ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства.
Известен гидравлический таран, содержащий подающий трубопровод с задвижкой и ударным клапаном, соединенный с трубопроводом, воздушный колпак с обратным клапаном и напорную магистраль, снабжен дополнительным трубопроводом, размещенным параллельно подающему трубопроводу, и соединенным с воздушным колпаком посредством дополнительного обратного клапана, кроме того, поршень снабжен штоком с дополнительным угловым поршнем, зеркально расположенным основному угловому поршню (см. SU 1164473 A1, 30.06.1985, F04F 7/02).
Недостатком гидравлического тарана является то, что требуется дополнительный питающий трубопровод с задвижкой, а это уже усложняет устройство. Ударный клапан с угловым поршнем нагружен грузами, что утяжеляет его и заметно снижает КПД устройства, при этом наличие поршня всегда ведет к сложности его перемещения, ведет к заклиниванию последнего в агрессивной среде.
Известна гидротаранная установка, содержащая два параллельных падающих трубопроводов с обратными клапанами, ударный клапан в виде двустороннего углового поршня, установленного с возможностью осевого перемещения, содержит коленчатый вал с маховым колесом, а подающие трубопроводы снабжены двумя парами гидроцилиндров, расположенных в зоне размещения обратных клапанов, снабженных поршнями со штоками, а гидроцилиндры каждой пары снабжены переливным трубопроводом и сообщены посредством обратного клапана с одной из подающих труб, причем штоки гидроцилиндров каждой пары соединены между собой и с коленчатым валом, а на обратных клапанах установлены перегородки для перекрытия переливных трубопроводов (см. SU 1231281 A1, 15.05.1986, F04F7/02).
Недостатком гидротаранной установки является то, что устройство усложнено наличием подающего трубопровода. Конструкция ударного клапана позволяет закрывать проходное сечение одного из питающих трубопроводов, однако большая инерционность в работе его снижает производительность установки, а, следовательно, связь с двумя парами гидроцилиндров не всегда взаимосвязана в целом. Исполнительные механизмы (поршни со штоками) создают неудобство при обслуживании и ремонте - низкая эксплуатационная надежность. Кроме того, перемещение поршней со штоками в агрессивной среде всегда может вызвать их заклинивание и требует больших усилий на их перемещение, при этом отсутствует быстродействие сработки ударного клапана. Сила гидравлического удара зависит от высоты подъема и собственного веса ударного клапана, однако высота подъема не может быть превышена больше расчетного значения для определенного расстояния (перепада) между ударным клапаном и подающем трубопроводом. При этом поворот коленчатого вала маховым колесом данной конструкции производится неравномерно в круговом перемещении, что отрицательно сказывается на перемещении поршней со штоками, соответственно, ненадежна работа клапанов. Таким образом, недостаток ближайшего аналога большая инерционность и низкая его эксплуатационная надежность.
Задачей изобретения является разработка конструкции гидравлического тарана, позволяющей регулирование работы, увеличения надежности, повышение КПД гидротарана.
Для решения поставленной задачи в гидравлическом таране, содержащем подающий трубопровод, ударный клапан два гидроцилиндра, переливной трубопровод, согласно изобретению, таран снабжен вакуум-насосом и мембранами, разделяющими гидроцилиндры, полости которых гидравлически связаны между собой переливным трубопроводом с вентилем, и концы трубопровода снабжены сильфонами оголовками, а ударные клапаны обеих мембранных гидроцилиндров соединены поворотным коромыслом со штоками, шарнирно закрепленным на вертикальной стойке, при этом мембрана с жестким центром связана с каждым ударным клапаном, которые установлены в вертикальном патрубке, закрепленном на подающем трубопроводе. Вертикальный патрубок снабжен кольцевым фиксатором на внутренней стенке для ограничения перемещения одного из ударных клапанов. Полости мембранных гидроцилиндров соединены посредством трубки воздуховода с регулятором давления.
Технический результат достигается за счет:
- применения вакуум-насоса для выноса воздуха из гидроцилиндра и увеличения поступления жидкости во второй гидроцилиндр;
- наличие кинематической связи между мембранами, разделяющими гидроцилиндры и рабочим органом переливного трубопровода для перетока жидкости в каждом гидроцилиндре.
