Понятие о гидравлическом ударе.

При быстром закрытии за­порных устройств (клапанов, кранов и т. п.) в напорных трубо­проводах вследствие резкого изменения скорости движения жид­кости давление повышается до значений, в несколько раз превышающих номинальное давление в гидросистеме. Это явление назы­вают гидравлическим ударом. Гидравлический удар весьма опа­сен для гидроагрегатов и трубопроводов и может вызвать их раз­рушение.

Теория гидравлического удара разработана Н. Е. Жуковским и получила признание и широкое распространение.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного диаметра d длиной L, присоединенный к напорному резервуару и имеющий на конце задвижку (рис. 32). При быстром закрытии задвижки ки­нетическая энергия всей массы жидкости, движущейся со ско­ростью υ, преобразуется в энергию давления. Вследствие упругости жидкости и материала трубы через некоторый, весьма малый про­межуток времени (исчисляемый иногда тысячными долями се­кунды) после закрытия задвижки произойдет полная остановка и сжатие ближайшего к ней слоя жидкости под действием силы ос­тальной массы движущейся жидкости. У задвижки в этом случае давление повысится до максимального значения, произойдет пол­ный гидравлический удар. В следующий промежуток времени дав­ление увеличится в следующем слое жидкости, а потом в следующем и т. д. Таким образом, повышение давления распространяется в виде ударной волны к началу трубопровода (прямой гидравли­ческий удар) со значительной скоростью υ_у. давления достигает резервуара за время τ = L/υ_у так как давление в резервуаре в этот момент меньше, чем в трубопроводе (отра­женный гидравлический удар), то жидкость начнет течь из трубо­провода в резервуар, а от резервуара к задвижке будет пере­мещаться волна пониженного давления с той же скоростью υ_y. Время, в течение которого ударная волна пониженного давления достигает резервуара и отраженная волна пониженного давления возвращается к задвижке, составляет фазу гидравлического удара:

Т = [116]

Затем по трубе в направлении от задвижки к резервуару рас­пространяется отраженная волна пониженного давления. В ре­зультате давление в трубе становится меньше первоначального. Через промежуток времени τ ' = 3L/ υ_y волна пониженного дав­ления достигнет резервуара. Жидкость из резервуара вновь устре­мится в трубу. Таким образом, в трубопроводе вновь создаются условия для распространения волн повышенного давления Жуковский вывел формулу для определения максимального увеличения давления в трубах вследствие гидравлического удара (полного гидравлическо­го удара)

Δp_мах=ρυ_у

Здесь υ_y — скорость распространения ударной волны:

где Е_ж — модуль объемного сжатия жидкости; Е — модуль уп­ругости материала труб; δ — толщина стенок труб. При обычно применяемых на практике отношениях d/δ скорость υ_у, может быть принята для стальных труб 1000 м/с, для чугунных 1200 м/с.

Для ослабления гидравлического удара запорные приспособ­ления следует закрывать медленно. Если время закрытия τ >2L/υ_y то повышение давления не достигает максимального зна­чения, так как частично давление при этом постепенно гасится отраженной волной (неполный гидравлический удар). Повышение давления при постепенном закрывании задвижки (неполном гидравлическом ударе) приближенно определяют по формуле

[117]

Для предупреждения возникновения гидравлического удара применяют медленно закрывающиеся задвижки, вентили, воздуш­ные колпаки, предохранительные клапаны.

Кавитация. В жидкости по разным причинам может возникнуть разрежение: вследствие ее засасывания насосами, при быстром ее обтекании твердых поверхностей и т. п. При некоторой (критиче­ской) скорости давление внутри жидкости становится ниже дав­ления насыщенного пара при данной температуре. В результате этого в ней нарушается сплошность среды и образуются полости (пустоты), куда устремляются пары и газы, растворенные в жид­кости. Это явление называется кавитацией (от латинского кавитас, что означает полость). Каждая полость окружена жидкостью, оказывающей на полость огромное давление благодаря действию молекулярных сил. Под действием высокого давления полости лопаются, а в месте их исчезновения происходит резкое увеличение давления — возникает своего рода гидравлический удар. А так как этих полостей, особенно в быстро движущейся жидкости, образуется множество и все они со временем «захлопываются», то в такой жидкости возникает множество гидравлических ударов.

Явление кавитации наблюдается в трубопроводах, находящихся под пониженным давлением, оно наблюдается при работе быстро­ходных центробежных насосов, рабочих колес гидротурбин, ло­пастей винтов, у крыльев судов на подводных крыльях, и т. д. Кавитация оказывает вредное действие на работу машин и трубо­проводов: увеличиваются потери энергии на трение, понижается КПД, развиваются опасные вибрации и происходит так называе­мая кавитационная коррозия металлов, т. е. разрушение металла вследствие развивающихся многочисленных гидравлических уда­ров. Вначале с поверхности металла, подвергаемого кавитационной коррозии, выкрашиваются отдельные кусочки, а затем про­цесс быстро распространяется в глубь металла, охватывая своим разрушающим действием все большие участки. В результате ме­талл становится рыхлым, губчатым и, в конце концов, совсем раз­рушается. Часто к кавитационной коррозии добавляется химиче­ская коррозия, и процесс разрушения металла еще больше уско­ряется. Во избежание кавитационных явлений или с целью умень­шения их отрицательного действия приходится ограничивать ча­стоту вращения рабочих колес гидравлических машин, винтов судов, уменьшать скорость движения судов на подводных крыльях, изготовлять колеса, винты, крылья из антикоррозионных особо-прочных материалов и придавать им специальные, порой весьма сложные, формы.

Истечение жидкости из отверстия. Изучение этого вопроса имеет большое практическое значение, так как с ним приходится сталкиваться при решении задач об опорожнении различных емко­стей — железнодорожных цистерн, молоковозов и бензовозов, водонапорных баков и т. д.