ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к водоподъемным устройствам, использующим потенциальную энергию воды, так как устанавливаются ниже водоисточника, и может применяться в общехозяйственных системах подъема воды.
Известен гидротаран, содержащий рабочую камеру с ударным и нагнетательным клапанами, воздушный колпак с нагнетательным патрубком и сливной трубой, сообщенный с резервуаром, дополнительная емкость подсоединена к нагнетательному патрубку и резервуар через обратные клапаны (авторское свидетельство SU №1121512, кл. F04F 7/02 от 30.10.1984).
Недостатком гидротарана является работа пружины с поршнем в агрессивной воде, что снижает надежность, так как частота закрывания ударного клапана зависит от регулирования сжатия и натяжения пружины с помощью работы поршня, а следовательно, часть энергии непроизводительно также теряется на сопротивление движению воды в рабочей камере до тарана и обратно. Кроме того, ненадежность в работе пружины для возвращения поршня в том, что упругость ее теряется в продолжительности по времени, возможна поломка, т.е. усталость материала пружины. Износ движения поршня увеличивается, в результате гарантированные зазоры также увеличиваются, а следовательно, уменьшается сила его удара в трубе, возможно заклинивание при движении в воде. При этом высота подсоса в дополнительную емкость не может быть выше расчетного значения для определенного расстояния (перепада) между ударным клапаном и уровнем расходного резервуара, так как наполнение его происходит достаточно медленно, что недостаточно увеличивает производительность гидротарана. В свою очередь это не позволяет получить требуемую подачу воды на более высокие участки для разных расходов воды.
Известен воздушный колпак гидротарана, содержащий корпус с воздушной и жидкостной полостями, впускным клапаном и штуцером напорной магистрали, поршень, разделяющий корпус на воздушную и жидкостную полости и жестко закрепленный подпружиненным штоком, на котором установлен ограничитель хода (авторское свидетельство SU №1224464, кл. F04F 7/02, от 15.04.1986).
Недостатком известного устройства является невысокая эффективность из-за непроизводительной затраты энергии на сложное управление положением ударного клапана, определяемой высотным положением в корпусе и зависящей от веса клапана, то есть для подъема на определенную часть высоты нужно затратить большую энергию потока. При этом часть энергии непроизводительно теряется на сопротивление в корпусе, при достаточно большом его весе. Кроме того, воздушный колпак, снабженный поршнем, требует дополнительных усилий на подъем поршня в корпусе, что требует максимального усилия давления в трубопроводе, т.е. часть энергии непроизводительно теряется при гидравлическом ударе для подъема с горизонта в корпусе воздушного колпака. Поэтому дополнительно и предлагается искусственная подзарядка компрессора через винтовую пробку в крышке, что приводит к удорожанию эксплуатации гидравлического тарана.
Известна гидротаранная установка, содержащая рабочую камеру, установленные на ней ударный и напорный клапаны, воздушный колпак и питательный и приемный резервуары, соединенные трубопроводами с рабочей камерой, при этом ударный клапан выполнен поворотного типа и снабжен гидроприводом с линией питания, на которой установлены мембранные гидроцилиндры, трехкамерный управляемый клапан и пусковой вентиль, причем гидроцилиндры соединены с одной стороны с питательным и приемным резервуарами, а с другой - с крайними камерами трехкамерного клапана с линией питания. Кроме того, в питательном резервуаре на входе в питательный трубопровод установлена поплавковая заслонка (авторское свидетельство SU №1420249, кл. F04F 7/02, от 30.08.1988).
Недостатком известного устройства является то, что в гидроцилиндрах с двухсторонним действием при подключении гидролиний возникают трудности получения заданных усилий и заданной скорости при движении изменяющегося течения жидкости в линии питания и тем самым управления ударным клапаном, возникает момент запаздывания процесса сработки тарана. При двухтактной работе ударного клапана поворотного типа жидкость должна выдавливаться из линии питания, а излишки ее выходят в атмосферу. Конструкция ударного клапана в целом сложна. Частота закрывания (открывания) ударного клапана зависит от количества жидкости в линии питания с изменением направления течения в гидроприводе, часть которой теряется на слив, что в конечном итоге влияет на четкость управления ударным клапаном в работе. В такой гидротаранной установке необходимо обеспечить работу трехмерного клапана за счет высоты подъема приемного резервуара над питательным, поэтому высота подъема не может быть понижена более расчетного значения (перепада), что сказывается на работе в целом для ударного клапана, т.е. необходимо поднять определенную часть воды на горизонт напорного резервуара, а затем использовать разницу уровней с нижним резервуаром - требуется дополнительная затрата энергии. Кроме того, имеет место большой сброс из-за длительности отключения из работы поворотного ударного клапана, снабженного гидроприводом с линией питания.
