5 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

5.1 Простой трубопровод постоянного сечения

Трубопровод называется простым, если он не имеет ответвлений. Простые трубопроводы могут образовывать соединения: последовательное, параллельное или разветвленное. Трубопроводы могут быть сложными, содержащими как последовательное, так и параллельное соединения или разветвления.

Жидкость движется по трубопроводу благодаря тому, что ее энергия в начале трубопровода больше, чем в конце. Этот перепад (разность) уровней энергии может быть создан тем или иным способом: работой насоса, благодаря разности уровней жидкости, давлением газа. В машиностроении приходится иметь дело главным образом с трубопроводами, движение жидкости в которых обусловлено работой насоса.

При гидравлическом расчете трубопровода чаще всего определяется его потребный напор Hпотр — величина, численно равная пьезометрической высоте в начальном сечении трубопровода. Если потребный напор задан, то его принято называть располагаемым напором Hрасп. В этом случае при гидравлическом расчете может определяться расход Q жидкости в трубопроводе или его диаметр d. Значение диаметра трубопровода выбирается из установленного ряда в соответствии с ГОСТ 16516—80.


Пусть простой трубопровод постоянного проходного сечения, произвольно расположенный в пространстве (рисунок 5.1, а), имеет общую длину l и диаметр d и содержит ряд местных гидравлических сопротивлений I и II.

Запишем уравнение Бернулли для начального 1-1 и конечного 2-2 сечений этого трубопровода, считая, что коэффициенты Кориолиса в этих сечениях одинаковы (α12). После сокращения скоростных напоров получим

Гидравлический расчет трубопроводов,

где z1, z2  — координаты центров тяжести соответственно начального и конечного сечений;

       p1, p2  — давления в соответственно начальном и конечном сечениях трубопровода;

     Гидравлический расчет трубопроводов— суммарные потери напора в трубопроводе.

Отсюда потребный напор


Гидравлический расчет трубопроводов,                                                   (5.1)

Как видно из полученной формулы, потребный напор складывается из суммарной геометрической высоты Δz = z2z1, на которую поднимается жидкость в процессе движения по трубопроводу, пьезометрической высоты в конечном сечении трубопровода и суммы гидравлических потерь напора, возникающих при движении жидкости в нем.

В гидравлике принято под статическим напором трубопровода понимать сумму Гидравлический расчет трубопроводов.

 

Гидравлический расчет трубопроводов

Тогда, представляя суммарные потери Гидравлический расчет трубопроводов как степенную функцию от расхода Q, получим

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                (5.2)

где т — величина, зависящая от режима течения жидкости в трубопроводе;

      К —  сопротивление трубопровода.

При ламинарном режиме течения жидкости и линейных местных сопротивлениях (заданы их эквивалентные длины lэкв) суммарные потери


Гидравлический расчет трубопроводов,

где lрасч = l + lэкв — расчетная длина трубопровода.

Следовательно, при ламинарном режиме  т = 1, Гидравлический расчет трубопроводов.

При турбулентном течении жидкости

Гидравлический расчет трубопроводов.

Заменяя в этой формуле среднюю скорость жидкости через расход, получим суммарные потери напора

Гидравлический расчет трубопроводов.                                                         (5.3)

                Тогда при турбулентном режиме Гидравлический расчет трубопроводов, а показатель степени         m = 2. При этом следует помнить, что в общем случае коэффициент потерь на трение по длине Гидравлический расчет трубопроводов является также функцией расхода Q.

Поступая аналогично в каждом конкретном случае, после несложных алгебраических преобразований и вычислений можно получить формулу, определяющую аналитическую зависимость потребного напора для данного простого трубопровода от расхода в нем. Примеры таких зависимостей в графическом виде приведены на рисунке 5.1, б, в.


