УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ ТРУБОПРОВОДА
PIPELINE INNER SPACE CLEANER

Изобретение относится к устройствам для очистки полых изделий, например трубопроводов, изнутри с помощью движущихся приспособлений и удаления отложений из полости трубопроводов. Известно «Устройство для удаления отложений из полости трубопровода», см. описание к авторскому свидетельству СССР №1484392, Кл. В08В 9/04, 1987 г., содержащее полый корпус с патрубком для рабочего агента и кольцевой полостью с эластичной наружной стенкой, установленной в корпусе по его оси с возможностью возвратно-поступательного перемещения золотника.
Это «Устройство» не обеспечивает удаление твердых отложений, требующих значительных по силе механических воздействий. Работа золотника недостаточно надежная, регулировка сложная.
Известно «Устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода», изложенное в описании к авторскому свидетельству СССР №578128, Кл. В08В 9/04, 1977 г., выполненное в виде насадки с реактивными соплами, имеющее меньший по диаметру наконечник с боковыми и центральными соплами. Для повышения эффективности очистки «устройство» снабжено золотником, выполненным в виде перфорированной втулки и расположенным внутри насадки. Наносимые осевые удары наконечником не имеют достаточной силы для разрушения отложений в трубе из-за необходимости реверсирования золотника путем перепуска рабочей жидкости в противоположные его полости.
При малой длине перемещения золотника наконечник не успевает приобрести достаточную энергию. Регулировка золотника сложная, а его работа недостаточно надежная.
Известное устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода содержит наконечник с режущими кромками, установленный на полом валу, на котором за наконечником размещены соответственно реактивная и турбинная камеры, последняя из которых имеет торцевые стенки с осевым отверстием для прохода вала и связанное с турбинной камерой средство подачи рабочей среды. Устройство включает в себя корпус 1 с задними реактивными соплами 2. С корпусом 1 на резьбе соединена втулка 3, в которую ввинчены шайбы 4 и 5 с образованием турбинной камеры 6. На втулку 3 навинчен штуцер 7 для соединения со шлангом подачи рабочего агента. Внутри устройства размещен полый вал 8, на котором жестко закреплены лопасти турбинки 9 и опорное кольцо 10. На передней части полого вала 8 на резьбе установлен наконечник 11 с режущими кромками.
Устройство снабжено эжекторной насадкой 12, установленной своим выходным соплом в осевом отверстии шайбы 5 торцевой стенки со стороны подачи рабочего агента. Эжекторная насадка 12 расположена соосно с полым валом 8 и сообщена с его внутренней полостью (каналом) 13. В шайбах 4 и 5, представляющих собой торцевые стенки турбинной камеры 6, выполнены отверстия 14 для направленной подачи рабочего агента соответственно на лопасти турбинки 9 и в реактивную камеру 15, образованную полостью корпуса 1. Шайба 4 одновременно является торцевой стенкой турбинной 6 и реактивной 15 камер.
Наконечник 11 выполнен в виде сменной головки. В зависимости от характера состояния и содержания отложений в полости и на внутренней поверхности трубопровода на наконечник 11 устанавливают соответствующие режущие элементы. Передняя часть сменной головки имеет торцовую фрезу 16 для разрушения твердых отложений в полости трубы, на лучевых кронштейнах 17 головки закреплены конусообразные спиральные ножи 18 с боковой кромкой резания для дополнительного разрушения отложений и их транспортировки в зону действия реактивных струй.
Наконечник 11 выполнен в виде фигурного ножа, лезвия 19 которого имеют S-образную форму с изгибом в средней части для получения более длинной линии среза. Такая сменная головка наиболее эффективна для разрушения рыхлых и пористых отложений, она имеет торцовую и боковую кромки резания. Но каждая сменная головка наконечника 11 непременно снабжена эксцентриковым вибратором 20 для придания устройству при его работе движения по конусной и цилиндрической спирали при очистке трубопроводов разного диаметра.
