直管弯头和异径管的气体激振力计算

　　石油机械某些管路系统内所容纳的气体称为气柱,气体象任何振动物体一样具有质量,可以压缩、膨胀,具有一定的弹性,所以气柱本身就象一个弹簧那样的振动系统,如有外力作用就会发生振动。特别是在活塞式压缩机工作过程中,由于吸、排气是间歇性的,而且活塞运动随时间变化,这样就会产生压力脉动。压力脉动相当于给气柱施加一个外力,即激振力造成管道振动,给压缩机运行带来不利影响,例如,可能使压缩机的功率增加;降低气阀的使用寿命,造成管道和设备的振动。但是造成管道的振动原因很多,是否是气体激振力造成的,可以通过计算确定。下面就两种常见管形的气体激振力作一探讨。

　　1　直管弯头

　　图1为一段等截面弯管,如果管内气流是稳定流动的,则弯头两端的作用力均为F=pA,A=π/4d2,d为管子内径,p为管内气体压力。此两力的合力可由几何关系求得,R=2pA·sin(β/2)

　　=2 557.4 N。这么大的力作用于管道弯头部分,足以引起管道系统的振动。由于在管道布置时不可避免要改变方向,直管弯头就随处可见,产生的振动也常见。在这些振动中,有些可能会因为方向的缘故而抵消一部分,使得振动减弱,而不产生危害;但也可能在条件合适的情况下,产生管道共振,危及生产安全。此时对激振力的计算就显得非常重要,根据计算及早消除隐患。

　　2　异径管

　　图2为一截面收缩管,设粗管的流通面积为A1,细管的流通面积为A2,气流在异径管两侧1—1和2—2截面上,向右推力为pA1,向左推力为pA2,两者的合力F即为气流对异径管的作用力

　　mm,则气流对异径管的激振力幅值ΔR=1 005 N,该力也不算太小,如果d2继续缩小,亦即扩大d1/d2之比,激振力将会随之增大。如果d2=0,那就成盲板了,可想而知,气流对盲板的冲击力比异径管和弯头大的多。

　　在石油化工厂、矿山等企业所用的活塞式压缩机的阀门是此种情况的典型实例,它是造成阀门寿命缩短的主要原因。一般阀件就是异径管和弯头的组合,在一些输气和输油(液体也有类似的力,由于液体的压缩性很小,力有所变化)管线装有许多阀件,在开启或关闭时,经常能感觉到明显的振动,可见气流激振力是造成管道振动的一个不能忽视的重要因素。

　　3　结束语

　　管道振动的原因很多,除了气流激振以外,机械共振、支承条件差[2]等也是可能因素之一。在众多因素中,气流激振是主要内因,通过计算可以直接找出关键因素,在实际工作中对确定故障原因有重要指导作用。

　　参考文献:

　　[1]　党锡琪,陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安:西安交大出版社,1984.