Содержание к диссертации
Введение
1. Основные положения и современное состояние теории переходных процессов в напорных системах водоподачи 13
1.1. Причины возникновения переходных процессов в напорных системах водоподачи 13
1.2. Обзор состояния вопроса использования различных моделей переходных процессов в напорных системах 21
1.3. Гидравлические сопротивления при неустановившемся движении жидкости в трубопроводах 24
1.4. Скорость распространения волн 26
1.5. Кавитационные разрывы сплошности потока 29
1.6. Механические и электрические переходные процессы 33
1.7. Начальные и краевые условия 35
1.8. Методы решений уравнений, описывающих переходные процессы в напорных системах 38
Выводы по главе 1 40
2. Мероприятия по снижению давления в напорных системах водоподачи 41
Выводы по главе 2 53
3. Особенности расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи 56
3.1. Уравнения, описывающие переходные процессы 56
3.2. Методика расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи 61
Выводы по главе 3 70
4. Алгоритм расчета и реализующие его программы 71
4.1. Расчетно-теоретические исследования переходных процессов в ЗОС,
связанных со сбросом воды через ПСУ 71
4.2. Расчетно-теоретические исследования переходных процессов на протяженных водоводах крупных диаметров с учетом установки КВЗВ и разрывных мембран 78
4.3. Расчетно-теоретические исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи с несколькими последовательно работающими насосными станциями 87
4.4. Методика расчета переходных процессов в напорных системах
водоподачи при установке резервуаров для впуска воды 96
Выводы по главе 4 105
5. Применение разработанной модели для расчетно-теоретических исследований переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями 106
5.1. Влияние момента от трения в опорах обратного клапана на время его закрытия 112
5.2. Влияние гидравлического сопротивления сбросного устройства на изменение давления при переходных процессах .. 122
5.3. Влияние режима закрытия обратного клапана с регулируемым закрытием тарели на протекание переходных процессов 132
5.4. Влияние места присоединения водовоздушного резервуара к напорному трубопроводу и параметров соединительной линии на протекание переходных процессов 138
5.5. Влияние характеристик противоударного сбросного устройства на протекание переходных процессов 142
5.6. Влияние клапанов для впуска и защемления воздуха на протекание переходных процессов 167
5.7. Расчет переходных процессов, возникающих при отключениях насосных станций работающих в каскаде 174
5.8. Влияние резервуаров для впуска воды на протекание переходных процессов 183
Выводы по главе 5 193
6. Методика проведения экспериментальных исследований 194
6.1. Задачи экспериментальных исследований 194
6.2. Методика проведения экспериментальных исследований 195
6.3. Измерительные приборы 197
6.4. Оценка ошибок измерений 201
6.5. Объекты напорных систем водоподачи с насосными станциями для проведения экспериментальных исследований 211
Выводы по главе 6 228
7. Экспериментальные исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи с насосными станциями 229
7.1. Экспериментальные исследования переходных процессов, возникающих при отключениях основных насосных агрегатов 229
7.2. Экспериментальные исследования влияния водовоздушного резервуара на протекание переходных процессов при отключениях основных насосных агрегатов 235
7.3. Экспериментальные исследования по определению возможности сброса воды из напорных линий через насосы для предотвращения недопустимого повышения давления в напорных коммуникациях при отключениях основных насосных агрегатов 243
7.4. Экспериментальные исследования по определению эффективности ограниченного сброса воды из напорных линий через насосы по обводным линиям к обратным клапанам для снижения давления в напорных коммуникациях 249
7.5. Экспериментальные исследования по определению гидравлического сопротивления обводной линии 260
7.6. Экспериментальные исследования по определению скорости распространения волн изменения давления 263
7.7. Экспериментальные исследования по обоснованию применения предохранительных сбросных устройств для защиты трубопроводов оросительных сетей 266
7.8. Экспериментальные исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи с последовательно работающими насосными станциями 272
Выводы по главе 7 276
Заключение
Литература
- Обзор состояния вопроса использования различных моделей переходных процессов в напорных системах
- Методика расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи
- Расчетно-теоретические исследования переходных процессов на протяженных водоводах крупных диаметров с учетом установки КВЗВ и разрывных мембран
- Влияние гидравлического сопротивления сбросного устройства на изменение давления при переходных процессах
Введение к работе
Актуальность проблемы Создание современных водохозяйственных систем, сопровождается появлением новых технических решений, усложнением конструкций отдельных их элементов и, как следствие, увеличением затрат труда и средств на их проектирование, возведение и последующую эксплуатацию Отмеченное подтверждается тем, что сходные по назначению гидротехнические сооружения, расположенные в различных регионах, существенно отличаются как размерами затрат на их проектирование и строительство, так и результатами их эффективного использования С другой стороны, выдвигаются требования по сокращению сроков строительства данных объектов, а главное - повышению эффективности сельскохозяйственного производства на мелиорированных землях и систем водоснабжения Создание современных водохозяйственных систем нуждается в пересмотре традиционных методических подходов к решению ряда проблем
