Сегодня речь пойдет о довольно грозном физическом явлении, которое в гидравлике имеет название гидравлический удар. Такая тема обусловлена, во-первых, бесспорной важностью этого явления во время эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения, во-вторых, именно в этом году исполняется 110-я годовщина разработки теории и методики расчета гидравлических ударов в трубах выдающимся российским ученым Н.Е.Жуковским [ 1 ].

Так что же такое гидравлический удар? По определениям, приведенным в современных литературных источниках  [ 2 ]:

Н. Е. Жуковский (1847–1921)

Гидравлический удар – это резкое, мгновенное (ударное) повышение или понижение давления в напорном трубопроводе, по которому движется жидкость (вода), ввиду резкого изменения во времени скорости ее движения. Например, при мгновенном перекрывании трубопровода запорным устройством, мгновенной остановке насосного агрегата, резком изменении внутреннего размера трубопровода с большого на меньший и т.п. Если резкое увеличение давления в трубопроводе превысит допустимую величину, трубопровод или арматура на нем получат порыв или повреждение.

Явление гидравлического удара в водопроводных трубах было известно  с самого начала эксплуатации напорных трубопроводов. К тому же  на первых водопроводах применяли обычные пробковые краны, которые мгновенно перекрывали поток воды,  что вызывало появление гидроудара. Лишь со временем  стали использовать более плавные, так называемые вентильные краны и винтовые задвижки. Почти каждый город, в котором был централизованный напорный водопровод, страдал от разрушений труб вследствие действия  гидравлического удара. Разработка теории гидравлического удара и создание технических средств борьбы с этим грозным явлением имели большое значение. Нельзя сказать, что гидравлический удар не изучался до Н.Е.Жуковского. Даже в своей итоговой работе по этому вопросу он ссылается на некоторых иностранных и отечественных авторов, которые исследовали гидроудар и сопровождающие его явления. Достаточно вспомнить братьев Монгольфье, швейцарского изобретателя  Э. Аргана или  М. Бультона. Внес свой вклад в эти исследования и профессор Казанского университета И.С.Громека (1851–1889). Но приоритет Н.Е.Жуковского в этом вопросе бесспорен. Именно он, по инициативе руководства московского водопровода, возглавил  проведение в 1897–1898 гг. большого комплекса научных исследований вопроса гидравлического удара на базе Алексеевской водокачки.

Исследования проводились на чугунных трубах диаметром 2, 4 и 6 дюймов, проложенных по поверхности земли на территории водокачки. Они соединялись с трубой главного водовода диаметром 24 дюйма, транспортирующего воду в Москву. При этом с помощью манометров и самописцев изучались  давление и гидродинамика в трубах, распределение давления вдоль труб во время быстрого перекрывания трубопроводов заслонкой в конце.   Выяснилось, что явление гидравлического удара объясняется возникновением и распространением вдоль труб ударных волн, вызванных сжатием воды и деформацией стенок труб. Благодаря исследованиям, выполненным инженерами Алексеевской водокачки: К.П.Карельских, В.В. Ольденбергером и И.Н. Березовским под руководством Н.Е.Жуковского, удалось создать довольно четкую теорию гидравлического удара и найти средства борьбы с этим явлением (использование воздушных колпаков и пружинных клапанов-гасителей давления). Н.Е.Жуковский предложил, в частности, формулу для определения минимального времени необходимого для закрывания запорного устройства, чтобы избежать или снизить эффект гидроудара до минимума:

                                                   Lv

                                          t ≥ ---------,

                                                 75p

где L – длина трубы, сажени;

      v – скорость воды, футы/секунду;

      р –  максимально допустимое давление, атмосферы.

Безусловно, эта формула Жуковского имеет важное практическое значение.

Результаты своих     исследований по изучению явления гидравлического удара Н.Е.Жуковский изложил в  научной работе,  опубликованной в «Записках Императорской Академии Наук» (1898 г.), а также в докладе на ІV-м Российском Водопроводном Съезде (г. Одесса, 1899 г.).  Принимая во внимание  теоретическую и практическую ценность этой работы, в дальнейшем она была выпущена отдельным изданием (1899 г.).

