ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБАХ

Под гидравлическим ударом понимают резкое увеличение давле­ния в трубопроводах при внезапной остановке движущейся в них жидкости. Гидравлический удар может иметь место, например, при быстром закрытии различных запорных приспособлений, устанавливаемых на трубопроводах (задвижка, кран), внезапной остановке насосов, перекачивающих жидкость, и т. д. Особенно опасен гидравлический удар в длинных трубопроводах , в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями. В этих случаях, если не принять соответствующих предупреди­тельных мер, гидравлический удар может привести к: поврежде­нию мест соединений отдельных труб (стыки, фланцы, раструбы), разрыву стенок трубопровода, поломке насосов и т. п.

Для выяснения явлений, происходящих при гидравлическом ударе, рассмотрим горизонтальный трубопровод постоянного диа­метра, по которому со средней скоростью v движется жидкость.. Если быстро закрыть установленную на таком трубопроводе за­движку, то слой жидкости, находящийся непосредственно у за­движки, должен будет в момент ее закрытия остановиться, а да­вление— увеличиться (вследствие перехода кинетической энер­гии в потенциальную энергию давления). Так как жидкость сжи­маема, то остановка всей ее массы в трубопроводе не происходит мгновенно; граница объема, включающего в себя остановившуюся жидкость, перемещается вдоль трубопровода с некоторой скоро­стью с, называемой скоростью распространения волны давления. Рассмотрим (рис. 177) прилежащую к задвижке часть объема жидкости Fc t — F S (где F — площадь сечения трубы). За время T этот объем, остановившись, потеряет количество дви­жения pF Sv.

Обозначим давление у задвижки до ее закрытия через р_о, а давление, возникшее после остановки, — через р_о + p и, пользуясь теоремой количества движения, найдем увеличение давления р. Импульс силы, действовавший в течение T, равен pF T; приравнивая его изменению количества движения за это же время, получаем

pF T=pF Sv,

откуда с учетом того, что =с, после сокращения на F, полу­чаем известную формулу Н. Е. Жуковского

р = pcv. (6.32)

по которой определяется повышение давления при гидравличе­ском ударе.

Далее останавливается ближайший к первому — второй слой жидкости, на который давят следующие слои, и т. д. Таким обра­зом, постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непосредственно у задвижки, распространяется по всему трубо­проводу против течения жидкости со скоростью с.

Если давление в начале трубопровода сохраняется неизменным (как, например, в случае, когда трубопроводом забирается вода из открытого бассейна с большой площадью поверхности), то после дос­тижения ударной волной начального сечения трубы в ней начнется обратное перемещение ударной волны с той же скоростью с, причем это будет уже волна понижения давления. Одновре­менно в трубе возникает движение жидкости по направлению к начальному сечению.

Рис. 177.

По достижении ударной волной сечения у задвижки давление здесь снижается и делается меньшим, чем первоначальное давление до удара; после этого начинается пере­мещение ударной волны, но уже волны понижения в направлении к началу трубопровода. Циклы повышений и понижений давления будут чередоваться через промежутки времени, равные времени двойного пробега ударной волной участка трубопровода от за­движки до начала трубопровода.

Таким образом, при гидравлическом ударе жидкость, находя­щаяся в трубопроводе, будет совершать колебательные движения, которые в силу гидравлических сопротивлений, поглощающих первоначальную энергию жидкости на преодоление трения, будут затухающими.

Скорость распространения ударной волны зависит от рода жидкости, материала трубы, ее диаметра и толщины стенок и опре­деляется следующим выражением:

(6.33)

здесь К — модуль упругости жидкости, т. е. величина, обратная коэффициенту сжимаемости; р — плотность жидкости; Е — модуль упругости материала трубы; d — внутренний диаметр трубы; р — толщина стенок трубы.

Если считать материал трубы абсолютно неупругим (Е= ), выражение для скорости с принимает вид

и скорость распространения ударной волны в этом случае равна скорости распространения звука в жидкости.

Значения Е для некоторых наиболее часто применяемых мате­риалов труб приведены в табл. 49.

Таблица 49

Значения модуля упругости Е для различных материалов

Для воды скорость распространения ударной волны может быть подсчитана по формуле

(6 34)

где безразмерный коэффициент а = 0,5 — для стали и железа, а = 1 — для чугуна и меди, а = 5 — для свинца.

В частном случае для обычных чугунных водопроводных труб приближенно можно принять

где при v, выраженном в м/с, р получается в атмосферах.

Таким образом, в этом случае ударное давление составляет 10—14 атмосфер на каждый метр потерянной скорости жидкости.

Для борьбы с гидравлическим ударом применяются различ­ного рода устройства, устанавливаемые на трубопроводах, уве­личивающие время закрытия задвижек и кранов и тем самым смягчающие действие удара. Безопасное время закрытия опреде­ляется по формуле

где L — длина трубопровода.

На магистральных трубопроводах устанавливаются также автоматически действующие предохранительные клапаны и воз­душные колпаки, которые располагаются перед задвижками и играют роль своеобразных воздушных буферов, воспринимаю­щих повышенное давление.

Если в каком-нибудь сечении трубопровода установить осо­бый прибор — индикатор, можно получить диаграмму изменения давления в этом сечении при гидравлическом ударе.

Индикатор (рис. 178, а) состоит из цилиндра А, внутри кото­рого имеется поршень В со штоком С и пружиной D. Цилиндр

присоединен к трубе в сечении, где замеряется давление пос­редством трубки Е с краном (на чертеже не показан). При повы­шении давления поршень инди­катора поднимается, преодоле­вая сопротивление пружины; при понижении давления пру­жина заставляет поршень опус­каться вниз. Перемещения пор­шня индикатора, вызываемые изменением давления в трубе, записываются пишущим штиф­том F (перо или карандаш), связанным системой рычагов с выступающим концом штока индикатора, на вращающемся с постоянной угловой скоростью барабане G. Очевидно, что на получающейся таким образом индикаторной диаграмме по вер­тикали будут отложены величины, пропорциональные давлению в месте установки индикатора, а по горизонтали — пропорцио­нальные времени.

Рис. 178.

Одна из подобных индикаторных диаграмм, снятых при гидра­влическом ударе, изображена на рис. 178, б. На этой диаграмме нижняя прямая 1—1 соответствует атмосферному давлению, верх­няя прямая 2—2 — статическому давлению (при покоящейся жидкости), средняя прямая 3-3 - динамическому давлению перед моментом закрытия задвижки; линия, представляющая собой чередующиеся друг за другом выступы и впадины, есть линия давления при гидравлическом ударе (после закрытия задвижки).

Ударное давление измеряется по диаграмме отрезком а по вер­тикали от динамической линии до горизонтальной части выступа; скорость распространения ударной волны по данным, взятым из диаграммы, будет с = , где Т - время, соответствующее расстоянию bна индикаторной диаграмме.