Анализ формул, приведенных выше, показывает, что решение задачи по определению потребного напора Hпотр при известных расходе Q жидкости в трубопроводе и его диаметре d несложно, так как всегда можно провести оценку режима течения жидкости в трубопроводе, сравнивая критическое значение Reкp = 2300 с его фактическим значением, которое для труб круглого сечения может быть вычислено по формуле

Гидравлический расчет трубопроводов.                                                                                   (5.4)

После определения режима течения можно вычислить потери напора, а затем потребный напор по формуле (5.2).

Если же величины Q или d неизвестны, то в большинстве случаев сложно оценить режим течения, а, следовательно, обоснованно выбрать формулы, определяющие потери напора в трубопроводе. В такой ситуации можно рекомендовать использовать либо метод последовательного приближения, обычно требующий достаточно большого объема вычислительной работы, либо графический метод, при применении которого необходимо строить так называемую характеристику потребного напора трубопровода.

5.2. Построение характеристики потребного напора простого трубопровода


Графическое представление в координатах Н—Q аналитической зависимости (5.2), полученной для данного трубопровода, в гидравлике называется характеристикой потребного напора. На рисунке 5.1, б, в приведено несколько возможных характеристик потребного напора (линейные — при ламинарном режиме течения и линейных местных сопротивлениях; криволинейные — при турбулентном режиме течения или наличии в трубопроводе квадратичных местных сопротивлений).

Как видно на графиках, значение статического напора Нст может быть как положительным (жидкость подается на некоторую высоту Δz или в конечном сечении существует избыточное давление p2), так и отрицательным (при течении жидкости вниз или при ее движении в полость с разрежением).

Крутизна характеристик потребного напора зависит от сопротивления трубопровода и возрастает с увеличением длины трубы и уменьшением ее диаметра, а также зависит от количества и характеристик местных гидравлических сопротивлений. Кроме того, при ламинарном режиме течения рассматриваемая величина пропорциональна еще и вязкости жидкости. Точка пересечения характеристики потребного напора с осью абсцисс (точка А на рисунке 5.1, б, в) определяет расход жидкости в трубопроводе при движении самотеком.

Графические зависимости потребного напора широко используются для определения расхода Q при расчете как простых трубопроводов, так и сложных. Поэтому рассмотрим методику построения такой зависимости (рисунок 5.2, а). Она состоит из следующих этапов.


1-й этап. Используя формулу (5.4) определяем значение критического расхода Qкр, соответствующее Reкp=2300, и отмечаем его на оси расходов (ось абсцисс). Очевидно, что для всех расходов, расположенных левее Qкр, в трубопроводе будет ламинарный режим течения, а для расходов, расположенных правее Qкр, — турбулентный.

2-й этап. Рассчитываем значения потребного напора Н1 и Н2 при расходе в трубопроводе, равном Qкр, соответственно предполагая, что Н1 результат расчета при ламинарном режиме течения, а Н2при турбулентном.

3-й этап. Строим характеристику потребного напора для ламинарного режима течения (для расходов, меньших Qкр). Если местные сопротивления, установленные в трубопроводе, имеют линейную зависимость потерь от расхода, то характеристика потребного напора имеет линейный вид.

4-й этап. Строим характеристику потребного напора для турбулентного режима течения (для расходов, больших Qкp). Во всех случаях получается криволинейная характеристика, близкая к параболе второй степени.


Гидравлический расчет трубопроводов

Имея характеристику потребного напора для данного трубопровода, можно по известному значению располагаемого напора Hрасп найти искомое значение расхода Qx (см. рисунок 5.2, а).

Если же необходимо найти внутренний диаметр трубопровода d, то, задаваясь несколькими значениями d, следует построить зависимость потребного напора Hпотр от диаметра d (рис. 5.2, б). Далее по значению Нрасп выбирается ближайший больший диаметр из стандартного ряда dст.

В ряде случаев на практике при расчете гидросистем вместо характеристики потребного напора используют характеристику трубопровода. Характеристика трубопровода — это зависимость суммарных потерь напора в трубопроводе от расхода. Аналитическое выражение этой зависимости имеет вид

Гидравлический расчет трубопроводов.                                                                               (5.5)

Сравнение формул (5.5) и (5.2) позволяет заключить, что характеристика трубопровода отличается от характеристики потребного напора отсутствием статического напора Hст, а при Hст = 0 эти две зависимости совпадают.


