Что такое гидравлический удар? Причины гидравлического удара в трубах. Что такое гидроудар в трубопроводе

Гидравлический удар - это... Что такое Гидравлический удар?

Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки. В первом случае гидроудар называют положительным, во втором - отрицательным. Опасен положительный гидроудар. При положительном гидроударе несжимаемую жидкость следует рассматривать как сжимаемую. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждению других элементов трубопровода. Также гидроудары чрезвычайно опасны и для другого оборудования, такого как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаются обратные клапаны.

Гидроударом также ошибочно называют следствие заполнения надпоршневого пространства в поршневом двигателе водой, вследствие чего поршень, не дойдя до мёртвой точки, начинает сжимать жидкость, что приводит к внезапной остановке и поломке мотора (излому шатуна или штока, обрыву шпилек головки цилиндра, разрыву прокладки).

Общие сведения

Явление гидравлического удара открыл в 1897—1899 г. Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:

где — увеличение давления в Н/м²,

— плотность жидкости в кг/м³, и — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с, с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала E, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода.

Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и соответственно) выражается следующей формулой:

Виды гидравлических ударов

В зависимости от времени распространения ударной волны и времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры) t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:

Полный (прямой) гидравлический удар, если t <

Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t >

При полном гидроударе фронт возникшей ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно и повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.

При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Расчет гидравлического удара

Прямой гидравлический удар бывает тогда когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

Здесь - длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:

где - модуль объемной упругости жидкости, - плотность жидкости, - скорость распространения звука в жидкости, - модуль упругости материала стенок трубы, - диаметр трубы, - толщина стенок трубы.

Для воды отношение зависит от материала труб и может быть принято; для стальных - 0.01; чугунных - 0.02; ж/б - 0.1-0.14; асбестоцементных - 0.11; полиэтиленовых - 1-1.45

Коэффициент для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б

коэффициент армирования кольцевой арматурой ( - площадь сечения кольцевой арматуры на 1м длины стенки трубы). Обычно Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле:

где - скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t3>Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

при прямом ударе

при непрямом

Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов

Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или его полного предотвращения можно уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, увеличив его диаметр.

Для ослабления силы этого явления следует увеличивать время закрытия затвора

Установка демпфирующих устройств

Примеры

Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напором и установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрыта задвижка или закрыт клапан.

В скважинных системах водоснабжения гидроудар, как правило, возникает, когда ближайший к насосу обратный клапан расположен выше статического уровня воды более, чем на 9 метров, или ближайший к насосу обратный клапан имеет утечку, в то время как расположенный выше следующий обратный клапан держит давление.

В обоих случаях в стояке возникает частичное разрежение. При следующем пуске насоса вода, протекающая с очень большой скоростью, заполняет вакуум и соударяется в трубопроводе с закрытым обратным клапаном и столбом жидкости над ним, вызывая скачок давления и гидравлический удар. Такой гидравлический удар способен вызвать образование трещин в трубах, разрушить трубные соединения и повредить насос и/или электродвигатель.

Гидроудар может возникать в системах объёмного гидропривода, в которых используется золотниковый гидрораспределитель. В момент перекрытия золотником одного из каналов, по которым нагнетается жидкость, этот канал на короткое время оказывается перекрытым, что влечёт за собой возникновение явлений, описанных выше.

Источники

«Основы гидравлики и аэродинамики», Калицун В. И., Дроздов Е. В., Комаров А. С., Чижик К. И., «Стройиздат», 2002 г.
«Сборник задач по гидравлике», под ред. В.А. Большакова, 1979. 336с.

Ссылки

Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, 1899

См. также

dic.academic.ru

Гидроудар в трубопроводе - что это, каковы его причины, как этого избежать?

Главная причина гидравлического удара, кроется в свойствах самой воды. Степень сжатия воды очень низкий по сравнению с газом или даже обычным воздухом.

Природа возникновения гироудара, может быть разной. Это может быть и резко перекрытый кран (как например шаровой кран отсекает поток очень быстро, по сравнению с винтовым) Этому может способствовать и включение очень мощного насоса.

В первом случае, если вода протекая по трубопроводу с большой скоростью излива (по большим давлением) встречает на своем пути препятствие в виде резко перекрытого крана, ближайшие к крану массы воды начинают сдавливаться все подходящими новыми порциями и давление у крана становится критическим.

Второй случай, причиной которого является включение насоса, имеет туже природу сдавливание масс воды, только уже со стороны питающей линии. Насос начинает нагнетать воду быстро и в больших объемах, уже имеющиеся в трубе массы воды не успевают набрать необходимую скорость излива но подпираются сзади от насоса, давление опять же критически возрастает.

