книги из ГПНТБ / Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник

превышает гидростатическое давление в 4 раза.

Рассмотрим также препятствие, представляющее собой пластинку установленную под углом а к оси струи (рис. 160). В этом случае’

<х=л

обычно называемом косым ударом, сила давления струи на пла­ стинку в направлении действия струи

§ 65. ГИДРОМОНИТОРНЫЕ ДОЛОТА

Явление ударного действия струи жидкости на преграду исполь­ зуется в нефтяном деле при бурении нефтяных и газовых скважин. В подобных случаях, как уже указывалось (см. § 55), промывочная жидкость, поступающая в скважину по колонне бурильных труб, выходит на забое из промывочных отверстий долота. Поскольку размеры этих отверстий весьма малы, струи вытекающей жидкости приобретают здесь значительную скорость — смывают с поверхности забоя обломки разбуренной породы, а при бурении в мягких поро­ дах и породах средней крепости могут также и разрушать их.

Эффективность динамического воздействия струи на породу может быть значительно повышена, если снабдить промывочные отвер­ стия насадками. Применение насадков, наиболее совершенных

сгидравлической точки зрения — с закругленными входными кром­

*Такую форму имеют лопатки активных гидравлических турбин.

2 1 2

ками, конически сходящихся, коноидальных, позволяет получить

следствие этого, существенно увеличивает силу ее ударного воздей­ ствия. Так как в подобных долотах используется гидромониторный эффект (разрушение породы струей жидкости), их обычно называют гидромониторными долотами.

При истечении жидкости из насадков гидромониторных долот наблюдаются следующие явления. Струя жидкости вытекает из

ющей все межтрубное пространство. При этом струя увлекает с собой окружающие частицы жидкости и, претерпевая существенные изме­ нения, принимает коническую форму, постепенно затормаживается и растекается. Схематически это показано на рис. 161.

Ядро постоянных скоростей

Точка О, являющаяся вершиной конуса, определяющего ф'орму струи, называется полюсом; а — угол конусности струи, который зависит от формы насадка и скорости истечения.

Из чертежа для любого сечения струи имеем

Сила динамического воздействия струи на забой характери­ зуется длиной Iо участка ядра постоянных скоростей. С увеличением этой длины возрастает проникающая и поражающая способность струи и, как следствие этого, увеличивается гидромониторный эф­ фект и происходит более интенсивное разрушение породы.

Как это следует из рис. 161 и формулы (5.38), длина 1й увеличи­ вается с уменьшением коэффициента к. Экспериментальные исследо­ вания, проведенные А. К. Козодоем, показали, что величина к зависит от типа насадка, его относительной длины lH/d0 и формы вход­ ных кромок. На рис. 162 приведены оптимальные конструкции насадков, для которых получены наименьшие значения этого

213

Глава шестая

ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

§66. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Всовременной технике применяются трубопроводы различного назначения, служащие для перемещения разнообразных жидкостей (вода, нефть, глинистые растворы и т. д.) и изготовляемые из разных материалов (металл, бетон, дерево). Наряду с трубопроводами самых незначительных размеров (капилляры), используемыми в лабора­ торной технике и контрольно-измерительной аппаратуре, имеются

трубопроводы протяжением в сотни километров (магистральные

нефтепроводы) и диаметром в несколько метров (трубопроводы

не имеющий разветвлений на пути движения жидкости от точки забора до точки потребления, с л о ж н ы м — трубопровод, представля­ ющий собой сеть труб, состоящую из основной магистральной грубы и ряда отходящих от нее ответвлений. С л о ж н ы е т р у б о п р о ­ в о д ы делятся на следующие основные виды:

а) п а р а л л е л ь н о е с о е д и н е н и е , когда к основной магистрали М подключены параллельно ей еще одна или несколько

2 1 5

б) путевой (или попутный), отбираемый из магистрали в ряде промежуточных точек по пути движения жидкости.

При этом расход называется сосредоточенным, если точки отбора располагаются на значительном расстоянии друг от друга, и непре­ рывным, если эти точки расположены очень близко одна от другой.

§ 67. ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ

Исходным уравнением для расчета трубопроводов является уравнение Бернулли (см. § 27), из которого, как известно, следует, что разность значений напора Н 1 в сечении 1—1 и Н 2 в сечении 2—2 затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости на участке между этими сечениями. Таким об­ разом,

АЯ = Я 1- Я а= 2 А 1. 2,

где

2 ^1 -2 ~ Ал. п Д"2 А«. п-

При этом потери напора на трение по длине определяются по формуле Дарси — Вейсбаха (4.45)

влений £ устанавливаются в зависимости от вида сопротивления на основании данных, приведенных в § 50.

