ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства.
Известен гидравлический таран (гидротаранная установка), содержащий подающий трубопровод с ударным клапаном на конце и воздушный колпак с нагнетательным патрубком (Авторское свидетельство СССР №964259, кл. F04F 7/02, 1981).
Однако в известном устройстве торец подающей трубы при закрытом ударном клапане образует глухую преграду, на которой при гидроударе возникает отраженная ударная волна, распространяющая вдоль подающего трубопровода по направлению к источнику жидкости и уносящая часть энергии гидроудара. При этом энергия гидроудара, которая наиболее концентрируется в районе ударного клапана, частично рассеивается отраженной волной при подходе к нагнетательному клапану, поскольку ударные клапаны разнесены между собой на горизонтальном участке трубопровода. Кроме того, при прохождении воды через трубы и клапаны часть энергии гасится вследствие пульсации давления и завихрения потоков, что заметно снижает КПД устройства.
Известен гидропневматический таран, содержащий рабочую камеру с ударным и нагнетательным клапанами, основной воздушный колпак с нагнетательным патрубком, силовой цилиндр с поршнем и обратным клапаном и емкостью, при этом таран снабжен дополнительно воздушным колпаком с обратным клапаном и патрубком, соединенным с рабочей камерой через обратный клапан, а с емкостью - через патрубок и установлен после силового цилиндра, а последний имеет напорный воздуховод и выхлопные отверстия, причем ударный клапан выполнен в виде подпружиненного усеченного конуса (Авторское свидетельство СССР №1328588, кл. F04F 7/02,1985).
Недостатком известного гидропневматического тарана является отсутствие согласованности работы ударного и нагнетательных клапанов, так как при гидроударе возникает отраженная ударная волна, распространяющая вдоль подающего трубопровода и приводящая к снижению надежности из-за частой смены сжатия и снова открытия ударного клапана при наличии пружины, что и приводит к поломке ее и замены последней. Кроме того, разность давлений жидкости по длине в рабочей камере и перед каждым воздушным колпаком, работающих одновременно, снижает эффективность работы - низкий КПД, при этом нагнетательный клапан во время закрытия ударяется о металлическое седло, так как возникающая отраженная ударная волна непосредственно связана с клапаном разной конструкций ударного клапана. Свободный ход ударного клапана достаточно мал и не связан с объемным весом жидкости, так как расположен на горизонтальном участке рабочей камеры. Разборка и сборка такого клапана, являющейся операцией, которую часто приходится делать при эксплуатации гидротарана, выполняется с большими затруднениями.
Цель изобретения - повышение эффективности работы и расширения области применения путем использования энергии потока жидкости в подающем трубопроводе, синхронизации работы ударного и нагнетательных клапанов, и снижение динамического давления столба жидкости на нагнетательный клапан.
Поставленная цель достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем подающий трубопровод с ударным клапаном, воздушный колпак с нагнетательным клапаном и патрубком, цилиндр с поршнем, подающий трубопровод снабжен переключателем потока, насадком с выпускными отверстиями и снабженного рабочими участками, каждый из которых связан гидравлически с переключателем потока с направляющими для ударного клапана, причем направляющие состоят из вертикальных и наклонных отрезков. Кроме того, ударный клапан переключателя потока расположен ниже седла насадка, а запорный выше седла смещен относительно открывания впускного отверстия рабочего участка, сообщенного с воздушным колпаком через нагнетательный клапан, и в сторону закрывания выпускного отверстия переключателя потока, при этом задвижка с гидроприводом введена в трубопровод после переключателя потока.
3
Такая конструкция гидравлического тарана проста в эксплуатации, благодаря легкому доступу к клапанам. Выполнение гидравлического переключателя обеспечивает защиту ударного клапана ввиду его обтекаемости, надежности работы и поступление жидкости со стабильным расчетным расходом. При определенной плотности запорного шара (клапана), например, от 1,05 до 1,1 г/см относительно удельного веса воды будет устойчивое функционирование последнего в полости устройства. При прекращении подачи жидкости в рабочий участок с воздушным колпаком, благодаря наличию запорного шара (клапана) в насадке, происходит закрытие выпускного отверстия в переключателе потока, т.е. происходит быстрое закрытие отверстия при некоторой скорости оттока, что сохраняет остаток жидкости в рабочем участке, и тем самым создается возможность отсутствия сброса жидкости в переключатель потока (на момент освобождения его от давления жидкости). С помощью переключателя потока, работающего на энергии потока жидкости в рабочей камере, где при закрытии задвижки с гидроприводом с поршнем повышается объемный коэффициент полезного действия каждого воздушного колпака в отдельности по сравнению с аналогичными устройствами таранного типа. Устройство рабочих участков при гидроударе (они заполнены частично остатком жидкости) позволяет потоку жидкости при быстром закрытии ударного клапана в одной из секций переключателя потока двигаться поступательно вперед, возрастает полезная работа гидроудара и достигается повышение производительности каждым воздушным колпаком для потребителя.