5.3 Соединения простых трубопроводов.

Аналитические и графические способы расчета

Рассмотрим способы расчета соединений простых трубопроводов.

Пусть имеем последовательное соединение нескольких простых трубопроводов (1, 2 и 3 на рисунке 5.3, а) различной длины, разного диаметра, с различным набором местных сопротивлений. Так как эти трубопроводы включены последовательно, то в каждом из них имеет место один и тот же расход жидкости Q. Суммарная потеря напора для всего соединения (между точками М и N) Гидравлический расчет трубопроводов складывается из потерь напора в каждом простом трубопроводе (Гидравлический расчет трубопроводов, Гидравлический расчет трубопроводов, Гидравлический расчет трубопроводов), т.е. для последовательного соединения справедлива следующая система уравнений:

Гидравлический расчет трубопроводов                                                 (5.6)


 

Гидравлический расчет трубопроводов

Потери напора в каждом простом трубопроводе могут быть определены через значения соответствующих расходов:

Гидравлический расчет трубопроводов; Гидравлический расчет трубопроводов; Гидравлический расчет трубопроводов.                                           (5.7)

Система уравнений (5.6), дополненная зависимостями (5.7), является основой для аналитического расчета гидросистемы с последовательным соединением трубопроводов.

Если используется графический метод расчета, то при этом возникает необходимость в построении суммарной характеристики соединения.

На рисунке 5.3, б показан способ получения суммарной характеристики последовательного соединения. Для этого используются характеристики простых трубопроводов 1, 2 и 3, которые строятся по зависимостям (5.7).

Для построения точки, принадлежащей суммарной характеристике последовательного соединения, необходимо в соответствии с (5.6) сложить потери напора в исходных трубопроводах при одинаковом расходе. С этой целью на графике проводят произвольную вертикальную линию (при произвольном расходе Q). По этой вертикали суммируют отрезки (потери напора Гидравлический расчет трубопроводов,


Гидравлический расчет трубопроводов и Гидравлический расчет трубопроводов) получившиеся от пересечения вертикали с исходными характеристиками трубопроводов. Полученная таким образом точка А будет принадлежать суммарной характеристике соединения. Следовательно, суммарная характеристика последовательного соединения нескольких простых трубопроводов получается в результате сложения ординат точек исходных характеристик при данном расходе.

Параллельным называется соединение трубопроводов, имеющих две общие точки (точку разветвления и точку смыкания). Пример параллельного соединения трех простых трубопроводов приведен на рисунке 5.3, в. Очевидно, что расход Q жидкости в гидросистеме до разветвления (точка М) и после смыкания (точка N) один и тот же и равен сумме расходов Q1, Q2 и Q3 в параллельных ветвях.

Если обозначить полные напоры в точках M и N через НM и HN, то для каждого трубопровода потеря напора равна разности этих напоров:

Гидравлический расчет трубопроводов; Гидравлический расчет трубопроводов; Гидравлический расчет трубопроводов,

т. е. в параллельных трубопроводах потери напора всегда одинаковы. Это объясняется тем, что при таком соединении, несмотря на разные гидравлические сопротивления каждого простого трубопровода, расходы Q1, Q2 и Q3 распределяются между ними так, что потери остаются равными.

Таким образом, система уравнений для параллельного соединения имеет вид

Гидравлический расчет трубопроводов                                                                (5.8)

Потери напора в каждом трубопроводе, входящем в соединение, могут быть определены по формулам вида (5.7). Таким образом, система уравнений (5.8), дополненная формулами (5.7), является основой для аналитического расчета гидросистем с параллельным соединением трубопроводов.

На рисунке 5.3, г показан способ получения суммарной характеристики параллельного соединения. Для этого используются характеристики простых трубопроводов 1, 2 и 3, которые строятся по зависимостям (5.7).

