Результат интеллектуальной деятельности: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидравлических таранов, и может быть использовано при проектировании систем транспортировки жидкости, в практике машинного подъема в системе мелиорации и сельском хозяйстве.

Известен воздушный колпак гидротарана, содержащий корпус с впускным клапаном и штуцером на напорной магистрали и установленный на корпусе поршень, последний установлен на пружине, соединенной с корпусом, и выполнен в виде цилиндра, установленного соосно корпусу, причем на дне корпуса жестко закреплен направляющий цилиндр, установленный между корпусом и поршнем (Авторское свидетельство SU №1250736, кл. F04F 7/02 от 15.08.1986).

Недостатком гидротарана является низкая надежность из-за сложности конструкции, включающей подвижные элементы в виде ударного клапана со штоком и пригруженным сменными грузами, утяжеляющими непосредственно сам ударный клапан в работе. Сложность работы такого гидротарана в движении вызывает увеличение динамических нагрузок, как и самого ударного клапана. Из-за конструкции поршня возникают условия заклинивания, регулировка по высоте его размещения не предусмотрена. Вследствие большой инерционности системы работы ударного клапана значительно уменьшается частота ударов ударного клапана.

Известен воздушный колпак гидротарана, содержащий корпус с воздушной и жидкостной полостями, впускным клапаном и штуцером на напорной магистрали, колпак снабжен поршнем, разделяющим корпус на воздушную и жидкостную полости, и жестко закрепленным подпружиненным штоком, на котором установлен ограничитель хода (Авторское свидетельство SU №1224464, кл. F04F 7/02 от 15.04.1986).

Недостатком гидротарана является низкая производительность. Конструкция ударного клапана позволяет закрывать проходное сечение питающего трубопровода, однако большая инерционность в работе его снижает производительность тарана. Требуется искусственная подзарядка сверх высокого давления в колпаке с подпружиненным поршнем, а также использование дополнительного компрессора, сложность устройства. Другим недостатком является то, что регулировка его работы не предусмотрена, а также неполное использование его потенциальных возможностей, связанных с перемещением поршня в виде ударного клапана вверх-вниз, во время холостого хода.

Известен также гидропневматический таран, содержащий питающую трубу с рабочей камерой, нагнетательный клапан, 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 выходные отверстия, причем ударный клапан выполнен в виде подпружиненного усеченного конуса (Авторское свидетельство SU №1328588, кл. F04F 7/02 от 07.08.1987).

Недостатком известного гидропневматического тарана является недостаточная надежность подпружиненного усеченного конуса, так как он несет в себе большие гидродинамические нагрузки в работе, что снижает его долговечность и ведет к поломкам, работающего в агрессивной среде. В силовом цилиндре происходит движение вверх 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, когда мутность воды значительна (глина, песок и т.д.), так как ударный клапан в виде подпружиненного усеченного конуса может заклинить. Все это не позволяет получить требуемую подачу жидкости потребителю. Таран не имеет приспособления регулировки его работы, сложен в изготовлении, доступ к клапанам невозможен, низка его надежность.

Известны гидротараны SU: №1164473, кл. F04F 7/02 от 30.06.1985; №1231281, кл. F04F 7/02 от 15.05.1986; №1448123, кл. F04F 7/02 от 30/12/1988).

Однако известные тараны сложны в изготовлении, регулировка их работы не предусмотрена, ход и напор, следовательно, КПД, мал вследствие инерционности системы работы ударного клапана и значительного уменьшения частоты ударов ударного клапана.

Технический результат заключается в обеспечении регулирования режима работы гидравлического тарана в зависимости от уровня воды в регулируемой емкости, повышении эффективности, надежности его работы и упрощении конструкции.

