CN207363843U - 组合滤波的缓冲装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种组合滤波的缓冲装置，其中，所述的装置包括缓冲设备壳体、高通滤波模块以及低通滤波模块，高通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体入口，低通滤波模块置于缓冲设备壳体内部，低通滤波模块将缓冲设备壳体的内腔分为连通的容积不等的两部分腔室，缓冲设备壳体的入口处的直径小于所述的缓冲设备壳体的其余部分的直径。采用该种结构的缓冲装置，脉动气流通过此缓冲装置后，剩余的压力脉动不均匀度降低至允许的范围之内；脉动气流通过此缓冲装置后，压力损失不超过平均压力的1％；滤波器出入口形成无反射端，从而避免了在滤波器内以及在管道内部形成驻波；构造结构简单易行，投资低，便于维护与清洗。
Description
技术领域
本实用新型涉及流体力学领域，尤其涉及脉动消减领域，具体是指一种组合滤波的缓冲装置。
背景技术
随着科技的发展，人们对流体的运用越来越广泛，由于液体没有固定的形状，在运动过程中由于受到设备的影响，会产生震动，而当这些震动到达一定频率时，往往会对设备造成很大的损伤，如往复式压缩机气流脉动激发的管道振动，对往复式压缩机的安全运行具有较大隐患。强烈的管道振动会使管道结构及其附件产生疲劳破坏，使管道的连接部件及仪器仪表等产生松动和损坏，轻则造成能源浪费，重则由破裂引起爆炸等严重的恶性事故发生。为此，美国石油学会在APl618标准中对石油化工的往复式压缩机技术条件中专门规定了气流脉动及管道振动设计准则。
安放在气流脉动发源处即靠近压缩机气缸的缓冲器，是最简单而有效的消振措施。它能使压缩机附属管道内的气流脉动变得缓和，降低排气或吸气期间气体冲击所造成的损失，以及降低管道内的阻力损失。通常缓冲器的型式为单容器式，此种容器内部不设有装置，对缓冲器后部管道的压力脉动不均匀度影响不大，因此无法整体有效消除管道系统内部的振动。现有技术中，有一种为压缩机管道孔板的设置的缓冲装置，其主要在于容器入口处加装适当尺寸的带孔薄板，将管道内的压力驻波转变成行波，从而达到降低管道内压力脉动不均匀度的目的，但由于滤波形式单一，实际滤波效果并不是最理想。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供一种可靠、稳定性强、滤波效果好的组合滤波的缓冲装置。
为了实现上述目的，本实用新型的组合滤波的缓冲装置具有如下构成：
该组合滤波的缓冲装置，其主要特点是，所述的装置包括缓冲设备壳体、高通滤波模块以及低通滤波模块，所述的高通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的低通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体内部，所述的低通滤波模块将所述的缓冲设备壳体的内腔分为连通的容积不等的两部分腔室，所述的缓冲设备壳体的入口处的直径小于所述的缓冲设备壳体的其余部分的直径。
较佳地，所述的高通滤波模块为变径接管结构，所述的低通滤波模块为球冠形封头联带接管结构，所述的变径接管结构置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的球冠形封头联带接管结构置于所述的缓冲设备壳体内部。
更佳地，所述的变径接管结构包括圆环以及第一接管，所述的圆环与所述的第一接管置于缓冲设备壳体入口，且所述的第一接管置于所述的圆环中；所述的球冠形封头联带接管结构包括球冠形封头以及第二接管，所述的球冠形封头以及第二接管置于所述的缓冲设备壳体内部，且所述的第二接管置于所述的球冠形封头中，所述的缓冲设备壳体的内腔中容积不等的两部分腔室通过所述的球冠形封头分隔，所述的第二接管与所述的缓冲设备壳体中的两部分腔室均相连通，所述的两部分腔室分别为气缸腔和过滤腔，且所述的高通滤波模块临近所述的气缸腔。
更进一步地，所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
更进一步地，所述的气缸腔长度等于所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
更进一步地，所述的第二接管为带孔的接管，预设数量的各个圆孔均匀的分布在第二接管上，所述的各个圆孔大小相等。
