8Гідравлічний удар в трубах

8.1Основні поняття і залежності

Гідравлічним ударом називається різка зміна тиску в напірному трубопроводі внаслідок раптової зміни швидкості рідини в часі.

Н а рис. 8.1 поданий стенд для дослідження параметрів гідравлічного удару

При гідравлічному ударі відбувається різке підвищення тиску в трубі. Кінетична енергія шарів рідини, які зупинилися в трубі, перетворюється в потенціальну енергію стиснутої рідини.

В першу чергу тиск збільшується безпосередньо біля запірного пристрою після зупинки перших шарів рідини. Потім, в міру зупинення наступних шарів, збільшення тиску буде швидко розповсюджуватись вверх по трубопроводу, утворюючи хвилю підвищення тиску (ударну хвилю (Shock wave)). Підвищення тиску, розповсюджуючись по трубопроводу з великою швидкістю, викликає стиск рідини і розширення стінок труби.

Вказана пружна деформація рідини і труби відбувається зі швидкістю розповсюдження тиску по довжині труби.

Швидкість розповсюдження пружних деформацій називається швидкістю розповсюдження ударної хвилі.

Після того як зупиниться останній шар рідини біля резервуара, із котрого починається трубопровід, тиск біля запірного пристрою досягне свого максимуму. Характер підвищення тиску біля запірного пристрою показаний на схематичній „ударній діаграмі” (рис. 8.2), розглядаючи котру бачимо, що підвищення тиску біля засувки відбувається не на самому початку удару, а через деякий, правда дуже малий, проміжок часу від початку підвищення тиску. Це пояснюється тим, що явище удару відбувається в

п ружному середовищі.

Таким чином, після зупинення останнього шару вся рідина в трубопроводі буде стиснута. Але оскільки в цей момент тиск в резервуарі буде меншим ніж тиск в трубопроводі , то рідина прийде в рух по напряму до резервуара. Внаслідок цього відбудеться різке зниження тиску в трубопроводі.

Зниження тиску, яке передається від шару до шару і розповсюджується по напряму до запірного пристрою, називається зворотною ударною хвилею.

Час пробігу прямої і зворотної ударної хвиль складає тривалість фази гідравлічного удару Т. Коли тиск знизиться по всьому трубопроводу, рідина зупиниться, знаходячись під пониженим тиском. При цьому положенні, коли тиск в трубопроводі буде менший, ніж в резервуарі, почнеться зворотний рух рідини до запірного пристрою з відновленням швидкості і тиску , а потім знову відбудеться гідравлічний удар. Він буде характеризуватись меншим підвищенням тиску, оскільки частина енергії втрачена. За цією зворотною хвилею настане друга, тобто повториться фаза гідравлічного удару і т. д.

Описаний процес відбувається надзвичайно швидко, оскільки швидкості розповсюдження ударної хвилі дуже великі. Втрати енергії супутні коливному руху рідини , призводять до поступового згасання даного процесу.

На рис. 8.2 схематично показана діаграма зміни тиску при гідравлічному ударі в залежності від часу, котра показує, що підвищення тиску при гідравлічному ударі може на багато разів перевищувати тиск, який маємо в умовах статичного напору.

Вперше явище гідравлічного удару експериментально і теоретично було вивчено Н. Е. Жуковським, котрий в 1898 році розробив теорію гід-

равлічного удару.

При виведенні основних залежностей гідравлічного удару Жуковський користувався теоремою про кількість руху, а також фрагментами теорії пружності , .

Формула для швидкості розповсюдження ударної хвилі має вигляд

, (8.1)

де  – товщина стінок труби;

Е – модуль пружності матеріалу, із якого зроблений трубопровід;

– швидкість розповсюдження пружних деформацій в рідині з густиною  і модулем пружності Е₀, для води С₀= =1425 м/с.

Коли по трубопроводу діаметром d рухається вода

. (8.2)

Підвищення тиску

, (8.3)

де Р₀ і v₀ – тиск і швидкість, яка відповідає початковому моменту перед ударом.

Максимальне підвищення тиску ∆Р_макс маємо, коли v = 0, отже

. (8.4)

Формула (8.4) справедлива при прямому гідравлічному ударі, тривалість фази котрого Т = 2 l/С більша часу закривання трубопроводу Т₃, тобто Т > Т₃. Це значить, що відбита хвиля підійде до кінця труби в той момент, коли засувка уже буде повністю закрита.

Великі тиски, які виникають при гідравлічному ударі, небезпечні для цілісності труб. Тому є багато методів боротьби з гідравлічним ударом.

Наприклад, якщо повільно закривати трубопровід

, (8.5)

де Т – тривалість фази удару ;

Т_з – час закриття запірного пристрою, с ;

Гідравлічний удар можливий при раптовому припиненні подачі енергії до насосів. Створені клапани – гасителі гідравлічних ударів.