Результат интеллектуальной деятельности: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидравлических таранов, основанных на использовании гидравлического удара, и может быть использовано в качестве водоподъемников в системе мелиорации и водного хозяйства. Такими водоисточниками могут служить реки, каналы, коллекторы, имеющие движение воды, обеспечивающие работоспособность гидротарана.

Известен гидравлический таран, который является низконапорным устройством для подъема воды УВП-2 (патент RU №2056548, кл. F04F 7/02 от 20.03.1996), состоящий из спаренных трубопроводов с двухкамерным прямоугольным корпусом, который имеет два окна с опорными седлами, между которыми сверху по направлению движения потока закреплена ось вращения. На оси вращения расположен двухсторонний криволинейный равноплечий рычаг, соединенный одним концом с верхней стороной эластичного армированного ленточного ударного клапана, а вторым концом - с внешней стороны правого ударного клапана. Клапаны внутренней стороной прикреплены к внутренней части опорных седел в области вращении таким образом, что при повороте рычага в одном случае полностью касается прямоугольного периметра седла, находясь в растянутом состоянии, а в другом случае изгибается, и полностью открывают водопропускные окна корпуса. В корпусе каждой камеры установлены конические патрубки с нагнетательными клапанами, расположенные в воздушном колпаке.

Недостатком описанного устройства является то, что ударные клапаны выполнены из эластичного армированного материала, который является гасителем гидравлического удара и уменьшает величину давления в трубопроводах при гидравлическом ударе. Это влечет к снижению высоты подъема жидкости, а следовательно, к уменьшению производительности данного устройства. Другим недостатком является то, что необходимы длинные питающие трубопроводы (от 40 и более диаметров) для того, чтобы обратная волна при гидравлическом ударе не выходила за пределы спаренных трубопроводов. Это приводит к увеличению удельной металлоемкости данного устройства. Следующим недостатком является то, что равноплечий рычаг закреплен на одной оси, что не дает возможности согласования циклов работы гидравлического тарана.

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 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.

Известен гидравлический таран, содержащий нагнетательный (отводящий) и подающий трубопроводы, ударный (отбойный) и нагнетательные клапаны, шток, связанный с нагнетательным клапаном, воздушный (напорный) колпак и устройство для автоматического пополнения воздушного колпака воздухом, расположенное внутри полости воздушного колпака, при этом в гидравлический таран введен сливной клапан, связывающий полость воздушного колпака со сливом, отсечной клапан, установленный на нагнетательном трубопроводе и соединенный со сливным клапаном, и воздушный клапан, связывающий воздушную подушку воздушного колпака с атмосферой, при этом устройство для пополнения воздушного колпака воздухом выполнено в виде сифонной калиброванной трубки и двух сосудов, установленных один в другом, причем наружный сосуд выполнен открытым сверху, а внутренний сосуд, установленный на днище наружного сосуда, замкнутым, в нем выполнено отверстие, в котором размещен шток, связанный с нагнетательным клапаном, и калиброванные отверстия на боковой поверхности и верхнем днище, верхнее днище внутреннего сосуда размещено ниже кромки верхнего открытого среза наружного сосуда, а сифонная калиброванная трубка установлена на наружном стакане так, что ее колено находится на уровне кромки открытого среза наружного сосуда, один конец размещен в полости наружного сосуда, другой - в полости воздушного колпака, и оба конца трубки опущены ниже верхнего калиброванного отверстия внутреннего сосуда (патент RU №2070672, кл. F04F 7/02 от 20.12.1996).

Недостатком этого гидравлического тарана является сложность устройства для автоматического пополнения напорного колпака воздухом, конструкция которого увеличивает габариты и массу воздушного (напорного) колпака.

Известен подводный гидравлический таран, содержащий корпус, подающую трубу, включающую гидравлическую трубу с ударным клапаном на штоке, сообщенную с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана и воздушного колпака, и сливные трубы, при этом он содержит водосбросное кольцо, расположенное в корпусе, с равномерно распределенными по сечению водопропускными отверстиями, ударный клапан состоит из запорного элемента, выполненного в форме капли, и приводного механизма, включающего два цилиндра, объединенных муфтой, в один из которых встроен постоянный магнит конусовидной формы, а шток содержит жестко закрепленные кольца, упорное и стальное, причем сливные трубы выполнены коноидальной формы, а подающая труба - в форме конфузора (патент RU №2465488, кл. F04F 7/02 от 16.06.2011).