更进一步地，所述的第一接管的直径的大小范围为所述的缓冲设备壳体最粗部分的内径的1/5～1/4；所述的球冠形封头联带接管结构的带孔管的通流截面大于或等于进气管的通流界面，所述的圆孔大小为所述的第二接管管径的1/4，各个圆孔之间的孔间距为所述的第二接管管径的1/3，所述的第二接管的孔径由滤波器截止频率fc比压缩机最低脉冲频率f低1HZ计算所得；其中，所述的压缩机最低脉冲频率f由以下公式确定；
其中，N为轴转速，z为整数1，2，3，...，对应于基频和高阶频率；滤波器截止频率fc计算公式如下：
其中，fH为亥姆霍兹频率，即所述的低通滤波模块的最低声学共振频率，其计算公式如下：
其中，c为介质的声速，V1为所述的气缸腔容积，V2为所述的过滤腔容积，μ为声学传导率，所述的声学传导率的计算公式如下：
其中，LC为所述的第二接管长度，Dc为所述的第二接管直径，A为所述的第二接管内截面积，L为所述的第二接管的声学长度。
采用了该组合滤波的缓冲装置，可通过高通滤波模块以及低通滤波模块组合，形成有效的滤波缓冲装置，该装置具有有效消除振动、稳定机组运行、提高机器使用寿命的特点，是一种理想的脉动消减装置，使用该装置后，脉动气流通过此滤波器后，剩余的压力脉动不均匀度降低至允许的范围之内；脉动气流通过此滤波器后，压力损失不超过平均压力的1％；滤波器出入口形成无反射端，从而避免了在滤波器内以及在管道内部形成驻波；且该装置构造结构简单易行，投资低，便于维护与清洗。
附图说明
图1为本实用新型的组合滤波的缓冲装置的结构剖面图。
图2为本实用新型的组合滤波的缓冲装置的低通滤波模块结构示意图。
图3为在具体实施例中一压缩机的气体管路及流程图。
图4为装设缓冲装置与不设缓冲装置管道压力脉动不均匀度区别对比图。
图5为具体实施例中测点4在不设缓冲装置时的的压力脉动波形图。
图6为具体实施例中中测点4在设缓冲装置时的的压力脉动波形图。
附图标记
1 圆环
2 第一接管
3 第二接管
4 球冠形封头
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该组合滤波的缓冲装置，其中，所述的装置包括缓冲设备壳体、高通滤波模块以及低通滤波模块，所述的高通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的低通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体内部，所述的低通滤波模块将所述的缓冲设备壳体的内腔分为连通的容积不等的两部分腔室，所述的缓冲设备壳体的入口处的直径小于所述的缓冲设备壳体的其余部分的直径。
在上述实施例中，所述的高通滤波模块为变径接管结构，所述的低通滤波模块为球冠形封头联带接管结构，所述的变径接管结构置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的球冠形封头联带接管结构置于所述的缓冲设备壳体内部。
在上述实施例中，所述的变径接管结构包括圆环1以及第一接管2，所述的圆环与所述的第一接管置于缓冲设备壳体入口，且所述的第一接管置于所述的圆环中；所述的球冠形封头联带接管结构包括球冠形封头4以及第二接管3，所述的球冠形封头以及第二接管置于所述的缓冲设备壳体内部，且所述的第二接管置于所述的球冠形封头中，所述的缓冲设备壳体的内腔中容积不等的两部分腔室通过所述的球冠形封头分隔，所述的第二接管与所述的缓冲设备壳体中的两部分腔室均相连通，所述的两部分腔室分别为气缸腔和过滤腔，且所述的高通滤波模块临近所述的气缸腔。
在上述实施例中，所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
在上述实施例中，所述的气缸腔长度等于所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
在上述实施例中，所述的第二接管为带孔的接管，预设数量的各个圆孔均匀的分布在第二接管上，所述的各个圆孔大小相等。
在上述实施例中，所述的第一接管的直径的大小范围为所述的缓冲设备壳体最粗部分的内径的1/5～1/4；所述的球冠形封头联带接管结构的带孔管的通流截面大于或等于进气管的通流界面，所述的圆孔大小为所述的第二接管管径的1/4，各个圆孔之间的孔间距为所述的第二接管管径的1/3，所述的第二接管的孔径由滤波器截止频率fc比压缩机最低脉冲频率f低1HZ计算所得；其中，所述的压缩机最低脉冲频率f由以下公式确定；
其中，N为轴转速，z为整数1，2，3，...，对应于基频和高阶频率；滤波器截止频率fc计算公式如下：
其中，fH为亥姆霍兹频率，即所述的低通滤波模块的最低声学共振频率，其计算公式如下：
其中，c为介质的声速，V1为所述的气缸腔容积，V2为所述的过滤腔容积，μ为声学传导率，所述的声学传导率的计算公式如下：
