ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидравлических таранов, основанных на использовании гидравлического удара, и может быть использовано в качестве водоподъемников в системе мелиорации и водного хозяйства. Такими водоисточниками могут служить реки, каналы, коллекторы, имеющие движение воды, обеспечивающей работоспособность гидротарана.
Известен воздушный колпак гидротарана, содержащий корпус с воздушной и жидкостной полостями, впускным клапаном и штуцером напорной магистрали, поршень, разделяющий корпус на воздушную и жидкостную полости и жестко закрепленный подпружиненным штоком, на котором установлен ограничитель хода (Авторское свидетельство RU 1224464, кл. F04F 7/02, 1984).
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность из-за непроизводительной затраты энергии на сложное управление положением ударного клапана, определяемой высотным положением в корпусе и зависящей от веса клапана, то есть для подъема на определенную часть высоты нужно затратить большую энергию потока. При этом часть энергии непроизводительно теряется на сопротивление в корпусе при достаточно большом его весе. Кроме того, воздушный колпак, снабженный поршнем, требует дополнительных усилий на подъем поршня в корпусе, что требует максимального усилия давления в трубопроводе, т.е. часть энергии непроизводительно теряется при гидравлическом ударе для подъема с горизонта в корпусе воздушного колпака. Поэтому дополнительно и предлагается искусственная подзарядка компрессора через винтовую пробку в крышке, что приводит к удорожанию эксплуатации гидравлического тарана.
Другим основным недостатком является низкая надежность и недостаточное быстродействие в работе, т.е. имеет место большая инерционность действий в работе, а это снижает производительность и силы гидродинамического давления на ударный клапан для обеспечения его работы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидравлический таран (прототип), содержащий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющий 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 и 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, 2013).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность и быстродействие из-за гидравлического сопротивления, вызванное поршневым серводвигателем, связанным 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. Это связано также с тем, что ударный клапан и регулирующая камера расположены по одну сторону подающего трубопровода на горизонтальном участке достаточной длины подающего трубопровода. Кроме того, имеет место большой сброс жидкости из-за длительности времени переключения поршневого серводвигателя (запаздывания при повторном периоде разгона потока).
Техническим результатом, который может быть получен в результате использования заявляемого технического решения, является повышение эффективности работы за счет уменьшения гидравлических сопротивлений в гидравлическом приводе, повышения быстродействия и надежности в работе в переходных режимах и технологичности его изготовления.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем питающий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющей 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 и выполнен в виде дроссельного клапана с шарнирной осью, а нагнетательный клапан имеет седло выше питающего трубопровода, и дополнительно содержит вторую камеру с перегородкой, сообщенную с отводящим трубопроводом, таран содержит регулирующую камеру накопления, в которую введен патрубок, на выходе которого размещен криволинейный затвор, связанный с поплавком, причем затвор соединен с рычагом, закрепленным на горизонтальной оси вращения, и в обшивке затвора выполнено выпускное отверстие, расположенное в нижней его части, причем со стороны патрубка расположен обратный клапан с возможностью перекрытия выпускного отверстия в затворе, при этом питающий трубопровод на входе имеет профиль, очерченный по окружности равный диаметру криволинейного затвора с возможностью поочередного перекрытия патрубка и питающего трубопровода, гидравлический привод ударного клапана выполнен поплавковым, размещен во второй камере, выполненной регулирующей, а перегородка выполнена со стороны отводящего трубопровода и образована подпорным сооружением, выполненным в виде щита, установленного с возможностью его вертикального перемещения, при этом ось шарнира дроссельного клапана размещена в камере, являющейся продолжением питающего трубопровода.
Кроме того, регулирующая камера накопления содержит упоры для ограничения перемещения затвора.
Кроме того, седло нагнетательного клапана расположено над питающим трубопроводом и соединено центрически с ним посредством патрубка диаметром несколько больше, чем диаметр нагнетательного трубопровода.