Гаситель гидроудара

В современных трубопроводных сетях все большее предпочтение отдается  полимерным трубам. Следует отметить, что материалы пластмассовых трубопроводов имеют различные характеристики, и по-разному реагируют на гидроудар. Проектировщикам необходимо консультироваться с производителями пластмассовых труб относительно их продукции и способности этих труб выдерживать пики давления, возникающие при гидроударе. Например, полиэтиленовые трубы можно применять для кратковременных волн давления, значительно превышающих проектное давление, поскольку трубы обладают способностью увеличивать прочность  при кратковременных нагрузках. При одинаковых условиях пики давления в полиэтиленовых трубах значительно меньше, чем пики давления в жестких трубах, что объясняется высокой пластичностью полиэтилена. Например, для одной и той же жидкости при одинаковом изменении скорости пик давления в полиэтиленовом трубопроводе приблизительно на 50 % меньше, чем в трубе из поливинилхлорида и на 65 % – из стеклопластика. Однако, если мы имеем дело с трубопроводами, в которых часто или постоянно наблюдается эффект гидроудара, то  необходимо принимать во внимание характеристики усталостной прочности материала пластмассовых труб. Если же в трубопроводе наблюдаются частые циклические пики давления (гидроудары), рабочее давление в системе должно включать и значение скачка давления при гидравлическом ударе.

Все вышесказанное относилось к негативному воздействию гидравлического удара на трубопроводные системы, а также к методам борьбы с этим. Однако явление гидравлического удара может приносить и пользу. Речь пойдет о специальных устройствах – гидравлических таранах, которые применяются для нагнетания воды с применением (утилизацией, как теперь говорят) этого явления (для целей водоснабжения, полива, пожаротушения и др.). Еще 3 ноября 1797 года братья Ж.-М. и Ж.-Э.Монгольфье и  Э. Арган создали действующий образец гидротарана или гидропульсатора, как его еще называли, и оформили на него патент Франции. Немного позже, но в том же 1797 году (13  декабря) английский ученый М. Бультон получил патент на аналогичное устройство. Собственно и Н.Е. Жуковский в своей работе, в выводах, указал на возможность использования явления гидроудара в гидротаранах «нового типа». Принцип работы гидротаранов был следующим (рис. 1). Обязательным условием является наличие постоянного запаса воды в  источнике, из которого осуществляется непрерывный забор воды Q₁ под давлением Р₁ по трубопроводу А  . В конце этого трубопровода размещен гидротаран В с системой клапанов и воздушным колпаком емкостью W.От колпака идет напорное ответвление трубопровода С  с расходом воды Q₂ и давлением Р₂.

Работает гидротаран следующим образом: вода из водоема свободно поступает в трубопровод А через открытый клапан D. Когда расход воды Q₁  достигнет определенной величины, клапан D  быстро закрывается. Происходит гидравлический удар, открывающий клапан Е. При этом вода мгновенно заполняет часть воздушного колпака и по трубопроводу Е поступает в емкость с другим расходом  Q₂ и давлением Р₂. При этом Р₂ > Р₁, а Q₁ > Q₂. Если работу клапанов автоматизировать, то такое устройство будет работать циклично и автоматически, т.е. будет нагнетать воду, утилизируя энергию перепада уровня воды в водоеме.

На стыке ХІХ- ХХ веков разработкой и внедрением применения гидротаранов занимался известный российский техник Д.И.Трембовельский. Он стал автором многих публикаций на эту тему. Его первый печатный труд под названием «Практическое руководство для устройства водопровода в деревне посредством гидравлического тарана» вышел в Москве в 1896 году. О применении гидротаранов Д.И.Трембовельский докладывал на Российских водопроводных съездах (V-й РВС, г. Киев, 1901 г., VII-й РВС, г. Москва и др.). В 1911 году он одним из первых в России применил в городке Цихис-Дзири близ Батуми гидротаран для водоснабжения мандаринового питомника. Позднее им была  разработана серия собственных гидротаранов системы НАТА, турботараны ТГ-1 (1946 г.) и ТГ-2 (1954 г.).

Шло время. За годы всеобщей электрификации о гидротаранах забыли…

В наше время, в преддверии мирового энергетического кризиса следует возродить гидротараны, использующие для водоснабжения возобновляемые источники водной энергии, такие как ГЭС, ГАЭС, водяные мельницы  и др.  Наиболее целесообразно применение этих устройств в горной местности Крыма или Карпат для обеспечения централизованого водообеспечения отдаленных городов и сел.

Действительно, о техническом прогрессе можно сказать: «Новое – это хорошо забытое старое».

Автор: В.В. Кобзарь, инженер                          

Литература