Методи боротьби з гідроударом

Гідравлічним ударом називається різкий стрибок тиску, що виникає в трубопроводі. Цей процес відбувається дуже швидко і характеризується чергуванням різких піків і спадів тиску, пов'язаних з пружними деформаціями гідравлічної рідини і стінок трубопроводу. Гідроудар супроводжується сильними акустичними ефектами, іноді - проривами трубопроводів.

Історія

Клапан осьового типу для захисту від гідроудару

Явище гідравлічного удару у водопровідних трубах було відоме з самого початку експлуатації напірних трубопроводів. До того ж на перших водопроводах застосовували звичайні пробкові крани, які миттєво перекривали потік води, що викликало появу гідроудару. Лише з часом стали використовувати більш плавні, так звані вентильні крани і гвинтові засувки. Майже кожне місто, в якому був централізований напірний водогін, страждав від руйнувань труб внаслідок дії гідравлічного удару. Розробка теорії гідравлічного удару і створення технічних засобів боротьби з цим грізним явищем мали велике значення. Не можна сказати, що гідравлічний удар не вивчався до М.Є.Жуковського. Навіть у своїй підсумковій роботі з цього питання він посилається на деяких іноземних і вітчизняних авторів, які досліджували гідроудар і супроводжуючі його явища. Досить згадати братів Монгольф'є, швейцарського винахідника Е. Аргана або М. Бультона. Вніс свій внесок у ці дослідження і професор Казанського університету І.С.Громека (1851-1889). Але пріоритет М.Є.Жуковського в цьому питанні беззаперечний. Саме він, за ініціативою керівництва московського водопроводу, очолив проведення в 1897-1898 рр.. великого комплексу наукових досліджень питання гідравлічного удару на базі Олексіївської водокачки.

Захист від гідравлічних ударів

Гідравлічний удар залежить від багатьох факторів: закону зміни швидкості потоку, довжини і виду трубопроводу, матеріалу і геометрії труб, що транспортується середовища і т. д. Облік їх приводить до ускладнення розрахунків і не завжди обгрунтований.

Рис-1 Розрахункова схема гідравлічної системи: 1 - насос, 2 - засувка; 3 - зворотний клапан, 4 - нагнітальний трубопровід, 5 - резервуар

Захист гідравлічних систем від гідравлічних ударів в загальному випадку можна здійснити двома шляхами: безпосереднім впливом на пристрій, що викликає зміну швидкості потоку в перехідному процесі, і застосуванням спеціальних пристроїв, які викликають штучне зниження модуля прискорення руху рідини. Перший шлях, як профілактичний, слід вважати кращим при розробці захисних заходів, однак він застосовний тільки при планових перехідних режимах.

Захист гідравлічних систем шляхом скидання частини рідини, що транспортується є найпоширенішим і універсальним прийомом штучного зниження величини гідравлічного удару. Пристрої, що виконують цю функцію, можна розділити на клапанні, розривні мембрани і переливні колони. Мембрани, будучи пристроями разової дії, при спрацьовуванні яких спорожнявся б весь ставши, не знайшли застосування. Переливні колони в зв'язку з великими напорами і значної геодезичної висотою розглянутих систем також не застосовуються

Клапанні пристрої для захисту від гідравлічних ударів можна розділити на запобіжні клапани і спеціальні гасителі гідравлічних ударів. Запобіжні клапани всіх типів мають ряд характерних недоліків. Це велика різниця тисків відкриття і закриття (гестерезіс) клапана, різке захлопування затвора і генерування додаткового удару в момент підходу негативної хвилі тиску, як правило, ручне налаштування на робочий тиск і пов'язана з цим необхідність пробних спрацьовувань. Слід, однак, відзначити, що в деяких конструкціях для плавної посадки клапана передбачений гідравлічний демпфер, в інших навпаки, висувається вимога швидкого закриття, тому що «Недостатньо швидке закриття клапана не в змозі перервати плівку протікає між ущільнювальними поверхнями середовища, і тому герметичність клапана не відновлюється». Сталість настройки запобіжних клапанів не дозволяє оптимально гасити гідравлічні удари, що починаються з пониження тиску, тому що вони не реагують на ефект зниження тиску в трубопроводі в момент негативної хвилі.

В принципі, більш-менш успішно функції гасіння гідравлічних ударів можуть виконувати всі запобіжні клапани, так само як і багато пристроїв для гасіння гідравлічних ударів можуть не допускати і статичного росту тиску понад величину настройки. Велика група пристроїв, які реагують на зниження тиску в системі, що передує хвилі підвищення тиску і відкриває при цьому зливний клапан, безумовно, відноситься до гасителя, це конструкції Радченко Г.І., Батькова В.М., Тимошенко Г.М., та д.р. Спільними недоліками цих пристроїв є те, що вони можуть відкривати зливний клапан при зниженні тиску з інших причин, в тому числі і внаслідок розгерметизації трубопроводу або витоків через зворотний клапан при стоянці насоса і не реагують на підвищення тиску.

