Моделирование нестационарных гидродинамических процессов в пневматических системах с учетом пульсаций давления в трубопроводах и разработка методов их гашения

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
Моделирование нестационарных  
гидродинамических процессов  
в пневматических системах  
с учетом пульсаций давления в трубопроводах  
и разработка методов их гашения 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 622.692.4 
ББК 35.36 
 М74 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/217/book1620.html 
Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Вакуумная и компрессорная техника» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
Авторы: 
А.В. Чернышев, А.В. Николаева, О.В. Белова, А.А. Крутиков 
Рецензент  
канд. техн. наук,  доцент В.В. Вельтищев 
М74 
 
 
 
Моделирование нестационарных гидродинамических процессов в пневматических системах с учетом пульсаций давления  
в трубопроводах и разработка методов их гашения : учебное пособие / [А. В. Чернышев и др.]. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2017. — 93, [3] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4640-7 
Приведен обзор причин возникновения пульсаций в пневматических 
системах, способы их гашения и методы расчета возникающих в этих 
системах динамических нагрузок, в том числе с применением современных программных комплексов. 
Для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки «Технологические машины и оборудование». Будет полезно студентам и аспирантам, проектирующим различные машины и оборудование, в которых газообразная рабочая среда транспортируется по системе агрегатов 
и линиям связи (трубопроводам). 
 
 
УДК 622.692.4 
 
ББК 35.36 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4640-7 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
2 

 
 
Предисловие 
В настоящее время пневматические системы (ПС) нашли широкое применение во многих отраслях промышленности (авиационной и ракетно-космической, нефтяной и газовой и др.). В основе их работы лежит процесс преобразования энергии: из 
механической в энергию рабочей среды и наоборот. Пневматические системы используют в том числе при управлении различными процессами в наукоемком оборудовании. Основными функциями таких систем являются регулирование давления и расхода 
транспортируемой среды. 
Работоспособное состояние ПС определяется точностью выполнения отмеченных функций с сохранением допустимых значений характеристик объектов управления (вибрация, шум, температура, герметичность и т. д.) при сохранении целостности как 
объекта управления, так и самой ПС. Важной задачей при создании ПС является обеспечение работоспособности в условиях воздействия динамических нагрузок, таких как вибрация агрегатов и 
трубопроводов, автоколебания подвижных регулирующих элементов арматуры, акустические и турбулентные пульсации давления рабочей среды и гидродинамический шум. Динамические 
нагрузки ПС приводят к поломкам механических элементов агрегатов и трубопроводов, а также к отклонению характеристик систем автоматического регулирования, вызывающих в том числе 
нештатные и аварийные ситуации.  
Моделирование нестационарных гидродинамических процессов в пневматических системах вышло на новый уровень с развитием методов вычислительной гидродинамики.  
Цель данного учебного пособия — ознакомить студентов с 
причинами возникновения пульсаций в ПС, способами их гашения 
и методами расчета возникающих в ПС динамических нагрузок, в 
том числе с применением современных программных комплексов.  
Учебное пособие соответствует программе курса лекций 
«Теория и расчет рабочих процессов в агрегатах пневматических 
3 

систем» в рамках направления подготовки магистров «Технологические машины и оборудование». Учебное пособие состоит из 
семи разделов. После изучения каждого раздела студентам предлагается ответить на контрольные вопросы для закрепления усвоенного материала.  
Обширный список литературы по рассматриваемому вопросу 
позволяет использовать данное учебное пособие также для самостоятельной работы студентов при выполнении курсовых, научноисследовательских и выпускных квалификационных работ. 
Материалы учебного пособия будут способствовать формированию у студентов компетенций в следующих областях: 
– выбор аналитических и численных методов при разработке 
математических моделей машин, приводов, оборудования, систем, технологических процессов в машиностроении; 
– построение физических и математических моделей исследуемых машин, приводов, систем, процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере, разработка методик и организация проведения экспериментов с анализом их результатов; 
– подготовка технических заданий на разработку проектных 
решений, разработка эскизных, технических и рабочих проектов 
с использованием средств автоматизации проектирования и передового опыта разработки конкурентоспособных изделий; 
– составление описания принципов действия и устройства 
проектируемых изделий и объектов с обоснованием принятых 
технических решений; 
– разработка методических и нормативных документов, предложений и проведение мероприятий по реализации разработанных проектов и программ. 
 
