ГИДРОТАРАННАЯ УСТАНОВКА
HYDRAULIC RAM PLANT

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидротаранных установок, и может быть использовано в области водоснабжения и обводнения пастбищ, в сельском хозяйстве и в гидротехнике.
Известны гидротаранные установки (В.М. Овсепян, Гидравлический таран и таранные установки. М.: «Машиностроение», 1986, с. 124), состоящие из питательных и нагнетательных труб, воздушного колпака, ударного и нагнетательных клапанов, в которых подъем воды осуществляется в результате использования механической энергии удара жидкости на клапаны.
Преимуществом гидротаранных установок является возобновляемость источника энергии, простота их конструкции, независимость от источника электрической энергии, отсутствие вращающихся частей.
Недостатком таких установок является то, что в них происходит засоряемость клапанов наносами в виде плавающего мусора, влекомых и взвешенных наносов. Другим недостатком является отсутствие забора воды с разных горизонтов (например, водоемов) в зависимости от наполнения, соответственно, загрязнением плавающим мусором и наносами. В результате в трубопроводах создаются пробки, снижающие эффективность в работе гидротаранных установок и тем самым, например, затрудняющие водоснабжение, обводнение пастбищ и т.д.
Известен гидравлический таран (Карамбиров Н.А. «Сельскохозяйственное водоснабжение». М.: Колос, 1978, с. 150), включающий водоисточник, питающую трубу, ударный клапан с грузом, нагнетательный клапан, воздушный колпак и нагнетательную трубу.
Известен также гидравлический таран (Штеренлихт Д.В. «Гидравлика». Учебник для вузов. 3-е изд., М.: Колос, 2007, с. 292), состоящий из ударного и нагнетательных клапанов, воздушного колпака, питающей трубы, соединяющей с бассейном (водоисточник), через нагнетательный трубопровод с приемной емкостью.
Однако известные устройства имеют те же недостатки, что и вышеизложенное, что не позволяет обеспечить надежную продолжительную работу гидротаранных установок в ходе их эксплуатации.
Известно также водоподъемное устройство (гидравлический таран) (Большая советская энциклопедия», т. 6, М.: «Советская энциклопедия», 1971, с. 467…468), состоящее из ударного и нагнетательного клапанов, воздушного колпака, питающей трубы, соединяющей с бассейном (резервуаром) через нагнетательный трубопровод с приемной емкостью.
Недостатком известного гидравлического тарана являются то, что в нем происходит засорение клапанов наносами и плавающим мусором. Кроме того, отсутствует возможность забора воды в трубу с разных горизонтов бассейна (водоемов) в зависимости от наполнения, соответственно, загрязнением плавающим мусором и наносами. В результате этого усложняется эксплуатация водоподъемника, происходит износ клапанов, увеличение закупорок элементов, большие ремонтные работы и т.д. Таким образом, весь комплекс недостатков снижает надежность и эффективность функционирования в работе гидравлического тарана.
Известны также, например, гидроциклоны и пескогравиеловки по авторским свидетельствам SU №№184187, 367895, 544473, 816558,823647, 882942, 886998, 1065525, 13330254, 1456234, 1546547.
Известные устройства сложны, оборудованы многочисленными элементами. Однако их классификация и применения для гидротаранных установок с возможностью очистить воду от наносов и мусора применимы, но они ограничены расходными характеристиками.
Весь перечисленный выше комплекс очистных устройств и с их недостатками, по отношению к работе гидротаранных установок, можно снять, если у водозабора очистить воду от наносов и мусора, наиболее надежным устройством в работе за счет уменьшения влияния, по высоте забора воды из бассейнов и водоемов, содержащего в воде наносы и плавающий мусор одновременно, что обеспечит надежную и продолжительную работу гидротаранной установки в ходе ее эксплуатации, т.е. расширить функциональные возможности гидротарана путем снятия вышеперечисленного комплекса недостатков.
Технической задачей изобретения является повышение надежности при обеспечении непрерывной очистки воды от наносов и мусора у водозабора и оптимизации режима работы установки, а также она может обеспечить поддержание устойчивого режима для подъема воды.
Техническим результатом является забор воды из источника у водозабора, очищенной от наносов и мусора, поддержание стабильного расхода воды и подача ее в гидротаранную установку.