Технический результат достигается тем, что гидравлический таран, питающий трубопровод с рабочей камерой, нагнетательный клапан, ударный клапан с пружиной, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, таран содержит открытую регулирующую емкость, в которой установлены двуплечий рычаг с возможностью качания на оси и вертикальный патрубок, верхний конец которого выполнен в виде плоского седла, над которым размещен подпорный диск с ударным клапаном, соединенным с регулируемым П-образным перевернутым стаканом со штоком, закрепленным в верхней части и размещенным в направляющих, а двуплечий рычаг связан со штоком с поплавком и с грузом-противовесом с возможностью изменения момента силы, шарнирно закрепленным на одном его плече и со штоком с П-образным перевернутым стаканом, шарнирно закрепленным на другом его плече, причем подпорный диск выполнен в виде перевернутой тарелки с возможностью перекрытия выпускного отверстия седла патрубка, которое расположено соосно с открытой частью стакана, соединенного посредством пружины, закрепленной на штоке ударного клапана, а шток П-образного перевернутого стакана выполнен с регулировочной втулкой и с ограничителем хода.

Кроме того, регулирующая камера содержит ограничитель перемещения П-образного перевернутого стакана.

Кроме того, подпружиненный ударный клапан, соединен с подпорным диском, который имеет форму конуса с боковыми изогнутыми стенками, обращенными в сторону плоского седла патрубка.

Такая конструкция гидротарана обеспечивает возможность задавать величину свободного хода ударного клапана с укороченным штоком и с пружиной, прикрепленной к удлиненному штоку регулируемого П-образного перевернутого стакана с регулировочной втулкой (настройкой) на штоке, который в верхней своей части контактирует с ограничителем, закрепленным в открытой регулировочной емкости. Это позволяет регулировать силу гидроудара и частоту циклов, а значит и объем подаваемой жидкости в воздушный колпак. Таран имеет приспособление в виде регулировочной емкости, в которой размещен как вертикальный патрубок с плоским выходным седлом, так и двуплечий рычаг, качающийся на оси. Установка свободной пружины растяжения внутри П-образного перевернутого стакана и регулирования последнего по высоте, закрепленного на удлиненном штоке, шарнирно связанного в средней части с двуплечим рычагом, поплавком с грузом-противовесом на поворачивающейся качающейся оси двуплечего рычага позволяет регулировать работу гидравлического тарана. Сам ударный клапан выполнен плоской пластиной, закрепленной к подпорному диску, который имеет форму конуса с боковыми изогнутыми стенками, обращенному к плоскому седлу патрубка с возможностью перекрытия выпускного отверстия седла патрубка, которое расположено соосно с открытой частью стакана. Во время работы гидротарана и благодаря конструктивным параметрам ударного клапана с подпорным диском, например форме конуса с боковыми изогнутыми стенками и далее форме седла патрубка по диаметру выпускного отверстия, ударный клапан обеспечивает полную герметичность конца подпитывающей трубы при резком гидроударе и надежное уплотнение при отсутствии заклинивания (закусывания) ударного клапана к седлу отверстия, а размещение открытой нижней частью стакана, соосно ориентированной к выпускному отверстию седла патрубка с расстоянием между ними через ударный клапан с пружиной, позволяет обеспечить устойчивое его положение при закрытии седла вертикального патрубка, и, следовательно, отсутствует влияние пульсаций воды на стакан, размещенный между направляющими, т.е. отсутствует его заклинивание. Этим самым обеспечивается полное закрытие отверстия выходного конца патрубка с питающим трубопроводом, что дает возможность работы тарана при очень малых питательных напорах, например река, канал, коллектор и т.д. Отсюда, гидротаран имеет высокую надежность и работоспособность, а также КПД и является регулируемым в зависимости от высоты поднятия воды в регулировочной емкости.

Эффективность изобретения заключается в том, что оно позволяет повысить надежность и быстродействие в работе, улучшает работу всей гидравлической системы гидротарана, сводит инерционность действия ударного клапана к долям секунды и повышает производительность.

В режиме срабатывания ударного клапана не предъявляется к нему высоких требований к качеству воды от взвешенных наносов, уменьшаются перестановочные усилия на гидравлически разгрузочный ударный клапан. Время, затраченное на постепенное самотеком вытекание воды из емкости через сливной патрубок с вентилем-регулятором, расположенный в нижней части дна, при опускании поплавка, осуществляется заданным промежутком времени. Компактное, рациональное конструирование нового устройства имеет практическое применение в качестве водоподъемного устройства.

Следует обратить внимание на форму седла вертикального патрубка и форму ударного клапана с подпорным диском, ударный клапан сверху снабжен резиной, что смягчает удары о края направляющих, в которых движется П-образный перевернутый стакан со штоком и с закрепленной пружиной.

