Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся жидкости. Гидравлический удар может иметь место при быстром закрывании различных запорных устройств (задвижек, кранов), при внезапной остановке насоса перекачивающего жидкость, и т.д.

Явление гидравлического удара (рис.13.4) можно представить следующим образом. Рассмотрим трубопровод, по которому движется жидкость со скоростью v.

Рис.13.4. Явление гидравлического удара в трубах

Если быстро закрыть установленный на трубопроводе кран, то слой жидкости, находящийся непосредственно у крана, останавливается. При этом кинетическая энергия частиц жидкости превращается в потенциальную и давление быстро возрастает. В результате происходят сжатие ближнего к крану слоя жидкости и деформация трубопровода.

В следующий момент остановится соседний слой, затем последующий и так по всей длине трубопровода.

Таким образом, жидкость в трубе останавливается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который определяется соотношением

Dt= L/C,

где L – длина трубопровода, C – скорость распространения ударной волны.

В момент остановки последнего слоя жидкости (в точке А) или в момент достижения ударной волны входного сечения трубопровода вся жидкость в трубопроводе окажется сжатой, скорости частиц жидкости равны нулю, а давление имеет максимальное значение. При этом через время Dtв точке А давление жидкости слева меньше, чем справа. В этих условиях равновесие жидкости нарушается, и она начинает перемещаться из трубопровода в резервуар, а давление в трубопроводе понижается. Через время Dtдавление в трубопроводе станет меньше, чем было до закрытия крана, и жидкость из резервуара снова начнет перемещаться в трубопровод. Вследствие действия внутренних сопротивлений колебания давления в трубопроводе будут затухающими.

Давление жидкости при гидравлическом ударе определяется по формуле Н.Е. Жуковского

Dp=Crv, (13.1)

где r-плотность жидкости.

Для чугунных и стальных водопроводных труб скорость распространения ударной волны принимается 1000-1400 м/с.

Из формулы (13.1) следует, что при скорости воды в трубе v =1 м/с, в момент резкого перекрытия трубы давление в ней возрастет на величину, равную 100-140 кПа.

Гидравлический удар особенно опасен для длинных трубопроводов, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями, и приводит к деформации трубопроводов и их разрушению.

Для предотвращения разрушения гидравлических систем применяются различные конструктивные устройства. Основными из них являются винтовые запорные устройства, предохранительные клапаны и воздушные колпаки (рис.13.5).

Рис. 13.5. Устройства, предохраняющие трубопровод от гидравлического удара

а -винтовые запорные устройства; б -предохранительные клапаны;

в -воздушные колпаки

Винтовые запорные устройства просты, широко распространены для защиты трубопроводов от гидравлических ударов и обеспечивают достаточно продолжительное время перекрытия проходного сечения трубопровода.

Если необходимо быстро перекрыть трубопровод, применяются специальные устройства – предохранительные клапаны, воздушные колпаки и др.