Технический результат достигается тем, что гидротаранная установка, содержащая питательную и нагнетательную трубы, воздушный колпак, ударный и нагнетательный клапана, водозабор, водоприемный оголовок питательной трубы гидротарана, он снабжен дополнительным цилиндрическим патрубком и соединен посредством раструба, полость патрубка сообщена мусорозащитным устройством, при этом последний размещен в водоисточнике и состоит из куполообразного корпуса, перфорированной трубы с отбойными вертикальными стенками и турбины, выполненной в виде винтолопастной с возможностью вращения относительно своей оси, и прикрепленной к куполообразному корпусу с возможностью вращения вертикальной оси оголовка питательной трубы, кроме того, она снабжена автоматическим регулятором уровня воды статического напора для настройки на заданный расход гидротарана и располагается на питательной трубе, разделяя ее на две части.
Такое решение гидротарана позволит обеспечить повышенную надежность защиты от поступления наносов и мусора, вследствие чего обеспечить повышение производительности при заполнении водой колпака гидротарана; износ клапанов отсутствует, что улучшит эксплуатацию и т.д.
Такая взаимосвязь и взаимозависимость основных узлов гидротарана позволит потоку, обогащенному наносами и плавающим мусором в бассейнах и водоемах, за счет того, что донные и взвешенные наносы и мусор отходят от водозабора в сторону, т.е. происходит отгон по толщине воды бассейна или водоема, что не создает призмы отложения у водозабора. Кроме того, исключаются потери воды на сброс у водозабора, что позволяет осуществить автоматизацию водозабора и далее наличие регулятора уровня воды статического напора дает в целом возможность забирать питательной трубой постоянного расхода воды, путем настройки его в автоматический режим в области от минимального до максимального рабочих давлений в питательной трубе, а при необходимости остановки гидротарана достаточно будет отключить промежуточное звено (узел) в виде регулятора уровня воды, работающего по принципу по нижнему бьефу, что обеспечит автоматически отключение мусорозадерживающего устройства и забор воды у водозабора полностью или позволяет оперативно менять расход воды для подачи к гидротарану.
Таким образом, данная система имеет прямую и обратную гидравлическую связь между подачей чистой воды в гидротаран и саморегулированием восстановления этого уровня выше, имеется возможность осуществить регулирование в автоматическом режиме с высокой степенью точности и быстродействия работы, и отсутствует перерасход воды перед гидротараном, имея простую систему узлов устройств. Работа всей системы проходит под напором воды. Кроме того, сам процесс очистки воды от наносов и мусора сокращает непроизводительные сбросы воды из бассейнов или водоемов и обеспечивает надежную работу гидротарана. Для внесения ясности ниже приводится схема гидротаранной установки.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема гидротаранной установки, общий вид; на фиг. 2 - приведена схема гидротарана с воздушным колпаком, продольный разрез; на фиг. 3 - изображено устройство у водозабора из бассейна-отстойника; на фиг. 4 - изображена кинематическая схем автоматического регулятора уровня воды статического напора, промежуточный узел устройства на питательной трубе, разделяющей ее на две части.
Гидротаранная установка состоит из гидротарана 1 с питательной трубой 2, соединенной через регулятор уровня воды статического напора 3 и мусорозащитным устройством 4 с водоисточником 5 (бассейн или водоем), водоисточник, в дальнейшем будем называть бассейн-отстойник 5. Гидротаранная установка так же содержит заградительную решетку 6 с крупными ячейками, например, из металлических стержней, катастрофический сброс 7, водозаборное устройство 8 с питательной трубой 2, воздушный колпак 9, ударный клапан 10, нагнетательный клапан 11, нагнетательную трубу 12, емкость 13, над отверстием 14 раструба 15 установлен дополнительный патрубок 16 с кольцевым упором 17, нижний конец его закреплен к вертикальному раструбу 15 питательной трубы 2.
Мусорозащитное устройство 4 выполнено в виде куполообразного корпуса 18, размещенного выше цилиндрической трубы 19, поверхность которой выполнена перфорированной, и соединенной с втулкой 20. Втулка 20 выполнена с возможностью съема и поворота ее на хвостовике 21 вертикальной оси 22 вращения и фиксируется винтом 23, установленным в кольцевую канавку 24, выполненную в хвостовике 21.
