Гідравлічний удар в трубах: і шкода, і користь
Сьогодні мова піде про досить грізне фізичне явище, яке в гідравліці має назву гідравлічний удар. Така тема обумовлена, по-перше, безперечною важливістю цього явища під час експлуатації систем водопостачання та водовідведення, по-друге, саме цього року виповнюється 110-та річниця розробки теорії і методики розрахунку гідравлічних ударів в трубах видатним російським вченим Н.Е.Жуковським [1].
Так що ж таке гідравлічний удар? За визначенням, наведеним в сучасних літературних джерелах [2]:
 М. Є. Жуковський (1847-1921) |
Явище гідравлічного удару у водопровідних трубах було відомо з самого початку експлуатації напірних трубопроводів. До того ж на перших водопроводах застосовували звичайні пробкові крани, які миттєво перекривали потік води, що викликало появу гідроудару. Лише з часом стали використовувати більш плавні, так звані вентильні крани і гвинтові засувки. Майже кожне місто, в якому був централізований напірний водопровід, страждав від руйнувань труб внаслідок дії гідравлічного удару. Розробка теорії гідравлічного удару і створення технічних засобів боротьби з цим грізним явищем мали велике значення. Не можна сказати, що гідравлічний удар не вивчався до М. Є. Жуковського. Навіть у своїй підсумковій роботі з цього питання він посилається на деяких іноземних і вітчизняних авторів, які досліджували гідроудар і супроводжуючі його явища. Досить згадати братів Монгольф'є, швейцарського винахідника Е. Аргана або М. Бультона. Вніс свій внесок у ці дослідження і професор Казанського університету І.С.Громека (1851-1889). Але пріоритет Н.Е.Жуковского в цьому питанні беззаперечний. Саме він, за ініціативою керівництва московського водопроводу, очолив проведення в 1897-1898 рр.. великого комплексу наукових досліджень питання гідравлічного удару на базі Олексіївської водокачки.
Дослідження проводилися на чавунних трубах діаметром 2, 4 і 6 дюймів, прокладених по поверхні землі на території водокачки. Вони з'єднувалися з трубою головного водоводу діаметром 24 дюйми, що транспортує воду в Москву. При цьому за допомогою манометрів і самописців вивчалися тиск і гідродинаміка в трубах, розподіл тиску вздовж труб під час швидкого перекривання трубопроводів заслонкою в кінці. З'ясувалося, що явище гідравлічного удару пояснюється виникненням і поширенням вздовж труб ударних хвиль, викликаних стисненням води і деформацією стінок труб. Завдяки дослідженням, виконаним інженерами Олексіївської водокачки: К.П.Карельскіх, В.В.Ольденбергером і І.М. Березовським під керівництвом М. Є. Жуковського, вдалося створити досить чітку теорію гідравлічного удару і знайти засоби боротьби з цим явищем (використання повітряних ковпаків і пружинних клапанів-гасителів тиску). Н.Е.Жуковский запропонував, зокрема, формулу для визначення мінімального часу необхідного для закривання запірного пристрою, щоб уникнути або знизити ефект гідроудару до мінімуму:
Lv
де L - довжина труби, сажень;
v - швидкість води, фути/секунду;
р - максимально допустимий тиск, атмосфери.
Безумовно, ця формула Жуковського має важливе практичне значення.
Результати своїх досліджень з вивчення явища гідравлічного удару Н.Е.Жуковский виклав у науковій роботі, опублікованій в «Записках Імператорської Академії Наук» (1898 р.), а також у доповіді на ІV-му Російському водопровідному З'їзді (м. Одеса, 1899 г.). Зважаючи на теоретичну і практичну цінність цієї роботи, надалі вона була випущена окремим виданням (1899 р.).