Следовательно, вакуум-насос работает в режиме насоса, а вентиль-регулятор на переливном трубопроводе, снабженный сильфонами оголовками позволяет осуществлять управление ударными клапанами автоматически и позволяет задавать скорость перетекания жидкости из одной полости мембранного гидроцилиндра в другую полость мембранного гидроцилиндра. В результате чего, при прогибе мембраны вверх не нарушается ее прочность при касании с сильфоном (гибкого патрубка на обеих концах). Так как концы сильфонов в виде оголовков синхронно соприкасаются с мембранной, то и уровень жидкости, соответственно меняется в гидроцилиндрах при перетоке жидкости (в этот момент вакуум-насос один работает, а другой - не работает, или перекрывается вентилем), равновесие гидроцилиндров нарушается, и ударные клапана меняют свое высотное положение во впускных вертикальных патрубках, соединенных между собой сливной трубкой. В результате чего силу гидроудара в подающем трубопроводе можно менять в заданном интервале времени, по отношению работы воздушного колпака с нагнетательным клапаном, за счет срабатывания гидроцилиндров, соответственно, на закрытие ударного клапана.
Длительность программы перетока жидкости в каждом гидроцилиндре реализуется в комплексе при создании условия, обеспечивающее заполнение атмосферного воздуха и устойчивой работы гидроцилиндра с жидкостью, при помощи трубки воздуховода с исполнительным регулятором в виде трехпозиционного вентиля (крана), сообщенного с атмосферой.
Под действием размещенного вакуум-насоса для выноса воздуха из гидроцилиндра, резко увеличивается поступление жидкости (в этот момент регулятор-трехпозиционный вентиль перекрывает отверстие трубопровода при работающем одном из вакуум-насосов).
Таким образом, поворотом трехпозиционного вентиля осуществляют впуск атмосферного воздуха поочередно в гидроцилиндры, что пополняет воздухом гидроцилиндр с жидкостью, т.е. когда работает один из вакуум-насосов, в этот момент отсутствует впуск атмосферного воздуха в гидроцилиндр без жидкости. Происходит синхронное поднятие одного ударного клапана и опускание другого на одну и ту же величину при наличии впускных отверстий в вертикальных патрубках. В результате чего имеет место перекрытие одного из заданных входного отверстия, что однозначно влияет на работу гидравлического тарана, а исполнительные механизмы позволяют вынести за пределы потока жидкости, что в свою очередь, создает удобство при обслуживании и ремонте - повышает эксплуатационную надежность.
Управление гидравлической и воздушной связи регулятора на патрубках (реле времени) может также осуществляться как на месте вручную, так и дистанционно с помощью средств телемеханики с диспетчерского пункта управления водоподъемом (не показано для упрощения).
Надежность и прочность самих мембран, заключенных в гидроцилиндры, обеспечивается за счет наличия ограничительного хода, выполненного в виде жесткого обода с отверстиями (последние не показаны) в одном из патрубков для ударного клапана со стороны нижней части мембранного привода, связанного со штоком, следовательно, перемещение мембран в гидроцилиндрах обеспечивает их надежность в работе гидравлического тарана.
Применение изобретения позволяет значительно упростить конструкцию устройства, позволяет увеличить производительность и КПД гидравлического тарана, достигается полное отсутствие давления на мембрану снизу при оттоке жидкости при закрытии ударного клапана. Повышается точность регулирования и четкость сработки ударных клапанов.
Эффективность устройства заключается в обеспечении его работоспособности. Процесс впуска воздуха в гидроцилиндр с жидкостью экономичен, так как используется атмосферный воздух при отсутствии энергоемких устройств и за счет улучшения компоновки распределительной арматуры.
На чертеже схематически показан гидравлический таран, продольный разрез.
