Гидравлический удар - резкое изменение давления, распространяющееся с большой скоростью по трубопроводу.

Гидравлический удар характерен колебаниями давления с высокой амплитудой, в десятки, а иногда и в сотни раз превышающей нормальное рабочее давление. Гидравлический удар может грозить разрушением трубопровода, агрегатов, элементов СЭУ.

Вызывающие гидравлический удар силы инерции и соответствующие им локальные ускорения настолько велики, что развивающееся под их действием давление оказывает заметное влияние на изменение плотности и сжимаемость жидкости. Примером гидравлического удара может быть движение жидкости в простом трубопроводе (рис. 1).

Рисунок 1. Движение жидкости в простом трубопроводе

При рабочем положении I задвижка полностью открыта и жидкость под действием напора Н движется по трубопроводу со скоростью ?, обеспечивая в сечении I-I у задвижки рабочее давление Р_раб. Будем упрощенно считать, что время закрытия задвижки (t_з = 0), после чего она занимает положение II.

При закрытии задвижки ближайший к ней слой жидкости (слева по рисунку), натолкнувшись на преграду, остановится, его скорость упадет до нуля.

За время ?t процесс остановки жидкости распространится вверх по трубопроводу на длину ?s.

На левой границе отсека 1-2 (в сечении 2-2) сохранятся нормальные рабочие условия: скорость ? и давление Р₂ = Р_раб. В сечении 1-1 скорость равна нулю ? = 0, а давление за счет действия сил инерции повысится на значение ударного давления Р_уд и будет равно Р₁ = Р_раб + Р_уд.

Обычно давление Р_уд достигает десятков мегапаскалей. Повышенное давление вызовет деформацию жидкости в отсеке 1-2 и стенок трубы: жидкость окажется сжатой (сечение 2-2 переместится в положение 2'-2'); диаметр трубопровода увеличится (на рис. 1 показано штриховой линией).

В большинстве случаев стенки трубопроводов настолько жестки, а сжимаемость жидкости настолько мала, что в решении ряда задач можно не учитывать изменений площади живого сечения ? и длины отсека ?s.

Отношение c = ?s/?t показывает скорость распространения процесса вдоль трубопровода и называется скоростью ударной волны. Она равна скорости распространения звука в данной среде.

Точное исследование задачи о гидравлическом ударе было впервые выполнено Н.Е. Жуковским (в 1898 г.). В качестве исходного он принял положение, что при гидравлическом ударе вся кинетическая энергия остановившейся жидкости идет на работу по ее сжатию и на работу по растяжению стенок трубы.

Ударное давление можно определить по формуле Жуковского.

При мгновенном закрытии затвора повышение давления в трубопроводе определяется по формуле Жуковского:

?Р_уд = ?с?, (1)

где ? - плотность жидкости, кг/м³;

? - средняя скорость движения в трубопроводе до закрытия затвора, м/с;

с - скорость распространения ударной волны, определяемая по формуле

(2)

где K - модуль упругости жидкости;

E - модуль упругости материала стенок трубопровода;

D - внутренний диаметр, мм;

е - толщина стенок трубопровода, мм.

Для воды в нормальных условиях:

? = 102 кг*с²/м⁴ = 1 000 кг/м³;

K = 2,07 · 108 кг/м² = 2,03 · 106 кН/м².

Поэтому скорость распространения ударной волны в воде будет:

м/с (3)

Значения величин K/Е и Е для различных жидкостей и материалов приводятся в справочной литературе.

Скорость ударной волны увеличивается с уменьшением демпфирующего эффекта от сжатия самой жидкости и с увеличением жесткости стенок трубы, т.е. чем меньше сжимаемость жидкости, тем больше скорость с.

В общем случае фигурирующую в выражении ударного давления скорость ? следует понимать как ее изменение при резком торможении или ускорении жидкости. При этом необязательно, чтобы скорость падала до нуля.

Гидравлический удар, но меньшей силы, наблюдается и при резком торможении потока до какой-либо конечной скорости. Волна, движущаяся против течения и сопровождающаяся повышением давления вдоль трубопровода, называется прямой.

В резервуаре у входа в трубу давление практически постоянно Р = ?Н, а в начале трубопровода при подходе прямой волны - значительно выше за счет ударного давления. Имеющееся в рассматриваемый момент состояние покоя неустойчиво. Ближайший к выходу отсек жидкости от перепада давлений в трубопроводе (высокого) и в резервуаре (низкого) будет вытолкнут обратно в напорный бак.

Сжатая в трубопроводе давлением Р_уд жидкость сможет начать расширение под действием сил упругости - возникнет обратная волна понижения давления.

Теоретически понижение имеет то же значение, но с обратным знаком - Р_уд (рис. 2а). Время прохождения и прямой, и обратной волнами расстояния l будет равно l/с.

Следовательно, продолжительность повышения давления у задвижки, называемая фазой гидравлического удара, равна ?₀ = 2 l/с.

Рисунок 2.

У задвижки волна снова отражается, начинается очередное повышение давления. В реальных условиях описанный процесс осложняется потерями энергии на трение, на деформацию жидкости и стенок трубы. Давление достигает максимума на первом пике, как показывает запись на индикаторе давления (рис. 2б), а сам процесс гидравлического удара постепенно затухает во времени.

Если вернуться к схеме на рис. 1 и рассмотреть участок трубопровода ниже задвижки, то единственным отличием будет то, что здесь внезапное перекрытие трубопровода вначале вызовет отрицательную волну понижения давления. Такой процесс характерен для напорной линии насосных установок при резкой остановке насоса.

2. Причины возникновения гидравлического удара и методы его предотвращения