В мелиоративном строительстве все большее распространение получают закрытые оросительные системы, основными элементами которых являются стационарная или передвижная насосная станция, закрытая оросительная сеть и дождевальная техника. Опыт эксплуатации современных закрытых оросительных систем, показал, что вследствие изменения режимов работы насосных станций и дождевальной техники, в отдельные периоды в трубопроводах возникают резкие колебания давления (гидравлические удары), которые приводят к разрушениям сети, выходу из строя трубопроводной арматуры и насосов
В последнее время в связи с недостаточной мощностью местных водоисточников в практике водоснабжения получило развитие строительство протяженных водоводов крупных диаметров Подобные системы имеются во многих зарубежных странах (Великобритании, США, Франции, ФРГ, Саудовской Аравии и пр)
Одной из наиболее крупных и протяженных в свое время являлась система водоснабжения «Днепр - Донбасс - Харьков». Аналогичные водопроводы имеются и в России в г г Анапе, Владивостоке, Екатеринбурге, Набережных Челнах, в Краснодарском крае, в Московской области и пр В настоящее время осуществляется проектирование Южной водопроводной системы г Москвы и городов Московской области из Приок-ского месторождения подземных вод Общая протяженность ее' водовода около 140 км, диаметр труб - 2000 мм Перечисленные объекты должны отвечать определенным требованиям надежности и экологической безопасности В первую очередь это достигается защитой водоводов от недопустимых повышений давлений, возникающих при гидравлических ударах, вызываемых выключением насосных агрегатов
В тоже время опыт проектирования и эксплуатации подобных объектов выявил ряд особенностей, связанных с защитой систем водоподачи от гидравлических ударов
Повреждения и аварии в напорных системах водоподачи с насосными станциями могут происходить также при переходных процессах, возникающих при пуске насосных агрегатов, которые в соответствии с графиком работы могут осуществляться несколько раз в сутки Хотя к настоящему времени разработаны определенные мероприятия, направленные на предупреждение недопустимых повышений давления при переходных процессах в напорных системах водоподачи с насосными станциями, но пока еще нет достаточных данных, позволяющих обоснованно обеспечивать надежную защиту насосных станций от гидравлического удара, то есть полностью ликвидировать на них опасность возникновения серьезных аварий Поэтому важнейшим и непременным условием дальнейшего развития водохозяйственных систем различного назначения, а также повышения надежности работы их напорных трубопроводов следует считать как создание эффективных средств борьбы с гидравлическими ударами, так и правильный подбор последних, а также рациональную их расстановку на водоводах
Несмотря на накопленный большой опыт строительства и эксплуатации подобных систем, пока еще нет достаточно общих методов расчета переходных процессов, обеспечивающих повышение надежности сооружений и снижение затрат на их эксплуатацию. Сегодня уделяется большое внимание комплексному методу исследований натурным экспериментам на действующих насосных станциях и расчетно-теоретическим исследованиям для научного обоснования проектных решений
Изложенным определяется актуальность темы диссертации
Цель настоящего исследования — разработка научных основ расчетного обоснования, проектирования и безопасной эксплуатации напорных систем водоподачи и практических рекомендаций по защите оборудования и напорных коммуникаций насосных станций от недопустимого повышения давления при переходных процессах для повышения эффективности функционирования различных водохозяйственных систем
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи
обобщить опыт эксплуатации насосных станций и уточнить влияние основных элементов гидротехнического комплекса на режимы работы насосов, их параметрические и функциональные отказы,
создать и апробировать математические модели расчета переходных процессов,
провести натурные исследования переходных процессов в закрытых оросительных системах, возникающих при отключении дождевальной техники, а также при отключении, пуске и регулировании насосных агрегатов с учетом действующих систем защиты,
разработать научное обоснование и сформулировать принципы комплексного подхода к выбору средств защиты напорных водоводов водохозяйственных систем,
осуществить расчетно-теоретические исследования по отключениям насосных агрегатов на насосных станциях закрытых оросительных систем,
провести расчетно-теоретические исследования переходных процессов в закрытых оросительных системах, связанных со сбросом воды через предохранительные сбросные устройства,
осуществить расчетно-теоретические исследования переходных процессов на протяженных водоводах крупных диаметров с учетом установки клапанов для впуска и защемления воздуха и разрывных мембран,
провести расчетно-теоретические исследования переходных процессов в напорных системах водоподачи с несколькими последовательно работающими насосными станциями
Научная новизна результатов диссертационных исследований Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований, представляемые к защите, являются обобщением многолетней работы автора в области научного обоснования путей повышения безопасности напорных систем водоподачи с насосными станциями
Научная новизна полученных натурных результатов заключается в следующем
- созданы математические модели гидравлических переходных процессов в напор
ных системах водоподачи, учитывающие сброс воды через насосные агрегаты по
обводным линиям, а также через предохранительные сбросные устройства и раз
рывные мембраны при увеличении давления сверх заданного,
экспериментально подтверждена необходимость учета запаздывания тарели обратного клапана для определения максимального повышения давления в напорных линиях насосов на насосных станциях закрытых оросительных систем,
