Гідравлічний удар

Під гідравлічним ударом розуміють різке збільшення тиску в трубопроводах при раптовій зупинці рідини, що рухається в них.

Для з'ясування явищ, що відбуваються при гідравлічному ударі, розглянемо горизонтальний трубопровід постійного діаметра, по якому із середньою швидкістю рухається рідина. Якщо швидко закрити встановлену на такому трубопроводі засувку, то шар рідини, що знаходиться безпосередньо біля засувки, має в момент закриття зупинитися, а тиск – збільшитись (унаслідок переходу кінетичної енергії в потенційну енергію тиску). Виходячи з того, що рідина стислива, зупинка всієї її маси в трубопроводі не відбувається миттєво.

Розглянемо детальніше гідравлічний удар при різкому закритті крана. Нехай у кінці труби, по якій рідина рухається зі швидкістю здійснено миттєве закриття крана (рис. 1.40, а). Тоді швидкість частинок рідини, що натрапили на кран, буде погашена, а їх кінетична енергія перейде в роботу деформації стінок труби і рідини. При цьому стінки труби розтягуються, а рідина стискається відповідно до підвищення тиску ∆р_уд. На загальмовані частинки біля крана набігають інші, сусідні з ними, частинки і теж втрачають швидкість, унаслідок чого переріз n–n переміщається вправо зі швидкістю с, яку називають швидкістю ударної хвилі; сама ж перехідна область, у якій тиск змінюється на величину ∆р_уд , називається ударною хвилею.

Коли ударна хвиля переміститься до резервуара, рідина виявиться зупиненою і стисненою у всій трубі, а стінки труби – розтягнутими. Ударне підвищення тиску ∆р_уд поширеться на всю трубу (рис. 1.40, б). Але такий стан не є рівноважним. Під дією перепаду тиску ∆р_уд частинки рідини спрямовуються з труби до резервуара, причому цей рух почнеться з перерізу, безпосередньо прилеглого до резервуара. Тепер перетин n–n переміщається у зворотному напрямку – до крана з тією самою швидкістю с, залишаючи за собою вирівняний тиск р₀ (рис. 1.40, в).

Рідина і стінки труби передбачаються пружними, тому вони повертаються до колишнього стану, відповідного тиску р₀. Робота деформації повністю переходить у кінетичну енергію, і рідина в трубі набуває первинної швидкості , але спрямованої тепер у протилежний бік.

З цією швидкістю «рідка колона» (рис. 1.40, г) прагне відірватися від крана, у результаті виникає неґативна ударна хвиля під тиском р₀ – ∆р_уд, яка направляєтся від крана до резервуара зі швидкістю с, залишаючи за собою стиснені стінки труби і розширену рідину, що зумовлено зниженням тиску (рис. 1.40, д). Кінетична енергія рідини знов переходить у роботу деформацій, але протилежного знака.

Стан труби у момент приходу неґативної ударної хвилі до резервуара показаний на рис. 1.40, е. Так само як і для випадку, зображеного на рис. 1.40, б, він не є рівноважним. На рис. 1.40, ж показаний процес вирівнювання тиску в трубі та резервуарі, що супроводжується виникненням руху рідини зі швидкістю .

Відомо, що як тільки відбита від резервуара ударна хвиля під тиском ∆р_уд досягне крана, виникне ситуація, що вже мала місце у момент закриття крана. Увесь цикл гідравлічного удару повториться.

Рисунок 1.40 – Стадії гідравлічного удару

Якщо гідравлічний удар являє собою хвилю підвищення тиску, то він називається позитивним; удар, що викликає зниження тиску, – негативним. Хвиля зміни тиску (позитивна або негативна), що поширюється вгору за течією, називається прямою, а хвиля протилежного напрямку – зворотною.

Поверхню, що відокремлює ділянку поширення ударної хвилі від ділянки незбуреного нею руху, називається фронтом хвилі. Фронт будь-якої хвилі гідравлічного удару переміщається з кінцевою швидкістю, яку називають швидкістю поширення ударної хвилі. Час, протягом якого ударна хвиля проходить подвійну довжину труби, називають фазою гідравлічного удару.

Швидкість поширення ударної хвилі залежить від роду рідини, матеріалу труби, її діаметра і товщини стінок і визначається наступним виразом:

,

(1.69)

де К – модуль пружності рідини; ρ – густина рідини; Е – модуль пружності матеріалу труби; d – внутрішній діаметр труби; δ – товщина стінок труби.

Підвищення тиску при прямому ударі, коли час закриття (відкриття) засувки більший, ніж фаза гідроудару t_зас>T визначається за формулою:

,

(1.70)

де – швидкість руху води в трубопроводі до закриття засувки.

Якщо час закриття засувки менший за фазу удару (t_зас < Т), то такий удар називається прямим.

У цьому випадку додатковий тиск може бути визначений за формулою:

.

(1.71)

Результат дії удару виражають також величиною підвищення напору, що дорівнює:

– при прямому ударі ;

– при непрямому .

Гідравлічний удар може мати місце, наприклад, при швидкому закритті різних запірних пристроїв, установлюваних на трубопроводах (засувка, кран), раптовій зупинці насосів, що перекачують рідину, та ін. Особливо небезпечний гідравлічний удар у довгих трубопроводах, у яких рухаються значні маси рідини з великими швидкостями.

У випадках, якщо не застосовувати відповідних запобіжних заходів, гідравлічний удар може призвести до пошкодження місць з'єднань окремих труб (фланці, розтруби), розриву стінок трубопроводу, поломки насосів та ін.