ТЕМА 3.7. Гидравлический удар

• Гидравлический удар – это изменение давления в трубопроводе при внезапном изменении скорости жидкости.

• Скорость ударной волны – это скорость распространения повышения давления при гидравлическом ударе:

, (3.7.1)

где D – диаметр трубы, ρ – плотность воды, δ – толщина стенок трубы, Па^-1 – коэффициент объемного сжатия воды, E – модуль упругости материала трубы (для стали E = 20·10¹⁰ Па).

 

Рис. 3.7.1. Пульсации давления при гидравлическом ударе.

 

• Фаза удара – время одного цикла (рис. 3.7.1), включающего повышение и понижение давления:

, (3.7.2)

где l – длина трубы.

• Удар прямой, если время закрытия задвижки меньше или равняется фазе удара: . Повышение давления при прямом ударе

. (3.7.3)

• Удар непрямой, если время закрытия задвижки превышает фазу удара: . Повышение давления при непрямом ударе

. (3.7.4)

• Одним из наиболее действенных способов борьбы с гидравлическим ударом является медленное закрытие задвижки. На трубопроводах могут быть установлены уравнительные резервуары (рис. 3.7.2). При гидравлическом ударе в резервуар поступает часть воды, что снижает добавочное давление в трубопроводе.

Такое же явление происходит и в воздушных колпаках (рис. 3.7.3), где сжатие воздуха амортизирует повышение давления.

Удар может возникать и в результате внезапной остановки насоса (рис. 3.7.4), подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. После выключения насоса вода по инерции некоторое время движется, и в трубопроводе давление понижается (непосредственно возле насоса). Затем начинается обратное движение воды из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе, и давление повышается.

 

Рис. 3.7.2. Смягчение гидравлического удара уравнительным резервуаром.

 

Рис. 3.7.3. Смягчение гидравлического удара воздушным амортизатором.

 

Рис. 3.7.4. Гидравлический удар при внезапной остановке насоса.

Пример 3.7.1. В стальном трубопроводе длиной l = 200 м, диаметром D = 0,2 м и толщиной стенок δ = 5 мм расход Q = 100 л/с. Расчётная температура воды 20°C. Определить наименьшее время закрытия задвижки τ _min, чтобы повышение давления в конце трубопровода, вызванное гидравлическим ударом, было не более Δ p _max = 400 кПа. Чему будет равно повышение давления в случае мгновенного закрытия задвижки в трубопроводе?

 

Решение. Скорость ударной волны = 1200 м/с. Фаза удара = 0,33 с. Скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки = 3,18 м/с. Предположим, что время закрытия задвижки , т. е. удар непрямой. Тогда наименьшее время закрытия задвижки = 3,18 с. При мгновенном закрытии задвижки удар прямой. Повышение давления = 38·10⁵ Па.

 

Рис. 3.7.5. Схема к расчёту гидравлического удара.