Гидравлический удар в трубах

Гидравлический удар в трубах. Эксплуатация насосов тесно связана с работой трубопровода. В тех случаях, когда насос подает воду (или какую-либо другую жидкость) в длинный трубопровод, при.выходе из строя насоса может произойти явление, называемое гидравлическим ударом.

Пусть в конце длинного трубопровода В, по которому движется жидкость со скоростью w₀, произошло мгновенное закрытие крана А (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Распространение ударной волны при гидравлическом ударе.

А – кран; В – трубопровод; С – скорость.

Частицы жидкости, находящиеся вблизи крана, резко затормозятся и их кинетическая энергия перейдет в работу, затрачиваемую на деформацию стенок трубы и жидкости.

При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в связи с повышением давления на Dр _УД. На заторможенные частицы у крана «набегают» соседние с ними и тоже останавливаются. Фронт I--I останавливающихся частиц жидкости движется в сторону резервуара (или насоса) со скоростью С до тех пор, пока этот фронт повышенного давления не достигнет резервуара. После этого движение жидкости в трубе прекратится. Она остановится, испытывая избыточное давление D р_уд. Так как в резервуаре давление меньше, то под действием разности давлений жидкость начнет перемещаться в резервуар со скоростью w₀, а фронт частиц, начинающих движение, переместится в обратном направлении со скоростью С. Когда фронт «подойдет» к крану, то вблизи крана частички жидкости оторвутся от него со скоростью w₀. Между краном и жидкостью возникнет область, где давление понижено на D р_УД, что может привести к разрыву потока.

Образовавшаяся область пониженного давления начнет перемещаться от крана в сторону резервуара. Перемещение фронта пониженного давления осуществляется также со скоростью С. Когда фронт пониженного давления достигнет резервуара, то окажется, что вся жидкость в трубе остановлена и находится под давлением – D р_УД. В этом случае (при D р_УД << р₀) под действием разности давлений жидкость вновь начнет перемещаться в сторону крана со скоростью w₀. Описанное явление называется гидравлическим ударом.

Процесс этот происходит очень быстро, с значительными колебаниями давления. Необходимо принимать специальные меры во избежание разрыва трубопровода. Скорость распространения фронта I--I равна скорости распространения звука в среде, заполняющей трубопровод. Для воды с=1400 м/с. Повышение давления при гидравлическом ударе

D р_УД = rcw_o.

Если средняя скорость движения воды в трубе w₀=5 м/с при r_В =1000 кг/м³, то повышение давления при гидравлическом ударе

D р_УД =1000´1400´5=7´10⁴ Па.

Из рассмотренного примера видно, что гидравлический удар в трубопроводах – крайне нежелательное явление.

Для борьбы с гидравлическим ударом увеличивают время закрытия или открытия крана, уменьшают длину трубопровода или устанавливают на трубопроводе воздушные колпаки. В момент ударного повышения давления жидкость из трубы входит в колпак и сжимает находящийся в нем воздух, что уменьшает дальнейшее возрастание давления в трубопроводе.

Контрольные вопросы достижения учебных целей:

1. Назвать основные свойства жидкостей.

2. Написать основное уравнение гидростатики.

3. Объяснить понятия ламинарное (турбулентное) движение жидкости.

4. Перечислить способы предотвращения гидравлических ударов в трубопроводах.

ЗАНЯТИЕ 2. Насосы

Промежуточные учебные цели:

1. Рассказать принцип действия насосов.

2. Объяснить устройство и назначение основных узлов насосов.

Классификация насосов

Насос - это машина, в которой происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перемещаемой жидкости.

В соответствии с ГОСТ 17398-72 вводятся следующие определения:

· насосный агрегат -агрегат, состоящий из насоса или нескольких насосов и приводящего двигателя, соединенных между собой;

· насосная установка -насосный агрегат с комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса.

Встречаются различные схемы насосных установок с разными типами насосов. Однако гидравлическая часть насосной установки, включающая насосы, подводящий и напорный трубопроводы с арматурой и приборами выполняется, как правило, по одинаковой схеме. Принципиальная схема насосной установки приведена
на Рисунок 6.

В состав насосной установки в зависимости от ее назначения могут быть дополнительно включены запорно-регулирующая арматура, предохранительное устройство, приборы для измерения гидравлических и электрических величин.

Вследствие большого разнообразия конструкций, областей использования, материалов и т.д. разработать единую всеобъемлющую классификацию для насосов не представляется возможным. В практике используются классификации по наиболее важным признакам, которые будут рассмотрены ниже.

В соответствии с ГОСТ 17398-72 насосы по принципу действия подразделяются на два основных класса: динамические и объемные.

Динамические насосы. В динамическом насосе в результате действия сил инерции и вязкости перекачиваемой среды внутри рабочего пространства насоса кинетическая энергия от рабочего колеса передается перекачиваемой жидкости, в основном преобразуясь в энергию давления.

