ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к области бесприводных насосов, в частности к гидротаранным установкам - устройствам для транспортирования воды из быстротекущих рек, ручьев, озер с перепадом высот, морской воды из прибрежных морских зон во время приливов или отливов, и может быть использовано в гидротранспортных системах во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Существующие конструкции гидротаранов не имеют надежных устройств для пополнения запаса воздуха в воздушном (нагнетательном) колпаке. Поэтому основным недостатком известных гидравлических таранов является падение давления вследствие того, что при прохождении воды через напорный колпак содержащийся в нем под избыточным давлением воздух частично растворяется в воде. Это приводит к снижению работоспособности тарана вплоть до его остановки. Для поддержания заданного режима работы тарана необходима постоянная периодическая подкачка воздуха в напорный колпак. Использование для этой цели специальных компрессоров повышает стоимость и усложняет эксплуатацию.
Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами, а также трубу, соединяющую колпак с водонапорной емкостью, отличающийся тем, что к верхней части напорного колпака с помощью штуцера с золотником закреплен полый демпфер, выполненный в виде резиновой воздушной камеры, с возможностью изменения режима работы (патент на полезную модель №82798, МПК F04F 7/02, 10.05.2009).
Использование полого демпфера в виде резиновой воздушной камеры в напорном колпаке, находящегося под избыточным давлением воздуха, исключает прямой контакт воздуха и воды, а следовательно, и возможность его растворения в воде.
Недостатками гидротарана являются небольшие объемы перекачиваемой воды, низкое давление нагнетания в нагнетательной (отводящей) трубе.
Известен гидравлический таран, описанный в авторском свидетельстве СССР 1448123, МПК F04F 7/02, 09.02.87. Сутью данного изобретения является то, что для пополнения запаса воздуха в воздушном (нагнетательном) колпаке используется плоская или коническая перфорированная вставка, предназначенная для выделения из воды растворенного в ней воздуха. Конструкция проста, не имеет регулирующих элементов, работающих в загрязненном потоке воды.
Недостатком этой конструкции является отсутствие надежного и точного способа определения и регулирования количества воздуха в воздушном (нагнетательном) колпаке.
Известен гидравлический таран, содержащий нагнетательный (отводящий) и подающий трубопроводы, ударный (отбойный) и нагнетательный клапаны, шток, связанный с нагнетательным клапаном, воздушный (напорный) колпак и устройство для автоматического пополнения воздушного колпака воздухом, расположенное внутри полости воздушного колпака, отличающийся тем, что в гидравлический таран введены сливной клапан, связывающий полость воздушного колпака со сливом, отсечной клапан, установленный на нагнетательном трубопроводе и соединенный со сливным клапаном, и воздушный клапан, связывающий воздушную подушку воздушного колпака с атмосферой, при этом устройство для пополнения воздушного колпака воздухом выполнено в виде сифонной калиброванной трубки и двух сосудов, установленных один в другом, причем наружный сосуд выполнен открытым сверху, а внутренний сосуд, установленный на днище наружного сосуда, замкнутым, в нем выполнено отверстие, в котором размещен шток, связанный с нагнетательным клапаном, и калиброванные отверстия на боковой поверхности и верхнем днище, верхнее днище внутреннего сосуда размещено ниже кромки верхнего открытого среза наружного сосуда, а сифонная калиброванная трубка установлена на наружном стакане так, что ее колено находится на уровне кромки открытого среза наружного сосуда, один конец размещен в полости наружного сосуда, другой в полости воздушного колпака и оба конца трубки опущены ниже верхнего калиброванного отверстия внутреннего сосуда (патент РФ №2070672, МПК F04F 7/02, 10.12.1996).
