ДЕМПФЕР СТАБИЛИЗАТОРА ДАВЛЕНИЯ ДВУХКАСКАДНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ

Демпфер входит в состав стабилизаторов давления, устанавливаемых в трубопроводных системах, и предназначен для сглаживания пульсаций давления и гидравлических ударов в магистральных трубопроводах, находящихся под постоянным давлением протекающей в них жидкости.
Стабилизатор давления предназначен для фазового сдвига и гашения волновых и вибрационных процессов, возникающих в период протекания жидкости по трубопроводу. При возникновении динамического возмущения в потоке вследствие нарушения режима его протекания (включение или выключение насоса, перекрытие или открытие заслонок, нарушение стабильности подачи и т.п.) давление в стабилизаторе 1 (рис.1) возрастает и передается через жидкость в камеры 5, 6, 7 и на мембраны 10. Мембраны передают давление жидкости на демпфирующий элемент 13, который начинает деформироваться внутри корпуса демпфера 12, увеличивая общий объем жидкостной камеры. В результате происходит гашение гидроудара, и ликвидируется возможная угроза разрушения магистрального трубопровода 2.
Как правило, стабилизаторы давления (рис.1) выполнены в виде расширительных емкостей (предкамер) 1, вмонтированных в основную линию трубопровода 2 на определенном расстоянии друг от друга. Внутри предкамеры 7 трубопровод имеет отрезок 3, снабженный перфорационными отверстиями 4, сквозь которые часть перекачиваемой жидкости может поступать в пространство 5 предкамеры 7. Корпус предкамеры 7 имеет один или несколько отводов 6, на концах которых располагаются коллекторы - горизонтально (поз 7) или вертикально (поз.8) относительно оси трубопровода. На выходных отверстиях коллекторов с помощью фланцевых креплений 9 зафиксированы упругие мембраны 10, изготовленные из резины или других эластичных материалов и демпферы 12, имеющие жесткий корпус 11, внутри которого размещается демпфирующий элемент 13.
Демпфер (рис.2) монтируется на коллекторе стабилизатора (рис.1) или верхней частью непосредственно герметично закрепляется на магистральном трубопроводе. Демпфер состоит из цилиндрического корпуса 12, имеющего с одной из сторон плоское днище 18, а с другой - стопорное кольцо 77 и мембрану 10. Внутри корпуса соосно расположены внутренний (левый) 15 и наружный (правый) 14 направляющие стаканы, снабженные плоскими упорами 19 и 24. Между упорами в предварительно поджатом состоянии находится пакет тарельчатых пружин 13. С учетом возможной работы пакета пружин в горизонтальном положении, длина стаканов 14 и 15 выбрана так, что даже при полностью разгруженном пакете пружин (как это показано на рис.2) внутренний стакан входит в наружный, что не дает возможности пружинам сдвинуться от оси пакета. На наружной поверхности направляющего стакана 14 смонтированы в два ряда подшипниковые опоры, которые состоят из опорных пластин 35, осей 36 и стандартных подшипников 37. Каждый ряд опор расположен в плоскости, перпендикулярной оси стакана и содержит по три подшипниковые опоры, размещенные по окружности под углом 120° друг к другу. Опоры одного ряда повернуты относительно опор другого ряда на угол 60°, поэтому стакан 14 постоянно контактирует через опоры с внутренней поверхностью корпуса 12 не менее чем по трем точкам, что обеспечивает его строгую ориентацию относительно оси пакета пружин и всего демпфера в статическом и динамическом режиме без перекосов и заклинивания. Сжатие и расширение пакета пружин 13 происходит строго по оси демпфера, а при коэффициенте трения качения подшипников f=0,005-0,01 обеспечивается практическое отсутствие посторонних сил сопротивления, вызывающих замедление перемещения пакета вдоль оси и, тем самым, существенно снижается время срабатывания демпфера при резком нарастании или спаде давления в трубопроводе.
Мембрана 10 герметично закреплена в верхней части корпуса демпфера 12 и одной стороной контактирует с жидкостью, находящейся в стабилизаторе магистрального трубопровода, а другой стороной с наружной поверхностью упора 19, таким образом, внутренняя полость корпуса демпфера 12 изолирована от трубопровода.
В корпусе демпфера имеется ряд дренажных отверстий 21, которые соединяют внутреннее пространство корпуса с атмосферой.
Имеется ряд изобретений по созданию стабилизаторов давления с различными демпфирующими элементами, механизмами и устройствами. Известно изобретение №RU 2145027 С1 (класс 7 F16L 55/04), в котором в качестве демпфирующих элементов используются камеры с гибкой мембраной и упругими элементами, заполненные с одной стороны газом. Такая конструкция, при всех ее достоинствах, имеет и недостатки. Эксплуатация таких демпфирующих элементов требует постоянного контроля за исправностью и эластичностью гибких элементов, проверками наличия газа и необходимого давления в газовой полости.
Как показал опыт эксплуатации данного технического решения, которое при значительных технических преимуществах, тем не менее, не лишено некоторых недостатков, которые заключаются в следующем: в период протекания жидкости в номинальном режиме имеет место определенная пульсация давления жидкости в трубопроводе, определяемая характеристиками насоса, параметрами трубопроводной системы и состоянием стенок трубопровода. Пульсация давления жидкости в трубопроводе характеризуется относительно высокой частотой (25-40 Гц) и малой амплитудой колебаний (5-10% от номинального значения). Демпфер, рассчитанный на гашение гидроударов только одной полосы частот, плохо сглаживает пульсации жидкости другой частоты и амплитуды.
Предлагаемая конструкция модульного двухкаскадного демпфера (в дальнейшем - демпфер) полностью лишена вышеперечисленных недостатков.
