ПРИБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
SURF HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к области технической гидравлики и может быть использовано для подъема воды как на акваториях морских, так и водохранилищ в зонах, открытых ветрам, вызывающих образование «нагонной» волны, а именно использующих энергию морской волны.
Известен гидравлический таран, включающий ударный клапан, нагнетательный клапан, воздушный колпак, питающую трубу, нагнетательный трубопровод и приемный резервуар. Через питающую трубу таран соединен с бассейном, расположенным выше отметки тарана, а через нагнетательный трубопровод - с приемным резервуаром (Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Учебник для вузов. - М.: Колос, 2004, стр. 292-293).
Недостатком гидравлического тарана является то, что для его работы необходимо наличие бассейна, расположенного выше горизонта расположения тарана, т.е. необходим определенный запас потенциальной энергии воды, что не позволяет использовать для его работы энергии морской волны в виде «нагонной» волны.
Известен гидравлический таран, содержащий питательную трубу с ударным клапаном, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом и клапаном, сообщающим воздушный колпак с питательной трубой (Авторское свидетельство SU №1173077, кл. F04F 7/02 от 15.08.1985).
Указанное устройство не обеспечивает подъем воды за счет использования энергии морской волны, а именно «нагонной» волны, так как гидравлический удар создается только при постоянном потоке воды в питательной трубе. Кроме того, недостатком известного устройства является несовершенство водоприемного устройства, так как питательная труба не в состоянии направить вес принимаемой воды в питательную трубу за счет того, что не учитывает энергию самой морской волны.
Известно мобильное гидротаранное устройство, содержащее усеченный конус, ударный и нагнетательные клапаны, гидропневматический баллон, питательный трубопровод, посредством нагнетательного клапана сообщенный с гидропневматическим баллоном, и резервуар, при этом  на питательном трубопроводе герметично закреплен диафрагменный узел, диафрагма которого кинематически соединена с поршнем насоса для подачи воды в резервуар, пространство над диафрагмой диафрагменного узла соединено через трубопровод с окружающей средой, а пространство под клапаном ударного клапана соединено с трубопроводом, свободный конец которого расположен выше уровня воды в реке, но ниже уровня воды перед раструбом усеченного конуса (Патент RU №2382912, кл. F04F 7/00 от 27.02.2010).
Недостатком описанного устройства является то, что диафрагма выполнена из эластичного материала, который является гасителем гидравлического удара и уменьшает величину давления в трубопроводе при гидравлическом ударе. Это влечет к снижению высоты подъема жидкости, а следовательно, к уменьшению производительности данного устройства. Другим недостатком является то, что скорости течения в трубопроводе будет недостаточно для осуществления резкого гидроудара, и для поддержания работы устройства необходим большой перепад воды (напор). Следующим недостатком является то, что рычаг, закрепленный на оси, не дает достаточной чувствительности работы привода штока для управления диафрагмой с пружиной, что ведет к резкому возрастанию сил сопротивления и погрешности поддержания перепада (уровня) жидкости в реке, в конечном итоге это связано с насосом. Устройство также требует применения дополнительного воздуха, а также сложно в управлении синхронной работы ударного клапана и насоса - это приводит к ненадежности и неточности определения и регулирования количества жидкости, поступающей в напорную емкость.
Известен гидравлический таран, содержащий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющим круглую форму поперечного сечения равного с ним диаметра, ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, при этом ударный клапан содержит гидравлический привод, механизм управления выполнен в виде дроссельного клапана, ось шарнира клапана расположена в трубопроводе, а нагнетательный клапан имеет седло выше питающего трубопровода и дополнительно содержит камеру с перегородкой, сообщенную с отводящим трубопроводом (Патент RU №2489605, кл. F04F 7/02 от 10. 08.2013).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность из-за гидравлического сопротивления, вызванного поршневым серводвигателем, связанным с рычагом с ударным клапаном; в момент срабатывания ударного клапана происходит заметная инерционность действия, способствующая замедленному поступлению воды не только в воздушный колпак, но и к выпускной части питающего трубопровода в камеру управления, что увеличивает инерционность повторного периода разгона потока и снижает производительность тарана. Другим недостатком является то, что данная конструкция не позволяет использовать энергию морской волны для подъема воды.