其中，LC为所述的第二接管长度，Dc为所述的第二接管直径，A为所述的第二接管内截面积，L为所述的第二接管的声学长度。
在一种实施例中，本实用新型的组合滤波的缓冲装置的目的在于提供一种缓冲器内部组合滤波器，具有有效消除振动、稳定机组运行、提高压缩机使用寿命的特点，是一种理想的往复式压缩机脉动消减装置。
实现上述目的而采取的技术方案，包括缓冲器入口设置的高通滤波器与缓冲器内部设置的低通滤波器。
滤波器主要基于声学滤波原理制作，当在缓冲器入口处设置一变径接管时，低频时，透射系数接近于零，高频时，透射系数接近于100％，即入射波的能量几乎全部进入变径接管，所以此接管的存在使其成为了一个高通滤波器，当在内部设置一球冠形封头联带接管结构时，低频时，透射系数接近于100％，高频时，透射系数接近于零，此即为低通滤波器，而若将此两种滤波器组合在一起即成为一种高效的组合型滤波器。
滤波器性能的讨论，是在平面波假设的基础上进行的，由于结构及气流的复杂性，所以研究滤波器的性能还必须辅以实验。在工作原理上与电学滤波器类似，所以也可以采用模拟方法研究。实际的滤波器是一些声学元件组成的。如亥姆霍兹共鸣器、容器和圆孔等。它们的工作原理都是以对分支管的研究为依据的。
本实用新型提供的正是由基础声学元件共同组成的一种组合型高效滤波器，即将作为低通滤波器的容器与作为高通滤波器的圆孔组合起来，由此往复式压缩机形成的脉动气流压力波在容器内受此滤波器扰乱而得到充分缓和，从而有效降低了管道系统整体的压力脉动不均匀度。
通过具体实验可以比较压缩机级间管路在安装滤波器与不设滤波器时的气流脉动结果。图4给出的是空气压缩机在行程150毫米，气缸直径240毫米，排气压力4公斤力/平方厘米时，装设滤波器与不设滤波器后管道内压力脉动不均匀度随压缩机转速变化的曲线，其中，实线表示设滤波器后管道内的压力脉动，虚线表示不设滤波器后管道内的压力脉动，由图4可知装设滤波器后管道内的压力脉动不均匀度较不设滤波器有较大幅度的降低，说明消振效果显著。
与本实用新型最相近的现有技术为压缩机管道孔板的设置，其主要在于容器入口处加装适当尺寸的带孔薄板，将管道内的压力驻波转变成行波，从而达到降低管道内压力脉动不均匀度的目的。而相较之于单一形式的孔板，本实用新型不仅结合了孔板的功能，在容器内部更是增加了低通滤波器，将行波形成的条件有效加强，从而最大程度达到消减压缩机脉动的目的。
本实用新型的组合滤波的缓冲装置可以达到以下技术效果：
1)脉动气流通过此滤波器后，剩余的压力脉动不均匀度降低至允许的范围之内；
2)脉动气流通过此滤波器后，压力损失不超过平均压力的1％；
3)滤波器出入口形成无反射端，从而避免了在滤波器内以及在管道内部形成驻波；
4)构造结构简单易行，投资低，便于维护与清洗。
如图1所示，图1为本实用新型的组合滤波的缓冲装置的结构剖面图，组合滤波的缓冲装置包括缓冲器入口高通滤波器与内部低通滤波器。
缓冲器入口高通滤波器主要包括接口圆环1、第一接管2，圆环与接管焊于入口接管内部，内部低通滤波器主要包括第二接管3、球冠形封头4，接管焊于球冠形封头组成结构件一起焊于缓冲器筒体内部。
缓冲器的内腔被低通滤波器分成容积不等的两部分，在球冠形封头上设有一带孔的接管以连接两部分容积，往复式压缩机形成的脉动气流压力波在缓冲器内受扰乱而得到充分缓和。此滤波器的尺寸确定步骤如下：1.高通滤波器的接管直径d＝(1/5～1/4)D(D为缓冲器内径，由API618中7.9.3.2公式3与4确定)。
2.低通滤波器的带孔管的通流截面大于或等于进气管的通流截面。
3.API附录O(确定低通滤波器尺寸的指南)计算截止频率fc需要比最低脉冲频率低1HZ,得到低通滤波器的孔径与长度以及两个容积腔的大小。
4.带孔管上小孔孔径应为带孔管径的1/4，孔间距为带孔管径的1/3。
5.其中的压力降和脉动不均匀度需和后续的脉动计算相吻合，和API618的设定一致。
图2为低通滤波器结构示意图，其中定义滤波器系统的最低声学共振频率为亥姆霍兹频率(fH)，其一般式为：c为气体中的声速，V1为气缸腔容积，V2为滤波器腔容积，μ为声学传导率(其中LC为滤波器长度，Dc为滤波器直径，A为滤波器接管内截面积，L为滤波器的声学长度)，滤波器截止频率(fc)，在该频率以上时达到脉动衰减状态，定义为,而压缩机最低脉冲频率由公式(N为轴转速，z为整数1，2，3，...，对应于基频和高阶频率)确定，最终由计算截止频率fc比最低脉冲频率低1HZ，得出滤波器的孔径与长度。而对滤波器系统的气缸腔长度L1、阻气管长度Lc和过滤腔长度L2的最优选择是相等，即L1＝Lc＝L2。如果物质约束(管道布局)和要求的尺寸不允许等长，则建议阻气管长度Lc和过滤腔长度相等，即L1≠Lc＝L2。
