ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства.
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 СССР №1224464, кл. F04F 7/02, 1986).
Недостатком известного устройства является невысокая эффективность из-за непроизводительной затраты энергии на сложное управление положением ударного клапана, определяемое высотным положением в корпусе и зависящее от веса клапана, т.е. 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, таким образом, часть энергии непроизводительно теряется при гидравлическом ударе для подъема жидкости с горизонта в корпус воздушного колпака. Поэтому дополнительно и предлагается искусственная подзарядка компрессора через винтовую пробку в крышке, что приводит к удорожанию эксплуатации тарана.
Известен также гидравлический таран, содержащий подающий трубопровод с ударным клапаном и напорный патрубок, колпак, разделенный перегородкой в виде сетки на две камеры, пружину, при этом в камере со стороны купола расположены шары, выполненные из мягкого эластичного материала, заполненные несжимаемой средой (Патент на изобретение SU №3777 A, 31.10.1927, F04F 7/02).
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие надежного способа регулирования количества воздуха в воздушном (нагнетательном) колпаке. Кроме того, КПД гидротарана мало вследствие инерционности системы работы ударного клапана, и значительно подкупольное пространство колпака вынуждено выдерживать процесс гидравлического удара от шаров, что приводит к постоянной нагрузке давления на купол и, как следствие, надежность его стенок, что приводит к вредным условиям для прочности купола конструкции воздушного колпака.
Общий анализ работы насосов показывает, что в них должен осуществляться обмен энергии между жидкостью и каким-либо движущимся элементом устройства, к которому подводится энергия.
Таким образом, необходимо отметить, что нужен такой процесс, когда исчезает та упругая подушка, которая вызывает колебания столба жидкости в подводящей воду трубе и создает гидравлический удар.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройства путем повышения его надежности работы, а также повышение КПД гидротарана.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем подающий трубопровод с ударным клапаном и напорный патрубок, колпак, разделенный перегородкой в виде сетки на две камеры, пружины, при этом в камере со стороны купола расположены шары, выполненные из мягкого эластичного материала, заполненные несжимаемой средой, в одной из камер со стороны купола закреплен корпус с ячейками в шахматном порядке с продольными и поперечными перегородками, а ячейки снабжены установленным внутри регулирующим органом в виде пружин с плоской пластиной, установленной с возможностью контактирования с шаром.
Кроме того, шар с несжимаемой средой на ¾ заполнен от его суммарного объема.
Такая конструкция воздушного колпака имеет целью сохранить воздух в колпаке гидравлического тарана и устранить постоянное необходимое пополнение, так как часть воздуха, выделяющегося из воды, захватывается жидкостью в нагнетательную линию (трубопровод), в конечном итоге за счет давления разжатия пружин с плоскими пластинами начинают прогибаться шары и перемещаться из ячеек в камеру, заполненные несжимаемой средой в виде газа или воздуха, увеличивая свой объем и создавая в колпаке повышенное давление. Вода поступает по нагнетательной линии (напорному патрубку) в сборную емкость. К этому времени положение шаров принимает круглую форму шара и не позволяет им выпадать из воздушного колпака. Как второй вариант, взамен гибких шаров можно устанавливать и резиновую диафрагму вместо сетки, которая прогибается вверх и вниз, вытесняя жидкость из нижней полости камеры колпака в напорный патрубок к потребителю, но это приспособление отличается от первоначального варианта выполнения, так как часть энергии рассеивается на упругую деформацию и работу насоса. Поэтому согласно первому варианту жидкость (вода) при гидроударе занимает больший объем в воздушном колпаке, а сами эластичные шары входят в ячейки и сжимают пружину до заданной упругости, чтобы затем отдать свою накопившуюся энергию при работе тарана на подъем воды в емкость к потребителю. Такое новое техническое решение является менее затратным, надежным и делает работу гидранта с высоким КПД. Характерной особенностью воздушного колпака являются плоские пластины, закрепленные к свободному концу пружины. При воздействии напора в колпаке стенка из эластичного шара прогибается, уменьшая свой объем, соответственно, несжимаемая среда (воздух или газ) создает в ней давление на сжатие пружины и сохраняет ее энергию для последующего ее разжатия, в результате чего форма шара несколько меняется, например, в каплеобразную, но не выходит из углублений ячеек, в которых располагаются эластичные (гибкие) шары, и не позволяет им отклоняться в ячейках в стороны за счет продольных и поперечных перегородок, закрепленных с корпусом к куполу колпака. Образующая вмятина в стенке шара может образоваться за счет ¾ заполнения от его суммарного объема.
