Порядок проведения лабораторной работы в реальных условиях

Лабораторная работа № 11

Исследование гидравлического удара

Цель и задачи работы:

Цель - исследование гидравлического удара в напорном трубопроводе.

Выполняемые задания:

· наблюдение гидравлического удара;

· экспериментальное определение величины повышения давления при гидравлическом ударе в случае внезапного (мгновенного) закрытия крана;

· расчёт повышения давления при гидроударе по формуле Н.Е.Жуковского; сравнение теоретического и экспериментального значения повышения давления при гидравлическом ударе.

Теоретическое введение

Гидравлическим ударом называется повышение давления, вызванное внезапным изменением скорости движения жидкости в напорном трубопроводе. Когда стационарное течение жидкости в трубопроводе нарушается путем резкого закрытия (или открытия) задвижки, включения (или отключения) насоса и т.д. происходит резкое торможение (или ускорение) потока и ударное сжатие его частиц.

При внезапном (мгновенном) перекрытии трубопровода в остановившемся слое жидкости непосредственно у задвижки (клапана, крана, т.д.) повышается давление - преобразования кинетическая энергия остановившегося слоя жидкости преобразования 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.

К моменту когда жидкость остановится по всей длине трубопровода от задвижки до резервуара, давление в трубопроводе станет больше давления в резервуаре - жидкость придет в движение в направлении к резервуару, создавая волну пониженного давления в трубопроводе, называемую обратной ударной волной.

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:

t_фаз =2 L / C_,

где L – длина трубопровода;

t_фаз – фаза удара;

C – скорость распространения ударной волны.

Существует два типа удара:

Прямой удар возникает в том случае, когда время закрытия оказывается меньше фазы удара t_зак< t_фаз; число фаз пробега n меньше 1:

n = t_зак / t_фаз .

При обратном соотношении этих величин происходит не прямой или неполный удар, при котором увеличение давления оказывается меньше, чем при прямом ударе, число фаз пробега n больше 1.

После прохождения обратной волны (волны протекания жидкости из трубопровода в резервуар) из-за инерции жидкости давление в трубопроводе станет ниже, чем в резервуаре. В результате 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. Так 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.

В трубопроводах, транспортирующих капельные жидкости (нефть, нефтепродукты, воду и т.п.) существует явная необходимость считаться с разрушительной силой гидравлического удара. В таких 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 ℓ– длина трубопровода;

V₀ – скорость потока до закрытия задвижки;

P₀ – давление до закрытия задвижки;

P_макс – максимально допустимое давление, которое может выдержать трубопровод:

где δ – толщина стенки трубопровода;

[σ] – максимально допустимые напряжения для данного материала трубы;

R – 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 великий русский учёный и инженер Н.Е. Жуковский в конце прошлого века. Его исследования были выполнены на Московской водопроводной станции, а работа "О гидравлическом ударе в водопроводных трубах" (1899) стала классической работой, известной во всем мире. Н.Е. Жуковский впервые связал значение ударного давления ∆р со свойствами сжимаемости жидкости и упругости стенок трубопровода. При этом были получены, проверены и рекомендованы к практическому использованию формулы для определения величины повышения давления ∆р при гидравлическом ударе и формулы для определения скорости с распространения ударной волны:

∆р = ρCV,

где ρ – плотность жидкости;

V – средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до гидроудара.

где E₀ и E – модули упругости, соответственно жидкости и материала трубопровода;

d – внутренний диаметр трубопровода;

δ – толщина стенки трубопровода.

Если трубопровод стальной (E = 20∙10¹⁰ Па), а жидкостью является вода (E₀ = 20∙10⁸ Па), то формула для расчета с примет вид:

При непрямом гидроударе повышение давления меньше и рассчитывается по формуле:

∆р = ρCV t_фаз / t_зак .

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 ∆р 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.

Вопросы для самопроверки

1. Физическая сущность гидроудара. Факторы, влияющие на процесс гидроудара.

2. Формула Жуковского. Расчёт повышения давления пр прямом и непрямом гидравлическом ударе.

3. Виды гидроудара. Прямой и непрямой гидроудар.

4. Методы предупреждения гидроудара.

3. Экспериментальная установка и методика эксперимента

Лабораторная работа проводится на стенде, представленном ниже (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Принципиальная схема гидравлический стенда

1 – маломощный насос; 2 – накопительный бак; 3 – роторный расходомер; 4 – механический манометр; 5 – электрозадвижка с программируемым временем закрытия

Порядок проведения лабораторной работы в реальных условиях

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 p₁(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 p₂.

Для повторного опыта необходимо рассчитать минимальное время закрытия задвижки t_зак, при котором не произойдет гидроудар.

Выполнение лабораторной работы в виртуальном варианте

Оборудование

Используется персональный компьютере с загруженной программой работы.

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. 3.2. 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.