Актуальність теми у тому що перехідні режими і хвильові процеси, які їх супроводжують стають причиною руйнування трубопроводів, арматури, поломки насосів або інших порушень нормальної роботи насосних установок. Таким чином, зниження небезпеки гідравлічних ударів дозволяє підвищити надійність і ефективність роботи меліоративних систем, що в більш широкому плані, підвищить їх конкурентоздатність.
Наукова значимість роботы є у тому що проблема захисту від гідравлічного удару в багатьох випадках вирішується неекономично, шляхом підвищення запасу міцності труб. Сказане значною мірою пояснюється неправильним розрахунком гідроударів і недосконалою конструкцією пристроїв, запропонованих для захисту трубопроводів від коливань тиску.
Практична цінність результатів роботы. Захист гідравлічних систем від гідравлічних ударів у загальному випадку можна здійснити двома шляхами: безпосереднім впливом на пристрій, що викликає зміну швидкості потоку в перехідному процесі, і застосуванням спеціальних пристроїв, що викликають штучне зниження модуля прискорення руху рідини. Перший шлях, як профілактичний, варто вважати кращим при розробці захисних заходів, однак він застосовний тільки при планових перехідних режимах. Захист гідравлічних систем шляхом скидання частини рідини, що транспортується, є найпоширенішим і універсальним прийомом штучного зниження величини гідравлічного удару. Пристрої, що виконують дану функцію, можна розділити на клапанні, розривні мембрани і переливні колони. Мембрани, будучи пристроями разової дії, при спрацьовуванні яких спорожнявся б весь став, не знайшли застосування. Переливні колони в зв'язку з великими напорами і значною геодезичною висотою також не застосовуються Клапанні пристрої для захисту від гідравлічних ударів можна розділити на запобіжні клапани і спеціальні гасителі гідравлічних ударів. Запобіжні клапани всіх типів володіють характерними недоліками. Це велика різниця тисків відкриття і закриття (гестерезис) клапана, різке захлопування затвора і генерування додаткового удару в момент підходу негативної хвилі тиску, як правило, ручне настроювання на робочий тиск і зв'язана з цим необхідність пробних спрацьовувань. Треба, однак, відзначити, що в деяких конструкціях для плавної посадки клапана передбачен гідравлічний демпфер, в інших навпаки, висувається вимога швидкого закриття, тому що "недостатньо швидке закриття клапана не в змозі перервати плівку середовища, що протікає між ущільнювальними поверхнями, і тому герметичність клапана не відновлюється". Сталість настроювання запобіжних клапанів не дозволяє оптимально гасити гідравлічні удари, що починаються зі зниження тиску, тому що вони не реагують на ефект зниження тиску в трубопроводі в момент негативної хвилі. У принципі, більш-менш успішно функції гасіння гідравлічних ударів можуть виконувати всі запобіжні клапани, так само як і багато пристроїв для гасіння гідравлічних ударів можуть не допускати і статичного росту тиску понад величину настроювання. Велика група пристроїв, що реагують на зниження тиску в системі, що передує хвилі підвищення тиску і відкриває при цьому зливальний клапан, безумовно, відноситься до гасителів, це конструкції Радченко Г.И., Папина В.М., Тимошенко Г.М., та інші. Загальними недоліками цих пристроїв є те, що вони можуть відкривати зливальний клапан при зниженні тиску з інших причин, у тому числі і внаслідок розгерметизації трубопроводу або витоків через зворотний клапан при стоянці насоса і не реагують на підвищення тиску. Останнім часом , однак, усе більше поширення одержують конструкції, що реагують на позитивну похідну тиску за часом, що пояснюється, у першу чергу, їх універсальністю. Більшість цих пристроїв прямої дії і, отже, запірний орган є одночасно чуттєвим елементом. Це сприяє високій швидкодії пристрою, можливості легко забезпечити мінімально необхідний для гасіння удару злив рідини, що транспортується. У той же час залежність між чутливістю і зусиллям, що ущільнює, на клапані приводить до того, що необхідна чутливість пристрою визначає при проектуванні можливе зусилля, що ущільнює, у клапанній парі, що буває недостатнім.
Були проведені дослідження і розрахунки гідравлічних ударів.
Гідравлічний удар залежить від багатьох факторів: закону зміни швидкості потоку, довжини і виду трубопроводу, матеріалу і геометрії труб, середовища що транспортується і т.і. Їхній облік приводить до ускладнення розрахунків і не завжди обґрунтований.
Малюнок 1 - Розрахункова схема гідравлічної системи: 1 - насос, 2 - засувка, 3 - зворотний клапан, 4 - нагнітальний трубопровід, 5 - резервуар
Відомо, що гідравлічний удар у трубопроводах викликається швидкою зміною швидкості руху води, що супроводжується великою зміною тиску. У низьконапірних системах у загальному випадку різкі зміни швидкості руху води можуть виникнути в насосних установках при пуску, зупинці і регулюванні. Особливо небезпечні коливання тиску спостерігаються при раптовому відключенні приводу насосного агрегату [1, 2]. [1, 2].
