ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к области технической гидравлики и может быть использовано при проектировании водоподъемных сооружений, в которых используется гидравлический удар.
Известен гидравлический таран (Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. - М.: Колос, 2004, с.292-293), включающий ударный клапан, нагнетательный клапан, воздушный колпак, питающую трубу, нагнетательный трубопровод и приемный резервуар. Через питающую трубу таран соединяется с бассейном, расположенным выше отметки тарана, а через нагнетательный трубопровод - с приемным резервуаром.
Недостатком гидравлического тарана является то, что при прохождении воды через трубы и клапаны часть энергии потока теряется при разгоне потока до скорости, при которой возможен гидравлический удар, снижая тем самым к.п.д. устройства.
Известен также гидравлический таран (Патент РФ №2239102, МПК F04F 7/02, опубл. 27.10.2004), содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и выпускным клапанами, а также трубу, соединяющую колпак с водонапорной емкостью. Таран дополнительно снабжен воздушной напорной ступенью, колпак которой с впускным и сливным клапанами соединен с переливной камерой, размещенной над колпаками. Сливной клапан соединен поворотным рычагом с ударным клапаном. Ударные клапаны обеих ступеней соединены поворотным коромыслом.
Недостатком известного устройства является невысокая эффективность устройства из-за непроизводительной затраты энергии гидравлического удара на подъем воды на высоту, определяемую разностью горизонтов места расположения гидравлического тарана и питающего водоема. То есть для подъема определенной части воды на горизонт напорной емкости ее сначала опускают на горизонт места расположения тарана, а затем поднимают на тот же горизонт и далее на горизонт напорной емкости. При этом часть энергии непроизводительно теряется на сопротивление движению воды от питающего водоема до тарана и обратно.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройства за счет уменьшения непроизводительных затрат энергии гидравлического удара путем подъема воды непосредственно с горизонта водоема.
Для решения поставленной задачи в гидравлическом таране, содержащем водоподъемную ступень, включающую водоподводящую трубу с входным клапаном, напорный колпак с входным клапаном, трубу, соединяющую колпак с водонапорной емкостью, воздушную напорную ступень, включающую водоподводящую трубу и ударные клапаны, связанные поворотным коромыслом, предлагается таран снабдить коромыслом, связанным с входным клапаном водоподводящей трубы воздушной напорной ступени, и двумя мембранными насосами с обратными клапанами на входе и воздушными впускными и выпускными клапанами, при этом напорный колпак водоподъемной ступени выполнить в виде аккумулирующей емкости, расположенной ниже водоема на величину, достаточную для обеспечения ее наполнения самотеком, а водоподводящую трубу водоподъемной ступени связать через входной клапан с водоподводящей трубой воздушной напорной ступени, аккумулирующую емкость оборудовать поплавком, закрепленным на нижнем конце вертикально ориентированного стержня, размещенного в патрубке и установленного перед входным клапаном, причем верхний конец стержня выполнить выступающим над емкостью, подпружинить и связать через коромысло с входным клапаном водоподводящей трубы воздушной напорной ступени, а на стержне внутри емкости установить клапан для сообщения емкости с атмосферой во время ее заполнения и перфорированные тарелки, водоподводящую трубу воздушной напорной ступени связать с мембранными насосами, сообщенными посредством выпускных клапанов с аккумулирующей емкостью, а ударные клапаны установить за насосами.
На прилагаемом чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - водонапорная емкость;
2 - аккумулирующая емкость;
3 - поворотное коромысло;
4 - пружина;
5 - клапан для сообщения аккумулирующей емкости с атмосферой;
6 - клапан;
7 - тарелка;
8 - клапан;
9 - водоподводящая труба водоподъемной ступени;
10 - водоем;
11 - патрубок;
12 - стержень;
13 - поплавок;
14 - водоподводящая труба воздушной напорной ступени;
15, 16 - обратные клапаны;
17, 18 - мембраны;
19, 25 - выпускные клапаны;
20, 21 - корпуса;
22, 23 - ударные клапаны;
24 - поворотное коромысло;
26, 27 - отводы;
28 - воздуховод;
29 - водоподающая труба;
30, 31 - впускные клапаны.