Останнім часом, однак, все більшого поширення набувають конструкції, що реагують на позитивну похідну тиску за часом, що пояснюється, в першу чергу, їх універсальністю. Більшість цих пристроїв прямої дії і, отже, запірний орган є одночасно чутливим елементом. Це сприяє високій швидкодії пристрою, можливості легко забезпечити мінімально необхідний для гасіння удару злив рідини, що транспортується. У той же час залежність між чутливістю і ущільнюючим зусиллям на клапані приводить до того, що необхідна чутливість пристрою визначає при проектуванні можливе ущільнююче зусилля в клапанної парі, яке буває недостатнім.Вільними від зазначених недоліків є пристрої непрямої дії, які містять ланку посилення, включене між вимірювальним виконавчим (запірним) органом. Усі відомі конструкції гасителів гідравлічних ударів непрямої дії (часто звані імпульсними) містять вимірювальний елемент, виконаний у вигляді пружинного запобіжного клапана, важільно-поршневої системи, електромагнітного клапана, що впливає на керуючий елемент, який частіше за все має вигляд клапанної пари або золотника. Керуючий елемент повідомляє порожнину гідроприводу або з атмосферою, або з напірної магістраллю і тим самим відкривається або закривається запірний орган гасителя. Оскільки площа поршня гідроприводу може бути значно більше площі зливного клапана, обмежень для ущільнюючої сили практично немає [8, 9]. Для захисту даної насосної установки (рисунок 1) від гідравлічних ударів вибираємо гаситель гідравлічних ударів непрямої дії (рисунок 2).

Рис-2 Клапан для захисту від гідроударів

Методи боротьби

1. Використання регулюючих пристроїв Найефективніший спосіб полягає в обладнанні мережі регулюючими пристроями (вентилі і засувки), які не дозволяють здійснювати швидку зміну швидкості в трубах. Повітряні ковпаки або компенсатори обмежують поширення удару і послаблюють дію. На незахищеній ділянці труби ударне підвищення тиску діє лише протягом [math]T_1=\frac{2l}{a}[/math] замість [math]T_2=\frac{2(l_1-l_2)}{a}[/math] Таким чином імпульс сили слабшає (зменшується) і труби не рвуться.

2. Модуль демпфування ударів

Більш плавний процес перемикання запобіжного клапана може забезпечити модуль демпфування ударів. Модуль демпфування ударів (6) розташовується між пілотом (7) запобіжного клапана і електрогідророзпроділювачем (3), обладнаним демпфером (8) на лінії В. Коли розподільник закритий, золотник (9) під дією робочого тиску зміщується вправо і стискає пружину (10), перекриваючи з'єднання В2-В1. Коли гідророзподільник відкритий, потік робочої рідини з лінії У надходить в бак, на отворі (8) при цьому підтримується постійний перепад тисків. Зусилля пружини створює деяку затримку відкриття з'єднання В2-В1, таким чином виникнення піків тиску в гідросистемі усувається.

Наявність модуля демпфування гідроударів в системі дозволяє виключити виникнення акустичних ударів, знизити піки тиску і виключити залежність від в'язкості робочої рідини.

3. Гідротаран Все вищесказане відносилося до негативного впливу гідравлічного удару на трубопровідні системи, а також до методів боротьби з цим. Однак явище гідравлічного удару може приносити і користь. Мова піде про спеціальні пристрої - гідравлічні тарани, які застосовуються для нагнітання води із застосуванням (утилізацією, як тепер кажуть) цього явища (для цілей водопостачання, поливу, пожежогасіння та ін.) Принцип роботи гідротаранів зображений на рисунку. Обов'язковою умовою є наявність постійного запасу води в джерелі, з якого здійснюється безперервний забір води Q1 під тиском Р1 по трубопроводу А. В кінці цього трубопроводу розміщений гідротаран В з системою клапанів і повітряним ковпаком ємністю W. Від ковпака йде напірне відгалуження трубопроводу С з витратою води Q2 і тиском Р2.

Працює гідротаран наступним чином: вода з водойми вільно надходить у трубопровід А через відкритий клапан D. Коли витрата води Q1 досягне певної величини, клапан D швидко закривається. Відбувається гідравлічний удар, що відкриває клапан Е. При цьому вода миттєво заповнює частину повітряного ковпака і по трубопроводу Е надходить в ємність з іншою витратою Q2 і тиском Р2. При цьому Р2> Р1, а Q1> Q2. Якщо роботу клапанів автоматизувати, то такий пристрій буде працювати циклічно і автоматично, тобто буде нагнітати воду, утилізуючи енергію перепаду рівня води у водоймі.