Демпфер гидравлического удара

 

Демпфер предназначен для уменьшения вязкости жидкости. Демпфер содержит активный демпфирующий элемент, установленный внутри низкочастотного демпфирующего элемента, при этом активный демпфирующий элемент выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса, а низкочастотный демпфирующий элемент выполнен в виде улитки насоса, причем демпфер содержит отрицательную обратную связь, выполненную из того же материала, что и трубопровод в виде корпуса и размещенных в нем акустических волновых трансформаторов в форме усеченных конусов с переменным сечением обечайки и одинаковыми размерами, установленных встречно меньшими основаниями в полости корпуса и с зазором между большими основаниями и корпусом, при этом сечение установки конусов сообщено с выкидом рабочего колеса центробежного насоса, а полость корпуса - с приемом насоса, а конуса содержат сквозные отверстия разного диаметра, причем отверстия большего диаметра размещены в средней части обечайки одного из конусов, а отверстия меньшего диаметра размещены в меньшем основании другого конуса. Технический результат - расширение области применения. 1 ил.

Изобретение относится к гидравлике и может быть использовано для уменьшения вязкости жидкости, например товарной нефти.

Известен демпфер гидравлического удара, содержащий установленный между торцовыми поверхностями трубопроводов поперечно-гофрированный элемент из эластичного материала, герметично закрепленный торцами к трубопроводам, снабженный дополнительными демпфирующими элементами, закрепленными на торцовых поверхностях трубопроводов, каждый из которых выполнен в виде акустических трансформаторов с внутренней поверхностью экспоненциальной формы из того же материала, что и трубопровод (1).

Основной недостаток такого демпфера состоит в том, что преобразуемая им энергия высокочастотных волн, распространяющихся по трубопроводу, как по волноводу, преобразуется в неуправляемый процесс нагрева транспортируемой по трубопроводу жидкости, что дестабилизирует последнюю.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является демпфер гидравлического удара, содержащий активный демпфирующий элемент, выполненный в виде поперечно-гофрированной эластичной оболочки в форме конуса с малым и большим основаниями, при этом большее основание направлено навстречу потоку, установленную внутри низкочастотного демпфирующего элемента в виде поперечно-гофрированной проставки, размещенной в корпусе, установленном на трубопроводе (2).

Основные недостатки известного устройства состоят в том, что оно малоэффективно при гашении энергии сверхнизкочастотных волн, распространяющихся по потокам жидкости, как по волноводам, поскольку указанные волны вследствие эффекта дифракции обходят демпфер. Кроме того, активный демпфирующий элемент устройства реализует не принцип разрыва потока жидкости, как волновода, а лишь изменяет конфигурацию волны сжатия, формируя за счет отклонения геометрической оси оболочки дополнительный узел в волне сжатия, который, в свою очередь, может быть трансформирован в потоке в серию узлов-аналогов, не влияя в целом на характеристики волны, поскольку при этом в жидкости спонтанно формируются области, адекватные по своим свойствам гистерезисным свойствам эластичного материала оболочки. Известный демпфер также в силу своих конструктивных особенностей не может быть применен в магистралях с высоким давлением жидкостей, а также для управления физическими характеристиками жидкости в потоке, например вязкостью, поскольку имеет ограничения упругопластических характеристик свойствами материала оболочки и проставки.

Цель изобретения - повышение эффективности гашения демпфером сверхнизкочастотных волн, возбуждаемых, например, термодинамическими процессами, и расширение области применения демпфера.

Поставленная цель достигается тем, что в демпфере гидравлического удара, содержащем активный демпфирующий элемент, установленный внутри низкочастотного демпфирующего элемента активный демпфирующий элемент выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса, а низкочастотный демпфирующий элемент выполнен в виде улитки насоса, причем демпфер содержит отрицательную обратную связь, выполненную из того же материала, что и трубопровод в виде корпуса и размещенных в нем акустических волновых трансформаторов в форме усеченных конусов с переменным сечением обечайки и одинаковыми размерами, установленных встречно меньшими основаниями в полости корпуса и с зазором между большими основаниями и корпусом, при этом сечение установки конусов сообщено с выкидом рабочего колеса центробежного насоса, а полость корпуса - с приемом насоса, а конуса содержат сквозные отверстия разного диаметра, причем отверстия большего диаметра размещены в средней части обечайки одного из конусов, а отверстия меньшего диаметра размещены в меньшем основании другого конуса.

