Актуальность темы

В настоящее время оборудование горной промышленности развивается в сторону повышения мощности. В водоотливных установках, в связи с увеличением глубины шахт, увеличивается длина трубопроводов, что ведет к увеличению опасности гидравлических ударов. Величина гидравлических ударов, в связи с увеличением скорости потоков в трубах, так же имеет тенденцию к росту. Это может привести к разрушению трубопровода, другим нарушениям нормальной эксплуатации водоотливных установок.

Зачастую, проблема защиты от гидравлических ударов решается неэкономично путем повышения запаса прочности труб. Это можно объяснить несовершенной конструкцией устройств, предложенных для защиты трубопроводов от гидравлического удара, который является сложным процессом, нелинейно зависящим от таких факторов, как момент инерции ротора насосного агрегата, длины напорного трубопровода и тд. Известно так же, что на установках с меньшей высотой вероятны большие относительные повышения давления. Поэтому для обеспечения защиты водоотливных установок необходимо применять устройства для защиты от гидравлических ударов.

Для того чтобы подобрать устройство против гидравлического удара при проектировании новой водоотливной установки необходимо знать величину превышения давления при гидравлическом ударе над рабочим давлением системы. Данную проблему можно решить несколькими способами, но все они как правило требуют массу трудоемкого и сложного расчета, что человеку не всегда под силу. Для этой цели были разработаны за рубежом программы для расчета на персональном компьютере величины гидравлического удара в трубопроводе. Но, как правило, стоимость данного программного обеспечения достаточно велика и, следовательно, проектные организации и НИИ имеют ограниченную возможность в использовании программных продуктов зарубежных фирм.

Цели и задачи работы

Проанализировав вышеизложенное, цель работы можно сформулировать следующим образом: исследовать работу водоотливной установки в переходных режимах, разработать программу расчета гидравлического удара при помощи персонального компьютера.

Эта программа позволит существенно сократить расходы при проектировании и введении в эксплуатацию новых водоотливных установок. Для решения поставленной задачи необходимо:

1. изучить и выбрать оптимальный аналитический метод расчета гидравлического удара;
2. на основе выбранного метода разработать программу расчета гидравлического удара;
3. изучить и выбрать оптимальный графический метод расчета гидравлического удара;
4. произвести расчет новой водоотливной установки по данным реального проекта, используя графический метод решения и разработанную программу расчета;
5. сопоставить результаты расчетов по двум методикам
6. внедрить разработанную программу в проектные организации.

Гидравлический удар в рассчитываемом трубопроводе

Гидравлическим ударом называется комплекс явлений, происходящих в капельной жидкости при резком уменьшении ее скорости движения, благодаря чему в жидкости возникает колебательный затухающий процесс, сопровождающийся чередующимся резким повышением и понижением давления.

Удар происходит и тогда, когда в покоящейся жидкости, находящейся в трубопроводе, закрытом только с одной стороны (гидравлический тупик), внезапно создается давление у открытого конца. Это приложенное давление в виде удара распространяется по трубопроводу. В начальной стадии удара одновременно с распространением по длине трубопровода приложенного давления приходит в движение вследствие сжатия заключенная в трубопроводе жидкость.

Вторичное повышение давления происходит после того, как жидкость, пришедшая в движение, вынуждена будет начать останавливаться ввиду того, что трубопровод в конце тупика перекрыт. Такой случай удара происходит в трубопроводах, подводящих топливо от топливных насосов к форсункам бескомпрессорных двигателей или в тупиковых трубопроводах водопроводных систем.

Колебательный процесс изменения давления возникает и при внезапном открытии задвижки, т. е. при быстром сообщения жидкости скорости, что вызывает уменьшение давления. В тех случаях, в которых явление удара "е используется, а его действие вредно отражается на нормальной работе трубопровода или на его прочности, система должна быть оборудована устройствами, которые не позволили бы осуществить мгновенное уменьшение скорости (запорные устройства вентильного типа), или должны быть установлены приспособления, которые ограничивали бы распространение удара.

Процесс изменения давления в жидкости при перекрытии трубопровода осуществляется следующим образом. Сначала повышается давление в остановившемся слое жидкости непосредственно у закрытой задвижки. Остановка жидкости и повышение давления в трубопроводе происходят постепенно от слоя к слою. Одновременно с постепенной остановкой отдельных слоев в остановившихся слоях происходит увеличение давления. Таким образом, возникшая у задвижки волна повышения давления, или ударная волна, распространяется по трубопроводу длиною l к его открытому концу.

Скорость распространения ударной волны, если трубопровод и жидкость по длине однородны, будет постоянна; обозначим ее через a. Через время t = l/a , в течение которого ударная волна достигнет открытого конца трубопровода, вся жидкость в трубопроводе остановится.

