Vodní kladivo

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 1. července 2019; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Vodní ráz (vodní ráz) - tlakový skok v jakémkoliv systému naplněném kapalinou , způsobený rychlou změnou průtoku této kapaliny. Může nastat v důsledku náhlého uzavření nebo otevření ventilu. V prvním případě se vodní kladivo nazývá pozitivní, ve druhém - negativní. Pozitivní vodní ráz je obzvláště nebezpečný. Při kladném vodním rázu by měla být nestlačitelná tekutina považována za stlačitelnou. Vodní ráz může způsobit vznik podélných trhlin v potrubí , což může vést k jejich rozštěpení, nebo poškození jiných prvků potrubí . Vodní ráz je také extrémně nebezpečný pro další zařízení, jako jsou výměníky tepla , čerpadla a tlakové nádoby .

Vodní kladivo se mylně nazývá důsledek naplnění prostoru nad pístem v pístovém motoru kapalinou, v důsledku čehož píst před dosažením úvratě začne kapalinu stlačovat, což vede k náhlému zastavení a porucha motoru (zlomení ojnice nebo tyče, zlomení čepů hlavy válců, prasknutí těsnění); Tomuto jevu se říká „dostat nestlačitelný předmět do pracovního objemu motoru“, zpravidla je jedno, zda se jednalo o kapalné nebo pevné těleso – poškození motoru je v každém případě velmi výrazné.

Obecné informace

Fenomén hydraulického rázu kvantitativně popsal v letech 1897 - 1899 N. E. Žukovskij . Zvýšení tlaku během hydraulického rázu je určeno v souladu s jeho teorií vzorcem:

$D_{p}=\rho (v_{0}-v_{1})c$ ,

kde je nárůst tlaku v N / m² , $D_{p}$

\rho

je hustota kapaliny v kg / m³ ,

v_{0}

a - průměrné rychlosti v potrubí před a po uzavření ventilu ( uzavíracího ventilu ) v m / s ,

v_{1}

c je rychlost šíření rázové vlny podél potrubí.

Tento vzorec lze získat na základě zákona zachování hybnosti [1] : , kde je průřez potrubí. $D_{p}St=\rho S(v_{0}-v_{1})ct$ $S$

Žukovskij dokázal, že rychlost šíření rázové vlny c je přímo úměrná stlačitelnosti kapaliny, deformaci stěn potrubí, určené modulem pružnosti materiálu E , ze kterého je vyrobena, a také průměr potrubí.

V potrubí obsahujícím plyn se proto nemůže objevit vodní ráz , protože plyn je snadno stlačitelný.

Vztah mezi rychlostí rázové vlny c , její délkou a dobou šíření ( L resp .) je vyjádřen následujícím vzorcem: $\tau$

$c=2L/\tau$

Typy hydraulických rázů

V závislosti na době šíření rázové vlny a době uzavření ventilu (nebo jiných uzavíracích ventilů ) t , která měla za následek vodní ráz, lze rozlišit 2 typy rázů: $\tau$

Plný ( přímý ) vodní ráz, pokud t < $\tau$

Neúplné ( nepřímé ) vodní rázy, pokud t > $\tau$

Při plném hydraulickém rázu se čelo výsledné rázové vlny pohybuje v opačném směru, než je původní směr pohybu tekutiny v potrubí. Jeho další směr pohybu závisí na prvcích potrubí umístěných před uzavřeným ventilem. Čelo vlny je také možné opakovaně míjet v dopředném a zpětném směru.

U neúplného vodního rázu čelo rázové vlny nejen změní směr svého pohybu na opačný, ale částečně prochází dále ne zcela uzavřeným ventilem.

