ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН Российский патент 2003 года по МПК F04F7/02 

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано в гидравлических таранах для транспортирования жидкости.

Известен гидравлический таран (SU 1173077 A, 15.01.1993, F 04 F 7/02), содержащий питательную трубу с ударным клапаном, который с целью обеспечения регулирования режима работы гидравлического тарана в зависимости от уровня жидкости в резервуаре снабжен патрубком, нижний конец которого выполнен в виде сильфона со штоком, соединенным с ударным клапаном, причем патрубок соединен с резервуаром и установлен выше уровня сильфона, воздушный колпак с нагнетательными трубопроводом и клапаном, соединяющим воздушный колпак с питательной трубой, которая соединена с резервуаром.

Недостатком описанного устройства является то, что ударный клапан выполнен плоским, что не позволяет получить mах момента на закрытие от гидродинамического давления жидкости при обтекании его. Это не позволяет получить min время закрытия клапана и, как следствие, уменьшается производительность тарана. Другим недостатком является то, что необходимо иметь длинный трубопровод для того, чтобы обратная волна гидравлического удара не выходила обратно в резервуар. Следующим недостатком является то, что гидравлический таран подает воду периодически, неравномерно, что зачастую не удовлетворяет требованиям потребителя и имеет низкий объемный КПД. Еще одним недостатком является необходимость иметь корректор для пригрузки ударного клапана тарана при изменении давления в начале трубопровода, что уменьшает частоту циклов, а следовательно, его быстродействие и производительность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является низконапорное устройство для подъема воды УВП - 2 (RU 2056548 C1, 20.03.1996, F 04 F 7/02), состоящее 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 стороной правого ударного клапана. Клапаны внутренней стороной прикреплены к внутренней части опорных седел в области вращения таким образом, что при повороте рычага в одном случае полностью касается прямоугольного периметра седла, находясь в растянутом состоянии, а в другом случае изгибаются и полностью открывают водопропускные окна корпуса. В корпусе каждой камеры установлены конические патрубки с нагнетательными клапанами, расположенные в водовоздушном 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.

Технический результат направлен на обеспечение равномерной подачи жидкости в нагнетательный трубопровод, увеличение производительности гидравлического тарана, уменьшение удельной металлоемкости, повышение быстродействия.

Технический результат достигается тем, что в гидравлическом таране, содержащем два параллельных трубопровода с ударными клапанами, расположенными горизонтально, нагнетательные клапаны, водовоздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, согласно изобретению, в начале трубопроводов дополнительно установлены клапаны, а на других их концах установлены ударные клапаны с осями, соединенные между собой муфтой, которая выполнена цилиндрической с секторным пазом, закрепленной на одной оси ударного клапана и пластиной на оси другого ударного клапана, установленной в секторном пазу, причем ударные клапаны закреплены между собой под углом.

Кроме того, ударные клапаны могут быть выполнены в виде объемной призмы, основания которой параллельны, а боковая поверхность образована двумя плоскостями с тупым плоским углом и противолежащей ему плоскостью.

Кроме того, ударные клапаны могут быть выполнены усеченной цилиндрической формы, боковая поверхность которой выполнена с различными радиусами кривизны R₁ и R₂, а основания его параллельны.

Кроме того, основания ударных клапанов могут быть выполнены не параллельно и наклонены в сторону движения жидкости.

Кроме того, муфта может иметь в секторном пазу регулируемое демпфирующее устройство, которое состоит из двух пар подпружиненных пластин с возможностью движения вокруг своей оси и расположенных у стенок секторного паза, причем пружины соединены с регулировочными винтами, установленными в проточках цилиндрической части муфты.

На фиг.1 изображен главный вид гидравлического тарана с местными разрезами.

На фиг.2 - вид сверху с местными разрезами фиг.1.

На фиг.3 - разрез гидравлического тарана по плоскости А-А фиг.2.

На фиг.4 - муфта.

На фиг. 5 - горизонтальный разрез ударного клапана, выполненного в виде объемной призмы.

На фиг. 6 - горизонтальный разрез ударного клапана, выполненного в виде усеченной цилиндрической формы.

На фиг.7 - вертикальный разрез ударного клапана.