По конструктивным признакам, форме рабочего колеса и характеру движения жидкости в проточной части динамические насосы можно разделить на две основные группы: лопастные и вихревые. В энергетике лопастные насосы получили преобладающее распространение. Принцип работы лопастных насосов описан далее.

Рисунок 6 – Схема насосной установки.

Вихревой насос (Рисунок 7, б) состоит из рабочего колеса 1 с радиальными лопастями, установленного в цилиндрический корпус. В боковых и периферийных стенках корпуса имеется концентричный канал 2, соединяющий всасывающее и нагнетательное отверстия, между которыми имеется перемычка 4. Жидкость через всасывающий патрубок 5 поступает к рабочему колесу и прогоняется по каналу 2 к нагнетательному патрубку 3.

В вихревых насосах приращение энергии перекачиваемой жидкости осуществляется за счет турбулентного обмена энергией основного потока в канале насоса и вторичного потока в рабочем колесе. Вихревые насосы применяются в системах, требующих большого напора при малом расходе жидкости.

К лопастным насосам относятся центробежные, диагональные и осевые, отличающиеся друг от друга по направлению потока жидкости на выходе из рабочего колеса (Рисунок 8).

Лопастные насосы также подразделяются по потоку жидкости за рабочим колесом (с полуспиральным, спиральным или кольцевым отводом, коленчатым отводом), по числу потоков внутри рабочего колеса (одностороннего и двустороннего входа, Рисунок 9) и по числу ступеней рабочих колес в насосе - одноступенчатый, многоступенчатый (одностороннее или симметричное расположение рабочих колес). По расположению оси вращения вала насосы подразделяются на вертикальные, горизонтальные, с наклонной осью.

Осевые и диагональные насосы имеют рабочие колеса с жестким закреплением лопастей во втулке или с поворотными лопастями (регулируемые), имеющими электрический, гидравлический или электрогидравлический приводы их разворота.

По всасывающей способности насосы подразделяются на самовсасывающие и несамовсасывающие. Классификация насосов по назначению не может быть строгой, так как одни и те же насосы применяются в энергетике, водоснабжении, в химическом производстве и т.д.

Насосы, используемые в ядерной энергетике, можно приблизительно разделить на следующие девять групп:

1. главные циркуляционные насосы, предназначенные для создания циркуляции теплоносителя с вспомогательными насосами к ним;

2. питательные насосы - для подачи питательной воды в парогенераторы или барабаны-сепараторы;

3. конденсатные насосы - для подачи конденсата в деаэраторы из конденсаторов турбин и подогревателей низкого и высокого давления;

4. насосы циркуляционного водоснабжения для охлаждения конденсаторов турбин;

5. насосы технического водоснабжения главного корпуса;

6. насосы систем безопасности;

7. насосы маслоснабжения систем турбоагрегатов;

8. насосы спецводоочистки и химводоочистки;

9. насосы вспомогательных систем.

Насосы (кроме ГЦН, питательных, конденсатных и насосов систем безопасности), как правило, на АЭС применяются общепромышленного назначения.

Классификация динамических насосов по размеру (крупные, средние и малые) весьма условная.

Рисунок 7 – Классификация динамических насосов.

Рисунок 8 – Классификация лопастных насосов по направлению потока жидкости на выходе из рабочего колеса.

а – центробежный; б – диагональный; в – осевой.

Рисунок 9 – Классификация центробежных насосов по потокам внутри рабочего колеса.

а – одностороннего входа; б – двустороннего входа.

Объемные насосы. Работа объемного насоса выполняется путем всасывания и вытеснения жидкостей за счет циклического изменения объема в рабочих полостях при движении поршней, диафрагм, пластин, зубец и т.д. На действующих в настоящее время АЭС из объемных насосов наибольшее распространение получили поршневые (возвратно-поступательные) и роторные насосы.

В поршневом насосе (Рисунок 10, а) одностороннего действия в цилиндре 1 установлен поршень 2, двигающийся возвратно-поступательно от приводного механизма. При движении поршня вправо клапан 3 открывается и жидкость всасывается из всасывающей магистрали 4, а при движении влево клапан 3 закрывается, клапан 5 открывается и за счет уменьшения объема рабочей полости жидкость вытесняется в напорную магистраль 6.

Периодичность движения поршня обусловливает неравномерность подачи жидкости. Для уменьшения неравномерности подачи применяются двух- и многоцилиндровые поршневые насосы. Кроме того, для привода поршней затруднено применение высокооборотных двигателей без редукторов.

Поршневые насосы можно классифицировать по следующим признакам:

· способу действия поршня (одностороннего или двустороннего действия);

· положению поршня и цилиндра (горизонтальные и вертикальные);

· форме поршня (дисковые, плунжерные);

· типу привода (электроприводные, паровые).

Роторные насосы являются объемными насосами, работающими по принципу вытеснения жидкости из свободного объема между роторными элементами.

