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 H потр - величина, численно равная пьезометрической высоте в начальном сечении трубопровода. Если потребный напор задан, то его принято называть располагаемым напором H расп. 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 (α 1 =α 2). После сокращения скоростных напоров получим

где z 1 , z 2 - координаты центров тяжести соответственно начального и конечного сечений;

p 1 , p 2 - давления в соответственно начальном и конечном сечениях трубопровода;

Суммарные потери напора в трубопроводе.

Отсюда потребный напор

, (5.1)

Как видно из полученной формулы, потребный напор складывается из суммарной геометрической высоты Δz = z 2 – z 1 , 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 .

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

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 l экв) суммарные потери

,

где l расч = l + l экв - расчетная длина трубопровода.

Следовательно, при ламинарном режиме т = 1, .

При турбулентном течении жидкости

.

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

. (5.3)

Тогда при турбулентном режиме , а показатель степени m = 2. При этом следует помнить, что в общем случае коэффициент потерь на трение по длине 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 H потр 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 Re к p = 2300 с его фактическим значением, которое для труб круглого сечения может быть вычислено по формуле

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 Н ст может быть как положительным (жидкость подается на некоторую высоту Δz или в конечном сечении существует избыточное давление p 2), 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 Q кр, соответствующее Re к p =2300, и отмечаем его на оси расходов (ось абсцисс). Очевидно, что для всех расходов, расположенных левее Q кр, в трубопроводе будет ламинарный режим течения, а для расходов, расположенных правее Q кр, - турбулентный.

2-й этап. Рассчитываем значения потребного напора Н 1 и Н 2 при расходе в трубопроводе, равном Q кр, соответственно предполагая, что Н 1 - результат расчета при ламинарном режиме течения, а Н 2 - при турбулентном.

3-й этап. Строим характеристику потребного напора для ламинарного режима течения (для расходов, меньших Q кр). 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 Q к p ). Во всех случаях получается криволинейная характеристика, близкая к параболе второй степени.

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

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

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

Сравнение формул (5.5) и (5.2) позволяет заключить, что характеристика трубопровода отличается от характеристики потребного напора отсутствием статического напора H ст, а при H ст = 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 ) складывается из потерь напора в каждом простом трубопроводе ( , , ), т.е. для последовательного соединения справедлива следующая система уравнений:

(5.6)

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

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

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 , и ) 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 Q 1 , Q 2 и Q 3 в параллельных ветвях.

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

; ; ,

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 Q 1 , Q 2 и Q 3 распределяются между ними так, что потери остаются равными.

Таким образом, система уравнений для параллельного соединения имеет вид

(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 ). По этой горизонтали графически суммируют отрезки (расходы Q 1 , Q 2 и Q 3), 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 () сложного трубопровода. Вначале складываются характеристики трубопроводов и по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов, а затем характеристика параллельного соединения складывается с характеристикой по правилу сложения характеристик последовательно соединенных трубопроводов и получается характеристика всего сложного трубопровода .

Имея построенный таким образом график (см. рисунок 5.3, е ) для сложного трубопровода, можно достаточно просто по известному значению расхода Q 1 , поступающего в гидросистему, определить потребный напор H потр = для всего сложного трубопровода, расходы Q 2 и Q 3 в параллельных ветвях, а также потери напора , и 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 Н н называется полная механическая энергия, переданная насосом единице веса жидкости. Таким образом, для определения Н н необходимо оценить приращение полной удельной энергии жидкости при прохождении ее через насос, т.е.

, (5.9)

где Н вх , Н вых - удельная 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 p 0 в другой резервуар Б, в котором давление р 3 . Высота расположения насоса относительно нижнего уровня жидкости H 1 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 Н 2 называется высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным, или гидролинией нагнетания.

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

, (5.10)

где - потери напора во всасывающем трубопроводе.

Уравнение (5.10) является основным для расчета всасывающих трубопроводов. Давление p 0 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:

. (5.11)

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

, (5.12)

где - потери напора в напорном трубопроводе.

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

Как следует из уравнения (5.13), напор насоса H н обеспечивает подъем жидкости на высоту (Н 1 +H 2), повышение давления с р 0 до p 3 и расходуется на преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах.

Если в правой части уравнения (5.13) обозначить H ст и заменить на KQ m , то получим H н = H cr + KQ m .

