ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции водоподъемных устройств импульсного действия, и может быть использовано при проектировании систем водоподъема в промышленности и сельском хозяйстве.
Известен электрогидравлический таран, содержащий магистральный трубопровод, корпус разрядного отсека с электродами и подвижный рабочий орган с контактными пластинами и ограничителями, разрядный отсек отделен от магистрального трубопровода рабочим органом, который выполнен в виде поршня, установленного в корпусе разрядного отсека (Авторское свидетельство SU №1196537, F04F 7/02 от 07.12.1985).
Недостатком известного тарана является сложность и низкое значение коэффициента полезного действия. При движении рабочего органа в корпусе разрядного отсека в виде поршня может вызваться его заклинивание, в частности, работающего в агрессивной среде (в воде), т.е. недостаточная надежность работы поршня в корпусе разрядного отсека, а значит необходимо подавать высокое напряжение к разрядным электродам в корпусе разрядного отсека, соответственно, происходит запаздывание для перекрытия магистрального трубопровода в целом.
Известен гидравлический таран, содержащий магистральный трубопровод, корпус разрядного отсека с электродами, подвижный рабочий орган, который отделяет разрядный отсек от магистрального трубопровода, и воздушный колпак, при этом в нем рабочий орган выполнен в виде упругих диафрагм (Авторское свидетельство SU №1242652, F04F 7/02 от 07.07.1986).
Однако этот таран недостаточно эффективен в работе вследствие того, что происходит регулирование подвижного рабочего органа в дополнительном корпусе, заполняемом водой, в котором накапливаются мелкие частицы грунта, происходит снижение надежности работы, следовательно, при таком условии не достигается эффективность его работы для импульса давления гидравлических ударов. Кроме того, большая инерционность, связанная с тягами, приводящими возвращение диафрагмы в исходное положение, снижает производительность тарана. При этом ненадежность упругих диафрагм сжатия и натяжения с помощью работы тяг теряется в продолжительности по времени, возможна поломка, т.е. усталость таких упругих диафрагм.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является гидравлический таран, содержащий рабочую камеру с ударным клапаном, имеющим корпус и размещенную в нем тарель, соединенную с напорной и сборной емкостью, воздушный колпак с нагнетательным клапаном и трубопроводом, рабочая камера снабжена разрядными электродами и упругой диафрагмой, соединенной с ударным клапаном, который снабжен контактными пластинами для подвода электропитания, размещенными на корпусе и тарели клапана (Авторское свидетельство SU №1173078, F04F 7/02 от 15.08.1985).
Недостаток ближайшего аналога - сложность конструкции, малое значение коэффициента полезного действия тарана. Кроме того, это устройство недостаточно эффективно в работе вследствие того, что регулирование происходит изменением собственным весом ударного клапана и упругой диафрагмы. Однако диафрагма с сальниковыми уплотнениями ударного клапана, хотя не допускает холостого сброса, но устройство ненадежно в работе самой диафрагмы в продолжительности по времени, возможна поломка (разрыв, т.е. усталость таких упругих диафрагм).
Задача изобретения - повышение эффективности его действия за счет дополнительной энергии в виде импульса давления гидравлических ударов и повышение надежности в работе.
Для решения поставленной задачи в гидравлическом таране, содержащем рабочую камеру с ударным клапаном, воздушный колпак со штоком нагнетательного клапана, упругую диафрагму, трубопровод и контакты блока питания, упругая диафрагма выполнена в виде мембранного ударного клапана со стороны торца внутреннего пространства рабочей камеры, изолированной от окружающей среды крышкой, шток нагнетательного клапана расположен в воздушном колпаке с воздуховодом, крышка которого имеет направляющее отверстие, выполненное соосно нагнетательному клапану, свободный конец которого расположен в отверстии крышки с возможностью открытия на такте подачи воды из рабочей камеры, причем шток нагнетательного клапана в верхней части снабжен открытым подвижным контактом с ограничителем, при этом мембранный ударный клапан выполнен с жестким центром, а рабочая камера снабжена электромагнитом, закрепленным в ее торце с возможностью контактирования с мембранным ударным клапаном и связанным с блоком питания и нормально-открытым контактом, выполненным с возможностью взаимодействия с открытым подвижным контактом штока нагнетательного клапана.
Кроме того, полость колпака в верхней части снабжена корпусом, охватывающим замыкание открытых контактов.
Кроме того, отверстие в крышке колпака соединено с системой подачи сжатого воздуха.
Кроме того, воздуховод снабжен обратным клапаном, установленным с возможностью открытия на такте нагнетания израсходованного воздуха в колпаке.