以上即可完成滤波器的初始设计，最后必须进行声学模拟以评价滤波器部件内的不平衡激振力和接管处的脉动水平以完成最终滤波器的尺寸设计。
将以下实施例作为本实用新型的组合滤波的缓冲装置的尺寸设计范例，说明缓冲器产生的滤波过程与减振措施，并提供该实施例中的组合滤波的缓冲装置具体尺寸设计方法，该实施例运用于压缩机上，具体如下：
1、压缩机主要技术规范
型号2LY-120/5.5-44
型式两列两级双作用
介质氧气
气量7200m3/h,20摄氏度，760毫米汞柱
吸入压力6.5bar
排气压力45bar
气缸直径1级385mm 2级240mm
活塞行程240mm
压缩机转速486rpm
2、配管方案
压缩机的气体管路及流程如图3所示，图3为在具体实施例中一压缩机的气体管路及流程图，其中，①～⑤表示压力测点、A表示一级进口缓冲器、B表示一级出口缓冲器、C表示二级进口缓冲器、D表示二级出口缓冲器、E表示一级冷却器、F表示二级冷却器，该机主要存在的问题是：管道整体振动较大，特别是二级出口振动严重，二级冷却器进气管的根部经常断裂，致使整个设备无法正常运行。现将本实用新型设计的组合滤波的缓冲装置均置于一级与二级进出口缓冲器内，并记录数据，对整体管道做振动评估。
3、测量数据
表1给出了各个测点上测得的压力脉动不均匀度。
4、组合滤波的缓冲装置具体设计尺寸
现举例二级出口缓冲器滤波器设计尺寸如下：由API618中7.9.3.2公式3与4确定二级出口缓冲器内径D＝450mm,长度L＝1800mm,取高通滤波器的接管直径d＝1/5D＝90mm,计算亥姆霍兹频率＝10.77Hz,从而得到滤波器截止频率为15.2Hz,而压缩机最低脉冲频率为16.2Hz,然后由计算截止频率fc比最低脉冲频率低1Hz，得出滤波器的管径为200mm,长度400mm，带孔管上小孔孔径50mm，孔间距为70mm,最后经脉动声学模拟得出以上设计符合API618规范7.9.4的要求，如此完成最终滤波器的尺寸设计。
5、滤波与减振过程
经测量，振动超标严重的测点4在不设滤波器与设滤波器时的的压力脉动波形如下，如图5至图6所示，可以明显得出压力脉动不均匀度得到有效降低，从而达到了降低振动的效果。
采用了该组合滤波的缓冲装置，可通过高通滤波模块以及低通滤波模块组合，形成有效的滤波缓冲装置，该装置具有有效消除振动、稳定机组运行、提高机器使用寿命的特点，是一种理想的脉动消减装置，使用该装置后，脉动气流通过此滤波器后，剩余的压力脉动不均匀度降低至允许的范围之内；脉动气流通过此滤波器后，压力损失不超过平均压力的1％；滤波器出入口形成无反射端，从而避免了在滤波器内以及在管道内部形成驻波；且该装置构造结构简单易行，投资低，便于维护与清洗。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的装置包括缓冲设备壳体、高通滤波模块以及低通滤波模块，所述的高通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的低通滤波模块置于所述的缓冲设备壳体内部，所述的低通滤波模块将所述的缓冲设备壳体的内腔分为连通的容积不等的两部分腔室，所述的缓冲设备壳体的入口处的直径小于所述的缓冲设备壳体的其余部分的直径。
2.根据权利要求1所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的高通滤波模块为变径接管结构，所述的低通滤波模块为球冠形封头联带接管结构，所述的变径接管结构置于所述的缓冲设备壳体入口，所述的球冠形封头联带接管结构置于所述的缓冲设备壳体内部。
3.根据权利要求2所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的变径接管结构包括圆环以及第一接管，所述的圆环与所述的第一接管置于缓冲设备壳体入口，且所述的第一接管置于所述的圆环中；所述的球冠形封头联带接管结构包括球冠形封头以及第二接管，所述的球冠形封头以及第二接管置于所述的缓冲设备壳体内部，且所述的第二接管置于所述的球冠形封头中，所述的缓冲设备壳体的内腔中容积不等的两部分腔室通过所述的球冠形封头分隔，所述的第二接管与所述的缓冲设备壳体中的两部分腔室均相连通，所述的两部分腔室分别为气缸腔和过滤腔，且所述的高通滤波模块临近所述的气缸腔。
4.根据权利要求3所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
