CN212158992U - 一种管路流固耦合振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管路流固耦合振动试验装置，包括试验管路系统以及用于支撑试验管路系统的管路支撑架，还包括空气压缩机、气源输出管路和储气罐，所述的气源输出管路包括带阀门的第一气源输出支管和第二气源输出支管；其中，第一气源输出支管从空气压缩机的输出端直接连接到试验管路系统，第二气源输出支管从空气压缩机的输出端连接到储气罐后，再从储气罐的输出端连接到试验管路系统；所述的试验管路系统包括长直的试验管路主管以及连接在试验管路主管上的至少一个试验管路支管，所述试验管路系统的末端连接有放空管路。利用本实用新型，可以模拟并研究多种形式的管路复杂振动。

Description

一种管路流固耦合振动试验装置

技术领域

本实用新型属于管路振动及其控制领域，尤其是涉及一种管路流固耦合振动试验装置。

背景技术

随着工业高速发展，流体管路广泛应用于石油化工、能源电力工业、飞行器动力系统、以及船舶海洋等领域中,管路系统对保障工业生产正常运行起着至关重要的作用。在管路系统中存在着复杂的内部激励和外部激励，这些激励会导致管路的结构振动和管内流体的压力、速度脉动，且出现两者耦合而致的流固耦合振动，流固耦合振动能量会沿着管路传播到管路系统的各个位置，造成管路薄弱环节的大幅振动甚至破坏。管路振动对管路系统的安全运行和使用寿命有很大的影响，振动可使得管路产生噪声、塑性变形、疲劳损伤等。若长期处于振动状态下，可能会引起管路裂纹，附加仪表、接管、法兰、阀门等处的损坏，严重情况下可能导致管路断裂、内容物泄漏，引发灾难性的生产和安全事故。因此，研究清楚管路振动的特征、条件以及各种参数对管路振动的影响，是极其重要的。

管路系统的外部激励主要由管路系统前后端的压缩机、泵等设备产生，这些设备往往存在周期性排放扰动，使得管路中流体的压力、速度、密度等参数也随之变化，例如往复式压缩机在吸气排气时会造成管路中压力、速度等参数的周期性变化；离心泵或离心式压缩机中的流体在通过叶片时也会出现周向压力分布不均的现象；柱塞泵在有多个柱塞共同工作时也容易引起管路内流体压力周期性变化，进而引发管路共振。此外，管路及其前后端设备会受到地震、风载、冲击等外部激励作用，也可能导致管路出现振动。

管路系统的内部激励主要包括流体流经弯头、三通、阀门等部件时产生的冲击、摩擦和湍流扰动，流体随机扰动和外部激励引起的流体声学振动以及流体涡流和涡脱引发的流体和结构振动。管路系统中存在的内部激励和外部激励可以互相作用并相互转化，导致管路振动原因分析和振动故障处理非常困难，因此有必要进行基础的各种管路振动的试验研究。

公开号为CN101975650A的中国专利文献公开了一种管路振动试验装置，其给出了一种管路内部激励振动的方法，主管路系统与连接管相连，连接管的振动端外部设置动力偏心轮，通过偏心轮的转动给管路系统一个外部简谐激励。

公开号为CN105910785A的中国专利文献公开了基于故障诊断与自动处理的管道振动试验平台及控制方法，管道振动试验平台包括压力罐、管道、基板和信号分析处理系统，压力罐设置于基板上，压力罐对管道内水流的流速和压强进行控制调节，管道上套设有多个支架，管道通过支架布置于基板上，基板上设有轨道，支架可沿轨道移动；微型处理器控制电机驱动支架沿轨道移动和控制阀门的开闭程度，实现对管道异常振动的多种因素的分析，对管道振动实现自动化调节，探究减少管道异常振动的方法。

然而，管路系统存在丰富的结构固有频率，管内气体也存在一系列声学固有频率,在外部周期性脉冲激励、随机扰动激励和流体湍流激励的作用下，会激起包含这些频率的管路复杂振动。这些固有频率、外部激励、流体激励与管路振动特征之间的关系错综复杂，因为缺乏合适的管路流固耦合振动试验台，管路复杂振动的机理和特征还没有完全摸清，影响了管路系统的合理设计和安全可靠运行。

实用新型内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种管路流固耦合振动试验装置，可以模拟并研究外部周期性压力脉冲激励、外部随机扰动激励、流体湍流激励、管路结构共振、气体声学共振等引起的多种形式的管路复杂振动。

一种管路流固耦合振动试验装置，包括试验管路系统以及用于支撑试验管路系统的管路支撑架，还包括空气压缩机、气源输出管路和储气罐，所述的气源输出管路包括带阀门的第一气源输出支管和第二气源输出支管；其中，第一气源输出支管从空气压缩机的输出端直接连接到试验管路系统，第二气源输出支管从空气压缩机的输出端连接到储气罐后，再从储气罐的输出端连接到试验管路系统；