Такая конструкция тарана путем расположения одной из камер перед воздушным колпаком, включающая патрубок с косыми срезами с двух сторон, позволяет воде полным сечением (без подсоса воздуха) поступать в камеру накопления, создающей гидравлический перепад Z, при открытом криволинейном затворе, и при опущенном вниз поплавке, когда впускное отверстие питающего трубопровода закрыто криволинейным затвором, в обшивке затвора выполнено выпускное отверстие. При этом благодаря наличию ограничителя криволинейный (сегментный) затвор не может подняться выше впускного отверстия питающего трубопровода, и впускное отверстие остается закрытым, соответственно обеспечивается плотное прилегание затвора по касательной плоскости. Одновременно с этим во второй камере, выполненной регулирующей, ударный клапан расположен горизонтально в концевой части питающей трубы, соединенной со второй камерой под действием веса поплавка в положение открыто, так как вода в камере отсутствует.
Поскольку уровень воды повышается в регулирующей камере в верхнем бьефе, впускное отверстие питающего трубопровода открывается криволинейным затвором за счет всплытия поплавка, вода поступает во вторую камеру с поплавковым приводом. При этом уровень во второй камере поднимается вместе с поплавком, который поворачивает ось вместе с ударным клапаном в виде дроссельного клапана, и выходное отверстие питающего трубопровода становится закрытым. Сброс регулируется высотой открытия плоским щитом со стороны отводящего трубопровода с подпорным сооружением.
Таким образом, в регулирующей камере накапливается определенный объем воды как в верхнем, так и в нижнем бьефе питающего трубопровода, выполняющего роль закрытой камеры. В этот момент криволинейный затвор закрывает выход короткого патрубка с подпираемой перемычкой, пока весь объем не поступить в сторону ударного клапана. Криволинейный затвор выполняет роль обратного клапана, препятствуя выбросу потока назад в камеру, возвращая его в сторону ударного клапана, снижая время разгона и обеспечивая значительное большее поступление воды в воздушный колпак. Чтобы уменьшить мгновенный возврат и воздействия обратной волны на ударный клапан, плоскость среза входного отверстия питающей трубы перекрыта затвором, имеющим профиль среза входного отверстия, поскольку сила гидростатического давления на криволинейную плоскость отличается от давления на вертикальные стенки, и затвор имеет сквозное отверстие, перекрытое обратным клапаном для частичного стравливания воды в камеру, т.е. осуществляется ее стравливание через регулируемое отверстие в затворе.
Таким образом, происходит попеременное наполнение регулирующей камеры водой, за счет ее открытия и закрытия криволинейным затвором, которая соединена с питающим трубопроводом, выполняющим роль в конце также камеры, а перемещение ударного клапана производится после окончания такта сработки воздушного колпака и перекачки жидкости потребителю. Этим самым достигается поставленный технический результат - снижение инерционности разгона потока, ведущей к повышению производительности, поток, быстро приближаясь к ударному клапану, за счет всплытия поплавкового привода закрывает его, осуществляя новый цикл гидроудара и нагнетания воды в трубопровод. Благодаря задатчику в виде плоского щита можно обеспечить гидравлическую связь между обеими камерами, что повысит надежность и быстродействие в работе, обеспечивается уменьшение величины сопротивлений (потерь), которые отсутствуют в известных устройствах. Сам криволинейный затвор может выполняться из листового облегченного материала.
Таким образом, благодаря возможности компактного расположения запорного и обратного клапанов для перекрытия питающего трубопровода в виде рабочей камеры, имеющей круглую форму, работа происходит с большой производительностью для потребителя. Высота подъема может достигать более 30 м.
Конструкция тарана проста и надежна для полевых условий. Вследствие чего достигнут уровень автоматизации данного устройства по сравнении с известными, и это повышение обусловлено связью камер между собой, которые оснащаются запорным затвором с поплавком и ударного клапана с поплавковым приводом.
Энергия удара смещается значительно быстрее и жидкость из питательной трубы поступает в воздушный колпак, далее к потребителю, когда диаметр седла с коротким патрубком больше, чем диаметр  напорного питающего трубопровода. Таким образом, эффективность устройства обеспечивается за счет улучшения компоновки элементов гидравлического тарана на коротком участке питающего трубопровода.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема гидравлического тарана, вертикальный разрез; на фиг. 2 изображен гидравлический таран, общий вид.
