Анализ методов борьбы с гидравлическим ударом

Аннотация. Гидросистема являются ключевой технологией, применяющейся практически во всех сферах деятельности человека в современном мире. Гидросистема образовывается совокупностью элементов, действующих на текучую среду таким образом, что каждый из элементов передает свое влияние на состояние всей текучей среды и ее элементов. Исходя из этого, сохранность и поддержание бесперебойной работы является ключевым фактором в работе подобных систем. Основной угрозой, возникающих при работе водных систем является гидравлический удар. Данное явление выражается в резком скачке давления, вызванного быстрым изменением скорости водяного потока в системе. Основными причинами возникновения гидравлического удара являются резкое открытие или закрытие задвижки. В каждом из случаев данный процесс является достаточно опасным и способным вывести из работоспособности всю гидросистему. Именно этому физическому явлению и средствам борьбы против него посвящена данная статья.
Ключевые слова. Гидравлический удар, гидравлическая система, физическое явление, текучая среда, средства борьбы, совокупность.
Гидравлический удар является колебательным быстротечным процессом, способным возникнуть посредством упругого трубопровода, имеющем капельную жидкость, и имеющим чередование резких понижений и повышений давления [1].
В 1897-1899 Н. Е. Жуковским был описан процесс гидравлического удара. Именно им была выведена формула, определяющая увеличение давления при гидравлическом ударе:
D(ρ)=ρ⋅v0-v1⋅с (1)
где D(ρ) – это увеличение давления,
ρ – плотность жидкости,
v0 и v1 – усредненные скорости движения жидкости в трубопроводе до и после закрытия запорного клапана,
с – скорость, с которой распространяется ударная волна вдоль трубопровода.
Данная формула выражается посредством применения закона сохранения импульса:
Dρ⋅S⋅t= ρ⋅S⋅v0-v1⋅с⋅t (2)
где S – это величина поперечного сечения трубопровода.
Жуковским было доказано, что с (скорость, с которой распространяется ударная волна вдоль трубопровода) имеет прямо пропорциональную зависимость от сжимаемости жидкости (величина деформации стенок трубопровода), которая определяется упругостью материала, из которого он создан, а также относительно величины диаметра этого же самого трубопровода.
Следствием данного доказательства является то, что гидравлический удар не возможен при содержании в трубопроводе одного газа из-за его способности к легкому сжатию.
Гидравлический удар разделяется на два типа:
- неполный (непрямой)

.
В этом случае время перекрытия задвижки меньше времени распространения ударной волны.
Фронт ударной волны при данном виде гидравлического удара меняется на противоположный, а также частично проходит далее сквозь закрытую не до конца задвижку.
- полный (прямой).
В данном случае ситуация противоположна, время перекрытия задвижки больше времени распространения ударной волны.
При данном типе гидравлического удара фронт ударной волны распространяется в противоположном относительно изначального движения жидкости в трубопроводе. Дальнейшее же направление зависит исключительно от самих элементов трубопровода, которые располагаются до закрытой задвижки [2].
Одним из самых частых примеров возникновения гидравлического удара читается трубопровод с постоянным напором, имеющим установленное направление движения жидкости из-за резкого закрытия клапана или же перекрытия задвижки.
Также наиболее часто явление гидравлического удара возникает в скважинных системах при расположении ближайшего к насосу обратного клапана выше статического уровня воды более чем на 9 метров.
В каждом из случаев возникает частичное разрежение. При следующем же пуске насоса вода заполняет вакуум и далее соударяется в трубопроводе, имеющим закрытый обратный клапан и столбом жидкости над ним, вызывая резкое изменение давления и непосредственно сам гидравлический удар.
Рисунок 1 – Последствия гидравлического удара
Проанализировав причины возникновения и поведение процессов при явлении гидравлического удара, можно выделить основные методы борьбы с данным явлением [3].
Опираясь на выведенные Жуковским формулы и величины, 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 гидравлического удара следует увеличивать время закрытия затвора.
Также основным методом предотвращения возникновения гидравлического удара является установка демпфирующих устройств.
Основное требование к демпферам заключается предоставлении стабильного демпфированного коэффициента или степени успокоенности в процессе работы прибора