CN109780361B - 一种管路宽频流体压力脉动消减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管路宽频流体压力脉动消减器，属于振动噪声控制技术领域，包括依次相连接的充气装置、壳体和连接座，所述壳体包括依次连接的气囊腔壳体、Ⅱ级容腔壳体、Ⅱ级颈腔壳体、Ⅰ级容腔壳体和Ⅰ级颈腔壳体，所述Ⅱ级容腔壳体的一端面设有Ⅳ级节流孔板，所述Ⅱ级容腔壳体的另一端面设有Ⅲ级节流孔板，所述Ⅰ级容腔壳体的一端面设有Ⅱ级节流孔板，所述Ⅰ级容腔壳体的另一端面设有Ⅰ级节流孔板。本发明结构简单，适用于单一或多个流体压力脉动频率并存的管路系统，能够加快系统反应时间。

Description

一种管路宽频流体压力脉动消减器

技术领域

本发明涉及振动噪声控制技术领域，是一种用于消减由流体压力脉动所引发的管路振动噪声的消减器，具体涉及一种管路宽频流体压力脉动消减器。

背景技术

流体管道传输系统应用领域十分广泛，其动力源种类繁多，但诸如柱塞泵、齿轮泵和螺杆泵等具有吸排式工作特性的动力源，其所输出的周期性脉动流会引发管道的振动噪声，当脉动频率与管道固有频率相接近时，还会引发管道共振，造成管路系统的疲劳破坏。

目前在流体压力脉动的控制技术中，最为代表性的是：流体滤波器以及用于衰减流体压力脉动的蓄能器；在流体滤波器中，应用最多的是类比于声学中的亥姆霍兹共振器的抗性衰减装置，这类装置虽能在共振频率处发挥功效，但是当脉动频率稍与装置的固有频率不匹配时，这类装置就几乎无用；目前，蓄能器是在流体压力脉动控制技术方面应用最多的装置，虽然研究人员通过引入次级能源的方式，根据流体压力脉动情况，实时控制蓄能器的入口阻尼，以应对不同工况，但这类装置过于复杂，一旦系统发生故障或是操作人员操作失误，很容易使得管路内发生瞬时的、巨大的压力变化，激发水锤效应，进而破坏管系。不仅如此，类似于多级柱塞泵的动力源，其所输出的脉动流的脉动频率，大多以其脉动基频和前两阶倍频为主，而目前的脉动衰减器大多是针对流体的脉动基频所设计的，忽略了前两阶倍频脉动对管路的影响，各级结构的尺寸仅以基频对应的脉动压力所设计，导致系统产生较高的超调量，不仅延缓了系统的反应时间，还增大了装置的应用空间。

发明内容

为解决现有技术中存在不足，本发明提供一种管路宽频流体压力脉动消减器，结构简单，适用于单一或多个流体压力脉动频率并存的管路系统，能够加快系统反应时间。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种管路宽频流体压力脉动消减器，包括依次相连接的充气装置、壳体和连接座，所述壳体包括依次连接的气囊腔壳体、Ⅱ级容腔壳体、Ⅱ级颈腔壳体、Ⅰ级容腔壳体和Ⅰ级颈腔壳体，所述Ⅱ级容腔壳体的直径大于气囊腔壳体和Ⅱ级颈腔壳体的直径，所述Ⅰ级容腔壳体的直径大于Ⅱ级颈腔壳体和Ⅰ级颈腔壳体的直径，所述壳体内部中空；所述气囊腔壳体、Ⅱ级容腔壳体、Ⅱ级颈腔壳体、Ⅰ级容腔壳体和Ⅰ级颈腔壳体内分别形成有气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔，所述气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔相通，所述气囊腔内设有气囊，所述Ⅱ级容腔壳体的一端面设有Ⅳ级节流孔板，所述Ⅱ级容腔壳体的另一端面设有Ⅲ级节流孔板，所述Ⅰ级容腔壳体的一端面设有Ⅱ级节流孔板，所述Ⅰ级容腔壳体的另一端面设有Ⅰ级节流孔板。

