ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к области гидравлики, конкретно к конструкции гидравлических таранов, и может быть использовано при проектировании систем транспортировки жидкости, в практике машинного подъема в системе мелиорации и водного хозяйства.
Известен воздушный колпак гидротарана, содержащий корпус с воздушной жидкостной полостями, впускным клапаном и штуцером на напорной магистрали, колпак снабжен поршнем, разделяющим корпус на воздушную и жидкостную полости, и жестко закрепленным подпружиненным штоком, на котором установлен ограничитель хода (Авторское свидетельство SU №1224464, F04F 7/02 от 15.04.1986).
Недостатком гидротарана является низкая производительность. Конструкция ударного клапана позволяет закрывать проходное сечение питающего трубопровода, однако большая инерционность в работе его снижает производительность тарана. Другим недостатком является использование дополнительного компрессора, сложность устройства. Кроме того, работа его не предусматривает регулировку, а также неполное использование его потенциальных возможностей связанных с перемещением поршня в виде ударного клапана вверх-вниз, во время холостого хода, при этом не может полностью использовать энергию жидкостного потока, подаваемую в вакуумную полость рабочих участков за жидкостным ударным клапаном.
Известно также мобильное гидротаранное устройство, содержащее усеченный конус, ударный и нагнетательный клапаны, гидравлический баллон, питательный трубопровод, посредством нагнетательного клапана сообщенный с гидропневматическим баллоном, и резервуар, при этом устройство снабжено диафрагменным узлом и насосом с поршнем и расположено как минимум на двух баллонах, заполненных избыточным давлением воздуха, при этом на питательном трубопроводе герметично закреплен диафрагменный узел, диафрагма которого кинематически соединена с поршнем насоса для подачи воды в резервуар, пространство над диафрагмой диафрагменного узла соединено через трубопровод с окружающей средой, а пространство под клапаном ударного клапана соединено с трубопроводом, свободный конец которого расположен выше уровня воды в реке, но ниже уровня воды перед раструбом усеченного конуса (Патент RU №2382912, F04F 7/02 от 27.02.2010).
Недостатком описанного устройства является то, что диафрагма выполнена из эластичного материала, который является гасителем гидравлического удара и уменьшает величину давления в трубопроводе при гидравлическом ударе. Это влечет к снижению высоты подъема жидкости, а следовательно, к уменьшению производительности данного устройства. Другим недостатком является то, что скорости течения в трубопроводе будет недостаточно для осуществления резкого гидроудара и для поддержания работы устройства необходим большой перепад воды (напор). Следующим недостатком является то, что рычаг, закрепленный на оси, не дает достаточной чувствительности работы привода штока для управления диафрагмой с пружиной, что ведет к резкому возрастанию сил сопротивления и погрешности поддержания перепада (уровня) жидкости в реке и перед раструбом, т.е. связано со сжатием пружины, перемещению штока вверх, в конечном итоге это связано с насосом. Устройство также требует применения дополнительного воздуха, а также сложно в управлении синхронной работой ударного клапана и насоса - это приводит к ненадежности и точности определения и регулирования количества жидкости, поступающей в напорную емкость.
Известен гидропневматический таран, содержащий питающую трубу с рабочей камерой, нагнетательный клапан, основной воздушный колпак с нагнетательным патрубком, силовой цилиндр с поршнем и обратным клапаном и емкостью, дополнительный воздушный колпак с обратным клапаном и патрубком, соединенным с рабочей камерой через обратный клапан, а с емкостью через патрубок, и установлен после силового цилиндра, последний имеет напорный воздуховод и выходные отверстия, причем ударный клапан выполнен в виде подпружиненного усеченного конуса (Авторское свидетельство SU №1328588, F04F 7/02 от 07.08.1987).
Недостатком известного гидропневматического тарана является недостаточная надежность подпружиненного усеченного конуса, так как он несет в себе большие гидродинамические нагрузки в работе, что снижает его долговечность и ведет к поломкам. В силовом цилиндре происходит движение вверх поршня, что требует больших усилий давления воздуха, т.е. запаздывание работы ударного клапана на подъем жидкости на высоту, определяемую разностью горизонтов места расположения гидропневматического тарана и рабочей камеры. То есть снижается производительность, хотя динамическая нагрузка на ударный клапан значительна и сила удара по трубе увеличивается, а регулирующая пружина имеет ограниченный (фиксированный) ход для ударного клапана. Основной недостаток также в том, что таран нельзя рекомендовать для длительной работы, когда мутность воды значительна (глина, песок и т.д.), так как ударный клапан в виде подпружиненного усеченного конуса может заклинить. Все это не позволяет получить требуемую подачу жидкости потребителю. Таран не имеет приспособления систематической подачи воздуха в автоматическом режиме. Поэтому ударный клапан (узел) находится в воде; сложен в изготовлении, доступ к клапанам невозможен, низка его надежность.
Известен гидравлический таран (прототип), содержащий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющей круглую форму поперечного сечения равного с ним диаметра, ударный клапан и нагнетательные клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, при этом ударный клапан содержит гидравлический привод, механизм управления 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, F04F 7/02 от 10.08.2013).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность и быстродействие из-за гидравлического сопротивления, вызванное поршневым серводвигателем, связанным с 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 трубопровода. Кроме того, имеет место большой сброс жидкости из-за длительности времени переключения поршневого серводвигателя (запаздывания) при повторном разгоне потока.
Технический результат заключается в повышении быстродействия и надежности в работе в переходных режимах и упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что гидравлический таран, содержащий питающий трубопровод с рабочей камерой, являющейся его продолжением, имеющей круглую форму поперечного сечения, ударный и нагнетательные клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, вторую камеру с отводящим трубопроводом, при этом нагнетательный клапан имеет седло выше питающего трубопровода, рабочая камера выполнена в виде регулировочной емкости, вторая камера выполнена в виде емкости, подсоединенной к двум водовыпускам, установленным в ней в одной вертикальной плоскости и связанным с отводящим трубопроводом, при этом таран снабжен вторым ударным клапаном, причем первый ударный клапан образован щитовым затвором, установленным на расходном отверстии нижнего водовыпуска, а второй - сегментным щитом, установленным на расходном отверстии верхнего водовыпуска, выше верхнего водовыпуска установлен трехзвенный шарнирно-рычажный механизм, который при помощи тяг связан с сегментным щитом, установленным на оси вращения рычага, и щитовым затвором, установленным на горизонтальной оси вращения.
Кроме того, емкость снабжена сливным сифоном, входное отверстие которого размещено в нижней ее части.
Такая конструкция тарана путем расположения одной из камер в виде емкости после воздушного колпака, включающая два расходных водовыпуска с косыми срезами с одной стороны, позволяет воде полным сечением быстро заполнять емкость и проводить затем сработку сифоном по откачке из нее воды, при этом наполнении, емкости обоих запорных механизма быстро закрывают впускные расходные отверстия, соответственно обеспечивается плотное прилегание затворов по касательной плоскости. При этом уровень в регулирующей емкости поднимается вместе с поплавковым приводом, поворачивает ось вместе с ударным щитовым затвором, а также сегментный щит на оси вращения рычага.
Таким образом, в этот момент щитовой затвор и сегментный щит в паре сохраняют практически на трехзвенным шарнирно-рычажном механизме повышенную точность поддержания напора в емкости перед воздушным колпаком с помощью расположения на разной высоте двух водовыпусков в регулирующей емкости, диаметры которых могут быть различными, соответственно, различна их пропускная способность. Это позволяет обеспечить мгновенный возврат всего объема воды подпираемыми затворами (щитами), снижая время разгона и обеспечивая значительное большое поступление воды в воздушный колпак. Кроме того, сила гидравлического давления на криволинейную плоскость отличается от давления на вертикальную плоскость (в прототипе), поэтому профиль среза водовыпускных расходных отверстий, перекрытых ударными щитами, обеспечивает благодаря кинематической связи между рычагами и щитами (затворами).
Таким образом, происходит попеременное наполнение регулирующей емкости водой, за счет закрытия и открытия выпускных отверстий, при этом при наполнении регулирующей емкости поплавок находится в нижнем положении (заданного наполнения), далее поплавок подымет рычаг, а сифон опорожняет регулирующую емкость.
Благодаря обтекаемости и снижению энергии отраженной ударной волны возрастает полезная работа гидротарана и достигается повышение производительности тарана.
Все это обеспечивает уменьшение инерционности ударных затворов (щитов) в переходных процессах, т.е. возможностей связанных с перемещением ударных клапанов вверх-вниз.
Конструкция проста и надежна для полевых условий, вследствие чего достигнут уровень автоматизации данного устройства по сравнению с известными, и это повышение обусловлено связью двух емкостей между собой, одна из которых оснащается сопловым газожидкостным эжектором, а другая - расположением конструкции трехзвенного шарнирно-рычажного механизма, связанного со щитовым затвором (ударным) и сегментным щитом (ударным) в паре с поплавковым приводом.
Таким образом, эффективность устройства обеспечивается за счет улучшения компоновки элементов гидравлического тарана на коротком участке питающего трубопровода. На чертеже схематически показан предлагаемый гидротаран, продольный разрез.
Гидравлический таран содержит питающий трубопровод 1 с рабочей камерой в виде регулировочной емкости 2 и гидроударный привод. В начале регулировочной емкости 2 установлен сопловый элемент 3 газожидкостного эжектора 4. Газожидкостный эжектор 4 включает в себя воздухозаборник 5, перекрытый обратным клапаном 6, и вентиль 7, сообщенный с атмосферой. Воздухозаборник 5 с вентилем 7 может быть также соединен с компрессором 8 с задвижкой 9.
Вторая камера выполнена в виде регулировочной емкости 12 и посредством диффузора 10 соединена с отводящим трубопроводом 11. Регулировочная емкость 12 присоединена к двум водовыпускам 13 и 14, установленным в ней в одной вертикальной плоскости и связанным с отводящим трубопроводом 11.
На расходном отверстии водовыпуска 13 установлен первый ударный клапан 15, который образован щитовым затвором, установленным на расходном отверстии нижнего водовыпуска 13, а второй ударный клапан 16 - сегментным щитом, установленным на расходном отверстии верхнего водовыпуска 14. Щитовой затвор установлен на горизонтальной оси 17, закрепленным на нижнем водовыпуске 13. Выше верхнего водовыпуска 14, в устоях 18 посредством оси 19 вращения, установлен трехзвенный шарнирно-рычажный механизм, включающий поворотный рычаг 20 с поплавком 21, который при помощи тяг 22 и 23 связан с сегментным щитом, установленным на оси 19 вращения рычага, и щитовым затвором, установленным на горизонтальной оси 17 вращения. Поворотный рычаг 20 с тягами 22 и 23 через шарниры 24 связаны со щитовым затвором. Кроме того, регулировочная емкость 12 содержит упор 25 (ограничитель) поворота сегментного щита.
Регулировочная емкость 12 снабжена сливным сифоном 26, входное отверстие 27 которого размещено в нижней ее части. Причем конструктивные параметры всех элементов могут быть различными в исполнении.
В верхней части регулировочной емкости 2 патрубок 28, который жестко заделан в плоское седло 29 с отверстием, перекрывается сверху, например, армированным нагнетательным клапаном 30, расположенным внутри воздушного колпака 31, имеющего нагнетательный трубопровод 32 и приемный резервуар 33.
Гидравлический таран работает следующим образом.
Из питающего трубопровода 1 через сопловый элемент 3 газожидкостного эжектора 4 вода поступает в регулировочную емкость 2. При подаче воды из питающего трубопровода 1 в сопловый элемент 3 она сжимается в узком сечении и с возрастающей скоростью попадает в регулировочную емкость 2, создавая в газожидкостном эжекторе 4 разрежение, за счет чего происходит засос воздуха из атмосферы через воздухозаборник 5. Так как воздухозаборник 5 не имеет изгибов, связан с атмосферой или с компрессором 8 прямоточно, потери давления при подсосе воздуха минимальны, вследствие чего степень аэрации воды увеличивается. На выходе из соплового элемента в регулировочной емкости 2 полностью происходит смешивание водовоздушной смеси. При этом ударные клапаны 15 и 16, соответственно выполненные щитовым затвором и сегментным щитом, внутри регулировочной емкости 12 находятся в положении открытия под действием веса поплавка 21 и веса ударного клапана 15 в виде щитового затвора. При этом благодаря наличию ограничителя 25, ударный клапан 16 в виде сегментного щита не может подняться выше над вторым открытым верхнем водовыпуском 14, и расходное отверстие его остается открытым, как и в первом нижнем водовыпуске 13, соответственно, регулировочная емкость 12 наполняется водой до расчетного уровня. Благодаря быстрому заполнению водой регулировочной емкости 12 ударные клапаны 15 и 16 начинают одновременно резко подниматься за счет всплытия поплавкового привода 21. Ударный клапан 15 перекрывает нижний водовыпуск 13 благодаря косому срезу по вертикали, а также ударный клапан 16 перекрывает верхний водовыпуск 14. Поток в отводящем трубопроводе 11 останавливается, вызывая прямой гидравлический удар в регулирующей емкости 2, создавая избыточное давление. Часть потока с растворимым в нем воздухом через патрубок 28 беспрепятственно устремляется к отверстию опорного седла 29, открывая нагнетательный клапан 30, и поступает в воздушный колпак 31, наполняя дополнительно полость его воздухом, сжимает образовавшуюся подушку и поступает в нагнетательный трубопровод 32 на высоту h к потребителю.
Патрубок 28 выполнен из стандартного изделия, легко вписывается как соединительное звено плоского опорного седла 29 с круглой поверхностью питающего трубопровода (регулировочной емкости 2), чем также достигается поставленная одна из задач в целом (технический результат). В это время происходит зарядка сифона 26 - регулировочная емкость 12 опорожняется.
Расположение конструкции трехзвенного шарнирно-рычажного механизма, связанного с ударным клапаном 15 в виде щитового затвора и ударного клапана 16 в виде сегментного щита в паре, сохраняет практически заданный объем воды в регулирующей емкости 12 накопления до сработки ее сифоном 26, чем также достигается задача (технический результат), контактируя с регулирующими расходными отверстиями нижнего водовыпуска 13 и верхнего водовыпуска 14.
Согласованность работы тарана осуществляется узлом работы конструкции трехзвенного шарнирно-рычажного механизма со щитами и работой сифона, а также регулируемым объемом воды в регулировочной емкости 12. При этом диаметры двух водовыпусков, нижнего 13 и верхнего 14, могут быть различными, соответственно, различна их пропускная способность, и это также повышает надежность и быстродействие в работе, и повышается производительность тарана. Наличие механизма управления с поворотным сегментным щитом в верхнем положении при открытии и перемещении происходит с последующей фиксацией за счет упора 25, а щитового затвора при закрытии и перемещении происходит за счет плотного прилегания, благодаря косому срезу по вертикали контактируя с нижним водовыпуском 13. Далее осуществляется новый цикл гидроудара и нагнетания воды в трубопровод 32.
Следует отметить, что колпак тарана систематически наполняется воздухом из воды. Получение автоматической подачи воздуха и получение газожидкостной смеси в колпак является самым простым и экономичным через воздухозаборник при работе газожидкостного эжектора.
Таким образом, это позволяет исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гидравлического тарана и расположением конструкции трехзвенного шарнирно-рычажного механизма, связанного со щитами (ударными клапанами), повысит полезную работу гидроудара в регулирующей емкости 2, энергия которого открывает нагнетательный клапан воздушного колпака. При падении давления в регулировочной емкости 2 ударные клапаны 15 и 16 (соответственно, щитовой затвор и сегментный щит) вновь закрывают расходные отверстия нижнего водовыпуска 13 и верхнего водовыпуска 14.
Эффективность тарана заключается в простоте конструкции и эксплуатации, возможности быстродействия сработки и повышении производительности, возможности снижения инерционности действия в работе. Кроме того, колпак постоянно пополняется воздухом, образуя резко гидроудар, позволяет создавать водовоздушную смесь заранее заданной плотности в колпаке, что определяет высоту подъема в зависимости от изменяющихся условий движения потока в регулировочной емкости. Это в целом также обеспечивается благодаря задатчику (поплавка), сифону и кинематической связи между рычагами ударными клапанами.