ПРИБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
BREAKING HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к области технической гидравлики и может быть использовано для подъема воды в прибрежных зонах океанов, морей, крупных озер и искусственных водоемов.
Известен гидравлический таран (Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. - М.: Колос, 2004, стр.292-293), включающий ударный клапан, нагнетательный клапан, воздушный колпак, питающую трубу, нагнетательный трубопровод и приемный резервуар. Через питающую трубу таран соединен с бассейном, расположенным выше отметки тарана, а через нагнетательный трубопровод - с приемным резервуаром.
Недостатком гидравлического тарана является то, что для его работы необходимо наличие бассейна, расположенного выше горизонта расположения тарана, т.е. необходим определенный запас потенциальной энергии воды, что не позволяет использовать для его работы кинетическую энергию прибойных волн.
Известен также гидравлический таран (патент РФ №2218484, МПК F04F 7/02, опубл. 10.12.2003 г.), содержащий питательную трубу, воздушный колпак, нагнетательный трубопровод, обратный клапан, поплавковый клапан, бетонное основание и аккумулирующую емкость для сбора воды. Конец питательной трубы, обращенный в сторону водной поверхности, выполнен в форме усеченного конуса и служит водоприемным устройством. При накате волны в полость усеченного конуса питательной трубы он принимает воду и направляет ее в питательную трубу, при движении в которой происходит гидравлический удар при закрывании поплавкового клапана под действием архимедовой силы. За счет давления гидравлического удара обратный клапан открывается, вода поступает в воздушный колпак и далее в нагнетательный трубопровод и в аккумулирующую емкость для сбора воды. При снижении давления гидравлического удара до значения давления в воздушном колпаке обратный клапан закрывается и вода из питательной трубы выливается в водоем. Далее цикл повторяется с каждой новой волной.
Недостатком известного устройства является несовершенство водоприемного устройства, так как усеченный конус не в состоянии направить всю принимаемую воду в питательную трубу при ударе волны. Существенная часть кинетической энергии волны превращается в энергию давления и расходуется на отражение волны от внутренней поверхности конуса, т.е. на ее движение в сторону водной поверхности.
Задачей изобретения является разработка конструкции водоприемного устройства обеспечивающей повышение эффективности работы гидравлического тарана за счет максимального использования кинетической энергии прибойных волн в прибрежных зонах.
Поставленная задача решается тем, что в гидравлическом таране, содержащем ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак, питающую трубу с водоприемной частью, нагнетательный трубопровод и приемный резервуар, таран снабжен отводной трубой с затвором-хлопушкой со стороны водной поверхности и воронкой, сообщенной через ударный клапан с питательной трубой, с другой стороны, при этом водоприемная часть питающей трубы выполнена составной, включающей кольцо, сопло и конфузор, причем кольцо выполнено поворотным относительно вертикальной оси, а входное сечение сопла установлено в месте максимальной скорости прибойной волны.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез прибойного гидравлического тарана. На чертеже обозначены:
1 - прибойная волна;
2 - водоприемное кольцо;
3 - сопло;
4 - опорная стенка;
5 - конфузор;
6 - питающая труба;
7 - ударный клапан;
8 - нагнетательный клапан;
9 - воздушный колпак;
10 - нагнетательный трубопровод;
11 - приемный резервуар;
12 - напорный откос;
13 - затвор-хлопушка;
14 - отводная труба;
15 - приемная воронка;
16 - основание.
Прибойный гидравлический таран состоит собственно из питающей трубы 6, ударного клапана 7, нагнетательного клапана 8, воздушного колпака 9. Со стороны водоема питающая труба 6 соединена с конфузором 5, плавно переходящим в сопло 3, установленное над точкой А напорного откоса 12. На сопле 3 с помощью шпилек (на чертеже показаны, но не обозначены) крепится водоприемное кольцо 2 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси (для установки входного сечения параллельно фронту волны). Непосредственно под ударным клапаном 7 размещается приемная воронка 15 с отводной трубой 14, конец которой со стороны водной поверхности оборудован затвором - хлопушкой 13. С береговой стороны воздушный колпак 9 через нагнетательный трубопровод 10 соединен с приемным резервуаром 11. Таран поддерживается на прибрежной полосе опорной стенкой 4 и основанием 16.