Недостатком этого гидравлического тарана является сложность устройства для автоматического пополнения напорного колпака воздухом, конструкция которого увеличивает габариты и массу воздушного (напорного) колпака.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является гидравлический таран (насос гидротаранный ТГ2-76), содержащий подводящую и отводящую трубы, переходной патрубок, нагнетательный и отбойный клапаны со штоками, а также размещенный на переходном патрубке напорный колпак, при этом корпус отбойного клапана закреплен на фланце выходной части подводящей трубы и снабжен направляющим кронштейном, в котором закреплен по скользящей посадке шток отбойного клапана, причем на штоке отбойного клапана закреплен регулировочный груз, а на корпусе - трубка для подачи воздуха, посредством которой отбойный клапан соединен с нагнетательным клапаном (www.agtu-barnaul.narod.ru/busmess4.html).
Верхняя часть тонкого переходного патрубка размещена в полости напорного колпака, внутренний диаметр которого больше диаметра переходного патрубка. Торец верхней части переходного патрубка является посадочным местом нагнетательного клапана.
Трубка для подачи воздуха соединяет верхнюю часть переходного патрубка под нагнетательным клапаном с полостью корпуса отбойного клапана и используется для пополнения напорного колпака воздухом. Это осуществляется следующим образом. При откате волны давления от отбойного клапана давление воды сильно падает, отбойный клапан открывается. В этот момент за счет формы отбойного клапана захватывается воздух, а после закрытия отбойного клапана пузырьки воздуха всплывают из полости корпуса отбойного клапана вверх по трубке для подачи воздуха (или проталкивается силой гидроудара) под нагнетательный клапан напорного колпака, и далее, когда открывается нагнетательный клапан, воздух поступает в напорный колпак.
Основными недостатками указанного гидравлического тарана являются небольшие объемы перекачиваемой воды, низкое давление нагнетания в нагнетательной (отводящей) трубе, низкие эксплуатационные возможности из-за отсутствия узла настройки работы отбойного клапана на различные скорости движения воды в подводящей трубе, низкая эксплуатационная надежность, обусловленная ударами отбойного и нагнетательного клапанов в посадочные места из-за их жесткой посадки, большие габариты и масса напорного колпака. Кроме этого, недостатками данной конструкции являются ненадежность работы трубки для подачи воздуха при наличии в потоке воды взвешенных частиц и сора, а также отсутствие надежного и точного способа определения и регулирования количества воздуха в нагнетательном колпаке.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения объема перекачиваемой воды, давления нагнетания в отводящей трубе, эксплуатационных возможностей и надежности работы, а также снижения габаритов и массы.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем подводящую и отводящую трубы, переходной патрубок, нагнетательный и отбойный клапаны со штоками, а также размещенный на переходном патрубке напорный колпак, при этом корпус отбойного клапана закреплен на фланце выходной части подводящей трубы и снабжен направляющим кронштейном, в котором закреплен по скользящей посадке шток отбойного клапана, причем на штоке отбойного клапана закреплен регулировочный груз, а на корпусе - трубка, посредством которой отбойный клапан соединен с нагнетательным клапаном, согласно предлагаемому изобретению напорный колпак выполнен составным, состоящим из жестко закрепленных между собой верхней, средней и нижней частей, причем верхняя часть выполнена в виде корпуса возвратного клапана, в полости которого размещен подпружиненный возвратной пружиной возвратный клапан и регулировочный винт возвратной пружин; средняя часть выполнена в виде демпфера с образованием демпфирующей полости путем выполнения ее верха в месте проходного сечения в виде посадочного места возвратного клапана, а низа - в виде направляющего фланца с выполненными в нем каналами; нижняя часть выполнена в виде основания, в полости которого размещен нагнетательный клапан со штоком, закрепленным по скользящей посадке в направляющем фланце, и место проходного сечения которого является посадочным местом нагнетательного клапана, причем основание и переходной патрубок выполнены в виде единого конструктивного элемента, при этом трубка, посредством которой отбойный клапан соединен с нагнетательным клапаном, снабжена перепускным вентилем, выполненным с возможностью регулирования работы отбойного клапана, а корпус возвратного клапана снабжен воздушным вентилем, выполненным с возможностью обеспечения автоматического пополнения напорного колпака воздухом. При этом высота хода нагнетательного клапана в основании выполнена равной минимальной высоте основания, при которой возможно осуществление непрерывного нагнетания воды по отводящей трубе, причем внутренний диаметр основания напорного колпака выполнен соответствующим внутреннему диаметру переходного патрубка.