разработаны рекомендации по выбору путей ограничения сброса воды из напорных линий через насосы для снижения давления в напорных коммуникациях насосных станций без возникновения реверсивного вращения ротора насосных агрегатов,
экспериментально установлено, что величина скорости распространения волн изменения давления в напорных коммуникациях насосных станций закрытых оросительных систем вследствие скопления в них воздуха значительно меньше, чем аналогичная характеристика в напорных трубопроводах сетей вблизи станций, несмотря на высокое давление в коммуникациях,
установлена возможность определения расчетным способом режима закрытия обратного клапана с регулируемым закрытием тарели, обеспечивающего необходимое снижение давления в напорных коммуникациях при переходных процессах без возникновения недопустимого реверсивного вращения ротора насосного агрегата,
разработана методика расчета переходных процессов, возникающих при отключениях насосных агрегатов на насосных станциях закрытых оросительных систем,
разработано дополнение к методу характеристик, позволяющее проводить расчеты переходных процессов для дождевальной техники и части оросительного трубопровода с более мелкими шагами по координате Ах и времени At,
для возможности практического решения задач, учитывающих сброс воды через разрывные тонколистовые мембраны, разработана методика расчета переходных процессов, позволяющая проводить расчеты с большим количеством противоударной арматуры и при использовании в качестве средства защиты разрывных мембран
Достоверность результатов Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается многократным сопоставлением результатов расчетно-теоретических исследований переходных процессов с данными соответствующих экспериментов, проведенных на действующих насосных станциях с различными подачами воды, напорами, мощностями, диаметрами и длинами напорных трубопроводов, противоударными устройствами Проведенные сопоставления подтвердили высокую надежность предложенных автором теоретических разработок и практических рекомендаций
Практическая ценность Изложенные в диссертации результаты исследований переходных процессов были обобщены и объединены в единый математический программный комплекс, который дает возможность проводить практические расчеты на ЭВМ в условиях работы различных водохозяйственных проектных организаций, что позволило значительно повысить качество проектов насосных станций и сократить сроки их проектирования
Принимаемые на основании результатов расчетов средства для уменьшения колебаний параметров переходных процессов, и, прежде всего давления, в большинстве случаев снижают их в пределах, не требующих проектных решений более дорогих, чем это обусловливается рабочими режимами напорных систем В научных организациях результаты работы неоднократно применялись для расчетно-теоретических исследований напорных систем с насосными станциями
Результаты настоящей диссертационной работы позволили повысить надежность и эффективность эксплуатации насосных станций, и обосновать выбор параметров напорных систем водоподачи за счет учета большого числа определяющих факторов и оптимизации режимов их эксплуатации
Реализация работы Результаты диссертации были использованы в производственных объединениях «Совинтервод» и «Союзводпроект», на насосной станции опытного участка Ерасхаунской базы института почвоведения и агрохимии и на Егвардском
каскаде в Армении, на насосных станциях Моддавия-5, НСП-1, НСП-10, НСП-14 и НСП-23 на Рыбницкой оросительной системе в Молдове, в проекте Южной водопроводной системы г. Москвы и Московской области, в проекте гидроузла «Эль-Баб» в Сирийской Арабской Республике
Материалы настоящих исследований включены в учебники, учебные пособия и методические указания для мелиоративных вузов и факультетов России, а так же в справочную литературу по мелиорации и водному хозяйству, широко используемую проектными и производственными организациями РФ и стран СНГ
Апробация полученных результатов. Диссертация является результатом многолетних исследований автора в области гидравлики напорных систем водоподачи с насосными станциями, выполненных в период с 1978 по 2007 г г
Постановка задач исследований, выбор направлений их решения, как теоретическими, так и экспериментальными методами, анализ и обобщение, приведенных в диссертации результатов, осуществлены лично ее автором
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических международных конференций Московского государственного университета природообустройства, Академии экологии и природопользования по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности, в Дамаском государственном университете Сирийской Арабской Республики, в Московском энергетическом институте (техническом университете) по направлениям гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика
Публикации Основное содержание диссертации изложено в монографии, пособиях, инструкциях, статьях Всего по материалам диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 12 статей в журналах, включенных в перечень ВАК России По отдельным направлениям исследований под руководством автора подготовлены и защищены три кандидатских и одна магистерская диссертации
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, включающего 281 наименование, и приложения Основное содержание работы изложено на 304 страницах, включая 4 таблицы и 146 рисунков
Обзор состояния вопроса использования различных моделей переходных процессов в напорных системах
За рубежом наиболее значительные работы в области теории гидравлического удара выполнены: Л. Алиеви /235-237/, В. Ангусом /238-240/, Л. Бержеро-ЇОМ /241, 242/, Е. Евангелисти /248, 249/, Р. Пармакяном /264/, В. Стритером /270-1121, Д. Фоксом /254,255/, X. Христовым /281/, О. Шнидером /268/.