Гидравлический таран устанавливается в водоисточнике 1, перегороженном перемычкой 2 с трубчатым патрубком 3, подсоединенным к регулирующей камере накопления 4. В регулирующей камере накопления 4 воды установлен криволинейный затвор (поворотный сектор) 5, рычаг 6 которого крепится выше трубчатого патрубка 3 в устоях 7 посредством оси 8 вращения, к которой закреплен рычажный механизм, включающий поворотный рычаг 9 с поплавком 10, который также связан с криволинейным затвором 5 в виде запорного клапана. В обшивке нижней части затвора 5, со стороны патрубка 3 выполнено отверстие 11, перекрытое обратным клапаном 12. Поплавок 10 расположен в регулирующей камере накопления 4, соединенной с питающим трубопроводом 13 отверстием 14. Криволинейный затвор 5 установлен с возможностью перекрытия патрубка 3 и соответствующего попеременного перекрытия входного отверстия 14 в начале питающего трубопровода 13. При этом благодаря наличию ограничителей 15, 16 криволинейный затвор 5 не может подняться выше патрубка 3 и питающего трубопровода 13, расходные отверстия которых перекрываются попеременно затвором 5, а поплавок 10 соответственно опускается вниз или поднимается вверх и зависит от уровня воды в регулирующей камере накопления 4. В концевой части питающего трубопровода 13 расположена круглого поперечного сечения ударная камера 17, внутри которой на выходе установлен ударный клапан 18 в виде дроссельного клапана, имеющего поплавковый привод 19, который через рычажный механизм поворачивает клапан 18 на горизонтальной оси 20. Тяга 21 поплавка 19 шарнирно соединена через направляющий рычаг 22, пропущенной через кулису 23, а направляющая 24 закреплена на вертикальной стенке 25 регулирующей камеры 26, сообщающейся с отводящей трубой 27 с впускным отверстием 28, с подпорным устройством в виде щита 29 в направляющих 30 с подъемником 31. Плоский щит 29 установлен с возможностью вертикального перемещения относительно выпускного отверстия 28.
В верхней части камеры 17 имеется патрубок 32, который жестко заделан в плоское седло 33 с отверстием, перекрываемым сверху, например, армированным нагнетательным клапаном 34, расположенным внутри воздушного колпака 35, имеющего нагнетательный трубопровод 36. На дне в конце камеры 17 установлен ограничитель 37.
Гидравлический таран работает следующим образом.
Из водоисточника 1 поток воды, подпираемый перемычкой 2, создающий гидравлический перепад (Z) при поступлении через патрубок 3, определяет уровень воды в камере накопления 4, который определяется расходом, поступающим затем в питающий трубопровод 13 и регулируемым запорным клапаном в виде криволинейного затвора 5. В момент, когда уровень воды в камере накопления 4 находится ниже заданной отметки, криволинейный затвор 5 под действием веса поплавка 10 находится в положении закрытия (фиг. 1), закрывая питающий трубопровод 13. При этом ударный клапан 20 внутри камеры 17 находится в горизонтальном положении.
При повышении уровня воды в камере накопления 4 поплавок 10 поднимается в верхнее положение (пунктирная линия), впускное отверстие 14 питающего трубопровода 13 открывается, а выпускное отверстие патрубка 3 закрывается. Открытие данного отверстия может задаваться конструктивно размерами элементов устройства.