Гидравлический таран содержит подающий трубопровод 1, воздушный колпак 2 с нагнетательным клапаном 3 и нагнетательный патрубок 4, связанный с емкостью 5. На трубопроводе 1 смонтированы патрубки 6, 7 и замкнутые полые мембранные гидроцилиндры 8, 9, выполненные в виде сферических емкостей, разделенных эластичной мембранной. Проходные сечения патрубков 6, 7 с ударными клапанами 10, 11 подобраны таким образом, что поступающая жидкость по патрубкам 6 и 7 в сумме несколько меньше объема жидкости сливающейся через патрубок 12, т.е. поперечное сечение трубки 12 больше площади сечения сливных трубок патрубков 6, 7. Мембраны 13, 14, разделяющие гидроцилиндры 8, 9, выполнены с жестким центром 15, 16. Жесткие центры 15 и 16 связаны штоками 17, 18. Последние шарнирно установлены на поворотном коромысле 19, закрепленном на оси 20 стойки 21, размещенной выше гидроцилиндров 8, 9. Кроме того, ударные клапаны 10 и 11 с уплотнениями, например из резины, расположены соответственно, ниже входного отверстия 22 патрубка 6, а клапан 11 - выше отверстия 23 патрубка 7, на внутренней поверхности которого закреплен ограничитель 24 хода с кольцевым элементом с проходными окнами (на чертеже не показано). Поворотное коромысло 19 соединено со штоками 17, 18, один конец которых снабжен ударными клапанами 10, 11. Полость 25 одного из гидроцилиндра 8 частично заполнена жидкостью 26, которая является попеременно весом для мембран 13 и 14, а замкнутая полая полость 27 гидроцилиндра 9 заполнена воздухом.
Гидравлический таран содержит устройство откачки полостей соответственно, гидроцилиндров 8, 9, выполненное в виде вакуум-насоса 28, 29 посредством пневмотрубок 30, 31. Кроме того, гидроцилиндры 8 и 9 сообщены между собой переливным трубопроводом 32 с вентилем-регулятором 34, концы которой снабжены сильфоном 33.
Полости гидроцилиндров 8 и 9 сообщены с атмосферой посредством воздухопроводящих трубок 35 и 36 через регулятор в виде трехпозиционного вентиля (крана) 37.
Гидравлический таран работает следующим образом.
В начальный период ударные клапана 10,11 открыты, а нагнетательный клапан 3 закрыт. Гидроцилиндр 8, частично заполненный жидкостью 26, под действием веса жидкости прогибает мембрану 13 вниз, и ударные клапана 10 и 11, соответственно, открыты, связанные с подающим трубопроводом 1 через вертикальные патрубки 6 и 7. Для запуска гидравлического тарана в работу вводится вакуум-насос 29 для выноса воздуха из полости 27 гидроцилиндра 8, под действием чего резко увеличивается поступление жидкости из полости 25 гидроцилиндра 8 через трубопровод 32 с вентилем 34 в гидроцилиндр 9 (в этот момент вакуум-насос 28 для гидроцилиндра 8 не работает, или он может перекрываться вентилем - на чертеже не показано), равновесие гидроцилиндров 8 и 9 нарушается, мембрана 13, разделяющая гидроцилиндр 8, прогибается вверх, а мембрана 14 - вниз за счет перемещения штоков 17 и 18. Таким образом, образование вакуума обеспечивает всасывание через переливной трубопровод 32 жидкости в гидроцилиндр 8 или 9. Доза подачи устанавливается при помощи вентиля 34. Увеличение скорости перекачиваемой жидкости приводит к увеличению частоты циклов работы вакуум-насоса и увеличению вакуума в полости и, следовательно, всасывается большее количество жидкости. В результате разности давлений происходит поступление жидкости из одного полого цилиндра в другой, и наоборот. Ударные клапана 10 и 11 одновременно (синхронно) резко закрываются, образуется гидравлический удар, энергия которого открывает обратный клапан 3, и жидкость поступает в воздушный колпак 2 и через нагнетательный патрубок 4 в емкость 5. Во втором мембранном гидроцилиндре процесс протекает аналогичным образом, т.е. вакуум-насосы работают поочередно, создавая разряжение и поступление жидкости через переливной трубопровод 32. Управление работой ударными клапанами сводится к управлению вентилем 34 на переливном трубороводе 32, т.е. расход жидкости устанавливается при помощи вентиля 34 изменением площади пропускного сечения, что влияет на частоту закрывания ударных клапанов (управление работой ударными клапанами 10 и 11 также может быть выполнено с присоединением компрессора, вырабатывающего сжатый воздух, и нагнетаемого в полость гидроцилиндра, частично заполненного жидкостью). Это управление осуществляется на месте вручную, так и дистанционно с помощью средств телемеханики управления перекачкой жидкости в полости гидроцилиндров 8 и 9.