 
4 

 
 
Введение 
Трубопровод — один из самых распространенных элементов 
различных пневматических систем, предназначенных для транспортировки газообразных сред. По общей протяженности сетей 
трубопроводов РФ уступает только США. К безопасности, 
надежности и уровню гидравлического сопротивления трубопроводов предъявляют высокие требования.  
В силу особенностей компоновки и условий работы систем 
трубопроводов почти невозможно полностью исключить появление в них вибраций, вызванных наличием нестационарных гидродинамических вихревых течений, что по статистике в 60 % случаев является причиной их поломок. Аспект пульсации давления 
в системах трубопроводов особенно важен для паропроводов 
энергетического оборудования, магистралей для транспортировки природного газа, трубопроводов авиационной и космической 
промышленности, а также для технологических воздухопроводов.  
Сильными источниками возмущений потока в системах трубопроводов являются арматура, поворотные колена, тройники, 
диффузоры, турбооборудование, насосное и компрессорное оборудование. Практически в каждой системе трубопроводов можно 
найти по меньшей мере один из перечисленных выше источников 
нестационарных гидродинамических вихревых течений. Индикаторами наличия вихревых течений в проточной части трубопровода служат фиксируемые измерительными приборами пульсации давления перекачиваемой среды. 
Для гашения пульсаций давления в трубопроводах изменяют 
компоновку и размеры трубопроводов. Эти меры, как правило, 
предназначены для обеспечения отстройки собственных частот 
трубопроводов от частот возмущающих сил. Но в процессе эксплуатации частотная характеристика системы в целом изменяется, 
поэтому резонанс, устраненный при одних частотах, возникает при 
других. Кроме того, указанные меры не влияют на амплитуды 
пульсации давления в трубопроводах, которые в некоторых случаях составляют несколько десятков атмосфер в условиях нормальной эксплуатации. Традиционные меры борьбы с пульсациями 
5 

давления позволяют избежать повреждений трубопроводов, но 
присоединенное оборудование функционирует на нерасчетном 
режиме, что приводит к потере его работоспособности.  
При проектировании трубопроводов, рассчитанных на работу 
с высоким уровнем пульсаций давления газа, часто увеличивают 
толщину стенок трубопровода, что в случае работы с газами при 
высокой температуре приводит к необходимости увеличения 
времени выхода на режим для уменьшения температурных 
напряжений в стенках трубопровода, т. е. к снижению маневренности оборудования. 
Устранить этот недостаток можно с помощью устройств гашения пульсации давления (УГПД). Однако разработчики УГПД 
сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с оценкой 
технических характеристик УГПД на этапах проектирования.  
В основном это обусловлено тем, что имеющиеся полуэмпирические методики не позволяют выбрать эффективные УГПД для 
произвольной системы трубопроводов с учетом особенностей 
источника возмущений потока (или генератора пульсаций давления), поэтому окончательная доводка конструкции УГПД, как 
правило, осуществляется на основе экспериментальных исследований. В настоящее время проектирование УГПД является длительным и дорогостоящим процессом, в результате которого полученное устройство работоспособно лишь при определенных 
условиях эксплуатации в конкретной системе трубопроводов. Это 
обстоятельство препятствует широкому распространению УГПД 
применительно к системам трубопроводов для транспортировки 
газообразных сред. Применение современных методов вычислительной гидроаэродинамики и коммерческих программных 
средств является новым шагом в расчете УГПД, однако, попрежнему для проведения расчетов необходимо понимать физику 
происходящих в трубопроводах процессов, приводящих к возникновению пульсаций. Несомненно, теория и новые инженерные методики расчета будут продолжать развиваться. 
Остановимся подробнее на различных аспектах, связанных с 
пульсациями давления среды в коммуникациях: 
− особенностях систем, источником пульсаций давления в которых является нагнетательное оборудование, а также арматура и 
другие местные сопротивления; 
− влиянии пульсаций давления на теплообмен, на гидравлическое сопротивление системы и на надежность системы; 
− методах борьбы с пульсациями давления и последствиями. 
6 