Гидравлический таран содержит два параллельных трубопровода 1, расположенных один над другим, смещенных в плане и соединенных с трубопроводом водовыпуска 2. В начале трубопроводов расположены клапаны 3, вращающиеся на оси 4. На других концах трубопроводов установлены ударные клапаны 5 и 6 (5 - на верхнем (В) трубопроводе, а 6 - на нижнем (Н)), расположенные под углом β относительно друг друга, вращающиеся на осях 7, между которыми находится муфта 8. Муфта состоит из двух частей (фиг.4): первая часть 9 выполнена цилиндрической с секторным пазом 10, имеющим центральный угол α, и закреплена на оси 7 одного ударного клапана, на оси 7 другого ударного клапана закреплена пластина 11, расположенная в секторном пазу 10. В секторном пазу 10 установлено регулируемое демпфирующее устройство, которое состоит из подпружиненных пластин 12 с возможностью движения вокруг своей оси, пружин 13 и регулировочных винтов 14, установленных в проточках 15, выполненных в цилиндрической части муфты 9. Оси 7 ударных клапанов 5 и 6 расположены в вертикальной плоскости сбросных отверстий 16 и 17 трубопроводов 1. В торцах трубопроводов 1 расположены патрубки 18 и 19 с нагнетательными клапанами 20, установленными в водовоздушном колпаке 21 с нагнетательным трубопроводом 22. Ударные клапаны 5 и 6 выполнены в виде объемной призмы, боковая поверхность которой образована двумя плоскостями 24 и 25 с тупым плоским углом и противолежащей ему плоскостью 23, прилегающей к сбросному отверстию 16 и 17 (фиг. 5), или выполнены усеченной цилиндрической формы, боковая поверхность 26 которой выполнена с различными радиусами кривизны R₁ и R₂, а основания его параллельны (фиг.6). Сечение ударных клапанов в зависимости от условий конструктивной компоновки гидравлического тарана может быть различным, если основания призмы параллельны, то сечение ее прямоугольное (фиг.7а), а если основания призмы не параллельны, то сечение трапецеидальное (фиг.7б) или трапецеидальное с криволинейными сторонами (фиг. 7в). Причем у трапецеидального сечения меньшее основание трапеции прилегает к сбросным отверстиям 16 и 17. Трапецеидальное сечение позволяет увеличить величину вращающего момента от гидродинамического давления при обтекании жидкости за счет разности площадей у меньшего и большего оснований трапеции.

Работа гидравлического тарана состоит из двух циклов: первый цикл - сброс жидкости через сбросное отверстие 17, в этом случае ударный клапан 6 и клапан 3 нижнего трубопровода 1 открыты, а нагнетательный клапан 20 закрыт, и второй цикл - гидравлический удар, в этом случае ударный клапан 5 закрыт, нагнетательный клапан 20 открыт, жидкость поступает в водовоздушный колпак 21, а клапан 3 верхнего трубопровода закрыт.

Рассмотрим первый цикл, положение клапанов показано в нижнем (Н) трубопроводе (фиг.1).

Жидкость по трубопроводу водовыпуска 2 открывает клапан 3 и поступает в трубопровод 1, а затем через сбросное отверстие 17 выходит за его пределы. Жидкость в трубопроводе 1 достигает mах скорости, в результате чего гидродинамическое давление, действующее на плоскости 24 и 25 ударного клапана, будет больше, чем со стороны плоскости 23, и в результате этого ударный клапан 6 закроется и произойдет гидравлический удар.

Цикл гидравлического удара рассмотрим на примере положения клапанов верхнего (В) трубопровода.

Во время гидравлического удара нагнетательный клапан 20 открывается и жидкость поступает по патрубку 18 в водовоздушный колпак 21, в то же время клапан 3 закрывается, так как конструктивно он выполнен уравновешенным за счет положения оси 4, и в момент равенства давления в водовыпуске 2 и трубопроводе 1 он стремится занять закрытое положение.

По истечении некоторого времени в верхнем трубопроводе 1 возникшая обратная волна гидравлического удара отсекается клапаном 3, который не позволяет ей выйти в трубопровод водовыпуска 2. В зоне ударного клапана 5 в это время наблюдается понижение давления, в результате чего он открывается, жидкость из трубопровода водовыпуска 2 поступает в трубопровод 1 и работа гидравлического тарана повторяется по первому циклу.

