Гидравлический удар

В напорном трубопроводе при внезапном изменении движения жидкости (мгновенная остановка или появление движения) возникает гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением и понижением давления.

Рис. 50. К пояснению гидравлического удара

Пусть по трубе движется поток жидкости со скоростью υ. В конце трубы имеется затвор (задвижка или кран), если его внезапно закрыть, то скорость внезапно упадет до нуля. Вода сжимается, давление резко увеличивается, стенки трубопровода расширяются. Ударная волна сначала сжимается, а потом, как пружина, отталкиваясь от задвижки, идет в обратную сторону, давление падает, может упасть до р_вак; а затем все повторяется в обратную сторону. Эти колебания постепенно затухают.

Таким образом, при мгновенной остановке массы воды в длинном трубопроводе запас кинетической энергии должен быть куда-то израсходован.

При резком повышении давления будет наблюдаться два явления:

а) деформация стенок трубопровода за счет упругости материала;

б) деформация жидкости при ударе (сжатие жидкости).

Теоретическое обоснование явления гидравлического удара в трубах и методика его расчета была разработана Н.Е. Жуковским в 1898 г.

Гидравлическим ударом называется изменение давления (понижение или повышение) в напорных трубопроводах в период неустановившегося движения жидкости (когда скорость меняется во времени). Удар распространяется по трубопроводу, как упругая волна со скоростью с, зависящей от сжимаемости жидкости и упругости стенок трубопровода.

Рассмотрим прилежащую к задвижке часть объема жидкости , Так как жидкость сжимается, то остановка всей ее массы в трубопроводе не происходит одновременно. Часть объема жидкости перемещается вдоль трубы со скоростью распространения ударной волны с.

– площадь поперечного сечения трубы, Vж=ω·dl – рассматриваемый объем жидкости, – давление у задвижки до закрытия, – давление у задвижки после остановки.

р0+Δр

р0+Δр

Рис. 51

Импульс силы, действующей в течение времени dt, равен (*). Импульс – толчок, побуждение – в механике, то же, что и количество движения. Для материальной точки массы определяется выражением mυ.

Так как за это время dt часть объема жидкости, остановившись, потеряет количество движения

, (124)

то выражения (*) и (124) можно приравнять:

, (125)

так как скорость распространения ударной волны , то повышение (понижение) давления при гидравлическом ударе в трубопроводе равно (формула Жуковского):

, (126)

где υ – скорость движения жидкости, с – скорость движения волны.

Этой формулой пользуются в случае полного удара, кода время закрытия затвора t_з меньше фазы гидравлического удара t_ф, т.е.

t_з < t_ф, (127)

Длительность фазы гидравлического удара определяется:

, (128)

где l – длина трубопровода.

Если наблюдается неполный удар

t_з > t_ф, (129)

то изменение давления

. (130)

Скорость распространения ударной волны можно определить по формуле Жуковского:

, (131)

где – модуль объемной упругости жидкости, величина, обратная коэффициенту сжимаемости, равный для холодной воды 2,06·10⁸ Па; E – модуль упругости материала стенок трубы, равный для стали 2,06·10¹¹ Па, для чугуна 9,81·10¹⁰ Па, для бетона (1,48÷1,96)·10¹⁰ Па; d – диаметр трубы; – толщина стенок трубы; – плотность жидкости.

Напряжение в стенках трубопровода:

. (132)

Скорость распространения ударной волны в воде можно подсчитать по формуле [3]:

, (133)

где a – безразмерный коэффициент: для стали, железа равен 0,5, для чугуна и меди равен 1, для свинца равен 5.

Исходя из формул (128) и (129) можно определить безопасное время закрытия задвижки

. (134)

Меры борьбы с гидравлическим ударом. Для предохранения труб от последствий гидравлического удара необходимо принимать следующие меры:

1. Самая радикальная мера – медленное закрытие крана, то есть использовать соответствующую запорную арматуру.

2. Не допускать больших скоростей движения жидкостей по трубам. Гидравлический удар наиболее опасен в трубах малого диаметра, а так же в трубах с более высоким модулем упругости.

3. Использовать механические способы борьбы с гидравлическим ударом: а) устанавливать предохранительные клапаны, срабатывающие при увеличении давления больше допустимого; б) устанавливать на трубопроводах воздушные колпаки.

Явление гидравлического удара может быть использовано в технике для подъема воды (например, в горных местностях, где для систем водоснабжения используют ключевые воды). Такая водоподъемная машина была изобретена в 1796 г. и названа «гидравлическим тараном».

Пример. По стальному трубопроводу длиной l = 2 км подается вода с расходом Q =28 л/с, диаметр трубопровода d= 200 мм, толщина его стенок δ =6 мм. Определить повышение давления в трубопроводе, если в его конце будет закрыта задвижка в течение: 1)3 с; 2 ) 10 с.

Решение. Определяем скорость распространения ударной волны по формуле (131):

м/с.

До закрытия задвижки скорость в трубопроводе

м/с.

Фаза удара определится по формуле (128):

с.

Следовательно, в первом случае возникает полный удар, поэтому повышение давления считаем по формуле (126); а во втором – неполный удар, считаем по формуле (130). Определим повышение давления:

1) МПа,

2) МПа.