ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC PNEUMATIC RAM

Изобретение относится к области гидравлики и может быть использовано при проектировании водоподъемных сооружений, в которых используется гидравлический удар, особенно в автоматизированных системах в горных и предгорных районах.
Известен гидротаран, содержащий рабочую камеру с ударным и нагнетательным клапанами, воздушный колпак с нагнетательным патрубком и сливной трубой, сообщенный с резервуаром, дополнительная емкость с подпружиненным поршнем и обратными клапанами, при этом дополнительная емкость подсоединена к нагнетательному патрубку и резервуару через обратные клапаны (Авторское свидетельство СССР №1121512, кл. F04F 7/02, 1983).
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 превышена 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 жидкости на более высокие участки при различных расходах жидкости.
Известен также гидропневматический таран, содержащий рабочую камеру с ударным и нагнетательным клапанами, основной воздушный колпак с нагнетательным патрубком, силовой цилиндр с поршнем и обратным клапаном и емкостью, дополнительный воздушный колпак с обратным клапаном и патрубком, соединенным с рабочей камерой через обратный клапан, а с емкостью - через патрубок, и установлен после силового цилиндра, последний имеет напорный воздуховод и выхлопные отверстия, причем ударный клапан выполнен в виде подпружиненного конуса (Авторское свидетельство СССР №1328588, кл. F04F 7/02, 1985).
Недостатком известного гидропневматического тарана является недостаточная надежность подпружиненного усеченного конуса, так как постоянная работа пружины как на сжатие, так и натяжение не может выдержать силовые нагрузки долговременно. Возможна усталость металла и поломка пружины, работающей в агрессивной среде. В силовом цилиндре происходит движение вверх поршня в замедленном такте, возникают сопротивления о корпус поршня, что требует больших усилий давления воздуха, т.е. происходит торможение, а, следовательно, запаздывание работы ударного клапана на подъем жидкости на высоту, определяемую разностью горизонтов места расположения гидропневматического тарана и рабочей камеры. То есть снижается производительность, хотя динамическая нагрузка на ударный клапан значительна и сила удара по трубе увеличивается, а регулирующая пружина имеет ограниченный (фиксированный) ход для ударного клапана. Основной недостаток также в том, что таран нельзя рекомендовать для длительной работы при больших высотах нагнетания. Все это не позволяет получить требуемую подачу жидкости на более высокие участки и обеспечить работу для потребителя при различных расходах. Таран не имеет приспособления систематической подачи воздуха в автоматическом режиме, поэтому ударный клапан (узел) находится в воде.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономичности, а достигаемый в данном случае технический результат заключается в повышении точности регулирования режима работы ударного клапана.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидропневматическом таране, содержащем рабочую камеру с ударным и нагнетательным клапанами, напорный колпак, соединенный с водоприемной емкостью, он снабжен ударным клапаном, пневмокамерой, соединенной пневмолинией с воздухораспределителем, причем воздухораспределитель с одной стороны кинематически связан с поплавковым шарнирно-рычажным приводом, размещенным в регулирующей емкости, а с другой - пневмолинией с полостью напорного колпака через обратный клапан, установленный с возможностью открытия на такте нагнетания отработанного воздуха из пневмокамеры, причем шток ударного клапана выполнен с регулировочной втулкой и с ограничителем, а пневмокамера выполнена с мембранным рабочим органом с жестким центром, связанным со штоком.
При этом регулирующая емкость соединена в нижней ее части с гидроударным приводом.
Кроме того, по варианту выполнения, регулирующая емкость снабжена сливным сифоном, входное отверстие которого размещено в нижней ее части.
