Гидравлический удар на трубопроводах 

При быстром закрытии задвижки на трубе, по которой вода движется со скоростью V, происходит гидравлический удар. Энергия движущейся массы воды при остановке превращается в энергию давления, которое увеличивается на .  

Переход энергии движения в давление происходит сначала на длине  (рис. 206), на которой вода останавливается и сжимается, а труба расширяется от повышения давления, а затем это состояние распространяется на всю трубу. 

Потерянное количество движения  переходит в импульс силы , где р— плотность воды, а  - площадь поперечного сечения трубы. . 

Заменяя , получим . Здесь  - напор;  - скорость распространения повышения давления вдоль водовода, которую обозначают через а. Окончательно. Это формула Жуковского, выведенная им еще в 1898 г. Им же было дано выражение для определения скорости ударной волны а. 

Скорость ударной волны а зависит от диаметра трубы d, толщины ее стенки о, от материала трубы и свойств жидкости. Величина . 

Здесь е — объемный модуль упругости воды;Е— модуль упругости стенок трубы. Для стальных чугунных труб скорость ударной волны составляет около 1000 м/сек, для асбоцементных около 700 м/сек, а для резиновой трубки — несколько десятков метров в секунду. 

Из формулы Жуковского следует, что для металлических труб при скорости движения ударной волны около 1000 м/сек каждый метр потерянной скорости дает повышение напора над тем напором, который имел место в трубе до закрытия задвижки, примерно на 100 м. 

Такое повышение напора имеет место в том случае, если полное закрытие задвижки произойдет за время t, меньшее, чем время пробега ударной волной двойного расстояния от резервуара до задвижки, равное . 

Если же задвижку закрыть за время большее , то сила удара уменьшается и тем больше, чем медленнее закрывать задвижку. 

Гидравлический удар при внезапном выключении насоса 

Явление гидравлического удара, возникающего при внезапном выключении насоса, до последнего времени было исследовано мало. При внезапном прекращении работы насоса вода в трубопроводе продолжает по инерции двигаться в прежнем направлении. 

Благодаря этому в трубе за насосом напор падает на величину . 

Ранее осталось, что это падение напора происходит от статического напора, т. е. не учитывалось влияние потерь напора на трение в трубопроводе на гидравлический удар. Полученные при этом результаты были достаточно точными для водоводов с малыми потерями напора. 

В длинных же водоводах потери напора достигают очень больших величин и поэтому результаты под счетов получались неудовлетворительными. В. М. Папиным в институте Укрводгео на основании опытов на действующих водоводах Донбассводтреста было доказано, что падение напора на величину  после выключения происходит не от статического, а от рабочего напора, что приводит к весьма важным выводам о влиянии длины водовода на гидравлический удар и имеет большое значение для магистральных водоводов. 

Кроме того, им же исследовано влияние профиля водовода на гидравлический удар и предложена конструкция автоматического гасителя гидравлических ударов, успешно применяющаяся в настоящее время. Ниже приводятся вкратце некоторые результаты этих работ. Изменение напора при гидравлическом ударе, имеющим место при внезапном выключении насоса, протекает по схеме на рис. 207. 

Напор после выключения падает от линии рабочего напора Р—Р на величину  и, следовательно, падает ниже линии статического напора пора С —С на величину , где hтр - потери напора на трение. 

Дальнейшие колебания происходят возле линии статического напора и, следовательно, напор поднимается над статическим на ту же величину, на которую он упал ниже линии статического напора, т. е. на . 

В дальнейшем колебания напора постепенно затухают. Из рис. 207 видно, что максимальный подъем напора — гидравлический удар . 

Таким образом, величина удара зависит не только от геометрической высоты подъема и скорости V, но и от потерь на трение, т. е. от длины водовода. Очевидно, гидравлический удар будет безопасен для водовода при условии, что его величина не будет превышать рабочего напора, так как на последний рассчитан водовод. 

Определим, при каких условиях это будет иметь место. Для этого заменим  . 

Разность между рабочим и статическим напорами равна потерям напора на трение. Следовательно, . Подставляя  находим длину водовода, при которой поставленное условие будет иметь место . 

