Гідравлічний удар

Гідравлі́чний уда́р (англ. гидравлический удар; англ. hydraulic impact, hydraulic shock; нім. Druckwelle f, hydraulischer Stoss m, hydraulischer Schlag m) — явище підвищення або зниження гідромеханічного тиску в напірному трубопроводі, викликане зміною в часі і в будь-якому перерізі трубопроводу швидкості руху рідини (наприклад, через відкривання або закривання засувки).

Гідравлічний удар вигляді хвиль збурення поширюється вздовж трубопроводу зі швидкістю звуку в даному середовищі. Гідравлічний удар може визначатися висотою h_уд стовпа рідини певної об'ємної ваги або величиною тиску удару Δ Р_уд.

Гідравлічний удар у трубопроводі

Деформація перехідних патрубків трубопроводів від гідроудару

Гідравлічний удар у трубопроводі, (рос. гидравлический удар в трубопроводе; англ. water hammer, hydraulic impact in pipeline; нім. Wasserschlag m in Rohrleitungen f)  — різка зміна тиску рідини в трубопроводі при раптовій зупинці насосів, що поширюється у рідині зі швидкістю звуку в напрямі, протилежному її течії. Зона зниженого тиску, що виникає за засувкою трубопроводу, поширюється за течією потоку. При значному зниженні тиску і розриві суцільності потоку за закритою засувкою може виникнути зворотний гідравлічний удар (викликається різким припливом рідини в порожнину низького тиску). Гідравлічний удар у вигляді хвиль збурення поширюється вздовж трубопроводу зі швидкістю звуку в даному середовищі. Гідравлічний удар може визначатися висотою h_уд стовпа рідини певної об'ємної ваги або величиною тиску удару Δ Р_уд.

Якщо гідравлічний удар являє собою хвилю підвищення тиску (миттєве закривання труби), то він називається додатнім; удар, зумовлений зниженням тиску (відкривання затвору), — від'ємним.

При різкому перекритті потоку спочатку зупиниться шар рідини безпосередньо біля крана (засувки). Внаслідок переходу кінетичної енергії в потенціальну тиск у цьому шарі зросте. Так як рідина до певної міри стискувана, то зупинки всієї її маси в трубопроводі не відбудеться миттєво. Границя об’єму зупиненої рідини переміщається вздовж трубопроводу. Час, за який хвиля гідроудару подолає шлях L від точки зупинки до початку трубопроводу (наприклад, до насоса) і повернеться назад, називається фазою гідроудару. Вона може бути визначена за формулою:

$T = \frac{2L}{c}$,

де с - швидкість поширення ударної хвилі.

Теоретично при миттєвому перекритті потоку, що рухається в трубопроводі з швидкістю V, відбувається миттєва зміна тиску в трубопроводі біля місця перекриття на величину Δp. Вона визначається за формулою М.Є.Жуковського:

$\Delta p = \rho V c\!\,$,

де Δp - підвищення тиску при гідроударі, Н/м²;

ρ — густина рідини, кг/м³;

V — швидкість течії рідини до гідравлічного удару, м/с;

c — швидкість поширення хвилі ударного тиску в рідині, м/с.

Швидкість c поширення хвилі ударного тиску вздовж трубопроводу

$c = \frac{c_0}{\sqrt{1+(E/E_T)(d/\delta)}}$,

де Е – об’ємний модуль пружності рідини, Н/м²;

Е_T - модуль пружності матеріалу стінок труби, Н/м²;

δ – товщина стінок труби, мм ;

d – внутрішній діаметр труби, мм;

$c_0=\sqrt{\frac {E} {\rho}}$ - швидкість поширення звуку в рідині. Для води при t=10⁰C c₀=1435 м/с.

Якщо час закривання затвору t є меншим від фази удару (час проходження ударною хвилею подвоєної довжини L труби), то такий удар називають прямим, а в протилежному випадку — непрямим.

У випадку непрямого гідроудару підвищення тиску розраховується за формулою Жуковського у вигляді

$\Delta p = \rho V c \frac{T}{t_K}\!\,$,

де t_K — час повного перекриття трубопроводу засувкою.

Методи боротьби з гідроударом

Гідравлічний удар іноді виникає в магістральних нафтопроводах або продуктопроводах (вуглепроводах) при раптовій зупинці насосів на проміжній насосній станції, а також в системах живлення механізованих кріплень гірничих виробок при раптовому переміщенні великих мас гірських порід, яка утримувалася кріпленням.

Для боротьби з гідроударом вдаються до наступних заходів:

• у місцях можливої появи гідроудару (біля засувок) встановлюють повітряно-гідравлічні ковпаки – гасильники удару;
• шляхом зменшення швидкості закриття крана, прямий гідроудар перетворюють у непрямий (t_K > T );
• на трубопроводі встановлюють перепускні або зворотні клапани;
• засувки встановлюють на початку трубопроводу (L → min).

В окремих випадках ефект гідроудару використовується для створення великих тисків, як наприклад, у листому штампуванні.

Література

• Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.