Переходные процессы возникают в результате изменения режима работы засосных агрегатов и степени открытия трубопроводной арматуры и устройств, івляющихся различными механизмами, поэтому изменения их состояния опреде-іяются также механическими переходными процессами.
Вода подается в напорные системы насосами, которые в большинстве случаев приводятся в действие от электродвигателей, поэтому изменение режима ра-5оты насосных агрегатов связано и с электрическими переходными процессами.
Таким образом, в напорных системах водоподачи наряду с гидравлическими должны учитываться также механические и электрические переходные процессы.
Математическое решение любой физической задачи можно подразделить на гри стадии: постановка задачи или формулировка математической модели; решение сформулированной задачи тем или иным математическим методом; проверка эешения, которая наиболее удачно может быть осуществлена сопоставлением ре-$ультатов расчетов с данными соответствующих экспериментов.
Точность результатов решения зависит от принятой математической модели, гочности исходных данных, принятого метода расчета и округлений при вычислениях.
В первую очередь достоверность результатов решения определяется правильностью принятой математической модели. Упрощение математической моде-ти может привести к искажению результатов решения. Однако излишнее ее усложнение может значительно увеличить время необходимое для решения и во многих случаях не повысит точность результатов расчета.
Таким образом, правильный выбор математической модели является наибо-iee важным этапом в решении физической задачи. Поскольку в напорных системах водоподачи основными следует считать гидравлические переходные процессы, вначале будут рассмотрены уравнения, описывающие неустановившееся дви-кение жидкости в напорных трубопроводах.
Гидравлические сопротивления при неустановившемся движении жидкости в трубопроводах
Очевидно, что пренебрежение потерями напора на трение по длине трубо-троводов значительно упрощает решение задач, связанных с неустановившимся движением воды, однако в отдельных случаях может привести к получению ре-$ультатов решения значительно отличающихся от фактических, а иногда и просто ібсурдньгх. В качестве примера можно привести весьма простой случай гидрав-іического удара, вызываемого мгновенным закрытием задвижки в конце напор-юго трубопровода длиной L, по которому вода подается из резервуара. Если не /читывать потери напора, то результаты будут представлять собой незатухающие трямоугольные импульсы повышения и понижения давления относительно статистического с периодом равным 4L/a.
Очевидно, что фактически давление в трубопроводе через некоторое время зследствие затухания колебаний должно стать равным статическому.
В связи с этим при численных решениях член —L-L— в уравнении (3.2) збычно учитывается. Следует отметить, что значение Л принимается таким же, шк и при стационарных режимах движения воды, то есть расчет сил трения про-зодится в квазистационарной постановке; значение скорости движения воды при этом принимается средним по сечению трубопровода. Фактически гидравлическое сопротивление трубопроводов при неустановившемся движении жидкости этличается от сопротивления при стационарных режимах. Изучением гидравлических сопротивлений при нестационарных процессах движения жидкостей в напорных трубопроводах занимались многие ученые. Известны работы Г.Т. Гасанова, Ю.М. Гризодуба, B.C. Дикаравского /99, 100/, СВ. Денисова /94/, У.Р. Лийва /157/, Т.В. Лунякиной /159/, СБ. Маркова /163/, Г.И. Уіелконяна /173, 174/, А.В. Мовсумова, Г.Д. Розенберга /200/, Брауна /60, 61/, Цейли /246/, Д. Вуда /278, 279/, В. Зилке /115/, Стритера /272/, Д. Суза /92/, Раабе, Колмбоу /265/, Д. Янсена /274/. Некоторые из этих авторов рекомендуют для уточнения решения использовать в расчетах переходных процессов значение Яну для неустановившегося движения жидкости. Использование этих коэффициентов 1ну, полученных на основании результатов экспериментальных данных, может в аекоторых случаях уменьшить расхождение между результатами расчетов и фак-гическими данными. Однако такой подход нельзя считать принципиально вер-зым. При стационарных режимах значение Я соответствует определенной эпюре скоростей, зависящей от режима движения жидкости (ламинарного, турбулентного). При неустановившемся движении жидкости в трубопроводах эпюра скоростей будет все время изменяться и скорости движения жидкости по сечению мо-:ут иметь различные направления. В частности равенство средней скорости нулю ЇЄ будет означать, что движение жидкости отсутствует, и потерь на трение нет. Фактические потери энергии в трубопроводе при неустановившемся движении «идкости будут зависеть не только от скорости, но и от ускорения. В связи с этим следует или принимать в расчетах значение Яну переменным, зависящим как от скорости движения жидкости, так и от ускорения или дополнить уравнение дви-«ения членом, в котором потери энергии являются функцией ускорения.