Розрахунок гідравлічного удару у випадку відключення насоса виконується при наступних основних припущеннях:
Зміна швидкості потоку відбувається миттєво (ротор насосного агрегату без інерції);
Розподілений по довжині опір концентрується в одній точці;
Перетин труб постійний по всій довжині, транспортується вода без домішків повітря.
Побудова хвильових характеристик і графіка коливання тиску в часі
Проаналізувати процес у випадку миттєвого відключення насоса можна графо-аналітичним способом. При цьому початковий перетин збігається зі зворотним клапаном 3 (рисунок 1). У момент часу 0 відбувається зміна швидкості потоку і витрати з робочого значення до нуля.
У момент часу t = 0,0 стан потоку визначається крапкою перетинання характеристик, тобто, стаціонарний напір у системі дорівнює HA, а витрата дорівнює QA і відбувається миттєве закриття зворотного клапана, розташованого в початковому перетині трубопроводу.
Час подолання відстані між початковим і кінцевим перетинами дорівнює L/c (c - швидкість поширення ударної хвилі, м/с; L - довжина трубопроводу, м). Після відключення насоса ударна хвиля рухається в напрямку потоку й у початковому перетені утворюється тиск, що визначається характеристикою А-В. У момент часу t = 0,0 стан потоку на початку трубопроводу визначається крапкою В.
Далі ударна хвиля рухається по потоці (пряма характеристика), і прибуває в кінцевий перетин з параметрами крапки С. Потім ударна хвиля рухається проти потоку, і через час 2L/c від початку процесу знову прибуває в початковий перетин і параметри режиму визначаються крапкою D. Подальшими аналогічними побудовами визначаються крапки E, F, G і т.д. Запишемо рівняння хвильових характеристик для цього випадку. Лінія А-В:
По цьому рівнянню розраховується координата крапки В – НB. Всі інші величини відомі (QB = 0), і так само QA, НA. З'єднавши крапки А и В і одержимо хвильову характеристику трубопроводу.
При цьому швидкість поширення ударної хвилі може бути розрахована по формулі (2) [3, 4]:
де: Еж - модуль пружності води, 2,05•109 Па; Е - модуль пружності стали, 1•1011 Па; δ - товщина стінки труби, м; ρ - щільність води кг/м3; d - внутрішній діаметр труб, м.
Координати крапки C визначаються із системи рівнянь:
Спільне рішення рівнянь 3 дозволяє визначити координати крапки З – НC і QC.
Координату крапки D – НD (QD = 0) можна визначити з рівняння 4:
Інші лінії графічного розрахунку, що утворять "вертушку", будуються по приведеному вище принципі.
Малюнок 2 - Визначення хвильових характеристик.
Фізично, процес гідравлічного удару можна описати так. Після миттєвої зупинки насоса і закриття зворотного клапана в зоні, безпосередньо пов'язаною зі зворотним клапаном, утвориться знижений тиск як наслідок прояву інерційних властивостей води. Тому що реальна рідина стискується, те миттєвої зупинки всієї маси рідини в трубопроводі не відбудеться, а область зниженого тиску буде поширюватися по напрямку потоку зі швидкістю з і досягне кінця трубопроводу за час L/c. Але такий стан не буде рівноважним, і частки води з резервуара кинуться в трубопровід. Пройде ще час L/c і у всьому трубопроводі установиться первісний тиск. Однак, у силу инерционности, рух часток води не припиняється, тиск у зворотного клапана підвищується й у напрямку від нього до резервуара почне поширюватися нова хвиля тепер уже підвищеного тиску. Через час 3L/c вона досягне резервуара, залишаючи за собою стінки труб, що розширилися, і стиснуту рідину. У цьому випадку кінетична енергія рідини робить роботу деформації, протилежну за знаком тієї, що відбувалася під час 0 - L/c. Але стан труби і рідини в цій фазі так само не буде рівноважним, і частки рідини почнуть перетікати в резервуар, знижуючи тиск у трубі. Ударна хвиля, що з'явилася, зниженого тиску рушить убік зворотного клапана. Говорять "хвиля відбилася від кінця трубопроводу і поміняла знак". За час 4L/c буде відновлене первісне положення. Цей час називається періодом гідравлічного удару. Легко помітити, що цей період складається з двох фаз. Перша фаза дорівнює 2L/c, коли тиск у зворотного клапана менше робітника, друга - такої ж тривалості, коли тиск у зворотного клапана більше робочого [5,6].
На малюнку 3 показан процес коливання тиску в часі, зареєстрований за зворотним клапаном. Його побудови зрозумілі з малюнку.
На закінчення визначається коефіцієнт підвищення тиску:
K = HD/HA.
Малюнок 3 - Коливання тиску в часі