Эксцентриковый вибратор 20 жестко соединен с корпусом наконечника 11. Полый вал 8 выполнен с осевым каналом 13 для подачи рабочего агента в зону действия режущих элементов наконечника 1 для размыва разрушаемых отложений. На заднюю часть полого вала 8 жестко насажена турбинка 9, фигурные лопасти которой имеют вид шнековой спирали. Полый вал 8 установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, его продольное перемещение ограничено опорным кольцом 10 и опорным гнездом шайбы 5.
Устройство снабжено эжекторной насадкой 12, установленной своим выходным соплом в осевом отверстии торцевой стенки (шайбы) 5 со стороны подачи рабочего агента.
Для выполнения работ по очистке внутренней поверхности трубопровода устройство (см. изобретение СССР а.с. №1768336, В08В 9/14) при помощи штуцера 7 соединяют со шлангом подачи рабочего агента.
Основным недостатком устройства является наличие на валу в турбинной камере шнека. Шнек не может развить большое количество оборотов. Вал имеет продольный канал для подачи рабочего агента. Во время работы вал постоянно прогибается и выходит из строя.
Рабочий агент, например вода, подается в заднюю часть турбинной камеры.
Лопасти турбины расположены шнекообразно. Вода, проходя через турбинную камеру, вращая турбину, толкает ее вперед. Вал турбины вращается на опорно-радиальных подшипниках или втулках. С увеличением подачи на турбину воды увеличивается продольное усилие на вал, что приводит к быстрому износу опорных втулок и опорно-радиальных подшипников. По указанным причинам устройство сложно конструктивно, малопроизводительно и ненадежно в работе.
Известное устройство (см. патент РФ на полезную модель №43201) состоит из следующих основных узлов и деталей: корпуса 1 с реактивной камерой 2 и реактивными задними соплами 3, турбинной камерой 4, с торцевыми стенками 5 и 6, в которых имеются отверстия 7 для направленной подачи рабочего агента на лопасти 11, 12 и в реактивную камеру 2 корпуса 1.
Устройство содержит вал 8, на переднюю часть которого установлен наконечник 9 с режущими кромками 10. На валу 8 в турбинной камере 4 жестко закреплены две лопасти 11, 12, лопасти к валу приварены и развернуты по отношению друг к другу крестообразно, под углом 90°.
Турбинная камера 4 имеет штуцер 13 для соединения со шлангом подачи рабочего агента.
Наконечник 9 выполнен в виде сменной навинтной головки.
Устройство имеет следующие недостатки:
- ненадежно в работе, т.к. реактивные сопла находятся в передней части в реактивной камере, поэтому уводят устройство в разлом очищаемой трубы;
- сложно конструктивно, т.к. имеет реактивную, турбинную и напорную камеры;
- при работе на высоких давлениях рабочего агента свыше 25 атм поток воды подает вперед и заклинивает вал во втулке турбинной камеры.
Известно устройство для очистки внутренней полости трубопровода, см. патент на полезную модель РФ №46687, 7 МКИ В08В 9/04.
Устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: корпуса 1 с реактивной камерой 2 и реактивными соплами 3, турбинной камерой 4, с боковой стенкой 5 и фланцем 6, в стенке 5 имеются отверстия 7 для направленной подачи рабочего агента на лопасти 11 и в реактивную камеру 2 корпуса 1. Турбинная камера выполнена в виде полого цилиндра и установлена внутри напорной камеры. Напорная камера 12 навинчена на фланец турбинной камеры с образованием полости 17 для рабочего агента.
Устройство содержит вал 8, на переднюю часть которого установлен наконечник 9 с режущими кромками 10, на валу 8 в турбинной камере 4 размещены лопасти 11, выполненные на валу вдоль его оси вращения.
Лопасти 11 могут быть выполнены по отношению к воображаемой плоскости 18, в которой лежит ось вращения вала 8, пол углом α в пределах от 0° до 90°.
На торце напорной камеры 12 имеется штуцер 13 для соединения со шлангом подачи рабочего агента.
