Как указывается в [6], для борьбы с волновыми процессами в трубопроводах различного назначения широкое распространение получил способ сброса избыточного количества перекачиваемой жидкости в безнапорную емкость. Реализация этого способа борьбы с волновыми явлениями осуществляется с помощью клапанов сброса, открытие которых происходит в момент формирования ударной волны давления. Продолжительность сброса регулируется с помощью специальной системы управления.
Устройства гашения волны повышенного давления, принцип работы которых основан на сбросе части жидкости, состоят из датчика возмущений, клапана сброса и блока управления работой клапана.
Датчик возмущений предназначен для подачи команды на открытие клапана сброса в момент возникновения в трубопроводе гидравлического удара.
Основными требованиями, предъявляемыми к конструкциям клапанов сброса, являются:
- высокое быстродействие;
- достаточная пропускная способность;
- надежность в эксплуатации. Существующие конструкции клапанов сброса
условно можно разделить натри группы:
- с подвижным жестким поршнем;
- с эластичным запирающим элементом;
- струйного типа.
Работу клапана с подвижным жестким поршнем можно рассмотреть на примере поршневого противоударного клапана с автоматической гидравлической настройкой (рис. 2).
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого размещен поршень 2, соединенный при помощи штока 3 с клапаном 4. Пространство над поршнем соединено с напорным трубопроводом трубкой 5. Внутри трубки установлен дроссель 6.
При возникновении в трубопроводе ГУ, волна повышенного давления воздействует на клапан 4 снизу. В пространство над поршнем импульс давления приходит с некоторым запаздыванием, вызванным гидравлическим сопротивлением трубки 5. На поршне возникает перепад давления, в результате чего поршень перемещается вверх, сжимая пружину 7 и поднимая клапан 4, начинается сброс жидкости из напорного трубопровода. При отсутствии ударной волны клапан прочно прижимается к седлу. При плавном изменении режима течения жидкости по трубопроводу, давление в пространстве над и под поршнем 2 успевают выравниться, и клапан остается закрытым. При эксплуатации данного устройства необходимо соблюдать требования к чистоте жидкости в трубопроводе, что не всегда реально в ТС.
Широкое распространение получили конструкции клапанов сброса с эластичными запирающими элементами. Рассмотрим их принцип действия. Схема клапана представлена на рис. 3.
Клапан состоит из корпуса 3, эластичного цилиндрического шланга 1 и цилиндра с глухой перегородкой и боковыми прорезями 2. Устройство имеет три характерные полости. Полость А сообщается с напорным трубопроводом, полость Б с безнапорным резервуаром, а полость В заполнена упругой средой (например, воздухом). В стационарном режиме работы магистрального трубопровода давление в полостях А и Б одинаково. Уравнение давлений происходит в трубках а и б, включающих дроссель 4, разделительный сосуд 6 и небольшой воздушный колпак 5.
Устройство работает следующим образом.
При установившемся режиме течения жидкости давление в полостях А и В равно давлению в трубопроводе, а в полости Б - атмосферному. Боковые прорези полости Б плотно закрыты эластичным шлангом 1. При плавном изменении давления в трубопроводе, вызванном системой регулирования, давления в полостях А и В успевают выравниваться, и эластичный шланг 1 надежно разобщает полости А и Б. При резком повышении давления в магистрали, в результате ГУ, давление в полости А окажется выше, чем в полости В из-за сопротивления дросселя 4 и сжимаемости газа в колпаке 5. Под действием возникшего перепада давлений эластичный шланг 1 деформируется и отходит от прорезей, в результате чего жидкость из полости А поступает в полость Б и далее в резервуар-сборник. После выравнивания давлений в полостях А и Б шланг 1 возвращается в исходное положение и сброс жидкости прекращается.
Клапаны с эластичным запирающим элементом обладают меньшей инерционностью по сравнению с клапанами поршневого типа. Однако они недолговечны из-за эластичного шланга, который может терять свою работоспособность при высоких температурах.
