Гидравлический удар в трубопроводах

Основы гидравлики

Гидравлический удар

Гидравлическим ударом (гидроударом) называется резкое повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся жидкости.
В момент остановки последнего слоя жидкости (в точке А ) или в момент достижения ударной волны входного сечения трубопровода вся жидкость в трубопроводе окажется сжатой, скорости частиц жидкости равны нулю, а давление имеет максимальное значение. При этом через время Δt_в точке А давление жидкости слева меньше, чем справа.
В этих условиях равновесие жидкости нарушается, и она начинает перемещаться из трубопровода в резервуар, при этом давление в трубопроводе понижается.
Через время Δt давление в трубопроводе станет меньше, чем было до закрытия крана, и жидкость из резервуара снова начнет перемещаться в трубопровод. Вследствие действия внутренних сопротивлений колебания давления в трубопроводе будут затухающими.
Давление жидкости при гидравлическом ударе определяется по формуле Н.Е. Жуковского:

где ρ – плотность жидкости.
Для чугунных и стальных водопроводных труб скорость распространения ударной волны принимается 1000. 1400 м/с.

Из формулы Жуковского следует, что при скорости воды (имеющей плотность ρ ≈ 1000 кг/м 3 ) в трубе v = 1 м/с, в момент резкого перекрытия трубы давление в ней возрастет на величину, равную 100. 140 кПа.
Гидравлический удар особенно опасен для длинных трубопроводов, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями, и внезапное уменьшение скорости (или резкая остановка) этой массы приводит к деформации трубопроводов и их разрушению.

Для предотвращения разрушения гидравлических систем применяются различные конструктивные устройства. Основными из них являются винтовые запорные устройства, предохранительные клапаны и воздушные колпаки (рис. 2) .

а – винтовые запорные устройства; б – предохранительные клапаны; в – воздушные колпаки

Винтовые запорные устройства просты, широко распространены для защиты трубопроводов от гидравлических ударов и обеспечивают достаточно продолжительное время перекрытия проходного сечения трубопровода.
Если необходимо быстро перекрыть трубопровод, применяются специальные устройства – предохранительные клапаны, воздушные колпаки и др.

Использование гидравлического удара в технике

Резкое повышение давления при гидравлическом ударе часто бывает весьма опасно. Однако человеческая мысль нашла применение и этому явлению. В 1796 г. была изобретена водоподъемная машина – гидравлический таран.
Гидравлический таран – весьма простое устройство, позволяющее подавать воду с некоторого горизонтального уровня h₁ на более высокую отметку H₂ , используя эффект гидравлического удара.

Устройство состоит (рис. 3) из: рабочей камеры 1 с двумя клапанами – ударным 8 и нагнетательным 2 , воздушного колпака 5 , питательной трубы 3 , соединяющей таран с водоемом 4 , нагнетательной трубы 6 , соединяющей таран с бассейном 7 , расположенным выше водоема.

Принцип работы гидравлического тарана

Для упрощения будем считать, что в начальный момент оба клапана тарана закрыты, избыточное давление в воздушном колпаке p_r = ρgH , вода в водоеме неподвижна.

Рис. 3. Схема гидравлического тарана

Для запуска гидротарана необходимо открыть ударный клапан 8 . Вода начнет вытекать через этот клапан, а скорость течения воды в питательной трубе 3 будет постепенно увеличиваться от нуля до некоторой предельной величины v_пр , которая должна соответствовать напору H и гидравлическим сопротивлениям в системе питательная труба – ударный клапан.

Одновременно со скоростным напором v 2 /2g будет расти и гидродинамическое давление, действующее на ударный клапан снизу. Когда значение этого давления создаст усилие, превышающее вес клапана, последний закроется и произойдет гидравлический удар.
Давление в питательной трубе резко возрастет, в результате откроется нагнетательный клапан 2 .
Вода начнет поступать в воздушный колпак 5 , сжимая в нем воздух, а из воздушного колпака по нагнетательному трубопроводу – в приемный бассейн.

В момент закрытия ударного клапана в питательной трубе 3 начнется волновой процесс, который приведет к уменьшению скорости и понижению давления в этой трубе. Поэтому спустя некоторое время после закрытия ударного клапана давление в питательной трубе уменьшится настолько, что нагнетательный клапан 2 закроется, а ударный клапан 8 автоматически откроется, и начнется новый цикл.

