ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН
HYDRAULIC RAM

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства.
Известна гидротаранная установка, содержащая рабочую камеру, установленные на ней ударный и напорный клапаны, воздушный колпак и питательный и приемный резервуары, соединенные трубопроводами с рабочими камерами, 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 питательными приемным резервуарами, а с другой - с крайними камерами трехкамерного клапана. 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 получить заданные усилия и заданную скорость при движении изменяющегося течения жидкости в линии питания и тем самым управления ударным клапаном, возникает момент запаздывания процесса срабатывания тарана. При двухтактной работе ударного клапана поворотного типа жидкость должна выдавливаться из линии питания, а излишки ее выходят в атмосферу. Конструкция ударного клапана поворотного типа с уплотнениями ограничивается сложностью обеспечения надежной герметизации, особенно при высоких давлениях, а также состава агрессивной среды (песок, глина и т.д.). Конструкция тарана 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 трехкамерного клапана резервуара над нагнетательным, поэтому высота подъема не может быть понижена более расчетного значения (перепада), что сказывается на работе в целом 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 жидкости и 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 подающий трубопровод с задвижкой и ударным клапаном, соединенный с трубопроводом, воздушный колпак с обратным клапаном, напорную магистраль, дополнительный трубопровод, размещенный параллельно подающему трубопроводу и соединенный с воздушным колпаком посредством дополнительного обратного клапана, при этом поршень снабжен штоком с дополнительным угловым поршнем, зеркально расположенным основному угловому поршню, а также со съемными грузами на штоке (Авторское свидетельство SU №1164473, кл. F04F 7/02 от 30.06.1985).
Недостатком этого устройства является то, что при перемещении угловых поршней, выполняющих функцию ударных клапанов, возникают гидростатические сопротивления в трубопроводах, подающих жидкость в зону гидроудара, что приводит к большому их давлению к стенкам корпуса и к торможению движения ударного клапана, выполненного в виде углового поршня в корпусе с осевым перемещением. Конструкция в целом ударного клапана сложна, что обеспечивает низкую надежность и экономичность, сложны и системы управления рабочих элементов, при этом изменение режимов напоров по направляющей шибера с дополнительной нагрузкой сверху съемных грузов создает дополнительные трудности на трение в стенках корпуса, снижающих КПД работы в агрессивной среде (мелкий песок, глина и т.д.) при попадании их как на дно соединяющей вставки между трубопроводами, так и в зазоры поршней. Кроме того, распространяющая волна на прямом участке вдоль подающего трубопровода (без поворотов трубы) и относящая часть энергии гидроудара обычно должна концентрироваться в районе ударного клапана, полностью не используется одним воздушным колпаком, что уменьшает его производительность в режиме насоса. Это связано с тем, что ударный и нагнетательный клапаны разнесены между собой на горизонтальных участках достаточной длины подающих трубопроводов. Кроме того, имеет место большой сброс жидкости из-за длительности времени переключения поршневого ударного клапана (запаздывания при изменении позиции), перекрывающий параллельные трубопроводы. Таким образом, недостаток ближайшего аналога - большая инерционность и низкая его эксплуатационная надежность.
Известны гидравлические тараны по авторским свидетельствам: SU №62707, 773320, 781403, 879053, 918576, 964259, 1121512, 1231281, 1242652; патент RU №22152172882, а также DE 19926226 и WO 2009139441.
Известные устройства также сложны, оборудованы многочисленными элементами, ограничены конструктивными параметрами и гидравлическими характеристиками, а следовательно,  уменьшается производительность данных устройств. Следующим недостатком является то, что они ограничены для работы с жидкостью, имеющей различные примеси (песок, глина и т.д.).
Технический результат направлен на обеспечение равномерной подачи жидкости в нагнетательный трубопровод, увеличение производительности гидравлического тарана, уменьшения удельной металлоемкости, повышения быстродействия.
Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем подающий трубопровод, камеру с корпусом, установленный в ней ударный клапан, воздушный колпак и водонапорную емкость, дополнительный трубопровод, размещенный параллельно подающему трубопроводу, а также съемный груз-балансир, при этом воздушный колпак сообщен с рабочим участком трубы и с трубой водонапорной емкости, ударный клапан выполнен составным из жестко закрепленных между собой с двух сторон емкостей в виде усеченных цилиндров с возможностью их заполнения жидкостью и плоской пластины, расположенной между боковыми сторонами жестко закрепленных емкостей с возможностью ввода их в полость патрубков, соединенных с рабочими участками труб, причем емкости закреплены между собой под углом, а внутренний диаметр патрубков больше высоты каждой емкости, при этом в верхней части корпуса установлен рычаг, закрепленный на горизонтальной оси поворота, причем нижняя часть рычага прикреплена к ударному клапану, а верхняя часть имеет вилочный паз, шарнирно связанный с рычагом-коромыслом, размещенным на оси поворота, на которой закреплена поворотная ручка, при этом на конце рычага-коромысла установлен съемный груз-балансир, емкости снабжены выпускными вентилями-регуляторами с возможностью регулирования выпуском или заполнением емкостей жидкостью, а ударный клапан в верхней части выполнен со сквозным воздушным отверстием, сообщающим между собой емкости.
Кроме того, высота хода емкости выполнена равной минимальному диаметру патрубка, а верхнее основание емкости ударного клапана при его закрытом положении параллельно внутренней стенке патрубка.
Кроме того, напорная стенка емкости содержит со стороны патрубка упругую диафрагму из эластичного материала.
Таким образом, рычаг положения ударного клапана установлен на оси поворота и рычаг-коромысло установлен на оси поворота поворотной ручки и находятся в одной вертикальной плоскости в верхней части корпуса. Кроме того, патрубки с выходными трактами срезаны под углом и выдвинуты в полость корпуса, позволяют входить в полость патрубков емкости, выполненных в виде усеченных цилиндров меньшего размера, чем патрубок, при этом верхнее основание емкости ударного клапана при его закрытом положении параллельно внутренней стенке патрубка, т.е. ударный клапан под действием собственной силы тяжести емкости резко перекрывает сечение патрубка, в котором в сторону рабочего участка трубы образуется гидравлический удар, энергия которого открывает обратный клапан и жидкость вытесняется в воздушный колпак.
По варианту выполнения, напорная передняя стенка емкости со стороны выпускного отверстия патрубка может быть выполнена упругой диафрагмой из эластичного материала, которая прогибается вовнутрь, и уменьшает сечение емкости, частично заполненной жидкостью при резком закрытии ударного клапана тракта патрубка. С помощью прогиба часть жидкости поднимается вверх в ее полости, и часть воздуха переходит через сквозное воздушное отверстие во вторую емкость, находящуюся в это время в полости корпуса. Это ведет к накоплению в полости емкости энергии и к обратному прогибу диафрагмы при заполнении ее вновь воздухом в момент разрежения в рабочем участке трубы, т.е. происходит эжекция (подсос), воздух вновь возвращается в емкость при снижении уровня жидкости до установления ее первоначального положения в замкнутом объеме.
Таким образом, заявляемое устройство, по сравнению с прототипом, позволяет повысить его производительность и соответственно силы гидравлического удара изменением формы запорного элемента ударного клапана, создавая избыточное давление в рабочем участке трубы, увеличивая количество подаваемой жидкости потребителю - более полным использованием энергии гидравлического удара с двумя с закрепленными между собой емкостями в виде усеченных конусов на плоском ударном клапане и заполняемых жидкостью, сообщающихся между собой воздушным отверстием в верхней части клапана, т.е. емкости могут быть разгружены от давления воздуха, что также позволяет повысить надежность работы конструкции изменением положения механизма привода ударного клапана; упрощает механизм ударного клапана и обеспечивает его бесперебойную работу.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема гидравлического тарана, общий вид; на фиг. 2 - гидравлический таран при включении в работу, поперечный разрез; на фиг. 3 - гидравлический таран, продольный разрез; на фиг. 4 - кинематическая схема положения ударного клапана при закрытии патрубка; на фиг. 5 - кинематическая схема положения ударного клапана в период открытия патрубка.