Таким образом, управление через переливной трубопровод 32 гидравлической связи с вентилем 34 (реле времени) позволяет задавать скорость перетекания жидкости из одной полости гидроцилиндра 8 в другую полость гидроцилиндра 9, а значит, и увеличивать или уменьшать гидравлический удар в подающем трубопроводе 1, и процесс повторяется в уже описанной последовательности. В результате будет осуществляться заданный интервал времени за счет срабатывания ударных клапанов 10 и 11 на открытие или закрытие, соответственно, сливных трубок патрубков 6 и 7. Наличие сливной трубки 12, объединяющей подмембранные полости патрубков 6 и 7, способствует устойчивому надежному процессу подъема, опускания и удержания в верхнем и нижем положении ударных клапанов 10 и 11, расположенных в вертикальных патрубках 6 и 7, предохраняет от динамического воздействия потока воды на прямом участке подающего трубопровода. Управление ударными клапанами выполняется в автоматическом режиме.
Подобное расположение ударных клапанов на вертикальных патрубках, закрепленных на падающем трубопроводе 1, позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить надежность их работы.
Наличие воздухопроводящих трубок 35 и 36 с вентилем 37 обеспечивает поочередное и устойчивое пополнение атмосферным воздухом полости гидроцилиндра, заполненного жидкостью, в результате чего добиваются расхода всего необходимого для пополнения полости цилиндра 8 или 9 воздуха при очередной перекачки жидкости вакуум-насосом 28 или 29, в полости которого (при отсутствии в одном из них жидкости) формируется вакуум, и гидравлический таран начинает работать в более эффективном по перетоку жидкости через трубопровод 32 с вентилем-регулятором 34, т.е. ударные клапана 10 и 11 поочередно открывают и закрывают водовыпускные отверстия в вертикальных патрубках 6 и 7 на одну и ту же величину прогиба вверх мембран 14 и 15, сохраняя контакт с сильфонами оголовками 33 в виде гибких патрубков на концах переливного трубопровода 32 с вентилем 34, т.е. в рассматриваемом случае имеет место следящая система с поддержанием работоспособности вакуум-насоса 28 и 29.
Для предотвращения нарушения прочности материала мембран 13 и 14 при движении штока 18 вверх, соответственно, штока 17 вниз, вертикальный патрубок 7 снабжен кольцевым фиксатором 24 на внутренней стенке, выполненным в виде кольцевого обода с окнами (последние не показаны), выше ударного клапана 11, а сами клапаны 10 и 11 снабжены уплотнительным элементом, например резиной.
Сильфоны 33 на концах переливного трубопровода 32 располагаются выше эластичных мембран 13 и 14. Это необходимо при контакте с мембранами иметь свободный ход сжатия, не нарушая прочность последних.
Отсутствует запаздывание работы гидроцилиндров 8 и 9 непосредственно перед включением в работу вакуум-насоса 28 или 29 в момент перекачки (отсоса) жидкости - работа происходит в согласовании режимов работы элементов устройства.
Эффективность изобретения заключается в том, что оно обеспечивает реализацию технологических схем при работе гидравлического тарана в автоматическом режиме в пределах, заданных устройству. Повышается чувствительность и надежность в переходных режимах срабатывания ударных клапанов. Мембранные приводы работоспособны в диапазоне перетока жидкости в замкнутой полой полости гидроцилиндра и не предъявляют высоких требований к качеству воды, а сам процесс регулирования перетока жидкости в гидроцилиндре, в режиме работы ударных клапанов, исключает непроизводительные сбросы жидкости в замкнутом полом мембранном гидроцилиндре. Кроме того, конструкция системы узлов проста и обеспечивает меньшую нагрузку на регулирование гидроудара в таране с меньшим тяговым усилием на ударные клапана. Таким образом, гидротаран имеет высокую надежность и работоспособность, а также КПД и является регулируемым в зависимости от скорости перетекания жидкости в гидроцилиндрах.