Наконечник 9 выполнен в виде сменной навинтной головки. В зависимости от характера, состояния и содержания отложений в полости на внутренней поверхности трубопровода может быть установлен соответствующий наконечник. Вал 8 установлен в подшипнике 15 и втулке 16.
Для выполнения работ по очистке внутренней полости трубопровода устройство при помощи штуцера 13 соединяют со шлангом подачи рабочего агента, например воды.
Устройство имеет следующие недостатки:
- реактивные сопла находятся в передней части устройства в корпусе. Поэтому при прохождении устройством разлома в стенке очищаемого трубопровода под воздействием реактивной тяги, создаваемой вырывающимся из сопел корпуса агентом, устройство уходит через разлом в грунт;
- наконечник, который разрушает отложения в трубопроводе, вращается впереди реактивной камеры, отчего происходит быстрый абразивный износ реактивной камеры;
- при работе на высоких давлениях свыше 25 атм поток воды подает вперед и заклинивает вал;
- устройство осложнено наличием реактивной и напорной турбинной камер.
Указанные недостатки не позволяют достигнуть технического результата, создаваемого предлагаемой полезной моделью.
Известно устройство, см. патент РФ на полезную модель «Устройство для очистки внутренней полости трубопровода» №53943, опубликован 10.06.2006 г., бюл. №16.
Устройство состоит из следующих узлов и деталей: корпус 1, реактивные сопла 2, отверстия 3 в корпусе 1, турбина 4, соединяющий болт 5, втулка 6, вал 7, лопасти 9, защитный кожух 10, отверстия 11 в кожухе, патрубок 12 на турбине, штуцер 14, режущий узел.
Корпус 1 содержит полость 15 для рабочего агента и втулку 6, на которой установлена турбина 4.
В устройстве отсутствуют реактивная турбина и напорная камера, существующие в аналогах по патентам на ПМ РФ №43201, поз.2, 4, 12; №46687, поз.2, 4, 12.
Отверстия 3 расположены с наклоном под углом α к воображаемой плоскости, проходящей через горизонтальную осевую линию, см. по А-А.
Лопасти 9 условно не показаны.
Турбина 4 закреплена на торце корпуса 1 болтом 5.
Болт 5 и втулка 12 имеют левую резьбу, поэтому во время работы болт 5 и вал 7, навинченный на втулку 12, не откручиваются.
Известно "Устройство для очистки внутренней полости трубопровода", см. патент РФ №2365436, приоритет 27.11.2007 г., бюл. №24 от 27.08.2009 г.
Устройство состоит из следующих узлов и деталей.
В корпусе 1 закреплен, например ввинчен, патрубок 19, имеющий внутреннюю полость 15, в которую под давлением поступает из штуцера 14 рабочий агент вода. На патрубке 19 установлена турбина 4 с лопастями 9. На турбине 4 навинчена головка 16. Лопасти 9 находятся внутри головки 16. Головка 16 содержит вал 7 с наконечником 8. На головке 16 установлены твердосплавные пластины 10. На патрубке 19 закреплена, например навинчена, напорная насадка 5 с отверстиями 3, через которые рабочий агент, например вода, поступает на лопасти 9.
Подшипник 6 защищен сальником 12 и шайбой 22, фиксирующей подшипник 6 в турбине 4.
Это устройство принято за ближайший аналог-прототип.
У прототипа техническое решение и конструкция не позволяют изготовить устройство меньшего внешнего диаметра, чтобы использовать его в трубах меньшего диаметра.
Патрубок 19 нельзя делать тоньше допустимых размеров, так как на нем вращается турбина 4, и он имеет полость 15, которая должна иметь диаметр, обеспечивающий подачу рабочего агента в достаточном количестве в напорную насадку 5 для отверстий 3. Напорную насадку 5 также нельзя сделать диаметром меньше допустимого размера, так как в ней создается высокое давление, при этом отверстия 3 в напорной насадке 5 не должны находиться ближе к осевой линии напорной насадки 5, так как это уменьшает расстояние подачи рабочего агента на лопасти 9, что резко снижает силу вращения турбины и делает устройство малоэффективным.