Для получения точки, принадлежащей суммарной характеристике параллельного соединения, необходимо в соответствии с (5.8) сложить расходы в исходных трубопроводах при одинаковых потерях напора. С этой целью на графике проводят произвольную горизонтальную линию (при произвольной потере Гидравлический расчет трубопроводов). По этой горизонтали графически суммируют отрезки (расходы Q1, Q2 и Q3), получившиеся от пересечения горизонтали с исходными характеристиками трубопроводов. Полученная таким образом точка В принадлежит суммарной характеристике соединения. Следовательно, суммарная характеристика параллельного соединения трубопроводов получается в результате сложения абсцисс точек исходных характеристик при данных потерях.

По аналогичному методу строятся суммарные характеристики для разветвленных трубопроводов. Разветвленным соединением называется совокупность нескольких трубопроводов, имеющих одну общую точку (место разветвления или смыкания труб).

Рассмотренные выше последовательное и параллельное соединения, строго говоря, относятся к разряду сложных трубопроводов. Однако в гидравлике под сложным трубопроводом, как правило, понимают соединение нескольких последовательно и параллельно включенных простых трубопроводов.

На рисунке 5.3, д приведен пример такого сложного трубопровода, состоящего из трех трубопроводов 1, 2 и 3. Трубопровод 1 включен последовательно по отношению к трубопроводам 2 и 3. Трубопроводы 2 и 3 можно считать параллельными, так как они имеют общую точку разветвления (точка М) и подают жидкость в один и тот же гидробак.

Для сложных трубопроводов расчет, как правило, проводится графическим методом. При этом рекомендуется следующая последовательность:

1) сложный трубопровод разбивается на ряд простых трубопроводов;

2) для каждого простого трубопровода строится его характеристика;

3) графическим сложением получают характеристику сложного трубопровода.

На рисунке 5.3, е показана последовательность графических построений при получении суммарной характеристики (Гидравлический расчет трубопроводов) сложного трубопровода. Вначале складываются характеристики трубопроводов Гидравлический расчет трубопроводов и Гидравлический расчет трубопроводов по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов, а затем характеристика Гидравлический расчет трубопроводов параллельного соединения складывается с характеристикой Гидравлический расчет трубопроводов по правилу сложения характеристик последовательно соединенных трубопроводов и получается характеристика всего сложного трубопровода Гидравлический расчет трубопроводов.

Имея построенный таким образом график (см. рисунок 5.3, е) для сложного трубопровода, можно достаточно просто по известному значению расхода Q1, поступающего в гидросистему, определить потребный напор Hпотр = Гидравлический расчет трубопроводов для всего сложного трубопровода, расходы Q2 и Q3  в параллельных ветвях, а также потери напора Гидравлический расчет трубопроводов, Гидравлический расчет трубопроводов и Гидравлический расчет трубопроводов в каждом простом трубопроводе.

5.4 Трубопровод с насосной подачей

Как уже отмечалось, основным способом подачи жидкости в машиностроении является принудительное нагнетание ее насосом. Насосом называется гидравлическое устройство, преобразующее механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. В гидравлике трубопровод, в котором движение жидкости обеспечивается за счет насоса, называется трубопроводом с насосной подачей (рисунок 5.4, а).

Целью расчета трубопровода с насосной подачей, как правило, является определение напора, создаваемого насосом (напора насоса). Напором насоса Нн называется полная механическая энергия, переданная насосом единице веса жидкости. Таким образом, для определения Нн необходимо оценить приращение полной удельной энергии жидкости при прохождении ее через насос, т.е.

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                                           (5.9)

где Нвх, Нвыхудельная энергия жидкости соответственно на входе и выходе из насоса.

Рассмотрим работу разомкнутого трубопровода с насосной подачей (см. рисунок 5.4, а). Насос перекачивает жидкость из нижнего резервуара А с давлением над жидкостью p0 в другой резервуар Б, в котором давление р3. Высота расположения насоса относительно нижнего уровня жидкости H1 называется высотой всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, всасывающим трубопроводом, или гидролинией всасывания. Высота расположения конечного сечения трубопровода или верхнего уровня жидкости Н2 называется высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным, или гидролинией нагнетания.