3
3
Предлагаемое изобретение позволяет расширить область применения гидравлических таранов, так как обеспечивает автоматическое регулирование ударного клапана в полости переключателя потока, а также запорного клапана в насадке. Вес клапана (шара) достигает в пределах 1,05 до 1,1 г/см, в среднем 1,08 г/см относительно удельного веса воды.
Гидравлический таран подобной конструкции мало зависит от колебания горизонтов воды в верхнем бьефе рабочей камеры. Совместная работа ударного и дополнительного запорного клапанов, т.е. функционирование при закрытии или открытии задвижки с гидроприводом, которая может управляться как в ручном, так и в автоматическом режиме, или с диспетчерского пункта (на чертеже не показано), повышает надежность устройства. Таким образом, поступление потока жидкости возможно поочередно как в левый, так и в правый рабочий участок с воздушным колпаком с нагнетательным клапаном.
Следует отметить, что отношение запорного шара (клапана) к диаметру выходного отверстия в переключателе потока не более 0,7 (долговечность шара зависит от материала: резина, пластмасса и др.).
Таким образом, изобретение существенно повышает эффективность работы и надежность гидравлического тарана в такой взаимосвязи работы переключателя потока с ударным клапаном и насадка с обратным клапаном, а также гидравлически связанных с рабочим участком воздушного колпака с напорным патрубком.
Следует дополнительно отметить, что после первого цикла подачи и отключения потока жидкости происходит второй цикл, Включение и выключение в работу второго воздушного колпака с напорным патрубком и, следовательно, давление в каждом рабочем участке повышается. Ударный клапан в виде шара размещенного в переключателе потока может пройти, совершив полный цикл, включающий несколько тактов хода ударного клапана, и все время, совершая перемещение вокруг вертикального штока на 90°, размещенного в центре переключателя потока.
На фиг.1 схематически показан гидравлический таран, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - конструкция переключателя потока в развертке и схема траектории движения ударного клапана; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.4.
Гидравлический таран содержит подающий трубопровод 1 с задвижкой 2 с гидроприводом. Корпус 3 гидроцилиндра управления с задвижкой связан гидравлическими трубками 4, 5 управления поршня 6, соответственно, с пультом 7 управления.
Переключатель потока содержит корпус 8, ограниченный верхним 9 насадкой и нижним 10 перфорированным диском с отверстиями 11, 12. Насадок 9 выполнен в виде горизонтального патрубка, разделенного перегородкой 13 на две камеры 14, 15 с обратными шаровыми клапанами 16, 17, перекрывающие выходные отверстия 18, 19 в верхней части переключателя потока, которые попеременно опускаются в седла отверстий 18, 19. Насадок 9 и диск 10 соединены штоком 20, и выпускные отверстия 17, 19 размещены соосно перфорации нижнего диска 10 с отверстиями 11, 12. Каждая камера 14, 15 сообщается через впускные отверстия 21, 22 с рабочими участками 23, 24, снабженные воздушными колпаками 25, 26 с нагнетательными клапанами 27, 28 и нагнетательными патрубками 29, 30.
На внутренней поверхности корпуса 8 переключателя потока размещены вертикальные направляющие 31 а, 31 б, 31 в, 31 г и наклонные направляющие 32 а, 32 б ниже насадка 9, а также выше диска 10.
Вертикальные направляющие 31 а…31 г смещены относительно друг друга на величину ударного шарового клапана 34. Кроме того, вертикальные направляющие соединены с наклонными направляющими и, соответственно, с основаниями насадка и диска.
По принципу действия переключатель потока с ударным клапаном - двухтактный (открыто, закрыто). В первом такте с повышением давления жидкости ударный клапан 34 поднимается к насадку 9 в зону противоположную одному из выпускных отверстий, например, отверстию 18. С понижением давления жидкости ударный клапан 34 опускается на диск 10 с поворотом на 90°. Во втором такте с повышением давления жидкости ударный клапан 34 вновь поднимается с поворотом на 90° к насадку 9 и закрывает другое выпускное отверстие 19 и, так далее занимает в плане положение противоположное размещению впускного отверстия диска 10. При этом ударный клапан 34 расположен ниже седла отверстия 18, 19 насадка 9, а запорный клапан 16, 17 выше седла отверстия 18, 19 в камерах 14, 15, причем смещены запорные клапаны относительно открывания впускного отверстия 21, 22 рабочего участка 23, 24.
Гидравлический таран работает следующим образом.
До поступления потока жидкости в подающий трубопровод 1 ударный клапан 34 находится в исходном положении, т.е., например, над отверстием 11 в основании диска 10. При подаче жидкости в подающий трубопровод 1 задвижка 2 с гидроприводом в сборе перекрывает поток после переключателя потока, причем корпус 3 гидроцилиндра управления задвижкой 2 связан гидравлическими трубками 4, 5 управления поршня 6, соответственно, с пультом 7 управления (возможно ручное управление и др.).