Гидравлический таран содержит подающий и сливной трубопроводы 1 и 2, первый из которых имеет рабочие участки труб 3 и 4, подсоединенные каждый к воздушному колпаку 5 и 6 и снабженные нагнетательными клапанами 7 и 8. Рабочие участки труб 3 и 4 подсоединены к патрубкам 9 и 10, которые срезаны под углом и выдвинуты в камеру корпуса 11, ударный плоский клапан 12 выполнен составным из жестко закрепленных между собой с двух сторон емкостей 13 и 14 в виде усеченных цилиндров с возможностью их заполнения жидкостью с вентилями-регуляторами 15 и 16 в нижней части. Емкости 13 и 14 закреплены между собой под углом. Ударный клапан 12 в верхней части выполнен со сквозным перепускным отверстием 17, сообщающим между собой емкости 13 и 14. Размещенный в верхней части корпуса 11 рычаг 18 закреплен на горизонтальной оси 19 поворота. Нижняя часть рычага 18 прикреплена к ударному клапану 12, выполненному в виде пластины, расположенной между боковыми сторонами жестко закрепленных емкостей 13 и 14. Верхняя часть рычага 18 имеет вилочный паз 20, контактно связанный шарниром 21 с рычагом-коромыслом 22 со съемным грузом-балансиром 23 (переменной массы). Рычаг 18 устроен на оси 1 поворота, а рычаг-коромысло 22 установлен на оси 24 поворота, на которой закреплена поворотная ручка 25 с фиксатором, например, в виде стопорного винта (на чертеже не показано), при этом оси 19 и 24 расположены в одной вертикальной плоскости в верхней части корпуса 11.
Между выходными трактами патрубков 9 и 10 с емкостями 13 и 14 накопителями, высота последних меньше диаметра выпускных трактов патрубков 9 и 10 и емкости 13 и 14 выполнены в виде усеченных цилиндров с основаниями сверху и сбоку с возможностью их входа в полость каждого патрубка 9 и 10.
Центр тяжести съемного груза-балансира 23 переменной массы (состоит из набора груза) и центр тяжести ударного клапана 12 в виде плоской пластины не совпадают с вертикальной плоскостью осей 19 и 24 поворота и располагаются одновременно по одну или другую сторону от осей 19 и 24 поворота рычага 18 и поворота рычага-коромысла 22 с поворотной ручкой 25. Сам ударный клапан выполняется из листового материала при отсутствии значительной торцевой площади, поэтому ребра жесткости крепления к оси 19 выполнены рычагом 18.
Устройство содержит также перепускные клапаны 26 и 27, водоподающие трубы 28 и 29, трубу 30 и водонапорную емкость 31, при этом воздушные колпаки сообщены с рабочими участками труб и с трубой водонапорной емкости.
Дополнительно, кроме ручного управления на месте, может устраиваться и дистанционное управление поворотной ручкой 25 с помощью средств телемеханики с диспетчерского пункта управления водоподъемом жидкости к потребителю (не показано для упрощения).
С другой стороны, в варианте выполнения, напорные стенки (основание) емкостей 13 и 14 со стороны выпускного тракта патрубков 9 и 10 могут выполняться упругой диафрагмой (не показано) из эластичного материала, т.е. диафрагма выполнена упругой, которая прогибается и обратно выгибается (выпрямляется) от давления жидкости при работе ударного клапана.
Гидравлический таран работает следующим образом.
В начальный период обе емкости 13 и 14 усеченных цилиндров заполняют частично жидкостью примерно равных объемов, затем их уровни жидкости выравнивают за счет регулирования вентилей-регуляторов 15 и 16 до заданных расчетных объемов. Устанавливают равновесие приводным механизмом, закрепляют съемный груз-балансир 23 (переменной массы), необходимое для закрытия ударного клапана 12 с помощью поворота оси 24 с поворотной ручкой 25, следовательно, и меняется момент от веса жидкости, создаваемой ее весом.