Подпись: Рисунок 5.4 - Схема трубопровода с насосной подачей (а) и график определения рабочей точки (б)


Запишем уравнение Бернулли для потока жидкости во всасывающем трубопроводе, т.е. для сечений 0-0 и 1-1:

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                            (5.10)

где Гидравлический расчет трубопроводов — потери напора во всасывающем трубопроводе.

Уравнение (5.10) является основным для расчета всасывающих трубопроводов. Давление p0 обычно ограничено (чаще всего это атмосферное давление). Поэтому целью расчета всасывающего трубопровода, как правило, является определение давления перед насосом. Оно должно быть выше давления насыщенных паров жидкости. Это необходимо для исключения возникновения кавитации на входе в насос. Из уравнения (5.10) можно найти удельную энергию жидкости на входе в насос:

Гидравлический расчет трубопроводов.                                             (5.11)

Запишем уравнение Бернулли для потока жидкости в напорном трубопроводе, т. е. для сечений 2-2 и 3-3:

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                         (5.12)

где Гидравлический расчет трубопроводов — потери напора в напорном трубопроводе.

Левая часть этого уравнения представляет собой удельную энергию жидкости на выходе из насоса Hвых. Подставив в (5.9) правые части зависимостей (5.11) для Hвх и (5.12) для Hвых, получим

Гидравлический расчет трубопроводов,                     (5.13)

Как следует из уравнения (5.13), напор насоса Hн обеспечивает подъем жидкости на высоту 1+H2), повышение давления с р0 до p3 и расходуется на преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах.

Если в правой части уравнения (5.13) Гидравлический расчет трубопроводов обозначить Hст и заменить Гидравлический расчет трубопроводов на KQm , то получим Hн=Hcr + KQm.

Сравним последнее выражение с формулой (5.2), определяющей потребный напор для трубопровода. Очевидна их полная идентичность:

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                                                      (5.14)

т.е. насос создает напор, равный потребному напору трубопровода.

Полученное уравнение (5.14) позволяет аналитически определить напор насоса. Однако в большинстве случаев аналитический способ достаточно сложен, поэтому получил распространение графический метод расчета трубопровода с насосной подачей.

Этот метод заключается в совместном построении на графике характеристики потребного напора трубопровода Гидравлический расчет трубопроводов (или характеристики трубопровода Гидравлический расчет трубопроводов)  и характеристики насоса Гидравлический расчет трубопроводов. Под характеристикой насоса понимают зависимость напора, создаваемого насосом, от расхода. Точка пересечения этих зависимостей называется рабочей точкой гидросистемы и является результатом графического решения уравнения (5.14).

На рисунке 5.4, б приведен пример такого графического решения. Здесь точка А и есть искомая рабочая точка гидросистемы. Ее координаты определяют напор Hн, создаваемый насосом, и расход Qн  жидкости, поступающей от насоса в гидросистему.

Если по каким-то причинам положение рабочей точки на графике не устраивает проектировщика, то это положение можно изменить, если скорректировать какие-либо параметры трубопровода или насоса.

7.5. Гидравлический удар в трубопроводе

Гидравлическим ударом называется колебательный процесс, возникающий в трубопроводе при внезапном изменении скорости жидкости, например при остановке потока из-за быстрого пере­крытия задвижки (крана).

Этот процесс очень быстротечен и характеризуется чередованием резкого повышения и понижения давления, что может привести к разрушению гидросистемы. Это вызвано тем, что кинетическая энергия движущегося потока при остановке переходит в работу по растяжению стенок труб и сжатию жидкости. Наибольшую опасность представляет начальный скачок давления.

Проследим стадии гидравлического удара, возникающего в трубопроводе при быстром перекрытии потока (рисунок 7.5).