Жидкость заполняет корпус 8 переключателя потока, ударный клапан 34 увлекается потоком жидкости и движется вдоль прямолинейных направляющих 31а и 31б, далее по наклонной направляющей 32а у верхней части ниже насадка 9, резко перекрывает одно из выходных отверстий 19 под действием напора в переключателе потока, образуя гидроудар.
3
3
Одновременно при заполнении переключателя потока жидкостью запорный клапан 17, перекрывающий выпускное отверстие 19, поднимается в камере 15 насадка 9 вверх. Но, так как удельный вес запорного клапана 17 (16) составляет 1,05…1,1 г/см, в среднем 1,08 г/см, относительно удельного веса воды, то происходит опережение течения жидкости в начальный период. В результате этого при резком закрывании выпускного отверстия 19 ударным клапаном 34 отраженная волна потока жидкости устремляется в рабочий участок 24, нагнетательный клапан 28 открывается и жидкость вытесняется в воздушный колпак 26 и далее в нагнетательный патрубок 30. При затухании энергии гидроудара нагнетательный клапан 28 закрывается и движение потока жидкости в рабочем участке 24 прекращается. В это время запорный клапан 17 еще находится в верхнем положении камеры 15 насадка 9 снабженного перегородкой 13. При прекращении подачи жидкости в подающий трубопровод 1, или его открытия задвижки 2 с гидроприводом по транзиту, ударный клапан 34 опускается вниз и вправо по направляющим 31б, 31в и 32а, и располагается над другим входным отверстием в диске 5. При этом запорные клапана 16, 17 опускаются в гнезда отверстий 18, 19 насадка 9, закрывая последние, а в рабочих участках 23, 24 образуется остаточная жидкость, так как слив из последних отсутствует частично в корпус переключателя потока. При очередной подаче потока жидкости в переключатель потока во втором цикле включения данного подающего трубопровода 1 и, следовательно, ударный клапан 34 движется вверх по направляющим 31в, 31г и 32б, совершая поворот вокруг штока 20, вновь резко закрывает второе отверстие 18, образуя гидроудар, в результате которого вступает в работу второй воздушный колпак 25 и далее жидкость поступает в нагнетательный патрубок 29. При этом общий объем поданной жидкости потребителю, соответственно, увеличивается. Этим заканчивается полный цикл переключений и далее процесс повторяется в уже описанной последовательности, а ударный клапан 34 все время совершая перемещение вокруг штока 20 с поворотом на 90°.
3
3
Выходные отверстия 18, 19 переключателя потока должны выполняться соотношением их диаметра к диаметру ударного шарового клапана не более 0,7 и плотность массы таких клапанов от 1,05 до 1,1 г/см, в среднем 1,08 г/см, в результате этого исключается заклинивание ударного клапана 34 в седлах с калиброванными отверстиями 18, 19 (например, материл - резина и т.д.). Это повышает функциональную способность переключателя потока, причем ударный клапан 34 начинает функционировать устойчиво при действующем напоре не менее 1,0 м в подающем трубопроводе 1.
На выходных отверстиях 18, 19 сверху в камерах 14, 15, предусмотрены обратные шаровые клапаны 16, 17, которые автоматически также позволяют закрыть выпускные отверстия переключателя потока сверху на момент отключения работы переключателя потока. Это значить сохранить определенный остаток жидкости в рабочих участках 23, 24, т.е. в момент прекращения подачи потока жидкости в переключатель потока.
Комплексный подход в работе гидравлического тарана состоит в установлении особенностей функционирования элементов предложенного устройства в одно целое.
В данной конструкции гидравлического тарана рабочие участки каждого в отдельности воздушного колпака заполнены остатком жидкости и при гидроударе позволяют жидкости двигаться поступательно вперед (а не откатываться назад в виде отраженной волны) с помощью запорных клапанов 16, 17, работающих на повышении уровня воды в корпусе переключателя потока. Ударный клапан 34 работает на энергии подающего трубопровода 1, что повышает объемный коэффициент полезного действия каждого устройства воздушного колпака, независимо друг от друга по сравнению с аналогичными установками таранного типа. Увеличение объемной полезной подачи достигается за счет использования эффекта ударного клапана в напорном переключателе потока, расположенного на напорном подающем трубопроводе и не требует дополнительного расходования другой энергии.
Вблизи нагнетательных клапанов воздушных колпаков благодаря остаточной жидкости в рабочих участках исключается образование больших усилий, вредных для прочности конструкции, а это долговечность работы.
Использование прямолинейных отрезков направляющих в сочетании с наклонными стабилизирует траекторию движения ударного клапана 34, соответственно, улучшает работу переключателя потока.
Автоматическое действие синхронизирующего устройства с ударным клапаном и удержание последнего в определенной взаиморасположении, т.е. повернув на заданный угол, обеспечивает надежную работу каждого воздушного колпака с напорным патрубком, в результате работа тарана продолжается автоматически.
Предлагаемое изобретение позволяет расширить область применения гидравлических таранов, так как обеспечивает автоматическое регулирование движение ударного клапана без заклинивания при изменении уровня (давления) в корпусе переключателя потока и достигается повышение производительности.