Актуальность темы в том что переходные режимы и сопровождающие их волновые процессы становятся причиной разрушения трубопроводов, арматуры, поломки насосов или других нарушений нормальной работы насосных установок. Таким образом, снижение опасности гидравлических ударов позволяет повысить надежность и эффективность работы мелиоративных систем, что в более широком плане, повысит их конкурентоспособность.
Научная значимость работы состоит в том что проблема защиты от гидравлического удара во многих случаях решается неэкономично, путем повышения запаса прочности труб. Сказанное в значительной мере объясняется неправильным расчетом гидроударов и несовершенной конструкцией устройств, предложенных для защиты трубопроводов от колебаний давления.
Практическая ценность результатов работы. Защиту гидравлических систем от гидравлических ударов в общем случае можно осуществить двумя путями: непосредственным воздействием на устройство, вызывающее изменение скорости потока в переходном процессе, и применением специальных устройств, которые вызывают искусственное снижение модуля ускорения движения жидкости. Первый путь, как профилактический, следует считать предпочтительным при разработке защитных мероприятий, однако он применим только при плановых переходных режимах. Защита гидравлических систем путем сброса части транспортируемой жидкости является самым распространенным и универсальным приемом искусственного снижения величины гидравлического удара. Устройства, выполняющие данную функцию, можно разделить на клапанные, разрывные мембраны и переливные колонны. Мембраны, являясь устройствами разового действия, при срабатывании которых опорожнялся бы весь став, не нашли применения. Переливные колонны в связи с большими напорами и значительной геодезической высотой рассматриваемых систем также не применяются. Клапанные устройства для защиты от гидравлических ударов можно разделить на предохранительные клапаны и специальные гасители гидравлических ударов. Предохранительные клапаны всех типов обладают рядом характерных недостатков. Это большая разница давлений открытия и закрытия (гестерезис) клапана, резкое захлопывание затвора и генерирование дополнительного удара в момент подхода отрицательной волны давления, как правило, ручная настройка на рабочее давление и связанная с этим необходимость пробных срабатываний. Следует, однако, отметить, что в некоторых конструкциях для плавной посадки клапана предусмотрен гидравлический демпфер, в других наоборот, выдвигается требование быстрого закрытия, т.к. «недостаточно быстрое закрытие клапана не в состоянии прервать пленку протекающей между уплотнительными поверхностями среды, и поэтому герметичность клапана не восстанавливается». Постоянство настройки предохранительных клапанов не позволяет оптимально гасить гидравлические удары, начинающиеся с понижения давления, т.к. они не реагируют на эффект снижения давления в трубопроводе в момент отрицательной волны. В принципе, более или менее успешно функции гашения гидравлических ударов могут выполнять все предохранительные клапаны, так же как и многие устройства для гашения гидравлических ударов могут не допускать и статического роста давления сверх величины настройки. Большая группа устройств, которые реагируют на понижение давления в системе, предшествующее волне повышения давления и открывает при этом сливной клапан, безусловно, относится к гасителям, это конструкции Радченко Г.И., Папина В.М., Тимошенко Г.М., и д.р. Общими недостатками этих устройств является то, что они могут открывать сливной клапан при снижении давления по другим причинам, в том числе и вследствие разгерметизации трубопровода или утечек через обратный клапан при стоянке насоса и не реагируют на повышение давления. В последнее время, однако, все большее распространение получают конструкции, реагирующие на положительную производную давления по времени, что объясняется, в первую очередь, их универсальностью. Большинство этих устройств прямого действия и, следовательно, запорный орган является одновременно чувствительным элементом. Это способствует высокому быстродействию устройства, возможности легко обеспечить минимально необходимый для гашения удара слив транспортируемой жидкости. В то же время зависимость между чувствительностью и уплотняющим усилием на клапане приводит к тому, что требуемая чувствительность устройства определяет при проектировании возможное уплотняющее усилие в клапанной паре, которое бывает недостаточным.
Были проведены исследования и расчеты гидравлических ударов.
Гидравлический удар зависит от многих факторов: закона изменения скорости потока, длины и вида трубопровода, материала и геометрии труб, транспортируемой среды и т. д. Учет их приводит к усложнению расчетов и не всегда обоснован.
Рисунок 1 - Расчетная схема гидравлической системы: 1 - насос; 2 - задвижка; 3 - обратный клапан; 4 - нагнетательный трубопровод; 5 - резервуар
Известно, что гидравлический удар в трубопроводах вызывается быстрым изменением скорости движения воды, что сопровождается большим изменением давления. В низконапорных системах в общем случае резкие изменения скорости движения воды могут возникнуть в насосных установках при пуске, остановке и регулировании. Особенно опасные колебания давления наблюдаются при внезапном отключении привода насосного агрегата [1, 2].