Для жидкости, обладающей значительной вязкостью, при ламинарном режиме движения решение задачи для нестационарного процесса было получено В. Зилке 115/. Для турбулентного режима решение с учетом изменения гидравлического со-тротивления при неустановившемся движении жидкости в настоящее время нет
Методика расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи
Для решения задач, связанных с изменением режима работы насосных агре-атов, наиболее пригодна методика, разработанная на кафедре «Насосы и насос-ые станции» МГУП /39, 40, 44, 45, 46, 47, 48, 72/.
Этой методикой расчета учитываются все основные факторы, влияющие на ереходные процессы: конфигурация напорной системы водоподачи; длины, диа-[етры и материал трубопроводов, их профили; скорости распространения удар-ых волн в трубопроводах; отборы воды в узлах системы; кавитационные разры-ы сплошности потока, образующиеся в трубопроводах при уменьшении давле-:ия ниже значения предельного вакуума; характеристики насосов, двигателей, рубопроводной арматуры (запорной, предохранительной, специальной противо-дарной); инерция насосных агрегатов.
Для расчета переходных процессов в напорных системах водоподачи была [ринята следующая математическая модель. Уравнения неустановившегося движения воды в трубопроводах использу-этся в виде (3.3) и (3.4). Решение этих уравнений осуществляется по одной из юдификаций метода характеристик. Для расчета использовалась схема с прямо-тольной сеткой.
Трубопроводы схемы напорной системы разбивалась на участки, длины Дх :оторых принимались такими, чтобы время А = Ах/а распространения волн по [юбому участку было бы одним и тем же.
Таким образом, длины расчетных участков Дх должны быть пропорцио-[альны значениям скоростей а трубопроводов. Скорости а распространения волн І трубопроводах системы принимались неизменяющимися при переходных провесах. Фактически значения а уменьшаются при наличии в воде нерастворенного юздуха, что может быть учтено проведением вариантов расчетов со сниженными начениями а.
Условие At — Ах/а в методе характеристик приводит к необходимости при постоянном щаге по времени At округлять длины трубопроводов до 0,5 Ах, но ато использование этого метода имеет много преимуществ.
Прежде всего, это возможность проводить расчеты при резких изменениях [араметров переходных процессов, что, например, характерно для случаев, со-[ровождающихся образованием кавитационных разрывов сплошности потока.
Программы для ЭВМ получаются при использовании условия А = Ах/а; :ак правило, проще: расчет требует меньше затрат машинного времени. Однако [ля некоторых напорных систем для отдельных случаев переходных процессов не бходим расчет с различными шагами Ах и At, поэтому было разработано допол-[ение к методу характеристик, позволяющее выполнять такие расчеты.
Расчет по методике осуществлялся для моментов времени, отличающихся ta At, начиная с t=Q принимаемое за начало переходного процесса до любого за-(анного значения tps. Неизвестные значения напоров Н и скоростей движения оды и в сечениях, примыкающих к расчетной точке і для каждого расчетного юмента времени у, определялись по следующим формулам, в которых использо-іались значения волн р, распространяющиеся по направлению оси координат и ц/ - соответственно против этого направления.
При распространении волн по расчетным участкам учитывались изменение :х величины вследствие гидравлического сопротивления этого участка трубопро-ода на трение. Следует отметить, что при используемой форме записи точка мо-сет быть любой точкой расчетной схемы.
Каждая напорная система может быть представлена состоящей из отдельных рубопроводов и узлов между ними, которые могут быть насосами, изменениями даметра, разветвлениями, отборами воды, трубопроводной арматурой и так далее.
Для описания нестационарных процессов движения воды в трубопроводах, :ак уже указывалось, служат уравнения (3.3) и (3.4). В узлах задается связь между тими уравнениями, которой определяется условия отражения волн (краевые ус-овия). Каждому узлу расчетной схемы присваивался определенный номер. При-[ято, что нумерация начинается с нуля. За нулевой узел наиболее удобно прини-іать насосную станцию или насос. Порядок нумерации почти произволен - выбиралось направление до любого концевого узла сети К и по этому направлению [умеровались все узлы расчетной схемы от 0 до К, затем выбирались следующее управление от любого занумерованного узла до следующего концевого и так да-ее до л-го последнего узла. Номер каждого трубопровода принимался равным юльшему номеру из двух узлов, которые он соединял. Направление движения оды в трубопроводе считалось положительным, если поток направлен от узла с іеньшим номером к узлу с большим номером и наоборот.
