1. Гидравлический удар. Введение
Цель - исследование гидравлического удара в напорном трубопроводе.
Задачи:
·
демонстрация гидравлического удара;
· экспериментальное
определение величины повышения давления при гидравлическом ударе в случае
внезапного (мгновенного) закрытия крана;
·
определение повышения давления при гидроударе по формуле
Н.Е.Жуковского; сравнение теоретического и экспериментального значения
повышения давления при гидравлическом ударе.
2. Теория
Гидравлическим
ударом называется повышение давления, вызванное внезапным изменением скорости
движения жидкости в напорном трубопроводе. Т.е. стационарное течение
жидкости в трубопроводе нарушается путем резкого закрытия (или открытия)
задвижки, включения (или отключения) насоса и т.д., в результате чего происходит
резкое торможение (или ускорение) потока и ударное сжатие ее частиц.
При
внезапном (мгновенном) перекрытии трубопровода в остановившемся слое жидкости
непосредственно у задвижки (клапана, крана, т.д.) повышается давление
вследствие преобразования кинетической энергии остановившегося слоя жидкости в
потенциальную энергию (энергию давления) жидкости. При этом жидкость сжимается,
а сечение трубопровода расширяется.
По
мере остановки последующих слоев жидкости увеличение давления будет распространяться
по трубопроводу в сторону от задвижки, создавая волну повышенного давления,
называемую ударной волной.
После
того, как жидкость остановится по всей длине трубопровода до резервуара,
давление в трубопроводе станет больше давления в резервуаре, и жидкость придет в
движение в направлении к резервуару, создавая волну пониженного давления в
трубопроводе, называемую обратной ударной волной.
Существует два типа удара:
Прямой удар возникает в том случае, когда время закрытия
оказывается меньше фазы удара 
, число фаз пробега 
меньше 1.
При обратном соотношении этих величин происходит не прямой
или неполный удар, при котором увеличение давления оказывается меньше, чем при
прямом ударе, число фаз пробега больше 1.
При непрямом гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.
Время
пробега прямой ударной волны (повышения давления от задвижки до резервуара) и
обратной ударной волны (понижения давления от резервуара до задвижки)
называется фазой гидроудара и определяется по формуле:
,
где
– длина трубопровода;
– фаза удара;
– скорость распространения ударной волны.
После
прохождения обратной волны – волны протекания жидкости из трубопровода в
резервуар – благодаря инерции жидкости, давление в трубопроводе станет ниже,
чем в резервуаре, и начнутся повторное движение жидкости по трубопроводу в
сторону задвижки и повторный гидравлический удар, но с меньшим повышением
давления, вследствие потерь энергии потока на трение и деформацию трубопровода,
фазы гидроудара будут повторяться до полного затухания.
Повышение
давления при гидравлическом ударе может во много раз превышать начальное
давление в трубопроводе и может привести к разрушению трубопровода и арматуры.
Фронт, на котором происходит изменение гидродинамических параметров жидкости, имеет относительно малую протяженность и в виде волны давления распространяется по потоку. Аналогичное явление возникает в нефтепроводе и в других случаях, когда происходит скачкообразное изменение скорости (расхода) жидкости. Возможность гидравлического удара следует учитывать при проектировании и эксплуатации нефтепроводов, поскольку ударное давление может намного превысить допустимые нормы, привести к разрыву трубы и возникновению аварийной ситуации.
Необходимость считаться с разрушительной силой гидравлического удара в трубопроводах, транспортирующих капельные жидкости (нефть, нефтепродукты, воду и т.п.), выражается в том, что на подобных трубопроводах (в отличие от газопроводов) никогда не устанавливают краны, быстро перекрывающие сечение трубопровода, а наоборот, применяют вентильные задвижки, дающие медленное перекрытие сечения и обеспечивающие безопасную остановку потока жидкости. Минимальное время закрытия задвижки определится исходя из условия прочности трубопровода:
,
где 
– длина трубопровода;
– скорость потока до закрытия задвижки;
– давление до закрытия
задвижки;
– максимально
допустимое давление, которое может выдержать трубопровод:
,
где 
– толщина стенки
трубопровода;
– максимально
допустимые напряжения для данного материала трубы;
– радиус внутренней
поверхности трубы.
