Урок 1
Основные понятия и определения гидравлики
Гидравлика - инженерная дисциплина, занимающаяся изучением законов покоя и движения жидкости, ее взаимодействия с твердыми телами.
В современной промышленности нет области, где не проводятся гидравлические расчеты процессов, устройств и механизмов. Крупнейшие гидростанции и оросительные каналы, тормозные устройства автомобилей и искусственное сердце, промышленные роботы и гидропривод машин и механизмов, автоматизированные системы управления производством и гидрооборудование металлообрабатывающих станков - лишь некоторые тому примеры.
Особое значение гидравлика имеет для нефтяной и газовой промышленности, так как все ее процессы, начиная от бурения разведочных скважин и кончая транспортировкой готовой продукции потребителю, связаны с перемещением и хранением жидкости. В развитии нефтяной гидравлики роль русских и советских ученых проявилась особенно ярко.
В настоящее время существуют многочисленные научно-исследовательские, академические и отраслевые институты и лаборатории, в которых ведутся как фундаментальные исследования, так и необходимые для практики научные разработки в области гидравлики. Созданы крупнейшие гидротехнические сооружения: Саяно-Шушенская ГЭС и Каракумский канал. Строятся гидроаккумулирующие и приливные электростанции, Ленинградская защитная дамба *. У нас в стране создаются мощные гидравлические турбины и гидравлические экскаваторы. Широкое развитие получает гидравлический способ добычи угля. Вступили в строй мощные магистральные трубопроводы, транспортирующие нефть и газ из Поволжья и Западной Сибири (Трансъевропейский нефтепровод «Дружба» имеет протяженность 5500 км, а газопровод Петровск-Новопсков-свыше 6000 км). Впервые в мировой практике проложены газопроводы диаметром 1420 мм. Уже к 1987 г. протяженность отечественных магистральных нефтепродуктопроводов достигла 100 тыс., а газопроводов-200 тыс. километров. Широкое применение получает трубопроводный транспорт химических продуктов и сыпучих тел, в том числе угля. Построен аммиакопровод Тольятти-Одесса длиной 2400 км (в США строится углепровод «Коулстрим» протяженностью 3000 км.) Развиваются новые виды транспорта - пневмо- и гидроконтейнерный, позволяющий по трубопроводам транспортировать в специальных контейнерах руду, сельскохозяйственную и промышленную продукцию, промышленные и бытовые отходы. Следовательно, в современном народном хозяйстве гидравлика завоевывает все новые позиции.
Неквалифицированные гидравлические расчеты проектировщиков и эксплуатационников могут привести к экологическим катастрофам.
В бурении неправильное определение требуемой плотности промывочной жидкости может привести к аварийным выбросам при вскрытии нефтегазоносных пластов с последующим фонтанированием углеводородов в атмосферу. Известны случаи, когда ликвидировать фонтан не удавалось месяцами и даже годами.
Та же причина, а также нарушение технологии цементажа скважины может привести к проникновению нефти и газа в водоносные пласты, используемые как источники питьевой воды.
При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также подземных хранилищ газа возможны аварийные разливы нефти и химических реагентов из плохо рассчитанных резервуаров. Ошибки в гидравлических расчетах при закачке газа в газохранилища или при гидроразрыве продуктивных пластов могут привести к разрушению целостности скважин с последующим перетоком газа и нефти в водоносные горизонты или на дневную поверхность, причем, иногда вдали от места аварии.
При эксплуатации газонефтепродуктопроводов не учёт возможности возникновения гидравлического удара или неточности в определении возможного повышения при этом давления могут привести к разрыву труб. В результате трубопровод разрушается, и большие количества углеводородов вытекают через образовавшиеся разрывы и трещины. Известны случаи, когда при этом не только отравлялась окружающая природа, но в результате пожаров и взрывов гибли сотни людей.
Число таких примеров можно было бы продолжить, но и уже ясно, что умение грамотно производить гидравлические расчеты имеет не только производственное, но и природоохранительное значение.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Жидкостями называют физические тела, легко изменяющие свою форму под действием сил самой незначительной величины. В отличие от твердых тел они характеризуются весьма большой подвижностью частиц. Жидкости обладают способностью принимать форму сосуда, в который они налиты. Различают капельные жидкости и газы. Первые представляют собой жидкости, встречающиеся в природе и применяемые в технике: вода, нефть, бензин и т. д. Все капельные жидкости трудно поддаются сжатию. При изменении давления и температуры их объем изменяется незначительно. Газы изменяют свой объем под влиянием указанных факторов в значительной степени. В гидравлике обычно изучают капельные жидкости, которые в дальнейшем для краткости можно называть жидкостями. Газообразные жидкости, их свойства и область применения в основном рассматривают в специальных дисциплинах - термодинамике и газовой динамике.
Однородная жидкость, как и любое физическое тело, состоит из молекул, т.е. имеет прерывную структуру. Однако в гидравлике жидкость рассматривают как среду, непрерывно заполняющую выделенный объем (сплошную среду), что облегчает исследования законов ее покоя и движения.
Различают твердые поверхности, ограничивающие объем жидкости (например, стенки и дно сосудов, в которых заключена жидкость), и свободные поверхности, по которым жидкость граничит с другими жидкостями или газами (например, поверхность соприкасания жидкости с воздухом в открытом сосуде).
Силы, действующие на ограниченный объем жидкости, в гидравлике, как и в теоретической механике, принято делить на внутренние и внешние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия между отдельными частицами рассматриваемого объема жидкости. Внешние силы делят на поверхностные силы, приложенные к поверхностям, которые ограничивают объем жидкости (.например, силы давления, действующие на свободную поверхность, силы реакции стенок и дна сосудов), и объемные силы, которые непрерывно распределены по всему объему жидкости (например, сила тяжести, сила инерции).
Для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и исследований в гидравлике иногда пользуются понятием «идеальная жидкость». Такая жидкость характеризуется абсолютной несжимаемостью, полным отсутствием температурного расширения и не оказывает сопротивления растягивающим и сдвигающим усилиям.
Конечно, идеальная жидкость - жидкость фиктивная, не существующая в действительности. Все реальные, встречающиеся в природе жидкости в той или иной степени характеризуются сжимаемостью, температурным расширением и сопротивлением растяжению. Однако эти показатели ничтожно малы и обычно не учитываются.