Физические основы функционирования гидросистем

Выделившиеся из жидкости пузырьки пара и газа увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой пузырьки паров жидкости конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Так как сокращение кавитационного пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырьков. По расчетам температуры могут достигать значений 1 500 °С и выше, а местное давление -- до 200 МПа.

Большая энергия, рассеиваемая при охлопывании кавитационных пузырей вблизи поверхности обтекаемого тела, может приводить к ее повреждению. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными -- от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя насосов, гидроаппаратов и т.п.

Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования, может стать причиной снижения подачи насоса и даже срыва его работы.

Для избежания опасности возникновения кавитации в гидросистемах, рекомендуется соблюдать, как минимум, следующие условия:

давление в потоке жидкости должно быть больше давления насыщенных паров;

режим течения жидкости по возможности должен быть ламинарным;

температура рабочей жидкости не должна превышать значение, при котором может начаться образование газовых пузырьков;

максимально возможное ограничение попадания воздуха в рабочую жидкость.

Наиболее эффективным способом предотвращения возникновения кавитации в гидросистемах является повышение рабочего давления в проблемных зонах. В частности, радикальным способом борьбы с кавитацией в насосах является применение насосов подкачки.

Для уменьшения разрушающего эффекта кавитации используют противоэрозионные материалы, специальные покрытия из бронзы, хрома и др.

Наиболее стойкими к гидравлической эрозии являются титан, бронза и нержавеющая сталь, а наименее стойкими -- чугун и углеродистая сталь.

Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным.

11. Гидроудар

Гидравлическим ударом называется колебательный процесс резкого изменения давления в жидкости, вызванного внезапным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления. Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.

Гидравлический удар чаще всего возникает при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством (рис. 23).

Рис. 23. Стадии гидравлического удара в трубопроводе

Рассмотрим стадии гидравлического удара:

жидкость движется по трубопроводу со скоростью (рис. 2.24, а);

мгновенное закрытие задвижки (рис. 23, б). Скорость частиц жидкости, натолкнувшихся на задвижку, погашается, их кинетическая энергия переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости. Стенки трубы растягиваются, жидкость сжимается* в соответствии с повышением давления на величину . На остановившиеся частицы жидкости набегают текущие за ними и тоже останавливаются, в результате чего сечение 1-1 перемещается от задвижки со скоростью с, называемой скоростью ударной волны. Область, в которой давление изменяется на величину называют ударной волной;

ударная волна достигла резервуара (рис. 23, в). Жидкость в трубе остановлена и сжата, стенки трубы -- растянуты;

под действием перепада давления жидкость из трубы устремляется в резервуар, начиная с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару (рис. 23, г). Сечение 1-1 перемещается в обратном направлении -- к задвижке -- с той же скоростью с. Давление за сечением выравнивается до р₀, труба приобретает начальное состояние;

работа деформации жидкости и трубы полностью переходит в кинетическую энергию, жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость р₀, но направленную в другую сторону (рис. 2.24, д);

движущаяся в резервуар жидкость стремится оторваться от задвижки, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением (рис. 23, е). Ударная волна направляется от задвижки к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся под действием давления жидкость. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака;

отрицательная ударная волна достигает резервуара (рис. 23, ж);

давление в трубе начинает выравниваться, что сопровождается возникновением движения жидкости из резервуара со скоростью v₀ (рис. 23, з). Когда отраженная от резервуара ударная волна достигнет задвижки, возникнет ситуация уже имевшая место (см. рис. 23, б). Весь цикл гидравлического удара повторится.

* В данном случае нельзя пренебрегать сжимаемостью жидкости, так как именно малая сжимаемость жидкости является причиной возникновения большого ударного давления.

Увеличение давления при гидроударе определяется по формуле Жуковского:

где и -- средние скорости в трубопроводе до и «юле закрытия задвижки, м/с;

с -- скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода,

где К-- объемный модуль упругости жидкости;

Е-- модуль упругости материала стенки трубопровода;

d -- внутренний диаметр трубопровода;

д -- толщина стенки трубопровода.

При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энергии в резервуар (рис. 24).

Рис. 24. Изменение давления во времени около задвижки

Штриховой линией на рис. 24, а приведена теоретическая диаграмма изменения давления около задвижки при Сплошными линиями показан примерный вид действительной картины изменения давления во времени.

При снижение давления в трубопроводе на величину невозможно, так как давление около задвижки падает практически до нуля (), что вызывает кавитацию и образование паровой каверны. В связи с этим нарушается периодичность процесса (рис. 24, б).

Формулы Жуковского справедливы, когда время закрытия задвижки равно

где t_Q -- фаза гидравлического удара;

l-- длина трубопровода.

При этом условии имеет место прямой гидравлический удар. Непрямой гидравлический удар возникает когда ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полностью закрыта. При этом повышение давления в трубопроводе будет меньше, чем при прямом гидроударе.

Гидравлический удар может привести к повреждению мест соединений отдельных участков трубопровода (стыки, фланцы), разрыву стенок трубы, поломке насосов и т.п.

Для предотвращения гидравлического удара применяют различные устройства, устанавливаемые на трубопроводах, которые либо увеличивают время закрытия запорных устройств, либо принимают на себя возникающие резкие забросы давления: предохранительные клапаны, гидроаккумуляторы.

Размещено на Allbest.ru