ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к водоподъемным установкам и может быть применено на системах водоснабжения и для целей орошения.
Известен гидротаран, содержащий корпус, ударный и нагнетательный клапаны и напорную трубку. Корпус этого гидротарана имеет окно и выполнен из труб одинакового диаметра, соединенных трубчатым угольником, в котором установлен нагнетательный клапан, выполненный в виде жесткого перфорированного и эластичного дисков, соединенных между собой центрами, а ударный клапан выполнен в виде расположенного под окном корпуса подвижного жесткого цилиндрического элемента с двумя эластичными прокладками, верхняя из которых шире, а нижняя уже окна в корпусе, ориентированными вдоль оси корпуса двумя направляющими стержнями с ограничителями хода, причем напорная трубка установлена коаксиально в трубе корпуса за эластичным диском нагнетательного клапана и соединена с потребителем [ПАТЕНТ RU №2051569, кл. A01G 25/09 от 10.01.1996 г.].
Недостатком этого гидротарана является невысокая надежность из-за выполнения рабочего органа ударного клапана с двумя направляющими и ограничителями хода и расположения его в потоке воды боком, что приводит частому его заклиниванию. В конструкции гидротарана не предусмотрена изменение веса рабочего органа для оптимизации работы при разных питательных напорах. Рекомендуемый прямой участок питательной трубы длиной (6…12)Н, где Н - питательный напор в метрах не позволяет установить гидротаран непосредственно у водопада, имеющего питательный напор Н, что приводит к усложнению монтажа и дополнительным расходам при монтаже и дальнейшей эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является гидравлический таран, содержащий корпус, водовоздушный колпак, ударный и нагнетательный (обратный) клапаны. В этом гидравлическом таране водовоздушный колпак разделен эластичной мембраной большого хода на водяную и воздушные части, причем в воздушную часть накачивается воздух через вентиль с золотником, а ударный клапан выполнен в виде сферы из плотной, твердой и износостойкой резины, который насажен на шток, перемещающийся в направляющей и имеющий на конце ролик, воздействующий на нижний конец двуплечего рычага, качающегося на оси, а верхний конец связан с регулируемой пружиной растяжения или ролик упирается на Г-образный двуплечий рычаг, на конце которого установлен груз-противовес с возможностью изменения момента силы, в ударном клапане в виде сферы по центру для изменения положения рабочей части, прилегающей к седлу, просверлены по осям x, у, z три отверстия для насаживания на шток, ударный клапан со штоком, помещенный внутри корпуса, связан с пружиной сжатия. [ПАТЕНТ RU №2468261, кл. F04F 7/02 (2006.01) от 27.11.2012. Бюл. №33 (прототип)].
Недостатками этого гидравлического тарана являются сложность конструкции ударного клапана. Применяемые в конструкции ударного клапана рычажного механизма, ролика и пружины разжатия и сжатия приводят к замедлению закрытия клапана, так как сопротивление пружины постоянно возрастает при движении клапана с полного открытого положения в закрытое, что смягчает гидравлический удар и снижает эффективность работы гидротарана. Прямой участок питательного трубопровода не позволяет установить гидротаран непосредственно у водопада, что приводит к усложнению монтажа и дополнительным расходам. При малых уклонах русла реки для получения необходимого питательного напора требуется большие длины питательной трубы, что снижает эффективность работы гидротарана и принуждает к изготовлению дополнительных гидравлических сооружений.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности гидравлического тарана, улучшения компоновки и снижения монтажных и эксплуатационных затрат.
Поставленная цель достигается тем, что в гидравлическом таране, включающем питательную трубу, ударный клапан со штоком и нагнетательный клапан с эластичным диском, водовоздушный колпак и нагнетательный трубопровод, питательная труба выполнена в виде бухты и закреплена металлическими хомутами, причем два диаметрально противоположные металлические хомуты внизу соединены между собой металлической полосой, выход питательной трубы соединен с входом корпуса ударного клапана, закрепленного на металлической полосе, а вход разделен на две части, одна из которых снабжена трубой и приемником и направлена вертикально вверх, а другая часть снабжена шаровым краном и угольниками и направлена вниз, ударный и нагнетательный клапаны выполнены в одном корпусе, причем шток ударного клапана в верхней части снабжен сменными грузами и фиксатором его положения.
