Устройство для гашения колебаний давления в потоке текучей среды

 

Сущность изобретения: в корпусе размещен прерыватель потока в виде нормально открытого клапана, седло которого размещено неподвижно относительно корпуса. Запорный орган связан с седлом упругим элементом и расположен с возможностью перемещения вдоль потока и деформирования упругого элемента. Запорный орган выполнен в виде установленного в направляющих штока с запорным элементом на конце со стороны седла, радиальными опорными выступами вокруг противоположного конца и закрепленными шарнирно на штоке перед выступами поворотными заслонками. Заслонки соединены между собой упругой связью и размещены с возможностью разворота поперек потока, увеличения эффективного поперечного сечения запорного органа при развороте и прилегании к опорным выступам при повышении давления в потоке перед штоком выше заданного уровня. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний давления и ударных волн в потоке текучей среды, преимущественно газовой.

Известны гасители колебаний давления в потоке текучей среды, в которых гашение колебаний осуществляется путем рассеивания энергии колебаний деформацией различного рода эластичных или упругих элементов, в частности, выполненных в виде емкостей, заполненных жидкостью с размещенными в ней оболочками со сжатым газом [1].

Недостатками такого рода устройств является сложность конструкции, большие потребные габариты при гашении волн давления высокой интенсивности и узкий рабочий диапазон частот, т.е. диапазон частот колебаний давления, в котором имеет место их эффективное гашение. Последнее связано со следующим. Наиболее полно процесс рассеивания энергии волны давления будет протекать тогда, когда частота колебаний в среде будет близка к собственной частоте колебаний демпфера, т.е. вблизи резонанса. Но собственная частота колебаний демпфера при прочих равных условиях будет определяться его модулем упругости, а последний для газа зависит прежде всего от давления, а для жидкости - от ее физических свойств. Поэтому для конкретной жидкости и выбранного уровня давления сжатого газа достаточно полное гашение будет иметь место только в двух диапазонах - вблизи частот собственных колебаний газового и жидкостного демпферов.

Известны гасители колебаний, в которых демпфирование колебаний осуществляется посредством перемещения поршня и деформацией последним упругого элемента [2] . В силу конструктивных особенностей гасителей данного типа вход и выход участка, на котором размещен демпфирующий элемент, постоянно сообщены между собой, а также с подводящим и отводящим участками магистрали, в том числе и после возникновения в потоке волны давления. С другой стороны, поршень, установленный с возможностью деформации упругого элемента, обладает определенной инерционностью. Поэтому не удается избежать прохождения волны давления из подводящего в отводящий участок магистрали. А при высокой начальной интенсивности волны давления ее отрицательное воздействие на узлы присоединения отводящих участков магистрали к выходу гасителя может быть весьма значительным, вплоть до их разрушения.

В определенной степени этого недостатка лишено устройство для гашения колебаний давления в потоке текучей среды, содержащее корпус и размещенный в нем прерыватель потока в виде нормально открытого клапана, седло которого размещено неподвижно относительно корпуса, а запорный орган связан с последним посредством упругого элемента и расположен с возможностью перемещения вдоль потока и деформирования упругого элемента. При этом запорный орган и упругий элемент выполнены в виде двух сильфонов, закрепленных смежными торцами на неподвижной перегородке, днище одного из сильфонов образует поршень, другого - запорный элемент, а внутренние полости сильфонов сообщены между собой через отверстие в перегородке [3]. Перемещение запорного органа осуществляется воздействием потока текучей среды на поршень. Однако в силу постоянства величины его площади устройство имеет при заданном гидравлическом сопротивлении неудовлетворительные массогабаритные характеристики, а при заданных габаритах - высокий уровень потерь вследствие загромождения поршнем проточной части устройства. Следует также указать и на то, что такое выполнение запорного органа и упругого элемента приводит к определенной задержке закрытия клапана, поскольку деформация одного сильфона будет иметь место сразу же после повышения давления в потоке перед ним, а другого, на котором закреплен запорный элемент, через определенный интервал времени, обусловленный необходимостью сжатия воздуха в первом сильфоне и его перетеканием во второй. Это может привести к недопустимому росту давления в выходном участке магистрали при наличии ограничений на габариты, или к увеличению площади, а следовательно, и габаритов запорного органа для обеспечения требуемого быстродействия.

Целью изобретения является повышение быстродействия и снижение гидравлического сопротивления устройства для гашения колебаний в потоке текучей среды при минимальных его габаритах.

Указанная цель достигается путем выполнения запорного органа в виде установленного в направляющих штока с запорным элементом на конце со стороны седла, радиальными опорными выступами вокруг противоположного конца, и закрепленными шарнирно на штоке перед выступами поворотными заслонками, соединенными между собой посредством упругой связи, причем заслонки размещены с возможностью разворота поперек потока, увеличения эффективного поперечного сечения запорного органа при развороте и прилегания к упорам при повышении давления в потоке перед штоком выше заданного уровня. Для снижения трения при перемещении штока, упрощения конструкции и повышения прочности корпуса направляющие могут быть выполнены в виде закрепленных на корпусе радиальных ребер жесткости с телами качения со стороны штока, а упругий элемент - в виде пружины растяжения, один конец которой связан с корпусом, а другой - со штоком, при этом последний установлен на телах качения.