<mrow><msub><mi>ℓ</mi><mn>4</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ℓ</mi><mn>5</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ℓ</mi><mn>4</mn></msub></mrow>
Поток жидкости, движущийся по подающему трубопроводу 1, поступает в рабочие участки труб 3 и 4, и при положении поворотного клапана 12 на оси 19 «Закрыто», например патрубка 9, соединенного с рабочим участком трубы 3, жидкость поступает в рабочий участок трубы 4 и через камеру корпуса 11 сливается в сливной трубопровод 2. При этом в корпусе 11 отсутствует подпор жидкости, соответственно, снижается давление на ударный клапан 12 с емкостью 1 внутри корпуса 11. Для работы гидравлического тарана, например, в рабочем участке трубы 4 поворотной ручкой 25 движение передается посредством рычага-коромысла 22 на вилочный паз 20 рычага 18 с ударным клапаном 12, снабженным  закрепленными между собой под углом емкостями 13 и 14 с вентилями-регуляторами 15 и 16. В этом случае отсутствует мертвая точка, так как моменты меняются, а длина рычага со стороны съемного груза-балансира 23 остается равной
, причем длина рычага со стороны ударного клапана 12 сокращается до величины
.
Отсюда действующие силы при подходе к мертвой точке В определяются:
гр
гр
, где Р - сила, действующая от съемного груза-балансира; G - вес клапана и вес жидкости в емкости.
гр
в
Условие перехода (переключение) через мертвую точку будет Р>Р
или .
В результате поворота ударного клапана 12 с двумя емкостями 13 и 14 резко закрывается полость патрубка 10 в положение «Закрыто», инициируя возникновения пика давления в камере корпуса - вызывая резкий гидроудар в рабочем участке трубы 4, энергия гидроудара с большей массой передается на нагнетательный клапан 8, в результате чего нагнетательный клапан 8 открывается и жидкость вытесняется в воздушный колпак и далее через клапан 27 и водоподающую трубу 29 поступает в трубу 30, в водонапорную емкость 31 к потребителю.
<mrow><msub><mi>ℓ</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ℓ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Таким образом, на фиг. 5 показано, что при уменьшении угла до 0° моменты от веса ударного клапана исчезают, так как плечи
и
равны нулю. Силой, предопределяющей переход ударного клапана 12 с емкостями через мертвую точку В, является поворот поворотной ручкой 25 силы, действующей от съемного груза-балансира 23, и части силы, действующей от момента веса жидкости, заключенной, например, в левой емкости (правая емкость в этот момент расположена выше), и наоборот.
Затем через заданное время, после срабатывания воздушного колпака 5, меняют положение ударного клапана 12 вместе с емкостями 13 и 14 со съемным грузом-балансиром 23 и резко перекрывают другой патрубок 9 в положение «Закрыто» в соответствующем рабочем участке трубы 3, т.е. осуществляют через расчетные промежутки времени, определяемые режимом  работы воздушного колпака, происходит гидравлический удар и открывается нагнетательный клапан 7, через который жидкость вытесняется в соответствующий ему воздушный колпак 5. Из колпака 5 жидкость через клапан 26 и водоподающую трубу 28 также поступает в трубу 30 и водонапорную емкость 31 потребителю. Таким образом, вместо двух клапанов по сравнению с прототипом, в работе участвует только один ударный клапан с двумя закрепленными жестко между собой емкостями с наполняемыми жидкостью (вес, соответственно, объем жидкости каждой взятой емкости можно менять от поставленной задачи). Образование зоны пониженного давления в корпусе 11 обеспечивает отсутствие давления внутри него на профиль (форму) емкостей 13 и 14, закрепленных между собой с двух сторон в виде усеченных цилиндров с возможностью их заполнения и плоской пластины - ударного клапана 12.