Пусть в конце трубы, по которой жидкость движется со скоростью vq, произведено мгновенное закрытие крана А. Тогда (см. рисунок 7.5, а) скорость частиц жидкости, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается. Давление в остановившейся жидкости возрастает на Δpуд. На заторможенные частицы жидкости у крана набегают другие частицы и тоже теряют скорость, в результате чего сечение п—п перемещается вправо со скоростью с, называемой скоростью ударной волны, сама же переходная область (сечение п—п), в которой давление изменяется на величину Δpуд, называется ударной волной.

Когда ударная волна достигнет резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления Δpуд распространится на всю трубу (см. рис. 7.5, б).

Но такое состояние не является равновесным. Под действием повышенного давления (р0 + Δpуд) частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это движение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение п—п перемещается по трубопроводу в обратном направлении — к крану — с той же скоростью с, оставляя за собой в жидкости давление p0 (см. рисунке 7.5, в).

 

Гидравлический расчет трубопроводов

Жидкость и стенки трубы возвращаются к начальному состоянию, соответствующему давлению p0. Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость Гидравлический расчет трубопроводов, но направленную в противоположную сторону.

С этой скоростью «жидкая колонна» (см. рисунок 7.5, г) стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна (давление в жидкости уменьшается на то же значение Δpуд). Граница между двумя состояниями жидкости направляется от крана к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость (см. рисунок 7.5, д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформации, но с противоположным знаком.

Состояние жидкости в трубе в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на рисунке 7.5, е. Так же как и для случая, изображенного на рисунке 7.5, б, оно не является равновесным, так как жидкость в трубе находится под давлением (р0 + Δpуд), меньшим, чем в резервуаре. На рисунке 7.5, ж показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью Гидравлический расчет трубопроводов.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Теоретическое и экспериментальное исследования гидравлического удара в трубах было впервые выполнено Н.Е.Жуковским. В его опытах было зарегистрировано до 12 полных циклов с постепенным уменьшением Δpуд. В результате проведенных исследований Н.Е.Жуковский получил аналитические зависимости, позволяющие оценить ударное давление Δpуд. Одна из этих формул, получившая имя Н.Е.Жуковского, имеет вид

Гидравлический расчет трубопроводов,                                                  (7.14)

где скорость распространения ударной волны с определяется по формуле

Гидравлический расчет трубопроводов,

где К — объемный модуль упругости жидкости; Е — модуль упругости материала стенки трубопровода; d и δ — соответственно внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода.

Формула (7.14) справедлива при прямом гидравлическом ударе, когда время перекрытия потока tзакр меньше фазы гидравлического удара t0:

Гидравлический расчет трубопроводов,

где l — длина трубы.

Фаза гидравлического удара t0 — это время, за которое ударная волна движется от крана к резервуару и возвращается обратно. При tзакр > t0 ударное давление получается меньше, и такой гидроудар называют непрямым.

При необходимости можно использовать известные способы «смягчения» гидравлического удара. Наиболее эффективным из них является увеличение времени срабатывания кранов или других устройств, перекрывающих поток жидкости. Аналогичный эффект достигается установкой перед устройствами, перекрывающими поток жидкости, гидроаккумуляторов или предохранительных клапанов. Уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе за счет увеличения внутреннего диаметра труб при заданном расходе и уменьшение длины трубопроводов (уменьшение фазы гидравлического удара) также способствуют снижению ударного давления.

baumanki.net

По конструкции и гидравлическим условиям работы трубопроводы делятся на простые и сложные, гидравлически длинные и короткие.

Простым называется трубопровод, состоящий из последовательно соединённых труб одного или нескольких диаметров, без ответвлений, но по всей длине которого протекает постоянный расход. Все остальные трубопроводы относятся к сложным, например, разветвлённые параллельно кольцевые и трубопроводы с переменным расходом жидкости по длине.