За счет обтекаемости боковых стенок подпорного диска с ударным клапаном увеличивается выпуск воды в емкость без выплесков, обеспечено уменьшение величины сопротивлений (потерь) выпускаемой воды из вертикального патрубка, которое отсутствует в известных устройствах, а также возрастает полезная работа гидроудара при его закрытии и достигается повышение производительности гидравлического тарана на коротком участке питающего трубопровода.

На чертеже схематически показан предлагаемый гидротаран, продольный разрез.

Гидравлический таран содержит магистральный трубопровод 1, соединенный с питающим трубопроводом 2, рабочую камеру 3, воздушный колпак 4 с нагнетательным трубопроводом 5 и обратным клапаном 6, сообщающим воздушный колпак 4 с рабочей камерой 3. Ударный клапан 7 с подпорным диском 8 установлены над седлом 9 в конце вертикального патрубка 10, соединенного с питающим трубопроводом 2. Открытая регулирующая емкость 11 размещена на выходном вертикальном патрубке 10 со сливным патрубком 12 с вентилем-регулятором 13. Проходное сечение отверстия 14 подобрано таким образом, что объем, поступающий в отверстие 14 из емкости 11, несколько меньше объема воды, поступающей через вертикальный патрубок 10 в емкость 11. Ударный клапан 7 выполнен плоской пластиной и соединен с подпорным диском 8, который выполнен в виде перевернутой тарелки, выше которого смонтирован регулируемый П-образный перевернутый стакан 15, соосно ориентирован открытым концом через ударный клапан 7 с подпорным диском 8 к выпускному отверстию седла 9 вертикального патрубка 10, соединенного с питающим трубопроводом 2. При этом стакан 15 имеет удлиненный шток 16, подпружиненный пружиной 17 и связанный посредством пружины 17, укороченный шток 18 связан с ударным клапаном 7, и перевернутый стакан 15 размещен между направляющими 19. Укороченный шток 18 расположен в направляющих 20, закрепленными к концам направляющих 19 стакана 15. Кроме того, ударный клапан 7 с уплотнением, например, из резины, расположен соответственно ниже направляющих 19, 20 и перевернутого стакана 15. Регулирующий П-образный перевернутый стакан 15 с удлиненным штоком 16 входит в контакт с ограничителем хода 21, размещенным в емкости 11, и шток 16 имеет регулировочную втулку 22, а в средней части его закреплен шарнир 23. Поплавковый шарнирно-рычажный механизм, взаимодействующий с П-образным перевернутым стаканом 15, также расположены в регулирующей емкости 11. Поплавковый шарнирно-рычажный механизм включает в себя управляющий двуплечий рычаг 24, поворачивающийся на оси 25, закрепленной к стойке 26. На одном конце двуплечего рычага 23 шарнирно закреплен удлиненный шток 16 с регулирующим П-образным перевернутым стаканом 15, который связан с ударным клапаном 7 с укороченным штоком 18, с подпорным диском 8 через пружину 17, на другом конце через шарнир 27 закреплен шток 28 с поплавком 29 с грузом-противовесом 30 переменной массы. Элементы, связанные с регулирующей открытой емкостью 11, составляют принципиальную схему с перевернутым стаканом 15 с пружиной 17, ударный клапан 7 с подпорным диском 8, который выполнен в виде перевернутой тарелки, впускной вертикальный патрубок 10 с седлом 9, сливной патрубок 12 с вентилем-регулятором 13, и связанные с чувствительным элементом поплавком 29 шарнирно-рычажного механизма.

Гидравлический таран работает следующим образом.

Гидротаран устанавливается ниже источника водоснабжения, расположен над питающим трубопроводе, соединяющегося с помощью напорной магистрали трубопровода 1 с ним. Заданный расход воды через вертикальный патрубок 10 с седлом 9 устанавливают с помощью управляющего ударного клапана 7 с подпорным диском 8, для чего его через укороченный шток 16 соединяют с пружиной растяжения 17 с регулируемым П-образным перевернутым стаканом 15, с удлиненным штоком 16, пропущенным через отверстие в крышке перевернутого стакана.

