Главное управление по строительному проектированию предприятий зданий н сооружений

Всесоюзное объединение Союзвидоканалннмпроект

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии

„В О Д Г Е 0“

РУКОВОДСТВО ПО РАСЧЕТУ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ВОДОВОДОВ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ

Москва

ГОССТРОЙ СССР

ГЛАВНОЙ УПРАВЛЕНИЕ ПО СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРЕДПРИЯТИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ВСЕСОЮЗНОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ СОВЗВОДОКАНАЛПИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, КАНАЛИЗАЦИИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ ВОДГЕО

шрщсщ.

ПО РАСЧЕТУ СРЕДСТВ 8ЩИИ ВОДОВОДОВ

si тшш шва

МОСКВА, 1970 г.

вают" ноток.Волны же повышения давления, распространяющиеся против направления первоначального движения воды, снижают скорость этого движения: они "тормозят" поток. Волны понижения давления действуют противоположным образом: их распространение по направлению первоначального движения приводит к снижению онорости движения воды, распространение в противоположном направлении - к возрастанию ее.

3.Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах и выбои сиеастн защиты

В данной случае рассматриваются гидравлические удары в водоводах, вызываемые "внезапным” выключением насосов вследствие прекращения электропитания при открытых задвижках (затворах) на их напорных линиях.

Прекращение электропитания приводит к сравнительно быстрому снижению числа оборотов насоса, что вызывает уменьшение развиваемого насосом напора и снижение подачи воды. Возникшая у насоса волна понижения давления распространвется по направлению к концевоИ точке водовода, вызывая уменьшение скорости движения воды и снижение давления в водоводе.

Процесс возникающего э водоводе гидравлического удара зависит от скорости движения воды и величины потерь напора в водоводе до выключения, характеристики насоса, инерционности насосного агрегата, наличия обратных клапанов у насосов, длины и профиля водовода, отметки подачи воды, типа присоединения водовода к резервуару (башне), площади зеркала воды i резервуаре ( если вода подается непосредственно в резервуар) или кармане резервуара ( если вода поступает в резервуар черев карман), конструкции и размеров сифона ( если вода поступает в резервуар через сифон). Кроме того процесс удара зависит от принятых мер защиты. Использованием соответствуюаи^ ыоп защиты как понижение, так и повышение давления может быть ограничено любой заданной величиной-. При этом следует учитывать, что мерь защиты должны применяться лишь в тех случаях, когда

10-

эатраты на их осуществление конденсируются уиеньшением стоимости строительства! определяемой снижением расчетных давлений, применительно к которым производится выбор материала и класса прочности труб. Поэтому прежде вемга нужно оценить, какова может быть величина повышения давления при отсутствии мер защиты.

Рассмотрим водовод, схема которого приведена ра рис.2.

Подача воды производится насосом, расположенным в начале водовода ( точка I) в водонапорную башню ( точка 5). Предположим сначала, что потери напора в водоводе малы и ими можно пренебречь ( пьезометрическая линия - линия П). Мала также и инерция насосного агрегата, вследствие чего насос останавливается мгновенно и волна понижения давления мгновенно достигает значения, определяемого формулой (I). При этом могут быть три случая:

I ?тй

Скорость движения воды в водоводе V₀ была сравнительно мала, при остановке насоса уменьшается до нуля (д V= Vо ) и величина падения давления &h* ф< ^6 В этом случае волна понижения давления без отражения в промежуточных точках достигает конца водовода (точка 5).

Если площадь зеркала воды в башне велика и изменением уровня можно пренебречь, то для того, чтобы давление в точке 5 оставалось неизменным необходимо, чтобы отраженная волна у₍ компенсировала подошедшую к Оашне волну понижения давления. Следовательно волна должна быть полной повышения давления, равной по абсолютной величине подошедшей волне понижения давления vf, :

V. = Н\

Распространение этой волны повышения давления по направлению к началу водовода будет сопровождаться восстановлением давления, соответствующего Нет (см.рис.2), т.е. повышением давления на величину Ah =.Согласно формуле (1^а) для повышения давления на &h необходимо, чтобы образовалась скорость движения воды.

Д V^s -яг

направленная от башни.    ^u

л    ,

О

то получим

Д If: £ Ah : i • Л У_о z Vo Следовательно восстановление в водоводе давления вызовет движение воды в обратном направлении с той же скоростью Vo > с которой происходило движение воды в прямом направления до выключения насоса.

При подходе волны повышения давления к обратному клапану, расположенному в начале водовода, эта скорость будет погашена до нуля (aV= Vo ), что в соответствии с формулой (I) вызовет повышение давления на величину

Таким образом,повышение давления сверх статического оказывается равным понижению давления относительно статического, произошедшему при выключении насоса.

