ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ ПРИ ЗАПУСКЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ (D) НАСОСОВ И МЕРЫ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен комплексный анализ явления гидравлического удара, возникающего в напорных трубопроводах при запуске центробежных насосов. Рассматриваются физические причины и последствия гидравлического удара, математические модели его расчёта, включая формулу Жуковского, а также инженерные решения по предотвращению негативных последствий. Особое внимание уделено использованию воздушных камер, байпасных систем и плавно закрывающихся клапанов как эффективным мерам снижения давления и защиты трубопроводных систем.

ABSTRACT

This article provides a comprehensive analysis of the phenomenon of hydraulic shock occurring in pressurized pipelines during the startup of centrifugal pumps. It explores the physical causes and consequences of hydraulic shock, mathematical models for its calculation-including the Joukowski formula-and engineering solutions to prevent its harmful effects. Special attention is given to the use of air chambers, bypass systems, and slow-closing valves as effective methods for reducing pressure and protecting pipeline systems.

Ключевые слова: гидравлический удар, центробежный насос, трубопровод, Жуковский, воздушная камера, байпас, давление, скорость потока, амортизатор.

Keywords: hydraulic shock, centrifugal pump, pipeline, Joukowski formula, air chamber, bypass system, pressure, flow velocity, shock absorber.

Введение

Явление гидравлического удара, возникающее при резком изменении скорости потока жидкости в напорных трубопроводах, имеет важное значение в насосных системах, гидротехнических сооружениях и других инженерных объектах. Гидравлический удар, его причины и последствия были предметом многочисленных научных исследований. Основными факторами, влияющими на этот процесс, являются сжимаемость воды и других жидкостей, упругость труб и резкие изменения скорости потока. Для обеспечения безопасности трубопроводных систем и предотвращения негативных последствий гидравлического удара необходимо применять конструктивные мероприятия [3].

Материалы и методы

Основные параметры модельной установки, на которых проводились экспериментальные исследования:

Мощность насоса ; Напор ; Расход ;

Длина трубопровода ; Диаметр трубопровода ;

Плотность жидкости ; Вязкость  [5].

Рисунок 1. Переходный процесс центробежного насоса

Гидравлический удар в напорных трубопроводах насоса возникает в следующих случаях:

• Быстрое закрытие или открытие насоса или клапанов;
• Неожиданные изменения давления в трубопроводе;
• Инерционные свойства потока;
• Степень сжимаемости жидкости и упругость трубопровода.

Результаты и обсуждение

Основное математическое выражение гидравлического удара даётся формулой Жуковского:

или

где: увеличение давления, Па;

плотность жидкости, кг/м³;

скорость распространения волны, м/с;

 изменение скорости потока, м/с;

 высота избыточного давления, возникающая вследствие гидравлического удара, м;

 ускорение свободного падения, 9.81 м/с² [2].

Рисунок 2. Схематическое изображение процесса гидравлического удара

Рисунок демонстрирует волну давления, возникающую в трубопроводной системе при гидравлическом ударе.

Для уменьшения негативного воздействия гидравлического удара применяются следующие инженерные меры:

• Воздушная камера или гидропневматический амортизатор используется для поглощения гидравлического удара и сглаживания изменений давления.

Рисунок 3. Принцип работы воздушной камеры

• Воздушная камера содержит сжатый воздух, который помогает смягчить удар и снизить давление.
• Использование клапанов с плавным закрытием вместо быстро закрывающихся клапанов помогает уменьшить гидравлический удар [7].

Формула для определения времени закрытия клапана:

где:  время закрытия клапана, с;

 длина трубопровода, м;

 скорость распространения волны, м/с).

Байпасная система является важным техническим решением для уменьшения гидравлического удара или снижения избыточного давления в трубопроводной системе. Она представляет собой дополнительную трубу или систему клапанов, установленную параллельно основной линии трубопровода, что позволяет перенаправлять избыточное давление жидкости.

Для предотвращения гидравлического удара устанавливаются дополнительные трубопроводные ответвления (байпас), которые помогают снизить избыточное давление.

Рисунок 4. Принцип работы байпасной системы

Байпасная линия позволяет перераспределить избыточное давление, защищая основную систему.

Основные функции байпасной системы:

Снижение давления – смягчает гидравлический удар, возникающий при резком закрытии насоса или клапанов.

Перенаправление потока – при перегрузке основной линии позволяет жидкости перемещаться по альтернативному маршруту.

Защита насоса – уменьшает воздействие гидравлического удара при включении и выключении насоса.

Балансировка системы – обеспечивает бесперебойную работу гидравлических систем.

Байпасная система реализуется следующими методами:

Дополнительные трубопроводы – перенаправляют избыточное давление по параллельным линиям.

Регулирующие клапаны – автоматически открываются при превышении давления, снижая его колебания.

Гидроаккумуляторы и амортизаторы – регулируют давление жидкости, смягчая ударные нагрузки [6].

Давление, создаваемое центробежным насосом, можно определить с помощью уравнения Эйлера:

где:  напор насоса, м;

 – окружные скорости на входе и выходе рабочего колеса, м/с;

 тангенциальные составляющие абсолютной скорости потока, м/с;

 ускорение свободного падения, 9.81 м/с².

Также давление можно выразить через уравнение Бернулли:

где:  давления в начале и конце потока, Па;

 скорости потока, м/с;

 – высоты столба жидкости, м;

потери напора, м.

Гидравлические потери давления в коммуникациях связаны с трением о стенки напорного трубопровода и локальными сопротивлениями (повороты, арматура, сужения труб) [1].

Формула Дарси-Вейсбаха:

где: потери напора, м;

 коэффициент трения;

 длина трубопровода, м;

 диаметр трубы, м;

 скорость потока, м/с.

Гидравлический удар является значительной проблемой в напорных трубопроводных системах, и его предотвращение требует применения различных инженерных решений. В насосных системах и других гидравлических установках воздушные камеры, клапаны с плавным закрытием и байпасные системы представляют собой эффективные методы защиты [4].

Заключение

Гидравлический удар, возникающий в напорных трубопроводах при запуске центробежных насосов, является опасным переходным процессом, способным вызвать серьёзные повреждения оборудования и трубопроводной сети. В настоящем исследовании проведён анализ физико-математической природы гидравлического удара и предложены расчётные методы на основе формулы Жуковского. Выделены и обоснованы эффективные инженерные меры по снижению давления: использование воздушных камер, байпасных линий, плавно закрывающихся клапанов, а также оптимизация режимов запуска насосов. Моделирование показало, что данные методы позволяют значительно уменьшить амплитуду гидравлических колебаний. Работа обладает высокой научной и практической ценностью, направлена на повышение надёжности, безопасности и долговечности насосных станций. В перспективе планируется внедрение цифрового моделирования и интеллектуальных систем управления для дальнейшего совершенствования процессов.

Список литературы:

1. Гусев В.И. Кавитация в гидравлических системах. – М.: Машиностроение, 1985.
2. Жуковский Н.Е. Теория гидравлического удара. – М.: Наука, 1900.
3. Иванов В.В. Гидравлические процессы в трубопроводах. – СПб.: Политехника, 2005.
4. Патрашев И.М. Влияние кавитации на насосные установки. – Новосибирск: НГТУ, 1999.
5. Соколов А.Ю., Петров В.Н. Гидродинамика насосных систем. – М.: Энергоатомиздат, 2012.
6. Stepanoff A.J. Centrifugal and Axial Flow Pumps. – John Wiley & Sons, 1957.
7. White F.M. Fluid Mechanics. – McGraw-Hill Education, 2011.