Прибойный гидравлический таран оборудуют следующим образом. На участке побережья в пределах напорного откоса определяют местоположение точки А, где наблюдается максимальная скорость и наибольшая интенсивность давления при ударе прибойной волны. Над указанной точкой располагают входное отверстие сопла 3, закрепляя водоприемную часть тарана (сопло 3 и конфузор 5) на опоре 4, заглубленной в массиве напорного откоса 12. Для расчета параметров сопла 3 и конфузора 5 используется высота волны h, наблюдаемая наиболее часто при волнении водной поверхности в данном районе. Диаметр d входного отверстия сопла принимают равным 0,7 h, суммарный объем полости водоприемного кольца 2, сопла 3, конфузора 5 и питающей трубы 6 определяют таким, чтобы он не превышал объема волны, определяемой исходя из диаметра сопла и ширины волны β на уровне средней волновой линии, (УСВЛ), т.е. весь суммарный объем водоприемной полости тарана должен заполняться одной волной. Ось водоприемной полости располагают на УСВЛ. В основании 16 устраивают приемную воронку 15 и отводную трубу 14, последнюю снабжают затвором - хлопушкой 13. Суммарный объем воронки 15 и трубы 14 подбирают таким образом, чтобы он превышал объем воды, перелившейся через ударный клапан за один цикл.
Прибойный гидравлический таран работает следующим образом.
2
Часть волны 1, движущейся со скоростью υ и обладающей кинетической энергией mυ/2, заполняет водоприемное кольцо 2, сопло 3, конфузор 5 и трубу 6. Через ударный клапан 7 вода выливается в воронку 15 и в трубу 14, заполняя их до момента спада волны при закрытом (под действием волны) затворе-хлопушке 13. Поток воды при прохождении сопла 3 и конфузора 5 плавно сжимается и скорость в питающей трубе увеличивается, как следует из уравнения расхода, пропорционально отношению площади поперечного сечения кольца 2 к площади поперечного сечения питающей трубы 6 (без учета потерь).
При отсутствии воды в питающей трубе 6 ударный клапан 7 под собственным весом находится в открытом положении. При поступлении воды в полость тарана ее скорость плавно увеличивается при движении от сопла к конфузору и в трубе становится максимальной. Потери энергии в сопле и конфузоре не превышают в сумме 10%.
С увеличением скорости истечения гидродинамическое давление, действующее снизу вверх на ударный клапан 7, увеличивается. Когда сила гидродинамического давления превысит вес клапана, последний резко закроется. Происходит гидравлический удар, при котором давление в трубе 12 перед нагнетательным клапаном 8 повышается и превышает давление в воздушном колпаке 9, нагнетательный клапан 8 открывается и вода под повышенным давлением начнет поступать в воздушный колпак 9, сжимая в нем воздух.
Из воздушного колпака 9 вода по нагнетательному трубопроводу 10 поступает в резервуар 11. В момент закрытия ударного клапана 7 в питающей трубе 6 и конфузоре 5 начинается волновой процесс, который приводит к уменьшению скорости воды и изменению давления в трубе 6 и конфузоре 5. Возникает отрицательная ударная волна, нагнетательный клапан 8 закрывается и оставшаяся в полости тарана вода выливается в водоем. При откате волны затвор-хлопушка 13 на отводной трубе 14 открывается и вода из трубы 14 и воронки 15 выливается.
Со следующей волной цикл повторяется. Таран работает автоматически, подавая определенную порцию воды с каждой волной в воздушный колпак 9, который сглаживает изменение скорости нагнетаемой в приемный резервуар 11 воды, обеспечивая сравнительно равномерную подачу. Таран непосредственно использует кинетическую энергию прибойных волн для подачи части воды, поступающей внутрь водоприемной полости.
3
Пример. Для работы от волн, высотой 1 м, прибойный таран характеризуется следующими размерами: диаметр кольца - 0,7 м; ширина кольца (выступающая за конфузор) - 0,3 м; диаметры сопла - 0,7 м (входной) и 0,4 м (выходной); ширина сопла - 0,4 м; диаметры конфузора - 0,4 м и 0,1 м соответственно; длина конфузора - 1,45 м (при угле конусности 12 градусов); диаметр трубы 0,1 м; длина трубы 0,5 м. Скорость течения воды в питающей трубе возрастает по сравнению со скоростью волны в , с учетом 10% потерь в сопле и конфузоре 49-0,1·49=44,1 раза. При указанных параметрах тарана объем его водоприемной полости составляет 0,28 кубического метра, объем воды в волне, поступающий в полость тарана при средней ширине волны 1,2 м составляет 0,46 кубического метра, т.е. вся полость тарана при начальном истечении воды через ударный клапан будет заполнена водой, что необходимо для возникновения гидравлического удара. При гидравлическом ударе около 0,1 кубического метра воды поступает в воздушный колпак и далее в приемный резервуар, расположенный на высоте 5 м над уровнем моря. При периодичности волн, равной 6 с, расход воды, поступающей в приемный резервуар, составит 60 м/час.
Именно выполнение гидравлического тарана путем оборудования питающей трубы конфузором, соплом и поворотным относительно вертикальной оси кольцевым водоприемником, оборудование тарана отводной трубой со сливной воронкой и затвором-хлопушкой, установка сопла в месте максимальной скорости прибойной волны обеспечивают плавное увеличение скорости воды с минимальными потерями энергии. В результате повышается эффективность его работы за счет максимального использования кинетической энергии прибойных волн.