Длинными считаются такие трубопроводы, в которых на всём протяжении основными потерями напора являются потери напора на преодоление трения. Местные же потери напора невелики, они составляют не более 5-10% от общих потерь. Поэтому при расчёте длины трубопроводов местными потерями либо пренебрегают, либо с целью их приблизительного учёта производят увеличение потерь за счёт дополнительной эквивалентной длины, то есть расчетная длина трубопровода будет на 5-10% больше действительной.

l расч = (1.05…1.1)l. (3.117)

К длинным трубопроводам, в частности, относятся трубопроводы сети водоснабжения, нефтепроводы, газопроводы и другие трубопроводы, имеющие значительную протяженность.

В коротких трубопроводах местные потери напора составляют существенную долю суммарных потерь – более 10%. Поэтому при расчетах коротких трубопроводов наряду с потерями на трение подлежат обязательному расчету и местные потери напора. К коротким трубопроводам относятся всасывающие трубопроводы насосов, сифонные трубопроводы, топливопроводы, маслопроводы систем гидропривода и трубопроводы гидравлических систем двигателей станков, механизмов и технологических линий.

Рассмотрим задачи гидравлического расчёта простейшего трубопровода, состоящего из труб одного диаметра (рис.3.19), где жидкость из-за разности уровней в резервуарах, равной H, перетекает из резервуара I в резервуар II с некоторым расходом Q. Гидравлический расчет трубопроводов

1. Определим необходимый напор H, обеспечивающий заданный расход Qпри известных размерах трубопровода l и d. Для этого составим уравнение Бернулли относительно сечений 1-1 и 2-2. Принимая, что V1 = V2 и р1 = р = р2 = ратм, получим z1 = z2 +hw,

Рис. 3.19 отсюда H = z1z2 = hw.

То есть, весь располагаемый напор полностью расходится на преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводе. Этот напор H сложится из потерь на трение (путевых потерь) и местных потерь напора

Гидравлический расчет трубопроводов Гидравлический расчет трубопроводов Гидравлический расчет трубопроводов Гидравлический расчет трубопроводов . (3.118)

2. Определим расход жидкости Q при известных диаметрах, длинах трубопровода и напоре H. В данной задаче с помощью (3.118) находим скорость

 

Гидравлический расчет трубопроводов . (3.119)

Тогда исходный расход найдётся из выражения

 

Гидравлический расчет трубопроводов . (3.120)

Гидравлический расчет трубопроводов 3. Определим диаметр трубопровода dтр при заданном расходе жидкости, напоре и остальных параметрах. Данная задача решается методом последовательных приближений, для чего задаются произвольным значением d и по формуле (3.120) определяют расход Q. При несовпадении найденного значения расхода с заданным принимают другое значение d и расчёт повторяют. Решение задачи может быть ускорено при помощи графика (рис.3.20). На основании не менее, чем четырёх попыток расчёта строится кривая Гидравлический расчет трубопроводов . Искомый диаметр трубопровода dтр может быть найден графически. Если местные потери в трубопроводе незначительны, и ими можно пренебречь, то при наличии справочных таблиц со значениями расходных характеристик все три задачи решаются значительно быстрее.

Рис. 3.20

3.15 Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называется резкое изменение давления в трубопроводе, вызванное внезапным изменением скорости движения жидкости в нём. Различают положительный и отрицательный гидравлический удар. Положительный удар возникает при внезапном уменьшении скорости движения жидкости. В этом случае давление в трубопроводе увеличивается.

Гидравлический расчет трубопроводов Отрицательный удар характеризуется уменьшением давления в трубопроводе. За процессом развития явления гидроудара можно проследить на трубопроводе, схема которого представлена на рис.3.21. Из резервуара а жидкость движется по

Рис.3.21 трубопроводу в сторону

задвижки б. В результате внезапного закрытия задвижки, произойдёт резкое торможение движения жидкости, но остановка всей массы жидкости произойдёт не сразу. В первый момент остановится слой жидкости, непосредственно примыкающий к задвижке. Вся остальная масса жидкости, стремясь сохранить первоначальное направление движения, окажет давление на передний, уже остановившейся слой и т. д. вплоть до напорного резервуара а. При этом одновременно с уплотнением жидкости будет происходить увеличение давления в трубопроводе.

