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 и 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.
Известен также гидравлический таран, содержащий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющей круглую форму поперечного сечения равного с ним диаметра, ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, при этом ударный клапан содержит гидравлический привод, механизм управления и 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 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.
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 дух баллонах, заполненных избыточным давлением воздуха, при этом на питательном трубопроводе герметично закреплен диафрагменный узел, диафрагма которого кинематически соединена с поршнем насоса для подачи вод 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 вод 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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидропневматический таран (прототип), содержащий питающую трубу с рабочей камерой, нагнетательный клапан, основной воздушный колпак с нагнетательным патрубков, 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 гидравлические нагрузки в работе, что снижает его долговечность и ведет к поломкам, работающего в агрессивной среде. 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 в автоматическом режиме, поэтому ударный клапан (узел) находится в воде; сложен в изготовлении, доступ к клапанам невозможен, низка надежность.
Известны гидротараны SU: №1164473, F04F 7/02 от 30.06.1983; №1231281, F04F 7/02 от 15.05.1986; №1448123, F04F 7/02 от 30.12.1988.
Однако известные тараны сложны в изготовлении, регулировка их работы не предусмотрена, ход и напор, следовательно, КПД мал вследствие инерционности системы работы ударного клапана и значительного уменьшения частоты ударов ударного клапана.
Технический результат заключается в повышении надежности работы и упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что гидравлический таран, содержащий ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, воздухозаборник и выходной патрубок, таран снабжен вторым ударным клапаном и регулируемой водоналивной емкостью, рабочая камера выполнена в виде узла водораспределения, состоящего из газожидкостного эжектора, активное сопло которого подсоединено к напорному питающему трубопроводу, а воздухозаборник с обратным клапаном установлен над эжектором посредством подсоединения к камере и сообщен с последней, соединенной через диффузор с выходным патрубком, выходное отверстие которого перекрывается первым ударным клапаном, образованным плоской пластиной, связанной с шарнирно-рычажным приводом с поплавком, размещенными в регулируемой водоналивной емкости, снабженной сливным сифоном, при этом второй ударный клапан установлен на выходном отверстии впускного патрубка в регулируемой водоналивной емкости и связан через шток с шарнирно-рычажным приводом, причем впускной патрубок посредством дополнительной емкости гидравлически соединен с напорной трубкой выходного патрубка, при этом оба ударных клапана работают синхронно.
Кроме того, входное отверстие сливного сифона размещено в нижней части регулируемой водоналивной емкости.
Кроме того, дно регулируемой водоналивной емкости снабжено калиброванным выпускным отверстием с выпускным патрубком с вентилем.
Конструкция гидротарана, в частности, созданная в рабочей камере, установленный сопловый элемент газожидкостного эжектора повышает не только быстроту действия тарана и КПД, но и улучшает его эксплуатационные параметры за счет создания водовоздушной смеси под давлением в рабочей камере и движения этой смеси в сторону выходного патрубка. Первый ударный клапан выполнен плоским, закрепленным в конце выходного патрубка, отводящего воду, а второй ударный клапан перекрывает выпускное отверстие впускного патрубка, связанного с регулируемой водоналивной емкостью. Этим самым синхронно (одновременно) при закрытии обеспечивают полную герметичность выпускных отверстий патрубков при резком гидроударе, а также надежное их уплотнение при отсутствии заклинивания (закусывания) ударного клапана, при этом обратный клапан воздухозаборника, позволяет обеспечить регулировку положения поступления дополнительного воздуха в вакуумную полость эжектора, связанного с рабочей камерой (емкость эжектора связана с рабочей камерой), заполнение которой происходит под действием скоростного напора, чем в питающем трубопроводе, а давление меньше, поэтому камера наполняется смесью жидкости и газа, которые поступают через диффузор в выходной патрубок, а также в выходной патрубок с дополнительной емкостью, далее до момента закрытия обоих ударных клапанов. При заполнении регулируемой емкости до расчетного уровня, срабатывают синхронно (одновременно) оба ударных клапана, происходит гидроудар в рабочей камере, открывается нагнетательный клапан, и воздушный колпак заполняется водой. В камере смешения образуется водовоздушная эмульсия, которая поступает в полость колпака, так как в этот момент происходит интенсивно растворение кислорода воздуха в воде, т.е. вода поступает с пузырьками воздуха, пузырьки воздуха всплывают, и воздух накапливается в колпаке, способствуя постоянному накоплению его в колпаке, что постоянно поддерживает давление для подъема воды через нагнетательный трубопровод потребителю.
