Глава 8

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

§ 8.1. Системы трубопроводов и основные типы

ЗАДАЧ

В зависимости от длины и условий работы различают два типа трубопроводов: короткие и длинные.

Короткими называются такие трубопроводы, в которых местные потери напора являются значительными и составляют не менее 15 – 20% от потерь напора по длине.

Длинными называются трубопроводы, имеющие значительную протяженность, в которых потери напора по длине являются основными.

В случае расчета длинных трубопроводов местными потерями пренебрегают или же принимают их равными 5 – 10% от потерь напора по длине.

В зависимости от гидравлической схемы работы трубопроводы подразделяются на простые (рис. 8.1,а) (не имеющие ответвлений) и сложные (рис. 8.1,б и в). Схема, представленная на рис. 8.1,б называется также тупиковой, а на рис. 8.1,в – кольцевой. Следует иметь в виду, что простой трубопровод, может иметь переменный диаметр, на пример d₁, d₂, d₃ (рис. 8.1,а).

Рис 8.1

Места разветвления трубопроводов называются узлами.

При расчете трубопроводных систем встречаются два основных типа задач.

Первый тип. Определение геометрических размеров трубопровода, предназначенного для пропуска определенного расхода жидкости.

Второй тип. Установление гидравлических характеристик (потерь напора и пропускаемого расхода) при известных его геометрических размерах.

Две указанные задачи расчета являются укрупненными, и в пределах каждой из них возможна постановка нескольких конкретных задач.

§ 8.2. Основные расчетные зависимости

Основными расчетными элементами простого трубопровода являются его отрезки с постоянными расходами и диаметрами. При движении по такому достаточно длинному отрезку трубопровода потери напора можно определять без учета местных сопротивлений по уравнению (5.19)

.

Задачи нахождения потерь напора по длине и расхода жидкости в трубопроводах, предполагают, что длинные трубопроводы работают в квадратичной зоне сопротивления. При гидравлическом расчете трубопроводных систем в квадратичной зоне их сопротивления широко используют понятие расходной характеристики труб. Поясним это понятие.

По закону сплошности потока, с учетом формулы Шези ( , где – коэффициент Шези; b – опытный коэффициент пропорциональности), расход жидкости равен:

, (8.1)

где S – площадь сечения трубопровода, м²;

r_Г – гидравлический радиус, м.

После преобразований уравнение (8.1) имеет вид:

. (8.2)

Параметр К является величиной постоянной (К=const), т.к. для трубы постоянного диаметра величины S, C и r_Г – неизменны. В связи с этим, величина К также является неизменной и в дальнейшем именно ее будем называть расходной характеристикой.

Для труб из определенного материала, работающих в квадратичной области сопротивления, когда коэффициент Шези С не зависит от скорости движения, расходная характеристика является функцией только диаметра трубы и состояния стенок и может считаться универсальной.

Расход жидкости с учетом расходной характеристики определим по формуле

. (8.3)

Расходная характеристика имеет размерность расхода, и ее следует рассматривать как расход в трубе при гидравлическом уклоне, равном единице.

Преобразуем уравнение (8.2), с учетом формулы Павловского ( , где n – коэффициент шероховатости стенок трубопровода; y – переменный показатель степени, равный ):

. (8.4)

Учитываем, что , следовательно при неизменном коэффициенте шероховатости ( n=const ), расходная характеристика является функцией только диаметра трубы: .

В приложениях многих книг по гидравлике для стандартных диаметров труб приводятся значения расходных характеристик. Поскольку в литературе имеются готовые значения К для труб различного диаметра, то для упрощения гидравлических расчетов трубопроводов целесообразно преобразовать вторую водопроводную формулу ( ) таким образом, чтобы расходная характеристика находилась в ней в явном виде. Отсюда, с учетом того, что , имеем

. (8.5)

Из зависимости (8.3) видно, что

. (8.6)

Поэтому, с учетом уравнений (8.3), (8.5) и (8.6) следует, что

, (8.7)

где а – коэффициент, зависящий от геометрических размеров трубопро-

вода, (справочная величина).

Следовательно, вторая водопроводная формула примет вид:

, (8.8)

а расход жидкости через трубопровод определится по формуле

. (8.9)