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

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 (или характеристики трубопровода ) и характеристики насоса . 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 H н, создаваемый насосом, и расход Q н 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 Δp уд. 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 Δp уд, называется ударной волной.

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

Но такое состояние не является равновесным. Под действием повышенного давления (р 0 + Δ p уд) 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 p 0 (см. рисунке 7.5, в ).

Жидкость и стенки трубы возвращаются к начальному состоянию, соответствующему давлению p 0 . Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость , 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 Δp уд). 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 (р 0 + Δ p уд), меньшим, чем в резервуаре. На рисунке 7.5, ж показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью .

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 Δp уд. В результате проведенных исследований Н.Е.Жуковский получил аналитические зависимости, позволяющие оценить ударное давление Δp уд. Одна из этих формул, получившая имя Н.Е.Жуковского, имеет вид

где скорость распространения ударной волны с определяется по формуле

,

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 t закр меньше фазы гидравлического удара t 0:

где l - длина трубы.

Фаза гидравлического удара t 0 - это время, за которое ударная волна движется от крана к резервуару и возвращается обратно. При t закр > t 0 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.

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 .

1. Определим необходимый напор H , обеспечивающий заданный расход Q при известных размерах трубопровода l и d . Для этого составим уравнение Бернулли относительно сечений 1-1 и 2-2. Принимая, что V 1 = V 2 и р 1 = р = р 2 = р атм , получим z 1 = z 2 +h w ,

Рис. 3.19 отсюда H = z 1 – z 2 = h w .

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

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

. (3.119)

Тогда исходный расход найдётся из выражения

. (3.120)

3. Определим диаметр трубопровода d тр 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 . Искомый диаметр трубопровода d тр 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.

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.

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.

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.

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 Т 3 << T . Время пробега ударной волны от задвижки к напорному резервуару и обратно называется продолжительностью фазы гидравлического удара или временем цикла.

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

, (3.122)

где V - величина потерянной скорости.

Скорость распространения ударной волны так же определяется по формуле Жуковского:

, (3.123)

где Е 0 – 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

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 Т 3 > T . В этом случае повышение давления может быть посчитано по формуле

. (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.

Гидравлический расчет трубопроводов.

Различают простые и сложные трубопроводы.

Простой трубопровод - трубопровод постоянного сечения , имеющий в своем составе “n ” местных сопротивлений.

Сложный трубопровод - комбинация простых трубопроводов, соединенных последовательно, параллельно, разветвленно.

Гидравлический расчет включает в себя определение одного из следующих трех параметров при заданных двух остальных:

1). Задано d, Q определить напор H потр =?

2). Задано Н, d определить Q=?

3). Задано Н, Q определить d=?

Расчет простого трубопровода.

Для перемещения (транспорта) жидкостей и газов применяют трубопроводы, изготовленные из разных материалов: стали, чугуна, бетона, пласт­массы, асбестоцемента и др. Трубопроводы бывают напорные и без­напорные, короткие и длинные, простые и сложные.

Пропускная способность напорных трубопроводов существенно зависит от потерь напора по длине и в местных сопротивлениях (стыках, арматуре и т. п.).

Трубопроводы малой длины и с большим числом местных со­противлений, потери напора в которых превышают 10% потерь на­пора но длине (коммуникации насосных станций, лабораторий, маслопроводы и др.), называют короткими.

К длинным относят трубопроводы большой протяженности, в которых потери напора на преодоление местных сопротивлений не­значительны (не более 10% потерь напора по длине).

Трубопроводы из труб одного или нескольких диаметров без ответвлений и без раздачи расхода по пути движения жидкости на­зывают простыми.

Трубопроводы из сети труб различного диаметра с магистраль­ными линиями и с ответвлениями (тупиковые, кольцевые) называют сложными.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ

Гидравлический расчет трубопроводов позволяет решать три основные задачи:

1) определять необходимый напор для пропуска известного рас­хода воды при заданном диаметре труб;

2) определять пропускную способность труб заданного диаметра при известных потерях напора;

3) определять сечение трубопроводов при заданных расходах воды и потерях напора.

Потери напора в трубопроводе слагаются из потерь на трение по длине и потерь на преодоление местных сопротивлений, т. е.