进一步的，所述Ⅳ级节流孔板上设有轻质活塞板。

进一步的，所述Ⅳ级节流孔板、Ⅲ级节流孔板、Ⅱ级节流孔板、Ⅰ级节流孔板均为设有多个节流孔的圆盘形孔板，且Ⅳ级节流孔板、Ⅲ级节流孔板、Ⅱ级节流孔板、Ⅰ级节流孔板为多节流孔同轴式布局；所述多节流孔同轴式布局为：Ⅳ级节流孔板上设有的多个节流孔与Ⅲ级节流孔板上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅲ级节流孔板上设有的多个节流孔与Ⅱ级节流孔板上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅱ级节流孔板上设有的多个节流孔与Ⅰ级节流孔板上设有的多个节流孔两两之间同轴对应。

进一步的，所述Ⅱ级容腔壳体一端面上开设有容置孔a，所述Ⅳ级节流孔板焊接于容置孔a内壁；所述Ⅱ级容腔壳体另一端面上开设有容置孔b，所述Ⅲ级节流孔板焊接于容置孔b内壁；所述所述Ⅰ级容腔壳体一端面上开设有容置孔c，所述Ⅱ级节流孔板焊接于容置孔c内壁，所述Ⅰ级容腔壳体另一端面上开设有容置孔d，所述Ⅰ级节流孔板焊接于容置孔d内壁。

进一步的，所述充气装置连接于气囊腔壳体一端，所述连接座连接于Ⅰ级颈腔壳体一端侧壁。

进一步的，所述轻质活塞板侧壁设有密封件。

进一步的，所述Ⅲ级节流孔板、Ⅱ级节流孔板的直径与Ⅱ级颈腔壳体直径相同；所述Ⅰ级节流孔板的直径与Ⅰ级颈腔壳体的直径相同。

本发明的有益效果是：1.将具有两级颈腔和两级容腔的壳体与气囊相结合，使得本发明具有多个共振频率，适用于单一或多个流体压力脉动频率并存的管路系统中；

2.四级节流孔板，可通过节流孔口产生的阻尼效应与节流孔板对压力波的反射作用，满足大压降的工况需求，既能补偿由于壳体刚度或是流体体积弹性模量所带来的设计误差，还能在不增加使用空间的同时，增强性能；

3.气囊可随流体的压力脉动，改变自身体积和内部压强，可缓冲流体的惯性作用，进而在共振频带附近消减器的性能不发生明显的跳动，进而即使当流体脉动基频发生偏移时，本发明仍能具有对流体压力脉动的消减性能；

4.轻质活塞板能满足气囊仅在竖直方向上运动、形变，使气囊实际运动贴切理论计算模型,并且能隔离油液与气囊的直接接触，保护气囊；

5.本发明依据脉动压力随频率变化的福频特性曲线，限定了各级边界条件，加快了系统反应时间。

附图说明

图1为本发明的三维剖视图。

图中附图标记如下：1、充气装置，2、连接座，3、气囊腔壳体，4、Ⅱ级容腔壳体，5、Ⅱ级颈腔壳体，6、Ⅰ级容腔壳体，7、Ⅰ级颈腔壳体，8、气囊，9、轻质活塞板，10、Ⅳ级节流孔板，11、Ⅲ级节流孔板，12、Ⅱ级节流孔板，13、Ⅰ级节流孔板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

一种管路宽频流体压力脉动消减器，包括依次相连接的充气装置1、壳体和连接座2，所述壳体包括依次连接的气囊腔壳体3、Ⅱ级容腔壳体4、Ⅱ级颈腔壳体5、Ⅰ级容腔壳体6和Ⅰ级颈腔壳体7，所述Ⅱ级容腔壳体4的直径大于气囊腔壳体3和Ⅱ级颈腔壳体5的直径，所述Ⅰ级容腔壳体6的直径大于Ⅱ级颈腔壳体5和Ⅰ级颈腔壳体7的直径，所述壳体内部中空；所述气囊腔壳体3、Ⅱ级容腔壳体4、Ⅱ级颈腔壳体5、Ⅰ级容腔壳体6和Ⅰ级颈腔壳体7内分别形成有气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔，所述气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔相通，所述气囊腔内设有气囊8，所述Ⅱ级容腔壳体4的一端面设有Ⅳ级节流孔板10，所述Ⅱ级容腔壳体4的另一端面设有Ⅲ级节流孔板11，所述Ⅰ级容腔壳体6的一端面设有Ⅱ级节流孔板12，所述Ⅰ级容腔壳体6的另一端面设有Ⅰ级节流孔板13。