Известен аналог (прототип) заявленного изобретения как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков. Данный аналог представляет собой гидравлический таран, содержащий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющий круглую форму поперечного сечения равного с ним диаметра, ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, при этом ударный клапан содержит гидравлический привод, механизм управления и выполнен в виде дроссельного клапана, ось шарнира клапана расположена в трубопроводе, а нагнетательный клапан имеет седло выше питающего трубопровода и дополнительно содержит камеру с перегородкой, сообщенную с отводящим трубопроводом (патент RU №2489605, кл. F04F 7/02, от 10.08.2013).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность и быстродействие из-за гидравлического сопротивления, вызванные поршневым серводвигателем, связанным рычагом с ударным клапаном; в момент срабатывания ударного клапана происходит заметная инерционность действия, способствующая замедленному поступлению воды не только в воздушный колпак, но и к выпускной части питающего трубопровода в камеру управления, что увеличивает инерционность повторного периода разгона потока и снижает производительность тарана. Это связано также с тем, что ударный клапан и регулирующая камера расположены по одну сторону подающего трубопровода на горизонтальном участке достаточной длины подающего трубопровода. Кроме того, имеет место большой сброс жидкости из-за длительности времени переключения поршневого серводвигателя (запаздывание при повторном периоде разгона потока).
Технический результат направлен на регулирование работы, увеличение надежности, повышение КПД гидротарана.
Технический результат достигается тем, что гидравлический таран, содержащий питающий трубопровод с камерой, являющейся ее продолжением, имеющий круглую форму поперечного сечения равного с ним диаметра, ударный и нагнетательный клапаны, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, согласно изобретению снабжен камерой накопления с дополнительной камерой и содержит трехплечий шарнирно-рычажный механизм, первое плечо которого шарнирно соединено с первой горизонтальной осью вращения, с которой связан ударный клапан, снабженный регулируемыми ограничителями степени открытия в крайних положениях, размещенными на выходе питающего трубопровода, причем рычаг с горизонтальной осью соединен шарнирно со вторым плечом в виде штока, соединенного шарнирно с поплавком и установленного в камере накопления с возможностью ее периодического заполнения водой из питающего трубопровода, а шток в средней части поплавкового привода жестко соединен посредством третьего плеча в виде рычага с шарниром со штоком в направляющих, размещенных в дополнительной камере с ударным клапаном, а ее выходная часть соединена с сифоном посредством гибкой вставки.
Кроме того, рычаг, связывающий поплавок и ударный клапан в дополнительной камере, размещен в верхней ее части.
Наличие расположения на выходе питающего трубопровода регулируемого ударного клапана и гидравлически связанного с ним посредством поплавкового привода, кинематическая связь которого влияет на зарядку сифона, способствует управлению накопления заданного количества воды в камере, что необходимо для создания возникновения пика давления в рабочей камере (в полости) - гидравлический удар, под давлением которого вода поступает в воздушный колпак. Ударный клапан препятствует полному сбросу воды в накопительную камеру, поток останавливается, вызывает прямой гидравлический удар в питающем трубопроводе, создавая избыточное давление. Одновременно, в этот период, заполненная водой камера накопления за счет повышения уровня при помощи поплавка через шток поднимает рычаг ударного клапана вверх на оси вращения, последний контактирует с нижним регулируемым ограничителем и закрывает выпускное отверстие питающего трубопровода. Благодаря этому поплавок всплывает, обеспечивает автоматически, благодаря рычагу со штоком в направляющих, открытие клапана в дополнительной камере впускного отверстия, обеспечивая забор воды зарядной трубой. После включения в работу сифона зарядной трубой происходит увеличение производительности сифонного водовыпуска. Уровень воды в камере накопления понижается, поплавок, опускаясь посредством жесткого рычага, давит на шток в дополнительной камере, и клапан закрывает вход для подачи воды в зарядную трубу, что приводит сифон к выключению из работы (происходит срыв вакуума). Вследствие быстрого освобождения камеры накопления от воды, поплавок опускается вниз, шток давит на рычаг, и посредством шарнира ударный клапан открывает выпускное отверстие питающего трубопровода. С этого момента камера вновь заполняется водой, обеспечивая заданный уровень воды в ней. Затем начинается новый цикл гидроудара в камере питающего трубопровода. Уровень воды в накопительной камере устанавливается на расчетной отметке, так как величина этой отметки, положение клапана в дополнительной камере, производительность сифона, положение поплавкового привода и регулируемого ударного клапана при помощи верхнего и нижнего ограничителей взаимозависимы. Все узлы начинают работать совместно, обеспечивая впуск необходимого количества воды в камеру возникновения остановки потока, вызывая прямой гидравлический удар в питающем трубопроводе, создавая избыточное давление, чем достигается повышение КПД гидротарана.
