Файл: Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник.pdf

а в случае, когда местными потерями можно пренебречь,— по фор­ муле

Q = K y ^ j L .

Если сифонный трубопровод представляет собой разветвленный трубопровод (см. рис. 179), питаемый из нескольких источников, гидравлический расчет производится на основании соображений, изложенных в § 70, о расчете разветвленных трубопроводов, и также не представляет особых трудностей.

Следует иметь в виду, что вследствие влияния воздуха, выделяющегося из жидкости и движущегося вместе с ней по сифону в виде мелких пузырьков, потери напора, исчисленные по обычным формулам гидравлики, всегда оказы­ ваются несколько меньше действительных. Поэтому при значительной длине сифонного трубопровода потери напора рекомендуется определять по специаль­ ным формулам как для двухфазной жидкости (смесь жидкости и пузырьков воздуха) или же увеличивать потери напора, вычисленные обычным путем, при­ мерно на 15—20%.

Проверка давления в сифонных трубопроводах также осущест­ вляется по обычным уравнениям гидравлики. Давление в любом сечении, например в сечении х — х (см. рис. 178), может быть опре­ делено путем составления уравнения Бернулли для этого сечения и сечения, совпадающего со свободной поверхностью жидкости в сосуде А . Имеем

или, пренебрегая скоростными напорами ввиду их малости по срав­ нению с другими величинами, получаем

<6-30>

Обязательным является определение давления в наиболее высоко расположенной части сифонного трубопровода, где, как правило, имеет место наибольшее разрежение. Для уменьшения разрежения в указанных сечениях может оказаться целесообразным увеличить сопротивление в нисходящей части сифона, что может быть осуще­ ствлено, например, путем установки задвижки за этими сечениями. При этом следует иметь в виду, что введение задвижки одновременно вызовет некоторое снижение расхода жидкости.

Для определения минимально допустимого давления в каждом отдельном случае необходимо учитывать максимально возможную температуру жидкости, минимальное барометрическое давление в месте сооружения сифона и упругость паров движущейся по си­ фону жидкости в зависимости от температуры.

235

Теоретически для нормальной работы сифонного трубопровода, так же как и всасывающих трубопроводов насосных установок (см. стр. 97), необходимо, чтобы минимальное давление в нем было всегда больше упругости паров жидкости при данной температуре

для воды не менее 0,2—0,3 ата при нормальных температурных усло­ виях. Указанному значению, как это следует из уравнения (6.30), отвечает наибольшая возможная высота расположения наивысшей точки сифона над свободной по­ верхностью жидкости в верхнем сосуде (так называемая высота всасывания), равная примерно 7 м.

Весьма наглядным и удобным для проверки давления в сифоне является графический прием, за­ ключающийся в построении пьезо­ метрической линии.

Пусть, например, дан продоль­ ный профиль сифонного трубопро­ вода одинакового по всей длине диаметра без местных сопротивле­

нии фис. гои;, па своооднои поверхности жидкости в водоемах давление известно и равно атмосферному. Изобразим соответству-

ющие этому давлению пьезометрические напоры —Р а вертикальными

Рё

отрезками Аа — в начале и ВЬ — в конце сифона. Так как в данном случае падение напора вдоль трубопровода происходит по прямой линии (i = const), соединим концы этих отрезков прямой аЪ, кото­ рая и представит собой пьезометрическую линию. Отложим затем в начальном сечении сифона отрезок ааг, соответствующий упругости паров жидкости At, и проведем на этом расстоянии от пьезометри­ ческой линии прямую ахЬ1: параллельную линии аЪ. Из изложен­ ного очевидно, что условие (6.31), необходимое для нормальной работы сифонного трубопровода, будет удовлетворяться только в тех случаях, когда эта вторая прямая не пересечет профиль трубопро­ вода.

§73. КАВИТАЦИЯ

Ка в и т а ц и е й (от латинского слова «кавитас» — полость) называется образование в движущейся жидкости полостей, заполнен­ ных паром или воздухом (газом). Кавитация возникает в тех случаях,

2 3 6

когда давление в каких-либо местах потока снижается настолько, что становится меньше давления насыщения, т. е. давления^-соот­ ветствующего испарению жидкости при данной температуре.

Явление кавитации может наблюдаться, например, в сифонных трубопроводах, где ее появление обусловливается геометрической конфигурацией и принципом действия самого трубопровода, основ­ ной своей частью находящегося под давлением, меньшим чем атмо­ сферное; кавитация может иметь место также и при работе быстро­ ходных гидравлических турбин, центробежных насосов и гребных винтов. В этих случаях причиной кавитации является возникнове­ ние больших местных скоростей, ведущих к понижению давления. Если при этом давление оказывается меньше упругости паров, в соответствующих местах потока начинается бурное испарение жидко­ сти, она начинает кипеть и в ней образуются кавитационные полости, состоящие из пузырьков, заполненных паром. Если затем при даль­ нейшем движении потока давление в нем повышается, происходит конденсация пара, обычно сопровождаемая резким треском, и кави­

незначительно, давление в суженном сечении р2 может оказаться меньше, чем упругость паров. Как показывает опыт, за этим сече­ нием основная масса жидкости движется в виде свободной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью, состоящей из пузырьков пара и жидкости. Дальше в каком-то сечении происхо­ дит внезапное замедление движения и жидкость полностью запол­ няет все сечение. Давление здесь повышается, образовавшиеся ранее пузырьки пара сталкиваются друг с другом и конденсируются.