Узел газожидкостного эжектора представляет собой комплекс элементов, взаимосвязанных между собой в примыкающем сверху воздухозаборника и связан с рабочей камерой, выходного диффузора, далее в водоналивную емкость для работы поплавка шарнирно-рычажного привода.
Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции и технологичен в производстве. Сама работа тарана возможна при очень малых напорах. Все это, в целом, возможно благодаря компактному расположению всего устройства, что также экономит воду и дает возможность использовать на реках, каналах, имеющих ток воды, обеспечивающий работоспособность гидротарана.
Производительность также увеличивается за счет уменьшения длины питающего трубопровода в конце, которого установлено в работе газожидкостного эжектора, а также и всего узла в целом, что позволяет сократить время распространения обратной волны гидравлического тарана и увеличить частоту циклов и быстродействие.
На чертеже схематически показан предлагаемый гидротаран, продольный разрез.
Гидравлический таран содержит питающий трубопровод 1, рабочую камеру 2 и гидроударный привод. Рабочая камера 2 выполнена в виде узла водораспределения, состоящего из соплового элемента 3 и газожидкостного эжектора 4, активное сопло которого подсоединено к напорному питающему трубопроводу 1. Воздухозаборник 5 с обратным клапаном 6 и вентилем 7 установлен над эжектором и сообщен с атмосферой.
Гидроударный привод включает ударный клапан 8, образованный плоской закрепленной пластиной с шарниром 9 в конце выходного патрубка 10, который также связан управляющим приспособлением. Управляющее приспособление выполнено в виде регулируемой водоналивной емкости 11 с поплавком 12, сообщенной посредством впускного патрубка 13 с дополнительной емкостью 14, которая сглаживает обратную волну от второго ударного клапана 15 впускного патрубка 13 и работает с наполняемым воздухом, при этом выпускное отверстие впускного патрубка 13 перекрывается вторым ударным клапаном 15 в регулируемой водоналивной емкости 11. Регулируемая водоналивная емкость 11 снабжена сливным сифоном 16 выходное отверстие которого размещено в нижней части регулируемой водоналивной емкости 11. Дно регулируемой водоналивной емкости 11 снабжено сливным калиброванным выпускным отверстием 18 с выпускным патрубком с вентилем 19. Первый ударный клапан 8 посредством штока 20 шарнирно соединен с концом рычага 21, а шток 22 второго ударного клапана 15 и шток 23 поплавка 12 соединены шарнирно со средней частью рычага 21.
Другой конец рычага 21, шарнирно-рычажного привода, шарнирно присоединен к борту регулируемой водоналивной емкости 11. Кроме того, рабочая камера 2 посредством диффузора 24 гидравлически соединена с выходным патрубком 10 с напорной трубкой 25.
Таким образом, поплавковый шарнирно-рычажный привод включает в себя рычаг 21, закрепленный к борту регулируемой водоналивной емкости 11, шток 20 с первым ударным клапаном 8, шток 22 со вторым ударным клапаном 15 и шток 23 с поплавком 12. Колпак 26 снабжен нагнетательным клапаном 27. При этом колпак 26 соединен нагнетательным трубопроводом 28 с приемным резервуаром 29.
Гидравлический таран работает следующим образом.