Известен также гидравлический таран, содержащий питательную трубу, воздушный колпак, нагнетательный трубопровод, обратный клапан, поплавковый клапан, бетонное основание и аккумулирующую емкость для сбора воды. Конец питательной трубы, обращенный в сторону водной поверхности, выполнен в форме усеченного конуса и служит водоприемным устройством.
При накате волны в полость усеченного конуса питательной трубы он принимает воду и направляет ее в питательную трубу, при движении в которой происходит гидравлический удар, при закрывании поплавкового клапана под действием архимедовой силы. За счет давления гидродинамического удара обратный клапан открывается, вода поступает в воздушный колпак и далее в нагнетательный трубопровод и в аккумулирующую емкость для сбора воды. При снижении давления гидравлического удара до значения давления в воздушном колпаке обратный клапан закрывается, и вода из питательной трубы выливается в водоем. Далее цикл повторяется с каждой новой волной (Патент RU №2218484, кл. F04F 7/02 от 10.12.2003).
Недостатком известного устройства является несовершенство водоприемного устройства, так как усеченный конус не в состоянии направить всю приемную воду в питательную трубу при ударе волны. Существенная часть кинетической энергии волны превращается в энергию давления и расходуется на отражение волны от внутренней поверхности конуса, т.е. на ее движение в сторону водной поверхности.
Технический результат направлен на разработку конструкции водоприемного устройства, обеспечивающей повышение эффективности работы гидравлического тарана за счет максимального использования для нагнетания воды в напорный питательный трубопровод энергии «нагонной» волны в акваториях, открытых ветрам.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем питательную трубу, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом и обратным клапаном, сообщающий воздушный колпак с питательной трубой, поплавковый клапан, один конец питательной трубы размещен у водоема с возможностью ее периодического затопления водой морской волны, другой конец трубы выполнен закрытым, а поплавковый клапан расположен у закрытого конца питательной трубы, таран снабжен водоприемной камерой с отверстием и подпружиненной заслонкой, выполненной с возможностью вертикального перемещения для перекрывания указанного отверстия, напорный трубопровод выполнен в виде магистральной части питательной трубы и соединения трубчатых звеньев в виде перевернутой буквы Т с помещенными П-образными стаканами, вертикальное звено из которых жестко связано с водоприемной камерой, а горизонтальное звено оборудовано на концах обратными клапанами - напорным и всасывающим, и со стороны напорного клапана соединено гибким шлангом с магистральной частью питательной напорной трубы, а со стороны клапана всасывания снабжено щеточным сороудерживающим приспособлением.
Кроме того, водоприемная камера снабжена сороудерживающей решеткой.
Кроме того, водоприемная камера снабжена грузовым якорем и натяжным тросом для регулирования высоты вертикального положения водоприемной камеры в открытой акватории моря или водохранилища.
Следует обратить внимание на напорную питательную трубу, выполненную в виде магистральной части и соединения трубчатых звеньев в виде перевернутой цифры Т с П-образными стаканами и подпружиненной заслонкой в водоприемной камере, а также работу обратных клапанов - напорным и всасывающим на горизонтальном трубчатом звене, т.е. оборудованным обратными клапанами, в сочетании с использованием грузового якоря с тросом, обеспечивающих регулирование высоты вертикального положения водоприемной камеры, позволяет обеспечить необходимое давление в напорной питательной трубе для перекачки забираемой воды в сторону расположения тарана. При этом отпадает необходимость в использовании специализированного оборудования (насос, двигатель и т.п.). Само устройство работает как своего рода насос. Под действием «нагонной» волны, накрывающей водоприемную камеру, ее подпружиненная заслонка перемещается вниз, оказывая давление на объем воды, находящейся в камере. Под действием образовавшегося напора открывается обратный клапан горизонтального трубчатого звена, работающий в режиме напора, и закрывается клапан, работающий в режиме всасывания. В результате вода из водоприемной камеры через соединения трубчатых звеньев в виде перевернутой буквы Т и обратный клапан поступает в магистраль напорной питательной трубы, создавая гидравлический удар в питательной трубе, перемещаясь в сторону закрытого конца питательной трубы. Таким образом, отраженная от обратного клапана в конце питательной трубы волна, обладая кинетической энергией, открывает обратный клапан в воздушном колпаке, сжимает в нем воздух, и вода заполняет колпак.
