Материал: УМК МЖГ стр 157-253 Модуль 8-10_МЖГ

Гидравлический удар с разрывом сплошности потока может про- изойти при внезапной остановке насоса (рис. 9.22). Подача воды насосом прекращается, а движение воды по инерции по трубопроводу еще проис- ходит. При этом в потоке могут возникнуть разрывы сплошности. При пе- ремене направления движения, которая произойдет вследствие отражения и преломления волн гидравлического удара, разорвавшиеся части колонны жидкости встречаются, и давление очень сильно возрастает по сравнению с гидравлическим ударом без разрыва сплошности.

На характер и количественные характеристики гидравлического уда- ра с разрывом сплошности помимо указанных факторов (модуля упругости жидкости и материала стенок трубопровода, отношения диаметра к тол- щине стенки, относительного времени закрытия регулирующего устройст- ва, воздухосодержания, объемного содержания твердых частиц и т.д.) влияют и такие важные факторы, как режимы работы насосной станции, очертание трассы трубопровода (наличие переломов в вертикальном про- филе и конфигурация сети в плане, наличие обратных клапанов, тупико- вых участков, отводов, мест разделения и соединения потоков, резких по- воротов трубопроводов и т.д.).

Влияние этих факторов на место образования разрывов сплошности, объемы полостей, образующихся при разрыве, длины и скорости движения соударяющихся колонн приводятся в нормативных документах.

Разрыв сплошности потока возможен, если повышение давления при гидравлическом ударе, найденное по формуле Жуковского, будет больше, чем сумма давления ρgH0 и практически максимально возможного ваку- умметрического давления, то есть:

ρcυ0 > ρg ( H0 + hвак. max ) .

Как известно, максимальное значение hвак. max ≈ 7 ÷ 8 м. Наиболее

опасными с точки зрения возникновения разрыва сплошности являются места непосредственно у насосной станции (у насосов) и места переломов трассы с выпуклостью на продольном профиле, обращенной вверх.

7.4. Защита от воздействия гидравлических ударов

При проектировании гидросистем должны предусматриваться как мероприятия по недопущению опасных повышений и понижений давления в трубопроводе, так и меры по защите, если опасные колебания давления возникнут. Эти меры отражены в нормативах.

Ниже приводятся основные меры по гашению гидравлических ударов. 1. Сброс части жидкости из трубопровода при повышении давления,

если такой сброс возможен по соображениям охраны окружающей среды.

207

Воду сбрасывают в какие-либо понижения местности, в водоемы или обратно в источник водоснабжения. В последнем случае вода может быть пропущена через насос и всасывающую линию, если на напорном (нагне- тательном) трубопроводе нет обратного клапана; через обводные линии (байпасы) в обход обратного клапана и насоса; через медленно закрываю- щиеся обратные клапаны. В этих случаях необходимо учитывать, что на- сос при обратном направлении движения воды и отсутствии тормозов мо- жет работать как турбина с недопустимой частотой вращения. При боль- шой скорости движения воды в обводных линиях могут появиться кавита- ционные явления, что уменьшает расход, проходящий по этим линиям.

К этим мерам защиты относится и сброс воды через специальные предохранительные клапаны или другие устройства (например, разрывные мембраны). При превышении давления клапаны, протарированные на оп- ределенное давление, открываются и давление понижается. Разрывные мембраны, изготовленные из тонкого листа металла, устанавливаются на отводе от основного трубопровода. Мембрана полностью перекрывает по- перечное сечение отвода. При превышении определенного давления мем- брана разрушается, и часть жидкости выливается.

После сброса жидкости клапаны должны автоматически закрываться.

2.Впуск и защемление воздуха. Если возможно образование разрыва сплошности потока, то эффективным средством борьбы с чрезмерным по- вышением давления здесь может служить впуск воздуха в места образования разрыва сплошности и последующее защемление воздуха. Для впуска и за- щемления воздуха служат специальные устройства – клапаны. Защемленный

вместах разрыва сплошности потока воздух не позволяет разошедшимся ко- лоннам воды при обратном движении соударяться, ибо такое соударение вы- звало бы, как ранее указывалось, очень сильное повышение давления.