Прототип имеет внешний диаметр 65 мм, что не позволяет эффективно использовать его в трубах малого диаметра, например 70-100 мм, забитых крупными фракциями.
У прототипа влияет на увеличение его внешнего диаметра также то, что лопасти 9 находятся над напорной насадкой 5 внутри головки 16.
У предлагаемого изобретения лопасти 9 находятся над поверхностью вала 19 и выступают над поверхностью турбины 4 и при вращении турбины 4 помогают отбросу отложений назад, что улучшает движение снаряда.
Прототип, работая на одинаковом давлении рабочего агента, как и заявляемое изобретение, имеет меньшую силу вращения турбины 4, так как лопасти 9 турбины 4 имеют узкую поверхность. Если увеличить ширину лопасти 9, то это увеличивает диаметр турбины 4 и всего прототипа.
Указанные недостатки не позволяют достичь технического результата, создаваемого предлагаемым изобретением.
Задача и технический результат настоящего изобретения состоят в создании устройства для очистки внутренней полости трубопровода, позволяющего:
- расширить технологические возможности за счет уменьшения внешнего диаметра устройства;
- получить вращение турбины с большей мощностью без увеличения расходов рабочего агента:
- упростить изготовление и технологическое обслуживание устройства за счет расположения лопастей и подшипников;
- повысить КПД устройства за счет работы устройства на более низком давлении 30-120 атм, а также за счет движения устройства с помощью шнековых выступов и части лопастей, выступающих над поверхностью турбины.
Это достигнуто за счет новых технических решений, находящихся в причинно-следственной связи с техническими результатом.
Сущность заявленного изобретения выражается в совокупности нижеследующих существенных признаков.
В уже известном устройстве, содержащем турбину с лопастями, соединенную с ней головку с валом, на передней части которого установлен наконечник, а также содержащем корпус с реактивными соплами, выполненный в виде чаши с внутренней полостью, которая заполнена рабочим агентом, отличительными от прототипа, новыми существенными признаками являются следующие:
- в корпусе закреплен вал, на котором установлена турбина;
- лопасти турбины размещены между корпусом и валом;
- турбина выполнена в виде втулки с отверстиями, в которых закреплены лопасти с выходом наружу;
- вал может быть выполнен с осевым отверстием, а головка может содержать отверстия для выхода рабочего агента.
Определение прототипа как наиболее близкого аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном устройстве, которые изложены в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "новизна" по действующему законодательству.
Результаты поиска показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено предписываемых этим изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленными на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное решение соответствует требованию "изобретательский уровень".
На фиг.1 изображено устройство для очистки внутренней полости трубопровода в разрезе схематично, с вырывами.
Предлагаемое изобретение содержит корпус 1, реактивные сопла 2 в корпусе, отверстия 3 на валу, турбину 4, гайку 5, подшипник 6, вал 7, наконечник 8, лопасти турбины 9, твердосплавные пластины 10, режущие кромки 13, сальник 12, штуцер 14, головку 16, гайку 18, вал 19, шнековые выступы 21, полость 23 для выхода агента, внутреннюю полость 24 в корпусе 1.
Корпус 1 содержит вал 19, который может при необходимости иметь сквозное осевое отверстие (не показано) или может быть цельнометаллическим. Корпус 1 и вал 19 могут быть выполнены как единая целиковая корпусная деталь или могут быть соединены, например, резьбой. На валу 19 выполнены отверстия 3 для подачи рабочего агента на лопасти 9 турбины 4. Сквозное осевое отверстие в валу 19 служит для подачи рабочего агента в головку 16 с последующим ее выходом через отверстия (не показаны) в головке 16 для размыва отложений. При отсутствии сквозного осевого отверстия в валу 19 головка 16 выполнена без отверстий. Такая головка 16 применяется, например, в трубах, сильно заросших корнями или засоренных крупной щебенкой, где передний размыв малоэффективен.
На валу 19 установлена турбина с 4 с лопастями 9. Внутри турбины 4 установлен сальник 12. Турбина 4 вращается на подшипниках 6, которые удерживает гайка 5 и головка 16.
