1.8 Гидравлический удар в трубах

Под гидравлическим ударом понимают резкое повышение (или понижение) давления жидкости в трубопроводе, вызванное внезапным изменением скорости течения.

Явление гидравлического удара свойственно только капельным жидкостям.

Упрощённо (пренебрегая рядом факторов, и в том числе потерями напора) процесс гидравлического удара можно представить себе так.

Пусть из резервуара большой ёмкости выходит горизонтальная труба, по которой в стационарном режиме протекает вода со скоростью v. На расстоянии l от входного сечения находится задвижка, которую можно закрыть как угодно быстро. Предположим, что закрытие мгновенное. Тогда частицы жидкости, которые непосредственно соприкасаются с поверхностью задвижки, мгновенно остановятся. Затем остановится ближайший к ним слой жидкости. Произойдёт очень быстрое сжатие этого слоя, и давление в нём увеличится. Назовём это увеличение давления ударным давлением. Затем остановится и сожмётся следующий слой жидкости, и в нём также увеличится давление. Далее сжатие жидкости, сопровождающееся увеличением давления, будет распространяться по всей длине трубы в направлении от задвижки к резервуару.

За интервал времени t повышенное (ударное) давление достигнет резервуара. Скорость ударной волны (скорость распространения ударного давления) с равна:

с = .

В момент достижения ударной волной входного отверстия (то есть резервуара) вся вода в трубе окажется сжатой, скорости всех частиц равными нулю и давление повышенным против первоначального, обусловленного уровнем воды в резервуаре. Поэтому начнётся отток жидкости из трубы в резервуар и постепенно вся жидкость в трубе придёт в движение по направлению к резервуару. При этом давление уменьшается до его первоначального значения. Когда это давление достигает задвижки, жидкость двигается в трубе в сторону резервуара с некоторой скоростью, после чего начинается её послойная остановка (начиная от сечения у задвижки) с понижением давления. Когда скорость во всей трубе станет равной нулю, пониженное достигнет входного сечения трубы. После этого наступит стадий послойного восстановления движения с первоначальной скоростью в сторону задвижки. Через промежуток времени t эту начальную скорость v приобретает последний у задвижки слой жидкости, и так как задвижка является препятствием для передвижения жидкости, то снова возникает «гидравлический удар», то есть описанное явление повторится.

Волна повышенного давления от задвижки к резервуару (или магистрали) называется прямой волной, а волна пониженного давления от резервуара (или магистрали) к задвижке – обратной волной.

В действительности явление удара более сложное, так как стенки трубы обладают упругостью (расширяются и сжимаются при изменении давления в жидкости); жидкость также обладает упругостью. Кроме того в потоке возникают сопротивления движению жидкости, в результате чего колебания давления в трубе затухают.

Повышение давления можно рассчитать по закону сохранения количества движения, заключённого в объёме 1 – 2.

р = сv,

где v – скорость установившегося течения в трубе до закрытия крана, м/с;

 – плотность жидкости, кг/м³;

с – скорость распространения ударной волны, м/с.

Это формула Н.Е. Жуковского для определения величины гидравлического удара. Она позволяет определить повышение давления в трубопроводе при мгновенном закрытии запорного приспособления.

Скорость распространения ударной волны (скорость гидравлического удара) определяется из выражения:

с = = = ,

где с₀ =  скорость распространения звука в жидкости;

d – диаметр трубы, м;

 – толщина стенок трубы;

Е_ж – модуль упругости жидкости. Для воды Е_ж = 1,96109 Па;

Е_тр – модуль упругости материала стенок трубы. Для стали Е_тр = 1,9610¹¹ Па.

Общее время пробега прямой и отражённой (обратной) ударных волн составляет длительность фазы гидравлического удара Т_ф = .

Различают прямой и непрямой гидравлический удар. При прямом гидравлическом ударе время закрытия затвора или другого регулирующего устройства Т_з меньше длительности фазы гидравлического удара (Т_з  Т_ф), а при непрямом – больше (Т_з  Т_ф).

При непрямом гидравлическом ударе повышение давления можно определить по формуле:

р = сv.

Для предохранения трубопровода следует или не допускать быстрых закрытий запорных устройств трубопроводов.

К мерам защиты от гидравлического удара относится сброс воды через обводные линии (байпасы), специальные предохранительные клапаны или другие устройства (например, разрывные мембраны).

На насосных станциях в начале напорных трубопроводов устанавливаются противоударные аппараты. При остановке насоса и понижении давления в трубопроводе клапаны аппарата автоматически открываются, и при обратном подходе воды часть её выливается через клапаны без повышения давления, после чего клапаны закрываются.

На трубопроводах могут быть установлены уравнительные резервуары. При гидравлическом ударе в резервуар поступает некоторое количество воды, что снижает добавочное давление в трубопроводе. Аналогичная картина наблюдается в воздушных колпаках, где сжатие воздуха амортизирует повышение давления.