Рис. 1. Принцип действия гидравлического тарана
Рис. 2. Фазы гидравлического удара
Примеров негативных последствий гидравлических ударов в истории достаточно, это иллюстрируют события как прошедших лет (трагедия на Саяно-Шушенской ГЭС), так и настоящего времени — в январе 2014 года в городе Бердске из-за гидроудара в котельной дала течь теплотрасса. Необходимо заранее рассчитывать потенциальные изменения давления в трубопроводе за счет резкого увеличения скорости движения жидкости, так как при превышении показателей может произойти протечка, возникнуть трещина или другой вид разрушения.
Однако гидравлический удар может приносить и пользу — с применением этого явления были сконструированы гидравлические тараны, использующиеся для транспортировки жидкости (рис. 1). Вода из постоянного источника поступает в трубопровод через открытый клапан, который закроется при предельных значениях расхода жидкости. Вызванный тем самым гидравлический удар откроет верхний клапан, и жидкость устремится в сборник.
Попытки решить проблему гидроудара предпринимались еще несколько веков назад, так как большинство населенных пунктов уже тогда обладали развитой водопроводной сетью. Ученым, сформулировавшим принцип этого явления в конце XIX века, был Н. Е. Жуковский. Формула Н. Е. Жуковского гласит:
Δp = ρ(v0 – v1)c,
где Δp — увеличение давления, Па; ρ — плотность жидкости, кг/м3; v0 и v1 — скорости в трубопроводе до и после закрытия, м/с; с — скорость распространения ударной волны, м/с. Отношение скорости ударной волны c, ее длины L и времени распространения τ выражается следующим образом: c = 2 L/τ. Гидравлический удар проходит несколько фаз (рис. 2):
- Заполнение трубы жидкостью.
- Остановка потока за счет препятствия.
- Увеличение давления.
- Максимум давления.
- Обратное движение.
- Окончание сжатия.
- Фаза разряжения.
К факторам, снижающим мощность действия, относятся: эластичность материала трубопровода; наличие внутри него воздуха, который снижает скорость изменения давления; плавное перекрытие рабочей среды. Мягкое перекрытие достигается при использовании шаровых кранов, оснащенных редукторами и приводами.
Червячный редуктор, например, осуществляет передачу и преобразование крутящего момента между двигателем и исполнительным механизмом, ограничивает угол поворота в неполноповоротном устройстве, обеспечивая больший крутящий момент на выходе, увеличенное время закрытия, а также самоторможение при определенных передаточных числах без применения тормозных устройств.
Также распространенным решением являются пневмоприводы, основанные на энергии сжатого воздуха. В зависимости от своего типа пневмопривод может создавать постоянные или переменные крутящие моменты на всем диапазоне вращения выходного вала. Передаточное число зависит от величины давления среды, диаметра поршня и усилия сжатия. Для правильного подбора такого способа управления арматурой необходимо учитывать его тип, давление управляющей магистрали, температуру окружающей среды, время срабатывания, возможное защитное покрытие.
Пневмоприводы классифицируются на: двухпозиционные и многопозиционные; одностороннего и двухстороннего действия; а по техническому исполнению делятся на поршневые, мембранные и струйные. Кроме редуктора и пневмопривода, для управления арматурой могут использоваться гидроприводы, пневмогидроприводы, электрогидроприводы и другие комбинации систем. Выбор устройств, обеспечивающих плавное перекрытие потока рабочей среды, в настоящее время очень широк, а их применение позволит повысить безопасность и безаварийность эксплуатации.