Таран имеет приспособления в виде регулировочных ограничителей для положения степени как закрытия, так и открытия ударного клапана, гидравлически связанного с поплавковым приводом, благодаря удачному техническому решению расположения всего устройства, а это экономит воду на сброс и дает возможность надежно работать гидротарану, т.е. обеспечивается его работоспособность.
Совместная работа узлов повышает эксплуатационную надежность, а исполнительный механизм устройства в виде дополнительной камеры, имеющий относительно небольшие размеры, обеспечивает эффективное сопряжение с системой поплавкового привода, связанного с исполнительным механизмом в виде ударного клапана, позволяет уменьшить время цикла работы тарана и увеличить частоту циклов и быстродействие.
На чертеже представлена принципиальная схема гидравлического тарана, вертикальный разрез.
Гидравлический таран содержит напорную магистраль трубопровода 1, соединенного с питающим трубопроводом 2, в концевой части которого расположена ударная камера 3, имеющая круглую форму поперечного сечения, внутри которой на выходе установлен ударный клапан 4, перекрывающий водопропускное отверстие 5, соприкасаясь изнутри с наклонными и регулируемыми ограничителями степени открытия 6 и 7. В верхней части камеры 3 имеется патрубок 8, который жестко заделан в плоское опорное седло 9 с отверстием, перекрываемым сверху армированным эластичным нагнетательным клапаном 10 (обратным), расположенным внутри воздушного колпака 11, имеющего нагнетательный трубопровод 12.
Ударный клапан 4 связан с первой горизонтальной осью 13 вращения и с трехплечим шарнирно-рычажным механизмом, состоящим из плеч 14-16, шарнирно представляющих три стороны параллелограмма. Первое плечо 14 в виде рычага шарнирно соединено с первой горизонтальной осью 13 вращения. Второе плечо в виде штока 15 жестко соединено с третьим плечом в виде рычага 16, шарнирно соединенного со штоком 17. На штоке 15 закреплен поплавок 18 с изменяемой массой груза 19 на штоке с верхней стороны поплавка 18, причем рычаг 16 жестко закреплен в средней части к штоку 15, который размещен между направляющими 20. Поплавок 18 расположен в камере 21 накопления, в которой размещен и сифон 22 с выходной трубой 23. К трубе 23 посредством гибкого трубопровода 24 подсоединена зарядная труба 25, выходной конец которой выполнен в виде Т-образной дополнительной камеры 26 и снабжен клапаном 27 (вариант выполнения возможен поплавковым клапаном) с направляющим штоком 17. Верхняя часть Т-образной камеры 26 выполнена в виде колпака 28, а нижняя - в виде горловины 29, которая оборудована каркасом 30, например, в виде сетки из прутьев с крупными ячейками, образующих форму усеченного конуса. Колпак 28 имеет входное 31 и выходное 32 отверстия, в которые помещен шток 17 клапана 27.
Гидравлический таран работает следующим образом.