Таким образом, для достижения технического результата напорный колпак выполнен состоящим из основания, демпфера (демпфирующей части) и корпуса возвратного клапана, в котором размещены возвратный клапан, пружина возвратного клапана, регулировочный винт возвратной пружины и воздушный клапан, при этом объемы внутри основания напорного колпака и демпфирующей части напорного колпака разделены направляющим фланцем и связаны между собой отверстиями для прохода воздуха, выполненными в направляющем фланце, а внутренний объем корпуса возвратного клапана отделен с помощью непосредственно самого возвратного клапана за счет регулируемого с помощью винта усилия пружины, прижимающей возвратный клапан к посадочному месту вверху демпфирующей части напорного колпака, причем нагнетание воды в отводящую трубу производится с помощью сжатого воздуха и усилия возвратной пружины, а восполнение потерь воздуха в демпфирующей части напорного колпака производится автоматически за счет открытия и последующего закрытия воздушного вентиля.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид предлагаемого гидравлического тарана.
Цифрами на чертеже обозначены следующие узлы и элементы:
1 - подводящая труба, 2 - отводящая труба, 3 - переходной патрубок, 4 - отбойный клапан, 5 - шток отбойного клапана, 6-регулировочный груз отбойного клапана, 7 - корпус отбойного клапана, 8 - трубка, 9 - нагнетательный клапан, 10 - шток нагнетательного клапана, 11 - напорный колпак, 12 - воздушный вентиль напорного колпака, 13 - корпус возвратного клапана напорного колпака, 14 - возвратный клапан напорного колпака, 15 - возвратная пружина возвратного клапана, 16 - регулировочпый винт возвратной пружины, 17 - демпфер (демпфирующая часть) напорного колпака, 18 - направляющий фланец напорного колпака, 19 - каналы в направляющем фланце, 20 - основание напорного колпака, 21 - фланец выходной части подводящей трубы, 22 - направляющий кронштейн отбойного клапана, 23 - перепускной вентиль.
Гидравлический таран содержит подводящую 1 и отводящую 2 трубы, переходной патрубок 3, отбойный клапан 4, на штоке 5 которого закреплен регулировочный груз 6, а на корпусе 7 - регулировочная трубка 8 с перепускным вентилем, нагнетательный клапан 9 со штоком 10, а также размещенный на переходном патрубке 3 напорный колпак 11.
В гидравлическом таране корпус 7 отбойного клапана 4 закреплен на фланце 21 выходной части подводящей трубы 1 и снабжен направляющим кронштейном 22, в котором закреплен по скользящей посадке шток 5 отбойного клапана 4. Нагнетательный клапан 9, размещенный в основании 20 напорного колпака 11, расположен рядом с отбойным клапаном 4 путем размещения переходного патрубка 3 на выходной части подводящей трубы 1.
В отличие от прототипа в предлагаемом гидравлическом таране напорный колпак 11 выполнен составным, состоящим из жестко закрепленных между собой верхней, средней и нижней частей, при этом нижняя часть напорного колпака 11 и переходной патрубок 3 выполнены в виде единого конструктивного элемента.
Верхняя часть напорного колпака 11 выполнена в виде корпуса 13 возвратного клапана 14. В полости корпуса 13 размещен подпружиненный возвратной пружиной 15 возвратный клапан 14 и регулировочный винт 16 возвратной пружины 15. На корпусе 13 возвратного клапана 14 закреплен дополнительно введенный воздушный вентиль 12, выполненный с возможностью обеспечения автоматического пополнения напорного колпака 11 воздухом.
