ГИДРОТАРАН, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ГИДРОУДАР

Полезная модель относится к гидроэнергетике, в частности, к устройствам для подъема воды, основанных на использовании гидравлического удара, и может быть использовано в гидротранспортных системах и выработке электроэнергии.
В настоящее время известны различные конструкции гидротаранов.
Так, из описания к патенту РФ №2137949 (МПК 6; F04F7/02, опубликован 20.09.1999) известен подводный гидротаран может быть использован в конструкциях средств транспортирования жидкости, основанных на использовании гидравлического удара. Подающая труба с ударным клапаном сообщена с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана и с баком возвратной воды посредством дополнительного нагнетательного клапана. Ударный клапан выполнен в виде двух дисков с совпадающими водопропускными отверстиями, соосно установленных на полом штоке, имеющем щелевидное направляющее отверстие, который размещен в подающей трубе с возможностью возвратно-поступательного движения. Один из дисков закреплен на штоке жестко, а другой установлен с возможностью осевого перемещения и поворота вокруг своей оси. Внутри штока установлен стержень-толкатель с головкой, один конец которого, подпружиненный со стороны штока, выполнен в контакте с поршнем. Поршень размещен в цилиндре, сообщенном с баком возвратной воды посредством питательной линии.
Кроме этого, из патента РФ №38204 (МПК 7: F04F 7/02, опубликован 27.05.2004) известен гидротаран, содержащий подающую трубу с ударным клапаном и сборником жидкости на выходе, диафрагменный насос, рабочая полость которого через обратные клапаны сообщена со сборником жидкости и нагнетательным патрубком, снабженным воздушным колпаком, Г-образный патрубок, установленный в подающей трубе и ориентированный в ней вдоль потока в сторону ударного клапана, при этом диафрагма насоса соосно соединена штоком с дополнительной диафрагмой большей площади, установленной в корпусе, жестко связанным с диафрагменным насосом, причем полость, образованная дополнительной диафрагмой и корпусом, сообщена с Г-образным патрубком.
Недостатками известных на сегодняшний день гидротаранов являются сложность конструкции, сложность монтажа, ограниченные скорости потока в подводящем трубопроводе (до 2-3 м/с), высокие сопротивления трубопровода и потока жидкости и, как следствие, неэффективное использование энергии потока.
Задачей, на решение которой направлено патентуемое решение является создание гидротарана, при работе которого кинетическая энергия гидроудара превращалась бы в статическую энергию давления в замкнутой камере.
Техническим результатом, достигаемым при использовании патентуемого устройства, является стабилизация давления в приемной камере вне зависимости от давления гидроудара в подающем трубопроводе, эффективность использования энергии потока, увеличение скоростей потока более 10 м/с, что приведет к увеличению перекачиваемого объема.
Заявленный технический результат основан на явлении, заключающимся в том, что кинетическая энергия струи, свободно истекающей в воздух из отверстия под действием избыточного давления, существенно (до нескольких раз) превосходит потенциальную энергию, обусловленную избыточным давлением в резервуаре с учетом расхода вещества.
Заявленный технический результат достигается за счет использования гидротарана, включающего подающий трубопровод, проходящий через приемную камеру (в частности, расположенный коаксиально в приемной камере) с нагнетательным патрубком (патрубок подачи жидкости), при этом приемная камера заполнена газовой средой (например, воздухом) и содержит, по меньшей мере, один внутрикамерный клапан, расположенный в газовой среде, а в подающем трубопроводе установлен, по меньшей мере, один запорный клапан.
Трубопровод содержит, по меньшей мере, одно отверстие, находящееся в части трубопровода, расположенной в объеме приемной камеры и предназначенное для выпуска избытка жидкости.
Приемная камера может содержать несколько подающих трубопроводов, установленных как в один ряд, так и в несколько.
Выходное отверстие трубопровода предпочтительно должно быть выполнено скошенным.
Внутрикамерный клапан устанавливается на трубопроводе внутри камеры и может представлять собой пластинчатый элемент, закрывающий отверстие в трубопроводе с возможностью регулирования давления потока жидкости в подводящем трубопроводе. При этом пластинчатый элемент выполнен полностью перекрывающим отверстие в трубопроводе и может быть закреплен на трубопроводе посредством пружины.
С целью создания воздушной подушки в приемной камере, приемная камера соединена через воздушный патрубок с компрессором.
При этом запорный клапан может быть установлен в подающем трубопроводе до приемной камеры и/или после приемной камеры.
В случае установки запорных клапанов до и после приемной камеры они работают поочередно - один открывается, второй в это время закрывается.
Запорный клапан устанавливается в канале подающего трубопровода и может представлять собой пластинчатый элемент, совпадающий по форме и размеру с внутренним проходным сечением канала подающего трубопровода и перекрывающей, при заданном значении давления потока, выходное отверстие подающего трубопровода.
Для обеспечения плавного ускорения потока, подающий трубопровод может быть выполнен в виде конусообразной трубы, сужающейся по ходу течения потока.
Подающий трубопровод может быть выполнен также в виде замкнутого контура с насосом для циркуляции жидкости и патрубком подачи воды с возможностью компенсации расхода.