5.根据权利要求3所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的气缸腔长度等于所述的第二接管长度等于所述的过滤腔长度。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的第二接管为带孔的接管，预设数量的各个圆孔均匀的分布在第二接管上，所述的各个圆孔大小相等。
7.根据权利要求6所述的组合滤波的缓冲装置，其特征在于，所述的第一接管的直径的大小范围为所述的缓冲设备壳体最粗部分的内径的1/5～1/4；所述的球冠形封头联带接管结构的带孔管的通流截面大于或等于进气管的通流界面，所述的圆孔大小为所述的第二接管管径的1/4，各个圆孔之间的孔间距为所述的第二接管管径的1/3，所述的第二接管的孔径由滤波器截止频率fc比压缩机最低脉冲频率f低1HZ计算所得；其中，所述的压缩机最低脉冲频率f由以下公式确定；
<mrow>
<mi>f</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>N</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>z</mi>
</mrow>
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</mfrac>
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</mrow>
其中，N为轴转速，z为整数1，2，3，...，对应于基频和高阶频率；滤波器截止频率fc计算公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>C</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msqrt>
<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>H</mi>
</msub>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，fH为亥姆霍兹频率，即所述的低通滤波模块的最低声学共振频率，其计算公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>H</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>c</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mi>&mu;</mi>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mi>&mu;</mi>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，c为介质的声速，V1为所述的气缸腔容积，V2为所述的过滤腔容积，μ为声学传导率，所述的声学传导率的计算公式如下：
<mrow>
<mi>&mu;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>A</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>0.6</mn>
<msub>
<mi>D</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>A</mi>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，LC为所述的第二接管长度，Dc为所述的第二接管直径，A为所述的第二接管内截面积，L为所述的第二接管的声学长度。
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|---|---|---|---|---|
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| CN111637037A (zh) * | 2020-05-30 | 2020-09-08 | 上海大隆机器厂有限公司 | 一种往复式压缩机装置中的脉动缓冲器 |
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2017
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