39. Гидравлический удар в трубопроводах.
Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давленияв какой-либо системе, заполненнойжидкостью, вызванный крайне быстрым изменениемскоростипотока этой жидкости за очень малый промежуток времени.
Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещинвтрубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементытрубопровода. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаютсяобратные клапаны.
Явление
гидравлического удара открыл в
1897-1899г.Н. Е. Жуковский.
Увеличение давления при гидравлическом
ударе определяется в соответствии с
еготеориейпо формуле:
,
где Dp — увеличение давления в Н/м²,ρ — плотностьжидкости вкг/м³,v0 и v1 — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки(запорного клапана) вм/с,с — скорость распространения ударной волнывдоль трубопровода.
Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформациистенок трубопровода, определяемоймодулем упругостиматериалаE, из которого он выполнен, а также от диаметратрубопровода.
Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.
Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и τ соответственно) выражается следующей формулой:
Виды гидравлических ударов
В зависимости от времени распространения ударной волны τ и времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры)t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:
Полный (прямой) гидравлический удар, если t < τ
Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t > τ
При полном гидроударе фронтвозникшей ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно и повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.
При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.
Расчет гидравлического удара
Прямой гидравлический удар бывает тогда когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:
Здесь l - длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, Cu - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:
где
E
- модуль объемной упругости жидкости,
p
- плотность жидкости,
-
скорость распространения звука в
жидкости,Etr
- модуль упругости материала стенок
трубы, D
- диаметр трубы, h
- толщина стенок трубы.
Для
воды отношение
зависит
от материала труб и может быть принято;
для стальных - 0.01; чугунных - 0.02; ж/б -
0.1-0.14; асбестоцементных - 0.11; полиэтиленовых
- 1-1.45
Коэффициент k для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б
,
коэффициент
армирования кольцевой арматурой (f
- площадь сечения кольцевой арматуры
на 1м длины стенки трубы). Обычно a
= 0.015 − 0.05 Повышение давления при прямом
гидравлическом ударе определяется по
формуле:
P = pCuVo
где Vo - скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.
Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t3>Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:
Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:
при
прямом ударе
при
непрямом
Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов
Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или его полного предотвращения можно уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, увеличив его диаметр.
Для ослабления силы этого явления следует увеличивать время закрытия затвора
Установка демпфирующих устройств
Пример
Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напороми установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрытазадвижкаили закрытклапан.