких частот.
Блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19 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 и гашения шума энергетической установки 19 и подаваемого на исполнительный элемент вибратора 18 и дополнительный источник компенсации звука 2, генерирующими звук и вибрацию с требуемыми для эффективной компенсации виброакустическими характеристиками, достигается эффективное ослабление (компенсация) пульсаций давления и шума энергетической установки.
В случае если работа энергетической установки носит периодический характер (например, работа поршневого компрессора, двигателя внутреннего сгорания и др.), то блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19 может вырабатывать компенсирующий сигнал только для основной частоты работы энергетической установки и кратных ей максимальных гармоник пульсаций давления и звукового давления потока газа или жидкости.
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 и гашения шума энергетической установки 19, что повышает надежность и долговечность использования заявленного устройства в реальных условиях эксплуатации.
Блок формирования характеристик компенсации пульсаций и гашения шума энергетической установки 19 может вырабатывать компенсирующий сигнал либо для уменьшения пульсаций давления, либо для снижения звука.
Дополнительный источник компенсации звука 2 может быть выполнен в виде громкоговорителя.