Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называется резкое изменение давления в трубопроводе вследствие резкого изменения скорости движения в нем. Гидравлический удар может наблюдаться, например, при быстром закрывании запорных устройств, при внезапной остановке насоса и т.п. При этом различают положительный удар, когда происходит повышение давления вследствие уменьшения скорости, и отрицательный удар, когда давление падает вследствие увеличения скорости.

Рис. 7.17

Пусть в напорном трубопроводе с рабочим давлением жидкости p₀ будет внезапно закрыта задвижка А (рис. 7.17). Тогда в результате остановки жидкости произойдет резкое повышение давления в нем вследствие перехода кинетической энергии остановившихся слоев жидкости в потенциальную энергию - энергию давления. Остановка жидкости не происходит мгновенно, а в течение весьма малого отрезка времени Dt. В течение этого времени в часть объема wDx поступают продолжающие движение предыдущие слои жидкости.

Пользуясь теоремой об изменении количества движения, найдем увеличение давления Dp при гидравлическом ударе (рис. 7.18). Изменение количества движения за время Dt будет

rwDxu,

где rwDx - масса жидкости; w - площадь сечения трубы, u –скорость движения жидкости до закрытия задвижки А (рис. 7.17).

Это изменение количества движения должно равняться импульсу силы

.

Отсюда

,

где – скорость, с которой распространяется повышение давления (скоростное распространение ударной волны). Отсюда получаем формулу для определения повышения давления

,

которая называется формулой Жуковского.

Величина скорости распространения ударов волны зависит от рода жидкости, материала и размеров трубы и определяется по формуле

,

где K - модуль упругости жидкости; r - плотность жидкости; E - модуль упругости материала трубы; d – диаметр трубы; d - толщина стенки трубы.

Повышение давления будет распространяться от задвижки к резервуару со скоростью с. После того как остановится последний слой жидкости у резервуара, вся жидкость в трубопроводе будет сжата. Но так как в этот момент давление в резервуаре будет меньше давления у задвижки, то жидкость придет в движение по направлению к резервуару. При этом давление жидкости, начиная от резервуара, будет понижаться. Это понижение будет распространяться со скоростью с в направлении к задвижке и будет называться обратной волной. Время пробега прямой и обратной ударных волн составляет длительность фазы гидравлического удара. Благодаря инерции массы жидкости, находящейся в трубопроводе, она продолжает двигаться по направлению к резервуару и после того, как движение у задвижки снизится до давления p₀ (рабочее давление при открытой задвижке А). Поэтому давление у задвижки продолжает снижаться и дальше до некоторого давления p_min
(см. рис. 7.17). Так как p_min меньше, чем давление в резервуаре, то вновь начнется движение жидкости к задвижке, и снова произойдет гидравлический удар, но уже меньшей силы ввиду того, что часть энергии жидкости будет потеряна на гидравлических сопротивлениях. Таким образом, при гидравлическом ударе будут совершаться затухающие колебания давления.

Для предотвращения гидравлического удара следует:

1. Увеличивать время закрытия и открытия запорных устройств.

2. Устанавливать воздушные колпаки, играющие роль буфера, смягчающего повышение давления.

3. Устанавливать специальный предохранительный клапан К (см. рис.7.17), который сбрасывает часть жидкости из трубопровода, уменьшая тем самым уровень давления при гидравлическом ударе.

Предохранительный клапан при давлении p₀ находится в закрытом состоянии и открывается лишь при значительном возрастании давления в магистрали.