Упомянутой выше задачей, на решение которой направлено изобретение, также является и повышение эффективности работы путем подачи дополнительного воздуха через воздуховод с обратным клапаном и крышку колпака, что увеличивает высоту подъема воды, превышающую расчетную для определенного уровня рабочей камеры перед ударным клапаном (гибкой диафрагмой с электромагнитом).
Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции и технологичен в производстве.
На фиг. 1 - схема рабочей камеры (питающего трубопровода) с нагнетательным клапаном и открытым подвижным контактом в полости воздушного колпака; на фиг. 2 - схема расположения гидравлического тарана; на фиг. 3 - схема узла гибкой диафрагмы и электромагнита с целью питания последнего (вид сбоку).
Гидравлический таран содержит подающий трубопровод 1 и 2, который имеет рабочие камеры 3 и 4 с задвижками 5 и 6, подсоединенные к воздушному колпаку 7 и 8 и снабжены нагнетательным клапаном 9 и 10. Нагнетательный клапан 9 и 10 соединен со штоком 11 и 12 с пружиной 13 и 14, и таран имеет гидроударный привод. Гидроударный привод состоит из упругой диафрагмы, выполненной в виде мембранного ударного клапана 15 и 16 с жестким центром, и электромагниты 17 и 18, закрепленные в торце рабочей камеры 3 и 4, изолированные от окружающей среды крышкой 19 и 20. Воздушный колпак 7 и 8 закреплен сверху рабочей камеры 3 и 4. Отверстие 21 и 22 соединяет внутреннюю полость каждого колпака 7 и 8 посредством воздуховода 23 и 24 с системой подачи сжатого воздуха. Оба колпака 7 и 8 соединены между собой с компрессором 25 посредством трубы 26 с кранами 27 и 28. Отверстие 29 и 30 соединяет полость колпака 7 и 8 с полостью 31 и 32 рабочей камеры 3 и 4 и со стороны колпака 5 и 6, отверстие 29 и 30 выполнено в виде седла, предназначенного для нагнетательного клапана 9 и 10, который выполнен по форме тарелки и соединен со штоком 11 и 12 с пружиной 13 и 14.
Шток 11 и 12 верхним концом входит в отверстие 21 и 22 крышки 33 и 34 колпака 7 и 8 и снабжен контактом 35 и 36 с ограничителем 37 и 38. Отверстие 21 и 22 в крышке 33 и 34 служит в виде направляющих для штока 11 и 12. В цепь питания, соединяющую электромагнит 17 и 18 с блоком питания 39 и 40, включен нормально-открытый контакт 41 и 42, вмонтированный в воздушный колпак 7 и 8.
Шток 11 и 12 клапана 9 и 10 с пружиной 13 и 14 предназначен для воздействия на нормально-открытый контакт 41 и 42 на контакт 35 и 36 при закрытом положении нагнетательного клапана 9 и 10, т.е. положения клапана 9 и 10 в седле полости 31 32 рабочей камеры 3 и 4.
При закрытой задвижке 5 и 6 нагнетательный клапан 9 и 10 находится в крайнем нижнем положении и под действием собственного веса и растяжения пружины 13 и 14 плотно закрывает отверстие 29 и 30. Блок питания 39 и 40 электромагнита 17 и 18 при закрытой задвижке 5 и 6 отключен от электроэнергии.
Если рабочая камера 3 и 4 имеет более двух воздушных колпаков, то в этом случае нормально-открытый контакт 41 и 42 монтируется в одной из них.
Колпак 7 и 8 соединен трубопроводом 43 с приемным резервуаром 44.
Гидравлический таран работает следующим образом.
При открытой задвижке 5, 6 вода поступает в рабочую камеру 3 и 4. Клапан 9 и 10 находится в крайнем нижнем положении и под действием собственного веса и пружины 13 и 14, связанной со штоком 11 и 12, клапан 9 и 10 плотно закрывает отверстие 29 и 30. При этом шток 11 и 12 управляет системой контактов, включающих и выключающих электрическую цепь.
Внутренняя полость колпака 7 и 8 заполнена воздухом, поступившим от компрессора 25. Оба колпака 7 и 8 соединены между собой с компрессором 25 посредством трубы 26 с кранами 27 и 28. Блок питания 39 и 40 электромагнита 17 и 18 при закрытой задвижке 5 и 6 отключен от электросети.
При открытой задвижке 5 и 6 энергия течения воды создает давление воды в рабочей камере 3 и 4, которая закреплена крышкой 19 и 20, и давит на мембранный ударный клапан 15 и 16 с жестким центром, в полости между ними расположен электромагнит 17 и 18, подключенный к блоку питания 39 и 40 с нормально-открытым контактом 41 и 42.