(1.104)

Потери напора по длине трубопроводов опреде­ляют по формуле Дарси-Вейсбаха:

где λ - коэффициент сопротивления трения по длине l ;

d p - расчетный внутренний диаметр труб, м;

υ - средняя скорость движения жидкости, м/с;

R - гидравлический радиус.

Если для круглой трубы определить скорость движения жид­кости

то потери напора по длине можно вычислить по формуле

где - удельное сопротивление, т. е. сопротивление 1 м трубопровода.

Сопротивление по всей длине l трубопровода составит и тогда

Потери напора на единицу длины трубопровода называют гид­равлическим уклоном i т. е.

(1.108)

Коэффициент сопротивления λ при движении воды в новых и бывших в эксплуатации трубопроводах из различных материалов определяют по зависимостям, полученным во ВНИИ ВОДГЕО д-ром техн. наук Ф. А. Шевелевым:

для новых стальных труб

для стальных чугунных труб, бывших в эксплуатации

При гидравлических расчетах водопроводных труб удельное сопротивление можно подсчитать по формуле, составленной с учетом увеличения коэффициента λ вследствие возрастания шероховато­сти стенок труб во время их эксплуатации в результате коррозии или образования отложений:

(1.109)

Эта формула справедлива при скорости движения воды υ ≥ 1,2 м/с. При меньших скоростях в значения удельных сопротивле­ний вводится поправочный коэффициент К п на неквадратичность зависимости потерь напора от средней скорости движения жидкости. Тогда формулы (1.106) и (1.107) приобретают такой вид:

(1.110)

Значения поправочного коэффициента К n изменяются от 1 до 1,4 при изменении скорости от 1,2 до 0,2 м/с. Поправочный коэффи­циент определяют по формуле

Потери напора на преодоление местных сопротивле­ний определяют по формуле

(1.111)

По аналогии с формулой (1.106) можно записать

При расчетах трубопроводов местные потери можно выразить в виде потерь напора на трение по эквивалентной длине. При этом h M = h M Э т. е. или , откуда

Рассматривается равномерное напорное движение жидкости в круглой трубе. При равномерном движении форма и площадь живого сечения, средняя скорость потока и эпюра скоростей по длине не изменяются. В этих условиях живое сечение характеризуется одним линейным размером – диаметром. Напомним: .

Общая формула для потерь напора по длине имеет вид
.

Для круглых труб
.

Это установленная экспериментально формула Дарси-Вейсбаха . Безразмерный коэффициентназывают коэффициентом гидравлического трения или коэффициентом Дарси. Коэффициент гидравлического трения зависит от относительной шероховатости трубопровода и числаRe.
. Для нахождениясуществуют эмпирические формулы (режимы ламинарный – переходный –турбулентный; область гидравлически гладких труб, доквадратичная область, квадратичная область).

При равномерном движении жидкости средняя скорость потока, не изменяющаяся по длине из формулы
равна
. Обозначим
.

Коэффициент называют коэффициентом Шези. Вспомним, что гидравлический уклон
и получимформулу Шези для средней скорости при равномерном движении

, где
.

Потери напора по длине с учетом коэффициента Шези
.

Коэффициент Шези в отличие от безразмерного коэффициента Дарси имеет размерность
. В справочниках приводятся таблицы значений коэффициента Шези для трубопроводов различного диаметра и различной шероховатости. Существует много эмпирических формул для расчета коэффициента Шези.

Зная формулу для средней скорости потока получим формулу Шези для расхода при равномерном движении
.

При расчете трубопровода обычно составляют уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Пренебрегая местными потерями и скоростными напорами, получаем
.

Вспомним, что гидравлический уклон
, откуда
. Подставим найденное значение гидравлического уклона в формулу Шези для скорости потока

. Решаем уравнение относительно напора
. Заметим на будущее, что напор пропорционален квадрату скорости.

Запишем формулу Шези для расхода при равномерном движении
.

Объединим параметры, зависящие от диаметра трубопровода, представим их виде так называемой расходной характеристики трубопровода (модуля расхода)
.

Расходная характеристика
представляет собой расход в данной трубе при гидравлическом уклоне, равном единице.

Тогда расход
, напор
.

При этом расход и расходная характеристика
должны быть выражены в одних и тех же единицах. В таблицах для гидравлических расчетов приводятся значения расходной характеристики
для трубопроводов различного диаметра с различной относительной шероховатостью. На этой основе производится расчет трубопроводов «с использованием таблиц».

