Исследование гасителя гидравлических ударов

Приведена схема устройства для защиты от гидравлических ударов с описанием его работы. Проведено математическое моделирование рабочего процесса гасителя гидравлических ударов.

Щербаненко В.В., студент, Оверко В.М., канд. техн. наук, доц., Донецкий национальный технический университет

Приведена схема устройства для защиты от гидравлических ударов с описанием его работы. Проведено математическое моделирование рабочего процесса гасителя гидравлических ударов.

Проблема борьбы с гидравлическими ударами на шахтных водоотливных установках исследуется давно, но не имеет однозначного решения к настоящему времени.

Увеличение мощности и длин трубопроводов водоотливных установок, как и других гидравлических систем, обуславливает увеличение опасности гидравлических ударов, величина которых, в связи с увеличением скоростей потоков в трубах, имеет тенденцию к росту. Гидравлические удары и сопровождающие их волновые процессы часто становятся причиной разрушения трубопроводов, арматуры, поломки насосов или других нарушений нормальной эксплуатации установок.

Наиболее распространенным и универсальным методом искусственного снижения величины гидравлического удара является сброс части транспортируемой жидкости. Вместе с тем существует проблема долговечности клапанной пары, которая подвержена интенсивному износу. Дело в том, что одним из основных требований к устройству защиты от гидроударов является длительность процесса перекрытия сливаемого потока. Так для напорных трубопроводов водоотливных установок глубиной 500 м время перекрытия потока, которое должно быть не менее 5 – 10 периодов гидравлического удара, составляет 8 – 15с. В режиме дросселирования потока отмечается ускоренный износ рабочих поверхностей клапанной пары, что существенно снижает долговечность устройства в целом.

Одним из возможных решений данной проблемы является устройство [1], схема которого приведена на рисунке 1, а описание работы дано ниже.

Рисунок 1 - Схема устройства для защиты от гидравлических ударов.

После включения насосной установки и заполнения трубопровода 1 происходит автоматическая настройка устройства на рабочее давление. Это осуществляется следующим образом. Сначала жидкость воздействует через подводящий патрубок на тарель 2 сливного клапана и одновременно снизу на поршень 6 через трубку 3. Поскольку внутренние полости первоначально заполнены лишь воздухом при атмосферном давлении, подвижные системы, состоящие из тарели 2, поршня 4 и поршня 6 перемещаются вверх. Открывается сливной клапан под тарелью и жидкость начинает заполнять сливную трубу 13 и резервуар 12. При этом часть ее вытекает через отверстия, обозначенные aс и a3. Однако, поскольку сопротивление указанных элементов значительно больше, чем сопротивление сливного клапана, давление в полостях трубы 13 и резервуара 12 растет. При этом воздух, находящийся в резервуаре 12, сжимается и через обратный клапан 11 по трубке 8 поступает в полость над поршнем 6. Когда давление возрастет до величины, например, равной давлению в защищаемом трубопроводе, поршень 6 перемещается вниз и перекрывает отверстие в крышке корпуса 5. Жидкость, поступающая в полость над поршнем 4 по трубке 9, перемещает систему: поршень 4, тарель 2 вниз, последняя входит в контакт с седлом, и сливной клапан закрывается. В дальнейшем жидкость опорожняет внутренние полости трубы 13 и резервуара 12 через отверстие на правом фланце трубы. Однако благодаря наличию обратных клапанов 10 и 11 полости над поршнями 4 и 6 отсечены от атмосферы и давление в них находится на уровне установленного.

При гидравлическом ударе повышенное давление по трубке 3 передается под поршень 6 (давление над поршнем при этом не изменяется). Когда его значение достигает расчетной величины и сила от давления на поршень снизу превосходит силу от давления сжатого воздуха сверху, поршень перемещаются вверх и полость цилиндра 5 через отверстие в крышке соединяется с атмосферой. Под действием давления жидкости на тарель 2 последняя перемещается, открывается сливной клапан, происходят слив жидкости и гашение гидроудара. После снижения давления под поршнем 6, он перемещается вниз и своим нижним торцом перекрывает отверстие в крышке цилиндра. По мере заполнения сливных полостей и роста в них давления жидкость постепенно по трубке 9 через обратный клапан 10 натекает в полость цилиндра 5, перемещая поршень 4 и, соответственно, тарель вниз и перекрывая сливной клапан.

