Пример использования гидравлического удара в технике

Резкое повышение давления при гидравлическом ударе часто бывает весьма опасно. Однако человеческая мысль нашла применение и этому явлению. В 1796 г. была изобретена водоподъемная машина – гидравлический таран.

Гидравлический таран -весьма простое устройство, позволяющее подавать воду с некоторого горизонтального уровня h1 на более высокую отметку H2, используя эффект гидравлического удара.

Устройство состоит (рис.13.6) из: рабочей камеры 1 с двумя клапанами - ударным 8 и нагнетательным 2, воздушного колпака 5, питательной трубы 3, соединяющей таран с водоемом 4, нагнетательной трубы 6, соединяющей таран с бассейном 7, расположенным выше водоема.

Рассмотрим принцип работы тарана. Для упрощения будем считать, что в начальный момент оба клапана тарана закрыты, избыточное давление в воздушном колпаке pr = rgH, вода в водоеме неподвижна.

Рис.13.6. Схема гидравлического тарана

Для запуска гидротарана необходимо открыть ударный клапан 8. Вода начнет вытекать через этот клапан, а скорость течения воды в питательной трубе 3 будет постепенно увеличиваться от нуля до некоторой предельной величины vпр, которая должна соответствовать напору H и гидравлическим сопротивлениям в системе питательная труба – ударный клапан.

Одновременно со скоростным напором v2/2g будет расти и гидродинамическое давление, действующее на ударный клапан снизу. Когда значение этого давления создаст усилие, превышающее вес клапана, последний закроется и произойдет гидравлический удар. Давление в питательной трубе резко возрастет, в результате откроется нагнетательный клапан 2. Вода начнет поступать в  воздушный колпак 5, сжимая в нем воздух, а из воздушного колпака по нагнетательному трубопроводу -в приемный бассейн.

В момент закрытия ударного клапана в питательной трубе 3 начнется волновой процесс, который приведет к уменьшению скорости и понижению давления в этой трубе. Поэтому спустя некоторое время после закрытия ударного клапана давление в питательной трубе уменьшится настолько, что нагнетательный клапан 2 закроется, а ударный клапан 8 автоматически откроется, и начнется новый цикл.

Таран работает автоматически, подавая воду порциями, а воздушный колпак сглаживает пульсацию воды в нагнетательной трубе, обеспечивая сравнительно равномерную подачу Q2 ее в верхний бассейн 7. Однако большая часть воды Q1, поступающей из водоема Q = Q1 + Q2, сбрасывается через ударный клапан.

Отметим, что:

Q1– расход воды через ударный клапан 8;

Q2– расход воды через нагнетательную трубу 6;

Q=Q1 + Q2 - расход воды через питательную трубу 3.

Запишем выражения для следующих мощностей (без учета потерь в соответствующих трубопроводах:

мощность, затрачиваемая на приведение тарана в действие

Nзатр= rgQH1;

полезная мощность тарана

Nпол  =rgQ2H2,

где H2 - полезная высота нагнетания.

Выразим КПД гидравлического тарана. Очевидно, что

h = Nпол / Nзатр = Q2H2 / QH1, (13.2)

где  Q=Q1 + Q2.

Проанализируем выражение (13.2).

Для данной конструкции тарана величины Q1 и Q2 будут определенными и постоянными, т.е. Q2 = соnst и Q1 = const. Таким образом, формулу (13.2) можно представить в виде

h= CH2/H1.

Таким образом, значения КПД тарана зависят от отношения H2/H1. При H2 = 0, h= 0; при H1 ®¥,  h= 0;  при H2 = H1,  h= С = Q2/Q. Из анализа  полученных результатов следует,  что максимальное значение КПД тарана равно

hmax= С = Q2/Q = Q2/(Q1 + Q2).