2 случай

начальная скорость движения води в водоводе Vo больше, чем в 1-ом случае, но все же недостаточна для того, чтобы

- 12 -

при мгновенной остановке насоса давление в начале водовода упало до нуля. Поэтому при выключении насоса скорость движения воды в начале водовода падает до нуля (a V«Vo ). Величина падения давления составляет в этом случае

дЬ* Ф, ; A-YS- > Mem - Z i

¹    9    (см.рис.2).

Предположим, что в точке 8 (расположенной на отметке Z₉ ) установлен клапан для впуска воздуха (аэрационный клапан), открывающийся при падении давления £0 атмосферного ( т.е. при онижении напора до Z* ).В этом случав волна понижения давления, возниквая р начале водовода, не может беспрепятст-г нно дойти до конца водовода: происходит отражение волны изменения давления в то^че 3. В результате этого на участке водоводв за точкой 8 Оудет распространяться волна понижения давления

VHem-Z,<4>Z

Величина отраженной волны повышения давления    нахо

дится иэ того условия, ч*о при ее суммировании с волной понижения давления напор в точке 3 оказывается равным Z* , т.е.    Нет    ~    ^    *    Z    в

Следовательно

Yi-'ft-lHem-Zjl.'k-'P,

(А )

Волна понижения давления    распространяется    по

направлению первоначального движения воды, а волна повышения давления - прот: в этого направления. Поэтому обе эти волны снижают начальную ск рость Vo движения воды в прямой направлении яа участке до точки 3 до величины

- 13 -

V ^s Ve-j-lfi♦ Ч»|)«    +

Так как

VrV₀-|    Afs    =    V₀-2V_e + -|vf₅ ,-V₀*A»P_s

(B)

Поскольку f₃ < ^    .TO-^rfs    <    Vo

Следовательно скорость V, противоположна no направлению скорости V₀ , т.е. после образования отраженной волны повышения давления    вода начнет двигаться от точки 8 ж

точке I ( см. рис.2).

На участке за точкой 3 распространяется водна понижения давления vf , снижающая начальную скорость Vo до вежичи-

Поскольку Н < Vo , то скорость Vi совпадает по направлению со скоростью V₀ , т.е. на этом участке водовода вода отходит от точки 3 по направлению к баше»

Согласно (Б) и (Г) разность скоростей VJ в в точке 3 оказывается равной:

vv;--v-f-uv*.)*

^W)

Под воздействием разности скоростей в течке 3 образуется

разрыв сплошности потока.

Этот разрыв будет нарастать до тех пор,пока скорость Vt

не окажется меньше скорости V,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение............. I

1. Причины гидравлических ударов................. 2

2. Первичные и отраженные водны изменения давления.» 6

3.Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах ............................................. 9

4. Выбор средств ааотты водоводов от гидравлических

ударов .......................................... 20

5. Подготовка расчетной схемы водовода ............. 26

6. Печать результатов расчета..................•    •••    38

7«Подготовка исходных данных для проведения раочета 42

8.Задание на подготовку перфоленты и на проведение расчета .............................. 65

9 .Инструкция по подготовке перфоленты исходных данных .......................................... 70

10. Инструкция по записи программы на магнитную ленту 72

11. Инструкции по работе за пультом при проведении

расчета ........... 72

Приложения:

1. Таблица I. Исходные данные по массивам Aj и Ag

2. Таблица П. Исходные данные по массиву А₃

3. Таблица Ш. Исходные данные но массиву

4. Таблица ХУ.Исходные данные по массиву А^

5. Таблица У..Исходные данные по массиву A_g, А_?, Ад

6. Таблица У1.Задание на подготовку перфоленты

?•'Гаоляна УХ* Задание    про регенте расчета

Введение

В соответствии с планом работ ВНИИ ВОДГЕО в 1969-1970 г.г. на основе обобщения опыта проектирования средств защиты от гидравлических ударов должно быть разработано Руководство по расчету этих средств с использованием ЭЦВМ.

Целью работы является оказание научно-технической помощи проектным и производственным организациям в освоении расчетов гидравлических ударов, что необходимо для широкого внедрения в практику средств защиты, обеспечивающих уменьшение стоимости строительства водоводов за счет снижения расчетных давлений.

Первым этапом в выполнении этой работы является данное Руководство, предусматривающее использование ЭЦВМ Минск-22 с выполнением расчетов по программе ГУ-7-МИ. Большая часть приводимых в нем материалов может быть использована и при проведении расчетов по другим программам.