Демпфер монтируется на коллекторе стабилизатора и через патрубок 22 герметично закрепляется на магистральном трубопроводе 2 (рис.3). Он состоит из цилиндрического корпуса 12, имеющего с одной из сторон плоское днище 18, а с другой - полусферический свод 23. Внутри корпуса соосно расположены внутренний (левый по схеме) 15 и наружный (правый) 14 направляющие стаканы, снабженные опорами 24 и 19. Опора 19 контактирует с ограничителем 17. Между опорами в предварительно поджатом состоянии находится пакет тарельчатых пружин 13. На наружной поверхности направляющего стакана 14 смонтированы в два ряда подшипниковые опоры 38, которые состоят из опорных пластин, осей и стандартных подшипников. Каждый ряд опор расположен в плоскости, перпендикулярной оси стакана и содержит по три подшипниковые опоры, размещенные по окружности под углом 120° друг к другу; при этом опоры одного ряда повернуты по отношению к опорам другого ряда на угол 60° и направляющий стакан 14 постоянно контактирует через опоры с внутренней поверхностью корпуса 12 не менее чем по трем точкам, обеспечивая его строгую ориентацию относительно оси пакета пружин и корпуса демпфера. Сжатие и расширение пакета пружин 13 происходит строго по оси демпфера без перекосов и заеданий, тем самым обеспечивается значительное снижение внешних сил сопротивления и, соответственно, уменьшается время срабатывания демпфера при резком нарастании или спаде давления в трубопроводе.
В средней части корпуса 12 расположена жидкостная полость 25, образованная двумя эластичными мембранами 26 и 27. Тем самым образуются жидкостная и газонаполненная камеры, которые являются двухкаскадным гасителем пульсаций жидкости. При возрастании давления в полости 25 мембрана 26, находящаяся в постоянном контакте с торцевой частью пружинного демпфирующего узла, растягивается и передает усилие на подвижный наружный стакан 14 через опору 19, а мембрана 27 сжимает газовую полость 30. В газовую полость 30, образованную между мембраной 27 и сводом 23 через заправочный клапан, состоящий из штуцера 31 с герметичным запором 32 и канала 33, закачивается под давлением воздух или инертный газ. Избыточное давление газа внутри газовой полости определяется номинальным внутренним давлением магистрального трубопровода. Перемещению мембраны 27 в жидкостную полость 25 препятствует перфорированная перегородка 28.
В корпусе 12 со стороны пружинного блока имеются несколько сигнально-дренажных отверстий 21, через которые, в зависимости от пространственного расположения демпфера происходит вытекание жидкости, попавшей во внутреннее пространство 34 корпуса из-за негерметичности мембраны. Утечки жидкости из дренажных отверстий сигнализируют о неисправности (негерметичности) демпфера. Модульность конструкции двухкаскадного демпфера позволяет производить его монтаж в различных пространственных положениях, определяющихся производственной необходимостью размещения трубопровода.
Работа демпфера:
При номинальном режиме протекания жидкости по трубопроводу 2 (рис.3) пульсации потока и давление жидкости через внешние камеры стабилизатора (рис.1) и мембрану 26 передаются на пружинный блок 13, а через мембрану 27 на газовую полость 28. Пружинный блок 13 имеет жесткую характеристику, рассчитанную на гидроудар, и в номинальном режиме течения жидкости по трубопроводу не способен эффективно гасить высокочастотные пульсации давления жидкости. Газовая полость 30, имеющая малую инерционность и находящаяся под избыточным давлением равным давлению внутри магистрального трубопровода, от воздействия на нее через мембрану 27 внешней пульсации, начинает частотное сжатие и расширение, воспринимая определенный объем жидкости при нарастании давления в трубопроводе и последующее вытеснение этого объема в трубопровод. Газовая полость способствует сглаживанию пульсаций и создает более стабильное истечение потока жидкости по трубопроводу.
При возникновении в трубопроводе гидравлического удара, мембрана 27 полностью сжимает небольшой объем газовой полости 30, а мембрана 26 преодолевает усилие пружинного блока и перемещает подвижный стакан 14 во внутрь корпуса, тем самым, значительно увеличивая объем жидкостной камеры 25 и гася динамическую нагрузку в трубопроводе.
Предельная величина сжатия пакета пружин и заполняемый объем в корпусе демпфера, а также необходимое количество демпферов в стабилизирующих устройствах рассчитываются, исходя из режимов эксплуатации трубопровода;
В случае выхода из строя или потери герметичности мембраны 26, перекачиваемая жидкость начинает истекать из дренажных отверстий 21, свидетельствуя о необходимости ремонта данного стабилизирующего устройства.
Попавшая во внутреннее пространство 34 жидкость вытекает наружу и не препятствует ходу подвижного стакана 14, оставляя демпфер в состоянии, способном гасить гидроудары в трубопроводе.
Демпферы, изготовленные на основе предлагаемого решения, успешно прошли испытания на лабораторных стендах на статические, вибродинамические (до 80 Гц) и ударные (падающий груз) нагрузки. Партия демпферов использована на практике для гашения пульсаций и гидроударов в трубопроводе диаметром 1400 мм при перекачке воды. Демпферы показали надежность в эксплуатации и обеспечили устойчивое гашение колебаний давления (до пяти крат) без их вхождения в резонансный режим.
Эксплуатационные испытания предлагаемой конструкции демпфера стабилизатора давления двухкаскадного модульного проходили на магистральном водоводе в гор. Калуга в 2008 году. Испытания показали снижение динамических выбросов давления в 3-4 раза против обычного эксплуатационного режима, что позволяет повысить надежность и долговечность всех элементов водопроводной системы (насосов, соединительной и управляющей арматуры, уплотнений и самих водоводов).