Тогда
Более того, в ряде случаев на перекачивающих станциях применяют специальные устройства, призванные защитить трубопровод от последствий гидравлического удара. Например, на линиях всасывания перекачивающих станций устанавливают гасители гидравлического удара на случаи, если станция внезапно отключится и давление перед ней начнет повышаться. Принцип действия гасителей гидравлического удара состоит в отводе части жидкости из трубопровода в специальный резервуар для снижения темпа нарастания давления. На линиях нагнетания перекачивающих станций устанавливают системы автоматического регулирования, одна из задач которых состоит в защите станций от ударных волн давления, распространяющихся вверх по потоку и приходящих с предыдущего участка.
Впервые правильное объяснение гидравлического удара дал
наш великий соотечественник Н.Е. Жуковский в конце прошлого века. Его
исследования были выполнены на Московской водопроводной станции, а сама работа
"О гидравлическом ударе в водопроводных трубах" (1899) стала
классической работой, известной во всем мире. Н.Е. Жуковский впервые связал
значение ударного давления 
со свойствами
сжимаемости жидкости и упругости стенок трубопровода. При этом были получены, проверены и рекомендованы к
практическому использованию формулы для определения величины повышения давления
при гидравлическом ударе и
формулы для определения скорости с распространения ударной волны:
,
где
– плотность жидкости;
– средняя скорость движения жидкости в
трубопроводе до гидроудара.
,
где
и 
– модули упругости, соответственно жидкости и
материала трубопровода;
– внутренний диаметр трубопровода;
– толщина стенки трубопровода.
Если
трубопровод стальной (
Па),
а жидкостью является вода (
), то
формула для расчета с примет вид:
Волны гидравлического удара, генерируемые в нефтепроводах
резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные
расстояния, постепенно затухая вследствие диссипации механической энергии за
счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления
представляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало
достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи
перекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода. В
последних может быть высоким пьезометрический напор, что равносильно высокому
давлению. При отражении волны гидравлического удара от закрытого сечения
трубопровода или тупикового отвода амплитуда волны удваивается, что
еще больше способствует возникновению аварийной ситуации.
Но и волны снижения давления могут вызывать опасные явления. В наиболее высоких сечениях нефтепровода могут возникать парогазовые скопления, которые при возврате к стационарному режиму исчезают далеко не сразу. При этом они значительно уменьшают расход перекачки и вызывают повышенную вибрацию трубопровода. На участках трубопровода с большим перепадом высот могут возникать возвратные течения жидкости, приводящие к так называемым профильным гидравлическим ударам.
2.1. Описание лабораторной работы в действительности
Лабораторная работа проводится на стенде представленном ниже:
Рис. 2.1. Принципиальная схема гидравлический стенда
1 – маломощный насос; 2 – накопительный бак;
3 – роторный расходомер; 4 – механический манометр;
5 – электрозадвижка с программируемым временем закрытия
Работу выполняют три студента одновременно. При пуске
насоса (1) вода поступает в накопительный бак (2). Затем из него в трубопровод.
В момент достижения требуемого расхода, измеряемого расходомером (3),
необходимо снять показания манометра 
(4) (первый студент).
После снятия показаний второй студент мгновенно закрывает задвижку (5).
Наблюдается явления гидроудара (толчки, вибрация трубопровода). Третий студент
выключает насос, а первый фиксирует величину скачка давления 
.
Для повторного опыта необходимо рассчитать минимальное
время закрытия задвижки 
, при котором не произойдет гидроудар.
3. Оборудование
3.1. Активные клавиши
Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:
W, S, A, D – для перемещения в пространстве;
F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);
Ctrl – присесть;
Z – визуальное приближение.
F10 – выход из программы.
Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры
Рис. 3.3. Функции манипулятора
Левая клавиша манипулятора (ЛКМ) – управление объектами (в режиме манипуляции).
Средняя клавиша манипулятора (СКМ) – взять (применить) объект (в режиме манипуляции). Также данная клавиша позволяет проводить ускоренную работу с некоторыми объектами (например, ускоренное закручивание (откручивание) рукоятки тормозного устройства).
Правая клавиша манипулятора (ПКМ) – переход в режим манипуляции (управление объектами), возврат в режим навигации (перемещения по сцене).
Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.
3.2. Оборудование в лабораторной работе
В лаборатории установлен гидравлический стенд, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.1.
Рис. 3.3. Гидравлический стенд
На стене возле окна находятся панель расходомера и электрощиток, питающий все электроприборы установки. При включении тумблера электрощитка (за пластиковой дверцей) на панели расходомера будет отображаться текущее значение расхода воды.
Характеристики стенда»
|
Характеристики стенда |
|
|
Длина трубопровода Наружный диаметр трубы Толщина стенки трубы |
20 108 8 |
Рис. 3.4. Электрощиток и расходомер
4. Порядок
выполнения работы
4.1. Порядок
действий (рекомендованный)
Работа разделена на 2 опыта. При инициализации на экране появится меню с выбором.
