11. Гидроудар

Гидравлическим ударом называется колебательный процесс резкого изменения давления в жидкости, вы­званного внезапным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления. Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.

Гидравлический удар чаще всего возникает при быстром перекрытии трубопровода запорным устройст­вом (рис. 23).

Рис. 23. Стадии гидравлического удара в трубопроводе

Рассмотрим стадии гидравлического удара:

• жидкость движется по трубопроводу со скоростью (рис. 2.24, а);

• мгновенное закрытие задвижки (рис. 23, б). Скорость частиц жидкости, натолкнувшихся на задвижку, погашается, их кинетическая энергия переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости. Стенки трубы растягиваются, жидкость сжимается* в соответствии с повышением давления на величину . На остановившиеся частицы жидкости набегают текущие за ними и тоже останавливаются, в результате чего сечение 1-1 перемещается от задвижки со скоростью с, называемой скоростью ударной волны. Область, в которой давление изменяется на величину называют ударной волной;

• ударная волна достигла резервуара (рис. 23, в). Жидкость в трубе остановлена и сжата, стенки тру­бы — растянуты;

• под действием перепада давления жидкость из трубы устремляется в резервуар, начиная с сече­ния, непосредственно прилегающего к резервуару (рис. 23, г). Сечение 1-1 перемещается в обратном направлении — к задвижке — с той же скоростью с. Давление за сечением выравнивается до р₀, труба приобретает начальное состояние;

• работа деформации жидкости и трубы полностью переходит в кинетическую энергию, жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость р₀, но направленную в другую сторону (рис. 2.24, д);

• движущаяся в резервуар жидкость стремится оторваться от задвижки, в результате возникает отрица­тельная ударная волна под давлением (рис. 23, е). Ударная волна направляется от задвижки к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся под дейст­вием давления жидкость. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформа­ций, но противоположного знака;

• отрицательная ударная волна достигает резервуара (рис. 23, ж);

• давление в трубе начинает выравниваться, что сопровождается возникновением движения жидкости из резервуара со скоростью v₀ (рис. 23, з). Когда отраженная от резервуара ударная волна достигнет за­движки, возникнет ситуация уже имевшая место (см. рис. 23, б). Весь цикл гидравлического удара по­вторится.

* В данном случае нельзя пренебрегать сжимаемостью жидкости, так как именно малая сжимаемость жидко­сти является причиной возникновения большого ударного давления.

Увеличение давления при гидроударе определяется по формуле Жуковского:

где и — средние скорости в трубопроводе до и «юле закрытия задвижки, м/с;

с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода,

где К— объемный модуль упругости жидкости;

Е— модуль упругости материала стенки трубопровода;

d — внутренний диаметр трубопровода;

δ — толщина стенки трубопровода.

При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энер­гии в резервуар (рис. 24).

Рис. 24. Изменение давления во времени около задвижки

Штриховой линией на рис. 24, а приведена теоретическая диаграмма изменения давления около за­движки при Сплошными линиями показан примерный вид действительной картины изменения давле­ния во времени.

При снижение давления в трубопроводе на величину невозможно, так как давление около за­движки падает практически до нуля ( ), что вызывает кавитацию и образование паровой кавер­ны. В связи с этим нарушается периодичность процесса (рис. 24, б).

Формулы Жуковского справедливы, когда время закрытия задвижки равно

где t_Q — фаза гидравлического удара;

l— длина трубопровода.

При этом условии имеет место прямой гидравлический удар. Непрямой гидравлический удар возникает когда ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полно­стью закрыта. При этом повышение давления в трубопроводе будет меньше, чем при прямом гидроударе.

Гидравлический удар может привести к повреждению мест соединений отдельных участков трубопровода (стыки, фланцы), разрыву стенок трубы, поломке насосов и т.п.

Для предотвращения гидравлического удара применяют различные устройства, устанавливаемые на тру­бопроводах, которые либо увеличивают время закрытия запорных устройств, либо принимают на себя возни­кающие резкие забросы давления: предохранительные клапаны, гидроаккумуляторы.