所述Ⅳ级节流孔板10上设有轻质活塞板9，轻质活塞板9直径与Ⅳ级节流孔板10直径大小相同，Ⅳ级节流孔板10直径与Ⅱ级颈腔壳体5直径大小相同。

所述Ⅳ级节流孔板10、Ⅲ级节流孔板11、Ⅱ级节流孔板12、Ⅰ级节流孔板13均为设有多个节流孔的圆盘形孔板，且Ⅳ级节流孔板10、Ⅲ级节流孔板11、Ⅱ级节流孔板12、Ⅰ级节流孔板13为多节流孔同轴式布局；所述多节流孔同轴式布局为：Ⅳ级节流孔板10上设有的多个节流孔与Ⅲ级节流孔板11上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅲ级节流孔板11上设有的多个节流孔与Ⅱ级节流孔板12上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅱ级节流孔板12上设有的多个节流孔与Ⅰ级节流孔板13上设有的多个节流孔两两之间同轴对应。

所述Ⅱ级容腔壳体4一端面上开设有容置孔a，所述Ⅳ级节流孔板10焊接于容置孔a内壁；所述Ⅱ级容腔壳体4另一端面上开设有容置孔b，所述Ⅲ级节流孔板11焊接于容置孔b内壁；所述所述Ⅰ级容腔壳体6一端面上开设有容置孔c，所述Ⅱ级节流孔板12焊接于容置孔c内壁，所述Ⅰ级容腔壳体6另一端面上开设有容置孔d，所述Ⅰ级节流孔板13焊接于容置孔d内壁。

所述充气装置1连接于气囊腔壳体3一端，所述连接座2连接于Ⅰ级颈腔壳体7一端侧壁。

所述轻质活塞板9侧壁设有密封件，增强了轻质活塞板9的隔离作用。

所述Ⅲ级节流孔板11、Ⅱ级节流孔板12的直径与Ⅱ级颈腔壳体5直径相同；所述Ⅰ级节流孔板13的直径与Ⅰ级颈腔壳体7的直径相同。

本发明通过连接座2上设有的法兰与主管道垂直连接，并与主管道形成“T”型结构，连接位置靠近动力源。在给气囊8充气之前，测试或计算出主管道动力源所输出的脉动流的脉动频率，根据压力脉动基频的大小，给定气囊8的充气压力，并通过充气装置1给气囊8充气，优选的，充气装置1采用气囊式蓄能器中的充气装置，优选的，充气气体为氮气，如若换成二氧化碳等气体，应根据相同温度下，声速在不同气体中的大小，适当调整充气压力。

本发明与主管道安装完成、充气完成后，开启动力源，当长时间工作后，气囊8由于泄露，消减作用会有所减弱，只需通过充气装置1给气囊8充气到所需压力即可。

实施例2

本实施例介绍一种管路宽频流体压力脉动消减器的工作方法：

本发明的一个工作周期可分为两个工作行程，分别为：充液和放液，当主管路中的脉动流流经Ⅳ级节流孔板10时，此时流体脉动压力大于气囊8内压，在流体脉动压力作用下，轻质活塞板9推动气囊8收缩，直到气囊8内压与流体脉动压力最大峰值相等，实现充液；由于流体的惯性作用，气囊8会继续收缩，此时气囊8内压大于其底部的流体脉动压力，气囊8发生膨胀，直到气囊8内压与流体脉动压力最小峰值相等，实现放液；如此往复，即可实现通过气囊8伸缩来缓冲流体脉动压力的效果。

当脉动流流经两级颈腔时，由于本发明垂直连接于主管路，且颈腔壳体直径小于主管路直径，所以在充液阶段两级颈腔起到节流的作用；在放液阶段主管路相对于两级颈腔，相当于扩张室，二者均会在分支处会产生一定的局部阻力损失。