Существенность заявляемых отличительных признаков состоит в том, что они позволяют создавать на лопатках рабочего колеса центробежного насоса и его улитке стоячие волны с фиксированными параметрами, что обеспечивается отличительными признаками отрицательной обратной связи. Указанные стоячие волны воспроизводят отраженные низкочастотные волны за счет диссипации всех низкочастотных волн, отличающихся своими параметрами от стоячих волн с фиксированными параметрами, что, в свою очередь, позволяет стабилизировать физические показатели жидкости, выполняющей функции волновода, например вязкость, равно как и изменять эти же показатели в других потоках жидкости, с которыми смешивается обработанная жидкость.

Схема демпфера представлена на чертеже.

Устройство содержит корпус 1, полость которого трубопроводами 2 сообщена с приемом 3 рабочего колеса 4 центробежного насоса, размещенного в улитке 5, два акустических волновых трансформатора в виде конусов 6 и 7 с переменным сечением обечайки 8, установленных встречно меньшими основаниями и сообщенных сечением установки 9 с выкидом 10 рабочего колеса 4. Конус 6 содержит сквозные отверстия 11 в средней части обечайки 8, а конус 7 - сквозные отверстия 12 в меньшем основании, причем диаметр отверстий 11 больше диаметра отверстия 12. Выкид 10 рабочего колеса 4 сообщен с трубопроводом 13, а прием 3 - с трубопроводом 14.

Демпфер работает следующим образом.

При перекачивании рабочим колесом 4 жидкости из трубопровода 14 в трубопровод 13, часть жидкости с выкида 10 насоса проходит через сечение установки 9, конусов 6 и 7, сквозные отверстия 11 и 12, полость корпуса 1, зазоры "г" между корпусом 1 и конусами 6 и 7, трубопровод 2 и уходит на прием 3 рабочего колеса 4. При этом за счет динамического напора, создаваемого рабочим колесом 4, в конусах 6 и 7, выполняющих функции акустических трансформаторов возбуждаются прямые акустические волны, которые распространяются по потоку жидкости, как по волноводу в трубопровод 13. Вместе с тем, часть энергии акустических волн от конусов 6 и 7 через жидкость, находящуюся в зазоре "г" и жидкость, истекающую через отверстия 11 и 12 конусов 6 и 7, возбуждает отраженные акустические волны на корпусе 1 и сообщенным с ним трубопроводом 2, связывающим корпус 1 с приемом 3 насоса 4. При этом, поскольку скорость акустической волны в металлах и сплавах значительно (приблизительно в 3 раза) выше ее скорости в жидкостях, эта волна достигает улитки 5 насоса значительно раньше, нежели в жидкости, причем концентрация отраженной волны происходит в той области улитки 5, где жидкость, перекачиваемая рабочим колесом 4, претерпевает максимальное сжатие, сходя с лопаток рабочего колеса 4, вследствие чего эта область улитки 5 обладает наименьшим волновым сопротивлением. При достижении прямой акустической волной, распространяющейся из полости корпуса 1 по потоку жидкости, как по волноводу, приема 3 рабочего колеса 4, на рабочих поверхностях лопаток последнего возбуждается стоячая волна "а", так как конусы 6 и 7 выполнены идентично и отличаются лишь размерами и вариантами размещения отверстий 11 и 12, акустические волны, возбуждаемые в потоках жидкости, истекающей через названные отверстия создают устойчивый сдвиг фазы между амплитудами акустических волн, возбуждаемых в обечайках 8 конусов 6 и 7. При этом эпюра волны "а" определяется параметрами акустической волны, возбуждаемой на конусе 6 с отверстиями 11, поскольку размещение последних в среднем сечении обечайки 8 конуса 6 предполагает внесение диссипативных признаков в упругую акустическую волну, возбуждаемую на этом конусе за счет формирования на отверстиях 11 отраженных волн, посредством которых диссипативная составляющая вносится в потоки жидкости, истекающие через отверстия 11, а затем по потоку жидкости, как по волноводу, передается на рабочее колесо 4. По этой причине векторы скоростей упругой акустической волны, возбуждаемой на конусе 6 и ее диссипативной составляющей, т.е. упругопластической волны, формируемой отраженными волнами на отверстиях 11 ориентированы встречно, причем положение узла волны "а" на лопатке задается конструктивно положением отверстий 11 на обечайке 8 конуса 6.