Последствия гидроудара могут быть куда печальнее, чем просто оставшийся без воды объект. Разорванные возросшим давлением трубы, могут и затопить помещение. Портится имущество, проблемы с соседями и тому подобные "прелести" Вышедший из строя трубопровод придется чинить, и не только явные повреждения. Со временем обязательно вылезут и вторичные (скрытые) последствия - гидроудары уменьшают ресурс уплотнителей - резинок и подмотки на фиттинговых соединениях, кранах, клапанах и пр.

Предотвратить гидроудар нужно, тем более что вполне можно.

При запуске или остановке трубопровода, закрытие и открытие запорной арматуры должно производится плавно а не резко. Там где реализовать плавное закрывание невозможно, должны использоваться гидроаккумуляторы и/или демпферные устройства (амортизирующие удар за счет наполнения резиновой мембраны), предохранительные клапаны (разгружающие давление в системе за счет слива), участки системы сделанные из термостойкого каучука (за счет растяжения стенки так же гасят гидроудар)

P.S. Крайний случай, когда в свой практике сталкивался с гидроударами, это ремонт в прачечной. Промышленная стиральная машина, во время своей работы, держала в напряжении хозяев близлежащих домов. Дело было в том, что процессор машинки, после закачки необходимого количества воды, давал команду электроклапану перекрыть подачу. Понятное дело, электроклапан выполнял команду моментально. Но вода то об это не знал, она продолжала давить с силой в 6 атмосфер. Грохот стоял такой что будто трубы сейчас лопнут. Устранилось просто - в трубопровод питающий стиральную машину был поставлен гидроаккумулятор на 30 литров. Теперь при отсечки клапаном подачи воды, резиновая мембрана резко наполняемая водой, давит на воздух в металлическом баке, а после постепенно отдает давление обратно в трубопровод.

www.remotvet.ru

Гидравлический удар - это... Что такое Гидравлический удар?

Общие сведения

где — увеличение давления в Н/м²,

Виды гидравлических ударов

Полный (прямой) гидравлический удар, если t <

Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t >

Расчет гидравлического удара

где - скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

при прямом ударе

при непрямом

Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов

Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или его полного предотвращения можно уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, увеличив его диаметр.

Для ослабления силы этого явления следует увеличивать время закрытия затвора

Установка демпфирующих устройств

Примеры

Источники

«Основы гидравлики и аэродинамики», Калицун В. И., Дроздов Е. В., Комаров А. С., Чижик К. И., «Стройиздат», 2002 г.
«Сборник задач по гидравлике», под ред. В.А. Большакова, 1979. 336с.

Ссылки

Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, 1899

См. также

dikc.academic.ru

Что такое гидроудар

Водопровод зародился в древние времена и оставался без особых изменений, пока бурное развитие механики не позволило начать строительство сложных водопроводных сооружений. В середине прошлого века, в Москве существовало уже несколько водонапорных башен, насосных станций и разветвленная сеть водопровода.

Но закованная в металл вода проявляла строптивость. Участились аварии, причиной которых был гидравлический удар - другими словами, резкое повышение давления в трубе при быстром закрытии крана.

Известный русский ученый Николай Егорович Жуковский был первым, кто экспериментально изучил это явление и разработал теорию гидравлического удара. Эти опыты он ставил на Алексеевской водонапорной станции в Москве.

Попытаемся разобраться в этом сложном физическом процессе с помощью средств кино. Вы видите модель трубопровода. Затвор закрыт не полностью. Обратите внимание на уровень фонтанчика. Он практически равен уровню воды в резервуаре.

Мгновенно закроем затвор. Возникший гидравлический удар заставляет струю резко подскочить. Исследуем сущность этого процесса на мультипликационной схеме. Установим на трубе пьезометры и условно припишем им свойства безинерционности. Уровень пьезометров равен уровню воды в резервуаре, так как трением в трубе со скоростным напором пренебрегаем.

Попробуем резко закрыть затвор. Жидкость в трубе затормозится, но не мгновенно, поскольку этому помешает упругость стенок трубы и самой жидкости. Напор увеличивается. Так образуется ударная волна которая движется по направлению к резервуару со скоростью А, оставляя за собой повышение напора H и неподвижную воду в трубе.

Сечение, в котором напор меняется от Н0 до Н0 + H называется фронтом ударной волны. По всей трубе устанавливается повышение напора H. Кинетическая энергия жидкости перешла в работу деформации стенок трубы и работу сжатия жидкости. Под действием напора в трубе, жидкость начинает вытекать в резервуар. Напор выравнивается до H0. Диаметр трубы сокращается до исходного.