Перечисленных недостатков лишены конструкции предохранительных клапанов струйного типа. Отсутствие подвижных механических частей, малая инерционность и простота обеспечивают их высокую надежность в эксплуатации.
Устройство струйного типа работает следующим образом (см. рис. 4).
В основном трубопроводе 4 во всасывающей линии насоса 5 установлен струйный предохранительный клапан, выполненный в виде расположенных соосно и с некоторым зазором и укрепленных в корпусе сопла 1 и диффузора 2. Внутренняя полость корпуса устройства 3 соединена с безнапорным резервуаром 6, в который производится сброс. При прохождении жидкости через устройство 3, в сопле 1 происходит превращение потенциальной энергии потока в кинетическую энергию свободной струи, вытекающей из сопла, а в диффузоре - обратный процесс - восстановление потенциальной энергии потока.
При нормальном режиме эксплуатации трубопровода вся вытекающая из сопла жидкость поступает в диффузор, и сброса не происходит. В случае ГУ в результате торможения потока в линии трубопровода, связанной с диффузором, наблюдается сброс части перекачиваемой жидкости в резервуар 6.
Устройства сглаживания ударных волн давления, принцип действия которых основан на сбросе части перекачиваемой жидкости в момент формирования волны повышенного давления, работают в автоматическом режиме. Управление клапаном любого типа осуществляется блоком управления.
К недостаткам вышеназванных систем защиты следует отнести значительные затраты на создание дополнительных емкостей, клапанных устройств и современных устройств управления. Также необходимо отметить, что срабатывание клапанов сброса сопровождается потерями теплоносителя из трубопроводной системы.
Вихревые компенсаторы
В [4] рассмотрена схема вихревого компенсатора колебаний давления жидкости. Типовая схема данного устройства представлена на рис. 5.
Жидкость подводится по патрубку 1, расположенному тангенциально к наружной поверхности цилиндрической камеры 2. Поступающий поток получает в камере вихревое движение (закрутку) вокруг штыря 3. Закрученный поток жидкости вытекает из вихревой камеры по трубе 4.
Процессы создания вихревого движения сопровождаются диссипацией энергии волны повышения давления за счет трения и перехода кинетической энергии потока в тепловую.
Однако следует отметить, что недостатками таких устройств являются большое гидравлическое сопротивление устройства и достаточно большие габаритные размеры.
Стабилизаторы давления
Как указывается в [5-7], одним из современных средств гашения волновых процессов в трубопроводах являются стабилизаторы давления. Принцип их работы основан на распределенном по длине трубопровода диссипативном (диссипация - лат. «рассеивание») и упругодеформирующем воздействии на пульсирующий поток перекачиваемой среды. Наибольший эффект гашения достигается при диссипации энергии пульсаций на перфорированных отверстиях, равномерно распределенных на длине стабилизатора колебаний, а также от демпфирования, обусловленного податливостью упругих элементов стабилизатора, выполненных в виде газовой подушки, камер и сильфонов со стенками из пружинистых или эластичных материалов. Для изменения распределенной упругости потока возможно использование свойств двухфазных сред. Дополнительные эффекты гашения обеспечиваются при расширении потока в стабилизаторе.
Отличительной особенностью стабилизаторов колебаний потока жидкости является то, что они не изменяют форму трубопровода и имеют малое гидравлическое сопротивление.
Стабилизаторы давления можно разделить на две группы: с активными элементами, для функционирования которых нужен внешний источник энергии, и с пассивными элементами. К активным элементам относятся газовые полости пневмостабилизаторов, которые находятся под давлением и сообщаются с аккумулятором давления [9]. В стабилизаторах с сильфонами и упругими камерами активные элементы не используются, поскольку демпфирование колебаний обеспечивается за счет изменения внутреннего объема сильфонов или камер при упругих деформациях их стенок [10, 11, 13-15].