При поступлении воды в питающий трубопровод 2, поток воды перемещается в сторону закрытого конца вертикального патрубка 10 с седлом 9 с диском 8, который соединен с ударным клапаном 7, и которые подпружинены пружиной 17, сжимают пружину 17 и перемещаются вверх, одновременно перемещается вверх П-образный перевернутый стакан 13 в направляющих 15, и удлиненный шток 16 своим концом (упирается) входит в контакт с ограничителем 21, закрепленный в емкости 11, что обеспечивает тем самым больший сток воды в регулирующую емкость 11. Таким образом, через выпускной вертикальный патрубок 10 с седлом 9 обеспечивается ранее заданный расход воды.

В случае работы устройства на максимальную пропускную способность, ход ударного клапана 7 с напорным диском 8 задается величиной свободного хода укороченного штока 18 с пружиной 17 путем установки регулировочной втулки 22 выше дна перевернутого стакана 13 с удлиненным штоком 16, имеющего на верхнем конце контакт с ограничителем 21. Изменением свободного хода регулируется сила действия пружины 17, так как она сжимается, а вследствие накопления воды в емкости 11 и всплытия поплавка 29, шарнирно-рычажный механизм воздействует, соответственно, на П-образный перевернутый стакан 13 и далее на ударный клапан 7 с подпорным диском 8, который закреплен на оси 25. За счет быстрого наполнения регулирующей емкости 11 резко закрывается ударный клапан 7 с напорным диском 8 (дополнительный также противовес), срабатывающий от всплытия поплавка 29 по мере накопления воды в емкости 11. Закрытие ударного клапана 7 с диском 8 вызывает гидравлический удар в камере 3 подпитывающего трубопровода 2, что принуждает нагнетательный клапан 6 открываться. Гидравлический удар сопровождается возникновением обратной волны, открывая клапан 6. Вода через открытый клапан 6 поступает в воздушный колпак 4 и далее поступает через нагнетательный трубопровод 5 к потребителю.

Таким образом, вслед за опорожнением воздушного колпака 4 от воды, происходит опорожнение емкости 11 через сливной патрубок 12 с вентилем-регулятором 13, что приводит, сохраняя некоторый запас воды в емкости 11, автоматически включающий гидравлический таран в работу при последующем повышении уровня воды во входном вертикальном патрубке 10 на питающем трубопроводе 2. После опорожнения открытой регулирующей емкости 11 следующий цикл работы повторяется.

Кроме того, наличие направляющих 19 и 20 ограничивает движение вверх ударного клапана 7 с подпорным диском 8 при контакте в случае максимальной пропускной способности патрубка 10, что также дополнительно ограничивает движение удлиненного штока 16 П-образного перевернутого стакана 13 вверх, который входит в контакт с верхним ограничителем хода 21. В целом это позволяет снизить усилия, прилагаемые для высотного маневрирования ударным клапаном 7 с напорным диском 8.

Согласованность работы тарана осуществляется узлом работы гидроударного привода, а также наличием шарнирно-рычажного механизма с поплавком и регулирующей емкости.

Это позволяет обеспечить устойчивое положение ударного клапана с напорным диском при резком закрытии плоского седла патрубка, и, следовательно, отсутствует влияние пульсации воды на перевернутый стакан, перемещающийся в направляющих с пружиной, соответственно, связанный с шарнирно-рычажным механизмом с поплавком. Это ведет к повышению КПД гидравлического тарана.

Эффективность предлагаемого тарана заключается в том, что он обеспечивает реализацию возможности управления в процессе работы гидравлического тарана, а также при необходимости перестроить работу тарана в системе, чтобы повысить надежность и быстродействие в работе, сводит инерционность действия к долям секунды и повышает производительность. Конструкция отличается относительной несложностью изготовления, проста в эксплуатации благодаря легкому доступу к ударному клапану и сливному патрубку с вентилем-регулятором.

Кроме того, создание перевернутого стакана с пружиной, который размещен свободно в направляющих (не обтекаемый в начальный момент), обеспечивает отсутствие заклинивания (закусывания) стакана, как и самого ударного клапана с подпорным диском к плоскому седлу отверстия патрубка. Обтекание напорного диска обеспечивает уменьшение величины сопротивлений (потерь) выпускаемой воды и увеличение ее скорости выхода в емкость, что отсутствует в известных устройствах.