На наружной поверхности куполообразного корпуса 18 выполнены отбойные вертикальные пластины 25, радиально установлены по образующей его поверхности. Высота пластин 25 уменьшается от вершины к краям куполообразного корпуса 18 (например, в виде радиальных лучей, сходящихся к вершине корпуса). К хвостовику 21 также закреплена П-образная рамка 26 со щетками 27 с внешней стороны перфорации цилиндрической трубы 19, а с внутренней стороны на опорах - крестовинах с вертикальным стержнями, соединенных с вертикальной осью 22, турбины 28 винтолопастной, насажены круглые свободно перекатывающиеся валики 29 со щетками. Ось 22 расположена в направляющих 30 с опорными стойками 31, закрепленными к концам цилиндрической трубы 19 с перфорированными отверстиями.
В дополнительном цилиндрическом патрубке 16 перед раструбом 15 установлена турбина 28 винтолопастная с лопастями 32. Патрубок 16 подключен к раструбу 15 и к питательной трубе 2 по оси турбины 28 (геометрические параметры рассчитываются по известным формулам гидравлики).
Автоматический регулятор уровня воды статического напора 3 содержит мембранный исполнительный механизм, состоящий из камеры 33 давления, клапана 34 со штоком 35, жестко связанного с мембраной 36 и пропущенного через направляющие 37 в крышке 38. Клапан 34 перекрывает выпускное отверстие 39 корпуса 40, сообщающее сливной патрубок 41 с колодцем-гасителем 42. Колодец-гаситель 42 снабжен проточной емкостью 43 статического напора с отверстиями 44 и 45 и связан со второй частью питательной трубы 2 (нижняя часть трубы 2). Проточная емкость 40 статического напора снабжена поплавковым датчиком 46 со штоком 47, жестко соединенным с шарнирно-рычажным органом 48. Шарнирно-рычажный орган 48 соединен шарнирной тягой 49 с золотником 50 с поперечным сквозным отверстием 51. Кроме того, золотник 50 помещен в полость распределителя 52, шарнирно подвешенный к устоям 53. Распределитель 52 имеет сквозные симметричные отверстия 54 и 55, перекрываемые золотником 50, одно из которых 55 соединено с атмосферой, а другое - гидравлически связано через трубку 56 с вентилем 57 с надмембранной камеры давления 33 и с первой частью питательной трубы 2 (верхняя часть трубы 2) - трубкой 58 с вентилем 59.
Гидротаранная установка работает следующим образом.
Вода, забираемая из бассейна-отстойника 5 для гидротарана, очищается мусорозащитным устройством, конструктивные элементы описаны выше. Таким образом, вода подается в цилиндрическую трубу 19 с перфорированными отверстиями сверху из бассейна-отстойника 5, предварительно проходя заградительную решетку 6. Проходя через перфорацию трубы 19, вода, поступая в патрубок 16 и оказывая давление на лопасти 32, приводит ее во вращение. Вода поступает в раструб 15 и подается в первую часть питательной трубы 2 по оси турбины 28 винтолопастной, разделяя при этом ее лопастями на множество равных частей, поступающих в межлопастные отсеки. Под давлением поступающей сверху воды в патрубок 16 турбина 28 винтолопастная, вращаясь, турбулизирует поток внутри патрубка 16 и интенсивно смешивает поступивший в межлопастные отсеки сток воды, поступающий дальше в раструб 15 питательной трубы 2 в начальной ее части. В результате мусорозащитное устройство в виде куполообразного корпуса 18 с отбойными вертикальными пластинами 25 по образующей поверхности его от вершины с уменьшающей высотой в сторону основания корпуса 18, вращаясь, приводит во вращение поток по периферии в верхней части бассейна-отстойника 5, образуя зону принудительной циркуляции. Одновременно происходит вращение и П-образной рамки 26 со щетками 27. Под действием центробежной силы закрученного потока на поверхности воды возникают от куполообразного корпуса 18 и вертикальных пластин 25, которые, вращаясь над водной поверхностью бассейна-отстойника 5 в сторону заградительной решетки 6, отрывают прилипший плавающий мусор и другие предметы. Часть более мелкого плавающего мусора возле перфорации трубы 19 тоже отходит, происходит интенсивное вращение П-образной рамки 26 со щетками 27. Таким образом, происходит процесс непрерывного и интенсивного отталкивания мусора и наносов от водоприемника (у водозабора).
Скорость вращения турбины 28 винтолопастной и куполообразного корпуса 18 стабилизируется, благодаря постоянному притоку воды по высоте бассейна-отстойника 5 в автоматическом режиме (гидравлические параметры определяются расчетами по известным формулам гидравлики).