В роторных насосах один или несколько вращающихся роторов образуют в корпусе насоса полости, которые захватывают перекачиваемую жидкость и перемещают ее от входного патрубка насоса к напорному. Роторные насосы обеспечивают более равномерную подачу, в них отсутствует отсекающая клапанная система.

Наибольшее распространение получили следующие конструктивные схемы роторных насосов (Рисунок 10):

· шестеренные (двух- и многошестеренные, с наружным или внутренним зацеплением);

· винтовые (одно- и многовинтовые);

· пластинчатые (одно- и многопластинчатые).

Основные параметры насосов

Работа насоса и насосной установки характеризуется следующими параметрами:

· напор;

· подача;

· мощность;

· коэффициент полезного действия (КПД);

· частота вращения;

· кавитационный запас.

Рисунок 10 – Принципиальные схемы объемных насосов.

А – поршневой; б – шестеренный; в – пластинчатый;

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3,5 – клапан; 4 – всасывающий канал;
6 – напорный канал.

Напор насоса

Напор Н или давление p насоса - разность удельных энергий жидкости между напорным и всасывающим патрубками насоса, выражаемая в метрах столба жидкости (м.ст.ж.), или паскалях (Па), или кгс/см²

где p_н и p_в - абсолютные давления на выходе и входе насоса, Па;

u_н и u_в - скорости жидкости на выходе и входе насоса, м/с;

z_н и z_в - высоты точек замера давления от произвольной горизонтальной плоскости сравнения, м (плоскость 0-0, Рисунок 6);

r - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

При эксплуатации необходимо обращать внимание на значение предельного давления насоса - наибольшее давление на выходе из насоса, на которое рассчитана его конструкция. Для некоторых типов насосов в технической документации оговаривается допустимое значение максимального давления на входе в насос.

В практике широко используется понятие напора насоса, как величины, определяемой выражением

т.е. напор насоса есть высота столба жидкости, подаваемой насосом, эквивалентная давлению насоса:

Если, например, в процессе работы изменится температура перекачиваемой жидкости, то напор останется неизменным, а показания манометров (давление насоса) изменяется.

Напор насоса представляет собой сумму разностей удельных (отнесенных к единице веса) энергий перекачиваемой жидкости (на выходе и входе в насос), давления (р_н -р_в)/(rg), положения(z_н-z_в ) и кинетической (u_н²- u_в²)/(2g).

В отдельных случаях выделяют:

· номинальный напор Н_ном - напор насоса по техническому паспорту;

· оптимальный напор Н_опт - напор при максимальном КПД насоса;

· напор при нулевой подаче Н_о - напор при Q=0.

Для эксплуатации представляет интерес отклонение напора насоса - разность фактического напора и заданного для данной подачи.

Обычно величины (z_н-z_в) и (u_н²- u_в²)/(2g) пренебрежимо малы по сравнению с энергией давления. Поэтому напор насоса ориентировочно можно оценить по показаниям манометров на выходе и входе насоса:

Н = (р_н -р_в)/(rg).

Подача насоса

Различают объемную и массовую подачу насоса.

Объемная подача Q - это объем жидкости, подаваемой насосом через напорный патрубок в единицу времени.

Массовая подача Q_м -это масса жидкости, подаваемой насосом через напорный патрубок в единицу времени. При этом не учитываются потоки жидкости, которые могут иметь место внутри насоса (например, протечки через уплотнения и разгрузочные устройства). Сумма подачи и внутренних протечек называется идеальной подачей насоса.

Объемная подача обычно измеряется в м³/с; м³/ч; л/с; л/мин; массовая - в кг/с; т/ч; т/сут.

Подача измеряется с помощью расходомерного устройства, установленного на напорном трубопроводе. При использовании сужающего устройства (диафрагма, сопло 7, Рисунок 6) объемная подача определяется выражением

где с - постоянная сужающего устройства, которую можно рассчитать или определить экспериментально; h₁ - перепад давления на дифманометре.

Между объемной и массовой подачей существует соотношение:

Q_м = r×Q,

где r - плотность жидкости.

В отдельных случаях выделяют:

· номинальную подачу Q_ном -подачу по техническому паспорту насоса;

· оптимальную подачу Q_опт - подачу в режиме максимального КПД насоса;

· минимальную подачу Q_мин - минимально допустимую подачу насоса по условиям эксплуатации;

· максимальную подачу Q_макс - максимально допустимую подачу насоса по условиям эксплуатации.

Для эксплуатации представляет интерес величина отклонения подачи - разность действительной подачи насоса и подачи, заданной или данного давления.

Мощность насоса

Мощность насоса N - это мощность, передаваемая от электродвигателя или турбины к валу насоса.

Полезная мощность насоса измеряется обычно в киловаттах:

N_п = r×g×Q×H/1000,

где r - плотность жидкости, кг/м³;

Q - подача насоса,м³/с;

H - напор насоса, м;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Мощность насоса N больше полезной мощности N_п на величину потерь в насосе. Эти потери оцениваются коэффициентом полезного действия насоса h, который равен отношению полезной мощности к мощности насоса

h = N_п/N.