当脉动流流经每级节流孔板时，节流孔口所产生的阻尼效应通过阻性衰减方式会产生局部阻力损失，各级节流孔板除了为系统提供阻性衰减外，还会增大流体中压力波的传播损耗，因为当压力波作用于节流孔板时，绝大部分压力波会因节流孔板的反射，继续在两节流孔板之间传播，直到压力波直接穿过节流孔，才可继续传播到下一级容腔，因此，在Ⅰ级容腔6和Ⅱ级容腔4内部，可形成一个局部的声学黑洞，增大本发明对流体脉动压力的消减作用；进一步的，节流孔板还会降低由于壳体刚度或是流体体积弹性模量所带来的设计误差，因为当流体脉动压力作用于主管路管壁时，由于管壁具有一定的体积弹性模量，其也会发生一定的变形，尤其是在壳体刚度较小，或是流体密度较大的工况，此时为了弥补管壁刚度对系统计算精度的影响，增设节流孔板相当于延长了各级颈腔的长度或是直径，利用颈腔流体体积弹性模量代替管壁刚度。

当各级颈腔内流体随着充液、放液的进行而上下往复运动时，颈腔内流体不断作用于容腔内部的流体，容腔内部流体就可起到类似于弹簧的缓冲作用。

气囊8依托气体的可压缩性，通过气囊8伸缩，缓冲流体的压力脉动，气囊8的作用相当于在Ⅱ级容腔4的顶部加装弹性壁，当脉动流作用时，可通过气囊8的伸缩改变Ⅱ级容腔4的大小，起到被动地控制消减器固有频率的作用；由于气囊8可缓冲流体的惯性作用，在共振频率附近，气囊8还可防止本发明的插入损失不发生明显的跳动。

轻质活塞板9的作用主要有两点：一是满足气囊8仅在竖直方向上运动，从而控制气囊8的工作变形：因为当气囊8压不足时，气囊8与壳体很容易发生单边接触，加剧气囊8的疲劳损坏，而且理论计算时，总是将气囊8等效为一个无质量、无摩擦的仅在竖直方向上运动的活塞，这与囊压较低的气囊8的实际工作变形有很大差异；二是隔离油液与气囊8的直接接触，保护气囊8。

本发明实现多共振频带消减流体脉动压力的原理为：将本发明中的Ⅰ级颈腔和Ⅰ级容腔视为Ⅰ级吸振系统，Ⅱ级颈腔和Ⅱ级容腔视为Ⅱ级吸振系统，气囊8及Ⅳ级节流孔板10与轻质活塞板9之间的流体视为Ⅲ级吸振系统；将各级吸振系统等效为单自由度质量-弹簧系统，即将本发明的动力学模型等效为三自由度动力吸振器，其中，Ⅰ级颈腔内的流体、Ⅱ级颈腔内的流体、Ⅳ级节流孔板10与轻质活塞板9之间的流体等效为质量块，Ⅰ级容腔内的流体和Ⅱ级容腔内的流体及气囊8等效为弹簧，每级吸振系统的共振频率，根据脉动流的脉动频率所设计，Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级吸振系统的共振频率分别对应脉动频率的二次倍频、一次倍频和基频，当脉动流前三阶的脉动频率与其对应的各级吸振系统的共振频率相接近，即各级吸振系统发生共振时，Ⅰ级颈腔内的流体和Ⅱ级颈腔内的流体的运动速度达到最快，流体与管壁之间的摩擦损耗最大，此时Ⅰ级和Ⅱ级吸振系统分别能最大程度的消减二次倍频和一次倍频下的压力脉动；Ⅲ级吸振系统发生共振时，流体的势能转化为气囊8的动能，气囊8伸缩量达到最大，能最大程度的消减基频下的压力脉动。

