Снижение величины гидроудара с помощью стабилизатора сдерживающего принципа действия

СНИЖЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ГИДРОУДАРА С ПОМОЩЬЮ СТАБИЛИЗАТОРА СДЕРЖИВАЮЩЕГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

Е.К. Синиченко1, Ф.В. Рекач2, Н.Ш. Хассан2

1Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений, Инженерный факультет 2Кафедра высшей математики, Факультет физико-математических и естественных наук Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

В статье описан расчет неустановившегося движения жидкости при гидроударе со стабилизатором сдерживающего принципа действия.

Ключевые слова: стабилизатор давления, гидроудар.

Проблема борьбы с зонами повышенного давления для протяженных трубопроводных систем, особенно при наличии труб большого диаметра и по сей день стоит достаточно остро. При больших габаритах системы применение воздушных колпаков большого объема экономически нецелесообразно, сбрасывающие устройства не всегда могут применяться вследствие того, что выброс жидкости в атмосферу или резервуар не всегда возможен. Поэтому авторы поставили задачу спроектировать устройство большого объема, которое обеспечивало бы понижение давления в системе в пределах допустимого уровня и одновременно не было бы дорогостоящим.

Рассмотрим стабилизатор сдерживающего принципа действия (ССД) (рис. 1). Он состоит из емкости (проще ее изготовить из трубы) 1, клапана 2, поддерживающего постоянное давление, клапана 3 закрытия емкости и клапана 4 слива жидкости при нулевом давлении в трубопроводе.

ССД работает следующим образом: при превышении давления над рабочим Pw на величину AP открывается клапан 2, и жидкость поступает из трубопровода 5 в трубу 1, причем давление в точке А постоянно и равно Pw + №. При полном заполнении труба 1 закрывается с помощью клапана 3 (действущего по принципу водопроводного бачка), и ССД далее не влияет на неустановившееся движение жидкости. Клапан 4 служит для слива жидкости из емкости 1 в трубопроводную систему при давлении отсутствии давления.

Рис. 1. Стабилизатор сдерживающего принципа действия

Рис. 2. Клапан, поддерживающий постоянное давление

Клапан 2 (рис. 2) работает следующим образом: при повышении давления P поршень 1, преодолевая натяжение пружины 3, поднимается вверх, и жидкость перетекает из трубопроводной системы в ССД через окно 2. Если в ходе испытательного эксперимента выяснится, что поршень срабатывает слишком медленно, то дополнительно к нему можно поставить внизу разрывную

_мембрану 4, а сам поршень изготовить из легкого материала и с небольшими зазорами вдоль боковой поверхности.

Принятые гипотезы:

1) если давление в системе превысит PA = AP + Pw в точке А, то мгновенно устанавливается давление, равное PA;

2) если давление в системе меньше PA, то устройство не работает;

3) при полном заполнении СДД жидкостью устройство прекращает воздействие на неустановившееся движение.

Расчет трубопроводной системы, включающий стабилизатор давления сдерживающего принципа действия проводился численным методом характеристик, описанным в [2]. В качестве основных характеристик потока приняты расход Q = F  v и гидродинамический напор H (выраженный в метрах водяного столба), где F — площадь поперечного сечения трубы (м ), v — средняя по живому сечению скорость потока (м/сек).

Уравнения движения и скорости потока несжимаемой жидкости при этом имеют вид

(

dx

2 Л

gFz + gFH +

Q_

2 F

dQ + — +

dt 2DF

Z Q I Q 1= 0 (м3/сек2),

dQ

Q dH dH c2 ^ n. . .

—— + — +--= 0 (м/сек),

F dx dt gF dx

где g — ускорение свободного падения; z — геометрическая высота; t — время; Z — коэффициент гидравлического трения по длине; D — диаметр трубопровода; c — скорость распространения волн давления.

Численный метод реализован на языке C++ (Frog15), а графическое представление — в среде MAPLE (FrGFAF).

Схема численного расчета представлена на рис. 3.

При установившемся движении жидкость с постоянной скоростью vw ~ 1 м/сек. движется от узла 0 к узлу 3 за счет разности напоров H0 - H3. В определенный момент закрывается задвижка в узле 2, и на участках 1 и 2 возникает колебательный процесс. ССД включается в работу при превышении давления PA.

Синиченко Е.К., Рекач Ф.В., Хассан Н.Ш. Снижение величины гидроудара..

Рис. 3. Схема численного расчета

Пример

Дано: Н0 = 125,5 м, Н3 = 100 м, /1 = 24 900 м, /2 = 100 м, /3 = 100 м, с = 1020 м/сек, йх = йг = й3 = 1 м, гидравлическое сопротивление трубопроводов X = 0,02, ДР = = 0,294 МПа (30 м вод. ст.), РЖ = 0,98 МПа (100 м вод. ст.).

Результаты. Проводилась серия расчетов с различными объемами W ССД и его местоположениями.

Точка Б расположена в 14 940 м от узла О. На рис. 4 показан график изменения давления без стабилизатора (Ж = 0 м ) в точке Б. На рис. 5 показан график изменения давления при Ж = 60 м в точке Б. В точке Б и в узле 1 имеет место максимальное давление для Ж = 0 и Ж = 60.

О 100 200 300 сек

Рис. 4. График изменения давления

3

без стабилизатора

Рис. 5. График изменения давления

3

при № = 60 м

***

з

При увеличении объема стабилизатора начиная с 50 м наблюдается значи-

з

тельное уменьшение давления на участках 1 и 2 (при Ж = 50 м — на 0,5 МПа, при Ж = 60 м3 — на 0,64 МПа, при Ж = 75 м3 — на 0,75 МПа).

На участке 3 уменьшения максимального давления практически не происходит.

При уменьшении /1 и сохранении размера /1 + /2 = 25 000 м, максимальное давление на участке 2 снижается (на 0,74 МПа при Ж = 60 м и /2 = 5000 м), однако участок 2 испытывает высокое давление на протяжении 5000 м.

Участки 2 и 3 при данной схеме должны быть выполнены из более прочного материала (или трубы иметь большую толщину), так как ССД практически не защищает их от гидроудара.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Алышев В.М. Неустановившееся напорное движение многофазной жидкости в напорных системах // Гидравлические исследования каналов, трубопроводов и гидросооружений. — М.: Изд-во МГМИ, 1984.

[2] Рекач Ф.В. Расчет колебаний в круговых цилиндрических оболочках со стабилизатором давления методом характеристик // Строительная механика строительных конструкций и сооружений. — 2010. — № 1. — С. 60—65.

[3] Смирнов Д.Н., Зубов Л.Б. Гидравлический удар в напорных водоводах. — М.: Строй-издат, 1975.

REDUCTION OF WATER HAMMER IN PIPE -LINES STABILIZER OF RESTRICTING WORK PRINCIPLE

F.V. Rekach1, E.K. Sinichenko2, N.Sch. Hassan2

'Department of Hydraulics and Hydraulic Structures Engineering faculty 2Department of Mathematics Faculty of science Peoples' Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419

A model of stabilizer of restricting work principle is described. Analysis of water hammer, depending on its parameters is given.

Key words: pressure stabilizer, water hammer.