Средняя часть напорного колпака 11 выполнена в виде демпфера 17 с образованием демпфирующей полости. Верх демпфирующей полости выполнен в виде посадочного места возвратного клапана 14. Низ демпфирующей полости выполнен в виде направляющего фланца 18, в котором выполнены каналы 19.
Нижняя часть напорного колпака 11 выполнена в виде основания 20, в полости которого размещен нагнетательный клапан 9 со штоком 10. Шток 10 размещен по скользящей посадке в направляющем фланце 18. Место проходного сечения основания 20 является посадочным местом нагнетательного клапана 9. Основание 20 и переходной патрубок 3 выполнены в виде единого конструктивного элемента.
Нагнетательный клапан 9 должен иметь как можно большее проходное сечение при минимальном ходе нагнетательного клапана 9.
Для этого в гидравлическом таране высота хода нагнетательного клапана 9 в основании 20 выполнена равной минимальной высоте основания 20, при которой возможно за счет давления воздуха осуществление непрерывного (без резких разгонов и торможений, плавного и постоянного) нагнетания воды по отводящей трубе 2. Внутренний диаметр основания 20 напорного колпака 11 выполнен соответствующим внутреннему диаметру переходного патрубка 3.
Для регулирования работы клапанов 4 и 9 отбойный клапан 4 соединен с нагнетательным клапаном 9 посредством трубки 8, соединенной с верхней частью переходного патрубка 3. Трубка 8, посредством которой отбойный клапан 4 соединен с нагнетательным клапаном 9, снабжена перепускным вентилем 23, выполненным с возможностью регулирования работы отбойного клапана 4.
Таким образом, напорный колпак 11 выполнен состоящим из основания 20 напорного колпака, демпфера 17 (демпфирующей части) напорного колпака 11 и корпуса 13 возвратного клапана 14. В полости корпуса 13 размещены возвратный клапан 14, возвратная пружина 15 возвратного клапана 14, регулировочный винт 16 возвратной пружины 15 и воздушный вентиль 12. Объемы внутри основания 20 напорного колпака 11 и демпфера 17 напорного колпака 11 разделены направляющим фланцем 18 и связаны между собой каналами 19 для прохода воздуха, выполненными в направляющем фланце 18. Внутренний объем корпуса 13 возвратного клапана 14 отделен с помощью непосредственно самого возвратного клапана 14 за счет регулируемого с помощью пинта 16 усилия возвратной пружины 15, прижимающей возвратный клапан 14 к посадочному месту вверху демпфера 17 напорного колпака 11. Нагнетание воды в отводящую трубу 2 производится с помощью сжатого воздуха и усилия возвратной пружины 15, а восполнение потерь воздуха в демпфирующей полости демпфера 17 напорного колпака 11 производится автоматически за счет открытия и последующего закрытия воздушного вентиля 12.
Назначение узлов и элементов гидравлического тарана следующее.
Подводящая труба 1 предназначена для подачи воды и ее разгона в этой трубе до скорости, при которой отбойный клапан 4 перекроет поток воды. Для удобства изображения на чертеже подводящая труба 1 условно представлена в виде короткого отрезка.
Отбойный клапан 4 служит для закрытия потока воды, движущейся самотеком по подводящей трубе 1. Корпус 7 отбойного клапана расположен на фланце 21 выходной части подводящей трубы 1. Корпус 7 отбойного клапана предназначен для размещения верхнего посадочного места, на которое садится отбойный клапан 4 перед осуществлением гидравлического удара, ограничения пределов перемещения отбойного клапана 4, а также для размещения трубки 8, выполняющей функцию регулировочной трубки с перепускным вентилем 23.
