3.8.4. Гидравлические удары

Гидравлическим ударом называется комплекс явлений, происходящих при резком изменении скорости движения жидкости, вследствии чего в жидкости возникает колеба­тельный процесс, сопровождающийся поочередными резкими то повышением, то пониже­нием давления в короткий промежуток времени. При гидроударе для каждой жидкости имеет место своя сжимаемость. Для криогенной жидкости, ввиду наличия зон с паровой фазой и других особенностей, гидроудар сказывается особенно остро.

Физически процесс гидроудара можно представить так: если перекрыть движение жидкости, то кинетическая энергия движения перейдет в работу деформации жидкости и стенки труоы с преградой. На заторможенные частицы жидкости наоегают и останавлива­ются последующие. Возникают сложные колебательные движения, возможны резонанс­ные явления, при этом выделяется тепло, что делает жидкость более сжимаемой.

Рис.3.8.8. Разрушение системы заправки «Сатурн - 5»

В криогенных системах указанные явления усугубляются специфическими свойствами продукта. Эти явления связаны с различными формами обра­зования паровой фазы и ее поведением на переход­ных режимах работы системы, наличием паровых полостей в тупиковых отводах и застойных зонах при транспортировании недогретой жидкости, где местная скорость недостаточна. Гидродинамические и теплообменные процессы при образовании и за­полнении паровых полостей зависят от температу­ры жидкости, пара и стенок конструкции, от разме­ров паровых полостей. Давление, возникающее при гидроударе, существенно (в несколько раз) превыша-. ет рабочие давления, что может привести к серьез­ным последствиям, вплоть до разрушения системы. Далее, из-за потерь энергии вследствие трения и ее рассеивания, колебания постепенно затухают.

Гидроудары в криогенных системах приводили к серьезным негативным последст­виям. Так, произошла серьезная авария, вызванная гидроударом, при эксплуатации систе­мы заправки жидким кислородом американской ракеты «Сатурн - 5» . Во время открытия

Рис.3.8.9. Разрушение пневмоклапана под действием

гидроудара при открытии: а — вырыв заплечников поршня;

б — разрушение корпуса;

s — деформация сильфона

пневмоклапана d_v = 320 мм, установленного на выхо­де из сферического резервуара системы, произошло разрушение магистрали заправки (рис. 3.8.8). Ана­лиз показал, что перед затвором образовалась паро­вая полость длинной 7,5 м. При открытии затвора газ был сброшен, и столб жидкости начал интенсив­но разгоняться под действием давления газа при ма­лом сопротивлении части магистрали, заполненной жидкостью. К моменту подхода жидкости к затвору, последний был открыт лишь на 20 %, что вызвало интенсивное торможение потока. Под действием по­тока жидкости диск затвора, имеющий эксцентри­ситет оси, повернулся и перекрыл сечение полно­стью. Возникшее при этом давление в несколько раз превысило допустимое, что и привело к аварии.

В нашей стране с целью исключения разруше­ний криогенных систем были проведены серьезные научно-исследовательские и экспериментальные

работы, которые позволили выявить причи­ны этих явлений и выдать рекомендации по снижению гидроударов в реальных крио­генных системах [3,4].

Рис.3.8.10. Характер разрушения сильфонов

В первом приближении при рас­смотрении вопроса гидроударов в криоген­ных системах можно ограничиться рассмот­рением следующих процессов: неустано­вившиеся процессы, возникшие в тупико­вых отводах; процессы, возникающие при закрытии клапана, и процессы, возникаю­щие при открытии клапана.

На магистралях системы всегда вынужденно имеются участки трубопроводов, кото­рые в определенный период становятся тупиковыми. Учитывая неизбежные теплопритоки, избежать наличия паровой полости здесь практически не удается. При переходных режимах в системе возрастает давление, происходит интенсивное заполнение паровых полостей, усиливаются тепло-массообменные процессы на границе раздела фаз. Все это приводит к возникновению гидроудара, амплитуда которого может быть на порядок больше, чем пер­воначальное возмущение. Схема тупикового отвода с клапаном показана на рис. 3.8.11.

Рис.3.8.11. Схема

вертикального тупикового отвода

с клапаном

Процессы, возникающие в тупиковых отводах, детально анализировались рядом ученых [4]. Показано, что неустановившиеся процессы, возникающие при заполнении тупиковых отводов, носят сложный характер, не поддаются простому расчету и зависят от целого ряда факторов. Они связаны с первоначальным импульсом возмущения, разгоном и последующим торможением потока жидкости, а также сжатием пара, который в результате тепло- и массообменных процессов на гра­нице раздела фаз сложным образом взаимодействует с жидкостью. Развитая и высокотурбулентная поверх­ность раздела фаз, большая степень недогрева жидко­сти до равновесной температуры, а также малая тепло­та конденсации могут привести к интенсивной кон­денсации пара и, следовательно, к реализации гидро­удара с близким к предельной амплитуде давлением.

Экспериментально показано, что тупиковые отводы малой протяженности (5 - 1 калибров), опущенные вертикально вниз или наклоненные под достаточно острым углом к вертикали, под действием силы тяжести заполняются жидкостью, поэтому вели­чина гидроудара здесь либо минимальна, либо отсутствует вовсе. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании заправочных систем.