В трубе образуется волна выравнивания давления, или как его называют - отраженная волна. Работа деформации переходит обратно в кинетическую энергию жидкости. Как только отраженная волна достигнет затвора, в трубе создастся ситуация, при которой весь поток жидкости направлен от затвора к резервуару. Существует он лишь мгновение.

Столб воды стремится оторваться от затвора, в результате чего давление возле него падает на величину Н. Это явление получило название отрицательный гидравлический удар. Отрицательная ударная волна бежит от затвора к резервуару, оставляя за собой скорость потока, равную нулю. Погашенная кинетическая энергия переходит в отрицательную работу деформации. И как только отрицательные ударная волна достигнет резервуара, давление в трубе вновь начнет выравниваться, а поток воды устремится в сторону заглушки, со скоростью V0.

Труба окажется в том же состоянии, что и в начале гидравлического удара. Первая фаза гидравлического удара завершилась, и все явление повторяется вновь. В реальном трубопроводе гидравлический удар протекает гораздо быстрее, чем на экране. Он совершает множество циклов, в ходе которых ударное давление постепенно падает, вследствие расхода энергии на трение.

В трубе постоянного сечения, значение H легко найти. Прировняв кинетическую энергию жидкости к работе деформации, получим формулу Жуковского.

Большую опасность представляет гидравлический удар в тупиках. Предположим, что давление в тупиковой трубе, отделенной от резервуара затвором, равно атмосферному, если труба не герметична. При резком открытии затвора, труба подвергается гидравлическому удару. Ударная волна H0 устремляется в сторону заглушки. За ней возникает поток жидкости, имеющий скорость V0. Скорость потока связана с напором по уже знакомой формуле Жуковского.

Столб воды ударяется в заглушку, в результате чего к напору H0 прибавляется ударный напор от погашенной скорости. В формуле Жуковского он также равен H0. Следовательно в тупике произошло удвоение гидравлического удара.

Для уменьшения гидравлического удара применяется медленное закрытие крана с помощью винтового механизма. Плавное движение по заданному закону гигантских затворов гидростанций осуществляется гидравлическим приводом.

Для борьбы с гидравлическим ударом, на трубе устанавливаются воздушные колпаки и пружинные амортизаторы. Фундаментальная работа Жуковского «Гидравлический удар в трубопроводе», лежит в основе расчетов всех крупных гидротехнических сооружений.

См. также:

rgk-palur.ru

Что такое гидравлический удар? Причины гидравлического удара в трубах

Домашний уют 20 декабря 2014

Гидравлический удар в трубопроводах представляет собой возникающий мгновенно скачок давления. Перепад связан с резким изменением в скорости движения водного потока. Далее подробнее узнаем, как возникает гидравлический удар в трубопроводах.

гидравлический удар

Основное заблуждение

Ошибочно считается гидравлическим ударом результат заполнения жидкостью надпоршневого пространства в двигателе соответствующей конфигурации (поршневом). Вследствие этого поршень не доходит до мертвой точки и начинает сжатие воды. Это, в свою очередь, приводит к поломке двигателя. В частности, к излому штока либо шатуна, обрыву шпилек в головке цилиндра, разрывам прокладок.

Классификация

В соответствии с направлением скачка давления гидравлический удар может быть:

Положительным. В этом случае повышение давления происходит вследствие резкого включения насоса либо перекрытия трубы.
Отрицательным. В данном случае речь идет о падении давления в результате открытия заслонки либо выключения насоса.

В соответствии со временем распространения волны и периодом перекрытия задвижки (либо прочей запорной арматуры), в течение которого образовался гидравлический удар в трубах, его разделяют на:

Прямой (полный).
Непрямой (неполный).

В первом случае фронт образовавшейся волны двигается в сторону, обратную первоначальному направлению водяного потока. Дальнейшее движение будет зависеть от элементов трубопровода, которые располагаются до закрытой задвижки. Вполне вероятно, что фронт волны пройдет неоднократно прямое и обратное направление. При неполном гидравлическом ударе поток не только может начать двигаться в другую сторону, но и частично пройти далее через задвижку, если она закрыта не до конца.

гидравлический удар в трубах

Видео по теме

Последствия

Самым опасным считается положительный гидравлический удар в системе отопления либо водоснабжения. При слишком высоком скачке давления может повредиться магистраль. В частности, на трубах возникают продольные трещины, что приводит впоследствии к расколу, нарушению герметичности в запорной арматуре. Из-за этих сбоев начинает выходить из строя водопроводное оборудование: теплообменники, насосы. В связи с этим гидравлический удар необходимо предотвращать либо снижать его силу. Давление воды становится максимальным в процессе торможения потока при переходе всей кинетической энергии в работу по растяжению стенок магистрали и сжатия столба жидкости.