Воздух после гашения гидравлического удара должен быть удален из трубопровода, причем это удаление должно выполняться так, чтобы не возникли в трубопроводе нежелательные колебания давления.

3.Впуск воды в трубопровод осуществляется из бассейнов, которые отделены от защищаемых трубопроводов обратными клапанами. При по- нижении давления в трубопроводе вследствие остановки насосов на со- единительной (бассейн – трубопровод) линии открывается обратный кла- пан, и вода из бассейна в необходимом количестве поступает в трубопро- вод. Когда давление начнет подниматься (но не до того большого значе- ния, как это было без впуска воды), то обратный клапан закроется, и впуск воды в трубопровод прекратится.

208

Впуск и защемление воздуха, и впуск воды целесообразно осуществ- лять во всех сечениях, где возможен разрыв сплошности потока, или, по крайней мере, в нескольких, наиболее опасных местах.

4. Воздушно-гидравлические колпаки применяются для гашения гид-

равлических ударов, возникающих в напорных трубопроводах. Размеры колпаков при установке их на напорных трубопроводах насосных станций определяются из условий пуска и остановки насосного агрегата.

7.5. Гидравлический таран

В настоящее время особый интерес представляют неэнергоемкие ме- ханизмы, в частности для водоснабжения. Одним из таких механизмов яв- ляется гидравлический таран, в котором процессы, происходящие при гид- равлическом ударе, используются для подъема воды.

Гидравлический таран состоит (рис. 9.22) из ударного клапана 1, на- гнетательного клапана 2, воздушного колпака 3. Через питающую трубу 4 таран соединяется с бассейном 5, через нагнетательный трубопровод 6 – с приемным резервуаром 7.

Представим, что в начальный момент времени нагнетательный и ударный клапаны закрыты, избыточное давление в воздушном колпаке pk = ρgh , а вода в питающей трубе 4 неподвижна. Для того чтобы таран начал автоматически работать, необходимо резко открыть ударный кла- пан 1. Через клапан начнется истечение воды, скорость которой вследствие

209

инерции воды, находящейся в питающей трубе 4, будет постепенно увели- чиваться от нуля в первоначальный момент времени до какой-то конечной величины υ, стремясь в пределе к скорости установившегося движе- ния υ0 , соответствующей напору Н1 и гидравлическим сопротивлениям системы «питательный трубопровод – ударный клапан».

С увеличением скорости истечения гидродинамическое давление, действующее снизу вверх на ударный клапан, будет увеличиваться. Когда сила гидродинамического давления превысит вес клапана, он резко закро- ется. Произойдет гидравлический удар, давление в трубе 4 перед нагнета- тельным клапаном повысится до некоторого значения p > pk , нагнета- тельный клапан 2 откроется и вода под повышенным давлением начнет по- ступать в воздушный колпак 3, сжимая в нем воздух. Из воздушного кол- пака вода по нагнетательному трубопроводу 6 поступит в приемный резер- вуар 7. В момент закрытия ударного клапана 1 в питающей трубе 4 начнет- ся волновой процесс, который приведет к уменьшению скорости и измене- нию давления в питающем трубопроводе 6. В связи с этим спустя некото- рое время после закрытия ударного клапана давление в питательном тру- бопроводе падает, нагнетательный клапан 2 закрывается, а ударный кла- пан 1 автоматически открывается; начинается новый цикл, протекающий так же, как и первый. Таран начинает работать автоматически, подавая во- ду определенными порциями в воздушный колпак, который сглаживает изменение скорости нагнетаемой воды, обеспечивая сравнительно равно- мерное движение (во времени) в нагнетательном трубопроводе. Таран не- посредственно использует энергию падающей воды для подъема части этой воды на необходимую высоту.

Если через Q1 обозначить расход воды, сбрасываемой через ударный клапан 1, а через Q2 – расход, поступающий в приемный резервуар, то ко- эффициент полезного действия таранной установки выразится отношением:

Такие простые установки, какими являются гидравлические тараны, могут обеспечивать подъем воды на высоту H2 = (2 ÷ 10) H1. При этом рас-

ход Q2 = (0,4 ÷ 0,07)Q1 , а коэффициент полезного действия η = (0,85 ÷ 0,2).

Надо отметить, что при работе гидравлического тарана весьма велики не- производительные потери воды.

210