所述的试验管路系统包括长直的试验管路主管以及连接在试验管路主管上的至少一个试验管路支管，所述试验管路系统的末端连接有放空管路。

所述的试验支管通过三通接头与试验管路主管连接，所述三通接头的两个直线端连接试验管路主管，另一端连接试验管路支管，试验管路支管的末端封闭。试验管路支管可以只有一条，也可以是多条不同长度的支管，用以研究不同气柱固有频率对管路振动的影响。主管中流动的气体，在经过三通时会出现涡流和涡脱现象，形成内部激励，引发管路振动

为了模拟外部周期性压力脉冲激励，所述空气压缩机采用往复式压缩机，这种压缩机是间隙性排气，每次排气对管路系统产生一个压力脉冲激励，在一定的转速下，压力脉冲激励的周期也是确定的。

所述的放空管路由调节阀、多个弯管和多个直管连接而成。流体的压力和流速都会影响湍流状态和涡脱频率，进而改变管路流体自激振动的特性，为了研究流体压力和流速对管路自激振动特性的影响，放空管路上安装了调节阀，用于调节试验管路内的气体压力。放空管末段是直接与大气连通的，当调节阀开度调大时，阀门两端的压差变小，试验管路内的气体压力减低，流速增加。反之，当调节阀开度调小时，阀门两端的压差变大，试验管路内的气体压力增加，流速降低。

所述的试验管路系统的管路外可拆卸安装有剖分式法兰。在保持管内气体声学固有频率不变的前提下，通过安装剖分式法兰，可以改变支管质量和试验管路系统的固有频率

所述的试验管路系统上设有管道附件，包括但不限于压力表、压力传感器、流量传感器、安全阀和溢流阀。

所述的试验管路主管上设有管路预留接口。如果预留接口中间是一段直管，那么这部分就是试验管路系统主管的一部分。通过预留接口还可以连接一个或多个三通，三通的两个直线端连接主管路，另一端连接一段支管，支管的另一端封闭，用以模拟阀门关闭状态下可能出现的气体声学振动和对应的管路自激振动。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本发明的试验装置，集成了导致管路振动的往复压缩机外部脉冲激励和流体流经三通产生涡流而致的内部激励，并且可以通过气源输出管路上阀门的开关和储气罐将2种激励完全分开，从而剔除干扰，研究管路强迫振动和气流自激振动的特性。也可以将2种激励耦合在一起，研究在多种激励耦合作用下，管路振动的特征。

2.本发明的试验装置，所用的往复压缩机，有变频调速或直流调速机构，可以改变外部脉冲激励的频率，通过试验发现管路结构频率、气体声学固有频率和外部脉冲激励频率对管路振动的影响。

3.本发明的试验装置，可以在保持外部脉冲激励频率和气体声学固有频率都不变的情况下，通过增加附加质量或改变支撑来改变管路的结构固有频率，简单方便，有利于分析管路结构固有频率的设计准则。

4.本发明的试验装置，预留一些法兰接口，可以很方便地改变管路的结构及其结构固有频率和气体声学固有频率。

附图说明

图1为本实用新型一种管路流固耦合振动试验装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型剖分式法兰的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种管路流固耦合振动试验装置，包括试验管路系统以及用于支撑试验管路系统的管路支撑架10，还包括空气压缩机1、气源输出管路和储气罐2。

气源输出管路包括带阀门31的第一气源输出支管3和带阀门41的第二气源输出支管4；其中，第一气源输出支管3从空气压缩机1的输出端直接连接到试验管路系统，第二气源输出支管4从空气压缩机1的输出端连接到储气罐2后，再从储气罐2的输出端连接到试验管路系统。

试验管路系统包括长直的试验管路主管5以及连接在试验管路主管5上的至少一个试验管路支管，所述试验管路系统的末端连接有放空管路9。

试验管路主管5上还设有管路预留接口11，如果预留接口中间是一段直管，那么这部分就是试验管路主管5的一部分。通过预留接口还可以连接一个或多个三通接头8，三通接头8的两个直线端连接主管路，另一端连接试验管路支管，试验管路支管的末端封闭，用以模拟阀门关闭状态下可能出现的气体声学振动和对应的管路自激振动。

试验管路支管可以只有一条，也可以是多条不同长度的支管，用以研究不同声学固有频率对管路振动的影响，本实施例中，试验管路支管有两个，包括第一试验管路支管7和第二试验管路支管6。

放空管路9由调节阀91、多个弯管和多个直管连接而成。流体的压力和流速都会影响湍流状态和涡脱频率，进而改变管路流体自激振动的特性，为了研究流体压力和流速对管路自激振动特性的影响，放空管路9上安装了调节阀91，用于调节试验管路内的气体压力。放空管路9的末段是直接与大气连通的，当调节阀91开度调大时，阀门两端的压差变小，试验管路内的气体压力减低，流速增加。反之，当调节阀91开度调小时，阀门两端的压差变大，试验管路内的气体压力增加，流速降低。