Гидротаран устанавливается ниже источника водоснабжения и соединяется с помощью напорной магистрали трубопровода 1 с питающим трубопроводом 2. Для запуска гидротарана в работу настраивают ударный клапан 4, размещенный между регулируемыми ограничителями степени открытия 6 и 7, при этом поплавок 18 с изменяемой массой опущен вниз. В результате чего шарнирно-рычажный механизм воздействует на плечо 15 и ударный клапан 4 на оси 13 откроет выходную часть питающего трубопровода 2. Положение веса поплавка 18 можно регулировать с помощью груза 19 с изменяемой массой. С целью уменьшения усилия на поплавковое устройство в камере 21 система сконструирована таким образом, чтобы суммарное усилие от веса штока 18, рычага 16, штока 17 с клапаном 27 уравновешивалось с регулируемым клапаном 4 от гидродинамического давления потока, набегающего на ударный клапан при поступлении его через питающий трубопровод 2 в камеру наполнения 21. Накопительная камера 21 при открытом ударном клапане 4 принимает до тех пор, пока вода в ней не заполнит камеру 21, поплавок 18 всплывает, поднимает посредством жесткого рычага 16 шток 17 клапана 27 в направляющих штока 17 в виде отверстий 31 и 32 в пространство колпака 28. В этот момент начинается всасывание воды на уровне нижней части горловины 29 в зарядную трубу 25. Одновременно с этим поднятием уровня воды в камере 21 движение передается посредством рычажно-шарнирного механизма на мгновенное закрытие ударного клапана 4, т.е. вызывая его закрытие на выходе питающего трубопровода 2. Поток останавливается, вызывая прямой гидравлический удар в питающем трубопроводе 2, создавая избыточное давление. Часть потока через патрубок 8 беспрепятственно устремляется к отверстию опорного седла 9, открывает нагнетательный клапан 10 и поступает в воздушный колпак 11, сжимает образовавшуюся воздушную подушку и поступает в нагнетательный трубопровод 12 на высоту (h) к потребителю. Патрубок 8 выполнен из стандартного изделия, легко вписывается как соединительное звено плоского опорного седла с круглой поверхностью питающего трубопровода 2.
Одновременно также после закрытия ударного клапана 4 и включения в работу сифона 22 зарядной трубы 25, расположенного на отметке, соответствующей критическому положению уровня воды в камере 21, заполнения водой колена сифона 22, сифон 22 резко срабатывает и сбрасывает воду, при этом уровень воды в камере 21 снижается, поплавок 18 опускается вместе с грузом 19, клапан 27 закрывает выпускное отверстие в дополнительной камере 26, происходит срыв вакуума и прекращается движение жидкости через сифон 22, а ударный клапан 4 открывается за счет воздействия на плечо 14 с осью 13 вращения посредством штока 15. Шток 15 зафиксирован в направляющих 20, а рычаг 16 размещен в верхней части Т-образной дополнительной камеры 26. Затем цикл повторяется.
Закрытие ударного клапана 4 обеспечивается срабатывающим устройством только при превышении критического уровня воды в камере 21, что позволит значительно снизить сбросы, а следовательно, и обеспечить экономию воды при работе гидротарана.
Обязательным условием нормальной работы сифона является то, чтобы сумма расходов жидкости, вытекающей из накопительной камеры 21, не превышала время задержки ударного клапана 4 в закрытом положении через сифон 22. При выполнении данного условия уровень свободной поверхности в камере 21 опускается. При этом поплавок 18 с грузом 19 опускается и открывает ударный клапан 4 с помощью плеча 14 (рычага) на оси 13 вращения. Изменяя и степень открытия ударного клапана 4, можно изменить расход потока регулируемыми ограничителями открытия 6 и 7. Таким образом, можно изменять регулировкой программу выпуска определенной большей части воды в камеру накопления 21, увязать с параметрами работы в целом сифона 22.
н
мин
н
мин
1
1
Таким образом, условием нормальной работы сифона в момент включения его в работу является следующее: Q+Q>Q, где Q - расход жидкости, накопленной в камере; Q - минимальный расход жидкости, вытекающей по зарядной трубе в нижнюю ветвь сифона в момент включения в работу; Q - минимальный необходимый расход жидкости, поступающей по питающему трубопроводу 2 в камеру 21 накопления.
Расход находят по формуле
тр.
где ω - площадь поперечного сечения питающего трубопровода 2;
g - ускорение земного притяжения;
макс.
Н - максимальный напор, вызывающий истечение жидкости через сифон 22;
Δh - гидравлические сопротивления потока жидкости, движущейся через клапан 27 и зарядную трубу 25, которые определяются по известным формулам гидравлики.
Исполнительный механизм Т-образной дополнительной камеры 26, имеющий относительно небольшие размеры, обеспечивает эффективное сопряжение с системой шарнирно-рычажного механизма поплавкового привода управления, что полнее обеспечивает работоспособность гидротарана.
Устройство позволяет осуществить регулирование работы в автоматическом режиме гидротарана, повысить точность расхода воды в накопительной камере и увеличить быстродействие регулирующего ударного клапана; автоматический непрерывный контроль над уровнем в камере исключает аварийную ситуацию. Таким образом, экономится вода на сброс, повышается КПД гидравлического тарана и является регулируемым в зависимости от высоты поднятия воды.