Исследования

Экспериментально и теоретически изучал явление в 1899 г. Николай Жуковский. Исследователем были выявлены причины гидравлического удара. Явление связано с тем, что в процессе закрытия магистрали, по которой идет поток жидкости, либо при ее быстром закрытии (при присоединении тупикового канала с источником гидравлической энергии), формируется резкое изменение давления и скорости воды. Оно не одновременно по всему трубопроводу. Если в данном случае произвести определенные измерения, то можно выявить, что изменение скорости происходит по направлению и величине, а давления – как в сторону снижения, так и увеличения относительно исходного. Все это означает, что в магистрали имеет место колебательный процесс. Он характеризуется периодическим понижением и повышением давления. Весь этот процесс отличается быстротечностью и обуславливается упругими деформациями самой жидкости и стенок трубы. Жуковским было доказано, что скорость, с которой осуществляется распространение волны, находится в прямой пропорциональной зависимости от сжимаемости воды. Также значение имеет величина деформации стенок трубы. Она определяется модулем упругости материала. Скорость волны зависит и от диаметра трубопровода. Резкий скачок давления не может возникнуть в магистрали, наполненной газом, поскольку он достаточно легко сжимается.

гидравлический удар в системе отопления

Ход процесса

В автономной системе водяного снабжения, например загородного дома, для создания давления в магистрали может использоваться скважинный насос. Гидравлический удар возникает при внезапном прекращении потребления жидкости – при перекрытии крана. Водяной поток, совершавший движение по магистрали, неспособен останавливаться мгновенно. Столб жидкости по инерции врезается в водопроводный "тупик", который образовался при закрытии крана. От гидравлического удара реле в данном случае не спасает. Оно только лишь реагирует на скачок, отключая насос после того, как будет перекрыт кран, а давление превысит максимальное значение. Выключение, как и остановка водяного потока, не осуществляется мгновенно.

причины гидравлического удара

Примеры

Можно рассмотреть трубопровод с постоянным напором и движением жидкости, имеющим постоянный характер, в котором был резко закрыт клапан или внезапно перекрыта задвижка. В скважинной системе водоснабжения, как правило, гидравлический удар возникает в случае, когда обратный затворный элемент располагается выше, чем статический уровень воды (на 9 метров и более), либо имеет утечку, в то время как находящийся выше следующий клапан удерживает давление. И в том, и в другом случае имеет место частичное разряжение. В следующем пуске насоса протекающая с высокой скоростью вода будет заполнять вакуум. Жидкость соударяется с закрытым обратным клапаном и потоком над ним, провоцируя скачок давления. В результате происходит гидроудар. Он способствует не только образованию трещин и разрушению соединений. При возникновении скачка давления повреждается насос или электродвигатель (а иногда и оба элемента сразу). Такое явление может возникнуть в системах объемного гидравлического привода, когда применяется золотниковый распределитель. При перекрытии золотником одного из каналов нагнетания жидкости возникают процессы, описанные выше.

защита от гидравлических ударов

Защита от гидравлических ударов

Сила скачка будет зависеть от скорости потока до и после перекрытия магистрали. Чем интенсивнее движение, тем сильнее удар при внезапной остановке. Скорость самого потока будет зависеть от диаметра магистрали. Чем больше сечение, тем слабее движение жидкости. Из этого можно сделать вывод о том, что использование крупных трубопроводов снижает вероятность гидроудара или ослабляет его. Еще один способ заключается в увеличении продолжительности перекрытия водопровода либо включения насоса. Для осуществления постепенного перекрытия трубы используются запорные элементы вентильного типа. Специально для насосов применяются комплекты по плавному пуску. Они позволяют не только избежать гидроудара в процессе включения, но и существенно увеличивают эксплуатационный срок насоса.

Компенсаторы

Третий вариант защиты предполагает применение демпферного устройства. Оно представляет собой мембранный расширительный бак, который способен "гасить" возникающие скачки давления. Компенсаторы гидравлического удара работают по определенному принципу. Он заключается в том, что в процессе увеличения давления происходит перемещение поршня жидкостью и сжатие упругого элемента (пружины или воздуха). В результате ударный процесс трансформируется в колебательный. Благодаря рассеиванию энергии последний затухает достаточно быстро без существенного повышения давления. Компенсатор применяют в линии наполнения. Его заряжают сжатым воздухом при давлении 0,8-1,0 МПа. Расчет производится приближенно, в соответствии с условиями поглощения энергии движущего столба воды от наполнительного бака или аккумулятора до компенсатора.

Источник: fb.ru

Комментарии

Идёт загрузка...