УДК 626.83
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОДОВОЗДУШНЫХ БАКОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ НЕДОПУСТИМОГО ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ
,
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Использование водовоздушных баков в напорных системах водоподачи в качестве средства защиты от гидравлического удара известно достаточно давно. Имеется относительно много способов их расчета. Есть методы, дающие возможность обосновать влияние водовоздушных баков на переходные процессы при автоматической работе насосных станций. Однако нет точных методов определения параметров самих водовоздушных баков.
Водовоздушные баки (ВВБ) – это стальные сосуды, установленные на трубопроводе и заполненные в верхней части воздухом примерно на 1/3 при статическом давлении. ВВБ устанавливают обычно вертикально в начале напорного трубопровода и соединяются с ним посредством соединительной линии. Они успешно гасят гидравлические удары и не допускают вакуума вблизи мест их установки. При гидравлическом ударе, сопровождающемся повышением давления, часть воды из трубопровода по соединительной линии втекает в бак и сжимает находящийся там воздух, при этом давление снижается за счет амортизирующих свойств воздуха. При понижении давления в процессе гидравлического удара воздух в баке расширяется, и часть воды из ВВБ вытекает в трубопровод, заполняет возможные разрывы сплошности потока, не допуская в трубах образования вакуума и последующего значительного повышения давления. Таким образом, воздух в ВВБ служит упругим элементом, компенсирующим изменение объема жидкости в трубопроводе.
Для решения задач, связанных с изменением режима работы насосных станций закрытых оросительных систем, наиболее пригодна методика расчета переходных процессов, разработанная на кафедре Насосы и насосные станции МГУП [1, 2].
Для определения повышения и понижения давления при переходных процессах существует ряд программ на ЭВМ. Это, например, программа , созданная в нашей стране, и американская программа для моделирования гидравлического удара AFT Impulse. Однако эти программы не позволяют полностью выполнить весь расчет.
Для определения параметров водовоздушного бака авторами выполнено прямое интегрирование и совместное решение с помощью программы Matlabe трех дифференциальных уравнений:
уравнение неразрывности потока при наличии водовоздушной емкости
, (1)
где 
и 
– неизвестные функции (напор и скорость движения воды); 
– координата, м;
– время, с; 
– скорость распространения ударных волн, м/с; 
– ускорение свободного падения, м/с2;
уравнение неустановившегося движения жидкости
, (2)
где 
– диаметр трубопровода, м; 
– коэффициент сопротивления на трение по длине трубопровода;
уравнение, выражающее закон изменения объема воздуха при изменении давления в водовоздушной емкости
, (3)
где 
– площадь поперечного сечения трубопровода, м2; 
– длина трубопровода, м;
– атмосферное давление, м; 
– расчетный напор в трубопроводе, м; 
– суммарный коэффициент сопротивления трубопровода.
В результате численного интегрирования были получены два графика, которые показаны на рисунке. При их составлении предлагался изотермический закон изменения объема воздуха, поскольку воздух имеет сравнительно малую теплоемкость и все время соприкасается с водой, температура которой примерно постоянна.
График зависимостей 
и 
.
Для определения параметров ВВБ нужно провести следующие расчеты.
1. Определить максимальное относительное превышение напора над статическим уровнем , который равняется
, (4)
где 
– абсолютный максимально допустимый напор в трубопроводе, 
; 
- абсолютный статический напор при нулевой скорости течения воды в трубопроводе, м.
2. Определить объем воздуха при статическом давлении, который равен
, (5)
где – площадь поперечного сечения трубопровода, м2; – длина трубопровода, м; 
– скорость установившегося течения жидкости, м/с; – абсолютный статический напор при нулевой скорости течения воде в трубопроводе, м; 
– коэффициент, зависящий от (рисунке).
3. Определить объем ВВБ, который должен быть примерно на 30% больше 
, тогда
. (6)
4. Как известно, гидравлический удар протекает в виде волнового процесса, сопровождающегося периодами повышения и снижения напора. Поэтому необходима проверка достаточности объема ВВБ по условиям расширения в нем воздуха при снижении напора. При недостаточном объеме ВВБ во время понижения напора часть воздуха попадает в трубопровод и будет безвозвратно потеряна, а образовавшиеся в трубопроводе воздушные скопления создадут трудности при его эксплуатации. Для проведения такой проверки необходимо определить (– минимальное относительное превышение напора над статическим уровнем, зависящее от ) при известном значении по графику на рисунке.
5. Определить минимальный напор, который может возникнуть в ВВБ, в таком случае он равен
. (7)
6. Определить объем ВВБ при расширении объем воздуха, который равен
, (8)
при этом должно сохраняться условие 
, где объем ВВБ (
) определен по условиям повышения напора.
7. Если указанное условие в п. 6 не выполняется, то принимаем
. (9)
8. Отношение высоты ВВБ к его диаметру принимается равным 1,5…2.
Для проверки достоверности определения параметров ВВБ по вышеприведенным формулам был проведен ряд расчетов для 10 насосных станций в Сирии. Результаты полностью совпадали.
Выводы
1. Для определения параметров водовоздушного бака можно использовать вышеизложенные формулы.
2. Отношение между высотой бака и его диаметром должно равняться 1,5…2.
3. Расстояние от насосных агрегатов до водовоздушного бака не должно быть меньше 50d (где d – диаметр напорного трубопровода).
Библиографический список
1. Бегляров надежности и эффективности работы закрытых оросительных систем. М.: МГУП. 19с.
2. Вишневский процессы в напорных системах водоподачи. М.: Агропромиздат. 19с.
3. , , Татура защита закрытых оросительных систем. М.: Колос. 19с.