Недостатком известного устройства является то, что устройство усложнено наличием подающего трубопровода, Конструкция ударного клапана позволяет закрывать проходное сечение подающей трубы, однако большая инерционность его в работе снижает производительность установки, а следовательно, и связь с дополнительным механизмом управления с магнитом не всегда устойчива и ненадежна. Исполнительный механизм в целом и цилиндра создают неудобство при обслуживании и ремонте - низкая эксплуатационная надежность. Кроме того, резьбовые соединения в агрессивной среде всегда могут вызывать коррозию и заклинивание штока, а сам ударный клапан оказывает большое усилие на перемещение штока, что связано с его свободным концом навстречу потоку при обтекании его поверхности - он становится неустойчивым. Другим недостатком является то, что гидравлический удар создается только при постоянном потоке воды в подающей трубе и не использует скорость потока, которая быстро должна трансформироваться в давление, и имеет свойство запаздывания при ручной настройке для перехода на другой режим работы. Управление запорного органа недостаточно чувствительно при изменениях уровня воды перед подающей трубой.

Известно мобильное гидротаранное устройство, содержащее усеченный конус, ударный и нагнетательный клапаны, гидропневматический баллон, питательный трубопровод, посредством нагнетательного клапана сообщенный с гидропневматическим баллоном, и резервуар, при этом устройство снабжено диафрагменным узлом и насосом с поршнем и расположено как минимум на двух баллонах, заполненных избыточным давлением воздуха, при этом на питательном трубопроводе герметично закреплен диафрагменный узел, диафрагма которого кинематически соединена с поршнем насоса для подачи воды в резервуар, пространство над диафрагмой диафрагменного узла соединено через трубопровод с окружающей средой, а пространство под клапаном ударного клапана соединено с трубопроводом, свободный конец которого расположен выше уровня воды в реке, но ниже уровня воды перед раструбом усеченного конуса (Патент RU №2382912, кл. F04F 7/00 от 27.02.2010).

Недостатком описанного устройства является то, что диафрагма выполнена из эластичного материала, который является гасителем гидравлического удара и уменьшает величину давления в трубопроводе при гидравлическом ударе. Это влечет к снижению высоты подъема жидкости, а следовательно, к уменьшению производительности данного устройства. Другим недостатком является то, что скорости течения в трубопроводе будет недостаточно для осуществления резкого гидроудара и для поддержания работы устройства необходим большой перепад воды (напор). Следующим недостатком является то, что рычаг, закрепленный на оси, не дает достаточной чувствительности работы привода штока для управления диафрагмой с пружиной, что ведет к резкому возрастанию сил сопротивления и погрешности поддержания перепада (уровня) жидкости в реке и перед раструбом, т.е. связано со сжатием пружины, перемещению штока вверх, в конечном итоге это связано с насосом. Устройство также требует применения дополнительного воздуха, а также сложно в управлении синхронной работой ударного клапана и насоса - это приводит к ненадежности и точности определения и регулирования количества жидкости, поступающей в напорную емкость.

Технический результат направлен на регулирование работы, увеличение производительности гидравлического тарана, уменьшение металлоемкости, увеличение надежности и повышение быстродействия.

Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем питающий трубопровод, воздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, ударный и нагнетательный клапаны, и напорную емкость, причем таран снабжен поплавковой камерой, которая размещена в камере накопления с возможностью её периодического заполнения водой, поплавковая камера снабжена поплавком, шток которого шарнирно соединен с рычагом, разделенным на две неравные части, один конец которого шарнирно присоединен к борту камеры накопления, а другой шарнирно соединен штоком с запорным органом с Г-образным рычагом впускного патрубка с возможностью его перекрытия, а средняя часть рычага шарнирно присоединена к штоку, связанному с запорным органом с Г-образным рычагом питающего трубопровода с возможностью его перекрытия, и соединена с ударным клапаном гибкого привода, при этом ударный клапан выполнен в форме капли, размещенным в конце питающего трубопровода с возможностью осевого перемещения в плоскости к оси питающего трубопровода посредством направляющего штока, размещенного в цилиндре направляющих, ниже питающего трубопровода, закрепленного к гибкому приводу через ролик, причем конец штока установлен в боковой стенке питающего трубопровода, при этом ударный клапан по форме капли дополнительно снабжен свободным штоком в направляющих в полости отводящего трубопровода, причем направляющий шток ударного клапана выполнен с регулировочной втулкой и ограничителем.

Кроме того, поплавковая камера сообщена с отводящим трубопроводом-патрубком типа Вентури с вентилем.

Кроме того, одна из стенок поплавковой камеры в верхней части выполнена с впускным отверстием с козырьком.