Такая конструкция гидропневматического тарана обеспечивает возможность задавать величину свободного хода ударного клапана,  расположенного в гидроударном приводе, связанного со штоком с регулировочной втулкой (настройкой), с ограничителем и с пневмокамерой, а также позволяет регулировать силу гидроудара и частоту циклов, а значит и объем подаваемой жидкости в напорный колпак. Таран имеет приспособление в виде регулировочной емкости, соединенной с гидроударным приводом, и управление в автоматическом режиме с помощью компрессора, вырабатывающего воздух для заполнения как пневмокамеры, так и для пополнения воздуха для нормальной работы напорного колпака систематически наполняемым заданным количеством. Такое новое техническое решение является более надежным, а ударный клапан - направляющий шток, который делает работу тарана более долговечной. Исходя из требований, пневмокамера защищена экраном, через который пропущен направляющий шток ударного клапана, который одновременно служит и упором. Сам ударный клапан является по форме плоским, и при полном закрытие не происходит его заклинивания, движение его практически совпадает с направлением движения жидкости в гидроприводе. Этим самым обеспечивается полное закрытие отверстия в седле, и уменьшается сила механического удара клапана, что делает возможным работу тарана при очень малых питательных напорах.
Во время работы тарана запас воздуха в колпаке постепенно уменьшается, воздух растворяется в воде и уходит с ней в нагнетательный трубопровод. Растворимость воздуха в воде увеличивается с увеличением давления, поэтому при больших нагнетательных напорах снабжение воздухом приобретает большое значение. Упомянутой выше задачей, на решение которой направлено изобретение, также является и повышение эффективности работы путем подачи дополнительного воздуха через пневмолинию с обратным клапаном, за счет отработанного воздуха из пневмокамеры (это экономически выгодно), что и увеличивает высоту подъема воды, превышающее расчетное для определенного уровня рабочей камеры над ударным клапаном.
Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции и технологичен в производстве.
На фиг.1 схематически изображен гидропневматический таран; на фиг.2 - вариант выполнения регулирующей емкости с сифоном.
Гидропневматический таран содержит рабочую камеру 1 с нагнетательным клапаном 2 и гидроударный привод. Гидроударный привод состоит из цилиндра 3, седла 4, делящего цилиндр на две полости 5 и 6 с ударным клапаном 7.
Ударный клапан 7 с удлиненным штоком 8, регулировочной втулкой 9 имеет ограничитель 10, в конце цилиндра 3 выпускное отверстие 11. Проходное сечение отверстия 11 подобрано таким образом, что объем поступающей в отверстие 11 несколько меньше объема жидкости, поступающей через трубу 22 в емкость 21. Ударный клапан 2 соединен с пневмокамерой 12, выполненной с мембранным рабочим органом 13 с жестким центром 14, связанным со штоком 8, а пневмокамера 12 подсоединена пневмолинией 15 к воздухораспределителю 16. В воздухораспределитель 16 введен источник 17 сжатого воздуха и система управления воздухораспределителем, который снабжен поворотным рычагом 18, соединенным шарниром с рычагом 19 с поплавком 20, размещенным в емкости 21. Емкость 21 соединена трубкой 22 с полостью 6 цилиндра 4 в зоне расположения ударного клапана 2. Колпак 23 снабжен впускным клапаном 2, подпружиненным пружиной 24. При этом колпак 23 через отверстие патрубка 25 подсоединен к воздухораспределителю 16 пневмолинией 26 с обратным клапаном 27 (например, по типу пробки с шариком в виде вантуза). Колпак 23 соединен трубопроводом 28 с приемным резервуаром 29. Пневмокамера 12 защищена обтекателем-фиксатором 30, и шток установлен в направляющих.
Вариант выполнения емкости 21 (фиг.2) имеет сливной сифон 31, входное отверстие 32 которого расположено в дне емкости.
Гидропневматический таран работает следующим образом.