Таран работает автоматически, подавая воду порциями, а воздушный колпак сглаживает пульсацию воды в нагнетательной трубе, обеспечивая сравнительно равномерную подачу Q₂ ее в верхний бассейн 7 . Однако большая часть воды Q₁ , поступающей из водоема Q = Q₁ + Q₂ , сбрасывается через ударный клапан.
Отметим, что:
Q₁ – расход воды через ударный клапан 8 ;
Q₂ – расход воды через нагнетательную трубу 6 ;
Q = Q₁ + Q₂ – расход воды через питательную трубу 3 .

Запишем выражения для следующих мощностей (без учета потерь в соответствующих трубопроводах) :

мощность, затрачиваемая на приведение тарана в действие :
N_затр = ρgQH₁ ;

полезная мощность тарана :
N_пол = ρgQ₂H₂ ,
где H₂ – полезная высота нагнетания.

Выразим КПД гидравлического тарана. Очевидно, что

Проанализируем выражение (2) .
Для данной конструкции тарана величины Q₁ и Q₂ будут определенными и постоянными, т.е.
Q₂ = соnst и Q₁ = const .
Таким образом, формулу (2) можно представить в виде:

Можно сделать вывод, что значения КПД тарана зависят от отношения H₂/H₁ .
При H₂ = 0 , h = 0 ; при H₁ → ∞ , h → 0 ; при H₂ = H₁ , h = С = Q₂/Q .
Из анализа полученных результатов следует, что максимальное значение КПД тарана можно определить по формуле:

2 причины и методы борьбы с гидроударом в системе водоснабжения

Трубопровод в случае со снабжение водопровода, и в качестве отопительного элемента дома или квартиры — прочная конструкция, способная выдерживать большие нагрузки и работать десятки лет. Касательно давления, металлические, пластиковые и полипропиленовые трубопроводы спокойно выдерживают внутреннее давление в 4 атмосферы, и даже если это значение по каким-либо причинам кратковременно превышается на 1-2 единицы, ничего страшного не случится.

Однако существует такое понятие, как гидравлический удар в трубопроводах, при котором внутреннее давление резко возрастает до 10-20 атмосфер и появляется серьезный риск прорыва труб горячего или холодного снабжения.

Природа гидроудара

Охарактеризовать или описать гидроудар в системе водоснабжения несложно, рабочее воображение и минимальный багаж знаний по физики помогут в этом. Представьте, как по трубопроводу течет вода, она движется с определенной скоростью и оказывает на стенки труб давление в 2-3 атмосферы.

Но вдруг на пути водяного потока возникает препятствие, это может быть:

• Завоздушенность — воздушная пробка, возникающая вследствие неправильной эксплуатации водопровода, его неграмотной конструкции и т.д. (все знают, что нужно открывать клапаны в системах водопровода, чтобы спускать воздух перед подачей воды, обычно речь идет о системах отопления).
• Запорная арматура — элемент крана, вентильного или шарового, перекрывающий трубу с целью остановки воды и препятствования ее дальнейшему течению по системе водоснабжения. Каждая система теплоснабжения и другие водопроводы оснащены такими кранами на определенных участках.

Сталкиваясь с подобным препятствием, водяной поток не может мгновенно снизить свою скорость, а это значит, что при той же скорости на определенном участке возникает попытка увеличения объема жидкости, то есть резкий скачок давления. Труба в такой ситуации испытывается на прочность колоссальным поднятием атмосфер и может не выдержать.

Отсюда вытекает вывод, что гидроудар в трубопроводе — частая причина его разрушения и чем дольше служит система водоснабжения, тем уязвимее она становится, особенно в случае с металлическими трубами, подверженными коррозии.

Возможные причины

Проблема состоит в том, что причин этому феномену может быть много, но распространенными считаются три:

1. Резкое включение или остановка насоса, работающего на высоких оборотах, а также его поломка или экстренное отключение;
2. Экстренная остановка жидкости, текущей по трубам, путем перекрытия запорной арматуры;
3. Препятствие на пути потока жидкости в идее воздушной пробки.

Случай с работой или неисправностями насоса — наименее вероятным из этого списка. Прорыв канализации или водопровода из-за гидроудара по этой причине происходит реже других пунктов. Объясняется это тем, что у многих насос не установлен вовсе, а если он все же имеется, такое оборудования оснащается защитными системами.