Расчет гидравлического удара для случая отключения насоса производится при следующих основных допущениях:
Изменение скорости потока происходит мгновенно (ротор насосного агрегата безинерционен);
Распределенное по длине сопротивление концентрируется в одной точке;
Сечение труб постоянное по всей длине, транспортируется вода без примеси воздуха.
Построение волновых характеристик и графика колебаний давления во времени
Проанализировать процесс в случае мгновенного отключения насоса можно графо-аналитическим способом. При этом начальное сечение совпадает с обратным клапаном 3 (рисунок 1). В момент времени 0 происходит изменение скорости потока и расхода с рабочего значения до нуля.
В момент времени t = 0,0 состояние потока определяется точкой пересечения характеристик насоса и сети, то есть, стационарный напор в системе равен HA, а расход равен QA и происходит мгновенное закрытие обратного клапана, расположенного в начальном сечении трубопровода.
Время преодоления расстояния между начальным и конечным сечениями равно L/c (c - скорость распространения ударной волны, м/с; L- длина трубопровода, м).После отключения насоса ударная волна движется по направлению потока и в начальном сечении образуется скачками давления, определяемой волновой характеристикой А-В. В момент времени t = 0,0 состояние потока в начале трубопровода определяется точкой В.
Далее ударная волна движется по потоку (прямая характеристика), и прибывает в конечное сечение с параметрами точки С. Затем ударная волна движется против потока, и через время 2L/c от начала процесса вновь прибывает в начальное сечение и параметры режима определяются точкой D. Дальнейшими аналогичными построениями определяются точки E, F, G и т. д. Запишем уравнения волновых характеристик для этого случая. Линия А–В:
По этому уравнению рассчитывается координата точки В - НВ. Все остальные величины известны (QB = 0), а так же QА, НА. Соединив точки А и В и получаем волновую характеристику трубопровода.
При этом скорость распространения ударной волны может быть рассчитана по формуле (2) [3, 4]:
где: Еж – модуль упругости воды, 2,05•109 Па; Е - модуль упругости стали, 1•1011 Па;δ- толщина стенки трубы, ρ - плотность воды, кг/м3; d - внутренний диаметр труб, м.
Координаты точки С определяются из системы уравнений:
Совместное решение уравнений 3 позволяет определить координаты точки С - НС и QC.
Координату точки D – НD (QD = 0) можно определить из уравнения 4:
Остальные линии графического расчета, образующие "вертушку", строятся по приведенному выше принципу.
Рисунок 2 - Определение волновых характеристик.
Физически, процесс гидравлического удара можно описать так. После мгновенной остановки насоса и закрытия обратного клапана в зоне, непосредственно примыкающей к обратному клапану, образуется пониженное давление как следствие проявления инерционных свойств воды. Так как реальная жидкость сжимается, то мгновенной остановки всей массы жидкости в трубопроводе не произойдет, а область пониженного давления будет распространяться по направлению потока со скоростью с и достигнет конца трубопровода за время L/c. Но такое состояние не будет равновесным, и частицы воды из резервуара устремятся в трубопровод. Пройдет еще время L/c и во всем трубопроводе установится первоначальное давление. Однако, в силу инерционности, движение частиц воды не прекращается, давление у обратного клапана повышается и в направлении от него к резервуару начнет распространяться новая волна теперь уже повышенного давления. Через время 3L/c она достигнет резервуара, оставляя за собой расширившиеся стенки труб и сжатую жидкость. В этом случае кинетическая энергия жидкости совершает работу деформации, противоположную по знаку той, что совершалась во время 0 - L/c. Но состояние трубы и жидкости в этой фазе так же не будет равновесным, и частицы жидкости начнут перетекать в резервуар, снижая давление в трубе. Появившаяся ударная волна пониженного давления двинется в сторону обратного клапана. Говорят "волна отразилась от конца трубопровода и поменяла знак". За время 4L/c будет восстановлено первоначальное положение. Это время называется периодом гидравлического удара. Легко заметить, что этот период состоит из двух фаз. Первая фаза равна 2L/c, когда давление у обратного клапана меньше рабочего, вторая - такой же длительности, когда давление у обратного клапана больше рабочего [5, 6].
На рисунке 3 показан процесс колебания давления во времени, регистрируемый за обратным клапаном. Его построения понятны из рисунка.
В заключение определяется коэффициент повышения давления:
K = HD/HA.
Рисунок 3 - Колебания давления во времени