Таким образом, в начале удара зона повышения давления в виде волны будет распространяться по трубопроводу с некоторой скоростью с в направлении противоположном давлению жидкости.

Скорость с называется скоростью распространения ударной волны. Для большинства трубопроводов значение этой скорости весьма велики и достигают величины 1000 м/с и более. Поэтому данный процесс протекает очень быстро.

Повышение внутреннего давления в трубе вызывает в свою очередь расширение её стенок, поэтому вместе с перемещением ударной волны происходит перемещение и зоны деформации трубопровода.

Гидравлический расчет трубопроводов При достижении у задвижки максимума давления жидкости, жидкость устремляется обратно в резервуар в виде ударной волны с той же скоростью с. Такой цикл повторяется несколько раз. В конце концов вследствие затрат энергии на сжатие жидкости и деформацию стенок трубопровода про- цесс затухает.

Изобразим диаграмму изменения давления во времени в процессе развития гидравлического удара.

Рис.3.22

Из диаграммы (рис.3.22) видно, что наиболее высокое давление в трубопроводе наблюдается не в самом начале удара, а несколько позднее. Это объясняется тем, что явление удара происходит в упругой среде.

Явление гидравлического удара было открыто и впервые экспериментально и теоретически исследовано профессором Н.Е. Жуковским в 1898 г.

Различают прямой (при быстром закрытии задвижки) и не прямой (при медленном закрытии задвижки) гидравлический удар.

При прямом ударе время закрытия задвижки, намного меньше времени возвращения ударной волны, то есть Т3 << T. Время пробега ударной волны от задвижки к напорному резервуару и обратно называется продолжительностью фазы гидравлического удара или временем цикла.

Гидравлический расчет трубопроводов . (3.121)

Для определения величины повышения давления Δр при прямом гидравлическом ударе профессором Жуковским впервые была выведена следующая формула

Гидравлический расчет трубопроводов , (3.122)

где V — величина потерянной скорости.

Скорость распространения ударной волны так же определяется по формуле Жуковского:

Гидравлический расчет трубопроводов , (3.123)

 

где Е0 – модуль упругость жидкости; Е – модуль упругости материала стенок труб; d – диаметр трубы; δ – толщина стенок трубы.

Числитель формулы (3.122) есть известная в физике формула Ньютона для определения скорости звука в неограниченной жидкой среде. Для воды эта скорость равна 1425 м/с

Гидравлический расчет трубопроводов . (3.124)

Отметим, что для обычных стальных и чугунных водопроводных труб общего применения скорость распространения ударной волны имеет значение около 1000 – 1300 м/с. Это значит, что каждый потерянный метр скорости движения воды, согласно формуле (3.121) вызывает повышение давления в трубопроводе на 10-13 атмосфер.

Эластичные трубопроводы, обладающие малыми модулями упругости (например, резиновые шланги) дают очень низкие значения скоростей с, а поэтому повышение давления в них при внезапном закрытии затвора невелико.

При непрямом ударе время закрытия задвижки превышает длительность фазы гидравлического удара, то есть Т3 > T. В этом случае повышение давления может быть посчитано по формуле

Гидравлический расчет трубопроводов . (3.125)

Гидравлический удар является весьма нежелательным явлением в эксплуатации трубопроводных систем. Прямой гидравлический удар может привести к разрушению трубопровода. Поэтому при расчете и проектировании трубопроводных систем следует предусматривать мероприятия по снижению или ликвидации гидроудара.

Основной мерой борьбы с гидроударом является увеличение времени закрытия задвижки (затворы вентильного типа).

При внезапной остановке насосов, турбин и т.п. на трубопроводах устанавливается специальная арматура в виде предохранительных клапанов, клапанов-гасителей и иных устройств, снижающих эффект гидравлического удара.

 

Гидропривод

poznayka.org



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.