 Гаситель гідроудару |
Все вищесказане відносилося до негативного впливу гідравлічного удару на трубопровідні системи, а також до методів боротьби з цим. Однак явище гідравлічного удару може приносити і користь. Мова піде про спеціальних пристроях - гідравлічних таранів, які застосовуються для нагнітання води із застосуванням (утилізацією, як тепер кажуть) цього явища (для цілей водопостачання, поливу, пожежогасіння тощо). Ще 3 листопада 1797 брати Ж.-М. і Ж.-Е. Монгольфье і Е. Арган створили діючий зразок гідротарана або гідропульсатора, як його ще називали, і оформили на нього патент Франції. Трохи пізніше, але в тому ж 1797 (13 грудня) англійський учений М. Бультон отримав патент на аналогічний пристрій. Власне і Н.Є. Жуковський у своїй роботі, у висновках, вказав на можливість використання явища гідроудару в гідротаранах «нового типу». Принцип роботи гідротаранов був таким (рис. 1). Обов'язковою умовою є наявність постійного запасу води в джерелі, з якого здійснюється безперервний забір води Q1 під тиском Р1 по трубопроводу А. Наприкінці цього трубопроводу розміщений гідротаран В з системою клапанів і повітряним ковпаком ємністю W. Від ковпака йде напірне відгалуження трубопроводу Сз витратою води Q2 і тиском Р2.
 Рис.1 |
Працює гідротаран наступним чином: вода з водойму вільно надходить у трубопровід А через відкритий клапан D. Коли витрата води Q1 досягне певної величини, клапан D швидко закривається. Відбувається гідравлічний удар, що відкриває клапан Е. При цьому вода миттєво заповнює частину повітряного ковпака і по трубопроводу Е надходить в ємність з іншою витратою Q2 і тиском Р2. При цьому Р2>Р1, а Q 1>Q2. Якщо роботу клапанів автоматизувати, то такий пристрій буде працювати циклічно і автоматично, тобто буде нагнітати воду, утилізуючи енергію перепаду рівня води у водоймі.
На стику ХІХ-ХХ століть розробкою і впровадженням застосування гідротаранов займався відомий російський технік Д.І.Трембовельскій. Він став автором багатьох публікацій на цю тему. Його перша друкована праця під назвою «Практичний посібник для влаштування водогону в селі за допомогою гідравлічного тарану» вийшла у Москві в 1896 році. Про застосування гідротаранів Д.І.Трембовельскій доповідав на Російських водопровідних з'їздах (V-й РВС, м. Київ, 1901 р., VII-й РВС, м. Москва та ін.) У 1911 році він одним з перших у Росії застосував в містечку Ціхіс-Дзиро поблизу Батумі гідротаран для водопостачання мандаринового розплідника. Пізніше їм була розроблена серія власних гідротаранів системи НАТА, турботарани ТГ-1 (1946 р.) і ТГ-2 (1954 р.).
Йшов час. За роки загальної електрифікації про гідротаранах забули...
У наш час, напередодні світової енергетичної кризи слід відродити гідротарани, що використовують для водопостачання поновлювані джерела водної енергії, такі як ГЕС, ГАЕС, водяні млини та ін. Найбільш доцільне застосування цих пристроїв в гірській місцевості Криму або Карпат для забезпечення централізованого водозабезпечення віддалених міст і сіл.
Дійсно, про технічний прогрес можна сказати: «Нове - це добре забуте старе».
Автор: В.В. Кобзар, інженер
Література
- Жуковський Н.Є. Про гідравлічні удари у водопровідних трубах /Доповідь/ Праці Російських водопровідних з'їздів, ІV-й РВС, 4-11 квітня, 1899 р., в м. Одесі. - М: Тов. «Кушнарьов і К °», 1901. - С. 78-173.
- Водопостачання та водовідведення: Енциклопедія / Упоряд.: В.В.Кобзарь, А.В.Кобзарь, під ред. А.Е.Попова. - К: Логос, 2002. - С.71.
- Трембовельскій Д.Н. Про найпростішому способі водопостачання гідравлічним тараном / Доповідь / Праці Російських водопровідних з'їздів, V-й РВС, 18-25 березня, 1901 р., у м. Києві. - М: Тов. «Кушнарьов і К °», 1902. - С.404-411.
