ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Предлагаемое изобретение относится к водоподъемным устройствам, использующим потенциальную энергию воды, и может быть использовано в местах перепада уровней воды, например на плотинах прудов.
Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами (RU 82798 U1, МПК F04F 7\02, опубл. 17.12.2009).
Недостатком аналога является малая производительность.
Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами, воздушную напорную ступень, переливную камеру (RU 2239102 С1, МПК F04F 7\02, опубл. 27.10.2004).
Недостатком данного аналога также является малая производительность, недостаточная надежность работы.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является гидравлический таран, содержащий корпус, водовоздушный колпак с вентилем и золотником, разделенным эластичной мембраной большого хода на водяную и воздушную части, ударный клапан, выполненный из сферы, нагнетательный (обратный) клапан, нагнетательный трубопровод, напорную емкость (RU 2468261 С1, МПК F04F 7\02, опубл. 13.05.2011).
Недостатком прототипа является невозможность поддержания и автоматического регулирования его максимальной производительности в зависимости от входного напора без ручной настройки, недостаточная надежность в работе, большая металлоемкость для мощных гидротаранов.
Задачей изобретения является регулирование в автоматическом режиме и поддержание максимальной производительности (расхода) гидравлического тарана при любом нагнетательном (входном) напоре, повышение надежности его работы.
Технический результат обеспечивается тем, что гидравлический таран содержит питающий резервуар, подающий трубопровод, корпус гидротарана, водовоздушный колпак с вентилем и золотником, ударный клапан, выполненный в виде сферы и насаженный на шток, нагнетательный обратный клапан, но в отличие от прототипа для регулирования в автоматическом режиме и поддержания максимальной производительности дополнительно установлен нагрузочный трубопровод с переливным клапаном и гидроцилиндром, причем нагнетательная полость переливного клапана соединена с нагрузочным трубопроводом, шток ударного клапана объединен со сквозным штоком поршня гидроцилиндра, нагрузочная полость гидроцилиндра соединена со сливным отверстием переливного клапана, разгрузочная - с атмосферой, диаметр поршня гидроцилиндра определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>ц</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
(1)
а величина хода ударного клапана - по формуле:
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>d</mi></mrow>
(2)
ц
где d - диаметр гидроцилиндра;
d - диаметр подающего трубопровода;
шт
d - диаметр сквозного штока поршня гидроцилиндра;
y - величина хода ударного клапана.
Известен общий принцип действия гидравлического тарана. Через открытый ударный клапан жидкость под действием напора из питающего бассейна (созданного плотиной или рельефом реки) разгоняется в подающей трубе до определенной скорости, при которой захлопывается ударный клапан. Вследствие резкого уменьшения скорости в подающей трубе до 0 происходит гидравлический удар, то есть многократное увеличение давления под нагнетательным клапаном, открывается нагнетательный клапан, и жидкость начинает поступать в воздушный колпак до тех пор, пока давление под нагнетательным клапаном не упадет и он не закроется. При этом падении давления до определенной величины ударный клапан под действием собственного веса и веса груза на нем вновь открывается, и цикл повторяется. Так как давление гидроудара значительно превышает давление, созданное напором плотины, то жидкость из воздушного колпака под действием сжатого в колпаке воздуха по нагнетательной трубе поднимается в напорную емкость на высоту, значительно большую, чем питающий напор. (Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. М.: Машиностроение, 1968, 124 с.)
Существенные отличительные признаки, характеризующие изобретение, а именно: наличие нагрузочного трубопровода с переливным клапаном и гидроцилиндром, причем нагнетательная полость переливного клапана соединена с нагрузочным трубопроводом, сквозной шток гидроцилиндра является одновременно штоком ударного клапана, а нагрузочная полость гидроцилиндра соединена со сливным отверстием переливного клапана, разгрузочная полость гидроцилиндра соединена с атмосферой, поршень гидроцилиндра имеет определенный размер, определяемый по формуле (1), а ход ударного клапана отрегулирован на определенную величину, определяемую по формуле (2), позволяют в автоматическом режиме поддерживать максимальную производительность гидравлического тарана при любой изменяющейся высоте водного столба в питающем резервуаре.
На чертеже представлена схема предлагаемого гидравлического тарана.
Гидравлический таран содержит (см. чертеж) подающий трубопровод 1, корпус гидротарана 2, водовоздушный колпак 3 с вентилем и золотником 4, разделенный эластичной мембраной 5 большого хода на водяную и воздушные части, ударный клапан 6, выполненный из сферы, нагнетательный клапан 7, нагнетательный трубопровод 8, водонапорную емкость 9 с нагнетательным напором h, шток ударного клапана является одновременно сквозным штоком 10 поршня гидроцилиндра 11. Выходной конец сквозного штока 10 имеет регулирующие гайки 19. Гидроцилиндр 11 разделен поршнем на разгрузочную полость 18, соединенную с атмосферой, и нагрузочную полость 12, которая соединена со сливным отверстием 13 переливного клапана 14, нагнетательная полость 15 переливного клапана соединена нагрузочным трубопроводом 16 с питающим резервуаром 17, имеющим питающий напор Н.
Гидравлический таран работает следующим образом. Перед началом работы с помощью регулирующих гаек 19 устанавливают рассчитанную по формуле (2) величину хода ударного клапана 6. Гидротаран размещают ниже источника водоснабжения и соединяют с ним при помощи подающего трубопровода 1. Для запуска гидротарана в работу принудительно открывают ударный клапан 6, с помощью сквозного штока 10, водяную часть водовоздушного колпака 3 наполняют наполовину. При помощи воздушного насоса с манометром через вентиль 4 с золотником накачивают воздух в воздушный колпак 3 в зависимости от высоты подъема воды в водонапорную башню. Затем, сделав несколько толчков сквозным штоком 10 в сторону ударного клапана 6, запускают гидротаран в работу.