Так как емкость, к которой присоединен трубопровод, велика, то явление удара на жидкость в емкости не распространится. Поэтому к моменту подхода ударной волны к началу трубопровода у емкости создается граница, на которой соприкасаются две среды: первая среда - жидкость в емкости, находящаяся в нормальном состоянии, вторая среда - жидкость в трубопроводе, находящаяся в сжатом состоянии. Совершенно очевидно, что сжатая в трубопроводе жидкость не может оставаться там в состоянии покоя. Как сжатая пружина, свободная с одного конца, жидкость в трубопроводе начнет перемещаться в сторону емкости, приобретая при этом в том же направлении и скорость. Благодаря этому начинается спад давления, который будет распространяться уже от резервуара в сторону задвижки. Причем вместе со спадом давления будет приходить в движение жидкость в трубопроводе со скоростью, направленной в сторону, противоположную начальной. Явление происходит так, как если бы у свободного конца в тот самый момент, когда к нему подошла волна повышения давления, возникла вторая волна - волна понижения давления. Эта волна перемещается в направлении к задвижке с той же скоростью a и гасит давление, которое создала первая ударная волна. Когда волна понижения давления ко времени Т =2l/a, называемом фазой удара, достигнет закрытой задвижки, вся масса жидкости будет иметь начальное давление и скорость, направленную к резервуару. Ввиду последнего обстоятельства жидкость в трубопроводе в дальнейшем будет стремиться оторваться от задвижки. Вследствие этого давление у задвижки, ставшее начальным, при подходе волны гашения будет продолжать падать, становясь меньшим того, чем оно было до удара. Падение давления прекратится, когда слой жидкости у задвижки, "разжавшись" вследствие падения давления, остановится. После этого произойдет падение давления у смежного слоя и его остановка. Падение давления, сопровождающееся остановкой слоев жидкости, будет распространяться в сторону резервуара. Явление может быть описано так, как если бы у задвижки возникла третья волна - волна снижения давления до значений, ниже нормального.

Когда волна снижения достигнет резервуара, в этот момент 3t =3l/a вся жидкость в трубопроводе будет неподвижна и иметь пониженное давление. В этом состоянии жидкость в трубопроводе не может оставаться в покое. Так как давление в резервуаре больше, чем давление в трубопроводе, то вследствие своей упругости жидкость начнет перемещаться, но теперь уже от открытого конца в сторону задвижки. При этом в трубопроводе начнется процесс восстановления начального давления и начальной скорости. Явление будет происходить так, как если бы у открытого конца трубопровода возникла четвертая волна - волна восстановления начальной скорости и начального давления.

Поэтому, когда волна восстановления ко времени 2Т =4l/a достигнет задвижки, во всем трубопроводе будут восстановлены и начальная скорость и начальное давление. Но так как задвижка продолжает оставаться закрытой, а жидкость движение свое продолжать не может, то у задвижки вновь возникает удар. Если пренебречь рассеянием (диссипацией) энергии потока, обусловленной работой сил трения и деформацией трубопровода, то вновь возникший удар будет повторять предыдущий. Удар будет иметь периодический характер. В этом случае колебательный процесс будет продолжаться бесконечно долго, а давление у задвижки в зависимости от времени будет изменяться так, как показано на рис. 3.1. Такой удар называется прямым.

Для определения величины давления, которое возникает при ударе в случае мгновенного перекрытия задвижки, рассмотрим явление у задвижки. За время dt после возникновения удара прекратится движение жидкости и возрастет давление только на длине dl = a dt, где а - скорость волны.

В потоке левее сечения A (рис.3.2) еще будут начальное давление р и начальная скорость v. У задвижки (в сечении В) давление будет равно давлению удара; часть трубопровода будет деформирована, как показано пунктиром.

Для горизонтального трубопровода (z = const) будем иметь:

Умножив обе части уравнения на dl=adt, получим: dp = - pβadv.

Рисунок 3.1. - Зависимость давления у задвижки при прямом гидравлическом ударе.

Пренебрегая перемещением частиц за время удара, можно рассматривать dv как изменение скорости в некотором живом сечении, т. е. отнести это изменение к точке поля.

Рисунок 3.2. - Пунктиром показано расширение трубопровода, вызванное ударом.

Таким образом, интегрирование надо произвести в пределах от р до Pуд и от v до 0.

При этом получим:

Расчет гидравлического удара

Наибольшую опасность в шахтном водоотливе представляет отключение насосного агрегата, поэтому рассмотрим явления, вызываемые рационально управляемой задвижкой, которая установлена за нагнетателем.

Скорость распространения ударной волны вычисляется по формуле:

где

Eж - модуль упругости жидкости (для воды Eж = 2*10 ⁹ Пa) ;

E - модуль упругости для материала трубопровода (для стали E = 1*10 ¹¹ Пa) ;

d - внешний диаметр трубопровода, м;

δ - толщина стенки, м ;

Зная скорость распространения ударной волны определим t - периодичность ее движения:

где : L - длина трубопровода, м ;

При гидроударе существует приращение напора, которое можно определить по формуле:

где

Qp - рабочая подача насоса, м³/ч;

dвн - внутренний диаметр трубопровода, м.