При открытом ударном клапане 8 вода поступает из соплового элемента 3 газожидкостного эжектора 4 под давлением в рабочую камеру 2. Далее водовоздушная смесь поступает в диффузор 24 и происходит истечение воды в конце выпускного патрубка 10. Одновременно водовоздушная смесь через напорную трубку 25 поступает в дополнительную емкость 14 и впускной патрубок 13, далее в регулируемую водоналивную емкость 11, заполняет ее при открытом ударном клапане 15. Таким образом, процесс аэрации в рабочей камере в районе размещения над ней колпака 26 способствует процессу перемешивания, что насыщает воду пузырьками воздуха, т.е. образуется газожидкостная смесь. В этот момент поплавок 12 и поворотный рычаг 21 находится в нижнем положении. Регулируемая водоналивная емкость 11 наполняется, и как только вода достигнет определенного (заданного) наполнения, поплавок 12 поднимет шток 23, соответственно, штоки 22 и 20 и синхронно (одновременно) ударные клапана 8 и 15 закрывают слив воды выпускного патрубка 10 с клапаном 8, а также поступление воды через впускной патрубок 13 с клапаном 15, что вызывает резкое увеличение давления в рабочей камере 2 в зоне расположения колпака 26. Обратный клапан 6 автономного действия на воздухозаборнике закрывается, открывается нагнетательный клапан 27, вода поступает в колпак 26 и наступает такт нагнетания. Далее вода перемещается в приемный резервуар 29 через напорный трубопровод 28. Благодаря этому, поскольку обратный клапан 6 на воздухозаборнике 5 закрыт, накопившейся и растворимый воздух в воде, т.е. газожидкостная смесь из рабочей камеры 2, также сжимается и поступает в колпак 26. Колпак 26 дополнительно наполняется воздухом, выделяющимся из поступившей газожидкостной смеси, т.е. пополняет колпак 26 в момент такта нагнетания воды через трубопровод 28 в приемный резервуар 29, что также создает дополнительное вытеснение воды на более высокую отметку, работая в режиме насоса.
Сифон 16 заряжается - опорожняет регулируемую водоналивную емкость 11. Ударные клапаны 8 и 15 открывают выпускные отверстия выходного патрубка 10 и выпускного патрубка 13 синхронно, после чего цикл работы тарана повторяется в автоматическом режиме. В целом это позволяет снизить усилия, прилагаемые для маневрирования синхронно (одновременно) ударными клапанами 8 и 15. Согласованность работы тарана осуществляется узлом работы гидроударного шарнирно-рычажного привода, а также наличием регулируемой водоналивной емкости с поплавком и сифоном. Это позволяет обеспечить устойчивое положение ударных клапанов при резком закрытии синхронно, как и при открытии их для последующего создания газожидкостной смеси в рабочей камере перед колпаком на коротком рабочем участке, что позволяет повысить надежность и быстродействие в работе, и повышается производительность.
В том случае, когда количество поступления воздуха в воде необходимо изменить, то вентиль 7 воздуховода 5 регулируют на открытие или закрытие, что зависит от его накопления в колпаке 26. Степень открытия вентиля 7 воздуховода 5 дает возможность управлять количеством подсасывания воздуха эжектором 4 и, следовательно, необходимой степенью насыщения воды растворенным воздухом в рабочей камере 2.
К преимуществам конструкции гидротарана также относится то, что колпак систематически пополняется воздухом из воды. Исходя из того что запас воздуха во время работы тарана постепенно уменьшается в колпаке 26, который частично растворяется в воде и уходит с ней в нагнетательный трубопровод 28. Таким образом, растворимость воздуха в воде увеличивается с увеличением давления, поэтому наполнение воздуха в колпаке приобретает большое значение. Получение автоматической подачи воздуха и получение газожидкостной смеси в колпак является самым простым и экономичным через воздухозаборник при работе газожидкостного эжектора, когда вовлекают из воздухозаборника дополнительный объем воздуха. Количество дополнительной закачки и получения газожидкостной смеси зависит от действия скорости проталкивания воды через сопловый элемент газожидкостного эжектора рабочей смеси. Работа тарана связана с ударными клапанами и колпаком при наличии в целом узлов конструкции. Устройство имеет широкие возможности применения для различных рельефных участков.
Таким образом, это позволяет исходя из взаимосвязи и взаимозависимости основных узлов гидравлического тарана и расположения между ними воздушного колпака на питающем трубопроводе, повысить полезную работу гидроудара, энергия которого открывает нагнетательный клапан воздушного колпака.
Предлагаемое устройство создает условия, при которых подаваемый в разреженную газовую полость импульсно-жидкостный поток практически полностью передает свою сконцентрированную кинетическую энергию для сжатия и разрежения газа, что повышает расход вакуумированного газа. Кроме того, повышается уровень автоматизации при водоподъеме в системе мелиорации и водного хозяйства. Устройство исключает возможность засорения отверстия, устраняет потери нагнетательного расхода.