Поскольку время посадки запорного органа на седло конечно, часть возмущений давления будет проходить на выход при закрытии клапана. Демпфирование этих возмущений может быть осуществлено демпфером, выполненным в виде втулки из упругого материала, установленной за седлом. Повышение жесткости опорных выступов, упрощение конструкции заслонок и тел качения, а также обеспечение гарантированного хода штока достигается выполнением упругой связи в виде пружины растяжения, размещенной между заслонками, опорных элементов - в виде ребер, имеющих форму неравнобочных трапеций с большими основаниями, прилегающими к штоку, меньшими - смещенными в сторону от седла, тел качения - в виде шариков или роликов, а запорного элемента - в виде диска с диаметром, большим максимального расстояния между радиальными ребрами жесткости в плоскости, перпендикулярной оси потока.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства для гашения колебаний давления в потоке текучей среды; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Устройство для гашения колебаний давления в потоке текучей среды содержит корпус 1 и размещенный в нем прерыватель потока в виде нормально открытого клапана, седло 2 которого размещено неподвижно относительно корпуса 1, а запорный орган выполнен в виде установленного в направляющих 3 штока 4 с запорным элементом 5 на конце со стороны седла 2, радиальными опорными выступами 6 вокруг противоположного конца, и закрепленными на штоке 4 перед выступами 6 поворотными заслонками 7, соединенными между собой посредством упругой связи 8 в виде пружины растяжения. Заслонки 7 размещены с возможностью разворота поперек потока, увеличения эффективного поперечного сечения запорного органа при развороте и прилегания к опорным выступам 6 при повышении давления в потоке перед штоком 4 выше заданного уровня, а запорный орган связан с корпусом 1 посредством упругого элемента 9 в виде пружины растяжения и установлен с возможностью перемещения вдоль потока и деформирования упругого элемента 9. При этом направляющие 3 выполнены в виде закрепленных на корпусе 1 радиальных ребер 10 жесткости с телами 11 качения (шариков или роликов) со стороны штока 4, последний установлен на телах 11 качения, пружина 8 размещена между заслонками 7, опорные выступы 6 выполнены в виде неравнобочных трапеций с большими основаниями, прилегающими к штоку 4, меньшими - скошенными в сторону от седла 2, а запорный элемент 5 - в виде диска с диаметром, большим максимального расстояния между радиальными ребрами 10 жесткости в плоскости, перпендикулярной оси штока 4. Устройство снабжено демпфером, выполненным в виде втулки 12 из упругого материала, установленной за седлом 2, и подключено к подводящему 13 и отводящему 14 участкам магистрали.

Устройство для гашения колебаний давления в потоке текучей среды работает следующим образом.