Наружная часть куполообразного корпуса 18, отбойные вертикальные пластины 25 должны быть черного цвета, весной вокруг корпуса 18 снег оттаивает, и водоприемник раньше будет готов к приему воды. Мелкие наносы не скапливаются вблизи водоприемника, отсутствует и призма отложения наносов. Сама турбина выполнена с оптимальным количеством лопастей 4…8 штук, т.е. имеет оптимальную точку режима работы турбины винтолопастной, скорость вращения щеток 3…8 об/мин, при скорости воды не менее 1…3 м/с - это есть оптимальный режим происходящего процесса.
Таким образом, узел устройства обеспечивает реализацию технологических схем гидротаранной установки при заборе чистой воды и очистке от плавающего мусора и наносов в бассейнах-отстойниках или в водоемах в пределах у водозабора.
Для того чтобы исключить непроизводительные заборы и сбросы воды для гидротарана и его простои при заданных уровня в бассейне-отстойнике 5, т.е. обеспечить заданную нагрузку для поступления воды к гидротарану с меньшими потерями на сброс, при этом создавая напор перед ним, устанавливают на питательной трубе 2 автоматический регулятор уровня воды статического напора 3, разделяя питательную трубу 2 на две части.
Поскольку вода заполняет колодец-гаситель 42 из верхней части питательной трубы 2, то работа установки начинается с открытия вентилей 57 и 59, после чего благодаря разницы уровней в бассейне-отстойнике 5 и, следовательно, перемещению мембраны 36 с клапаном 34 в корпусе 40, вода начинает перетекать через трубки 56 и 58 в атмосферу через сквозные отверстия 51, 54, 55 в атмосферу, а это приводит к повышению в колодце 41 и в проточной емкости 43 уровня воды, при опущенном вниз поплавке 46 со штоком 47. В результате в надмембранной полости камеры давления 33 давление падает, мембрана 36 выгибается вверх, приподнимает клапан 34 со штоком 35, затем вода поступает через сливной патрубок 41 в колодец-гаситель 42, а через проточную емкость 43 далее во вторую часть питательной трубы 2 к гидротарану. Таким образом, скорость потока вновь получает свое движение во второй части питательной трубы 2, которая транспортируется в давление перед гидротараном.
Под действием полного напора H вода с большой скоростью устремляется наружу через клапан 10. В момент гидравлического удара клапан 10 закрывается и открывается клапан 11. Вода входит в воздушный колпак 9 и сжимает имеющийся там воздух. Давление в воздушном колпаке повышается. Это происходит до момента начала процесса разряжения в конце второй части трубы. Затем клапан 10 закрывается. Происходит расширение воздуха в колпаке 9, то есть вода нагнетается по трубе 12 в емкость 13, и далее поступает к потребителю. Этот процесс остановится, когда давление воздуха будет равным Ρ=pgh. Волна разряжения поднимается вверх по второй части трубы 2 и достигает колодца-гасителя 42 с проточной емкостью 43 в виде автоматического регулятора уровня воды статического напора 3, работающего по нижнему бьефу, и получает соответствующее гидростатическое давление в проточной емкости 43, связанной с колодцем-гасителем 42. В результате повышения уровня, поплавок 46 поднимается вверх, следовательно, к закрытию сквозного отверстия 51, а также к закрытию запорного органа в виде клапана 34. В этом случае, в результате гидравлической связи с водоисточником у водозабора, который снабжен мусорозащитным устройством 4, забор воды, на некоторый промежуток времени прекращается. Таким образом, в колодце-гасителе 42 с проточной емкостью 43 остается часть воды. После сработки воздушного колпака 9 весь процесс полностью повторяется после открытия клапана 10. При падении уровня воды в проточной емкости 43 клапан 34 приоткрывает сечение отверстия 39 в корпусе 40, поддерживая в верхней части трубы 2 заданный забор воды.
Использование данной гидротаранной установки позволит обеспечить повышенную надежность защиты от поступления наносов и мусора, вследствие чего обеспечить повышение производительности при заполнении водой воздушного колпака, что улучшит эксплуатацию в целом и других узлов гидротарана.
Такая взаимосвязь и взаимозависимость основных узлов устройств гидротаранной установки, кроме того, позволит исключить большие потери воды у водозабора с автоматизацией гидравлических переходных процессов и в узлах на питательной трубе, поддерживая в ней постоянный заданный расход воды.