В современных гидравлических турбинах, центробежных насо­ сах, гребных винтах, обычно работающих при больших числах

237

оборотов, в отдельных местах рабочих лопаток и лопастей созда- * ются очень большие скорости движения жидкости, также благо­ приятствующие возникновению кавитации. Кавитация оказывает очень вредное действие на работу этих установок: вызывает недопу­ стимо большие их колебания, увеличивает потери энергии на трение, т. е. снижает коэффициент полезного действия, и, что наиболее опасно, приводит к разъеданию металла.

Разъедание металла вследствие кавитации — кавитационная кор­ розия металла — обычно наблюдается в тех местах потока, где происходит повышение давления, сопровождающееся столкновением пузырьков пара и его конденсацией.

При этом вследствие мгновенных, быстро чередующихся процес­ сов сжатия отдельных пузырьков здесь возникают оченъ большие местные импульсивные давления (в несколько сотен и даже тысяч атмосфер), приводящие к весьма коротким и интенсивным ударам, разрушающим металл, сначала выкрашивая его зерна с поверхности, а затем быстро распространяясь вглубь. К этим чисто механическим ударным действиям присоединяются часто химические действия на металл выделяющегося из жидкости воздуха, обогащенного кисло­ родом, а в отдельных случаях также и электролитические действия. В результате всех этих явлений, особенно если кавитация длится продолжительное время, происходит разъедание металла, из него выпадают отдельные кусочки, и он принимает на большую глубину губчатую структуру.

С целью предотвратить появление кавитации лопатки и лопасти проектируют в форме слабо изогнутых профилей со скругленными входными и выходными кромками и применяют для их изготовления особые, стойкие против коррозии, материалы (например, стали с до­ бавкой хрома и никеля) с тщательно, по возможности, обработан­ ными поверхностями.

§ 74. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБАХ

Под гидравлическим ударом понимают резкое увеличение давле­ ния в трубопроводах при внезапной остановке движущейся в них жидкости. Гидравлический удар может иметь место, например, при быстром закрытии различных запорных приспособлений, устанавли­ ваемых на трубопроводах (задвижка, кран), внезапной остановке насосов, перекачивающих жидкость, и т. д. Особенно опасен гидра­ влический удар в длинных трубопроводах, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями. В этих слу­ чаях, если не принять соответствующих предупредительных мер, гидравлический удар может привести к повреждению мест соедине­ ний отдельных труб (стыки, фланцы, раструбы), разрыву стенок трубопровода, поломке насосов и т. п.

Для выяснения явлений, происходящих при гидравлическом ударе, рассмотрим горизонтальный трубопровод постоянного диа­ метра, по которому со средней скоростью v движется жидкость.

238

Если быстро закрыть установленную на таком трубопроводе задвиж­ ку, то слой жидкости, находящийся непосредственно у задвижки, должен будет в момент ее закрытия остановиться, а давление — увеличиться (вследствие перехода кинетической энергии в потенци­ альную энергию давления). Так как жидкость сжимаема, то оста­ новка всей ее массы в трубопроводе не происходит мгновенно; гра­ ница объема, включающего в себя остановившуюся жидкость, пере­ мещается вдоль трубопровода с некоторой скоростью с, называемой скоростью распространения волны давления. Рассмотрим (рис. 182) прилежащую к задвижке часть объема

ления Ар. Импульс силы, действовавший в течение АТ , равен ApF АТ; приравнивая его изменению количества движения за это же время, получаем

ApF АТ = рF ASv,

по которой определяется величина повышения давления при гидра­ влическом ударе.

Далее останавливается ближайший к первому — второй слой жидкости, на который давят следующие слои, и т. д. Таким образом, постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непо­ средственно у задвижки, распространяется по всему трубопроводу против течения жидкости со скоростью с.

Если давление в начале трубопровода сохраняется неизменным (как, например, в случае, когда трубопроводом забирается вода из открытого бассейна с большой площадью поверхности), то после достижения ударной волной начального сечения трубы в ней нач­ нется обратное перемещение ударной волны с той же скоростью с, примем это будет уже волна понижения давления. Одновременно в трубе возникает движение жидкости по направлению к начальному сечению. По достижении ударной волной сечения у задвижки давле­ ние здесь снижается и делается меньшим, чем первоначальное давле­ ние до удара; после этого начинается перемещение ударной волны, но уже волны понижения в направлении к началу трубопровода. Циклы повышений и понижений давления будут чередоваться через

23Э