Однако, поскольку в качестве исходных данных задаются расходы в узлах, а :е в линиях схемы, то знак расхода определялся программным способом на ЭВМ.
Как уже указывалось, в методике предусмотрена возможность расчета пере-одных процессов с более мелкими шагами Ах и At для отдельных частей схемы :апорной системы водоподачи. Это дополнение позволило учитывать в расчетной хеме каждый насосный агрегат индивидуально, а так же распространение удар-[ых волн в напорных коммуникациях. Это в частности относится к насосным танциям ЗОС, изменение параметров которых при отключении и пуске насосов [роисходит весьма быстро. Длины напорных коммуникаций значительно меньше [ротяженности трубопроводов закрытой оросительной сети.
Расчеты для насосной станции с напорными коммуникациями проводились о значительно более мелкими шагами по координате и времени Ах{ и At{ чем [ля напорного трубопровода, для которого шаги Ахь и Atb, причем Ахь = К Д [ Atb = К Atl (К- целое число). Такое соотношение между шагами лишь весьма [есущественно усложняло расчет переходных процессов. В исходных данных для того задавался узел, в котором при расчетах изменяются шаги по координате и іремени. Для расчета переходных процессов в каждом узле расчетной схемы за-(ается соответствующее граничное условие. Наиболее сложно задание граничных условий для узла «насос» и «насосная ;танция». Для этого узла кроме Н0 и V0 (номер узла 0), которые в этих случа [х означают напор и скорость движения воды в начале напорного трубопровода, [вляются также: расход воды через насос QH ; напор насоса Нн; относительная [астота вращения ротора агрегата (5 = П/TIQ ; момент сопротивления насоса Мн , юмент, развиваемый электродвигателем Мд и т.д. В отдельных случаях неиз ІЄСТНЬІМИ могут быть также расход воды из начала напорного трубопровода или, юступающий в начало трубопровода q и гидравлическое сопротивление напор юй линии насоса Su.
Расчетно-теоретические исследования переходных процессов на протяженных водоводах крупных диаметров с учетом установки КВЗВ и разрывных мембран
Для защиты магистральных водоводов и разветвленных оросительных сетей рименяются описанные выше различные противоударные устройства. Учитывая громные убытки, которые могут вызвать разрывы труб вследствие гидравличе-ких ударов, во многих случаях на оросительных сетях оказывается рациональ-ым наряду с противоударными клапанами, воздушно-гидравлическими колпака-си и другими подобными мероприятиями применять также простейшие аварий-ые предохранительные устройства: разрывные мембраны, клапаны со срезным альцем и др. Их можно устанавливать вблизи насосной станции и в других опас-ых местах. Стоимость установки аварийных устройств, как правило, ничтожна о сравнению с возможным ущербом от ликвидации аварий и снижения урожай-ости. Защита трубопроводов от гидравлических ударов при помощи противо-дарных устройств и аварийных приспособлений называется комбинированной.
Предохранительные разрывные мембраны - это диски, изготовленные из тали, чугуна, титана, никеля, алюминия, меди, бронзы, текстолита и других ма-ериалов. Они разрушаются при давлении воды, превышающем расчетное; при том часть жидкости сбрасывается, и давление в трубопроводе снижается. Их ус-анавливают на отводном трубопроводе между специальными держателями и ;вумя фланцами сразу за постоянно открытой задвижкой. После разрушения іембраньї эту задвижку закрывают только на время замены мембраны. На авто-іатизированньїх насосных станциях задвижка должна быть самозакрывающаяся, гапример с гидроприводом.
Разрушаемые мембраны давно известны из литературы. Однако каких-либо данных об опыте их эксплуатации на водопроводах нет. Это объясняется тем, что [о последнего времени для установки на водоводах рекомендовались мембраны [з хрупких материалов, и в частности из чугуна. Расчет таких мембран затруднителен, поскольку модуль упругости чугуна вследствие его неоднородности точно [е нормирован. Испытания чугунных мембран с кольцевой выемкой также давали азброс результатов в слищком больших и неприемлемых для практики пределах. Гоэтому мембраны на водопроводах, по существу, не использовались, и сведений б их эффективности нет.
В последнее время в химической и нефтехимической промышленности нашли :рименение разрывные мембраны из тонколистовых металлов широкого примене-[ия. Подобные мембраны с успехом могут быть применены для защиты водопро-одных и оросительных систем. Для изготовления их используется лента (фольга) із стали, титана, латуни, меди, никеля, монеля и других металлов и сплавов.