Шток 5 служит для центрирования перемещения отбойного клапана 4 относительно выходного сечения подводящей трубы 1, а также для крепления регулировочного груза 6 для балансировки момента закрытия и открытия отбойного клапана 4. Регулировочный груз 6 предназначен для уравновешивания динамического напора воды, достаточного для осуществления гидравлического удара. Направляющий кронштейн 22 служит для удерживания по скользящей посадке штока 5 отбойного клапана 4, его центрирования относительно выходного отверстия подводящей трубы 1. Регулировочная трубка 8 предназначена для устранения длительного зависания отбойного клапана 4 на верхнем посадочном месте корпуса 7 отбойного клапана 4. Регулировочная трубка 8 имеет перепускной вентиль 23, предназначенный для регулирования величины давления и минимального количества воды, которое может быть взято из объема переходного патрубка 3 без существенного снижения производительности гидротарана.
Переходной патрубок 3 служит для создания отвода воды из подводящей трубы 1 при закрытии отбойного клапана 4 и для последующего открытия нагнетательного клапана 9 за счет гидравлического удара. Переходной патрубок 3 служит также для размещения регулировочной трубки 8 с перепускным вентилем 23, через которую производится минимальный отбор давления воды во внутреннее пространство корпуса 7 отбойного клапана для обеспечения работы отбойного клапана 4.
Для обеспечения оптимальной работы отбойного клапана 4 и нагнетательного клапана 9 переходной патрубок 3 расположен рядом с отбойным клапаном 4 на выходной части подводящей трубы 1.
Нагнетательный клапан 9 предназначен для быстрого открытия проходного сечения переходного патрубка 3 и впуска максимального объема воды из подводящей трубы 1 за минимальный промежуток времени при гидравлическом ударе.
Отводящая труба 2 предназначена для нагнетания воды на более высокий уровень.
Напорный колпак 11 предназначен для накапливания воды под давлением и сглаживания пульсаций потока нагнетаемой воды. Напорный колпак 11 выполнен составным и состоит из основания 20, демпфера 17 и корпуса 13 возвратного клапана 14. Напорный колпак 11 является емкостью, из основания 20 которого непрерывно, без резких разгонов и торможений, за счет давления воздуха вода плавно и постоянно нагнетается по отводящей трубе 2 на нужную высоту.
Напорный колпак 11 обеспечивает поступление воды из подводящей трубы 1 без необходимости разгона всего водяного столба в отводящей трубе 2 на каждом такте работы гидравлического тарана.
Основание 20 напорного колпака 11 служит для размещения посадочного места нагнетательного клапана 9 и для крепления отводящей трубы 2, по которой нагнетается вода на более высокий уровень.
Демпфирующая полость демпфера 17 напорного колпака 11 служит для хранения объема воздуха, который сжимается во время гидравлического удара, а также служит для размещения направляющего фланца 18, в котором по скользящей посадке двигается шток 10 нагнетательного клапана 9. В направляющем фланце 18 выполнены отверстия, через которые проходит воздух из демпфера 17 напорного колпака 11 в объем, образованный внутренней полостью основания 20 напорного колпака 11.
Направляющий фланец 18 служит для центровки нагнетательного клапана 9 относительно выходного отверстия переходного патрубка 3 и обеспечения перемещения по скользящей посадке штока 10 нагнетательного клапана 9.
Возвратный клапан 14 служит для обеспечения регулирования усилия, необходимого для обеспечения оптимальной скорости закрытия нагнетательного клапана 9 и устранения ударов при его закрытии.
Возвратная пружина 15 возвратного клапана 14 служит для создания усилия, при котором возвратный клапан 14 плотно прилегает к посадочному месту, выполненному вверху демпфера 17 напорного колпака 11.
Воздушный вентиль 12 служит для автоматического пополнения потерь воздуха, связанных с растворением воздуха в воде из-за повышения давления при гидравлическом ударе. При понижении давления внутри корпуса 13 возвратного клапана 14 ниже атмосферного происходит автоматическое открытие воздушного вентиля 12 и воздух проходит внутрь корпуса 13.
