Дудников В.С., Воробьева Н.А.
Известно устройство для
гашения колебаний давления жидкости, выполненное в виде установленных в корпусе,
заполненном сжатым газом, внутренних оболочек с поперечным сечением некруговой плоскоовальной
формы [1]. Гашение колебаний давлении проиcходит за счет сжатия газа в корпусе при
изменении поперечного сечения внутренней оболочки. Устройство недостаточно надежно
из-за возможности утечки (уменьшения давления) сжатого газа. Наиболее близкими
по технической сущности к предлагаемому решению являются трубы с некруговым
поперечным сечением, например овальные [2]. Эффективность гашения
гидравлического удара в этом случае определяется изменением объема при упругом
или пластическом деформировании стенки, а также изменением объема при развитии
некругового профиля поперечного сечения в круговой. Применительно к
использованию в демпферах гидравлического удара высоконапорных магистралей эти трубы
имеют следующие существенные недостатки:
- для обеспечения достаточной жесткости под действием номинального
рабочего статического давления трубы имеют значительно большую толщину, чем это
требуется с точки зрения прочности для круглых труб. Это значительно
увеличивает вес магистрали и уменьшает эффективность гашения удара;
- при изменении овальной формы трубы в круговую из-за большой
толщины стенки в её материале возникают напряжения, превышающие предел текучести.
Возникшие пластические явления приводят к необратимым изменениям первоначальной
формы поперечного сечения трубы, приближая её при многократном срабатывании к
круговой. С течением времени эффективность гашения гидравлического удара уменьшаегся,
стремясь к эффективности устройств, работающих за счёт пластического
деформирования стенки.
Повышение эффективности гашения
гидравлического удара при многоразовом использовании достигается тем, что в
известном устройстве для гашения гидравлического удара, содержащем участок
тонкостенной трубы с некруговой, например, овальной формой поперечного сечения,
на трубе установлены упругое и жесткое кольца, которые взаимодействуют между
собой по эквидистантным цилиндрическим поверхностям с аналогичной трубе формой поперечного
сечения. Упругое кольцо жестко соединено с трубой
и выполнено разностенным с двумя осями симметрии поперечного сечения, причем
большая осъ его поперечного сечения не совпадает с большой осью сечения трубы.
Между кольцами могут быть установлены одноразмерные тела качения. Толщина
упругого кольца по большой оси симметрии выполнена больше толщины по малой оси.
Между жестким кольцом и трубой может быть установлена возвратная пружина,
например растяжения [3].
Демпфер работает следующим образом. При стационарном
режиме протекания рабочей жидкости статическое давление воспринимается стенками
присоединительной арматуры и трубы. Стенка трубы стремится приобрести форму круга.
При этом равнодействующие сил внутреннего давления, распирающие изнутри трубу,
направлены вдоль малой оси поперечного сечения трубы, они через упругое кольцо
передаются жесткому кольцу. Так как при этом угол давления
между кольцами, разделенных телами качения, выполнен больше угла трения, то за
счет клинового эффекта распорные силы образуют пару сил, которая заставляет
кольцо проворачиваться относительно трубы и упругого кольца. Этому противодействует
пружина, создающая усилие, уравновешивающее вращающий момент на кольце от
распорных сил трубы при номинальном статическом давлении в магистрали.
Регулируя усилие пружины, можно добиться положения жесткого кольца, при котором
поперечное сечение трубы при номинальном статическом давлении в магистрали соответствует
таковому при отсутствии давления.
Кольца, установленные в
средней части овальной трубы, выполняют роль промежуточной опоры, которая
позволяет уменьшить толщину стенки трубы. Уменьшение толщины стенки трубы позволяет
избежать появления пластических деформаций в ее материале при формоизменении
поперечного сечения. Вследствие этого упругость трубы при многократном срабатывании
остается постоянной, а, следовательно, и эффективность гашения гидравлического удара.
Подпружинивание жесткого кольца возвратной пружиной обеспечивает автоматическую
подготовку устройства к повторному срабатыванию. Смещением больших осей упругого
кольца и трубы, а также подбором толщины упругого разностенного кольца обеспечивается
клиновое взаимодействие колец под действием распорных сил со стороны трубы.
Постановкой тел качения обеспечивается превышение угла
давления при взаимодействии колец над углом трения, вследствие чего кольца
проворачиваются друг относительно друга, обеспечивая возможность формоизменения
поперечного сечения трубы. Уменьшение трения между кольцами за счет тел качения повышает чувствительность и
быстродействие устройства, оно срабатывает при меньшей величине избыточного
давления, при этом увеличение поперечного сечения трубы лучше согласуется во времени
с проходящим фронтом ударной волны, что приводит к значительному уменьшению
давления гидравлического удара. Выполнение колец с овальными взаимодействующими
между собой поверхностями позволяет при взаимном их повороте изменять
внутренний контур упругого кольца и связанной с ним трубы. Так как
первоначально упругое кольцо и труба имеют также овальные поперечные сечения,
большие оси которых практически совпадают, то при относительном вращении колец малая
ось трубы увеличивается, а большая, наоборот, уменьшается. При этом все
поперечное сечение трубы приближается к круговому, т.е. увеличивается, что
снижает давление гидравлического удара.
При прохождении фронта волны гидроудара давление в магистрали
понижается, уменьшаются распорные силы, сила пружины преодолевает момент пары
распорных сил на жестком кольце и поворачиваег его в противоположную сторону, возвращая
eгo в исходное состояние при номинальном статическом давлении в магистрали. Устройство
готово к повторному срабатыванию.
Литература
1. Патент США № 2051019, кл. 138-30,
1936.
2. А.с.
687307, СССР, кл. F16L55/04, 1973.
3. А.с. 1052773, СССР, кл. F16L55/04, 1982.