В условиях динамических нагрузок, например при гидравлических ударах, :огда имеет значение скорость срабатывания, рекомендуется применять предва-іительно выпученные мембраны (рис. 4.2). Предварительное выпучивание улуч-иает эксплуатационные характеристики: повышается быстродействие и уменьшатся интервал разрушающего давления, оно позволяет при испытаниях обнаружить и отбраковать дефектные мембраны. Предварительное выпучивание реко-іендуется осуществлять путем нагружения мембран кратковременным статическим давлением, близким к разрушающему (нижнему пределу) на специальных ірессах. Для равномерного зажима мембран при эксплуатации их размещают ме-кду специальными держателями, состоящими из верхнего и нижнего прижимных ;олец (рис. 4.3). На маркировочном хвостовике мембраны указываются диаметр D , материал, максимальная температура среды, пределы разрушающего давле Рис. 4.2. Предварительно выпученная мембрана из тонколистового металла шя и номер мембраны.
Если в трубопроводе возможно вакуумметрическое давление, то под мембра-[ой следует предусмотреть жесткую противовакуумную опору из металла с от-іерстиями, которая по форме должна точно соответствовать мембране. Она пре-[ятствует изгибанию мембраны в обратную сторону, а следовательно, и разруше-[ию ее под воздействием разности атмосферного и вакуумметрического давления. la рисунке 4.5 представлено самозакрывающееся устройство с мембраной, пред-юженное В.И. Водяником (авторское свидетельство 481741). Для возможности долговременной (не менее 0,5... 1 года) эксплуатации мем-ран под давлением должно выдерживаться определенное максимальное отноще-:ие разрушающего давления к рабочему. Это отношение при температуре 20С, :о данным Н. Е. Ольховского составляет: для нержавеющей стали 1,1, для никеля ,05, для меди 1,3 и для алюминия 1,5. Рис. 4.5. Самозакрывающееся устройство с мембраной: - трубопровод; 2 - мембрана; 3 - клапан; 4 - шток; 5 - рычаг; 6 - штифт; 7 - упоры; 8 - пру-шны; 9 - проволочная пружина.
Для выбора средств защиты напорных систем водоподачи от гидравлических ударов необходимо проведение расчетов переходных процессов. Для возможности выполнения расчетов переходных процессов с учетом установки на трубопро-юдах разрывных мембран в существующую методику были внесены соответст-іующие изменения и дополнения.
Методика расчета переходных процессов, связанных со сбросом воды через шрывные мембраны, разрабатывалась для случаев их установки в тупиковой и промежуточных точках. Расчетная схема для мембраны, установленной в тупико-юй точке, приведена на рисунке 4.6 а. Так как точка і, в которой расположена мембрана, является тупиковой, то %-\),о =0 и значения напора и скорости движения в сечении, прилегающем к точ е і со стороны i-l, определяются уравнениями (3.1) и (3.2).
Расчет проводится при следующих условиях: расход через мембрану равен асходу в сечении водовода, примыкающем к точке і со стороны точки i-l; на-:оры в указанных сечениях также равны и напор через мембрану расходуется на греодоление сопротивления мембраны.
Влияние гидравлического сопротивления сбросного устройства на изменение давления при переходных процессах
В большинстве работ по неустановившимся течениям принимается гипотеза вазистационарности; гидравлические сопротивления в неустановившемся режиме одчиняются тем же закономерностям, что и в установившемся.
К настоящему времени имеются теоретические и экспериментальные работы :о. изучению нестационарных процессов, в которых делась попытка определить оэффициент гидравлического сопротивления применительно к неустановивше-гуся движению реальной жидкости.
В результате проведенных исследований, целым рядом авторов было уста-ювлено, что, хотя характеристики гидравлических сопротивлений при устано-іившемся и неустановившемся режимах неидентичны и определение коэффици-нта сопротивления по принятым в гидравлике зависимостям, характеризующим тационарные процессы, допустимо только в первом приближении, при неустановившемся движении в условиях сохранения сплошности потока гидравлические юпротивления изменяются в небольших пределах. В значительно большей степе-га гидравлическое сопротивление может изменяться при образовании кавитаци-жного разрыва сплошности потока. Получение достоверных значений коэффици-:нта гидравлического сопротивления для неустановившегося течения, а следова-ельно, и определение его влияния на величину и характер гидравлического удара ока еще значительно затруднено из-за отсутствия (связано с недостаточной изу-гнностью) теоретически обоснованных и экспериментально проверенных дан-ых о значениях параметров, влияющих на характер неустановившегося движе-ия реальной жидкости. В задачу настоящих исследований входило установить гепень влияния величины гидравлического сопротивления сбросного устройства а изменение давления в напорных линиях насосов при отключениях основных асосных агрегатов при ограниченном сбросе воды через насосы, осуществляе-ом или с помощью специальной трубопроводной арматуры (клапаны с регули-уемым закрытием, автоматически закрывающаяся арматура), или по обводной инии к обратному клапану обычной конструкции (с верхней и с эксцентричной одвеской тарели). Для возможности проведения оценки результатов исследова-ия они сопоставлялись с данными натурных экспериментов, полученными на расхаунской насосной станции. Расчеты переходных процессов проводились с четом использования в качестве сбросного устройства обводной линии, посколь-у при выполнении экспериментов сброс воды из напорных линий насосов осуществлялся аналогичным способом. На рисунках 5.13...5.16 приведены результа-ы расчетов переходных процессов в напорных коммуникациях насосной станции ри сбросе воды по обводной линии с различными значениями коэффициента идравлического сопротивления: в первых трех случаях соответствующими уста-овившемуся движению (стационарному процессу), а в четвертом случае - неус-ановившемуся движению (нестационарному процессу). В третьем случае, на основании проведенных экспериментальных исследова-[ий по определению суммарного коэффициента сопротивления обводной линии глава 7), он был принят равным С0бв. =6,8.