При нормальном режиме работы (при отсутствии волн давления в потоке) шток 4 находится в крайней левой позиции, а заслонки 7 занимают положение, показанное на фиг.1 сплошными линиями. Поток из подводящего участка 13 магистрали попадает в корпус 1, огибает заслонки 7 и шток 4, проходит между опорными выступами 6 и радиальными ребрами 10 жесткости, и далее через седло 2 поступает в отводящий участок 14. Жесткость упругого элемента 9 и упругой связи 8 выбирается таким образом, чтобы при заданных величинах перепада давления на штоке 4 и заслонках 7 (например, соответствующим тем, которые могут иметь место при превышении давления в потоке относительно номинального значения, допустимом из условия прочности устройства) не происходило перемещения штока 4 и разворота заслонок 7. В случае возникновения в магистрали колебаний давления или ударных волн при достижении ими заслонок 7 и штока 4 на последних в процессе обтекания их потоком перепад давления начнет возрастать, и при превышении заданного значения перепада гидродинамическое усилие на заслонки 7 станет больше усилия со стороны пружины 8, что приведет к развороту заслонок 7 поперек потока и в конечном счете к прилеганию к опорным выступам 6 (это положение показано штрих пунктирными линиями на фиг.1). Вследствие увеличения эффективного поперечного сечения запорного органа при развороте заслонок 7 шток 4 начнет перемещаться по направлению к седлу 2, и при достижении последнего запорный элемент 5 при его посадке на седло 2 перекроет проточную часть устройства, предотвращая тем самым прохождение волны давления в отводящий участок 14 магистрали. Те возмущения давления, которыe пройдут через седло 2 в процессе перемещения штока 4, будут гаситься за счет деформации втулки 12. Большая часть энергии колебаний диссипируется при совершении работы деформации пружины 9, которая, будучи связанной концами с корпусом и штоком 4, при перемещении последнего к седлу 2 растягивается. Помимо этого, часть энергии колебаний будет затрачиваться и на преодоление усилия со стороны пружины 8 при развороте заслонок 7, а также рассеиваться за счет турбулентного обмена при обтекании последних. Возврат штока 4 в исходную позицию осуществляется пружиной 9. При этом заслонки 7 пружиной 8 также приводятся в начальное положение. Как следует из вышеизложенного, при отсутствии возмущений давления в потоке эффективная площадь поперечного сечения запорного органа, равная площади проекции заслонок 7 на плоскость, перпендикулярную направлению течения потока (а именно эта величина определяет степень загромождения потока, а следовательно, и гидравлическое сопротивления тракта), минимальна, а при наличии возмущений - максимальна. Такое конструктивное выполнение запорного органа, обеспечивающее указанный характер изменения его эффективной площади, позволяет при заданных габаритах и быстродействии обеспечить минимум гидравлических потерь, а при заданном уровне потерь - минимальные массогабаритные характеристики и максимальное быстродействие. Кроме того, выполнение поршневого узла в виде заслонок 7 и опорных радиальных выступов 6 позволяет при требуемом уровне жесткости (что особенно важно при возникновении в потоке волн давления высокой интенсивности, в частности, ударных волн) обеспечить восприятие усилия со стороны потока в основном опорными выступами 6, что дает возможность дополнительного снижения массы запорного органа за счет уменьшения толщины заслонок 7. Выполнение же опорных выступов 6 в виде ребер, имеющих форму неравнобочных трапеций с большими основаниями, прилегающими к штоку 4, а меньшими - скошенными в сторону от седла 2, позволяет обеспечить необходимую жесткость и прочность выступов 6 при минимальном загромождении ими проточной части. Для обеспечения гарантированного срабатывания устройства при заданной степени интенсивности возмущений давления важно, чтобы запорный оpган не имел неконтролируемого свободного хода (без растяжения пружины 9). Это достигается выполнением запорного элемента 5 в виде диска с диаметром, большим максимального расстояния между радиальными ребрами 10 жесткости в плоскости, перпендикулярной оси штока 4. В этом случае при обратном ходе штока 4 смещение запорного элемента 5, а следовательно, и штока 4, будучи ограничено ребрами 10, что позволяет обеспечить предварительное натяжение пружины 9. Для снижения трения шток 4 установлен на телах качения 11, которые могут быть выполнены в виде шариков или роликов, а для повышения жесткости корпуса 1 направляющие выполнены в виде ребер 10 жесткости, закрепленных на внутренней стенке корпуса 1, что обеспечивает не только выполнение ими основной функции, но и позволяет использовать их в качестве упрочняющих элементов. А это в свою очередь дает возможность уменьшить толщину стенок (а следовательно, и массу) корпуса, либо применять для его изготовления более дешевые материалы.

Необходимо отметить, что направляющие, упругий элемент и упругая связь между заслонками, радиальные опорные выступы, запорный элемент и демпфер могут быть выполнены и иначе. Например, в качестве направляющих могут быть использованы втулки с опорами скольжения, связанные с корпусом посредством спиц, либо поперечные перегородки с центральным отверстием для штока и отверстиями для прохода потока, в качестве упругих элемента и связи - эластичные жгуты, демпфера - надувные емкости, а форма опорных выступов может быть прямоугольной, треугольной и т.д., то есть указанные элементы могут быть выполнены любым известным в технике способом, допускающим их использование в составе описанного выше устройства для гашения колебаний давления в потоке текучей среды.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить надежную защиту элементов пневмо- и гидросистем от действия волн давления высокой интенсивности, в том числе и ударных волн при минимальных потерях давления на номинальном режиме работы устройства, а также существенно снизить габариты и массу самого устройства.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, содержащее корпус и размещенный в нем прерыватель потока в виде нормально открытого клапана, седло которого размещено неподвижно относительно корпуса, а запорный орган связан с последним посредством упругого элемента и расположен с возможностью перемещения вдоль потока и деформирования упругого элемента, отличающееся тем, что запорный орган выполнен в виде установленного в направляющих штока с запорным элементом на конце со стороны седла, радиальными опорными выступами вокруг противоположного конца и закрепленными шарнирно на штоке перед выступами поворотными заслонками, соединенными между собой посредством упругой связи, причем заслонки размещены с возможностью разворота поперек потока, увеличения эффективного поперечного сечения запорного органа при развороте и прилегания к опорным выступам при повышении давления в потоке перед штоком выше заданного уровня.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющие выполнены в виде закрепленных на корпусе радиальных ребер жесткости с телами качения со стороны штока, а упругий элемент - в виде пружины растяжения, один конец которой связан с корпусом, а другой - со штоком, при этом последний установлен на телах качения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено демпфером, выполненным в виде втулки из упругого материала, установленной за седлом.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что упругая связь выполнена в виде пружины растяжения, размещенной между заслонками, а опорные выступы - в виде ребер, имеющих форму неравнобочных трапеций с большими основаниями, прилегающими к штоку, а меньшими - скошенными в сторону от седла.

5. Устройство по п.2, или 3, или 4, отличающееся тем, что тела качения выполнены в виде шариков или роликов, а запорный элемент - в виде диска с диаметром, большим максимального расстояния между радиальными ребрами жесткости в плоскости, перпендикулярной оси штока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3