Выполнение одной передней стенки (основания) в каждой емкости 13 и 14 со стороны выхода жидкости из патрубков 9 и 10 (не показано) из эластичного материала приводит к прогибу вовнутрь емкости при резком закрытии ударного клапана и увеличению наполнения в этой емкости (поднятие уровня) со стороны полости патрубка, выходные тракты которых срезаны под углом и выдвинуты в камеру корпуса 11 относительно закрытия ударным клапаном для работы воздушного колпака. В результате этого прогиба и поднятия уровня жидкости в емкости часть воздуха переходит через сквозное отверстие 17 в верхней части ударного клапана 12, что в свою очередь приводит к накоплению энергии и обратному прогибу диафрагмы для заполнения ее вновь воздухом, так как создается разрежение, т.е. эжекция - отсасывание воздуха из второй емкости, вызывая снижение уровня жидкости в первой емкости и установление ее до первоначального замкнутого объема формы. Данный процесс происходит после падения давления в рабочей камере. Наличие хода диафрагмы из эластичного материала (в виде вмятины) положительно сказывается на повторяющиеся изменения обратных волн в рабочем участке трубы для фиксированного положения ударного клапана, не упреждая части открытия клапана 12.
Таким образом, воздействуя принудительно на перемещение вертикального ударного клапана 12 с двумя закрепленными жестко между собой под углом емкостями 13 и 14, управляют работой воздушных колпаков 5 и 6, соответственно, в заданном интервале времени за счет четкого срабатывания одного ударного клапана 12, снабженного с двух сторон жестко емкостями 13 и 14, на закрытие и открытие выпускных трактов рабочих участков трубы 3 и 4.
Кроме того, дополнительно наличие вентилей-регуляторов 15 и 16 в нижней части емкостей 13 и 14 с примыканием к нижней части ударного клапана 12 позволяет опорожнять или заполнять жидкостью, например, насосом, что позволяет расширить возможность устройства. Для предотвращения заклинивания и ударов при контакте с выпускными оголовками патрубков 9 и 10 при смене их резкого закрытия и для преодоления утечек жидкости клапан 12 снабжен уплотнительным элементом, например, из резины.
За счет расположения устройства механизма управления с одним ударным клапаном и благодаря возможности расположения емкостей в виде усеченных цилиндров, расположения их в плане и по высоте на поворотной оси управления ручкой (можно и с дистанционным управлением) обеспечивается возможность регулировать время работы воздушных колпаков, возрастает полезная работа гидроудара, энергия которого открывает обратный клапан для каждого воздушного колпака, как в отдельности, так и суммарно для подачи жидкости потребителю. Достигается повышение производительности гидравлического тарана.
Такое исполнение позволяет увеличить вращающий момент силы гидродинамического давления и уменьшить время закрытия ударного клапана, а соответственно, и увеличить количество циклов, что влияет на производительность тарана.
Форма емкостей в виде усеченных цилиндров, плоской пластиной в виде ударного клапана, зависит от конструктивных особенностей и режимов работы гидравлического тарана. Кроме того, сечение емкостей по своей форме выполнения позволяет им входить в полость каждого патрубка 9 и 10 под углом, благодаря наличию среза патрубка и соотношению его размера с последним. Такое исполнение позволяет получить лучшие характеристики работы гидравлического тарана и дает дополнительный момент силы гидродинамического давления при закрытии ударного клапана.
Бесперебойность и очередность подачи жидкости обеспечивается тем, что ударный клапан расположен под углом и совпадает с вертикальной плоскостью среза патрубка, у которого время закрытия и открытия минимально, а также обеспечивается синхронная работа за счет крепления на двух осях, одна из которых связана с поворотом ручки, и с удлиненным рычагом, позволяющая производить с меньшим усилием на поворот ударного клапана. За счет частоты работы ударного клапана повышается подача жидкости в каждый из воздушных колпаков, т.е. производительность тарана увеличивается более чем в 2 раза. Производительность тарана также увеличивается за счет уменьшения длины рабочих участков труб, в конце которых с патрубками устанавливается ударный клапан, что позволяет сократить время распространения обратной волны гидравлического удара и тем самым уменьшить время цикла работы тарана и увеличить частоту циклов и быстродействия. Предлагаемое изобретение имеет высокую надежность и работоспособность, простоту в эксплуатации, а нужное положение одним ударным кланом обеспечивается схемой подключения и конструктивными размерами.