Таким образом, связь обеспечения возможности изменения комбинаторной зависимости в соответствии с напором «нагонной» волны с водоприемной камеры наполнения и самой работы водоприемной камеры в виде управления в автоматическом режиме с помощью запорных органов, затем вновь подпружиненная заслонка возвращается в свое первоначальное положение, напор в трубопроводной системе падает, клапан, работающий в напорном режиме в месте размещения трубчатых звеньев, перекрывается, а работающий в режиме всасывания открывается, как и открывается плавающий обратный клапан в закрытом конце питательного трубопровода с размещенным воздушным колпаком тарана, поступающая через начальное горизонтальное трубчатое звено вода создает необходимый подпор.
Устройство с подобным выполнением представляет по сути своего рода насос для заполнения питательной трубы для работы тарана, использующей энергию «нагонной» волны, не требует использования специализированного оборудования, что упрощает конструкцию самого устройства для гидравлического тарана и существенно снижает расходы на его эксплуатацию. Позволяет обеспечить высокую надежность и работоспособность и является регулируемым в зависимости от «нагонной» волны с расположением водоприемной камерой наполнения. Все это, в целом, возможно благодаря компактному расположению всего устройства, что также экономит воду, а производительность может быть увеличена в несколько раз и дает возможность использовать энергию морской волны и на водохранилищах, открытых ветрам.
Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции и технологичен в производстве.
На чертеже представлена принципиальная схема продольного разреза прибойного гидравлического тарана.
Прибойный гидравлический таран содержит собственно водоприемную камеру 1, закрепленную на кольцевом поплавке 2 с возможностью периодического заполнения морской «нагонной» волны. Водоприемная камера снабжена подпружиненной заслонкой 3, имеющей возможность вертикальных перемещений. Сверху отверстие в водоприемной камере, перекрываемое заслонкой, защищено сороудерживающей решеткой 4. Концы пружины 5 ориентированы сверху втулкой 6, а снизу - верхним концом вертикального звена 7, являющегося одним из элементов соединения трубчатых звеньев в виде перевернутой буквы Т с П-образными стаканами 8 и 9.
Вертикальное звено жестко соединено с горизонтальным трубчатым звеном 10, оборудованным с обоих концов обратными клапанами 11 и 12, первый из которых работает в режиме напора, а второй - в режиме всасывания. Со стороны напорного клапана горизонтальное трубчатое звено посредством вставки 13 и гибкого шланга 14 соединено с магистральной частью напорной питательной трубы 15, воздушного колпака 16 с нагнетательным трубопроводом 17 с аккумулирующей емкостью 18 и обратным клапаном 19, сообщающим воздушный колпак 16 с питательной трубой 15. Он снабжен поплавковым клапаном 20, который расположен у закрытого конца 21 питательной трубы 15. Питательная труба 15 установлена на бетонном основании 22.
Со стороны клапана 12, работающего в режиме всасывания, горизонтальное трубчатое звено снабжено насадкой 23 со щеточным сороудерживающим приспособлением 24.
Водоприемная камера 1 снабжена грузовым якорем 25, с помощью которого путем натяжения троса 26 регулируется высота вертикального положения водоприемной камеры как на акваториях морских, так и в водохранилищах, открытых ветрам для «нагона» волны.
Прибойный гидравлический таран работает следующим образом.
Устройство тарана в целом устанавливают со стороны господствующих в данном районе водной акватории ветров, вызывающих «нагонную» волну. С помощью грузового якоря 25 и троса 26 устанавливают водоприемную камеру 1 в плавающее положение. Когда «нагонная» волна накрывает водоприемную камеру, ее подпружиненная заслонка 3 перемещается вниз, сжимая пружину 5 и оказывая давление на объем воды, находящийся в камере.
