8.11 Гидравлический удар в напорных трубопроводах

При резкой остановке жидкости в напорном трубопроводе происходит замедление ее движения, в результате чего возникают силы инерции, которые приводят соответственно к повышению давления в трубопроводе. Это явление, сопровождающееся нередко звуком, сходным со звуком глухого удара твердых тел, а в ряде случаев и сильным сотрясением трубопровода, получило название гидравлического удара.

Несмотря на то, что с явлением гидравлического удара, неоднократно приводившим к авариям трубопроводов, ученые и инженеры были знакомы сравнительно давно, правильное объяснение этого сложного физического процесса было дано лишь в 1898 г. профессором Московского университета Н. Е. Жуковским на основании обширных теоретических и экспериментальных исследований.

Теория гидравлического удара и расчетные формулы, выведенные Н. Е. Жуковским, были использованы учеными и инженерами всего мира при расчете трубопроводов и дальнейшем изучении этого явления.

8.11.1 Явление гидравлического удара

Пусть жидкость перетекает по трубопроводу со скоростью υ из легкого резервуара в правый. (рис.80). На трубопроводе установлен кран. Расстояние от левого бака до крана ℓ.

υ

ℓ

Рис. 80 – Схема, поясняющая явление гидравлического удара

Если при напорном течении жидкости в трубе мгновенно закрыть кран (отключить насос, то есть остановить жидкость), то жидкость в силу своей инерции будет продолжать двигаться по трубе, накапливаясь перед краном и деформируя стенки трубопровода.

По окончании процесса деформации стенок трубопровода жидкость перед краном окажется полностью сжатой, то есть давление здесь будет наибольшим, поэтому начнется обратное движение жидкости. И такой колебательный процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся энергия жидкости не израсходуется на преодоление гидравлических сопротивлений.

Повышение давления в жидкости при напорном ее течении в трубе, происходящее в результате резкого изменения скорости за малый промежуток времени, называется гидравлическим ударом.

8.11.2 Скорость распространения ударной волны

Волна повышенного давления, возникшая у места остановки жидкости, идет вверх по трубе со скоростью распространения ударной волны, определяемой по формуле Н.Е.Жуковского:

(105)

где ρ – плотность жидкости;

d – диаметр трубопровода;

δ – толщина стенки трубопровода;

Е_ж, Е_ст – модуль упругости жидкости и материала стенок трубопровода соответственно.

В таблице 5 приведены модули упругости некоторых жидкостей.

Таблица 5

Жидкость	Модуль упругости	Жидкость	Модуль упругости
Вода	2100	Турбинное масло	1750
Нефть	1300	Спирт	1000
Керосин	1400	Глицерин	4150
Ртуть	25100

Модуль упругости для стали Е = 2* МПа, для чугуна Е = МПа.

Скорость распространения ударной волны в чугунных трубопроводах

с ≈ 1200 м/с; в стальных – с ≈ 1000 м/с.