 
 
1. ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ 
ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ  
ТРУБОПРОВОДОВ 
1.1. Основные понятия 
 
Рис. 1.1. Осциллограмма  
пульсаций давления 
Пульсации давления — это 
непрерывное периодическое изменение давления рабочей среды, выражающееся отклонением 
измеряемых значений давления 
от их среднего значения за достаточно большой промежуток 
времени. Графически пульсации 
давления в точке установки 
датчика давления отображаются 
в виде осциллограммы пульсации давления (рис. 1.1). Основными 
характеристиками пульсаций давления являются частота пульса- 
ций f, Гц, и амплитуда пульсаций 
,
p

 Па. 
Абсолютное значение амплитуды пульсации давления 
p
 
равно разности между максимальным 
max
p
 и минимальным 
min
p
 
значениями давления за рассматриваемый период времени 
 
max
min.
p
p
p


 
(1.1) 
Для автоматизированной обработки экспериментальных или 
расчетных данных, представляющих собой массив значений давления Pi (i = 1, 2, 3 … N) в точке установки датчика, измеряемых 
с интервалом по времени Δt, чаще используют не абсолютное 
значение амплитуды пульсации давления p, а его аналог — 
среднеквадратичную амплитуду пульсации давления pср: 
7 

N
 
2
ср
1
(
)
,




 
(1.2) 
i
i
p
p
p
N
где pср — среднее значение давления в точке установки датчика; 
N — число измерений. 
1.2. Последствия возникновения пульсаций давления  
в системах трубопроводов 
В силу сложной пространственной конфигурации и особенностей течения газообразных сред явление пульсаций давления характерно практически для всех трубопроводов, предназначенных 
для транспортировки газообразных сред (воздух, пар, природный 
газ и дымовые газы и т. п.). 
Пульсации давления перекачиваемой газообразной среды способствуют снижению пропускной способности трубопроводов. 
При этом большие локальные скорости потока приводят к увеличению гидравлического сопротивления и внутреннего трения. 
При колебаниях давления в сетях трубопроводов ухудшаются условия работы запорной и регулирующей арматуры. Особенно актуальна проблема воздействия пульсации давления в 
трубопроводах на работу стопорных и регулирующих клапанов 
энергетических паровых турбин. Наличие пульсаций давления 
фиксируется по всей пароподводящей части турбоагрегата от 
выхода из котла (или парогенератора) до входа в проточную 
часть турбины.  
Пульсации давления в трубопроводах приводят к увеличению 
нагрузки на элементы тракта трубопровода и на детали присоединенного к трубопроводу оборудования. Вследствие возникновения колебаний в пароподводящей системе паровых турбин 
имеют место повреждения и разрушения сегментов сопел в 
сопловых коробках и отверстий под штифты крепления сегментов сопел и штифтов фиксации сопел [1]. 
При эксплуатации различных типов паровых турбин отмечаются систематические повреждения органов парораспределения. 
В большинстве случаев повреждения выражаются в обрывах 
штоков регулирующих клапанов, повреждении поверхности при8 

легания чаши клапана к седлу, выпрессовке седел клапанов.  
К наиболее распространенным неполадкам можно отнести износ 
уплотнительных букс, поршневых колец, элементов подвески 
штоков, элементов шарнирных соединений и деталей механизма 
передачи момента от сервомотора.  
В системе парораспределения турбоустановок К-800-240 [1]  
и К-200-130 [2] были зафиксированы пульсации давления с амплитудой 
p

