5. Гідравлічний удар у трубах

Експлуатація насосів тісно пов'язана з роботою трубопрово­ду. У тих випадках, коли насос подає воду (або іншу рідину) у довгий трубопровід,, при виході насоса або запірної арматури із ладу може виникнути явище, яке називається гідравлічним уда­ром.

Суть його така. Нехай у кінці трубопроводу 1, по котрому рухається рідина із швидкістю V₀₎ відбулося раптове закриття крана 2

Рисунок 13 - Схема до визначення гідравлічн ого удару

Частинки рідини, які знаходяться біля крана різко гальму­ються, і їх кінетична енергія перейде у роботу, яка витрачається на деформацію стінок труби і самої рідини. При цьому стінки тру­би розтягуються, а рідина стискується у зв'язку із підвищенням тиску на ΔР_уд.

Швидкість поширення підвищення тиску називають швидкістю ударної хвилі С.

На загальмовані частинки біля крана 2 "набігають" сусідні з ними і також зупиняються (гальмуються). Фронт 1-1 частинок, які зупинилися, за рахунок пружних сил стиснутого об'єму почне рухатися у бік резервуара 3 (або насоса) із швидкістю С до того моменту, доки цей фронт підвищеного тиску не досягне резервуа­ра 3. Оскільки у резервуарі тиск менший ніж у трубі, то під дією різниці тисків рідина почне надходити у резервуар із швидкістю V₀, а фронт розрідження почне переміщуватися у зворотному напрямку із швидкістю С. Коли фронт знову підійде до крана, то за рахунок інерції частинки рідини біля крана відірвуться від нього зі швидкістю V₀. Поблизу крана виникне зона зниженого тиску на ΔР_уд, що може призвести до розриву потоку.

Зона зниженого тиску, яка утворилася поблизу крана, поч­не переміщуватися у бік резервуара. Переміщення фронту зниже­ного тиску також рухається зі швидкістю С. Коли фронт зниже­ного тиску досягне резервуара 3, то вся рідина у трубі зупиниться і буде знаходитися під тиском ΔР_уд. У цьому випадкові під дією перепаду тиску рідина знову почне рухатися у сторону крана зі швидкістю V₀. Описане явище називається гідравлічним ударом. Цей процес проходить дуже швидко, із значним коливанням тиску Необхідно застосувати спеціальні технічні засоби, щоб запобігти розриву трубопроводу.

Швидкість переміщення фронту 1-1 дорівнює швидкості

поширення звуку в середовищі, яке заповнює, трубопровід. Підви­щення тиску при прямому гідравлічному ударі можна визначити за формулою

(2.24)

Гідравлічний удар може виникнути при раптовій зупинці насоса, який подає воду по напірному трубопроводу, наприклад, у водонапірну башту. Після зупинення насоса рідина деякий час бу­де рухатися по інерції й у трубопроводі утвориться знижений тиск. Потім почнеться зворотний рух рідини із резервуара в об­ласть зниженого тиску в трубопроводі, і тиск підвищується подібно тому, як це описано вище. За рахунок пружності стінок трубопроводу і стисливості рідини процес відбувається у вигляді затухаючої циклограми зі значним підвищенням тиску й обме­ження у часі.

У реальних умовах процес гідравлічного удару буде прохо­дити дещо по-іншому. При великих тисках, які супроводять гідравлічний удар, проявляється як стиснення рідини, так і пружність стінок трубопроводу.

Розрізняють прямий і непрямий гідравлічні удари. При рап­товому закриванні і відкриванні затвору, а також коли час закри­вання (відкривання) затвору Т менший від фази гідравлічного удару, тобто повного часу перебігу хвилі від затвору до резервуара і назад - удар називається прямим.Якщо більший, удар називається непрямим.

При непрямому ударі сумарний приріст тиску буде менший, ніж при прямому гідравлічному ударі.

Для боротьби з гідравлічним ударом збільшують час закри­вання й відкривання запірної арматури, встановлюють на трубо­проводі повітряні ковпаки. У момент гідравлічного удару підви­щується тиск і рідина із труби входить у ковпак та стискує у ньому повітря, що зменшує подальше збільшення тиску в трубопроводі.

На насосних станціях на початку напірних трубопроводів передбачають протиударні пристрої. При зупиненні насоса та зниженні тиску у трубопроводі клапани пристрою автоматично відкриваються і при зворотному підході води частина її вили­вається через клапани без підвищення тиску, після чого клапани закриваються.

На трубопроводах можуть бути встановлені також урівшо- вальні резервуари. При гідравлічному ударі у резервуар надхо­дить певна кількість води, що знижує додатковий тиск у трубо­проводі.

На практиці зустрічаються спеціальні пристрої для викори­стання рушійної сили гідравлічного удару. Одним із таких при­кладів може бути так званий гідравлічний таран, який викорис­товують для нагнітання води у резервуар, який розташований на позначці вищій, ніж трубопровід (резервуар).