Гідравлічний удар

Гідравлічний удар – це підвищення або зниження тиску, яке виникає при різкій зміні швидкостей течії у напірному трубопроводі (в результаті швидкого закриття або відкриття засувок або кранів). При гідравлічному ударі відбувається значне підвищення напружень в матеріалі труб, що може спричинити розрив трубопроводу або арматури, встановленої на ньому. При сильному напруженні тиску в трубах можливе утворення вакууму і зминання труб атмосферним тиском. Гідравлічний удар відбувається дуже швидко і супроводжується чергуванням хвиль підвищення і зниженням тиску, фізично можливими лише завдяки стисливості рідин і пружності стінок труб.

Рис. 33. До виведення рівнянь для гідравлічного удару.

При гідравлічному ударі на довжині труби Dх (рис. 33) відбувається розширення стінок труби. І якщо сила гідростатичного тиску, яка прагне розірвати трубу, перевищує модуль пружності матеріалу трубопроводу, то у цьому місті відбудеться розрив трубопроводу.

Час, на протязі якого ударна хвиля повертається до джерела тиску (зворотна хвиля), називається фазою гідравлічного удару. Вона розраховується за формулою:

, (2.83)

де Т – тривалість фази удару, с; l – довжина труби, м; С_у – швидкість поширення ударної хвилі, або ударних деформацій, м/с.

Підвищення тиску по теорії М.Є.Жуковського (1898 р.) розраховується за формулою:

, (2.84)

де r - густина рідини, кг/м³; w - швидкість руху рідини, м/с.

Швидкість поширення ударної хвилі приблизно дорівнює швидкості звуку в даному середовищі і розраховують за формулою:

, (2.85)

де Е₀ – модуль пружності рідини, Н/м²; Е – модуль пружності матеріалу труби, Н/м²; d, d - внутрішній діаметр і товщина стінки труби, м.

Швидкість поширення ударної хвилі С_у дорівнює (м/с): 1000 - для сталі, 1200 - для чавуна, 1425 - для води.

Практично засувки зачиняються на протязі деякого часу t >T, тоді DR не досягне максимального значення DR_max, оскільки частково гаситься хвилею, що обертається.

З урахуванням відношення тривалості фази удару до часу закриття засувки рівняння (2.84) перетвориться на рівняння, яке має вигляд:

, (2.86)

де t - час закриття засувки, с.

Для запобігання гідравлічного удару в трубопроводах встановлюють клапани-гасники.

Явище гідравлічного удару знайшло застосування в особливому водопідйомному пристрої – гідравлічному тарані, що діє автоматично (рис. 34). Гідравлічний таран був запропонований у 1796 р. винахідником повітряної кулі, членом Паризької Академії наук І. Монгольф’є. Гідравлічний таран працює таким чином. Відчиняють вентиль 1 на живильному трубопроводі 2 і заповняють систему водою. При цьому скидний клапан 4, вага якого регулюється вантажем 3, закритий у верхньому положенні, а повітряний ковпак 5 частково заповнений водою.

Рис. 34. Гідравлічний таран:   1 – вентиль; 2 – живильний трубопровід; 3 – вантаж; 4 – скидний клапан; 5 – повітряний ковпак; 6 – напірний клапан; 7 – ємність

Якщо натиснути клапан 4, вода почне витікати з живильної ємності крізь нього, причому в міру зростання витрати Q₁+Q₂ швидкість витікання води збільшується. В перший момент потоком, що витікає, клапан 4 різко закривається, що призводить до гідравлічного удару і відповідного збільшення тиску. Внаслідок цього відкривається напірний клапан 6 і вода надходить у ковпак, стискаючи при цьому повітря. З повітряного ковпака вода з витратою Q₂ подається в ємність 7 на висоту Н. Через деякий час тиск у ковпаку зменшується, клапан 6 закривається, а клапан 4 відкривається і процес повторюється. Число ударів клапана 4 регулюється вантажем.

Коефіцієнт корисної дії тарану

, (2.87)

де Q₂ – витрата рідини, що подається у ємність, м³/с; Н – висота підйому води, м; Q₁+Q₂ – витрата робочої води, м³/с; h – робочий перепад, м.

Для запуску тарану мінімально необхідний перепад h=1 м. Коефіцієнт корисної дії лежить у межах h=0,2¸0,9.