Рис. 4.1. Меню выбора
После выбора нужного опыта меню исчезает. В любой момент опыт можно прекратить, нажав на кнопку «выход», находящуюся справа сверху. При нажатии на эту кнопку все данные выполнения лабораторной работы сбрасываются и появляется меню выбора опыта.
Рис. 4.2. Кнопка «выход»
4.1.1. Опыт №1
На задвижке уже установлено время закрытия «0 сек»», т.е. закрытие мгновенное. Случайным образом при инициализации выбирается подача насоса в интервале от 0,01 до 0,1 л/с. При таких значениях расхода гидроудар наблюдается, но разрыв не происходит.
Показания манометра при закрытии задвижки изменяются скачком.
1. Включите электропитание установки.
2. Кликом на панель насоса вызовите увеличенный вид кнопок и дисплея. Включите насос. Подача на насосе будет установлена, но ее можно изменять стрелками в указанных пределах.
3. Кликом на панель задвижки вызовите увеличенный вид кнопок и дисплея. На панели задвижки активируйте «закрытие» задвижки. Прозойдет явление гидроудара. Через 10 сек насос выключится автоматически, гидроудар прекратится, на манометре показания зафиксируются при помощи второй стрелки.
4. Понаблюдайте. Данные зафиксируйте.
5. Можно повторить опыт.
4.1.2. Опыт №2
При инициализации случайным образом выбирается подача насоса в пределах от 5 до 300 л/с.
1. Включаем электропитание стенда.
2. Подача на насосе будет установлена, но ее можно изменять стрелками в указанных пределах. Вызовите увеличенный вид кнопок и дисплея. Включите насос нажатием на кнопку на его передней панели.
4. Кликом на панель задвижки вызовите увеличенный вид кнопок и дисплея. Установите стрелками время закрытия задвижки в пределах от 0 до 25 сек, включите задвижку на закрытие.
5. Понаблюдайте. Данные зафиксируйте.
6. Можно повторить опыт.
4.2. Обработка результатов измерений
Минимальное время закрытия задвижки определяется по следующему алгоритму:
1.
Сначала находится перепад давления , Па:
|
|
(4.1) |
2.
Определяется скорость потока :
|
|
(4.2) |
,где
–
внутренний диаметр трубопровода, м; величина внешнего диаметра 108x3 мм.
3.
Находится скорость распространения волны с, м/с:
|
|
(4.3) |
4. Определяется величина фазы пробега , с:
|
|
(4.4) |
где
– длина трубопровода, м, равная 20 м.
5. Минимальное время закрытия задвижки , с:
|
|
(4.5) |
,где
– толщина стенки, м, равная 3
мм;
– максимально допустимые
напряжения для низкосортного пластика, Па, равные МПа.
6. Число фаз пробега
|
|
(4.6) |
7. Определение вида удара.
8. Повтор эксперимента с полученной величиной времени.
5. Отчет
5.1. Форма отчета
1. Студент: ФИО, группа.
ОТЧЕТ
по лабораторной работе «_________________________________________________»
Цель:_______________________________________________________________________________________________________________________________
Задачи: ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1.Схема лабораторной установки.
2. Ход работы.
3. Результаты экспериментальных исследований (таблица 4.1).
Таблица 4.1
Результаты экспериментальных исследований.
|
Прибор |
Обозначение |
Показания |
Единицы измерения |
|
расходомер |
|
|
|
|
манометр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
длина ТП |
|
|
|
|
наружный диаметр |
|
|
|
|
толщина стенки |
|
|
|
|
допустимые напряжения |
|
|
|
4. Расчеты.
5. Основные выводы.
6. Контрольные вопросы
1. Физическая сущность и определение гидроудара.
2. Факторы, влияющие на процесс гидроудара.
3. Виды гидроудара.
4. Фазы гидроудара.
5. Методы предупреждения гидроудара.
6. Примеры гидроудара из повседневной жизни.
7. Авторы
Лабораторная работа «Гидравлический удар» по дисциплине «Гидромеханика»
Методическое обеспечение: доцент, к.т.н. Земенкова М.Ю.; Воронин К.С.; Тырылгин И.В.; Шарипов Э.А.
Под редакцией проф., д.т.н. Земенкова Ю.Д.
Редактор: Яковлев О.В.
3D-графика: Севостьянов А.А.
Script-программирование: Каздыкпаева А.Ж.