Гидравлический таран работает следующим образом.

Нижний трубопровод 1 работает в цикле сброса жидкости и ударный клапан 6 открыт. Жидкость сбрасывается через сбросное отверстие 17 за пределы трубопровода. Одновременно в верхнем трубопроводе 1 происходит цикл гидравлического удара. В это время ударный клапан 5 закрывает сбросное отверстие 16. В нижнем трубопроводе 1 жидкость достигает mах скорости и стремится повернуть ударный клапан 6 за счет момента сил гидродинамического давления относительно оси 7 ударного клапана 6. В то же время в верхнем трубопроводе 1 в зоне ударного клапана и за счет понижения давления в результате обратной волны гидравлического удара ударный клапан 5 стремится повернуться вокруг оси 7. В результате чего ударный клапан 6 закрывает сбросное отверстие 17 и начнется цикл гидравлического удара в нижнем трубопроводе 1, а ударный клапан 5 открывает сбросное отверстие 16 и начнется цикл сброса.

Угол β между ударными клапанами 5 и 6 принимается из условия синхронной работы обоих клапанов и min времени их закрытия.

Так как цикл сброса и цикл гидравлического удара происходят одновременно, то моменты сил гидродинамического давления, действующие на ударные клапаны 5 и 6, направлены в одну сторону и передаются по осям 7 через муфту 8. Следовательно, может быть некоторое время запаздывания закрытия и открытия ударных клапанов 5 и 6, но за счет секторного паза 10, имеющего угол α, происходит согласование работы ударных клапанов, а угол α определяется временем запаздывания открытия и закрытия ударных клапанов 5 и 6.

Регулируемое демпфирующее устройство позволяет изменять угол α секторного паза с помощью регулировочных винтов 14, установленных в проточках 15 цилиндрической части муфты, путем поворота пластин 12 вокруг своей оси, а следовательно, получить оптимальный угол α для синхронной работы клапанов.

При повороте ударного клапана 6 пластина 11 ударяет по стенке секторного паза 10 и передает вращательное действие клапану 5, и наоборот.

Для смягчения удара пластины 11 по стенке секторного паза 10 установлены две пары подпружиненных пластин 12, причем одна из пар подпружиненных пластин поворачивается за счет регулировочных винтов 14, изменяя угол сектора α.
Пружины 13 демпфирующего устройства выполняют функцию не только смягчения удара пластины 11 по стенкам секторного паза за счет сжатия пружин 13, но и при восстановлении пружин 13 образуют реактивную силу, создающую импульс силы для обратного поворота ударного клапана 6, что ускоряет процесс открытия и закрытия их.

При обтекании жидкости ударного клапана силы гидродинамического давления на плоскости 23, 24 и 25 будут различными (фиг.5). На плоскость 23 будет действовать вектор силы, имеющий минимальную величину силы гидродинамического давления, что дает min момент силы относительно оси 7 при его работе, а вектора сил гидродинамического давления, действующие на плоскости 24 и 25, обеспечивают максимальные моменты относительно оси 7 при закрытии.

Такое исполнение позволяет увеличить вращающий момент силы гидродинамического давления и уменьшить время закрытия ударного клапана, а соответственно, и увеличить количество циклов и производительность тарана.

Форма объемной призмы ударных клапанов 5 и 6, представленная на фиг.5, 6 и 7, выбирается в зависимости от конструктивных особенностей и режимов работы гидравлического тарана. Ударные клапаны 5 и 6 выполнены в виде объемной призмы, боковые поверхности которой образованы двумя плоскостями с тупым плоским углом и противолежащей ему плоскостью, прилегающей к сбросным отверстиям 16 и 17 гидравлического тарана, или могут быть выполнены усеченной цилиндрической формы, боковая поверхность которой выполнена с различными радиусами кривизны R₁ и R₂, а основания клапанов выполнены параллельно или не параллельно и направлены в сторону движения жидкости.

Выбор формы ударных клапанов 5 и 6 зависит от конструктивных особенностей, условий течения жидкости вокруг клапанов, т. е. если использовать ударные клапаны в виде объемных призм с боковыми поверхностями, образованными двумя плоскостями с плоским тупым углом (фиг.5), а сечение его прямоугольное, т. е. основания призм параллельны, то эта конструкция используется для более простого по конструкции гидравлического тарана, который будет дешевым, но имеющим большие коэффициенты сопротивления при трении жидкости вокруг ударных клапанов 5 и 6, чем при использовании непараллельных оснований (фиг.7б, в).