Кроме того, цилиндр с направляющим штоком и одним концом гибкого привода, перемещающегося в направляющих через ролик, отделены от дна камеры накопления.

Выполнение двух запорных органов в камере накопления воды и камеры и поплавковой камеры с поплавковым приводом позволяет иметь возможность периодического заполнения питающего трубопровода водой и создает условия для работы ударного клапана в конце питающего трубопровода, повышения давления в трубе, в результате чего обратный клапан открывается и вода поступает в воздушный колпак, а затем в нагнетательный трубопровод.

В результате, определенный напор (уровень) воды в камере накопления и косой срез на входе в питающий трубопровод позволяет воде полным сечением (без подсоса воздуха) поступать в камеру накопления с последующим разгоном потока воды в трубе и повышением скорости потока при обтекании запорного клапана, создающим гидравлический удар при движении его в сторону закрытого конца трубы, воздействуя на обратный клапан и регулируемым ограничителем степени открытия входного оголовка питающего трубопровода, при этом в этот момент запорный орган находится в открытом положении. Таким образом, отраженная от обратного клапана волна, обладая кинетической энергией, устремляется в сторону камеры-трубы, ведет к повышению производительности, так как в данный момент ударный клапан закрыт.

Таким образом, обеспечение возможности изменения комбинаторной зависимости в соответствии с напором в камере накопления и самой работы поплавковой камеры с поплавковым приводом, со штоками, гибкой связью, связанной посредством жесткого штока с ударным клапаном, перемещение осуществляется автоматически. Таран имеет приспособление в виде регулировочной поплавковой камеры, связанной с работой гидроударного привода, и управление в автоматическом режиме с помощью запорных органов. Управление ударным клапаном (иглой) осуществляется по схеме следящего устройства с помощью пустотелого цилиндра, ролика, а также гибкого привода.

Устройство позволяет обеспечить высокую надежность и работоспособность, а также КПД и является регулируемым в зависимости от высоты расположения поплавковой камеры с поплавковым приводом и высоты поднятия воды в камере накопления. Все это, в целом, возможно благодаря компактному расположению всего устройства, что также экономит воду, а производительность может быть увеличена более чем в 2 раза и дает возможность использовать его на реках, каналах, коллекторах, имеющих ток воды, обеспечивающий работоспособность гидротарана.

Производительность тарана также увеличивается за счет уменьшения длины питающей трубы, в начале которой установлены запорные органы, а в конце ее ударного клапана за перепадом, что позволяет сократить время распространения обратной волны гидравлического удара и отсечь эту волну от камеры наполнения и тем самым уменьшить время цикла работы тарана и увеличить частоту циклов и быстродействие. К тому же уменьшение длины трубопровода приводит и к значительному снижению удельной металлоемкости, по сравнению с существующими, в 2-3 раза.

Эффективность тарана заключается в том, что он прост по конструкции и технологичен в производстве.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема гидравлического тарана, вертикальный разрез; на фиг. 2 - изображен гидравлический таран, общий вид.

Гидравлический таран устанавливается в водоисточнике 1, перегороженном перемычкой 2 с коротким трубчатым патрубком 3, подсоединенным к камере 4 накопления. Запорный орган 5, который посредством Г-образного рычага 6, штока 7 и жестких связей через шарниры 8, 9, 10, 11, 12 связан с рычагом 13, один конец которого шарнирно присоединен к борту камеры 4 накопления, а поплавок 14, направляющий шток 15 с ударным клапаном 16 и свободный шток 17, а также запорный орган 18 с Г-образным рычагом 19 шарнирно соединены со средней частью рычага 13, соответственно, штоками 20, 21 и гибким приводом 22.

Поплавковая камера 23 выполнена в виде поплавкового привода, размещена внутри камеры 4 накопления и закреплена на вертикальных опорах 24 к дну камеры 4 накопления. Одна из стенок 25 поплавковой камеры 23 выполнена с впускным отверстием 26, устроенным в верхней части стенки 25 с козырьком 28. Позицией 27 обозначен ограничитель уровня перемещаемого поплавка 14. Гибкий привод 22 соединен с направляющим штоком 15 через ролик 29, размещенные в полости цилиндра 30 и с возможностью осевого перемещения ударного клапана 16, выполненного в форме капли (иглы), согласно ориентированным одним концом в плоскости к оси питающего трубопровода 31, изогнутого по кривой в сторону воздушного колпака 32, при этом ударный клапан 16, выполненный по форме капли, перемещается посредством направляющего штока 15, установленного в боковой стенке питающего трубопровода 31, который, в свою очередь, связан с поплавковым приводом, причем ударный клапан 16. размещенный в конце питающего трубопровода 31, свободным торцом связан со штоком 17, размещенным в полости отводящего трубопровода 33 с патрубком 34 - труба Вентури. Штоки 15 и 17 установлены в направляющих 35, 36, 37.