Головка 16 имеет твердосплавные полосы 10 и вал 7 с наконечником 8, который может иметь разную конструкцию, например режущие кромки 13.
Рабочий агент поступает через штуцер 14 в полость 24, из которой через отверстия 3 в валу 19 поступает на лопасти 9 турбины 4 и выходит наружу через полость 23.
Поверхность турбины 4 выполнена со шнековыми выступами 21, а также может быть гладкой и иметь навинчивающиеся сменные втулки с выступами для очистки непосредственно стен трубопровода.
В корпусе выполнены сопла 2, которые служат для создания реактивной тяги.
Устройство работает следующим образом. Рабочий агент, поступая через штуцер 14, заполняет полость 24 и, выходя наружу через сопла 2, реактивными струями отталкивается от стенок трубопровода и, размывая отложения, двигает устройство по трубопроводу.
Одновременно рабочий агент из полости 24 через отверстие 3 давит на лопасти 9 турбины 4, вращая турбину и головку 16. Вращаясь, головка 16 твердосплавными пластинами 10 и наконечником 8 разрыхляет отложения. Турбина 4 имеет шнековые выступы 21, которые при вращении турбины 4 способствуют продвижению устройства, как шнековый движитель, и вместе с выступами лопастей 9 отбрасывают отложения назад. Шнековые выступы 21 улучшают продвижение устройства в трубопроводах, заросших корнями, засоренных крупными отложениями и жирами, что является техническим результатом предлагаемого изобретения.
При необходимости вал 19 может иметь сквозное осевое отверстие, через которое рабочий агент вода поступает в головку 16. Головка 16 может иметь отверстия для выхода рабочего агента наружу и размыва отложений, как это сделано в прототипе, см. поз.11.
Турбина 4 вместо шнековых выступов 21 может иметь другие твердосплавные выступы для очистки внутренней полости трубопровода от твердых отложений. Это повышает КПД устройства как технический результат изобретения.
У прототипа патрубок 19 обязательно должен иметь полость 15 для подачи рабочего агента в напорную насадку 5 и иметь отверстия в головке 16 для выхода рабочего агента воды и размыва отложений.
У предлагаемого устройства вал 19 может быть цельнометаллическим или может быть выполнен со сквозным осевым отверстием. Вал может быть выполнен вместе с корпусом 1 как единая целиковая корпусная деталь, или вал 19 и корпус 1 могут быть соединены, например, резьбой. В обоих случаях рабочий агент поступает из полости 24 через отверстия 3 на лопасти 9 и выходит наружу через полость 23.
При необходимости размыва отложений вал 19 имеет сквозное осевое отверстие, как см. фиг.1 в прототипе поз.15, для подачи рабочего агента в головку 16 и выходит через отверстия, проделанные в головке 16. как в прототипе, см. поз.11.
У прототипа присутствует напорная насадка 5 с отверстиями 3.
У предлагаемого устройства напорной насадки 5 нет, а на вал 19 навинчивается гайка 5.
У прототипа лопасти 9 турбины 4 находятся в головке 16.
У предлагаемого устройства в головке 16 находится гайка 5, а лопасти 9 находятся между корпусом 1 и валом 19. Лопасти 9 закреплены в отверстиях турбины 4 с выходом наружу, что расширяет технологические возможности как технический результат.
У прототипа у турбины 4 сложно, например, фрезеровать лопасти 9, что усложняет изготовление турбины 4.
У предлагаемого устройства турбина 4 выполнена в виде втулки с отверстиями, в которые вставлены лопасти 9 и приварены под углом с выходом наружу, что упрощает изготовление и техническое обслуживание как технический результат.
У прототипа присутствует шайба 22, в которой находится сальник 12.
У предлагаемого устройства шайбы 22 нет, сальник 12 находится в полости турбины 4.
У прототипа техническое решение и конструкция не позволяют изготовить устройство меньшего внешнего диаметра, чтобы использовать его в трубах меньшего диаметра.