Расположение конструкции шарнирно-рычажного механизма, связанного с криволинейным затвором 5, сохраняет практически заданный весь объем воды в камере накопления 4, обратный клапан 12 препятствует поступление воды в питающий трубопровод 13 при открытии затвора 5, а при поступлении воды через впускное отверстие 14 поток движется с большой скоростью из камеры накопления 4 в питающий трубопровод 14 благодаря его косому срезу по вертикали, далее в камеру 17, чем достигается вторая задача (технический результат), контактируя с регулирующей камерой 26, создает в ней наполнение до расчетного уровня воды за счет подпорного сооружения в виде щита 29. При превышении расчетного уровня воды во второй камере 26, выполненной регулирующей, ударный клапан 18 начинает резко подниматься за счет всплытия поплавкового привода 19, перемещающегося по направляющей 24. Ударный клапан 18 перекрывает камеру 17 в своем вертикальном положении (пунктирная линия) и примыкает к ограничителю 37. Поток останавливается, вызывая прямой гидравлический удар в питающем трубопроводе 13, создавая избыточное давление. Часть потока через патрубок 32 беспрепятственно устремляется к отверстию опорного седла 33, открывая нагнетательный клапан 33, и поступает в воздушный колпак 35, сжимает образовавшуюся подушку и поступает в нагнетательный трубопровод 36 на высоту h к потребителю. Патрубок 32 выполнен из стандартного изделия, легко вписывается как соединительное звено плоского опорного седла 33 с круглой поверхностью питающего трубопровода 13, чем достигается, можно сказать, другая поставленная задача (технический результат).
В это время, после сработки заданного объема воды в камере накопления 4, одновременно запорный клапан в виде криволинейного затвора 5 вновь закроет впускное отверстие 14 питающего трубопровода 13, воздействуя на его выпуклую часть полотнища в закрытом положении, так как поплавок 10 опустится в нижнее положение. После прямого гидроудара согласно закону гидравлики происходит падение давления в камере 17, а во второй камере 26 уровень воды понижается и поплавок поплавкового привода 19 опускается вниз, воздействуя на рычажный механизм ударного клапана 18, который, вращаясь вокруг оси 20, открывает камеру 17 питающего трубопровода 13, тем самым давая возможность поступлению оставшейся воде из питающего трубопровода 13 во вторую камеру 26 и далее в отводящую трубу 27, так скорость течения практически погашена до нуля. При этом уровень в камере накопления 4 вновь поднимается вместе с поплавком 10, который и поворачивает ось 8 с затвором 5, и через отверстие 14 поступает новая порция воды из камеры накопления 4, чем достигается также следующая задача (технический результат) - снижение инерционности разгона потока, ведущей к повышению производительности, поток, быстро приближаясь ко второй камере 26, являющейся регулирующей, заполняет ее, поплавковый привод 19 всплывает вверх, ударный клапан 18 закрывает камеру 17, осуществляя новый цикл гидроудара и нагнетания воды в трубопровод 36.
Наличие механизма управления с поворотным криволинейным затвором 5 и перемещение ударного клапана 18 происходит с последующей фиксацией за счет упоров 15, 16.
Кроме того, наполнение регулирующей камеры 26 с поплавком 19 изменяют путем создания необходимого перепада уровней между камерой 26 и отводящей трубой 27 за счет опускания или поднятия щита 29 при помощи винтового подъемника 31 относительно выпускного отверстия и настройкой тем самым заданного уровня воды во второй камере 26, и далее остаток воды поступает в отводящую трубу 27. При этом если питающая труба 13 короткая и фаза ударной волны становится меньше времени открытия ударного клапана 18, то обратный клапан 12 сжимает пружину и происходит частичное стравливание ударной волны ровно на столько, чтобы новый разгон не упреждал полного открытия ударного клапана 18, при этом одновременно обеспечивается сработка второй камеры 26.
Таким образом, это позволяет исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гидравлического тарана и расположения между ними воздушного колпака 35 на питающем трубопроводе 13 повысить  полезную работу гидроудара, энергия которого открывает нагнетательный клапан воздушного колпака. При падении давления в питающем трубопроводе 13 запорный клапан 12 вновь закроет отверстие 11 в затворе 5.
Эффективность тарана заключается в простоте конструкции и эксплуатации, возможности быстродействия сработки и повышении производительности, возможности снижения инерционности действия в работе. Образуя резко гидроудар, позволяет создать водовоздушную смесь заранее заданной плотности в колпаке, что определяет высоту подъема в зависимости от изменяющихся условий движения потока в питающем трубопроводе.