Это выражение дает безопасную длину водовода, т. е. ту длину, при которой величина гидравлического удара не будет превышать рабочего напора. Безопасная длина для металлических труб может быть определена по графику на рис. 208. 

Приведенные выше формулы дают приближенные величины Ну и безопасной длины Lб, так как они не учитывают ряд факторов, как, например, дополнительное снижение напора от линии рабочего напора сверх величины  на величину hтр, именуемое в случае гидравлического удара, возникающего при закрытии задвижки, восстановление напора, затраченного на трение, а также возможность падения напора после выключения на величину меньше , что может может иметь место в том случае, если насосный агрегат имеет значительную инерцию или же недалеко от насосной станции имеется значительная возвышенность. 

Значительное влияние на величину и характер гидравлического удара имеет профиль водовода. Было установлено, что промежуточные возвышенности оказывают влияние на гидравлический удар. 

Величина удара за промежуточной возвышенностью уменьшается, а за промежуточную возвышенность, отметка которой равна или больше конечной отметки водовода, гидравлический удар не передается совсем. Кроме того, было установлено, что гидравлический удар имеет максимальную величину возле насосной станции. 

Не имея возможности подробно останавливаться здесь на разборе влияния всех этих факторов, укажем только, что они могут быть учтены с помощью двух коэффициентов А и . 

Коэффициент а учитывает влияние близко расположенной возвышенности и инерции насосного агрегата, а  - влияние дополнительного снижения напора сверх величины  величину hтр. 

В полном виде . Величины коэффициентов а и р лежат в пределах между 0 и 1. Пользуются графиком на рис. 208 следующим образом. На оси скоростей откладывают рабочую скорость движения воды в водоводе и проводят прямую линию до пересечения с кривой соответствующего диаметра, а затем с осью длин. 

Полученная длина является безопасной. Если действительная длина водовода больше этой длины, то гидравлический удар не представляет опасности для данного водовода, если же длина водовода меньше полученной, то величина гидравлического удара больше рабочего напора, следовательно, нужно принимать защитные меры. 

Приведенные выше выражения для определения величины гидравлического удара и безопасной длины водовода действительны для водоводов со значительным рабочим напором, в которых . 

В низконапорных водоводах, т. е. в водоводах, в которых  давление после выключения упадет до атмосферного или даже образуется вакуум, при этом максимальное его падение ниже статического составит Нст + hв, где Hcт—статический напор в водоводе, а hв - образовавшийся в водоводе вакуум. 

Принимая такой же подъем напора над статическим, получим, что величина гидравлического удара в низконапорных водоводах Hy — 2HCT+hв или при отсутствии вакуума HУ — 2НCТ. В некоторых случаях в низконапорных, а иногда и в высоконапорных водоводах происходит образование разрыва сплошности потока. 

При наличии разрыва сплошности последующая ликвидация разрыва сплошности ведет к значительному увеличению силы удара. Разрыв сплошности потока может иметь место и в высоконапорных водоводах при особом их профиле. Наиболее вероятно образование разрывов на переломах профиля и на промежуточных возвышенностях. Явление разрыва оплошности имеет место сравнительно редко. 

Так, по данным В. М. Папина, проводившего, испытания на водоводах Донбассводтреста, из 20 водоводов разрыв оплошности имел место только на одном водоводе. Явление разрыва сплошности потока при гидравлическом ударе представляет большой практический интерес, так как при этом величина удара значительно увеличивается. Изучением этого явления занимаются проф. JI. Ф. Мошнин и кандидат технических наук Д. Н Смирнов в институте Водгео в Москве. 

Д.Н. Смирновым дана следующая формула для определения добавочного давления воды сверх статического при наличии разрыва сплошности потока: , где . 

В этой формуле V1 — остаточная скорость, явившаяся причиной образования разрыва сплошности потока, а V— начальная скорость в м/сек. Остаточная скорость определяется из следующих соображений. 

Изменение скорости за счет изменения давления определяется из условия , откуда . 

Остаточная скорость равна разнице первичной скорости и изменения скорости за счет изменения давления .