На фиг.1 показана принципиальная схема гидравлического тарана; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.
Гидравлический таран содержит подающий трубопровод 1 с задвижкой 2 с гидроприводом. Корпус 3 гидроцилиндра управления с задвижкой связан гидравлическими трубками 4, 5 управления поршня 6 соответственно с пультом 7 управления.
Переключатель потока содержит корпус 8, ограниченный верхним 9 насадком и нижним 10 перфорированным диском с отверстиями 11, 12. Насадок 9 выполнен в виде горизонтального патрубка, разделенного перегородкой 13 на две камеры 14, 15 с обратными шаровыми клапанами 16, 17, перекрывающими выходные отверстия 18, 19 в верхней части переключателя потока, которые попеременно опускаются в седла отверстий 18, 19. Насадок 9 и диск 10 соединены штоком 20, и выпускные отверстия 18, 19 размещены соосно перфорации нижнего диска 10 с отверстиями 11, 12. Каждая камера 14, 15 сообщается через выпускные отверстия 21, 22 с рабочими участками 23, 24, снабженные воздушными колпаками 25, 26 с нагнетательными клапанами 27, 28 и напорными патрубками 29, 30.
На внутренней поверхности корпуса 8 переключателя потока размещены вертикальные направляющие 31, 32, 33, 34 и наклонные направляющие 35, 36 ниже насадка 9, а наклонные направляющие 37, 38 выше диска 10.
Вертикальные направляющие 31, 34 смещены относительно друг друга на величину ударного шарового клапана 39. Кроме того, вертикальные направляющие соединены с наклонными направляющими и соответственно с основаниями насадка и диска.
По принципу действия переключатель потока с ударным клапаном - двухтактный (открыто, закрыто). В первом такте с повышением давления жидкости ударный клапан 39 поднимается к насадку 9 в зону, противоположную одному из выпускных отверстий, например отверстию 18. С понижением давления жидкости ударный клапан 39 опускается на диск 10 с поворотом на 90°. Во втором такте с повышением давления жидкости ударный клапан 39 вновь поднимается с поворотом на 90° к насадку 9 и закрывает другое отверстие 19 и так далее занимает в плане положение, противоположное размещению отверстия диска 10. При этом ударный клапан 39 расположен ниже седла отверстия 18, 19 насадка 9, а запорный клапан 16, 17 выше седла отверстия 18, 19 в камерах 14, 15, причем смещены запорные клапаны относительно открытия впускного отверстия 21, 22 рабочего участка 23, 24.
В верхней части сферического колпака 25 и 26 жестко смонтирован корпус ячейки, выполненный с продольными 40 и поперечными 41 перегородками. В основании ячеек закреплена (защемлена) пружина 42 с плоской пластиной 43. Пружина 42 с пластиной 43 выполняют роль поддерживающего конструктивного элемента при контактировании эластичного шара 44 в рабочем положении, например воздушного колпака 25, и зафиксированного в ячейке с продольными 40 и поперечными 41 перегородками. Для того чтобы эластичные (гибкие) шары 44 не могли выпадать на дно колпака 25, 26, колпак разделен перегородкой в виде сетки 45 на две камеры, сообщающиеся между собой, в одной из которых со стороны купола колпака расположены эластичные шары 44.
Диаметр эластичного шара 44 назначается конструктивно соответственно размерам ячейки, выполненной в перегородках 40, 41, например ячейки в плане выполнены в шахматном порядке.
Кроме того, так как стенки шара 44 являются эластичными и могут прогибаться, уменьшая свой объем в рабочем состоянии тарана, соответственно, несжимаемая среда, например газ или воздух, на ¾ заполнена от его суммарного объема. При контакте с пластиной 43 с пружиной 42 стенка эластичного шара 44 прогибается в виде вмятины. Форма шара 44 несколько меняется и не выходит из углублений ячейки, в которой размещается шар 44. Материал шара 44 может быть из резины или других эластичных материалов, имеющихся в производстве.
Гидравлический таран работает следующим образом.