Гидроудар из-за образования в системах отопления и подачи воды воздушной пробки более частое явление. Этот случай опасен тем, что при соприкосновении потока воды с завоздушенностью, скорость жидкости не снижается, а давлению и воздуху в закрытой среде некуда деться, что грозит сильным повышением атмосферного давления. Если 1–2 раза трубопровод выдержит, частые инциденты приведут к тотальным последствиям и прорыв труб неизбежен.

Наиболее частой причиной гидроудара по статистике становится именно резкое закрытие запорной арматуры. Этот фактор сильно усугубился, когда широкое распространение получил шаровый кран. Дело в том, что при вентильном кране, поток воды перекрывался постепенно, путем поэтапного закручивания вентиля и давление в трубах оставалось в допустимых пределах. Но технология шарового крана действует в разы быстрее и движущаяся жидкость внутри трубопроводов врезается в препятствие резко, не сбрасывая скорость, что приводит к сильному износу оборудования из-за повышающихся нагрузок и повышает риск гидроударов. В таких ситуациях даже компенсаторы для трубопроводов спасают не всегда.

Что такое гидроудар в трубопроводе – причины и следствия

О таком термине, как «гидроудар» в трубопроводе слышали многие, однако, не каждый знает определенно, что это такое. Настоящая статья расскажет о том, что такое гидравлический удар в трубопроводах, по каким причинам он может возникать, и каковы последствия данного явления для всей системы водоснабжения.

Под гидравлическим ударом в трубах понимают явление, при котором жидкость внутри них внезапно останавливается и провоцирует резкий подъем давления в системе, сопровождающийся громким звуком, напоминающим удар. Хотя это и краткосрочное событие, однако, последствия у него могут быть весьма плачевными, особенно, если это старые трубы, у которых срок эксплуатации на исходе.

Возможные причины возникновения

Существует несколько основных причин гидроудара в трубопроводе:

1. В процессе заполнения системы водой, находящийся в ней воздух обычно спускают через открытый вентиль. Если сечение вентиля меньше, чем у основной трубы, его пропускная способность не позволяет справиться сразу со всем потоком воды. В таком случае создается повышенное давление в месте задержки, и возникает гидроудар.
2. В системах, где вода циркулирует с постоянным давлением, при некоторых обстоятельствах могут перекрывать запорные устройства. Тогда несжимаемая до этого жидкость начинает оказывать повышенное давление на стенки трубы, вследствие чего происходит гидроудар.

Различают два типа гидроудара в трубопроводе: отрицательный – происходит снижение напора из-за выключения насоса или открытия задвижки; положительный – давление в системе резко поднимается в результате перекрытия задвижек или включения подкачки.

Стоит отметить, что наиболее опасным для безопасной эксплуатации системы отопления и водоснабжения является положительный гидравлический удар в трубопроводах. Из-за резкого подъема давления, запорные арматурные элементы, со временем, теряют свою непроницаемость, на них могут образовываться трещины, расколы, так что может пострадать вся система в целом.

Для того чтобы рассчитать мощность гидроудара в трубах, теоретиком Н. Е. Жуковским был разработан целый ряд формул. Он не только подробно расписал, что такое гидроудар в трубопроводе, но и определил, как можно вычислить степень роста давления в системе в той или иной ситуации.

Какие последствия гидроудара могут быть для системы отопления

Довольно часто после запуска системы отопления с приходом холодов в трубах можно услышать периодические щелчки и стук. Обратите внимание, что если подобные явления возникают слишком часто, это может привести к необходимости проведения срочного ремонта системы отопления. Связана такая необходимость может быть с тем, что гидроудар в трубах иногда приводит к прорыву теплоносителя, неисправности отопительного оборудования или повреждениям расширительного бачка.

Поскольку самостоятельно определить возможные результаты воздействия ударной волны на систему довольно сложно, обычно для этих целей приглашают специалистов, чьи услуги стоят достаточно дорого. Поэтому настоятельно рекомендуем перед началом отопительного сезона провести диагностику отопительного контура и выявить все возможные недостатки.