Сущность предполагаемого изобретения приведена на рисунках, где на Фиг. 1 - Общий вид гидравлического тарана; на Фиг. 2 - Общий вид гидравлического тарана в частичном разрезе; на Фиг. 3 - Вид А на Фиг. 2; на Фиг. 4 - Конструктивная схема сборки ударного и нагнетательного клапанов и водовоздушного колпака в разрезе, при максимальном ходе ударного клапана; на Фиг. 5 - Конструктивная схема сборки ударного и нагнетательного клапанов и воздушного колпака в разрезе после регулировки хода ударного клапана; на Фиг. 6 - Монтажная схема гидравлического тарана при наличии водопада с требуемым питающим напором Н; на Фиг. 7 - Монтажная схема гидравлического тарана при малым уклоне русла реки и длинный подводящей трубе; на Фиг. 8 - Гидравлический таран в работе при малом уклоне русла реки.
Гидравлический таран (фиг. 1) состоит из питательной трубы 1, ударного 2 и нагнетательного 3 клапанов, установленные на тройнике 4, водовоздушного колпака 5 и нагнетательного трубопровода 6 с краном 7(Фиг. 2). Питательная труба 1 с рекомендуемой длиной (6…12)Н, где Н - питательный напор выполнен в виде бухты из труб ПНД и закреплена металлическими хомутами 8, 9, 10, причем два диаметрально противоположные металлические хомуты 9 и 10 внизу соединены между собой металлической полосой 11 (Фиг. 3). Выход питательного трубопровода соединен с входом тройника 4 (корпуса ударного клапана 1), закрепленного на металлическом полосе 11, а вход разделен на две части, одна из которых снабжена трубой 12 и приемником 13 и направлена вертикально в верх, а другая часть снабжена шаровым краном 14 и угольниками 15 и 16 и направлена вниз (Фиг. 2 и 3). Ударный 2 и нагнетательные 3 клапаны выполнены в корпусе тройника 4. Шток 17 ударного клапана 2 в нижней части снабжен жестким диском 18, а верхней части - сменными грузами 19 и фиксатором положения 20. Нагнетательный клапан 3 выполнен с эластичным диском 21 (Фиг. 4, 5 и 8).
Для работы гидравлического тарана необходимо создать водоисточник 22 с питательным напором Н, подводящей трубой 23 и краном 24 и накопительный резервуар 25 с нагнетательным напором h (Фиг. 6 и 7).
Монтаж гидравлического тарана и его запуск в работу осуществляется в двух вариантах.
Вариант 1:
При наличии необходимого питательного напора Н у водоисточника (водопад) гидравлический таран устанавливают непосредственно у водопада, закрывают кран 14, открывают кран 24 и направляют слив воды в приемник 13 (Фиг. 6).
Вариант 2:
При наличии малого уклона русла реки, когда для набора необходимого питательного напора требуется длинная подводящая труба 23 гидравлический таран устанавливают на удобном месте и посредством уголка 16 соединяют с подводящей трубой 23 и открывают кран 14 (Фиг. 7).
Работает гидравлический таран следующим образом (Вариант 1). Вода из водоисточника 22 под напором Н через подводящую трубу 23 и кран 24 с расходом Q поступает в приемник 13, установленный на трубе 12. Благодаря тому, что кран 14 закрыт вода далее по питающей трубе 1, выполненной в виде бухты и закрепленной посредством железных хомутов 8, 9 и 10 и полосы 11 поступает в корпус тройника 4 и, с одной стороны отгибая края эластичного диска 21, заполняет нагнетательную трубу 6 через кран 7 и частично-водовоздушный колпак 5, сжимая в нем воздух, а с другой стороны начинает сливаться в атмосферу через проходные сечения ударного клапана 2. После частичного заполнения нагнетательной трубы 6 края эластичного диска 21 возвращаются в исходное положение. Далее расход воды через проходные сечения ударного клапана 1 начинает расти и при достижения скоростного напора определенной величины, поток воды воздействуя на жесткий диск 18 и преодолевая вес штока 17, жесткого диска 18 и грузов 19 резко закрывает проходные сечения ударного клапана 2 жестким диском 18. Происходит гидравлический удар, давление в корпусе тройника 4 резко поднимается и начинает перемещаться волной по питающей трубе 1 в сторону водоисточника 22. При этом часть воды, отгибая края эластичного диска 21 поступает в водовоздушный колпак 5, сжимая в нем воздух и далее под действием сжатого воздуха поступает в нагнетательный трубопровод 6. Волне повышения давления в питающей трубе 1 следует волна понижения давления, однако это понижение давления в питающей трубе 1 не приводит к открытию ударного клапана 2. Для автоматического открытия и закрытия ударного клапана 1 необходимо обеспечить условие:
где, h - нагнетательный напор;
Н - питательный напор.
