21.2 Возникновение гидравлического удара

Когда для подачи жидкости из питающего танка вниз по трубопроводу через клапан в приемный танк используется насос, давление в любой точке системы во время тока жидкости слагается из трех составляющих:

• давления на поверхности жидкости в питающем танке. Если незаполненное грузом пространство танка сообщается с атмосферой, то это давление является атмосферным;

• гидростатического давления в рассматриваемой точке системы;

• давления, созданного насосом. Это давление наибольшее на выходе насоса, затем оно постепенно уменьшается из-за продольного трения в трубе и при прохождении жидкости через клапан в приемный танк.

Из этих трех составляющих первые две во время гидравлического удара можно считать постоянными величинами, и нет необходимости рассматривать их в дальнейшем, хотя они всегда присутствуют, в значительной степени влияя на общее давление.

При быстром закрытии клапана неустановившееся давление накладывается на все три составляющие вследствие внезапного преобразования кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию деформации, приводящую к сжатию жидкости и расширению стенки трубы. Последовательность явлений можно проиллюстрировать, приняв во внимание простейший гипотетический случай, то есть момент, когда клапан закрывается мгновенно, а расширения стенки трубы не происходит, при этом не учитывается рассеивание энергии в результате трения жидкости о поверхность трубы. В этом случае в системе возникает наибольшее давление.

Когда данный клапан закрывается, поток жидкости непосредственно выше клапана относительно направления истечения резко останавливается. Это приводит к увеличению давления жидкости на величину Р. Для любой системы единиц Р равно:

Р = wav, где w - массовая плотность жидкости;

а - скорость звука в жидкости;

v - изменение линейной скорости жидкости, т.е. линейная скорость потока до закрытия.

Прекращение тока жидкости передается в обратном направлении вверх по трубопроводу со скоростью звука в жидкости, и по мере остановки каждого элементарного объема жидкости ее давление возрастает на величину Р. По этой причине фронт чрезмерного давления, величина которого равна Р, перемещается вверх по трубопроводу со скоростью звука; Такое нарушение нормального режима работы известно как гидравлический удар.

Выше от места возникновения гидравлического удара жидкость продолжает течь в прежнем направлении и она все еще подвергается давлению, создаваемому насосом. Позади места возникновения гидравлического удара жидкость неподвижна, а ее давление возросло во всех точках на постоянную величину, равную Р. Ниже места возникновения удара разность давлений сохраняется, однако, в этой части трубопровода происходит непрерывное выравнивание давления, и, в конечном итоге, этот процесс начинает распространяться во всем объеме неподвижной жидкости. Процесс выравнивания давлений распространяется в жидкости также со скоростью звука.

Когда ударный фронт достигает насоса, давление на выходе насоса (при этом не берутся в расчет составляющие атмосферного и гидростатического давлений) становится равным сумме давления удара Р и давления, создаваемого на выходе насоса при нулевой производительности (при этом предполагается, что поток жидкости в обратном направлении отсутствует), так как поток жидкости, проходящей через насос, уже прекратился. Процесс выравнивания давления продолжается ниже насоса. Вновь принимая в расчет наихудший гипотетический случай, при котором давление не снижается каким-либо способом, то тогда в результате образуется волна давления, которая проходит по всей длине трубопроводной системы. Максимальная величина фронта давления равна сумме давления Р и давления на выходе насоса при нулевой производительности. Окончательное выравнивание окончательного давления по достижении этого состояния прекращается в насосе, как только первоначальный удар достигнет насоса и начнет распространяться вниз по направлению к клапану со скоростью звука. Поэтому на один цикл ударной волны требуется время, равное 2L/a, считая с момента закрытия клапана, где L - длина трубопровода и а - скорость звука в жидкости. Такой период времени называется фазой гидравлического удара.

Поэтому при такой упрощенной схеме жидкость в любой точке трубопровода испытывает давление, величина которого резко возросла на величину Р, и которое затем продолжает увеличиваться достаточно быстро, но не так резко до тех пор, пока его величина не станет равной сумме величин Р и давления на выходе насоса при нулевой производительности.

На практике закрыть клапан мгновенно нельзя и поэтому при закрытии клапана происходит некоторый сброс давления гидравлического удара. В результате этого величина давления удара становится меньше той, которая рассмотрена в гипотетическим случае, а фронт давления менее выраженным.

Из-за наличия насоса у верхнего конца трубы может происходить некоторый сброс давления, что также неизменно приведет к снижению достигнутого максимального давления. Если фактическое время, необходимое для закрытия клапана, в несколько раз превышает фазу гидравлического удара, сброс давления из-за наличия клапана и насоса происходит более интенсивно и возникновение опасной ситуации маловероятно.

Ниже клапана при его закрытии возникает аналогичный процесс, за исключением того, что по мере прекращения тока жидкости происходит падение давления, которое распространяется вниз по течению со скоростью звука. Однако понижения давления часто не происходит в результате выделения газа из жидкости, при этом, хотя сразу после закрытия клапана никаких серьезных последствий произойти не может, не исключено, что последующее разрушение газовых пузырьков приведет к возникновению ударных волн, подобных тем, которые возникают выше клапана.