В настоящее время в Донбассе идет широкая компания по закрытию угольных шахт. Важнейшим моментом при этом является эффективная организация водоотливного хозяйства. Наиболее перспективной в этих условиях считается схема водоотлива с погружными насосами, которая позволяет полностью вывести обслуживающий персонал из-под земли.
Однако, опыт показывает, что на действующих схемах водоотлива такого типа при аварийном обесточивании двигателя в установках возникают существенные продольные колебания трубопроводного става, приводящие к разрушению опорных подшипников насосного агрегата и другим поломкам. Единственно возможной причиной случившегося может быть гидравлический удар.
В результате анализа существующих методов борьбы с гидроударами для защиты от опасных колебательных процессов предложено использовать специальный обратный клапан, способный пропускать определенное количество воды, когда он находится в закрытом положении. Данный эффект может быть достигнут либо с помощью отверстия в тареле либо с помощью обводного канала (байпаса) с заданным гидравлическим сопротивлением. Место установки такого клапана – примерно в средней части вертикального участка трубопровода уточняется в ходе решения оптимизационной задачи.
При рассмотрении существующих клапанов, выполняющих требуемые функции, были выявлены некоторые недостатки, не позволяющие обеспечить постоянство расчетных характеристик устройств в процессе их эксплуатации. Так как вещества, содержащиеся в рабочей среде, образуют налет на поверхности пропускного отверстия запорного органа, увеличивая тем самым его гидравлическое сопротивление, что в свою очередь приводит к нежелательным изменениям характеристик устройства. Возникает необходимость демонтажа устройства для его прочистки.
Был придуман клапан, в котором эта проблема решается за счет оснащения конструкции новым приспособлением.
Анимация: 2 кадра, беск. циклов, 21 кБ
Как известно большинство технических задач, связанных с изучением неустановившегося течения жидкости в трубах с высокой точностью могут быть рассмотрены в рамках одномерной модели. При этом неустановившееся течение жидкости по конструктивному участку трубопровода описывается системой гиперболических уравнений в частных производных. Это уравнение движения и уравнение неразрывности потока:
где  - распределение избыточного давления на i-м участке трубопровода;
xi - координата сечения i-го участка трубопровода;
Li - общая длина i-го участка трубопровода;
t – время;
 - площадь сечения i-го участка трубопровода участка;
di - диаметр i-го участка трубопровода;
Qi = Qi(xi,t) - распределение расхода жидкости на i-м участке;
Ai - удельное сопротивление участка трубопровода 
 - коэффициент гидравлического трения на i-м участке трубопровода;
 - плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
C - средняя скорость распространения ударной волны по i-му участку трубопровода;
ki - удельное приращение геометрической высоты i-го участка трубопровода.
Скорость распространения ударной волны определяется из выражения:
где Ev - объемный модуль упругости жидкости;
 - средний диаметр трубопровода;
Ecт - модуль упругости материала стенок трубопровода.
Существует много эмпирических формул для расчета коэффициентов гидравлического трения. Наиболее часто используется формула Альтшуля:
где  - шероховатость стенок трубопровода i-го участка;
Re - число Рейнольдса.
Эта и другие подобные ей формулы найдены путем обработки экспериментальных данных полученных при изучении установившегося течения жидкости. Для их использования в случае нестационарных течений Христианович ввел гипотезу квазистационарности в соответствии, с которой напряжение трения жидкости о стенки трубы при неустановившемся течении зависит только от мгновенной средней в сечении скорости. Эта гипотеза и была использована при построении имитационной модели, которая применена для определения параметров специального обратного клапана.
Для выполнения расчетов примем конструктивную схему, изображенную на рисунке 1.
Для рассматриваемой водоотливной установки шахты количество конструктивных участков трубопровода i принимаем равно 5. Вертикальный участок трубопровода разобьем на две части, причем
L1 + L2 = Hg (4)
где Hg - геометрическая высота.
Для решения системы уравнений (1) необходимо определить граничные и начальные условия.
Будем рассматривать переходные процессы в трубопроводе водоотливной установки шахты при внезапном, мгновенном отключении насоса. То есть, в момент времени , в соответствии с параметрами водоотливной установки, расход по всей длине трубопровода равен
Q0, а начиная с момента t = +0
Граничные условия в трубопроводе водоотливной установки шахты для данной расчетной схемы определяются системой уравнений:
точки соединения конструктивных участков -
В случае использования байпаса  - гидравлическое сопротивление байпаса.
В конце напорного трубопровода величины давления и расхода связаны соотношением:
Систему уравнений (1) с граничными условиями (5),(10),(11),(12) и начальными условиями (6),(7),(8),(9) с учетом (2),(3) можно решить методом характеристик, который является универсальным способом решения нелинейных уравнений гидравлического удара. В результате может быть найдена величина максимального давления в трубопроводе за время переходного процесса  как функция независимого параметра и координаты точки установки специального обратного клапана, то есть от величин и с учетом ограничения (4).
Таким образом, решив оптимизационную задачу:
с ограничениями:
был найден оптимальный диаметр отверстия в тарели специального обратного клапана для предотвращения гидравлических ударов на водоотливной установке шахты для рассматриваемой схемы -  и точка его установки - 
Анализ представленной диаграммы (рис. 2) показывает, что внезапное обесточивание привода насоса приводит к высокоамплитудным продолжительным колебаниям давления, которые вполне могут привести к продольным колебания трубопроводного става, что вызовет ударные нагрузки между подвижными элементами насосного агрегата.
Применение специального обратного клапана позволяет полностью исключить колебательный процесс в нижней части трубопровода (рис. 3). Разовое повышение давления за специальным обратным клапаном (рис. 4) представляется неопасным по амплитуде и не сможет вызвать колебания всего трубопровода. Применение разработанной модели позволяет определить наиболее эффективную величину отверстия в тареле специального обратного клапана или гидравлическое сопротивление байпаса и уточнить наивыгоднейшее расположение самого клапана при различных параметрах водоотливных установок. Критерием оптимизации параметров специального обратного клапана является минимизация максимального давления в трубопроводе, что обеспечивает практически отсутствие колебательных явлений в переходном режиме.
Выводы: предложенная система защиты от гидравлических ударов позволяет эффективно устранить колебательные явления и повышения давления в водоотливной установке с погружными насосами, а рассмотренная методика расчетов и оптимизации параметров специального обратного клапана является универсальным подходом к решению задачи защиты водоотливных установок с погружными насосами.
| 
