ГР 34 ТМ -Ф ОСНОВИ ГІДРАВЛІКИ І ТЕПЛОТЕХНІКИ ТЕМА Гідравлічний удар та явище кавітації

 

Гідравлічний удар та явище кавітації

Гідравлічним ударом називають різке підвищення тиску рідини в трубах внаслідок раптової зміни швидкості руху рідини. Гідравлічний удар відбувається при раптовому перекриванні різноманітних запірних пристроїв, які установлюються в трубопроводах (кран, вентиль, засувка), раптовій зупинці насосів, які перекачують рідину. Особливо небезпечний гідравлічний удар в довгих трубопроводах, в яких рухається значна маса рідини з великими швидкостями. У цих випадках, якщо не використати запобіжні заходи, гідравлічний удар може привести до пошкодження місць з’єднання окремих труб (стики, флянці, раструби), розрив стінок трубопроводу та виведення із ладу насосів.

При швидкому перекритті потоку в трубопроводі швидкість руху рідини в ньому зменшується до нуля і кінетична енергія потоку перетворюється в потенціальну, внаслідок чого суттєво зростає тиск. Виходячи із закону збереження енергії для потоку рухомої рідини (рівняння Бернуллі) видно, що швидкість потоку під час удару зменшується до нуля, а це зумовить зростання тиску. Чим більше довжина трубопроводу, тим більше в ньому маса рухомої рідини і величина кінетичної енергії і тим більше буде підвищення тиску.

Теоретично це явище обґрунтував в 1898 р. М. Жуковський і виявив хвильовий характер поширення ударного тиску, довівши, що швидкість поширення ударної хвилі наближається до швидкості поширення звуку в даному середовищі. При моментальному закритті засувки рідина біля неї зупиняється і тиск різко зростає, бо запас кінетичної енергії переходить в потенціальну.

Підвищення тиску передається за законом хвилеподібного руху по трубопроводу від зони перекриття до резервуару.

Коли хвиля досягає вхідного отвору, то вся вода в трубі стискується і швидкість всіх частинок дорівнюватиме нулю, а біля засувки тиск буде відповідати максимальному значенню Рmax. Біля входу тиск визначається лише величиною напору Н, оскільки об’єм резервуару набагато більший об’єму трубопроводу. Тому стан рідини в резервуарі не змінюється. Після цього хвиля зниженого тиску поширюватиметься з тією ж швидкістю в напряму засувки. Ця хвиля називається зворотньою ударною хвилею. Час поширення прямої і зворотньої ударної хвилі називається фазою гідравлічного удару.

Коли ця хвиля дійде до засувки, то наступить повторний гідравлічний удар, який має значно менший тис, чим спочатку. Це повториться декілька разів, поки акустична хвиля зовсім не згасне. Якщо час перекриття потоку менший або дорівнює фазі удару, то його називають прямим. Якщо час перекриття потоку буде більший за фазу удару, то за час підвищення і пониження тиску потік не буде ще перекритим і не вся кінетична енергія перейде в потенціальну, тобто підвищення тиску буде меншим, чим при прямому ударі. Такий удар називають непрямим і він відноситься до категорії неусталеного руху.

 

Рис. 2.21. До пояснення гідравлічного удару В результаті маємо:

 

                                                                                        p c,                                   (2.43)

 

де  – густина рідини, – середня швидкість потоку, c –

швидкість поширення ударної хвилі в даному середовищі.

Це формула М. Жуковського для ідеальної рідини і абсолютно жорсткого трубопроводу згідно якої величина ударного тиску пропорційна початковій швидкості потоку рідини , швидкості поширення ударної хвилі С, яка залежить від пружних властивостей рідини і трубопроводу:

 

                                                                                          C,                                    (2.44)

 

де Е_p – модуль пружності.

Гідравлічний удар буде сильнішим у трубах малого діаметру, а також у трубах, виготовлених із матеріалу з високим модулем пружності рідини. Ці формули справедливі для прямого гідравлічного удару, коли хвиля зниженого тиску не встигає підійти в зону засувки до повного її закриття. При поступовому закритті засувки коли відбита хвиля зниженого тиску не встигне підійти до неї при повному її закритті. При поступовому закритті засувки, коли відбита хвиля підходить до неї до закриття надлишковий тиск гідравлічного удару наближено можна визначити із залежності:

 

t^ф

P_уд PVc  ,                        (2.45) t

 

де t – час закриття, t_ф – фаза гідравлічного удару.