Патрубок 19 нельзя делать тоньше допустимых размеров, так как на нем вращается турбина 4 и он имеет полость 15, которая должна иметь диаметр, обеспечивающий подачу рабочего агента, например воды, в достаточном количестве в напорную насадку 5 для отверстий 3. Напорную насадку 5 в прототипе также нельзя сделать диаметром меньше допустимого размера, так как в ней создается высокое давление, при этом отверстия 3 в напорной насадке 5 не должны находиться ближе к осевой линии напорной насадки 5, так как это уменьшает расстояние подачи рабочего агента, например воды, на лопасти 9, что резко снижает силу вращения турбины и делает устройство малоэффективным.
Прототип имеет внешний диаметр 65 мм, что не позволяет эффективно использовать в трубах малого диаметра 70-100 мм, забитых крупными фракциями.
У предлагаемого устройства внешний диаметр 45 мм, что значительно расширяет технологические возможности как технический результат и применения его в трубопроводах малого диаметра.
У прототипа влияет на увеличение внешнего диаметра также то, что лопасти 9 находятся над напорной насадкой 5 внутри головки 16.
У предлагаемого устройства лопасти 9 находятся над поверхностью вала 19 и выступают над поверхностью турбины 4, при вращении турбины 4 помогают отбросу отложений назад, что улучшает движение устройства как технический результат.
Прототип, работая на одинаковом давлении рабочего агента, как и заявляемое изобретение, имеет меньшую силу вращения 4, так как лопасти 9 турбины имеют узкую поверхность. Если увеличить ширину лопастей 9, то это увеличивает внешний диаметр турбины 4 и всего прототипа.
Предлагаемое устройство, имея меньший внешний диаметр, чем прототип, имеет большую площадь лопастей 9 турбины 4 и при меньшем давлении и расходе рабочего агента с большей мощностью вращает турбину 4, что является техническим результатом и увеличением КПД устройства.
Прототип тяжелее предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство легче прототипа, что позволяет ему  преодолевать уступы и двигаться с меньшим давлением и расходом рабочего агента.
У прототипа, чтобы обслужить подшипник 6, необходимо открутить головку 16 от турбины 4, открутить напорную насадку 5 от патрубка 19, снять турбину 4 с патрубка 19, открутить шайбу 22 от турбины 4.
У предлагаемого устройства, чтобы обслужить подшипник 6, необходимо открутить головку 16 от турбины 4, открутить гайку 5 от вала 19, что упрощает техническое обслуживание как технический результат.
Предлагаемым изобретением достигается такой технический результат, как расширение технологических возможностей по очистке внутренних полостей трубопроводов с меньшим диаметром. Выполнять такие работы прототипом невозможно, так как у него лопасти 9 турбины 4 находятся внутри головки 16.
В сравнении с аналогичными устройствами для очистки трубопроводов заявленное устройство не имеет "капризных" золотников с их реверсионностью для осуществления движения рабочего наконечника, с необходимостью его вывода из "мертвого" положения и связанной с этим потерей мощности.
Заявленное устройство может быть применено для очистки подземных и наземных канализаций и иных трубопроводных систем для очистки труб от нагара, накипи и других отложений. Устройство особенно эффективно для очистки сильно забитых, продолжительное время не используемых и заросших канализаций.
У предлагаемого устройства внешний диаметр 45 мм, что позволяет эффективно использовать его в трубопроводах малого диаметра, например 70-100 мм, забитых крупными фракциями.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности использования изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения с помощью вышеописанных в заявке и предполагаемых средств. Следовательно, заявленное устройство соответствует требованию "промышленно применимо по действующему законодательству".
На заявленное устройство изготовлены рабочие чертежи, изготовлен и испытан опытный образец. Испытания показали высокую эффективность на очистке длительно бездействующих канализационных трубопроводов. Производительность увеличилась на 5%. Повысилась надежность, снизился коэффициент трения, повысился коэффициент полезного действия.
Устройство работает в широком диапазоне давлений от 30 до 200 атм.