О сверхъединичности гидроударов

Выше мы рассматривали гидроудар с «традиционных» механистических позиций. В то же время есть довольно много сведений, что при сильных одиночных гидравлических ударах или при множественных относительных слабых (в том числе при кавитации) имеют место необычные явления, не сводимые к механике и, возможно, приводящие к появлению некоей дополнительной энергии. Особенно часто отмечают видимое глазом свечение и аномальный нагрев жидкости в зоне кавитации. Реже обращают внимание на весьма необычные с «механической» точки зрения результаты кавитационной коррозии, заключающиеся не только в традиционном разрушении и изъязвлении материалов, но и образовании различных «наплывов» и выступов (часто это объясняют «эффектом ковки», который оказывают кавитационные пузырьки на металл деталей).

Следует отметить, что на короткое время гидроудар ставит вещество в крайне экстремальные условия — давление может возрастать на сотни и даже тысячи атмосфер, что соответствует условиям на глубине в десятки километров, где вещества приобретают экзотические свойства и претерпевают необычные трансформации (например, твёрдые вещества проявляют текучесть, а графит может превратиться в алмаз). Но даже если давление вырастает не очень сильно (на десятки атмосфер, а то и просто на несколько атмосфер), скорость изменения давления для каждой попавшей под удар частички вещества очень высока — 10¹² Па/с и более (не путать со скоростью распространения ударной волны!). Она вполне сравнима, а то и превосходит скорости изменения давления при взрывах. При этом образующаяся во время взрывов газовая или плазменная среда является весьма сжимаемой, — она «амортизирует» удар, и чуть дальше от эпицентра давление нарастает гораздо более плавно. Во время гидроудара же вследствие малой сжимаемости жидкостей и высокой жёсткости материала стенок этот сверхрезкий скачок давления воздействует практически на весь объём, участвующий в гидроударе. Столь резким скачкам давления соответствуют и гигантские ускорения и торможения частичек вещества при прохождении через них фронта ударной волны. Правда, длятся они нано- и пикосекунды, поэтому общее смещение частиц жидкости мало и обычно составляет, в соответствии с её малой сжимаемостью, микрометры или нанометры. Тем не менее, по меркам атомов и молекул, эти сдвиги весьма велики, и возникающие при этом силы тоже немаленькие. Так что нельзя исключить, что такие «наносдвиги» могут стать причиной каких-то необычных явлений.

Тем не менее, такие явления здесь не рассматривается, поскольку если что-то подобное и имеет место, то его воздействие весьма мало и не оказывает никакого заметного влияния ни на одиночные гидроудары (в трубопроводах), ни на множественные повторяющиеся гидроудары в гидравлических таранах (там они происходят в условиях проточного движения рабочего тела и с относительно большим периодом, обычно раз в несколько секунд). Гидроудары исследовались многими людьми в течении многих лет, и явные аномалии давно были бы замечены. Не влияют подобные явления и на расчёт параметров единичного рабочего цикла в случае частых повторных гидроударов. Однако в условиях частого (десятки и сотни раз в секунду) повторения в замкнутом объёме циркулирующего рабочего тела результаты таких эффектов могут суммироваться и проявляться вполне ощутимо. В таком случае, резонно с их помощью попытаться объяснить работу некоторых конструкций Виктора Шаубергера и, возможно, Ричарда Клема, — а тогда эти явления требуют подробного и тщательного изучения, которое нельзя откладывать в долгий ящик.

6 Методы предотвращения гидравлического удара.

Резкое увеличение давления, сопровождающее гидравлический удар – явление крайне негативное, т.к. гидравлический удар может разрушить трубопровод или какие-либо элементы гидравлических машин, испытывающие эффекты гидравлического удара. По этой причине разрабатываются методы предотвращения гидравлических ударов или уменьшения их негативного влияния. Поскольку мощность гидравлического удара напрямую зависит от массы движущийся жидкости, то для предотвращения гидравлического удара следует максимально уменьшить массу жидкости, которая будет участвовать в гидравлическом ударе. Для этого необходимо запорную арматуру монтировать в непосредственной близости к резервуару. В качестве меры уменьшения негативных последствий гидравлического удара используют замену прямого гидравлического удара на непрямой. Для этого достаточно запорную арматуру на напорных трубопроводах сделать медленно закрывающейся, что позволит уменьшить силу удара. Для борьбы с гидравлическим ударом применимы только те случаи увеличения времени закрытия, которые приводят к неполному удару, т.е. у которых t₃ > τ₀. Снижение ударного давления путем создания условий неполного удара широко используется регламентированием времени закрытия задвижек, пуска мощных насосов и т.д.

Если по условиям эксплуатации или иным причинам снизить ударное давление за счет неполного удара нельзя, то приходится применять дорогие и мощные демпфирующие устройства и иные методы.

Другой мерой борьбы с явлением гидравлического удара является установка на напорных линиях, работающих в условиях циклической нагрузки, специальных компенсаторов с воздушной подушкой, которая принимает на себя удар [5].

Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, 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.

Борьба с гидравлическим ударом:

1. уменьшение фазы удара

T = 2L/c;

где L - длина трубопровода, c - скорость ударной волны.

2. увеличение времени остановки жидкости;

3. уравнительные баки;

4. гидроаккумуляторы гасящие ударную волну;

1 - штуцер; 2 - стальной оцинкованный фланец; 3 - стальной сосуд с контрфланцем; 4 – сменная мембрана из бутилкаучука; 5 – воздушный клапан; 6 – площадка для крепления насоса для горизонтальной компановки; 7 – ножки.