Затем полости трубы 13 и резервуара 12 опорожняются через отверстие в правом фланце трубы и устройство вновь готово к работе.

Возможны два исполнения описанного устройства, основное, когда полости трубы 13 и резервуара 12 имеют объем, достаточный для приема значительного количества транспортируемой жидкости – в этом случае сливной клапан гасителя работает в благоприятном режиме. Второе исполнение может быть применено при невозможности организации значительных объемов на сливе (например, в стесненных габаритах насосной камеры). В этом случае отверстие в правом фланце трубы 13 имеет размер расчетного проходного сечения гасителя, которое значительно больше диаметра сливного клапана, а функции плавного перекрытия потока переходят клапану и определяются гидравлическим сопротивлением трубки 9.

Из выше описанного ясно, что рабочий процесс гасителя может быть рассмотрен как состоящий из трех стадий: настройка на рабочее давление, срабатывание, закрытие клапана после срабатывания. Срабатывание сливного клапана с достаточной для практических расчетов точностью может рассматриваться как дискретный процесс [2]. Условие открытия сливного клапана в этом случае:

где: P - давление в защищаемом трубопроводе (текущее значе-ние); Pm - давление над поршнем 6; S’6, S6 – эффективная площадь поршня 6, соответственно, снизу и сверху.

Настройка на рабочее давление и закрытие клапана после срабатывания близкие по существу процессы. Рассмотрим более подробно процесс закрытия клапана после срабатывания.

Дифференциальное уравнение движения системы поршень – шток – клапан (тарель):

где: m - масса подвижных элементов; x - координата положения; t – время; Pn - давление над поршнем 4; Pk - давление в полости клапана; Sn - площадь поршня 4; S’k - площадь клапана, на которую действует давление Pk; Sk - площадь клапана; Fтр - сила трения.

Анализ подобных уравнений, как правило показывает [2], что инерционными свойствами системы, так же как и силами трения можно пренебречь, тогда уравнение (1) преобразовывается к виду:

Составим так же уравнения, связывающие давления и расходы между различными полостями гасителя:

Здесь Wp - объем резервуара; Wв - объем воздуха в резервуаре, остальные обозначения выполнены по схеме: а – гидравлические сопротивления, умноженные на плотность и ускорение свободного падения; Q – расходы; P - давления. Привязка индексов данных обозначений пояснена на рисунке.

Уравнение (7) предполагает, что процесс сжатия воздуха в резервуаре изотермический, что вполне допустимо [2].

Уравнения (2-9) послужили базой для создания программы расчета процесса закрытия сливного клапана гасителя гидравлических ударов. С ее помощью можно определить основные конструктивные параметры гасителя. Например, расчеты позволяют определить сопротивление трубки ап, которое необходимо выбирать из условия обеспечения достаточно длительного закрытия клапана (не менее 5 периодов гидравлического удара), что исключает возможность генерирования вторичных гидроударов при закрытии клапана. В частности, для условного прохода гасителя диаметром 45 мм для водоотливной установки, имеющей геометрическую высоту 500 м, гидравлическое сопротивление трубки должно быть эквивалентно сопротивлению отверстия с диаметром 0,7 мм.

Список литературы

1. А.С. 1281805 Устройство для гашения гидравлических ударов. Оверко В.М., Поля-ков Л.Л., Королев А.С. и др. Опубл. в БИ №1, 1987

2. Тимошенко Г.М., Оверко В.М. Исследования гасителя гидравлических ударов для шахтных водоотливных установок Киев,1980.-17с. Рукопись депонирована в УкрНИИНТИ.