При открытом клапане 7 вода поступает из напорной рабочей камеры 1 в цилиндр 3 через седло 4, происходит истечение воды в отверстие 11. Одновременно вода начинает поступать через трубку 22 в емкость 21. В этот момент поплавок 20 находится в нижнем положении, а поворотный рычаг 18 перекрывает связь золотникового воздухораспределителя 16 с источником 17 сжатого воздуха и открывает  с атмосферой и пневмолинию 26 с обратным клапаном 27. В это же время емкость 21 наполняется и как только вода достигнет определенного (заданного) наполнения, поплавок 20 поднимает рычаг 19 и поворотный рычаг 18 открывает связь воздухораспределителя 16 с источником 17 сжатого воздуха. При поступлении сжатого воздуха по пневмолинии 15 в пневмокамеру 12, воздействует на мембранный рабочий орган 13. Жесткий центр 14 эластичной мембраны воздействует на шток 8, ударный клапан 7 закрывается, давление в рабочей камере 1 повышается, открывается нагнетательный клапан 2, вода поступает в колпак 23 и наступает такт нагнетания, и вода перемещается в приемный резервуар 29. В это время вода из емкости 21 по трубке 22 перетекает в полость 6 цилиндра 3 в зону под ударный клапан 7 и вытекает через отверстие 11. Благодаря этому поплавок 20 опускается, сжатый воздух перекрывается, поскольку поворотный рычаг 18 открывает связь воздухораспределителя 16 с атмосферой и одновременно в пневмолинию 26 с обратным клапаном 27. В этот момент отработанный сжатый воздух из пневмокамеры 12 по пневмолинии 15 выходит в воздухораспределитель 16, поскольку давление в рабочей камере 1 понижается, так как давление в колпаке 23 повышается, клапан 2 закрывается, вода поступает под давлением в полость 5 цилиндра 3, ударный клапан 7 со штоком 8 легко открывается и ограничителем 10 шток 8 упирается в обтекатель-фиксатор 30. Мембранный рабочий орган 13 пневмокамеры 12 защищен от удара клапана 7, и вода сливается через обтекатель 30.
Таким образом, в момент выхода отработанного сжатого воздуха в воздухораспределитель 16, часть его под давлением пополняет колпак 23 в момент такта нагнетания воды через трубопровод 28 в приемный резервуар 29, что также дополнительно создает вытеснение воды на более высокую отметку, работая в режиме насоса. Затем цикл повторяется.
Ход ударного клапана 7 задается величиной свободного хода его путем установки регулирующей втулки 9 на удлиненный шток 8 с ограничителем 10. Изменением свободного хода регулируется сила гидроудара и частота циклов, а значит объем подаваемой воды в напорный колпак.
По варианту выполнения на фиг.2 сифон 31 заряжается - опорожняет емкость 21.
К преимуществам конструкции гидропневматического тарана также относится то, что колпак систематически пополняется воздухом. Исходя из того, что запас воздуха во время работы тарана постепенно уменьшается в колпаке 23, который растворяется в воде и уходит с ней в нагнетательный трубопровод. Таким образом, растворимость воздуха в воде увеличивается с увеличением давления, поэтому при больших нагнетательных напорах снабжение воздухом приобретает особенно большое значение. Способ автоматической подачи отработанного воздуха в колпак является самым простым и экономичным через небольшое по размерам отверстие патрубка 25. Таким путем при каждом цикле работы тарана с ударным клапаном 7 в воздушный колпак подается определенный объем воздуха, а другая часть (излишки) воздуха в золотниковом воздухораспределителе 16 выходит в атмосферу. Количество дополнительной подкачки воздуха в колпак 23 в конце процесса гидроудара зависит от диаметра отверстия патрубка 25, перекрываемого обратным клапаном 27, например, в виде пробки с шариком. Работа тарана связана с клапанами и колпаком при наличии источника воздуха с помощью золотникового воздухораспределителя.
Согласованность работы тарана осуществляется узлом работы гидроударного привода, а также наличием пневмокамеры и регулирующей емкости. Устройство имеет широкие возможности применения для горных, предгорных и равнинных участков с волнистым рельефом.
Это ведет к повышению КПД гидропневматического тарана. Применение гидропневматического тарана также расширяет функциональные возможности и снижает эксплуатационные затраты в сложных условиях рельефа местности. Кроме того, повышается уровень автоматизации при водоподъеме в системе мелиорации и водного хозяйства. Устройство исключает возможность засорения отверстия, полностью устраняет потери нагнетательного расхода воздуха. Когда нет надобности в приспособлении дополнительной подкачки воздуха, патрубок 25 можно заглушить на корпусе колпака 23, ввернув в него пробку с шариком (конструкция воздухораспределителя позволяет это сделать автономно).