1. Предмет и методология гидравлики Курс "Гидравлика" включает в себя несколько самостоятельных дис- циплин, которые объединяет такое понятие, как гидравлические и пневмати- ческие системы

Величина критического давления зависит от рода жидкости, ее темпе- ратуры (в значительной степени) и от наличия в ней твердых частиц и мик- роскопических пузырьков воздуха (в меньшей степени). На практике оказа- лось возможным за критическое давление принимать давление насыщенных

паров жидкости р_н.п.. Величина р_н.п. для данной жидкости зависит от ее тем- пературы. Для воды эта зависимость характеризуется следующей таблицей

Т а б л и ц а 1

Образование кавитационной зоны (зона потока, в которой имеет место образование пузырьков с паром) можно наглядно продемонстрировать на примере протекания воды через трубу с местным плавным сужением (рис. 35). В месте сужения средняя скорость жидкости увеличивается. Следова- тельно, увеличивается кинетическая энергия потока. Так как полная энергия потока остается практически неизменной (потери напора при плавном суже- нии незначительны), то должна уменьшиться потенциальная энергия - дав- ление. Таким образом, если сужать сечение трубы, то давление будет умень- шаться (по сравнению с обычным сечением). Чем меньше сечение, тем меньше давление. Эффекта изменения давления можно достичь и другим пу- тем - при постоянной площади сжатого сечения менять среднюю скорость потока. В этом случае - чем больше скорость, тем меньше давление. В слу- чае, если давление в суженном сечении достигнет давления насыщенных па- ров, то возникнет кавитационная зона. При дальнейшем увеличении средней скорости кавитационная зона будет расти, а давление в сжатом сечении оста- ется постоянным и равным давлению насыщенных паров р_н.п.

Рис. 35.

Одним из самых опасных последствий кавитации является разрушение поверхности, ограничивающей поток, в том месте, где пузырьки схлопыва- ются. Это разрушение называется кавитационной эрозией. Повреждения ра- бочих органов гидравлических машин в результате кавитационной эрозии могут за относительно короткий срок достигнуть размеров, затрудняющих их эксплуатацию и даже делающих ее практически невозможной. Несмотря на

большое количество теоретических и экспериментальных исследований, ме- ханизм такого разрушения до сих пор окончательно не выяснен. В качестве рабочей теории принимают так называемую гидромеханическую теорию. Со- гласно этой теории, кинетическая энергия массы жидкости, движущаяся с большой скоростью к центру пузыря при его схлопывании, преобразуется в сферическую ударную волну, которая механически воздействует на стенку и приводит к разрушению ее поверхности.

Другим опасным следствием кавитации является ухудшение рабочих характеристик гидромашин. Кавитационные зоны, возникающие в проточной части гидромашин, изменяют их эффективную форму. Такие изменения не- желательны и, хотя не разрушают лопасти турбин, сопровождаются допол- нительными потерями механической энергии потока. В сочетании с затрата- ми энергии на образование, развитие и разрушение кавитационных пузырь- ков, это приводит к снижению к.п.д. гидромашин. Кроме этого из-за воздей- ствия кавитации гибнет зоопланктон (совокупность животных микроорга- низмов, живущих в водных глубинах и пассивно переносимых силой тече- ния)

В связи с негативными последствиями кавитации, возникает необхо- димость ее прогнозирования и предупреждения.

В простейших устройствах, таких как рассмотренное выше (это уст- ройство в гидравлике называют расходомером Вентури, так как оно позволя- ет по разности давления в сжатом и обычном сечениях определять расход жидкости), можно расчетным путем установить безопасный режим работы, если выполнять условие – р_с > р_н.п. Что касается более сложных устройств, например насосов, то здесь предсказать начало кавитации, используя расчет- ные методы, не удается. В этом случае прибегают к определению экспери- ментальным путем так называемых кавитационных характеристик и обяза- тельно приводят их в паспорте насоса.

Кроме перечисленных отрицательных эффектов кавитация имеет и по- ложительное применение, Так например она используются при очистке по- верхностей от загрязнений и стирке с использованием ультразвука.

Гидравлический расчет трубопроводов Гидравлический удар.

На практике уже давно столкнулись с явлением резкого повышения давления жидкости в трубопроводе после быстрого срабатывания запорного устройства. Это явление назвали гидравлическим ударом (возможно потому, что оно сопровождается звуком, сходным со звуком при ударе молотком по твердому телу, и сильным сотрясением трубы). Возникновение гидроудара часто приводило к аварии трубопровода и, поэтому, его исследованием зани- мались многие. Однако, только Н.Е.Жуковскому удалось в 1898 году в пол- ной мере выяснить существо физического процесса гидроудара и вывести необходимые расчетные формулы.