В дальнейшем мы встретимся с различными видоизменениями расчетных формул, преследующими цель упрощения приемов рас­ чета.

Вспомним выражения для коэффициента к, данные в § 47,

216

при турбулентном режиме для гладких труб, и то обстоятельство, что при больших значениях Re (т. е. в области «вполне шерохова­ тых» труб при турбулентном режиме) коэффициент Я не зависит от Re; сохраняя для Я общую зависимость вида (6.3)—(6.4), следует в этом случае показатель степени у Re принять равным нулю.

Таким образом, общее выражение для коэффициента Я при любых режимах движения жидкости может быть представлено в виде

из (6.6) получим следующее общее выражение для потерь напора (формула Л. С. Лейбензона):

Если выражать все входящие в эту формулу величины в техниче­ ской системе единиц (кгс, м, с), то коэффициент А и показатели сте­ пени т, п и к будут иметь следующие значения (табл. 43).

Таблица 43

g

Для непосредственного определения расхода из выражения (6.7) получаем

2 1 7

где приняты обозначения

Значения коэффициента В и показателей г и р в этой формуле

Следовательно, при квадратичном законе сопротивления формула (6.8) может быть переписана таким образом:

Величина К в этой формуле называется модулем расхода. Формула (6.10) очень проста и поэтому часто применяется для

практических расчетов в области турбулентного режима при квадра­ тичном законе сопротивления. Последний же соответствует движе­ нию жидкости при больших значениях числа Рейнольдса, что прак­ тически обычно имеет место в водопроводах. Ввиду этого указанную формулу часто называют «водопроводной формулой».

При г = 1 из формулы (6.10) следует

Q= K.

Таким образом, модуль расхода представляет собой расход жид­ кости при уклоне, равном единице.

иь

Исходя из формулы Шези (4.43), для расхода можно получить также следующее выражение:

219

собой первую в истории гидравлики попытку учесть при расчетах влияние вязкости жидкости. Формула Шухова имеет вид

где т — коэффициент, зависящий от рода перекачиваемой жидкости и имеющий (по Шухову) следующие значения: для керосина т = 23; для нефтей (бакин­ ских) т = 18,4; для мазутов т = 4,6.

Формула Шухова дает несколько преувеличенные значения для потерь напора и в настоящее время, в свете современных воззрений на механизм дви­ жения жидкости, не может быть рекомендована для расчета. Однако в свое время она сыграла исключительно большую роль в развитии техники. По ней рас­ считывались наши первые магистральные нефтепроводы.

§ 68. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРИ РАСЧЕТЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРУБОПРОВОДОВ

В первоначальной и наиболее общей постановке задачи при про­ ектировании трубопроводов обычно задаются расход жидкости и положения начального и конечного пунктов трубопровода; в слу­ чае сложного трубопровода задача соответственно усложняется зада­ нием ряда расходных пунктов и расходов па отдельных участках. В результате проведения топографических изысканий и сопоставле­ ния отдельных возможных вариантов на плане местности наносится трасса и строится продольный профиль трубопровода. Таким обра­ зом, при гидравлическом расчете оказываются известными также длина трубопровода и все его высотные отметки. Определению под­ лежат диаметр трубопровода и напор в его начальном сечении.

Рассматриваемая задача допускает множество решений, так как при прочих равных условиях величина диаметра одновременно определяет и величину потерь напора: чем меньше диаметр, тем больше потери и, наоборот, чем больше диаметр, тем потери меньше. Поэтому при решении исходят из требований оптимальности и техни­ ческой целесообразности сооружения и эксплуатации трубопровода.

Меньшие диаметры требуют значительно меньших капитальных затрат на сооружение трубопровода. Стоимость труб, объем земля­ ных работ и работ по укладке труб тем меньше, чем меньше диаметр. Однако уменьшение диаметра трубопровода приводит к увеличению потерь напора, а следовательно, и к увеличению мощности насосов и двигателей, их стоимости и эксплуатационых расходов. Экономи­ чески наиболее выгодный диаметр должен соответствовать наимень­ шей полной стоимости трубопровода, зависящей от капитальных затрат на сооружение и прокладку самого трубопровода, расходов на сооружение насосных станций и эксплуатационных расходов.

По В. С. Яблонскому, приближенно можно принять, что экономически наивыгоднейший диаметр обычно соответствует скоростям течения жидкости примерно 1 м/с, т. е. диаметру, определяемому по формуле

d3=iA2V~Q,

где при расходе жидкости Q, выраженном в м3/с, диаметр d3 получается в м.

222