Для построения волновой характеристики гидроудара в координатах H-Q необходимо построить кривую выбега ротора насоса в координатах ω/ω₀t.

Кривая строится по известной зависимости:

где

T_Q - постоянная времени насосного агрегата, с;

Iн - момент инерции насоса, кг/м²

Iн = 1.1* Iр

Iр - момент инерции ротора двигателя, кг/м²

ω₀ - угловая скорость вращения насоса, с^-1

ω₀ =2П* n₀/60

n₀ - частота вращения двигателя, мин^-1;

М₀ - момент сопротивления при рабочем режиме; Н м;

После отключения насоса частота вращения ротора падает до нуля не мгновенно, а плавно, в течение относительно длинного промежутка времени. Закрывание клапана происходит медленно и давление в начальном сечении трубопровода снижается. Характер этого снижения определяется интенсивностью уменьшения частоты вращения ротора насоса.

Чтобы построить более точный график изменения колебаний давления необходимо построить характеристики насоса при частотах.

n = 0.84n₀; n = 0.72n₀; n = 0.61n₀;

Средства защиты от гидравлических ударов

Защита гидравлических систем путем сброса части транспортируемой жидкости является самым распространенным приемом искусственного снижения величины гидравлического удара. Устройства, выполняющие данную функцию, можно разделить на клапанные, разрывные мембраны и переливные колонны.

Мембраны, являясь устройством разового действия, при срабатывании которых опорожнялся бы весь став не нашли применения в водоотливе. Переливные колонны в связи с большими напорами и значительной геодезической высотой рассматриваемых систем так же 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 клапана, разное захлопывание затвора и генерирование дополнительного удара в момент подхода отрицательной волны давления и связанная с этим необходимость пробных срабатываний. Постоянство настройки предохранительных клапанов не позволяет гасить гидравлические удары, начинающиеся с понижения давления, так как они не реагируют на эффект снижения давления в трубопроводах в момент отрицательной волны. Все это привело к тому, что в водоотливных установках они не нашли применения, впрочем, как и на других шахтных гидросистемах.

В последнее время, все большее распространение получили конструкции, реагирующие на положительную производную давления во 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. Свободными от указанных недостатков являются устройства непрямого действия, которые содержат звено усиления, включенное между измерительными элементами и исполнительным (запорным) органом.

Все известные конструкции гасителей гидравлических ударов непрямого действия (часто называемые импульсивными) содержат измерительный элемент, выполненный в виде пружинного предохранительного клапана, рычажно-поршневой системы, электромагнитного клапана, воздействующего на управляющий элемент, который чаще всего имеет вид клапанной пары или заложника. Управляющий элемент сообщает полость гидропривода либо с атмосферой, либо с напорной магистралью и тем самым открывается или закрывается запорный орган гасителя. Поскольку площадь поршня гидропривода может быть значительно больше площади сливного клапана, ограничений для уплотняющей силы практически нет.

В целом такие преимущества гасителей гидравлических ударов непрямого действия, как возможность получения необходимой уплотняющей силы для достижения надежной герметичности запорного органа, сравнительно небольшие габариты его даже для весьма мощных гидросистем, просто достигаемая необходимая чувствительность позволяют определять их как наиболее перспективные среди устройств, защищающих гидросистемы путем сброса части транспортируемой жидкости. В данной системе водоотлива применим гаситель гидроудара с воздушно - гидравлическим клапаном. Применение воздушно - гидравлических клапанов в качестве средств борьбы с гидравлическими ударами получило широкое распространение в инженерной гидравлике, и особенно, в системах гидротранспорта, где клапанные устройства надежно работать не могут в связи с наличием в потоке твердой фракции. Клапаны отличаются простотой конструкции и нужной (при соответствии объема сжатого воздуха параметрам гидросистемы) защитой от колебаний давления, в том числе и высокочастотных.

В практике возможны и нашли применение и другие способы защиты от гидравлических ударов, также как впуск воздуха и жидкости, сброс жидкости через насос, демпорирование обратным клапаном, рассечение трубопровода обратными клапанами, применение уравнительных резервуаров, интерференционных гасителей, введение в трубопровод упругих элементов и т.д.

Список литературы

1. Андрияшев М.М. Графические расчеты гидравлического удара в водоотливных установках. М., Стройиздат, 1969. - стр.64.
2. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учеб. Пособие для вузов.-М: Недра, 1987. - стр. 316.
3. Оверко В.М. Создание и исследование средств защиты шахтных водоотливных установок от гидравлических ударов. - Донецк, ДПИ, 1980, - стр. 64.
4. Оверко В. М. Создание и исследование средств защиты шахтных водоотливных установок от гидравлических ударов.: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - ДПИ, 1980. - стр. 292;
5. Пак В.С., Гейер В.Г. "Шахтные водоотливные установки", М., НЕДРА, 1962.
6. Фокс Д.А. "Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах", М., ЭНЕРГОИЗДАТ, 1981. - стр. 248.
7. "Инструкция по проектированию шахтных водоотливных установок". - Донецк, ДПИ, 1979.