Пульсирующий поток жидкости (газа)

В трубопроводе поршневой нагнетательной установки возникает пульсирующий поток жидкости или газа, основная частота пульсации которого определяется частотой вращения вала машины, типом и числом одновременно работающих цилиндров. Сама по себе энергия пульсации не может вызвать интенсивной вибрации, но является источником вынуждающей силы, поддерживающей и увеличивающей вибрацию.

На длинном прямолинейном участке трубопровода пульсации распределяются равномерно по периметру трубы. Поэтому в данном случае не возникают вынуждающие силы, способные возбудить колебания трубопроводов. Возбуждение колебаний возможно лишь при условии возникновения резонанса, когда даже небольшие продольные усилия, вызванные местными сопротивлениями, например шероховатостью поверхности, овальностью или изменением поперечного сечения трубы, могут возбудить значительные поперечные колебания трубопровода.

Источниками интенсивной вибрации являются такие местные сопротивления, как арматура, переходные патрубки, диафрагмы, изменяющие эффективную площадь сечения трубы.

Значение динамической силы определяется скоростью массы движущегося потока и углом изменения направления потока. Поскольку скорость потока в поршневой машине меняется периодически, в трубопроводе возникают реактивные силы. Частота изменения этих сил является функцией частоты вращения вала машины.

Реактивное усилие в трубопроводе в Н, возникающее вследствие изменения направления потока, определяется по формуле

,

где – расход, м³/с; – плотность, кг/м³; – скорость потока, м/с; – угол наклона потока, град.

Как видно из приведенной формулы, в наиболее неблагоприятных условиях находятся участки трубопроводов с большими углами поворота. Напротив, плавное изменение направления потока не вызывает значительного изменения вибрации. Например, при диаметре трубопровода 60 мм и давлении 5 МПа при неравномерности давления 12 % на участке трубопровода с углом поворота 90˚ усилие от пульсирующего потока составляет 5 кН.

Источником вибрации так же являются линии трубопроводов, закрытые с обоих концов: коллекторы всасывания и нагнетания, закрытые емкости, аппараты и т.д.

Пульсирующий поток газа или жидкости обуславливает ухудшение следующих эксплуатационных показателей поршневых машин:

– снижается производительность;

– увеличивается расход мощности на компримирование.

Низкочастотные гармонические составляющие пульсирующего потока вызывают изменение нагрузок на кривошипно-шатунный механизм поршневой машины, высокочастотные составляющие – усиленный стук и ускоренное разрушение клапанов и др. узлов и деталей. Таким образом, наряду со снижением эксплуатационных показателей при пульсации потока жидкости или газа снижается надежность машин и увеличивается вероятность аварийного разрушения трубопроводов и их опор, а также разгерметизации фланцевых соединений.

Перечисленное выше существенно увеличивает эксплуатационные расходы и снижает производительность технологических установок. Поэтому еще на стадии проектирования нагнетательных установок необходимо установить источники повышенной виброактивности и исключить возможность возникновения резонансных режимов работы.