По мере отработки новых программ в Руководство будут вносится дополнения, учитывающие их спесифические особенности с тем, чтобы в 1970 г. подготовить новое издание Руководства, предусматривающее использование всех трех программ, которые к этому времени будут ртраоотаиы.

Руководство разработано совместно ВНИЛ ВОДГЕО и ГПИ Союзво-доканалпроект.

Разделы I.-б и 7 написаны Л.Ф.Моыииным (ВИЛЛ ВОДГЕО), разделы 6,8-11 - Л.А.Обуховым (ГИИ Союзводоканьлнроект).

- 2 -

I. Причины гидравлических.ударов

Рассмотрим отсек трубопровода длиною д I ограниченный двумя произвольными сечениями I-I и П-П (рис. 1).

При постоянном (стационарном) режиме подачи воды расход Qj , поступающий в отсек через сечение I-I, равен расходу выходящему через сечение П-П, и количество воды, содержащееся в этом отсеке, остается неизменным.

Постоянный режим работы системы может нарушаться изменением:

а)    отбора воды из сидтемы;

б)    степени открытия задвижек (затворов);

в)    режима работы насоса, которым вода подается в данную систему.

При любом нарушении посгояннои режима работы системы возникает "разбаланс" притока и отто:.а воды в отсеке, примыкающем к тому месту, где произошло с дно из указанных выше изменений. Предположим, что нарушение постоянного режима возникло на границе I-I отсена и вызвало увеличение или уменьшение расхода Q, • До тех пор, пока это нарушение не достигнет границы П-П отсека, расход останется неизменным.Следовательно приток воды Q, не будет равен о-току Чг и за промежуток времени д t , в течение которого нарушение распространится на весь отсек и достигает сечения П-П, масса воды в отсеке изменится на    \    р    -    плотность    жидкооти).

Есл« Q,»lfc ,т.е. приток превышает отгок, то происходит сжатие воды, что приводит к повышению давления. Если Ч|<Чг * т.е. отток превышает приток, то вода расширяется, что приводит к снижению давления.Очевидно, что повышение давления сопровождается расширением труо, ^н/.*ение - ;;х сжатием.

- 3 -

Так как давление при этом изменяется резко, то явление названо " гидравлическим ударом".

Согласно теории гидравлического удара, разработанной Н.В.Жуковским, взаимозависимость между изменением скорости движения воды д V и изменением давления Д h определяется выражением;

_й h;.4-aV    (X)

О

где а м/сек - скорость распространения изменения состояния потока по длине трубопровода ( так называемая скорость распространения волы изменения давления);

^ в 9,81 м/сек² - ускорение силы тяжести.

Скорость а зависит от плотности жидкости, жеоткости труб и наличия в трубопроводе нерастэоренного в жидкости воздуха.

При подаче воды по абсолютно жестким трупам и отсутствии нерастворенного в воде воздуха а ■ 1425 м/сек.

Практически для металлических и железобетонных труб значения а лежат в пределах 300*1300 м/сек, для асбестоцементных труб со стыками на резиновых уплотнителях - в пределах 200*800 м/сек.

Расчеты гидравлического удара в водопроводах рекомендуется, как правило, выполнять для двух расчетных значение а , принимаемых равными;

- для металлических и железобетонных труб - С1тсл »500 м/сек.

0L гг»аж * 1000 ц/сек;

- 4 -

- для асбестоцементных труб со стыками на резиновых уплотнителях - CXmin« 300 м/сек, Птах * 600 ц/сек.

Рекомендация производить расчеты для двух значений связана с тем, что в некоторых случаях уменьшение скорости CL приводит не £ уменьшению, а к увеличению повышения давления при гидравлических ударах ( см. раздел 3 "Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах").

При рассмотрении процесса гидравлического удара необходимо учитывать, что падение давления ограничено, так как давление в трубопроводе не может быть ниже нуля ( точнее - упру-гост! водяных паров). Поэтому при превышении оттока над притоком падение давления ь h не может быть больше величины абсолютного давления до возникновения гидравлического удара.

В результате этого прекращение поступления воды через сечение I-I ( см. рнс.1) не означает, что через промежуток времени обязательно прекратится отток воды через сечение П-П. Может оказаться, что давление в етсеке упадет до предела и это не прекратит оттока вод** из него. Так, например, если до прекращения поступления воды через сечение I-I скорость ее движения в трубопроводе составляла Vo =1 м/сек,избыточное давление было равно 20 м (т.е. абсолютное - 30 м) и скорость распространения волн изменения давления равна а =1000 м/сек, то д h не может превысить 20+10 ** 'JO м и согласно формуле (1^а)

^AV£-a-^ah'^:w-³⁰ = ^М/сек

Следовательно после падения давления на 30 м и снижения скорости на д V =0,3 м/сек отток через сечение П-П будет

5

продолжаться с остаточной скоростью Voem « V₀- flV* i-0,3»0,7 ^м|с*и.