Наиболее распространенной причиной гидроударов в отопительном контуре является различное сечение используемых труб. Поскольку на участке трубопровода с меньшим диаметром создается постоянное повышенное трение, оно мешает теплоносителю свободно двигаться по системе. Следовательно, в трубах постоянно слышится гудение, шипение или щелчки из-за повышенного давления.

Если в вашей системе отопления присутствует такая проблема, ее придется переделывать. В противном случае, по прошествии времени неприятности с ней возникнут снова.

Способы предотвращения гидроударов

Сразу после проведения установки или капитального ремонта системы отопления следует позаботиться о недопущении гидроударов. Добиться этого можно с помощью корректной настройки работы контура. Если все сделать правильно, вы минимизируете последствия ошибок монтажа или планировки всей системы.

Если вы планируете провести обновление и усовершенствование отопления в доме, для этих целей стоит выбирать прочные и износостойкие комплектующие и расходные материалы. При этом нужно обращать внимание на эксплуатационные характеристики деталей.

Чтобы не допустить резкого роста давления в трубах, следует дополнить отопительный контур компенсаторными устройствами – гидроаккумуляторами. Они поглощают излишний объем воды, предотвращая образование пробок и гидроударов.

Кроме того, удобным устройством, контролирующим уровень давления внутри системы, является электрический насос. Он позволяет подавать воду в трубопровод постепенно, регулируя напор в случае малейших колебаний давления.

Итак, мы рассказали об основных причинах и последствиях гидравлических ударов в трубопроводах. Надеемся, что данная информация позволит вам избежать возможных проблем и материальных затрат.

Гидравлический удар

Доброго времени суток, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

В рубрике «Общее» рассмотрим такое довольно грозное физическое явление, которое в гидравлике известно под общим названием гидравлический удар. В системах водоснабжения при включении и выключении насосов (это насосы, как с прямым пуском, так и с пуском звезда/треугольник) может возникать гидравлический удар. Гидравлический удар – это резкое, мгновенное (ударное) повышение или понижение давления в напорном трубопроводе, по которому движется жидкость (вода), ввиду резкого изменения во времени скорости ее движения. Это явление появляется тогда, когда движущаяся в трубопроводе жидкость мгновенно останавливается (например, резко закрыли кран, задвижку или выключили насос). Это явление является самой сильной нагрузкой на трубопровод, в результате чего может произойти его разрыв. Опасность удара зависит от нескольких переменных величин, таких как скорость движения жидкости в трубопроводе, характеристик жидкости и характеристик материала трубопровода. Это явление приводит также к появлению вакуума в трубопроводах, вследствие чего часто бывает смещение или износ уплотнительных колец. Обычно гидравлические удары можно обнаружить только при возникновении шума. Теории и методики расчета гидроударов в трубах впервые были разработаны и решены выдающимся российским ученым Н.Е.Жуковским. Жуковский предложил также формулу для расчета минимального времени необходимого при закрытии запорного устройства, чтобы избежать или максимально снизить эффект гидравлического удара до минимума:

Явление гидравлического удара

Явление гидравлического удара открыл в 1897 — 1899 г. Н.Е. Жуковский. Выяснилось, что явление гидравлического удара объясняется возникновением и распространением вдоль труб ударных волн, вызванных сжатием воды и деформацией стенок труб. Увеличение давления при гидроударе определяется исходя из этой теории по формуле:

Dp=ρ(υ0–υ1)

Dp – увеличение давления в Н/м²,

ρ – плотность жидкости в кг/м³,

υ и υ1 – средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного крана) в м/с,

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны (с) находится в прямой пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала, из которого трубопровод изготовлен, а также от его диаметра. Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводах, где имеется воздух или газ, так как они легко могут сжиматься. Скорость ударной волны можно определить с помощью следующей формулы;

c=2L/T

c – скорость распространения ударной волны;

L – длина;

Т – время распространения.