优选的，本发明为加快系统反应时间，在对各级吸振系统中的结构参数设计时，应依据压力脉动中压力随频率变化的福频特性曲线；Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级吸振系统中的共振频率与共振幅值，应与二次倍频、一次倍频和基频下的脉动压力频率和幅值分别对应，这样在参数优化时，各级吸振系统中与其共振频率、阻尼比相关的结构参数，有了限定的边界条件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，包括依次相连接的充气装置(1)、壳体和连接座(2)，所述壳体包括依次连接的气囊腔壳体(3)、Ⅱ级容腔壳体(4)、Ⅱ级颈腔壳体(5)、Ⅰ级容腔壳体(6)和Ⅰ级颈腔壳体(7)，所述Ⅱ级容腔壳体(4)的直径大于气囊腔壳体(3)和Ⅱ级颈腔壳体(5)的直径，所述Ⅰ级容腔壳体(6)的直径大于Ⅱ级颈腔壳体(5)和Ⅰ级颈腔壳体(7)的直径，所述壳体内部中空；所述气囊腔壳体(3)、Ⅱ级容腔壳体(4)、Ⅱ级颈腔壳体(5)、Ⅰ级容腔壳体(6)和Ⅰ级颈腔壳体(7)内分别形成有气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔，所述气囊腔、Ⅱ级容腔、Ⅱ级颈腔、Ⅰ级容腔和Ⅰ级颈腔相通，所述气囊腔内设有气囊(8)，所述Ⅱ级容腔壳体(4)的一端面设有Ⅳ级节流孔板(10)，所述Ⅱ级容腔壳体(4)的另一端面设有Ⅲ级节流孔板(11)，所述Ⅰ级容腔壳体(6)的一端面设有Ⅱ级节流孔板(12)，所述Ⅰ级容腔壳体(6)的另一端面设有Ⅰ级节流孔板(13)；所述Ⅳ级节流孔板(10)上设有轻质活塞板(9)；

当管路中的脉动流流经IV级节流孔板(10)时，此时流体脉动压力大于气囊(8)内压，在流体脉动压力作用下，轻质活塞板(9)推动气囊(8)收缩，直到气囊(8)内压与流体脉动压力最大峰值相等，实现充液；由于流体的惯性作用，气囊(8)继续收缩，此时气囊(8)内压大于其底部的流体脉动压力，气囊(8)发生膨胀，直到气囊(8)内压与流体脉动压力最小峰值相等，实现放液；充液、放液往复。

2.根据权利要求1所述的一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，所述Ⅳ级节流孔板(10)、Ⅲ级节流孔板(11)、Ⅱ级节流孔板(12)、Ⅰ级节流孔板(13)均为设有多个节流孔的圆盘形孔板，且Ⅳ级节流孔板(10)、Ⅲ级节流孔板(11)、Ⅱ级节流孔板(12)、Ⅰ级节流孔板(13)为多节流孔同轴式布局；所述多节流孔同轴式布局为：Ⅳ级节流孔板(10)上设有的多个节流孔与Ⅲ级节流孔板(11)上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅲ级节流孔板(11)上设有的多个节流孔与Ⅱ级节流孔板(12)上设有的多个节流孔两两之间同轴对应，Ⅱ级节流孔板(12)上设有的多个节流孔与Ⅰ级节流孔板(13)上设有的多个节流孔两两之间同轴对应。

3.根据权利要求1所述的一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，所述Ⅱ级容腔壳体(4)一端面上开设有容置孔a，所述Ⅳ级节流孔板(10)焊接于容置孔a内壁；所述Ⅱ级容腔壳体(4)另一端面上开设有容置孔b，所述Ⅲ级节流孔板(11)焊接于容置孔b内壁；所述Ⅰ级容腔壳体(6)一端面上开设有容置孔c，所述Ⅱ级节流孔板(12)焊接于容置孔c内壁，所述Ⅰ级容腔壳体(6)另一端面上开设有容置孔d，所述Ⅰ级节流孔板(13)焊接于容置孔d内壁。

4.根据权利要求1所述的一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，所述充气装置(1)连接于气囊腔壳体(3)一端，所述连接座(2)连接于Ⅰ级颈腔壳体(7)一端侧壁。

5.根据权利要求1所述的一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，所述轻质活塞板(9)侧壁设有密封件。

6.根据权利要求1所述的一种管路宽频流体压力脉动消减器，其特征在于，所述Ⅲ级节流孔板(11)、Ⅱ级节流孔板(12)的直径与Ⅱ级颈腔壳体(5)直径相同；所述Ⅰ级节流孔板(13)的直径与Ⅰ级颈腔壳体(7)的直径相同。

Images