Получим значение
расчетным путем. Гидравлический уклон равен 1, значит потери равны длине
. Потери по длине
. Отсюда
.

;
.

В квадратичной области турбулентного режима

Замечание. При равномерном движении гидравлический и пьезометрический уклоны равны. Пренебрегая скоростным напором, получим, что линия полного напора и пьезометрическая лини совпадают.

Классификация трубопроводов

Простой трубопровод – трубопровод, не имеющий ответвлений и состоящий из труб одинакового диаметра, выполненных из одного материала.

Приведем два примера простых трубопроводов.

Движение жидкости в трубе обусловлено напором
, равным разности напоров в резурвуаре-питателе и приемнике или разности напоров в резервуаре питателе и в струе на выходе из трубы, если резервуар-приемник отсутствует. Если указанная разность напоров не изменяется во времени, то движение установившееся. Мы рассматриваем расчет только трубопроводов с установившимся движением.

Потери напора в трубопроводе можно рассматривать как сумму потерь на трение по длине трубопровода и потерь в местных сопротивлениях
.

По соотношению потерь по длине и в местных сопротивлениях в общей величине потерь трубопроводы делятся на гидравлически короткие и гидравлически длинные.

В гидравлически длинном (или просто длинном)трубопроводе потери напора по длине настолько превышают местные потери (и скоростной напор), что местные потери не вычисляют, а принимают как некоторую часть потерь по длине.

Практически при расчете длинных трубопроводов находят потери напора по длине , а затем суммарные местные потери напора учитывают, увеличивая найденное значениена
%.
.

В гидравлически коротком трубопроводе потери напора по длине и местные потери сопоставимы по значению. При гидравлическом расчете коротких трубопроводов учитывают как местные потери напора, так и потери по длине, а в балансе напоров учитывают скоростные напоры в сечениях потока.

Трубопровод называют простым, если он не имеет ответвлений. Простые трубопроводы соединяют в последовательные, параллельные или разветвленные линии. Сложные трубопроводы содержат как последовательные, так и параллельные соединения или разветвления.

Жидкость движется по трубопроводу, если ее энергия в начале трубопровода больше, чем в конце. Этот перепад уровней энергии может быть создан либо работой насоса, либо разностью уровней жидкости в начальном и конечном сечениях трубопровода, либо давлением газа (в пневматических системах).

Под гидравлическим расчетом понимают определение параметров движения жидкости при заданной схеме трубопровода с известными конструкционными элементами, либо определение размеров трубопровода, обеспечивающих необходимые параметры движения жидкости.

Простой трубопровод постоянного сечения:

Рассмотрим простой трубопровод длиной l , постоянного диаметра d , который содержит ряд местных сопротивлений. Скорость потока в начальном и концевом сечениях одинакова.

Уравнение Бернулли для сечений 1 и 2 имеет вид:

.

Вводя обозначения:

× - потребный (располагаемый) напор;

× - статический напор;

× - потери напора,

, (1.52)

что потребный напор складывается из статического напора (геометрической высоты, на которую поднимается жидкость в процессе движения и пьезометрической высоты в конце трубопровода) и суммы всех потерь напора в трубопроводе.

Потери напора определяют как сумму всех потерь в местных сопротивлениях и потерь, связанных с трением при движении жидкости

, (1.53)

где - средняя скорость движения среды по трубопроводу; Q - объемный расход жидкости; S - площадь поперечного сечения трубопровода.

При анализе систем используют графики зависимости потребного напора от расхода [H потр =f (Q )], которые называют кривыми потребного напора , либо графики зависимости суммарной потери напора от расхода [Sh=f (Q )], которые называют характеристиками трубопровода . Характеристика трубопровода - это кривая потребного напора, смещенная в начало координат.

Сифонный трубопровод:

Сифонный трубопровод (сифон) представляет собой короткий трубопровод, движение в котором происходит самотеком по всей его длине, включая участки, расположенные выше уровня жидкости питающего резервуара.

Движение жидкости в сифоне происходит под действием атмосферного давления при наличии вакуума в самой верхней точке трубопровода. Поэтому для поднятия жидкости на некоторую высоту или для переливания ее в приемный резервуар необходимо создать в сифоне разряжение (вакуум). С этой целью сифон предварительно заполняют переливаемой жидкостью или откачивают из него воздух при помощи вакуум-насосов .