Гидроудар представляет собой кратковременное, но резкое повышение давления в трубопроводах при резком торможении движущейся по них потоков жидкости. Такого же эффекта можно достичь при быстром закрытии шарового крана резко перекрывающего поток. Последнее особенно актуально в наши дни, когда на смену старым вентилям с гран буксами которые закрывались плавно за счет большого числа оборотов, и медленно перекрывающих поток, заменяются современными шаровыми кранами, останавливающими поток всего за четверть оборота одним движением руки. Заметнее всего гидравлический удар проявляется только в стальных или чугунных трубопроводах при большой скорости потока. Он происходит тогда, когда движущаяся с некоторой скоростью жидкость вдруг встречает на своём пути жёсткое препятствие, которым бывает заслонка или кран. В результате жидкость останавливается, и её кинетическая энергия превращаются в потенциальную – потенциальную энергию упругого сжатия жидкости, а также потенциальную энергию упругого растяжения стенок трубы. Всё это приводит к тому, что давление в месте остановки стремительно возрастает, значение давления тем больше, чем была выше скорость жидкости и чем меньше ее сжимаемость, а также чем больше жесткость трубопровода. Это повышение давления и является гидравлическим ударом внезапно остановленной жидкости. Когда жидкость ускоряется или замедляется, ударная волна начинает совершать колебания вперед и назад пока не затухнет. Частоту этих колебаний можно рассчитать по следующей формуле:

µ = 2L/а

µ — продолжительность цикла колебаний;

L — длина трубопровода;

а — скорость волны (м/с).

Скорость волны в трубопроводах из различного материала с чистой водой приведена в таблице 1.

Материал трубопровода

Скорость волны (м/с)

Если трубопровод выполнен из эластичных материалов, то это значительно снижают силу гидравлического удара, за счет увеличения объём трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если в трубе находится воздух и по мере продвижения жидкости он не успевает полностью покинуть трубопровод с нужной скоростью, то присутствие воздуха также способно предотвратить сильный гидравлический удар. Воздух в этом случае играет роль амортизатора, в котором плавно повышается давление, и потому он оказывает всё большее сопротивление, движению жидкости, постепенно замедляя её. Эти принципы используются в большинстве устройств применяемых для защиты трубопроводов от гидравлических ударов.

Виды гидравлических ударов

В зависимости от времени распространения ударной волны и времени закрытия задвижки (заслонки, крана или клапана), в результате которого возникает гидравлический удар , можно отметить два вида ударов:

• Полный гидравлический удар, при котором ударная волна движется в направлении, обратном первоначальному направлению протока жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно также несколько циклов повторного прохождения ударной волны в прямом и обратном направлениях. Полный удар возникает тогда когда время на закрытие задвижки или другой запорной арматуры меньше чем время движения ударной волны.
• Неполный гидравлический удар при котором фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит дальше сквозь не до конца закрытую задвижку или другую запорную арматуру. Неполный удар возникает тогда когда время на закрытие задвижки или другой запорной арматуры больше чем время движения ударной волны

Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов при эксплуатации оборудования

Поговорим о том, как можно предотвратить гидравлический удар. Гидравлический удар может вызвать порывы трубопроводов, разрушения деталей приборов и другого оборудования, неправильную отработку отдельных устройств (реле давления, реле времени, датчиков давления и других устройств). На практике приходилось сталкиваться со следующим случаем. В системе водоснабжения установлен скважинный погружной насос, реле давления и гидроаккумулятор. При отсутствии разбора воды реле давления должно отключить насос, а на самом деле идет дребезг контактов 3-4 и даже больше раз реле включается и выключается. Причина ложных срабатываний реле давления заключалась в том, что гидроаккумулятор и реле находились друг от друга на значительном расстоянии. При такой схеме монтажа гидроаккумулятор не успевал компенсировать гидравлические удары при отключениях насоса. Для предотвращения ложных отработок реле давления необходимо чтобы всегда реле или датчик находились как можно ближе к гидроаккумулятору. А сам гидроаккумулятор должен быть подсоединен е системе водоснабжения трубой или шлангом того же диаметра что и подсоединительный патрубок на самом баке. Сила гидравлического удара снижается за счет увеличения времени срабатывания запорных устройств, а вблизи возможных мест возникновения гидравлических ударов монтируются предохранительные и обратные клапана, вибровставки или компенсаторы, и специальные вставки с воздушной подушкой принимающие на себя удар. Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидравлическом ударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или для его полного предотвращения необходимо:

• уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, за счет увеличения его диаметра;
• установить демпфирующие устройства (так называемые «хлопушки») в местах возможного появления ударов;
• увеличить время закрытия клапанов и задвижек, смонтированных на системе;
• повысить прочность слабых элементов гидравлической системы.