Výpočet vodního rázu

K přímému vodnímu rázu dochází, když je doba uzavření ventilu t3 kratší než rázová fáze T, určená podle vzorce:

$T={\frac {2l}{Cu}}$

Zde - délka potrubí od místa dopadu do úseku, ve kterém je udržován konstantní tlak, - rychlost šíření rázové vlny v potrubí, je určena vzorcem N. E. Žukovského, m / s: $l$ $Cu$

$Cu={\sqrt {{\frac {E}{p)))){\frac {1}{{\sqrt {1+{\frac {E}{Etr}}{\frac {D}{h} }k}}}}$

kde je objemový modul pružnosti kapaliny, je hustota kapaliny, je rychlost zvuku v kapalině, je modul pružnosti materiálu stěny trubky, je průměr trubky, je tloušťka stěny trubky. $E$ $p$ ${\sqrt {{\frac {E}{p))))$ $Etr$ $D$ $h$

U vody poměr závisí na materiálu potrubí a lze jej akceptovat; pro ocel - 0,01; litina - 0,02; železobeton - 0,1-0,14; azbestocement - 0,11; polyethylen - 1-1,45 ${\frac {E}{Etr}}$

Pro tenkostěnná potrubí se použije koeficient (ocel, litina, a / c, polyethylen) rovný 1. Pro železobeton $k$

$k={\frac {1}{1+9,5a}}$ ,

$a={\frac {f}{h}}$ koeficient vyztužení s prstencovou výztuží ( je plocha průřezu prstencové výztuže na 1 m délky stěny trubky). Obvykle a = 0,015–0,05. $F$

Zvýšení tlaku během přímého hydraulického rázu je určeno vzorcem:

$P=pCuVo$

kde je rychlost vody v potrubí před uzavřením ventilu. $Vo$

Pokud je doba uzavření ventilu delší než fáze nárazu (t3>T), nazývá se takový náraz nepřímý. V tomto případě lze dodatečný tlak určit podle vzorce:

$P={\frac {2pVol}{t3}}$

Výsledek nárazu je vyjádřen také velikostí nárůstu tlaku H, která se rovná:

s přímým dopadem $H={\frac {CuVo}{g))$

s nepřímým $H={\frac {2Vol}{gt3}}$

Způsoby, jak zabránit vzniku hydraulických rázů

Na základě Zhukovského vzorce (který určuje nárůst tlaku při hydraulickém rázu) a hodnot, na kterých závisí rychlost šíření rázové vlny, aby se síla tohoto jevu oslabila nebo mu úplně zabránila, je možné snížit rychlost pohybu kapaliny v potrubí zvětšením jeho průměru.
Chcete-li oslabit sílu tohoto jevu, zvyšte dobu uzavření závěrky
Montáž tlumicích zařízení

Příklady

Nejjednodušším příkladem výskytu vodního rázu je příklad potrubí s konstantním tlakem a stálým pohybem tekutiny, ve kterém byl ventil náhle uzavřen nebo ventil byl uzavřen .

Ve spádových vodních systémech k vodnímu rázu obvykle dochází, když je zpětný ventil nejblíže čerpadlu více než 9 metrů nad statickou hladinou vody nebo prosakuje, zatímco další zpětný ventil nahoře udržuje tlak.

V obou případech vzniká ve stoupačce částečné vakuum . Při příštím spuštění čerpadla voda proudící velmi vysokou rychlostí vyplní vakuum a narazí do potrubí s uzavřeným zpětným ventilem a sloupcem kapaliny nad ním, což způsobí tlakové rázy a vodní rázy. Takové vodní rázy mohou způsobit praskliny v potrubí , přerušit spojení potrubí a poškodit čerpadlo a/nebo motor .

Vodní ráz se může objevit u objemových hydraulických systémů , které používají šoupátkový ventil . V okamžiku, kdy je jeden z kanálů, kterými je kapalina čerpána, ucpán cívkou, ukáže se, že tento kanál je na krátkou dobu zablokován, což má za následek výskyt jevů popsaných výše.

Během bouře na moři vlny narážející na stěnu nábřeží způsobují šplouchání s výškou desetkrát větší, než je výška vln na moři [2] .

Viz také

Poznámky

↑ Butikov, 1994 , str. 359.
↑ Butikov, 1994 , str. 360.

Literatura

Butikov E. I., Kondratiev A. S. Physics. Kniha 1. Mechanika. — M .: Nauka, 1994. — 367 s.

Zdroje

"Základy hydrauliky a aerodynamiky", Kalitsun V. I., Drozdov E. V., Komarov A. S., Chizhik K. I., "Stroyizdat", 2002
"Sbírka problémů v hydraulice", ed. V. A. Bolshakova, 1979. 336 s.