Гидравлический расчет сифонов заключается в определении расхода жидкости и предельной величины возвышения трубопровода над уровнем жидкости в расходном баке, при котором этот расход обеспечивается.

Расход жидкости, переливаемой сифоном, равен:

где S - площадь поперечного сечения трубопровода; H - разность уровней жидкости в резервуарах; l - коэффициент потерь на трение; l и d - длина и диаметр сифонного трубопровода, соответственно.

Допустимая высота наивысшей точки сифона определяется из уравнения Бернулли , которое записывают для точек, находящихся на свободной поверхности питающего резервуара и в наивысшем удаленном сечении сифона

При скорости перемещения свободной поверхности жидкости в питающем резервуаре близкой к нулю и коэффициенте кинетической энергии равном единице, получим

.

Соединения простых трубопроводов

Последовательное соединение нескольких простых трубопроводов различного диаметра дает простой трубопровод переменного сечения.

Рис. 1.5. Последовательное соединение трубопроводов

а - схема трубопровода; б - характеристика трубопровода

При подаче жидкости по такому трубопроводу расход во всех последовательно соединенных трубах один и тот же. Полная потеря напора между начальным и конечным сечениями равна сумме потерь напора во всех последовательно соединенных трубах. Для трубопровода, изображенного на рис. 1.5, получим следующие уравнения:

Эти уравнения определяют правило построения характеристик последовательного соединения труб. При известных характеристиках трубопроводов 1, 2 и 3, для получения характеристики их последовательного соединения (участка между сечениями Н и К ) следует сложить потери напора при одинаковых расходах, т.е. сложить ординаты всех трех кривых при одних и тех же значениях, выбранных на оси абсцисс.

В начальном и конечном сечениях рассматриваемого трубопровода скорости движения жидкости различны. Поэтому выражение потребного напора для всего трубопровода должно содержать разности скоростных напоров в крайних сечениях.

.

Параллельное соединение нескольких простых трубопроводов показано на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Параллельное соединение трубопроводов

а - схема трубопровода; б - характеристика трубопровода

Обозначим полные напоры в точках Н и К соответственно через H Н и H К, расход в основной магистрали (до разветвления и после слияния) - Q , а в параллельных трубопроводах через Q 1 , Q 2 , и Q 3 ; суммарные потери напора в этих трубопроводах через Sh 1 , Sh 2 и Sh 3 .

Расход в основной магистрали связан с расходами в параллельных трубопроводах следующим очевидным уравнением

Потери напора в каждом из трубопроводов представляют собой разность напоров в точках Н и К

Из этого следует, что потери напора в параллельных трубопроводах равны между собой

.

Используя уравнение, связывающее расходы в магистральном и параллельных трубопроводах, равенство потерь напора в них, а также соотношения для расчета простых трубопроводов, получим число уравнений, достаточное для определения сопротивлений параллельных вервей и расходов в них.

Из вышесказанного следуют правило построения характеристики параллельного соединения нескольких трубопроводов: суммарная характеристика получается в результате сложения абсцисс характеристик отдельных трубопроводов (Q i ) при одинаковых ординатах (Sh ).

Изложенные соотношения для параллельных трубопроводов справедливы и в том случае, когда трубопроводы не сходятся в одной точке, а подают жидкость в различные места, но с одинаковыми давлениями и равными уровнями. Если последнее условие не соблюдается, то рассматриваемые трубопроводы нельзя читать параллельными, а следует отнести к разряду разветвленных.

Разветвленное соединение - это совокупность нескольких простых трубопроводов, имеющих одно общее сечение - место разветвления (или смыкания) труб. Рассмотрим основной трубопровод, который в точке М разделяется на несколько трубопроводов, имеющих различные размеры, местные сопротивления, уровни и давления в концевых точках. Найдем связь между давлением в точке М и расходами в ответвлениях, считая направления течения в них заданными.

Рис. 1.7. Разветвленный трубопровод

а - схема трубопровода; б - кривые потребного напора

Запишем, пренебрегая динамическими напорами, уравнения Бернулли для каждого из ответвлений, начинающихся в точке М

Так же как и для параллельных трубопроводов,

Таким образом, получаем систему четырех уравнений достаточную для определения неизвестных величин: Q 1 , Q 2 , Q 3 и H м.