为了模拟外部周期性压力脉冲激励，空气压缩机1采用往复式压缩机，这种压缩机是间隙性排气，每次排气对管路系统产生一个压力脉冲激励，在一定的转速下，压力脉冲激励的周期也是确定的。空气压缩机1包括一套转速控制系统，转速控制系统可以是变频控制系统，也可以是直流调速系统。转速变化后，对应的压力脉动激励周期也随之改变，即外部脉冲激励频率改变了。空气压缩机1还包括安全阀、压力测试和显示系统，以保证试验安全进行并记录相关数据。

所谓流体自激振动是指流体自身在合适的流动过程中，产生一些局部不稳定流动而导致的管路振动，如经过弯头、阀门等部件因流动区域或流向改变引起的冲击，还有流体流经三通等部件时出现湍流、涡脱而引发的管路振动。本实用新型提出的试验装置所包含的气源输出管路包括两个支路以及每个支路上的一个可调阀门。当第一气源输出支管3关闭，第二气源输出支管4打开，由于压缩机的间隙性排气对试验管路形成外部冲击脉冲，导致管路的强迫振动；当第二气源输出支管4关闭，第一气源输出支管3打开，压缩机排出的气体从气源进入储气罐2，由于储气罐2体积远远大于压缩机气缸，因此储气罐2就是一个稳压部件，在其它条件保持不变的情况下，从储气罐2再进入试验管路系统的气体压力保持恒定，也就是不存在外部冲击脉冲。这时，管路的结构振动大都是由流体的自激振动引起的，包括流体经过弯头、阀门等部件因流动区域或流向改变引起的冲击，还有流体流经三通等部件时出现湍流、涡脱而引发的管路振动。

本试验装置所包含的管路支撑架10由工业铝型材组合搭建而成，可以根据需要很方便地增加或减少水平或斜向的支撑杆，从而改变支撑架的刚度和固有频率,进而改变试验管路系统的结构固有频率。

试验管路系统上还设有管道附件，包括但不限于压力表、压力传感器、流量传感器、安全阀和溢流阀。如图1所示，在试验管路主管5的首端连接有流量传感器12。

管路系统存在丰富的结构固有频率，管内气体也存在一系列声学固有频率，在外部周期性脉冲激励、随机扰动激励和流体湍流激励的作用下，会激起非常复杂的、难以辨别的管路振动。为了研究这些固有频率、外部激励、流体激励与管路振动特征之间的错综复杂的关系，本实用新型的试验装置，可以在其它条件不变的前提下，只改变其中一个参数。除了前面提到的通过变速系统改变外部脉冲激励频率、通过增加不同长度的支管改变声学固有频率、通过变化流速改变随机扰动激励和涡脱频率外，还可以在上述参数都保持不变的条件下，通过改变试验管路质量或支撑条件，来调节试验管路系统的固有频率。一种方法是在管路外安装剖分式法兰13，如图2所示，法兰剖分式法兰13的两部分用螺栓14抱紧在管道上，这样，管路的局部质量变化了，管路的固有频率也随之改变。剖分式法兰可以装在管路的不同位置，如本实施例中，第一试验管路支管7是产生流体自激振动的典型部位，又是结构固有频率较低的部件，将法兰装在这个位置可以显著改变管路的固有频率。法兰的质量根据需要设计，可大可小。

通过改变试验管路系统的支撑位置和支撑方式，也可以在其它条件不变的前提下，改变试验管路的固有频率。具体方式包括：1)试验管路主管5右边的支撑件15是可以移动的；2)将管路固定在管路支撑架10上的管路固定构件16可以增加或减少；3)管路固定构件16内可以加橡胶圈，以降低支撑刚度，并增加阻尼。4)通过增加或减少管路支撑架10的斜杆或横竿，也可以改变管路系统的固有频率。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管路流固耦合振动试验装置，包括试验管路系统以及用于支撑试验管路系统的管路支撑架，其特征在于，还包括空气压缩机、气源输出管路和储气罐，所述的气源输出管路包括带阀门的第一气源输出支管和第二气源输出支管；其中，第一气源输出支管从空气压缩机的输出端直接连接到试验管路系统，第二气源输出支管从空气压缩机的输出端连接到储气罐后，再从储气罐的输出端连接到试验管路系统；

所述的试验管路系统包括长直的试验管路主管以及连接在试验管路主管上的至少一个试验管路支管，所述试验管路系统的末端连接有放空管路。

2.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的试验管路支管通过三通接头与试验管路主管连接，所述三通接头的两个直线端连接试验管路主管，另一端连接试验管路支管，试验管路支管的末端封闭。

3.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的空气压缩机采用往复式压缩机。

4.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的放空管路由调节阀、多个弯管和多个直管连接而成。

5.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的试验管路系统的管路外可拆卸安装有剖分式法兰。

6.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的试验管路系统上设有管道附件，包括但不限于压力表、压力传感器、流量传感器、安全阀和溢流阀。

7.根据权利要求1所述的管路流固耦合振动试验装置，其特征在于，所述的试验管路主管上设有管路预留接口。

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