Под действием напора воды открывается обратный клапан 11, работающий в напорном режиме, и перекрывается обратный клапан 12, работающий в режиме всасывания. Вода из водоприемной камеры 1 через вертикальное 7 и горизонтальное 10 звенья трубчатого соединения в виде перевернутой буквы Т с П-образными стаканами 8 и 9 поступает в гибкий шланг 14 и далее в напорную питательную трубу 15 в сторону закрытого торца 20 трубы 15. Находящийся в питательной трубе 15 воздух сжимается потоком воды и выходит через поплавковый клапан 5. Когда уровень воды в питательной трубе поднимается до верхней отметки, клапан 5 закрывается и происходит гидравлический удар. Давление в трубе 15 повышается, и вода поступает через обратный клапан 19 в воздушный колпак 16, сжимая в нем воздух, и поднимается по нагнетательному трубопроводу 17 к аккумулирующей емкости 18.
При откате «нагонной» волны водоприемная камера 1 всплывает на водную поверхность, и ее заслонка 3, не испытывая давления сверху, под действием пружины 5 перемещается вверх, сливая часть воды из камеры в акваторию моря или в водохранилище, а клапан 12 открывается, давая доступ воде в горизонтальное трубчатое звено 10 через насадку 23 с сороудерживающим приспособлением 24. Таким образом, создается необходимый подпор воды в горизонтальном трубчатом звене 10 для последующего цикла нагнетания, когда «нагонная» волна вновь накроет водоприемную камеру.
При закрытии клапана 11 горизонтального трубчатого звена 10 со стороны вставки 13 с гибким шлангом 14, соединенного с питательной трубой 15, и наполнении воздушного колпака 16 водой поплавковый клапан 5 открывается и часть воды, оставшейся без напора в питательной трубе 15, выливается, так как вес клапана 5 увеличивается.
Со следующей «нагонной» волной цикл повторяется. Таран работает автоматически, подавая определенную порцию воды с каждой волной в воздушный колпак 16, который сглаживает изменение скорости нагнетаемой через нагнетательный трубопровод 17 в аккумулирующую емкость 18 воды, обеспечивая сравнительно равномерную подачу. Таран непосредственно в целом, используя устройство с водоприемной камерой, использует кинетическую энергию давления «нагонной» волны на заслонку 3 и наличие вертикального 7 и горизонтального 10 трубчатых звеньев, а также обратных клапанов 11 и 12 для поступления воды вовнутрь питательной трубы 15.
Диаметры вертикального и горизонтального трубчатых звеньев характеризуются их пропускной способностью с работой прибойного гидравлического тарана и их гидравлическим расчетом гидравлики.
При расчетных параметрах тарана объем его водоприемной полости может составлять заданный заранее объем несколько кубометров воды в волне, поступая в водоприемную камеру, далее поступая в питательную трубу и далее в полость тарана, что необходимо для возникновения гидравлического удара.
При изменении естественного уровня воды в акватории морей или в водохранилищах (прилив, отлив, обмеление и т.п.) положение водоприемной камеры по высоте регулируется тросом с использованием грузового якоря.
Именно выполнение гидравлического тарана путем оборудования питающей трубы периодически создаваемого напора в системе «водоприемная камера - напорная питающая труба» с помощью подвижного в вертикальном направлении подпружиненной заслонки, использующей энергию «нагонной» волны, данное устройство не требует использования обязательного специального оборудования (насос с приводом), обеспечивает плавное увеличение скорости воды с минимальными потерями энергии. Далее насос работает в автономном режиме. В результате упрощается конструкция самого тарана и устройства для заполнения водой питающей трубы, повышается эффективность его работы за счет максимального использования кинетической энергии «нагонной» волны. Устройство исключает возможность засорения водоприемной камеры и трубчатых звеньев с перекрываемыми обратными клапанами, исключает засорение камеры тарана и выпускного отверстия, перекрываемого ударным поплавковым клапаном на сброс воды и выпуск воздуха.