Работает гидроаккумулятор следующим образом. В мембрану подсоединенного к водопроводу гидроаккумулятора под давлением подается вода от насоса. Объем воздушной подушки при этом уменьшается в зависимости от величины давления в мембране. По достижению установленного на предприятии - изготовителе порога срабатывания по разности давлений автоматика отключает электропитание насоса. При заборе воды баланс разности давлений вновь нарушается, и автоматика включает насос. Эффективность работы гидроаккумулятора напрямую зависит от величины разности давлений мембраны и воздушной подушки и в первую очередь зависит от качества мембраны и объема гидроаккумулятора. Выставленный ранее порог срабатывания автоматики – характеристика строго регламентированная и может корректироваться в небольшом диапазоне. В противном случае возможен разрыв мембраны. По мере эксплуатации гидроаккумулятора, воздух, растворенный в воде, со временем накапливается в мембране. Это приводит к инерционности срабатывания автоматики и в целом тоже отражается на эффективности работы гидроаккумулятора. Избежать этого позволяют профилактические работы с интервалом от 1 до 3 месяцев.

4. предохранительные клапаны.

6.1 Гаситель колебаний давления.

Для гашения колебаний давления внутри трубы используют сложные устройства, содержащие поршни, пружины, гибкие оболочки и прочие подвижные элементы. Такие устройства быстро изнашиваются и требуют частой замены. Для гашения гидроударов предлагается использовать гаситель колебаний давления предельно простой конструкции. Гаситель колебаний давления располагается внутри трубопровода 2, по которому перекачивается жидкость. Гаситель представляет собой металлическую ленту 1, по длине которой вырублены окна 3. Образующиеся при этом козырьки 4 отогнуты поочередно в противоположные стороны. Угол между козырьком 4 и плоскостью ленты 1 составляет 35-45° для воды или 25-30° для нефти. Ширина ленты 1 выбирается таким образом, чтобы она свободно входила во внутрь трубопровода 2. Длина ленты 1 равна длине защищаемого участка трубы 2. Один конец ленты с помощью сварки закрепляется внутри трубы, а второй конец ленты поворачивается вокруг продольной оси на 3-5 оборотов и также закрепляется сваркой.

Труба 2 с размещенной внутри нее лентой 1 и является гасителем гидроударов. Гаситель колебаний давления работает следующим образом. Поток жидкости при движении вдоль плоскости ленты 1 входит в окно 3 и отклоняется от плоскости козырьком 4. Поток приобретает колебательное (синусоидальное) движение с определенной частотой. Так как окон на ленте много, то частота колебания потока будет всегда превышать собственную частоту колебаний потока жидкости, определяемой неровностями местности. Таким образом сглаживаются наиболее резкие колебания давления и дробятся наиболее крупные пузыри газа. Дополнительному гашению колебаний давлений способствует поворот ленты вокруг продольной оси с шагом 1,5-2 м (5-7 м для труб большого диаметра), в результате чего поток приобретает дополнительно вращательное движение, которое также гасит часть энергии гидроудара. Так происходит гашение энергии гидроударов за счет преобразования энергии ускоренного поступательного движения потока жидкости в колебательное и вращательное движения.
Суть предложения заключается в том, что внутренний просвет трубопровода в месте установки гасителя изменяется незначительно (определяется сечением ленты), поэтому сопротивление гасителя потоку жидкости при ламинарном и неразрывном течении мало. При течении по трубе жидкости в турбулентном режиме и с включениями газовых пробок сопротивление резко возрастает из-за изменения направлений потока. Происходит выравнивание скоростей газового и жидкостного потоков при прохождении разнонаправленных козырьков, что приводит к гашению гидроударов.
Оптимальное место установки гасителя в низинах, после пологих и, особенно крутых склонов, где поток жидкости разгоняется и приобретает дополнительную энергию, вызывающую впоследствии разрушительный гидроудар из-за схлопывания пузырей (разрывов потока) в жидкости.

Также применяют устройства плавного пуска, которые в целом снижают опасность возникновения гидравлического удара, но не предотвращают её полностью.

Заключение

В данной курсовой работе было дано краткое описание понятия гидравлического удара. Были рассмотрены следующие вопросы

1) Фазы развития гидроудара;

2) Особенности явления гидравлического удара;

3) Высокая скорость процесса;

4) Условия отрыва жидкости. Сильные и слабые гидроудары;

5) Значение размера трубы;

6) Ускорение жидкости;

7) Гашение ударной волны;

8) О сверхединичности гидравлического;

9 Методы предотвращения гидравлического удара.

Были представлены виды гасители колебаний давления.

Список использованной литературы

1. Соколов Е. Я. Теплофикация тепловые сети: учебник для вузов, 2001. – 421 с.

2. Лапшев Николай Николаевич. Гидравлика: учеб. для вузов по специальности "Строительство" / Н. Н. Лапшев. – М. : Академия, 2007. –68, [1] с.

3. Чугаев Р. Р. Гидравлика. «Энергия», Л., 1970.

4. Качалова И. В. Гидравлический удар: Учебное пособие.

5. Френкель Н.З. Гидравлика: Учебник предназначен для механических специальностей вузов. Госэнергиздат, М.- Л.: 1956. – 456с., ил.