Гидравлический удар в трубах

В напорном трубопроводе при внезапном изменении скорости движения жидкости (мгновенная остановка или появление движения) возникает гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением и понижением давления. Например, при мгновенной остановке движения жидкости, когда кинетическая энергия переходит в работу сил давления, т. е. жидкость оказывается сжатой, возникает удар непосредственно у крана на трубопроводе. Ударная волна распространяется по жидкости с постепенным затуханием колебаний.

Возникающее добавочное давление внутри трубопровода может привести к разрыву стыковых соединений, арматуры, стенки трубопровода. Если трубопровод перекрыт с обеих сторон, наблюдается постепенное затухание ударной волны, при наличии свободной поверхности (бака) волна затухает сразу.

Теоретическое обоснование явления гидравлического удара в трубах и методика его расчета были разработаны Н. Е. Жуковским еще в 1898 г. Передача сжатых частиц жидкости от одного сечения к другому происходит со скоростью ударной волны. а, которая, по Н. Е. Жуковскому, определяется по формуле:

(147).

где Е_ж — модуль упругости жидкости; d — диаметр трубы; Е_Т - модуль упругости материала, из которого сделан трубопровод; - толщина стенок труб Выражение в формуле (147) представляет собой скорость распространения упругих деформаций в жидкости; для воды она равна 1425 м/с. Следовательно, скорость распространения ударной волны в воде будет определяться по формуле:

(148).

Из этой формулы видно, что гидравлический удар больше и, следовательно, более опасен в трубах малого диаметра, а также в трубах из материала с более высоким модулем упругости. Вероятность возникновения удара тем больше, чем больше скорость движения жидкости.

Н.Е. Жуковский доказал также, что возрастание давления при гидравлическом ударе р — р₀ пропорционально плотности жидкости, скорости распространения ударной волны а и средней скорости движения жидкости до удара х₀:

Разделив это выражение на pg, получим:

(149).

Из этой формулы видно, что при гидравлическом ударе напор в трубопроводе возрастает на х_oa/g.

Для предохранения труб от последствий гидравлического удара необходимо принимать следующие меры;

не допускать больших скоростей движения жидкостей по трубам;

устанавливать предохранительные клапаны, срабатывающие при увеличении давления больше допустимого;

устанавливать на трубопроводах воздушные колпаки;

использовать запорную арматуру с медленным закрыванием клапана.

Время закрытия запорной арматуры можно определять по формуле Н. Е. Жуковского:

(150).

где х₀-скорость движения жидкости, м/с; l — длина трубопровода, м; Н_д — допускаемое повышение напора в трубопроводе, м.

Явление гидравлического удара может быть использова, но в технике. Так, еще в 1796 г. была изобретена водо подъемная машина под назва нием «гидравлический таран». Принцип действия гидравличе ского тарана виден из схемы на рис. 1.50. При движении во ды по питательной трубе 1 под напором Н₁, происходит ее излив через зазоры клапана 2, который под давлением воды захлопывается, вызывая возникновение гидравлического удара. Волна повышенного давления открывает клапан 3, и вода поступает в воздушный колпак и далее в трубопровод 4. При этом клапан 2 открывается, вновь начинается излив воды, и явление гидравлического удара повторяется. Таким образом вода постепенно поднимается по трубопроводу на высоту Н₂. Гндротаранные установки с успехом применяют в горных местностях, где для систем водоснабжения используются ключевые воды.

Рис. 42 Схема гидротаранной установки