До поступления потока жидкости в подающий трубопровод 1 ударный клапан 39 находится в исходном положении, например над отверстием 11 в основании диска 10. Соответственно, в воздушных колпаках 25 и 26 нет жидкости, и шары 44 находятся на сетке 45. При закрытии задвижки 2 в сборе поток в трубопроводе 1 перекрывается и далее в корпусе 8 у переключателя потока ударный клапан 39 увлекается потоком жидкости и движется вдоль прямолинейных направляющих 31 и 32, по наклонной направляющей 35 у верхней части ниже насадка 9, резко перекрывает одно из выходных отверстий 19 под действием напора в переключателе потока, образуя гидроудар.
3
3
Одновременно при заполнении переключателя потока жидкостью запорный клапан 17, перекрывающий выпускное отверстие 19, поднимается в камере 15 насадка 9 вверх. Но так как удельный вес запорного клапана 17 (16) составляет 1,05…1,1 г/см, в среднем 1,08 г/см, относительно удельного веса воды, то происходит опережение течения жидкости в начальный период. В результате этого при резком закрывании выпускного отверстия 19 ударным клапаном 34 отраженная волна потока жидкости устремляется в рабочий участок 24 и далее в напорный патрубок 30. При затухании энергии гидроудара нагнетательный клапан 28 закрывается и движение потока жидкости в рабочем участке 24 прекращается. В это время запорный клапан 17 еще находится в верхнем положении камеры 15 насадка 9, снабженного перегородкой 13.
По мере повышения напора жидкость через сетку 45 поступает в камеру над сеткой 45, при этом давление воздуха в камере возрастает и эластичные шары 44 поднимаются выше сетки 45 и прижимаются к тарельчатому клапану 43 с пружиной 42 и стенка шара 44 прогибается в виде вмятины, что служит для уменьшения гидравлического удара, уменьшая одновременно объем шара 44, т.е. при помощи вмятины, образованной в верхней части стенки при контакте с плоской пластиной 43 за счет ¾ заполнения от его суммарного объема. Это в свою очередь исключает образование больших ударных усилий, вредных для прочности купола конструкции воздушного колпака. В данном случае во время работы одного из воздушных колпаков и благодаря конструктивным параметрам ячеек в корпусе, образованных перегородками 40, 41, обеспечивается сохранение воздуха в колпаке гидравлического тарана. Образуется воздушная подушка, которая возникает за счет сжатия как атмосферного воздуха, так и самих эластичных шаров, заполняемых, например, газом или воздухом, выполненных из эластичных и прочных материалов. В ячейках корпуса отсутствует заклинивание (закусывания) шара 44, а соответственно, расположение ячеек, имеющие сферическую форму, позволяет обеспечить шару 44 устойчивое положение при работе воздушного колпака. При этом при сжатии пружины 42 сохраняется дополнительно накопленная энергия для последующего ее разжатия при оттоке жидкости из воздушного колпака в напорный патрубок 29 или 30.
При прекращении подачи жидкости в подающий трубопровод 1 или открытии его задвижки 2 с гидроприводом по транзиту ударный клапан 39 опускается вниз, например вправо по направляющим 32, 33 и 35, и располагается над другим входным отверстием в диске 10, а запорные клапаны 16, 17 опускаются в гнезда отверстий 18, 19 насадка 9, закрывая последние, в рабочих участках 23, 24 которых образуется остаточная жидкость. После отключения жидкости и сработки воздушного колпака шаровые клапаны 40 опускаются на сетку 41 и восстанавливают свою первоначальную цилиндрическую форму. Этим заканчивается полный цикл переключений, и далее процесс повторяется в уже описанной последовательности, а ударный клапан 39 все время совершает перемещение вокруг штока 20 с поворотом на 90°.
Комплексный подход в работе гидравлического тарана состоит в установлении особенностей функционирования элементов предложенного устройства в одно целое и согласованности узла работы под сводом воздушного колпака.
Размеры корпуса с ячейками, пружины с плоской пластиной и конструкции эластичного шара, наполняемого несжимаемой средой, определяются расчетом и опытным путем.
Эффективность изобретения заключается в том, что оно позволяет повысить его надежность работы и КПД гидравлического тарана, при этом сводит инерционность действий подкупольного пространства колпака к долям секунды для уменьшения гидравлического удара эластичного шара (из тела мягкого материала) и не требует затраты дополнительной энергии.