Гидравлический удар. Гидравлический таран.

Под гидравлическим ударом понимают резкое повышение давления жидкости в трубопроводе, вызванное внезапным изменением скорости течения. Явление гидравлического удара свойственно только капельным жидкостям, которые почти не деформируются. Гидравлический удар в водопроводных линиях возникает при быстром закрытии или открытии запорной арматуры. Повышение давления при гидравлическом ударе иногда приводит к разрыву стенок трубы. Физически явление объясняется инерционными усилиями, возникающими в жидкости при резком изменении скорости движения.

Рассмотрим гидравлический удар на примере простейшей схемы (см. рис. 5.13). Пусть в резервуаре напор воды будет постоянным независимо от изменения скорости течения в трубе. При полностью открытом кране В в трубопроводе устанавливается скорость движения жидкости . При быстром закрытии крана жидкость в непосредственной близости от него остановится. Под действием напорадвижущихся по инерции частиц, давление в этой части трубопровода повысится, что приведет к расширению стенок трубопровода. Переход от движения к покою и повышение давления происходит по всей длине жидкости не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, что объясняется тем, что жидкость не является абсолютно несжимаемой, а стенки трубы немного, но деформируются. Движение в трубопроводе при гидравлическом ударе относится к категории неустановившегося, поэтому уравнение Бернулли в данном случае неприменимо.

Рис. 5.13. Движение жидкости в магистральном трубопроводе до гидравлического удара

Теоретическое обоснование явления гидравлического удара и метод его расчета впервые дал Н.Е. Жуковский в 1898 г. Жуковский предложил формулу для определения повышения давления, применив закон сохранения количества движения

,

(5.18)

где с – скорость распространения гидравлического удара вдоль трубы от крана до резервуара.

Скорость распространения гидравлического удара можно найти, применив закон сохранения массы с учетом уравнений механики упругих тел

,

(5.19)

где – модуль упругости жидкости; – модуль упругости трубы; r – радиус трубы; δ – толщина стенки трубы.

Повышение давления в трубопроводе будет гораздо меньше, если задвижку закрывать не мгновенно, а постепенно. В этом случае ударная волна успевает достигнуть резервуара, отразиться от него и вернуться к не полностью закрытому крану. Такой гидравлический удар называют непрямым. Повышение давления при непрямом гидравлическом ударе может быть оценено приблизительно, если считать, что его сила уменьшается пропорционально увеличению времени закрытия крана В по сравнению с фазой удара, которая рассчитывается по формуле . Повышение давления при непрямом ударе

,

(5.20)

где Т – время закрытия задвижки.

Самым простым методом, позволяющим избежать прямого гидравлического удара, является медленное закрытие задвижки. Этому требованию вполне удовлетворяют вентили различных конструкций и задвижки, менее всего – краны и клапаны. На насосных станциях, где имеется опасность возникновения гидравлического удара при отключении насосного агрегата в связи с аварией электросети, необходимы самостоятельные мероприятия по борьбе с гидравлическим ударом.

В водопроводах внутри зданий, где длины участков невелики и фаза удара незначительна, но есть быстродействующие запорные приспособления (краны), возможно образование непрямого гидравлического удара. Поскольку сила его прямо пропорциональна скорости течения до удара, то скорость течения воды в сети ограничивают 2,5 м/с.

Гидравлический таран (см. рис. 5.14) служит для подачи воды на небольшую высоту без использования насосов.

Подача воды осуществляется только с использованием энергии гидравлического удара. Для пуска тарана в действие открывают ударный клапан 3. Вода начинает поступать по трубопроводу 1 в рабочую камеру 2 и вытекает через клапан 3 наружу. С увеличением скорости движения вытекающей из клапана жидкости клапан поднимается и мгновенно закрывает отверстие в рабочей камере. Происходит гидравлический удар. Давление в рабочей камере резко повышается, и под действием этого давления открывается клапан 4. Часть воды после открытия клапана 4 поступает в воздушный колпак 5, давление в нем повышается, и часть жидкости поступает в трубопровод 6. Так как часть жидкости из рабочей камеры поступила в воздушный колпак, то давление в рабочей камере понижается, в результате под действием силы тяжести открывается клапан 3, и вода вновь по трубопроводу 1 начинает поступать в рабочую камеру и вытекать через клапан 3 наружу. Затем клапан 3 закрывается, происходит гидравлический удар, процесс повторяется, и новая порция воды вновь поступает в воздушный колпак и в трубопровод 6.

Рис. 5.14. Гидравлический таран

Таким образом, гидравлический таран затрачивает часть расхода на подъем воды по нагнетательному трубопроводу на высоту , которая может достигать 10 . Обычно теряется половина расхода.