Построение кривой потребного напора для разветвленного трубопровода выполняют сложением кривых потребных напоров для ветвей по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов - сложением абсцисс (Q ) при одинаковых ординатах (H м). Из графика (рис. 1.7, б) видно, что условием подачи жидкости во все ветви является превышение напора в точке разветвления над наибольшим статическим напором в ответвлениях.

Сложный трубопровод состоит из простых трубопроводов с последовательным и параллельным их соединением или с разветвлениями.

При расчетах сложных трубопроводов их разбивают на простые участки, участки с разветвлениями и параллельными трубопроводами и, идя от конечных точек сложного трубопровода к начальной его точке, т.е. против течения, последовательно производят расчеты по приведенным выше уравнениям.

Для сложных кольцевых трубопроводов (системы смежных замкнутых контуров с отборами жидкости в узловых точках или непрерывной раздачей ее на отдельных участках) используют два основных условия:

Баланс расходов, т.е. равенство притока и оттока жидкости для каждой узловой точки;

Баланс напоров, т.е. равенство нулю алгебраической суммы потерь напора для каждого контура при подсчете по направлению движения часовой стрелки. Потери напора считают положительными, если направление подсчета совпадает с направлением движения жидкости, и отрицательными, если направление подсчета противоположно направлению движения жидкости.

Трубопроводы с насосной подачей жидкости

В машиностроении основным является способ принудительной подачи жидкости насосом. Рассмотрим совместную работу насоса с трубопроводом и принцип расчета таких систем.

Рис. 1.8. Трубопровод с насосной подачей

Трубопровод с насосной подачей может быть разомкнутым, когда жидкость перекачивается из одной емкости в другую или замкнутым, в котором циркулирует одно и то же количество жидкости.

На рис. 1.8, а представлен разомкнутый трубопровод, по которому жидкость перекачивается насосом из нижнего резервуара с давлением p 0 в другой резервуар с давлением p 3 . Высоту расположения оси насоса относительно нижнего уровня z 1 называют геометрической высотой всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, всасывающим трубопроводом (линией всасывания). Высоту расположения верхнего уровня жидкости z 2 , называют геометрической высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным (линией нагнетания).

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

.

Данное уравнение является основным для расчета всасывающих трубопроводов. Оно показывает, что процесс всасывания, т.е. подъем жидкости на высоту z 1 , сообщение ей кинетической энергии и преодоление всех гидравлических сопротивлений происходит за счет использования (с помощью насоса) давления p 0 . Так как это давление обычно бывает весьма ограниченным, то расходовать его надо так, чтобы перед входом в насос остался некоторый запас давления p 1 , необходимый для его нормальной бескавитационной работы.

Уравнение Бернулли для движения жидкости по напорному трубопроводу, т.е. для сечений 2 и 3

.

Левая часть уравнения представляет собой энергию жидкости на выходе из насоса, отнесенную к единице веса.

Энергия потока перед входом в насос может быть вычислена из уравнения всасывающего трубопровода

.

Приращение энергии каждой единицей веса жидкости в насосе называют напором, создаваемым насосом H нас. Он равен

где - разность уровней жидкости в расходном и приемном баках.

Сравнения полученной формулы с зависимостью для определения потребного напора позволяет сформулировать правило: при установившемся течении жидкости в трубопроводе насос развивает напор, равный потребному

На этом правиле основывается метод расчета трубопроводов, питаемых насосом, заключающийся в определении точки пересечения характеристики насоса и кривой потребного напора трубопровода. Эта точка получила название рабочей точки .

Для замкнутого трубопровода (рис. 1.8, б ) геометрическая высота подъема жидкости равна нулю (Dz= 0), следовательно, при равенстве скоростей на входе и выходе из насоса (V 1 =V 2)

,

т.е. между потребным напором и напором, создаваемым насосом, справедливо то же равенство.

Замкнутый трубопровод обязательно должен иметь расширительный, или компенсационный бачок, соединенный с одним из сечений трубопровода, чаще всего со стороны всасывания насоса, где давление имеет минимальное значение. Он служит для компенсации утечек и предотвращения колебания давления в системе, связанных с изменением температуры.

При наличии расширительного бачка, присоединенного в соответствии с рис. 1.8, б , давление на входе в насос определится из выражения: