ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемников в системе мелиорации и водного хозяйства.
Известен гидротаран, содержащий подающий трубопровод с ударным клапаном и расположенный на трубопроводе воздушный колпак с обратным клапаном и напорной магистралью, ударный клапан выполнен в виде поршня, имеющего диагональный срез со стороны колпака и расположенного перпендикулярно оси подающего трубопровода (Авторское свидетельство СССР №918576, кл. F04F 7/02, 1982).
Недостатком данного тарана является отсутствие согласованности работы ударного и нагнетательного клапанов, приводящие к снижению надежности из-за необходимости часто производить положение поршня вертикально, вызывающего при закрытии резкие удара. Это приводит к разрушению стенок трубопровода, т.е. малая надежность. В конечном счете, приводит к снижению долговечности деталей устройства и КПД в целом. Конструкция ударного клапана утяжелена и сложна. Рабочий поток в трубопроводе часто имеет агрессивную среду (мелкий песок, глина и т.д.), что в итоге затрудняет работу ударного клапана. Кроме того, возникают большие гидравлические сопротивления поршня, и происходит торможение движению ударного клапана при низкой производительности.
Известен также 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, 1984).
Недостатком известного 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 исскуственная подзарядка компрессора через винтовую пробку в крышке, что приводит и к удорожанию эксплуатации гидравлического тарана.
Общий анализ работы насосов показывает, что в них должен осуществляться обмен энергии между жидкостью и каким-либо движущимся рабочим органом, к которому подводится энергия.
Таким образом, необходимо отметить, что нужен такой принцип насоса, в котором жидкость движется под силовым воздействием в камере, имеющей постоянное сообщение с входным и выходным патрубками.
Цель изобретения - увеличение производительности путем преобразования энергии напорного потока в механическую энергию.
Поставленная цель достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем напорный трубопровод, соединенный с ним воздушный колпак с впускным клапаном, трубу, соединяющую колпак с водонапорной емкостью, установленный в корпусе поршень и ограничитель хода его, причем поршень закреплен на штоке, таран содержит гидравлический привод, выполненный в виде двух механических, связанных между собой поршневого серводвигателя одностороннего действия и дроссельного клапана, причем поршень размещен в цилиндре, установлен параллельно напорному трубопроводу, ось шарнира клапана расположена между осью трубопровода и его стенкой, при этом он дополнительно снабжен корпусом, закрепленным к перегородке и размещенным в камере, сообщенной с отводящим трубопроводом, полости которых сообщены с напороприемным патрубком, причем корпус содержит мембранный привод, выполненный в виде эластичной мембраны, жестко закрепленной на штоке, пропущенном через крышку, на нижнем конце которого закреплен клапан с возможностью контактирования с впускным отверстием корпуса, связанного с напороприемным патрубком, при этом верхняя полость мембранного привода снабжена обратным клапаном и зарядной трубкой, причем зарядная трубка соединена с напороприемным патрубком.
Такая конструкция гидравлического привода обеспечивает автоматизацию гидравлического тарана для управления дроссельным клапаном (ударным) при совместной работе герметичного корпуса, расположенного в камере, соединенного жестко с перегородкой и с отводящим трубопроводом. Максимальное давление, развиваемое поршневым насосом, соединенным штоком с рычагом клапана, ось поворота последнего несколько смещена от оси трубопровода к стенке его, снижает силу давления на клапан для поворота его вокруг оси значительно благодаря тому, что подъем осуществляют большую часть ударного клапана, выполненного в виде дроссельной заслонки. Кроме того, момент сил гидродинамического воздействия жидкости на стенку ударного клапана можно уменьшить за счет изменения расчетом длины поворота рычага. Сам ударный клапан является обтекаемым при отсутствии значительной торцевой площади. Этим обеспечивается полное перекрытие клапаном трубопровода, учитывая наличие связи с блокирующим поршневым насосом.
Ударный клапан открывается только тогда, когда сработает управляющее устройство, выполненное в виде корпуса, размещенного в камере и закрепленного жестко к перегородке с отводящим трубопроводом. Опорожнение полости корпуса, выполненного с мембранным приводом, определяется открытием обратного клапана, закрепленного на штоке, и выпуск воды в отводящий трубопровод, который имеет связь с гидравлическим ударом в напорном трубопроводе, происходит соответственно с распространением гидравлической волны в последнем. При этом обеспечивается значительное снижение давления сверху на мембрану, поскольку верхняя ее полость освобождается от жидкости за счет эффекта вакуума при вступлении в работу напороприемного патрубка, связанного с зарядной трубкой. В результате чего рабочая пружина корректирует соответствующим перемещением вниз положение запорно-регулирующего обратного клапана на впускном отверстии патрубка и сохраняет момент, необходимый для закрытия клапана, одновременно за счет открытия обратного клапана в верхней части корпуса и происходит поступление жидкости в надмембранную полость, что требует необходимого плотного закрытия клапаном водопропускного отверстия в корпусе при незначительном времени.
Исполнительный механизм корпуса в виде мембранного привода, имеющий относительно небольшие размеры, обеспечивает процесс протекания гидроудара в напорном трубопроводе и регулирования поршневого серводвигателя одностороннего действия с ударным клапаном, выполненным в виде дроссельной заслонки.
Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции, повышает точность регулирования и быстродействие в работе, при этом работа с агрессивной средой надежна, отсутствуют резкие удары при контакте с трубами при смене закрытия или открытия ударного клапана. Кроме того, таран характеризуется надежностью обеспечения за счет устойчивого момента закрывания ударного клапана, соединенного шарнирно рычагом со штоком поршневого серводвигателя, связанного с напорным трубопроводом.
На чертеже представлена принципиальная схема гидравлического тарана.
Гидравлический таран содержит напорную магистраль трубопровода 1, соединенный с ним воздушный колпак 2 с нагнетательным клапаном 3 и нагнетательным патрубком 4, соединенный с водонапорной емкостью 5, Гидравлический привод выполнен в виде механических, связанных между собой поршневого серводвигателя 6 одностороннего действия и ударного клапана 7 в виде дроссельной заслонки, установленной с горизонтальной осью 8 вращения, расположенной между осью напорного трубопровода 1 и его стенкой и делящей клапан 7 на две неравные части 9 и 10. С внутренней стороны клапана 7 установлен поплавок-противовес 11, охватывающий край клапана 7 со стороны части 10. Один конец оси 8 пропущен через корпус трубопровода 1 наружу и соединен через рычаг 12, свободный конец которого шарнирно соединен со штоком 13 с поршнем 14, установленным с возможностью перемещения в цилиндре 15, причем корпус серводвигателя 6 с цилиндром 15 расположен параллельно трубопроводу 1. При этом цилиндр 15 содержит упоры 16 и 17, а поршень 14 размещен между ними, причем упоры 16 и 17 выполнены с возможностью ограничения движения поршня 14. Ударный клапан 7 в виде дроссельной заслонки установлен с возможностью взаимодействия с упором 18, ограничивающий дополнительно поворот клапана 7 в трубопроводе 1. Цилиндр 15 поршня 14 расположен в непосредственной близости от напорного трубопровода 1 и снабжен напорной трубкой 19, сообщенной с напорным трубопроводом 1 в виде раструба 20.
Управляющее приспособление выполнено в виде управляющего мембранного привода и закреплено внутри корпуса 21, в котором эластичная мембрана 22 с жестким центром 23 закреплена на штоке 24 с обратным клапаном 25 с возможностью взаимодействия его с впускным отверстием корпуса, связанного с напороприемным патрубком 26 мембранного привода, причем верхняя полость 27 имеет внутри рабочую пружину 28, а в стенке - впускное отверстие с обратным клапаном 29. Шток 24 верхним концом пропущен через направляющие 30 и 31 в крышке 32.
Корпус 21 с мембранным исполнительным приводом жестко закреплен на патрубке 26 и зарядной трубке 33 к перегородке 35. Кроме того, зарядная трубка 33, соединенная с верхней полостью 27, изолированной от нижней полости 34 мембраной 22, подсоединена со стороны отводящего трубопровода 36 к патрубку 26.
Для оптимального подпора воды в напорном трубопроводе 1, соответственно, и увеличения напора перед раструбом 20 трубки 19, соединенной с силовым цилиндром 15 и с целью быстрого перемещения влево поршня 14, увеличения гидравлического удара клапаном 7 (клапан 7 может вращаться на оси 8 значительно быстрее), гребень переливной перегородки 35 установлен на определенной высоте, а именно для создания оптимального напора перед серводвигателем 6. Слив воды через гребень перегородки, выполненный в виде водослива, поступает в отводящий трубопровод 36.
Гидравлический таран работает следующим образом.
На магистральном трубопроводе 1 открывается задвижка (не показана), и при открытом ударном клапане 7 вода поступает до перегородки 35. Одновременно с этим, благодаря созданию напора, давление перед раструбом 20 трубки 19 увеличивается, и вода под действием давления поступает в рабочую полость серводвигателя в виде цилиндра 15, впускная трубка 19 которого является на момент срабатывания серводвигателя сливной при обратном перемещении поршня 14. Поршень 14 перемещается влево и поворачивает резко ударный клапан 7 против часовой стрелки (в положение закрытия) и удерживается в данном положении, пока не сработает исполнительный механизм, причем поплавок-противовес 11 дополнительно способствует ускорению поворота клапана 7 на оси 8 за счет возможности подъемной силы. Закрытие ударного клапана 7 вызывает гидроудар, энергия которого принуждает нагнетательный клапан 3 открываться. Вода через открытый нагнетательный клапан подается в воздушный колпак 2. При закрытии ударного клапана 7, одновременно за ним (поворот нижней части 9 в сторону перегородки), образуется обратная ударная волна в сторону перегородки 35. В этот момент, когда разность давления воды с двух сторон ударного клапана 7 станет больше силы тяжести клапана 25, происходит быстрое открытие водовыпускного отверстия корпус 21, связанного с напороприемным патрубком 26, и закрытие обратного клапана 29. Вода через патрубок 26 сливается в отводящий трубопровод 36, а из полости 27 вода быстро отсасывается через зарядную трубку 33 по отводящему патрубку 26 в вакуумную зону на выходе источника давления при заданном гидравлическом перепаде между верхним и нижнем бьефом. Из-за наличия расчетных диаметров рабочих отверстий и определенного расположения клапанов 25 и 29 в мембранном приводе имеет место отток воды в нижний бьеф отводящего трубопровода 36.
В результате падения уровня перед перегородкой 35 и снижения давления на участке перед входом в раструб 20 трубки 19 происходит быстрый слив из рабочей полости цилиндра 15 по трубке 19 в трубопровод 1. После освобождения полости цилиндра 15 и под действием обратного хода поршня 14 вода из полости цилиндра вытесняется в трубопровод 1 через раструб 20. При этом происходит одновременно открытие ударного клапана 7 до следующего момента, когда наступит заданный расчетный напор перед перегородкой 35, так как в клапане ее часть 10, расположенная справа от оси поворота, превышает по размерам левую часть 9, однако правая часть, расположенная в сторону направления рычага 12, шарнирно соединена со штоком 13 поршня 14, перемещается вправо, поворачивается клапан 7 по часовой стрелке (в положение открытия), и сила гидростатического давления на обшивку клапана 7 для поворота его вокруг оси значительно возрастает, обеспечивая дальнейшее открытие клапана 7, благодаря этому осуществляется движение поршня 14 в обратном направлении.
С осью клапана механически связано перемещение поршня до ограничителя корпуса, что обеспечивает вновь принятия исходного горизонтального положения в трубопроводе 1, т.е. момент веса его правой части относительно оси больше момента веса его левой части. С осью 8 клапана 7 механически могут быть связаны конечные электрические выключатели, сигнализирующие о крайних положениях клапана 7 (не показано).
Пружина 28 корректирует соответствующим перемещением вниз положение запорно-регулирующего клапана 25 над впускным отверстием корпуса 21, связанного с патрубком 26. При этом через патрубок 26 обеспечивается ранее заданный сбросной расход воды.
Время выпуска воды увязывается с обратной гидравлической ударной волной, соответственно, регулируется и время сработки уровня верхнего бьефа. В связи с небольшим объемом воды в надмембранной полости 27 при наполнении ее требуется незначительное время, необходимое для затрат энергии на изгибание мембраны вверх, и, наоборот, заполнение последней с корректирующей пружиной увеличивает давление в надмембранной полости.
Это обеспечивает поддержание заданного уровня перед перегородкой 35 и закрытия клапана 25, также и за счет корректировки плеча рычага 12, что уменьшает геометрические размеры гидравлического привода с поршневым серводвигателем 6, т.е. снижает материалоемкость.
После открытия ударного клапана 7 закрывается клапан 25. Рабочий цикл повторяется в описанной последовательности.
Эффективность гидравлического тарана заключается в том, что он прост по конструкции, повышает точность регулирования и быстродействие в работе, при этом отсутствуют большие нагрузки на трение в напорном потоке и снижается величина управляющих усилий при работе тарана. Кроме того, таран характеризуется надежностью обеспечения за счет устойчивого момента закрывания ударного клапана и отсутствия заиления полостей регулирующего мембранного привода.