При открытии ударного клапана 6 вода, выливаясь через него и разгоняясь, повышает давление под клапаном (со стороны подающей трубы 1). Когда это давление становится достаточным, чтобы преодолеть давление в нагрузочной полости 12 гидроцилиндра 11, созданного напором Н питающего резервуара (плотины) 17, клапан 6 начинает захлопываться, перемещает при этом поршень цилиндра 11 и вытесняет воду в переливной клапан 14, двигая поршень переливного клапана 14 и открывая сливное отверстие 13. Вода вытесняется через сливное отверстие 13 переливного клапана 14, ударный клапан 6 захлопывается. Возникает гидроудар и давление под нагнетательным клапаном 7 резко возрастает, открывая его. Наступает нагнетательная фаза работы гидротарана. Вода поступает в водовоздушный колпак 3, сжимает находящийся в нем воздух и под действием сжатого воздуха по нагнетательной трубе 8 поступает в водонапорную емкость 9 на высоту нагнетательного напора h. Во время этой фазы поршень переливного клапана 14 опускается вниз под напором воды из резервуара и перекрывает отверстие 13, создавая опять избыточное давление на поршень гидроцилиндра 11, который передает нагрузку на ударный клапан 6 через сквозной шток 10 гидроцилиндра 11. После окончания фазы нагнетания давление под нагнетательным клапаном 7 падает, он закрывается, а ударный клапан 6 открывается под действием нагрузки со стороны сквозного штока 10 гидроцилиндра 11. Далее процесс повторяется.
В ходе проведенных исследований предлагаемого технического решения установлено, что максимальная производительность (расход) гидравлического тарана находится в зависимости от отношения эффективной площади поршня гидроцилиндра к площади сечения подающей трубы и отношения величины хода ударного клапана к площади сечения подающей трубы (см. таблицу).
Таблица
Подъем воды h, м
5
10
H, м
d, мм
S<sub>d</sub>, мм<sup>2</sup>
q<sub>max,</sub>л/мин
y, мм
y/d
S<sub>эф</sub>, мм<sup>2</sup>
S<sub>эф</sub>/S<sub>d</sub>
q<sub>max</sub>,л/мин
y, мм
y/d
S<sub>эф</sub>, мм<sup>2</sup>
S<sub>эф</sub>/Sd
1
50
1963
7.6
14
0.279
552
0.281
3.8
14
0.219
555
0.283
100
7854
32.5
32
0.32
2343
0.298
16.3
32
0.32
2348
0.299
200
31420
136.9
67
0.337
9964
0.317
68.5
67
0.337
9968
0.317
1.5
50
1963
14.6
14
0.279
614
0.313
7.3
14
0.279
614
0.313
100
7854
62
32
0.32
2582
0.329
31.3
32
0.32
2575
0.328
200
31420
262.2
67
0.337
10900
0.347
131
67
0.337
10840
0.345
2
50
1963
23.2
14
0.279
658
0.33
11.6
14
0.279
655
0.33
100
7854
99
32
0.32
2758
0.35
49.5
32
0.32
2734
0,348
200
31420
415
67
0.337
11590
0.369
207.2
67
0.337
11460
0.365
Н - м, напор плотиныh - м, подъем водыd - мм, типоразмер гидротарана (диаметр подающей трубы)
<img file="00000003.tif" he="13" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /> - мм<sup>2</sup>, площадь сечения подающей трубы
<img file="00000004.tif" he="12" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" /> - мм<sup>2</sup>, эффективная площадь гидроцилиндраq<sub>max</sub> - л/мин, максимальная производительность (расход) гидротарана
Анализ данных исследований, отраженных в таблице, позволяет применять в инженерной практике формулы (1) и (2).
Таким образом, для обеспечения и поддержания максимальной производительности (расхода) гидравлического тарана диаметр гидроцилиндра определяют по формуле:
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>ц</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
(1)
а ход ударного клапана устанавливают регулирующими гайками сквозного штока поршня гидроцилиндра на величину, рекомендуемую определять по формуле
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>d</mi></mrow>
(2)
ц
где d - диаметр гидроцилиндра;
d - диаметр подающего трубопровода;
шт
d - диаметр сквозного штока поршня гидроцилиндра;
y - ход ударного клапана.
Предварительно задав диаметр подающего трубопровода и выбрав диаметр штока гидроцилиндра, по формулам (1) и (2) определяют диаметр поршня гидроцилиндра и ход ударного клапана, при которых обеспечивается максимальный расход гидравлического тарана.
шт
ц
Например, для гидравлического тарана, у которого диаметр подающего трубопровода d=100 мм, диаметр штока поршня гидроцилиндра d=10 мм, величина хода ударного клапана, определенная по формуле (2), у=34 мм, диаметр поршня гидроцилиндра, определенный по формуле (1), d=59 мм, при этом при питающем напоре H=2 м и нагнетательном напоре h=10 м получаем максимально возможную производительность (расход) гидротарана 49,5 л/мин.
Предлагаемое техническое решение позволяет также снизить металлоемкость и уменьшить габариты мощных (с большими диаметрами подающих трубопроводов) гидравлических таранов за счет применения гидроцилиндра вместо обычно применяемых в мощных гидротаранах других нагрузочных элементов и сохранить при этом максимальную производительность в автоматическом режиме.