Интенсивные динамические нагрузки, то есть вторичные гидроудары, в тупиковых отводах имеют место, если время действия импульса первоначального возмущения достаточно для заполнения жидкостью паровой фазы и для пробега акустической волной тупикового отвода. Выражение, позволяющие оценить соотношение длин магистрали, L_маг, и отвода, L_отв, при котором реализуется вторичный гидроудар максимальной вели­чины, определяется формулой:

где ∆Р — величина первичного гидроудара; а — скорость звука в жидкости; W — скорость при минимальном прогреве продукта; р — давление в системе;

ξ — приведенное сопротивление отвода, учитывающие сопротивление входа и ус­редненное значение распределенного сопротивления:

где λ_ж и λ_г — коэффициенты теплопроводности соответственно жидкости и газа.

В табл. 3.8.1 приведены значения гидроудара в основной магистрали и в тупико­вом отводе, которые можно использовать как ориентировочные при проектировании [4].

Сила гидроудара в основной магистрали и в тупиковом отводе

Наименование компонента	Скорость звука в жидкости, м/с	Скорость при мини­мальном прогреве продукта, м/с	Гидроудар при мгновенном закры­тии клапана, МПа	Максимальный гидроудар в тупико­вом отводе, МПа
Азот, N2	880	2,2	1,55	35,2
Водород, Н2	1190	5	0,42	7,5
Кислород, Ог	913	2	2,10	51,2

Перекрытие проходного сечения магистрали запорно-регулирующей арматурой про­исходит в заправочных системах, в основном, на стационарном режиме транспортирова­ния однофазной криогенной жидкости. Торможение потока определяется законом перекры­тия проходного сечения и временем пробега акустической волной двойной длины магист­рали от источника подачи до запорного устройства. Здесь применимы расчетные модели определения гидроудара для высококипящих жидкостей.

В рассматриваемых системах заправки протяженность магистрали до клапана обыч­но большая (блок клапанов находится непосредственно у ракеты), и время перекрытия проходного сечения определяется по формуле:

Изменения в законе перекрытия проходного сечения не оказывают существенного влияния на амплитуду гидроудара, изменяя только импульс давления j = Рτ. Для магистра­лей средней протяженности, иногда встречающихся в заправочных системах, закон пере­крытия сечения для смягчения гидроудара является определяющим. В этом случае необходи­мо уделять особое внимание потокоуправляемости арматуры. Показано, что наиболее эф­фективным является установка клапана таким образом, чтобы в процессе перекрытия про­ходного сечения тарель клапана двигалась против потока, то есть чтобы она автоматичес­ки отслеживала процесс, уменьшая амплитуду давления. Повышение потокоуправляемо­сти клапана может быть достигнуто также путем увеличения эффективной площади повер­хности тарели и объема газовых полостей в пневмоцилиндре, а также изменением коэффи­циента сопротивления пневмоклапана. Реальным решением проблемы уменьшения вели­чины гидроудара в криогенной системе заправки является предварительное уменьшение скорости потока путем воздействия на источник расхода и использования арматуры с бо­лее длительным (но допустимым!) временем срабатывания.

В целом закон оптимального срабатывания пневмоарматуры определяется как его конструктивными особенностями, так и переменной нагрузкой на тарель, вызванной пе­репадом давления из-за изменения в процессе срабатывания его сопротивления и волно­выми процессами в магистрали при торможении потока жидкости.

Зависимость величины гидроудара от расположения запорного устройства при дру­гих равных условиях можно оценить по величине отношения сопротивления всей магист­рали к сопротивлению участка магистрали до запорного устройства и по динамическим характеристикам потока жидкости [4]. При ряде допущений (площадь проходного сечения запорного элемента постоянна, перепад давления полностью реализуется в скорость потока, заполняющего паровую полость перед клапаном) скорость жидкости, w, определяющая гидроудар в момент ее подхода к клапану, определяется по уравнению:

(3.8.41)

где W_ycm — скорость в установившемся режиме;

ξ_маг и ξ_зап — сопротивление всей магистрали и ее части до запорного устройства.

Открытие клапана, установленного в непосредственной близости от источника расхода постоянного давления, связано с опасностью появления гидроудара вследствии малого сопротивления магистрали. Наоборот, если магистраль имеет большую длину, а клапан установлен на значительном расстоянии от источника, повышение давления отно­сительно мало и обычно не превышает давления при закрытии клапана.

Итак, интенсивные динамические нагрузки возникают на следующих этапах заправ­ки: при подходе однофазного потока жидкости к местному сопротивлению, при повыше­нии давления в процессе запирания магистрали, при обратном выбросе парожидкостной смеси в расходный резервуар. Гидроудары, обусловленные взаимодействием однофазно­го потока жидкости и местного сопротивления, наиболее часто возникают при открытии (закрытии) клапанов для включения в работу различных участков системы.

Пульсации давления большой интенсивности развиваются в длинных магистралях. Значение амплитуды возрастает с длиной магистрали. Для уменьшения колебаний давлений следует сократить длину потока жидкости, образующуюся на этапе первого брос­ка. Это достигается предварительным выравниванием давлений в магистрали и резервуаре хранилища, например самотеком жидкости. Можно подобрать режим открытия запорно­го устройства с целью сокращения первоначальной подачи жидкости в магистраль, пере­пуском жидкости на байпас насосного агрегата. Учитывая, что местное сопротивление при паровой фазе приводит к повышению давления, а при жидкой — к понижению, необ­ходимо анализировать расположение элементов системы, создающих эти сопротивления в системе, имея в виду также, что интенсивный гидроудар может возникнуть, если ско­рость жидкости на подходе к местному сопротивлению будет значительной.

При работе центробежного насоса обратный бросок парожидкостной смеси приво­дит к срыву насоса. Для защиты насоса от обратных бросков устанавливается обратный клапан. В некоторых случаях можно рекомендовать установку обратного клапана и на ма­гистралях.