1
Это условие обеспечивают путем принудительного открытия и закрытия ударного клапана 1 с помощью периодического надавливания на шток 17. После обеспечения условия  благодаря гидравлическому удару, ударный клапан 2 и нагнетательный клапан 3 автоматически совершают последовательное закрытие и открытие и, сливая основную часть подводимого расхода Q обратно в русло реки расходом Q через ударный клапан 2 прерывисто качают часть подводимого расхода через нагнетательный клапан 3 в водовоздушный колпак 5, сжимая воздух в нем. Далее под давлением сжатого воздуха вода из водовоздушного колпака 5 с постоянным расходом q через кран 7 и нагнетательную трубу 6 поступает в накопительный резервуар 25.
Сменные грузы 19 и фиксатор положения 20 штока 17 (Фиг. 5) позволяют установить оптимальный режим работы гидравлического тарана при разных питательных напорах Н путем изменения величины как груза 19 так и хода штока 17.
Работа гидравлического тарана при варианте 2 (Фиг. 7 и 8) не отличается от работы варианта 1. Выполнение определенной части питательной трубы длиной (6…12)Н в виде бухты и снабжения входа с одной стороны вертикальной трубой 12 и приемником 13, а с другой краном 14 и угольниками 15 и 16 позволяют при малых уклонах русла реки исключить отрицательное влияние длинной питательной трубы на оптимальную работу тарана. В варианте 2 независимо от длины подводящей трубы 23 при работе тарана гидравлические волны повышения и понижения давления в питательной трубе 1 распространяются от ударного клапана 2 до вертикальной трубы 12 и обратно, а не от ударного клапана 2 до водоисточника 22 и обратно, что привело бы не эффективной работе гидравлического тарана.
Таким образом, благодаря тому, что питательная труба 1 выполнена в виде бухты и закреплена металлическими хомутами 8,9 и 10, выход питательной трубы соединен с входом корпуса ударного клапана 4, закрепленного на металлической полосе 11, а вход разделен на две части, одна из которых снабжена трубой 12 с приемником 13 и направлена вертикально вверх, а другая - снабжена шаровым краном 14 и угольниками 15 и 16 и направлена вниз, шток ударного клапана в верхней части снабжен сменными грузами 19 и фиксатором положения 20 штока 17, исключено влияние длинной подводящей трубы на оптимальную работу тарана, обеспечена возможность установления оптимальных режимов работы тарана при разных питательных напорах, упрощены монтаж и эксплуатация при малых уклонах русла реки и наличии водопада с питательным напором Н, и, тем самым достигнуто упрощение конструкции и повышение надежности гидравлического тарана, улучшения компоновки и снижения монтажных и эксплуатационных затрат.
В условиях мастерских ФГБНУ ВНИИ «Радуга» в 2019 году был изготовлен экспериментальный образец гидравлического тарана со следующими техническими характеристиками:
• питательная труба 1, ПНД40х2,7 R17, м
10
(диаметр бухты 75 см)
• питательный напор, м
0,5…1,5
вертикальная труба 12, ПНД40х2,7 R17
• водовоздушный колпак емкостью, л
2,0
• корпус ударного клапана 2 (тройник 4)
2''
• нагнетательный клапан 3
1.1/2''
• кран 7
1/2''
• нагнетательный трубопровод 6, ПВД16х2, м
20
• высота подъема, м
3…10
• нагнетательный расход, л/ч
240…90
• частота ударов ударного клапана, мин<sup>-1</sup>
3…70
Стендовые испытания экспериментального образца в лабораторных условиях в диапазоне изменения питательного напора 0,5…1,5 м, а нагнетательного напора 3…10 м показали высокую надежность работы гидравлического тарана. Гидравлический таран компактен и удобен при монтаже и эксплуатации.
Применение предполагаемого изобретения в сельском хозяйстве повысит надежность и эффективность систем орошения и сельхозводоснабжения путем повышения надежности и снижения монтажных и эксплуатационных затрат гидравлического тарана.