Усунення гідравлічного удару можливо за таких умов:

1.             Час перекриття потоку повинен бути більшим за фазу гідравлічного удару, тобто перекриття повинно бути якомога повільним.

2.             Чим довші будуть вільні прольоти труб, тим імовірніше наступить гідравлічний удар, оскільки при цьому зростає фаза гідравлічного удару.

3.             Встановлюють повітряні ковпаки, які амортизують удар, видаляючи певний об’єм рідини з турбопроводу в момент удару.

4.             На насосних станціях на початку напірних трубопроводів встановлюють протиударні апарати. При зупинці насосу і пониженні тиску в трубопроводі клапани апарату автоматично відчиняються при зворотньому підході рідини частина її виливається через клапани без підвищення тиску, після чого клапани зачиняються.

5.             У трубопроводах можуть бути встановлені вирівнювальні резервуари, аналогічно, як і у повітряних ковпаках, при гідравлічному ударі в резервуар поступає деяка кількість рідини, що знижує надлишковий тиск у трубопроводі.

6.             Перед засувками та вентилями встановлюють запобіжні клапани, спрацювання яких розраховано на критичний тиск у зоні удару.

Кавітацією (від латинського слова “cavitas” – порожнина) називають утворення в рухомих рідинах порожнин, які заповнені парою або повітрям (газом). Кавітація виникає тоді, коли тиск в деяких місцях потоку знижується на стільки, що стає меншим за тиск насиченої пари, тобто тиску, який відповідає кипінню рідини при даній температурі. Це явище відіграє особливу і, головним чином, негативну роль в гідродинаміці машин і апаратів. Кавітація може проявлятися як у вигляді утворення окремих бульбашок, які виникають в місцях пониження тиску і захоплюються потоком, так і у вигляді суцільної, заповненої парою рідини, порожнин, що контактують з поверхнею обтікаючих тіл (суперкавітація). Явище кавітації приводить до зміни закономірностей руху у зв’язку з порушенням суцільності, а також до кавітаційного руйнування твердих стінок при руйнуванні бульбашок поблизу границі течії. Деякі типи вимірювальних гідродинамічних пристроїв (наприклад, витратоміри) не повністю виконують свої функції при кавітації. Кавітаційне руйнування лопастей гідравлічних турбін, насосів, гребних гвинтів є однією із складних технічних проблем.

Причиною кавітації є виникнення великих локальних швидкостей, які ведуть до зниження тиску нижче його значення для насиченої пари і у відповідних місцях проходить інтенсивне випарування рідини з утворенням кавітаційної порожнини у вигляді бульбашок пари. Тобто виникає так зване “холодне кипіння”. При подальшому русі потоку тиск в ньому підвищується і проходить зворотній процес – конденсація пари, яка супроводжується тріском і передачею імпульсу найближчим поверхням. Виникненню кавітації суттєво сприяє наявність в рідині бульбашок повітря і розчинених газів. За законом Генрі концентрація газу, розчиненого у рідині, пропорційна його тиску над розчином.

Кавітація може виникати як на рухомих, так і нерухомих елементах проточної частини. Розрізняють три стадії кавітації: початкову, розвинуту і суперкавітацію При початковій стадії кавітаційна порожнина відсутня. Розвинута кавітація характеризується наявністю значних за розмірами пустот на обтікаємому тілі. В умовах суперкавітації весь обтікаємий елемент знаходиться в зоні порожнини, яка може виходити за межі цього елементу. Кавітаційний потік викликає такий вплив на роботу гідромашин:

–                виникають додаткові гідравлічні втрати, що приводить до зниження к.к.д.;

–                виникає різкий шум і створюються підвищені вібрації; – підвищується знос поверхонь в місцях кавітації.

Кавітаційна ерозія виникає в тих місцях потоку, де відбувається підвищення тиску, яке супроводжується зіткненням бульбашок пари і їх конденсація. Внаслідок миттєвих імпульсивних процесів стиску окремих бульбашок виникають великі локальні імпульсивні тиски. Вони приводять до коротких інтенсивних ударів, які руйнують поверхню металу. При кавітації окрім розглянутого механічного впливу проявляються і хімічні та електричні явища.

Підвищити кавітаційні якості насосів можна шляхом збільшення числа лопаток робочого колеса при високій частоті обертання і зменшення їх в колесах при низьких частотах обертання. Щоб уникнути кавітації лопатки і лопасті проектують у формі слабо вигнутих профілей із закругленими вхідними і загостреними вихідними кромками. Їх виготовляють із матеріалів стійких проти корозії, ретельно обробляючи поверхню.