Ударный клапан 16 с удлиненным направляющим штоком 15, регулировочной втулкой 38 имеет ограничитель 39 в цилиндре 30.

В верхней части рабочей камеры 40 имеется патрубок 41, который жестко заделан в плоское седло 42 с отверстием, с перекрываемым сверху, например армированным нагнетательным клапаном 43, расположенным внутри воздушного колпака 32, имеющего нагнетательный трубопровод 44 с емкостью 45. На входе питающего трубопровода 31 после запорного органа 18 размещен обратный клапан 46 с регулируемым ограничителем 47 степени открытия и выступ-ограничитель 48.

Питающий трубопровод 31 соединен с патрубком 34 с отводящим трубопроводом 33, патрубок 34 имеет сужение, выполненное в виде трубы Вентури. Труба Вентури при помощи трубки 49 с обратным клапаном 50 и вентилем-регулятором 51 присоединена к поплавковой камере 23.

Выпускное отверстие 52 подобрано таким образом, что объем поступающей в отверстие 52 на слив воды несколько меньше объема воды, поступающего через впускное отверстие 26 в поплавковую камеру 23 сверху.

Гидравлический таран работает следующим образом.

Из водоисточника 1 подпираемый перемычкой 2 создающий гидравлический перепад Z при поступлении в патрубок 3 определяет уровень воды в камере 4 накопления, который необходим для поступления расхода в питающий трубопровод 31 и регулируемый двумя синхронно работающими в противофазе запорными органами 5 и 18 с рычагами 6 и 19, шарнирно соединенными с частями рычага 13, один конец которого шарнирно присоединен к борту камеры 4 накопления.

Работа гидротарана включает несколько циклов: первый цикл - накопление воды в камере 4 накопления через впускной патрубок 3, когда запорный орган 5 открыт, а запорный орган 18 перекрывает входное отверстие питающего трубопровода 31, в этом случае ударный клапан 16 открыт, а нагнетательный клапан 43 закрыт; второй цикл - система сбалансирована таким образом, что при заполнении камеры 4 накопления поплавок 14 находится в нижнем положении, а запорный орган 18 прикрывает поперечное сечение впускного отверстия в питающем трубопроводе 31 и обратный клапан 46 с регулирующим ограничителем 47 упирается (контактирует) с выступом - ограничителем 48.

В результате, уровень воды в камере 4 накопления превысит отметку отверстия 26 в стенке 25, козырек 28 которого направляет воду к дну поплавковой камеры 23 и способствует сглаживанию поверхности воды, выходящей из отверстия 26, уровень воды повышается. Поплавковая камера 23 заполняется водой, поплавок поднимает рычаг 13 и запорный орган 18 открывается, соответственно, происходит перемещение на перекрытие патрубка 3 запорным органом 5. Третий цикл - поток открывает автоматически обратный клапан 46, свободно без сопротивлений двигается с большой скоростью внутри рабочей камеры 40 питающего трубопровода 31, запускает гидротаран в работу.

Вода при открытом ударном клапане 16, состоящем из запорного элемента каплевидной формы, обеспечивающего меньшее сопротивление потоку воды, проходит через патрубок 34 в виде трубы Вентури и далее в отводящий трубопровод 33. В результате поднятия поплавком 14 рычага 13 посредством гибкого привода 22 приводит через направляющий шток 15 и ролик 29 ударный клапан 16 на мгновенное его закрытие. Поток останавливается, вызывая прямой гидравлический удар в питающем трубопроводе 31. создавая избыточное давление. При этом часть потока через патрубок 41 беспрепятственно устремляется к отверстию опорного седла 42, открывает нагнетательный клапан 43 и поступает в воздушный колпак 32, сжимает образовавшуюся воздушную подушку и поступает в нагнетательный трубопровод 44 на высоту (h) в емкости 45. Патрубок 41 выполнен из стандартного изделия, легко вписывается как соединительное звено плоского опорного седла 42 с круглой поверхностью питающего трубопровода 31. чем достигается третий цикл поставленной задачи.

Одновременно ударная волна распространяется к входной части питающего трубопровода 31 и, воздействуя на обратный клапан 46, закрывает его с ограничителем 47 при контакте с выступом 48, снижая выброс воды назад в камеру 4 накопления, и тут же отражается.