Очень наглядным примером гидравлических ударов является кавитация. При возникновении кавитации, каждое схлопывание пузырька воздуха на поверхности рабочего колеса сопровождается микро гидравлическим ударом. Такие микро удары, происходящие на рабочих поверхностях в миллионных количествах в течение длительно времени способны разрушить поверхность рабочих элементов насоса. Сопровождается кавитация повышенной шумностью в работе оборудования.

И в заключении хотелось отметить следующее. При соблюдении всех выше перечисленных условий по снижению силы гидравлических ударов, система водоснабжения и все установленное в ней оборудование могут работать надежно и плодотворно в течение длительного срока эксплуатации.

Гидравлический удар в трубопроводах

Гидравлическим ударом называют резкое повышение давления в трубопроводах при внезапной остановке движущейся в них жидкости. Причинами такой остановки могут быть: быстрое закрытие задвижки на трубопроводе, внезапная остановка насоса или турбины, различные аварии и т. д. Особенно опасен гидравлический удар в длинных магистральных трубопроводах, в которых огромные массы жидкости движутся с большими скоростями. В этом случае в результате резкого повышения давления в трубопроводе могут произойти повреждения мест соединения труб (стыков, фланцев, переходов), разрыв стенок трубопровода, поломка насоса и т. п.

Гидравлический удар следует рассматривать как частный случай неустановившегося движения жидкости. Теорию гидравлического удара разработал Н.Е. Жуковский в 1898 г. Он установил, что гидравлический удар в трубе является быстропротекающим периодическим процессом, который сопровождается упругими деформациями жидкости и стенок трубы.

Рис. 2.24. Схема возникновения гидравлического удара

Рассмотрим горизонтальный трубопровод длиной / постоянного диаметра d, по которому движется жидкость с некоторой средней скоростью v при гидродинамическом давлении р₀ (рис. 2.24). Если быстро закрыть задвижку D, установленную на трубопроводе, то слой жидкости, находящейся в этот момент непосредственно около задвижки, также остановится. На участке трубопровода рядом с задвижкой образуется зона повышенного давления Д/. Вследствие перехода кинетической энергии в потенциальную давление в этой зоне возрастет на значение р_уа и совершит работу по сжатию жидкости и растяжению стенок трубы (см. рис. 2.24).

Поскольку реальная жидкость сжимается, то мгновенной остановки всей массы жидкости в трубопроводе не произойдет, а область повышенного давления будет перемещаться навстречу потоку с некоторой скоростью с, называемой скоростью распространения ударной волны, и достигнет начала трубы за время Т – – после закрытия задвижки. Но такое состояние не будет с

равновесным, под действием давления р_уа часть жидкости устремится из трубы в резервуар, и через время — во всем трубо-

проводе восстановится первоначальное давление р. Однако движение жидкости в сторону резервуара не прекратится, и в направлении от задвижки к резервуару начнет распространяться новая волна, понижающая давление в трубопроводе на величину р_ул (рис. 2.25).

Рис. 2.25. К расчету ударного давления

Через время — волна достигнет резервуара, при этом стенки с

трубы будут сжиматься, а жидкость расширяться. В этом случае кинетическая энергия жидкости вновь совершит работу деформации, но противоположного знака. Состояние трубы и жидкости в этой фазе также не будет равновесным, и поэтому ударная волна, отразившись от резервуара, будет вновь перемещаться в сторону

задвижки. За время — будет восстановлено первоначальное поло- с

Время — называется периодом гидравлического удара. Очевид- с

но, что этот период состоит из двух фаз. В течение первой фазы —

давление у задвижки будет больше первоначального на величину – _л 21

р_уя, в течение второй фазы — давление меньше первоначального

на /?_уд. В своих опытах Н. Е. Жуковский наблюдал до 12 полных периодов с постепенным уменьшением /?_уд вследствие трения и потери энергии в резервуаре.

Он установил, что кинетическая энергия потока Е_к расходуется на работу которая затрачивается на расширение стенок трубы, и на работу Л₂ сжатия жидкости, т. е.

Кинетическую энергию потока можно выразить следующей формулой:

Приравняв данное выражение к сумме работы по расширению стенок трубы и работы, затраченной на сжатие жидкости, Н.Е. Жуковский вывел уравнение для определения ударного давления /?_уд и скорости с распространения ударной волны:

где Е — модуль упругости стенки трубы; е — модуль объемной упругости жидкости; d — толщина стенки трубы.

