Гідравлічний удар в трубах

Гідравлічним ударом називається підвищення або зниження тиску рідини у трубопроводі, спричинене раптовою зміною швидкості руху рідини.

Як показали досліди зменшення швидкості руху рідини в трубопроводі на один метр за секунду приводить до збільшення тиску приблизно до десяти атмосфер.

Гідравлічний удар в трубах виникає у водопровідних трубах при швидкому закриванні або відкриванні запірних пристроїв. Гідравлічний удар іноді приводить до розриву стінок трубопроводу.

Теоретично явище гідравлічного удару вперше обґрунтував і запропонував метод його розрахунку у 1898 р. професор М.Є. Жуковський.

Розглянемо гідравлічний удар на прикладі найпростішої схеми.

В трубопроводі рухається вода зі сталою швидкістю v під сталим напором води Н в ємності.

Біля відкритої засувки тиск р і швидкість руху води v. При миттєвому закриванні засувки рух рідини біля засувки припиняється, а тиск різко підвищується на величину Δр. За елементарний проміжок часу ΔТ підвищення тиску пошириться на довжину ΔL. Тобто за час ΔТ елементарна маса рідини (ΔF ΔL∙ρ), що рухалась до закриття засувки зі швидкістю v, припинить свій рух, але тиск біля засувки і на всій елементарній довжині ΔL буде р+ Δр.

Кількість руху цієї елементарної маси рідини до миттєвого закриття засувки, яка рухалась зі швидкістю v буде ρ F ΔL∙ v.

Після проходження хвилі підвищеного тиску за час ΔТ швидкість руху рідини цієї елементарної маси дорівнює нулю. Тоді зміна кількості руху буде дорівнювати імпульсу сили , (163)

тобто ρ F ΔL v = ,

звідки (164)

де

C − швидкість розповсюдження ударної хвилі, яка дорівнює швидкості розповсюдження звуку в рідині;

v − швидкість руху рідини до закриття засувки;

Δр − підвищення тиску;

ρ − густина рідини.

Для визначення швидкості поширення ударної хвилі виводиться формула з урахуванням особливості води і деформації стінки трубопроводу.

, (165)

де − швидкість поширення звуку в рідині (1425 м/сек.);

Е_р − модуль пружності рідини;

Е_тр − модуль пружності матеріалу труби;

d − діаметр трубопроводу;

δ − товщина стінки труби.

При миттєвому закриванні засувки здійснюється так званий прямий гідравлічний удар. Час, протягом якого ударна хвиля, що виникла біля засувки крана дійде до напірної місткості, відіб’ється від неї і повернеться назад до засувки називається фазою ударної хвилі

. (166)

Якщо тривалість закривання запірного пристрою більше фази ударної хвилі (t > T), то виникає непрямий гідравлічний удар, сила якого менша ніж прямого.

Підвищення тиску при непрямому гідравлічному ударі наближено можна визначити за формулою

. (167)

Застосовуються спеціальні клапани - гасники гідравлічних ударів, які автоматично відкриваються при збільшенні або зниженні тиску проти нормального і скидається частина води з трубопроводу; при цьому тиск знижується.