 = 2,4 МПа и p
 = 1,7 МПа соответственно, что составляет 10…15 % от начального давления пара. Амплитуды 
пульсации давления за шиберными задвижками [3] также достигают 10 %  абсолютного давления перед задвижкой. 
В то же время надежность системы трубопровода напрямую 
зависит от амплитуд пульсаций давления, генерируемых в системе трубопроводов. Напряжения, возникающие в стенках трубопроводов под воздействием пульсацией давления в радиальном 
pm


 и в осевом 
pt


 направлениях трубопровода, прямо пропорциональны амплитуде пульсации давления p: 
 
;
pm
pD





  
 (1.3) 
 
,
2
pt
pD





 
 (1.4) 
где D — диаметр трубопровода;  — толщина стенки трубопровода. 
Колебания давления в сети вызывают вибрацию трубопроводов, которая способствуют повреждению самих трубопроводов, 
элементов присоединенного к ним оборудования и арматуры, 
нарушению герметичности уплотнений, что особенно опасно при 
работе систем трубопроводов со взрывоопасными, воспламеняющимися, токсичными, радиоактивными газообразными средами 
и со средами с высокими температурами и давлениями. 
Пульсации давления воздуха в системе воздухоснабжения 
Научно-производственного объединения «Джезказганцветмет», 
предназначенной для снабжения сжатым воздухом горнодобывающего оборудования и вентиляции шахтного пространства, привели к крупной аварии. Пульсации давления в трубопроводе диаметром 720 мм спровоцировали колебания, которые привели  
к разрушению опор трубопровода. В результате воздухопровод, 
9 

сошедший с опор, разрушил большой участок железнодорожных 
путей и находящиеся рядом подсобные строения, после чего произошло разрушение непосредственно самого трубопровода. 
Необходимость борьбы с пульсациями давления особо актуальна для мощных влажнопаровых турбин атомных электростанций. Так, в процессе пуско-наладочных работ ВВЭР-1000 Запорожской АЭС возникли эксплуатационные вибрации главных 
паропроводов. Зафиксированные уровни вибрации привели к 
различным повреждениям (появлению неплотностей, обрыву 
вспомогательных трубопроводов обвязки арматуры, разрегулировке концевых выключателей и т. п.), а также обусловили многократное снижение циклической прочности главных паропроводов 
и повышение вероятности их усталостного разрушения. Измерения показали, что источником эксплуатационных вибраций послужили пульсации давления в паропроводах. 
Данная проблема осталась актуальной и для всех последующих блоков серии. Аналогичная ситуация возникла и на турбине 
К-1000-65 на АЭС Temelin (Чехия). Вибрация трубопроводов, 
обусловленная пульсациями давления, наблюдалась также на Балаковской АЭС и на ряде других станций. Решение проблемы 
обеспечивалось внесением серьезных изменений в конструкцию 
парогенераторов и в проточную часть системы паровпуска турбоустановок. 
Авторы исследований [4, 5], посвященных анализу надежности работы технологических трубопроводов компрессорных 
станций для перекачки природного газа, утверждают, что причинами разрушения трубопроводов являются нестационарные течения перекачиваемого газа. На одной из компрессорных станций 
бакинских нефтепромыслов в начале эксплуатации были зафиксированы чрезмерные вибрации нагнетательных трубопроводов в 
результате пульсации давления газа за компрессорной установкой, амплитуда которых достигала 20 мм, а при запуске дожимных компрессоров — до 45 мм. Вследствие этого как в стенке, 
так и в сварных швах трубопроводов систематически появлялись 
трещины. Анализ подобных аварий [6] показал, что до 60 % их 
общего количества происходит на участке до 15 км от компрессорных станций. Специалисты, занимающиеся вопросами отказов 
трубопроводов по причине коррозионного растрескивания под 
напряжением, так же считают участок до 20 км от компрессорных агрегатов динамически активным. 
10