RUS | UKR | FR || ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ

Цель и задачи
Актуальность
1. Расчет гидравлического удара
2. Построение волновых характеристик и графика колебаний давления во времени
3. Защита от гидравлических ударов
Список литературы

      Цель – повысить безопасность эксплуатации низконапорных систем в переходных режимах.
      Данная цель может быть достигнута путем решения следующих задач:
- создать программу расчета переходных процессов в мелиоративных системах; промоделировать систему в переходных режимах;
- проанализировать и выбрать наиболее эффективные средства защиты от колебаний давления;
- создать модель рабочего процесса выбранного средства защиты;
- разработать модель переходного процесса с выбранным средством и показать эффективность его работы.

      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.
      В то же время 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.

      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.

      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.

      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 H_A, а расход равен Q_A 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 - Н_В. Все остальные величины известны (Q_B = 0), а так же Q_А, Н_А. 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: Е_ж – модуль упругости воды, 2,05•10⁹ Па; Е - модуль упругости стали, 1•10¹¹ Па; δ - толщина стенки трубы, м; 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 - Н_С и Q_C.
      Координату точки D – Н_D (Q_D = 0) можно определить из уравнения 4:

      Остальные линии графического расчета, образующие "вертушку", строятся по приведенному выше принципу.

      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 = H_D/H_A.

      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 [7].
      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.
      Свободными от указанных недостатков являются устройства непрямого действия, которые содержат звено усиления, включенное между измерительным исполнительным (запорным) органом.
      Все известные конструкции гасителей гидравлических ударов непрямого действия (часто называемые импульсными) содержат измерительный элемент, выполненный в виде пружинного предохранительного клапана, рычажно-поршневой системы, электромагнитного клапана, воздействующий на управляющий элемент, который чаще всего имеет вид клапанной пары или золотника. 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 [8, 9].
      Для защиты данной насосной установки (рисунок 1) от гидравлических ударов выбираем гаситель гидравлических ударов непрямого действия (рисунок 4).

      Данный клапан (рисунок 4) для защиты от гидроударов свободен от ряда недостатков, в частности, обеспечивается гарантированное закрытие клапана при повышенном уплотняющем усилии. Известно, что для закрытия обычного клапана давление в защищаемом трубопроводе или резервуаре должно упасть намного ниже давления срабатывания (клапанный гистерезис). Это зачастую приводит к большим сливам транспортируемой среды, что отрицательно сказывается на экономике и может навредить экологии.
      Увеличение силы закрытия клапана при посадке тарелки на седло обеспечивается увеличением плеча действия груза G, что обеспечивает гидроцилиндр, закрепленный на рычаге благодаря наличию трубки, соединяющей полость клапана и поршневую полость гидроцилиндра [10].

      На данный момент магистерская работа находится в стадии разработки. После декабря 2010 года более подробную информацию можно получить по адресу Valya_1286@mail.ru.

1. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов М.: Недра, 1987. – 270с.
2. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – М.: Недра, 1972. – 340 с.
3. Пак В.С., Гейер В.Г. "Шахтные водоотливные установки", М., НЕДРА, 1962.
4. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. – М.: Недра, 1991. – 321 с.
5. Фокс Д.А. "Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах", М., ЭНЕРГОИЗДАТ, 1981. - стр. 248.
6. Андрияшев М.М. Графические расчеты гидравлического удара в водоотливных установках. М., Стройиздат, 1969. - стр.64.
7. Оверко В.М. Создание и исследование средств защиты шахтных водоотливных установок от гидравлических ударов. - Донецк, ДПИ, 1980, - стр. 64.
8. А.С. 1281805 Устройство для гашения гидравлических ударов. Оверко В.М., Поляков Л.Л., Королев А.С. и др. Опубл. в БИ №1, 1987
9. Тимошенко Г.М., Оверко В.М. Исследования гасителя гидравлических ударов для шахтных водоотливных установок Киев,1980.-17с. Рукопись депонирована в УкрНИИНТИ.
10. Оверко В.М., канд. техн. наук, доц., Овсянников В.П., канд. техн. наук, доц., Клапан для защиты трубопроводов от гидравлических ударов - гидравлическая схема и математическая модель. Научные труды ДонНТУ, выпуск 101 - cтр. 95-98.

Наверх страницы