7.4 Гидравлический удар в трубопроводах

• Под термином «гидравлический удар» подразумевается неустановившееся движение жидкости с практически ощутимыми колебаниями давления, которые могут быть опасными для прочности трубопроводов. Гидравлический удар в трубопроводе возникает тогда, когда скорость движения упругой жидкости (капельной) резко изменяется в результате быстрого закрывания или открывания задвижки или внезапной остановки насоса, или других причин.

• Рассмотрим гидравлический удар, вызванный мгновенным закрытием задвижки, установленной в конце горизонтального трубопровода длиной l, питающегося из большого резервуара, в котором поддерживается постоянный уровень Н_о (рисунок 7.3). После закрытия задвижки сначала остановится тонкий слой жидкости, непосредственно примыкающий к задвижке, остальная же масса жидкости продолжает некоторое время по инерции двигаться в сторону задвижки. В результате возрастает давление вблизи задвижки и в трубопроводе, и через некоторое время под действием этого давления возникает течение жидкости в сторону резервуара. Отток жидкости вызовет понижение давления в районе задвижки и повышение давления в начальной части трубопровода, что вызовет течение в сторону закрытой задвижки, и т.д., т.е. процесс будет повторяться циклически. Превышение давления р над некоторым начальным давлением р_нач очень велико, например, при скорости воды 1м/с р=1 МПа (10 атм). Колебания давления вокруг р_нач происходят с некоторым периодом Т (рисунок 7.3), причем теоретическое изменение давления показано пунктиром. На практике вследствие рассеивания энергии фактический процесс колебания давления носит затухающий характер.

• Теоретическое приращение давления при резком изменении скорости рассчитывается по формуле Н.Е. Жуковского

• 

  Рисунок 7.3 - Гидравлический удар

  p=cw_нач (7.6)

• где w_нач  изменение скорости движения жидкости, м/с ;

•   плотность жидкости, кг/м³;

• с  скорость ударной волны, м/с, определяемая по формуле:

• (7.7)

Скорость ударной волны по своему значению близка к скорости звука в жидкости

• (7.8)

• Перепад колебаний давлений определяется длиной трубопровода и скоростью ударной волны

• . (7.9)

(Обозначения смотри в примере) Например, гидравлический удар возникает в стальном трубопроводе длиной l=10 м диаметром 100 мм с толщиной стенки =10 мм, по которому течет вода со скоростью 2 м/с; модули упругости Е_вод=2,03х10⁹ Па, E_стенки=210¹¹ Па; _вод=1000 кг/м³

Скорость звука в воде:

• .

Скорость ударной волны:

• .

Максимальное повышение давления:

• p=1000x1350x2=2,7x10⁶ Па.

Период колебания

• 

• Гидравлический удар сопровождается звуком, схожим со звуком глухих ударов твердых тел, и сильным сотрясением трубопровода. Для предотвращения разрушения трубопровода необходимы специальные защитные меры (плавное открытие задвижек, установка предохранительных клапанов, компенсаторов и др).

• Явление гидравлического удара применяется как полезное в специальных устройствах (гидравлические тараны, гидроимпульсаторы и др.)