Гидравлический удар в трубах: и вред, и польза
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) |
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 с 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
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 |
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.
 Рис.1 |
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
- Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах / Доклад / Труды Российских водопроводных съездов, ІV-й РВС, 4–11 апреля, 1899 г., в г. Одессе. – М: Тов. «Кушнарев и К°», 1901. – С. 78-173.
- Водоснабжение и водоотведение: Энциклопедия / Сост.: В.В.Кобзарь, А.В.Кобзарь, под ред. А.Е.Попова. – К: Логос, 2002. – С.71.
- Трембовельский Д.Н. О простейшем способе водоснабжения гидравлическим тараном / Доклад / Труды Российских водопроводных съездов, V-й РВС, 18-25 марта, 1901 г., в г. Киеве. – М: Тов. «Кушнарев и К°», 1902. – С.404-411.