Гидравлический таран содержит трубу 9, соединяющую водоем 10, аккумулирующую емкость 2 и подводящую трубу 14. В трубе 9 смонтированы клапан 6 на входе в емкость 2 и клапан 8 на входе в трубу 14, которая подводит воду к двум одинаковым мембранным насосам, через обратные клапаны 15 и 16, расположенные на входе, и далее к ударным клапанам 22 и 23, установленным за мембранными насосами и соединенным между собой поворотным коромыслом 24 с балансиром. Мембранные насосы состоят из жестких корпусов 20 и 21, упругих мембран 17 и 18, воздушных впускных 30 и 31 и выпускных 19 и 25 клапанов. Воздушные полости между мембранами 17 и 18 и соответствующими верхними частями корпусов 22 и 21 через клапаны 19 и 25 соединены с отводами 26 и 27 воздуховода 28, соединенного другим концом с полостью аккумулирующей емкости 2. В емкости 2 расположены патрубок 11 с размещенным внутри стержнем 12, который верхним концом соединен с клапаном 5, а нижним - с поплавком 13. На стержне 12 под клапаном 5 закреплены тарелки 7 с отверстиями. Клапан 5 снабжен пружиной 4 и с помощью поворотного коромысла 3 соединен с клапаном 8. Аккумулирующая емкость сообщена посредством водоподающей трубы 29 с водонапорной емкостью 1.
Гидравлический таран работает следующим образом. Процесс начинается с заполнения аккумулирующей емкости 2 за счет незначительного превышения уровня воды в водоеме 10 над уровнем установки трубы 9. При этом клапан 5 открыт, обеспечивая связь емкости 2 с атмосферой, а клапан 8, связанный с клапаном 5 поворотным коромыслом 3, находится в закрытом положении. Вода, вливаясь из водоема 10 в емкость 2 через патрубок 11, попадает на тарелки 7, не позволяя всплыть поплавку 13. При заполнении емкости 2 до уровня тарелок 7 поток воды уже не создает дополнительного усилия на стержень 12 и связанный с ним поплавок всплывает, закрывая клапан 5, а клапан 6 закрывается под действием собственного веса. Под действием архимедовой силы поплавка и силы упругого сжатия пружины 4 поворотное коромысло 3 (показано пунктиром), связывающее клапан 5 и клапан 8, открывает последний, обеспечивая путь воде в подводящую трубу и перекрывая доступ в емкость 2. Вода по трубе 14 проходит один из открытых клапанов 16 и поступает в полость между нижней частью жесткого корпуса 21 и упругой мембраной 17 и далее выливается через открытый ударный клапан 23, давление на который возрастает с увеличением скорости истечения. При определенной скорости это давление превышает вес клапана и он закрывается, открывая при этом посредством поворотного коромысла 24 ударный клапан 22 второго мембранного насоса. В первом мембранном насосе происходит гидравлический удар, мембрана 17 изгибается вверх (на чертеже положение мембраны 18 показано на момент гидравлического удара во втором мембранном насосе), выталкивая сжатый воздух через клапан 25 или 19 по патрубку 26 или 27 и трубе 28 в емкость 2. Клапаны 30 и 31 обеспечивают связь полостей мембранных насосов с атмосферой при упругом восстановлении первоначального положения мембран. Во втором мембранном насосе процесс протекает аналогичным образом, т.е. насосы работают поочередно, создавая избыточное давление в емкости 2, откуда вода под этим давлением поступает по трубе 29 в напорную емкость 2.
После опорожнения емкости 2 поплавок 13 под действием своей силы тяжести открывает клапан 5 (тарелки 7 в это время свободны от воды благодаря отверстиям в их стенке), при этом одновременно, благодаря поворотному коромыслу 3, клапан 8 перекрывает вход в трубу 14 и открывает путь воде в емкость 2. Далее цикл повторяется.
Именно выполнение гидравлического тарана таким образом, что водоподъемная ступень расположена на горизонте водоема, а воздушная напорная ступень выполнена с использованием мембранных насосов, обеспечивает повышение эффективности его работы за счет подъема воды непосредственно с горизонта водоема.