Продолжающийся отток через сечение П-П не будет компенсирован ни за счет притока ( поскольку поступление воды черев сечение I-I прекращено), ни за счет сжатия труб и расширения воды (поскольку давление упало до предела и дальнейшее его снижение невозможно). В результате этого некомпенсированного оттока часть рассматриваемого отсека окажется заполненной не жидкостью, а парами воды и выделевшимоя воздухом, который до снижения давления был растворен в воде. Измерения давления при гидравлических ударах показали, что оно в таких случаях оказывается близким к соответствующему упругости водяных паров. Поэтому приближенно можно считать, что образовавшиеся каверны заполнены только параии воды. Такое предположение приводит к некоторому завышению деличины давления, определяемой расчетом гидравлического удара.

Отток воды через сечение П-П будет продолжаться до тех лор,пока он не прекратится под воздействием внешних сил.Если отсек не горизонтален и сечение Л-П расположено выше сечения 1,то торможение потока будет вызываться силой тяжести. Если же отсек горизонтален или сечение П-П расположено ниже сечения 1-1,то торможение потока начнется лишь пооле торо, как давление в сечении П-П окажется выше давления в сечении I-I.Такое возрастание давления может проивойти в результате подхода к сечению отсаженной волны изменения давления.

2.Первичные и отраженные волны изменения давления

Волны изменения давления. Возникающие в результате нарушения постоянного режима поступления воды в трубопровод или отбора воды из него (а также при открытии или закрытии задвижек, установленных на трубопроводе) называются первичными волнами изменения давления. Если нарушение постоянного режима возникло в начале водовода, то эти волны распространяются по направлению к его концу, если в конце - по направлению к началу.Если нарушение возникло в промежуточной точке ( изменился отбор воды,изменилась степець открытия затвора),то первичные волны изменения давления распространяются в обе стороны - как по направлению к началу, так и пг направлению к концу трубопровода.При подходе прямых волн к начальной я концевой точкам водовода, а также к промежуточным по длине точкам,в которых изменяются условия течения жидкости, возникают отраженные волны изменения давления.Такими промежуточными по длине водовода точками могут быть места иоменения диаметра труб, отборы воды, места присоединения к трубопроводу резервуаров и пневматических котлов, места установки клапанов для впуска воздуха,обратных клапанов и др.Отраженные волны с той же скоростью а как и прямые волны,также распространяются по трубопроводу.При подходе к местам, в которых возникли первичные волны, они взаимодействуют с ними и изменяют их значение.

Особо следует отметить отраженные волны, возникновение которых связано с гидравлическими сопротивлениями трубопровода, потерями напора в нем.

В качестве расчетной может бкть принята схема,предусматриваемая, что гидравлическое сопротивление груб сконцентриро-

- 7 -

вано в "диафрагмах⁰.расположенных в нескольких точках по длине водовода.Тогда отраженные водны изменение давления будут возникать в местах установки диафрагм.

Разделение волн изменения давления на первичные и отраженные введено лишь для того, чтобы рассмотреть существо процесса гидравлического удара. При выполнении же расчета этого процесса такое подразделение волн изменения давления не нужно. С точки зрения техники выполнения расчета как первичные следует рассматривать волны изменения давления, подошедшие к данной точке, и как вторичные - новые значения волн,определяемые в зависимости от условий их отражения.Этими условиями могут быть постоянство давления(о?ражение от постоянного уровня воды), постоянство расхода, в частности, равенство его нулю (отражение от закрытых задвижек), заданная зависимость давления от расхода (скорости движения) воды (отражение от насоса, точки отбора,резервуара с изменяющимся уровнем воды) или зависимость расхода (скорости движения воды) от перепада давления (диафрагма-сопротивление, предохранительный клапан,частично закрытая задвижка и др.).

Для упфрядочения подсчетов волны изменения давления, распространяющиеся по направлению первоначального движения воды, обозначены ^ , в обратном направлении - у ,волнам повышения давления придан знак "плюс”, волнаи понижения давления - знак "минус".

Следует отметить, что волны повышениг давления, распро-стуанйк&исс*: ас направлен «г перпокачальгогг движевшя воды, вызываю: увеличение скорости Этого движения: они " подтелки-