Скорость распространения ударной волны с измеряется в единицах скорости. Физический смысл скорости ударной волны можно понять, если принять, что стенка трубы абсолютно жесткая, т. е. Е = .Тогда получим известное из физики выражение, определяющее скорость распространения звука в жидкой среде:

Формула для определения ударного давления справедлива при так называемом мгновенном закрытии задвижки, когда время

закрытия 71 меньше фазы гидравлического удара 71 — будет иметь место неполный гидравлический удар, с

т. е. ударная волна, отразившись от резервуара, возвратится обратно к задвижке раньше, чем она будет закрыта, и полного повышения давления в этом случае не произойдет. Частичное повышение давления р’_уа можно определить из соотношения

Подставив в выражение значение р по формуле Жуковского 2/

и т = —, получим другую формулу для определения частичного

повышения давления за счет ударной волны:

Таким образом, для ослабления гидравлического удара следует увеличивать время закрытия задвижки на трубопроводе. Кроме того, разработаны и применяются различные способы борьбы с гидравлическим ударом: установка предохранительных клапанов, отрегулированных на определенное давление, при повышении которого они открываются и понижают давление в трубопроводе; установка компенсаторов ударного давления (воздушных колпаков, уравнительных резервуаров, гидроаккумуляторов); установка в промежуточных точках трубопровода обратных клапанов; установка предохранительных диафрагм, которые разрушаются при повышении давления сверх допустимого предела и сбрасывают жидкость.

Вопросы для самопроверки

• 1. Что изучает гидродинамика?
• 2. Дайте классификацию видов движения жидкости.
• 3. Что такое установившееся и неустановившееся движение жидкости?
• 4. Чем отличается напорное движение от безнапорного?
• 5. Что понимается под потоком жидкости и жидкой частицей?
• 6. Что представляет собой струя, линия тока и элементарная струйка?
• 7. Перечислите свойства элементарной струйки.
• 8. Какими гидравлическими характеристиками обладает поток жидкости?
• 9. Что такое расход жидкости?
• 10. Дайте определение средней скорости потока.
• 11. Чем отличается равномерное движение от неравномерного?
• 12. Приведите уравнение неразрывности потока.

• 13. Назовите два режима движения.
• 14. Что происходит с режимом движения жидкости при критической скорости?
• 15. Приведите пример ламинарного режима.
• 16. Объясните устройство установки для исследования режимов движения жидкости.
• 17. Приведите пример турбулентного режима.
• 18. Как определяется число Рейнольдса?
• 19. Чему равно критическое число Рейнольдса для напорных трубопроводов и открытых потоков?
• 20. Объясните энергетический смысл уравнения Бернулли.
• 21. Дайте геометрическую интерпретацию уравнения Бернулли.
• 22. Приведите уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.
• 23. Какие устройства и сооружения работают на основе закона Бернулли?
• 24. Перечислите виды гидравлических потерь.
• 25. От чего зависят потери по длине?
• 26. Приведите формулу Вейсбаха—Дарси.
• 27. Как определяется коэффициент трения (Дарси) при ламинарном режиме?
• 28. Какие области сопротивления существуют при турбулентном режиме?
• 29. Чем отличаются гидравлически гладкие трубы от шероховатых?
• 30. Что понимается под эквивалентной шероховатостью?
• 31. Как определяется коэффициент трения при турбулентном режиме?
• 32. Чем обусловлены местные сопротивления?
• 33. Где встречаются местные сопротивления?
• 34. От чего зависит величина коэффициентов местных сопротивлений?
• 35. Дайте классификацию трубопроводов.
• 36. Какие основные зависимости применяют при расчете трубопроводов?
• 37. Какие задачи существуют при расчете трубопроводов?
• 38. Что такое гидравлический удар?
• 39. Перечислите виды гидравлического удара.
• 40. Какие меры применяют для борьбы с гидравлическим ударом?

Гидравлический удар

Гидравлическим ударом называется скачкообразное повышение давления в трубопроводе (гидросистеме), вызванное резким изменением скорости жидкости.

Название «гидравлический удар» явление получило потому, что резкое изменение давления может сопровождаться сотрясением трубы и появлением звука, сходного со звуком удара молотком по твердому телу.