Поскольку вес нагнетательного клапана 9 и 10 со штоком 11 и 12 и пружиной 13 и 14 сжатия превышает давление в рабочей камере 3 и 4, то отверстие 29 и 30 закрыто клапаном 9 и 10. В этот момент происходит замыкание контактов, срабатывает электромагнит 17 и 18 и приводит в действие мембранный ударный клапан 15 и 16. При сработке электромагнита 17 и 18 шток 11 и 12 воздействует на упругую мембрану (рабочий орган), который выполнен мембранным ударным клапаном 15 и 16, выполненным с жестким центром. Резкое движение мембранного ударного клапана 15 и 16, направленное против движения воды в рабочей камере 3 и 4, вызывает гидравлический удар. В момент нахождения прямой волны гидроудара наблюдается резкое повышение давления в рабочей камере 3 и 4. Это приводит к подъему нагнетательного клапана 9 и 10 вверх из седла отверстия 29 и 30. В результате повышенного давления определенная порция воды поступит из полости 31 и 32 в полость колпака 7 и 8, сжимая находящийся там воздух, который аккумулирует энергию гидроудара и наступает такт нагнетания, и вода перемещается посредством трубопровода 43 в приемный резервуар 44. При движении нагнетательного клапана 9 и 10 вверх воздействие штока 11 и 12 на нормально-открытый контакт 41 и 42 снимается, контакт 35 и 36 размыкается и электромагнит 17 и 18 отключается от блока питания 39, 40. При спаде прямой волны гидроудара и отключении электромагнита 17 и 18 мембранный ударный клапан 15 и 16 воздействует на шток электромагнита 17 и 18, мембранный ударный клапан в виде упругой диафрагмы возвращается в первоначальное положение, нагнетательный клапан 9 и 10 за счет своего веса и пружины 13 и 14 сжатия опускается и перекрывает плотно отверстие 29 и 30, шток 11 и 12 вновь замыкает нормально-открытый контакт 41 и 42, который включает электромагнит 17 и 18, движение мембранного ударного клапана 15 и 16 с жестким центром вызывает новый гидроудар и следующая порция воды из рабочей камеры 3 и 4 поступает под большим давлением в колпак 7 и 8 и вновь наступает такт нагнетания и вода перемещается в приемный резервуар 44.
При длительной эксплуатации гидравлического тарана запас воздуха в колпаке 7 и 8 уменьшается вследствие его растворения в воде и последующего уноса в приемный резервуар 44. С целью предотвращения такого явления предусмотрено пополнение запаса воздуха компрессором 25 по воздуховоду 23 и 24.
По мере накопления в сжатом воздухе подводимой энергии давление в колпаке 7 и 8 возрастает и значительно превышает давление, создаваемое только в рабочей камере 3 и 4 и воды на высоту поднятия дл пополнения приемного резервуара 44.
При многократном повторении циклов с гидроударами произойдет формирование установившегося расхода камеры 3 и 4 для перемещения воды в приемный резервуар 44.
Для того чтобы пополнение воздуха было постоянным давлением, для этой цели может устанавливаться редукционный клапан (не показан), пропускающий воздух из компрессора под определенным постоянным давлением.
Следовательно, можно предположить, что расчет пневматических установок с переменным давлением для пополнения колпака воздухом заключается в определении максимального давления воздуха как
макс
возд
мин
возд
вода
(Р+1)W=(Р+1)(W+W),
макс
мин
возд
вода
где Р - максимальное манометрическое давление воздуха в колпаке; Р - минимальное манометрическое давление, требуемое по расчету; W - объем колпака для воздуха; W - объем воды в колпаке.
При устройстве пневматических установок во всех случаях целесообразно применять автоматизацию, которая позволяет в значительной мере обеспечить надежность работы тарана.
Таким образом, растворимость воздуха в воде увеличивается с увеличением давления, поэтому при больших нагнетательных напорах снабжение воздухом приобретает особенно большое значение.
Согласованность работы тарана осуществляется узлом работы гидроударного узла (привода), а также наличием штока с пружиной, клапаном и нормально-открытым контактом. Устройство имеет широкие возможности применения для предгорных и равнинных участков, например реки или ручья. Этим обеспечивается достижение поставленной цели - повышение эффективности работы устройства, проявляющееся в увеличении расхода из рабочей камеры, т.е. ведет к повышению КПД гидравлического тарана. Применение гидравлического тарана также расширяет функциональные возможности и снижает эксплуатационные затраты. Устройство полностью устраняет потери нагнетательного расхода воздуха. Для прекращения работы тарана необходимо перекрыть задвижку на подпитывающем трубопроводе и отключить блок питания электромагнита от электросети.