Регулировочный винт 16 возвратной пружины 15 служит для регулирования усилия, развиваемого возвратной пружиной 15, необходимого для воздействия на возвратный клапан 14 в зависимости от напора и количества воды, подаваемых гидротараном.
В случае отсутствия возвратного клапана 14 для обеспечения больших напоров воды и больших объемов ее подачи демпфирующую полость демпфера 17 напорного колпака 11 потребовалось бы выполнить более объемной, а сам напорный колпак 11 в этом случае имел бы большие габариты и массу. В этом большом объеме демпфера 17 должен сжиматься и расширяться большой объем воздуха для проталкивания воды через отводящую трубу 2 при закрытии нагнетательного клапана 9. Большой объем демпфера 17 напорного колпака 11 связан также с утолщением стенок основания 20 напорного колпака 11 и его демпфера 17, так как сила гидравлического удара многократно возрастает.
Предлагаемый гидравлический таран работает следующим образом.
Принципиальная работа гидротарана основана на использовании явления гидравлического удара - кратковременного резкого повышения давления при внезапной остановке потока воды в подводящей трубе 1 при помощи отбойного клапана 4.
Из водоема вода по подводящей трубе 1 (на чертеже водоем и вода условно не показаны) поступает к отбойному клапану 4. Скорость потока воды возрастает, его напор увеличивается и достигает величины, превышающей вес отбойного клапана 4 со штоком 5 и регулировочным грузом 6.
Отбойный клапан 4 мгновенно перекрывает поток воды, и давление в подводящей трубе 1 резко повышается - возникает гидравлический удар.
Возросшее давление открывает нагнетательный клапан 9, через который вода поступает в основание 20 напорного колпака 11 и через каналы 19 в направляющем фланце 18 в демпфирующую полость демпфера 17, сжимая в ней воздух. Давление в подводящей трубе 1 падает, нагнетательный клапан 9 закрывается, а отбойный клапан 4 - открывается, и цикл повторяется снова. Сжатый воздух в демпфере 17 напорного колпака 11 нагнетает воду по отводящей трубе 2 к потребителю в верхний резервуар (на чертеже верхний резервуар условно не показан) на высоту до 10-15 метров. Максимальное сжатие воздуха в демпфирующей полости демпфера 17 напорного колпака 11 происходит до момента, когда давление сжатого воздуха становится выше усилия, с которым возвратная пружина 15 давит на возвратный клапан 14. При превышении этого давления возвратный клапан 14 открывается, давления воздуха ниже возвратного клапана 14 и выше него выравниваются.
За счет того что давление воздуха в корпусе 13 возвратного клапана 14 до открытия возвратного клапана 14 было ниже по сравнению с давлением в демпфере 17 напорного колпака 11 высвобождается дополнительный объем внутри основания 20 напорного колпака 11, который заполняется водой из подводящей трубы 1. При падении давления в подводящей трубе 1 возвратный клапан 14 закрывается под действием возвратной пружины 15 с опережением по времени по отношению к нагнетательному клапану 9, так как нагнетательный клапан 9 контактирует с водой, а возвратный клапан 14 - с воздухом.
После закрытия возвратного клапана 14 над ним остается некоторое избыточное давление воздуха по отношению к давлению воздуха в демпфирующей полости демпфера 17.
Так как осевое перемещение нагнетательного клапана 9 невелико, он закрывается быстрее под действием падения давления в подводящей трубе 1, а оставшееся давление воздуха в демпфере 17 расходуется на перемещение воды по отводящей трубе 14 до уравновешивания столбом воды этого давления в верхнем резервуаре.
Использование предлагаемого гидравлического тарана позволит повысить объем перекачиваемой воды, давление нагнетания в отводящей трубе, эксплуатационные возможности и надежность работы, а также снизить габариты и массу напорного колпака за счет выполнения гидравлического тарана в соответствии с заявляемой формулой изобретения.