В конце IXXвека после завершения строительства в Москве Рублевской водонапорной станции участились случаи разрыва труб, заложенных глубоко в земле. Первое время аварии объясняли плохим качеством изготовления водопроводных труб. Однако и после замены разрушенных труб новыми аварии возникали вновь. Это заставило начальника Московского водопровода обратиться за помощью к профессору Н.Е. Жуковскому 1 , который в то время являлся членом комиссии, решавшей проблему улучшения водоснабжения в г. Москве.

Н.Е. Жуковским была впервые разработана теория гидравлического удара в трубах, основные положения которой изложены в статье «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» (1898 г.).

Явление гидравлического удара рассмотрим на примере трубопровода длиной , диаметром, в котором под действием напора в бакедвижется вода со средней скоростью. Давление воды. На конце трубопровода расположено запорное устройство (задвижка, кран, клапан и т.д.).

Примем следующие допущения:

размеры резервуара велики, уровень в нем остается постоянным независимо от явлений, происходящих в трубопроводе.

начальное давлениев трубопроводе практическипостояннои равно;

движение воды в трубопроводе считаем одномерным, т.е. все местные скорости считаем равными средней скорости, а давление – одинаковыми во всех точках живого сечения. Характеристики такого движения зависят только от продольной координаты;

потери напора и скоростной напор малы, поэтому пьезометрическая линия практически совпадает с горизонтальной линией. Давление водыпрактически постоянно по длине трубы

В момент времени затвор мгновенно закрылся.

.

Жидкость продолжает двигаться с прежней скоростью. Слои, непосредственно примыкающие к затвору останавливаются (), давление повышается (), происходит сжатие жидкости и деформация стенок трубопровода. Кинетическая энергия движущейся воды переходит в потенциальную энергию сжатия воды и деформации стенок резервуара.

Такой процесс распространяется по всей трубе в сторону резервуара со скоростью .

Процесс повышения давления достиг резервуара.

Мгновенный останов под повышенным давлением

Это состояние неравновесное (неустойчивое). В трубе давление повышенное, стенки растянуты. Начинается процесс выхода воды обратно в резервуар, снижения давления до первоначального. Потенциальная энергия переходит в кинетическую.

Процесс распространяется в сторону запорного устройства со скоростью .

Процесс восстановления давления достиг запорного устройства. Деформаций нет. Скорость направлена от запорного в бак.

Инерция движущейся массы воды приведет к понижению давления у запорного устройста. Предполагается, что не происходит нарушения целостности столба воды. Происходит постепенная остановка жидкости и деформация стенок трубопровода. Такой процесс распространяется по всей трубе в сторону резервуара со скоростью .

Процесс понижения давления достиг резервуара.

Мгновенный останов под пониженным давлением

Это состояние неустойчиво. В трубе давление ниже, чем в резервуаре, стенки сжаты. Начинается процесс входа воды в трубопровод, повышения давления до первоначального и устранения деформации трубопровода. Потенциальная энергия переходит в кинетическую. Процесс распространяется в сторону запорного устройства со скоростью .

Процесс восстановления давления достиг запорного устройства. Деформаций нет. Скорость направлена из бака в сторону запора.

Цикл завершен. Восстановлено начальное состояние (см. ). Процесс повторяется.

В реальных условиях колебания постепенно затухают.

Гидравлический удар –явление резкого изменения давления, возникающее при напорном движении жидкости в трубе вследствие быстрого изменения скорости в одном из сечений.

Скорость ударной волны– скорость распространения волны изменения давления вдоль трубопровода.

Фаза удара– время, за которое волна изменения давления проходит весь трубопровод и возвращается обратно.. Различают фазу повышенного давления и фазу пониженного давления.

Положительный гидравлический удар – начинается с фазы повышения давления. Нами рассмотрен положительный гидроудар, задвижка в конце трубопровода.

Отрицательный гидравлический удар – начинается с фазы понижения давления. Если резко закрыть задвижку в начале трубопровода, то произойдет аналогичный процесс скачкообразного изменения давления, однако он начнется с понижения давления за задвижкой. То же происходит при резкой остановке насоса.

Читайте далее: Гидравлический удар в трубопроводахСсылка на основную публикацию wpDiscuz Adblock
detector

Сталь

Чугун

Пластик