Далее решение поясняется ссылками на поясняющие фигуры, на которых изображено:
На фиг.1 - гидротаран с постоянным потоком воды (течения речные или морские);
На фиг.2 - гидротаран с переменным потоком воды и двумя запорыми клапанами (волны, приливы-отливы);
На фиг.3 - гидротаран с замкнутым контуром (искусственные потоки, создаваемые насосами).
Гидротаран, изображенный на фиг.1 содержит подающий трубопровод 1, участок с выпускными отверстиями 2 которого коаксиально установлен в приемной камере 3, нагнетательный патрубок (патрубок отвода жидкости потребителю) 4, внутрикамерный клапан 5, установленный в приемной камере 3, запорный клапан 6, патрубок 9, предназначенный для подачи воздуха в приемную камеру 3. Запорный клапан 6 может содержать пружину с регулируемым усилием.
Гидротаран работает следующим образом. Поток воды, движущийся по подающему трубопроводу 1, протекает через запорный клапан 6, при достижении порогового значения давления потока запорный клапан 6 закрывается, перекрывая поперечное сечение трубопровода, при этом давление в зоне перед клапаном возрастает, что приводит к открыванию внутрикамерного клапана 5 приемной камеры 3, которая заполнена воздухом. В результате струя воды с большой скоростью заполняет приемную камеру 3 и через нагнетательный патрубок 4 отводится потребителю. Нагнетательный патрубок 4 предпочтительно располагать таким образом, чтобы он был затоплен, а над уровнем жидкости была создана воздушная пробка, то есть нагнетательный патрубок должен быть расположен ниже уровня воды, а воздушная пробка остается сверху, в зоне работы внутрикамерного клапана 5, все это позволит избежать брызгообразования и кавитации в приемной камере. Воздушная пробка в приемной камере 3 регулируется двумя способами:
- механически за счет установки параллельно подающему трубопроводу дополнительного трубопровода гидротаранного типа, содержащему патрубок с воздушным клапаном, расположенный над уровнем поверхности воды и соединенный с патрубком 9 подачи воздуха в приемную камеру;
- путем нагнетания воздуха в приемную камеру 2 компрессором.
Гидротаран, приведенный на фиг.2, также содержит подающий трубопровод 1, участок с выпускными отверстиями 2 которого коаксиально установлен в приемной камере 3, нагнетательный патрубок 4, внутрикамерный клапан 5, установленный в приемной камере 3, два запорных клапана 6, один из которых установлен в подающем трубопроводе 1 до приемной камеры 2, а другой - после приемной камеры 3. Запорный клапан 6 может содержать пружину с регулируемым усилием.
Подобный гидротаран может располагаться на плавучей платформе или на скользящих по вертикали направляющих (не показаны) и аккумулирует энергию волн. Кроме этого, для использования энергии приливов и отливов гидротаран размещают на плотине, перегораживающей морской залив, соответствующее количество стабилизирующих гидротаранов с двумя клапанами.
Работа гидротарана осуществляется следующим образом. Во время прилива волна, направленная к берегу, проходит через подающий трубопровод 1 и при достижении порогового значения давления прижимает к внутренней стенке канала запорный клапан 5, расположенный до приемной камеры 3 и закрывает запорный клапан 6, расположенный после приемной камеры 3, давление в канале трубопровода 1 возрастает, что приводит к открыванию внутрикамерного клапана 5 приемной камеры 3, которая заполнена воздухом. В результате струя воды с большой скоростью заполняяет приемную камеру 3 и через нагнетательный патрубок 4 отводится потребителю.
При отливе волна открывает и прижимает к стенке канала трубопровода 1 запорный клапан 6, расположенный после приемной камеры и закрывает запорный клапан 6, расположенный до камеры 3, давление в канале трубопровода 1 возрастает, что приводит к открыванию внутрикамерного клапана 5 приемной камеры 3, которая заполнена воздухом. В результате струя воды с большой скоростью заполняет приемную камеру 3 и через нагнетательный патрубок 4 отводится потребителю.
Гидротаран, изображенный на фиг.3, содержит подающий трубопровод 1, имеющий замкнутый контур в виде эллипса, участок с выпускными отверстиями 2 которого коаксиально установлен в приемной камере 3, нагнетательный патрубок 4, внутрикамерный клапан 5, установленный в приемной камере 3, запорный клапан 6, патрубок для подачи воды 7 и электронасос 8, расположенный после запорного клапана 6. Запорный клапан 6 может быть выполнен с пружиной с регулируемым усилием.
Работа гидротарана осуществляется следующим образом. Жидкость через патрубок для подачи воды 7 закачивают в подающий трубопровод 1, включают электронасос 8, жидкость начинает циркулировать с большой скоростью, запорный клапан 6 закрывается, и жидкость поступает в приемную камеру 3, после снижения давления потока в трубопроводе 1, запорный клапан 6 открывается, для восполнения расхода воды, через патрубок для подачи воды 7, закачивают новую порцию жидкости.
Подобная конструкция гидротарана может найти применение для создания сверхвысокого давления в гидрантах для разрушения горных пород при прокладке тоннелей и других строительных конструкций.