Его исследования показали, что в этом процессе можно выделить че- тыре характерных фазы. Для ознакомления с ними рассмотрим простейший случай гидроудара, возникающего при мгновенном закрытии клапана на конце трубы длиной L, по которой под действием избыточного давления р со скоростью V течет жидкость (рис. 36).

Рис. 36.

Рис. 37. Первая фаза гидроудара

В момент  = L/C ударная волна подходит к баку. Первая фаза гидро- удара заканчивается. Жидкость в трубе покоится. Она сжата, труба – растя- нута (диаметр трубы увеличивается под действием повышенного давления).

Состояние системы, соответствующее концу первой фазы, не является устойчивым, поскольку давление в жидкости заполняющей трубу, больше давления в баке. Под действием этой разности давлений жидкость из трубы начинает вытекать в бак. Волна спада перемещается от бака к клапану (рис. 38).

Это вторая фаза гидроудара.


Рис. 38. Вторая фаза гидроудара
В момент времени  = 2L/C она заканчивается. Жидкость в трубе нахо- дится под давлением р, труба принимает то состояние, которое имела до воз- никновения гидроудара.

Но состояние, соответствующее концу второй фазы, также не является устойчивым, поскольку жидкость в трубе движется от клапана к баку. Это приводит к спаду давления у клапана до p_min. Затем, граница участка спада давления перемещается по направлению к баку. Это третья фаза гидроудара (рис. 39).

В момент времени  = 3L/C она заканчивается.

Рис. 39. Третья фаза гидроудара

Рис. 40. Четвертая фаза гидроудара

Особенно опасным являются гидроудар в четвертой фазе. Если в треть- ей фазе минимальное давление оказывается равным давлению насыщенных

паров, то, как и при кавитации, в жидкости образуются полости, заполненные паром. В четвертой фазе гидроудара давление в жидкости растет от p_min до р, пар конденсируется и в полости с очень большой скоростью устремляется жидкость. Возникают местные гидроудары с очень большим повышением давления, что обычно приводит к разрушению трубопровода. Такие случаи возникают, например, при остановке насоса.

Величина скачка давления в первой фазе гидроудара может быть рас- считана по формул:

где, K – модуль объемной упругости жидкости, Па; E – модуль упругости материала трубы, Па; δ - толщина стенки трубы, м; d – диаметр трубы, м;  – плотность жидкости, кг/м³.

Приведенная расчетная зависимость для скачка давления справедлива только для первой фазы прямого гидроудара (прямым, называется гидро- удар, при котором время закрытия клапана меньше времени движения удар- ной волны от клапана к баку и обратно).

При непрямых гидроударах расчет p сложен, но возможен. Опреде- лить же величину скачка давления, возникающего в третьей и четвёртой фа- зе, не представляется возможным.

Наиболее эффективным способом снижения прироста давления при гидроударе является устранение возможности возникновения прямого гидро- удара. Для этого запорные элементы выполняются так, что их закрытие мо- жет осуществиться только в течении достаточно большого времени ( > 2L/C). Аналогичный эффект достигается установкой перед запорными уст- ройствами гидроаккумуляторов (например, воздушных колпаков, в которых, при повышении давления, сжимается воздух и таким образом амортизирует- ся гидроудар) или предохранительных клапанов, открывающихся при по- вышении давления в трубе выше допустимого.

Кроме перечисленных негативных случаев, гидроудар может быть ис- пользован в некоторых устройствах для производства полезной работы. Од- ним из примеров этого может служить так называемый гидравлический та- ран (рис. 41). При помощи этого устройства вода из низконапорного резер- вуара 1 может автоматически нагнетаться в резервуар 6, находящийся на бо- лее высоких отметках. Оно работает следующим образом.

3 переместиться вверх и закроет выпускное отверстие нижним грибком. Вследствие этого, возникнет явление гидравлического удара и в камере 8 поднимется давление. Под действием повышенного давления откроется кла- пан 4 и часть жидкости устремится в воздушный колпак 7. Как известно, за волной давления в камере 8 последует волна разряжения. Клапаны 3 и 4 опустятся вниз. Это приведет к тому, что через клапан 3 снова начнет изли- ваться жидкость, которая, набрав определенную скорость, опять закроет его. Процесс нагнетания жидкости в воздушный колпак 7 повторится. И так до "бесконечности". Из воздушного колпака жидкость будет поступать резер- вуар 6. Воздушная подушка в колпаке 7 выравнивает подачу, уменьшая ее пульсацию. Таким образом устройство будет автоматически работать до тех пор, пока расход поступает в камеру 8.

Гидравлический расчет насосной системы для перекачки жидко-

стей

проектировочный и проверочный.