В четвертом примере коэффициент сопротивления обводной линии был при-[ят равным Собв =10,0 (Собв. 1,5-/обв.уст. 1,5-6,8), то есть, с учетом зависимости го от параметров нестационарности.
Сравнивая результаты расчетов для первых трех случаев (рис. 5.13...5.15) с экспериментальными данными, полученными в натурных условиях, было видно, сто фактическое повышение давления в напорной линии основного насоса при гереходном процессе больше расчетных. Как видно из результатов исследований, ипотеза квазистационарности привела к большому расхождению расчетов с экс-іериментом. Однако и в четвертом случае, когда коэффициент сопротивления об-юдной линии был принят соответствующим неустановившемуся движению, ре-ультаты расчета также отличались от экспериментальных данных, хотя отличие то уже было не столь велико (рис. 5.16). Такое расхождение результатов экспе-шментальных и расчетных исследований может быть объяснено возникновением :авитации в обводной линии при сбросе по ней воды. Для обеспечения бескавита-щонного режима обводной линии необходимо, чтобы давление на выходе из нее эвЬ1Х было бы больше минимального давления в потоке, при котором возникает ка-штация - Ркав.. Поскольку часто давление Ркав заменяют на давление насыщенных іаров текущей жидкости Рн, предполагая, что давление внутри каверны равно Рнь :о обводная линия будет работать в бескавитационном режиме при условии Рвых V Проверка возникновения кавитации в обводной линии показала, что при сбросе ю ней воды при переходном процессе имела место кавитация. Следующие расчеты іереходньїх процессов проводились при значениях коэффициента гидравлического юпротивления обводной линии С0бв. от 15,0 до 50,0 (рис. 5.17.. .5.24).
Сопоставление результатов расчетов, проведенных при значениях коэффициен-а гидравлического сопротивления обводной линии fDf5g =(2,2...7,5) Собвуст с экспе иментальными данными показало, что в первых двух случаях при С,обв =(2,2...3,0) обв.уст (Собе =15,0; 20,0) они несколько отличались от результатов эксперимента рис. 5.17 и 5.18), в следующих трех случаях при Сто-е. =(2,7-5,2) Собвуст (С0бв. =25 ; 0,0; 35,0) практически совпадали с ними (рис. 5.19. ..5.21), а в последних примерах Ри С обе. =(6 0 - 7,5) Собв.уст (С обе. =40,0; 45,0; 50,0) были близки к результатам экспе имента (рис. 5.22...5.24). Анализ полученных результатов свидетельствует о том, то изменение гидравлического сопротивления сбросного устройства (в данном лучае обводной линии) оказывает значительное влияние на изменение давления напорных коммуникациях насосных станций при переходных процессах. Потому при рассмотрении переходных процессов, связанных с отключениями ос-[овных насосных агрегатов, эти обстоятельства особенно важно иметь в виду для [олучения действительной картины неустановившегося движения реальной жид-:ости в напорных линиях насосов. Поскольку проведенные исследования показа-[и, что при сбросе воды через насос в сбросном устройстве возможно возникно-;ение и развитие кавитации, приводящее к увеличению его гидравлического со-[ротивления, фактическое повышение давления в напорной линии насоса при пе-юходном процессе может быть больше расчетного. В связи с этим при использо-;ании сброса воды через насосы в качестве защиты напорных коммуникаций на-осных станций ЗОС от гидравлического удара необходимо производить провер-:у на появление в сбросных устройствах кавитации.
Полученные результаты исследования свидетельствуют также о том, что ;брос воды чрез насос по обводной линии является достаточно эффективным :редством защиты напорных коммуникаций насосных станций ЗОС от недопустимого повышения давления при переходных процессах, вызываемых отключе-шями основных насосных агрегатов, даже в случае появления в обводной линии :авитации.