Отраженная от обратного клапана 46 волна, обладая кинетической энергией, устремляется в сторону рабочей камеры 40 и увлекает за собой через отверстие седла 42 свежую порцию воды из камеры 4 накопления, чем достигается задача - снижение инерционности разгона потока, ведущей к повышению производительности, так как ударный клапан 16 еще закрыт.

Трубка 49 работает в цикле сброса воды из поплавковой камеры 23 посредством открытия обратного клапана 50, то есть вода поступает в патрубок 34 с зауженной частью - труба Вентури с расходом, зависящим в том числе от гидравлических потерь напора в обратном клапане 50, вентиле 51 и трубке 49.

При понижении уровня воды в поплавковой камере 23 поплавок 14, следуя за уровнем воды, опускается, увлекая за собой шток 20, оказывая влияние на положение и снятие натяжения на ударный клапан 16, и через направляющий шток 15 ударный клапан 16 откроется и вода, обтекая ударный клапан 16, движется через патрубок 34 - труба Вентури, напор, который при соответствующем выборе диаметров трубы отводящей 33 и зауженной частей патрубка 34 оказывается меньше давления в трубке 49. В результате разности давлений происходит дальнейшее поступление воды из поплавковой камеры 23 поплавкового привода.

В то же время освобожденная камера 4 накопления от воды закрывается запорным органом 18, а запорный орган 5 открывает впускной патрубок 3, соединяющийся с водоисточником 1, камера 4 накопления наполняется до определенного момента достижения в поплавковой камере 23 (заданного) наполнения, когда поплавок 14 начнет поднимать посредством штока 20 рычаг 13. Запорный орган 5 посредством Г-образного рычага 6 и жестких связей через шарниры соединен с рычагом 13, прикрепленным одним концом шарнирно к борту камеры 4 накопления при отрегулированных длине штока 21 и длине гибкого привода 22, нижний конец которого размещен в цилиндре 30 с направляющим штоком 15 с ударным клапаном 16. При этом свободный конец дополнительного штока 32 обеспечивает свободу перемещения как ударного клапана 16, так и направляющего штока 15 в полости цилиндра 30 по длине, таким образом, камера 4 накопления вновь заполняется водой до определенного (заданного) наполнения и высоты расположения поплавковой камеры 23. Затем цикл повторяется.

Время выпуска воды увязывается с обратной гидравлической волной, соответственно, регулируется и время сработки уровня воды в поплавковой камере 23 с поплавковым приводом, и, наоборот, заполнение последней из источника 1 через камеру 4 накопления.

С целью предотвращения попадания отводящей воды в трубку 49 и в поплавковую камеру 23 из зауженной части патрубка 34 - труба Вентури при внезапном повышении напора в зауженной части и превышении давления в трубке 49, что может случиться, например, при прекращении движения отвода воды по отводящему трубопроводу 33 или значительном повышении напора в нем, обратным клапаном 50 мгновенно перекрывается поступление отводящей воды по трубке 49 в поплавковую камеру 23, сохраняя ее режим работы.

Высота поплавковой камеры 23 и поплавкового привода устанавливаются с учетом возможных колебаний напоров воды в водоисточнике 1, т.е. с учетом перепадов уровней, например, реки и т.д. с камерой 4 наполнения для накопления воды.

Устройство позволяет обеспечить равномерную подачу воды в нагнетательный трубопровод и увеличить производительность за счет расположения тарана на коротком и изогнутом участке питающего трубопровода, энергия которого открывает нагнетательный клапан воздушного колпака.

Все это в целом повышает точность регулирования и быстродействие в работе гидравлического тарана, отсутствуют большие нагрузки на трение в напорном потоке и снижается величина управляющих усилий при работе тарана. Кроме того, таран характеризуется надежностью обеспечения за счет устойчивого момента закрывания ударного клапана и отсутствия заиления полости питающего трубопровода, за счет скоростного потока на выходе из него по наклонной поверхности в отводящий трубопровод, а также дает возможность использовать его на реках со сравнительно медленным течением. Кроме того, повышается уровень автоматизации при водоподъеме в системе мелиорации и водного хозяйства. Устройство исключает возможность засорения камеры гидротарана и выпускного отверстия, перекрываемого ударным клапаном. Таким образом, экономится вода на сброс и повышается КПД гидравлического тарана, что приводит к значительному снижению удельной металлоемкости, по сравнению с существующими, в 2-3 раза.