В отличие от принципа формирования стоячей волны "а" на лопатке рабочего колеса 4 конусом 6 волна, возбуждаемая на конусе 7, носит характер чисто упругой акустической волны, поскольку обечайка 8 конуса 7, выполняющая функции волнового акустического трансформатора, не содержит диссипативных отверстий. В то же время, расположенные в меньшем основании конуса 7 отверстия 12, влияют не на фронтообразующие признаки акустической волны, возбуждаемой на конусе 7, а на ограничение области распространения волны, поскольку потоками жидкости, истекающими через отверстия 12 определяются, как волноводами, параметры среды, в которой гасится энергия отраженной от большего основания конуса 7 акустической волны, т.к. из-за наличия зазора "г" между большим основанием конуса 7 и корпусом 1, часть энергии акустической волны формирует отраженную упругую волну, но ее параметры определяются в этом случае не свойствами материала конуса 7, а свойствами перекачиваемой жидкости. В результате на тыльной стороне лопаток рабочего колеса 4 формируется волна с фронтом "в", а на границе объема жидкости между смежными лопатками возбуждается стоячая волна "б", сообщающая волны "а" и "в". Полной локализации описанной структуры волн способствует также акустическая волна, формируемая на улитке 5 и передаваемая по металлоконструкциям от корпуса 1, поскольку частота этой волны значительно выше частоты упругой волны в жидкости. При этом за счет того, что конусы 6 и 7 конструктивно связаны, число волн в стоячей акустической волне "б" всегда в установившемся режиме работы рабочего колеса 4 кратно целому числу. В целом конфигурация волн "а", "в" и "б", формируемая в объеме жидкости между смежными лопатками рабочего колеса 4 и обладающая диссипативными функциями по отношению к физическим параметрам жидкости, прежде всего, вязкости, поскольку последняя определяет поглощающие свойства среды, действуя на жидкость, отбирает у последней часть внутренней энергии, приводя к уменьшению вязкости.

В случае возникновения в трубопроводах 13 или 14 сверхнизкочастотных акустических волн, вызываемых, например, изменением термодинамических параметров жидкости в результате протекания потока через участки магистрали с переменными значениями давлений и температур, либо термодинамическим воздействием на поток процессами стабилизации, например, реализуемыми на ступенях сепарации сырой и товарной нефти, изменяются характеристики потока жидкости, как волновода. При этом на лопатках рабочего колеса 4, выполняющего функции активного демпфирующего элемента, не происходит изменение эпюр стоячих волн "а" и "в", поскольку они определяются конструктивными особенностями отрицательной обратной связи, но изменяется волновое сопротивление границы объема жидкости, заключенного между смежными лопатками рабочего колеса 4. Вследствие этого на границе указанного объема жидкости возбуждается сверхнизкочастотный колебательный процесс, изменяющий установившуюся волновую картину передачи акустических волн по металлоконструкциям улитки 5, трубопроводу 2, корпусу 1, что приводит к формированию продольного колебательного процесса с той же частотой, что и частота сверхнизкочастотных волн, возникающих в трубопроводах 13 или 14, в корпусе 1. Последнее обстоятельство вызывает наложение отраженных акустических волн, возбуждаемых на обечайке 8 конуса 7 на отраженные волны, возбуждаемые на обечайке 8 конуса 6, что, прежде всего, приводит к диссипации упругой акустической волны в жидкости "в" упругопластической волной "а". При этом эпюра волны "б" приобретает характер экспоненциальной акустической волны "д", увеличивая скорость истеченения жидкости с рабочей поверхности лопатки рабочего колеса 4. При равенстве, либо кратком сопряжении скоростей акустической волны на улитке 5 и срезе лопатки в зазоре между рабочим колесом 4 и улиткой 5 формируется оптический спектр с линиями поглощения на тех длинах низкочастотных волн, которые инициируются нестабильными термодинамическими параметрами в трубопроводах 13 и 14, в результате чего происходит диссипация энергии этих волн.

Формула изобретения

Демпфер гидравлического удара, содержащий активный демпфирующий элемент, установленный внутри низкочастотного демпфирующего элемента, отличающийся тем, что активный демпфирующий элемент выполнен в виде рабочего колеса центробежного насоса, а низкочастотный демпфирующий элемент выполнен в виде улитки насоса, причем демпфер содержит отрицательную обратную связь, выполненную из того же материала, что и трубопровод в виде корпуса и размещенных в нем акустических волновых трансформаторов в форме усеченных конусов с переменным сечением обечайки и одинаковыми размерами, установленных встречно меньшими основаниями в полости корпуса и с зазором между большими основаниями и корпусом, при этом сечение установки конусов сообщено с выкидом рабочего колеса центробежного насоса, а полость корпуса - с приемом насоса, а конусы содержат сквозные отверстия разного диаметра, причем отверстия большего диаметра размещены в средней части обечайки одного из конусов, а отверстия меньшего диаметра размещены в меньшем основании другого конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1