Если использовать ударные клапаны 5 и 6 усеченной цилиндрической формы с боковой поверхностью с различными радиусами кривизны (фиг.6) и непараллельными основаниями (фиг.7б, в), то конструкция гидравлического тарана будет более сложной в изготовлении, но будет иметь малые коэффициенты сопротивления при течении жидкости вокруг клапанов 5 и 6. Такое исполнение позволяет получить лучшие характеристики работы гидравлического тарана, но дороже описанной ранее конструкции.

Непараллельное исполнение оснований призмы ударных клапанов 5 и 6 дает дополнительный момент силы гидродинамического давления при открытии и закрытии клапанов.

Устройство позволяет обеспечить равномерную подачу жидкости в нагнетательный трубопровод и увеличить производительность за счет параллельного расположения двух таранов, которые имеют противоположные циклы работы, позволяющие производить бесперебойную поочередную подачу жидкости в водовоздушный колпак.

Бесперебойность и очередность подачи воды обеспечивается тем, что ударные клапаны расположены под углом β, у которых время открытия и закрытия min, а также обеспечивается синхронная работа за счет крепления их на одной оси и используются эффекты гидродинамического давления на ударные клапаны и давления, действующего на ударный клапан в момент образования обратной волны гидравлического удара. Все это позволяет уменьшить время сбрасывания жидкости в период первого цикла (сбросного), что экономит жидкость и повышает кпд гидравлического тарана, а за счет увеличения частоты работы ударных клапанов повышается подача жидкости в водовоздушный колпак, т.е. производительность тарана увеличивается более чем в 2 раза. Производительность тарана также увеличивается за счет уменьшения длины трубопроводов, в начале которых установлены клапаны, что позволяет сократить время распространения обратной волны гидравлического удара и отсечь эту волну от трубопровода водовыпуска и тем самым уменьшить время цикла работы тарана и увеличить частоту циклов и быстродействие. К тому же уменьшение длины трубопроводов приводит к значительному снижению удельной металлоемкости по сравнению с существующими в 2-3 раза.

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано в гидравлических таранах для транспортирования жидкости. Гидравлический таран содержит два параллельных трубопровода с ударными клапанами, расположенными горизонтально, нагнетательные клапаны, водовоздушный колпак с нагнетательным трубопроводом. В начале трубопроводов дополнительно установлены клапаны, а на других их концах установлены ударные клапаны с осями, соединенные между собой муфтой, которая выполнена цилиндрической с секторным пазом, закрепленной на одной оси ударного клапана и пластиной на оси другого ударного клапана, установленной в секторном пазу, причем ударные клапаны закреплены между собой под углом. Обеспечивается равномерная подача жидкости в нагнетательный трубопровод, увеличивается производительность гидравлического тарана, уменьшается удельная металлоемкость, повышается быстродействие. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Гидравлический таран, содержащий два параллельных трубопровода с ударными клапанами, расположенными горизонтально, нагнетательные клапаны, водовоздушный колпак с нагнетательным трубопроводом, отличающийся тем, что в начале трубопроводов дополнительно установлены клапаны, а на других их концах установлены ударные клапаны с осями, соединенные между собой муфтой, которая выполнена цилиндрической с секторным пазом, закрепленной на одной оси ударного клапана и пластиной на оси другого ударного клапана, установленной в секторном пазу, причем ударные клапаны закреплены между собой под углом. 2. Гидравлический таран по п. 1, отличающийся тем, что ударные клапаны выполнены в виде объемной призмы, основания которой параллельны, а боковая поверхность образована двумя плоскостями с тупым плоским углом и противолежащей ему плоскостью. 3. Гидравлический таран по п. 1, отличающийся тем, что ударные клапаны выполнены усеченной цилиндрической формы, боковая поверхность которой выполнена с различными радиусами кривизны R₁ и R₂, а основания его параллельны. 4. Гидравлический таран по п. 1, отличающийся тем, что основания ударных клапанов выполнены не параллельно и наклонены в сторону движения жидкости. 5. Гидравлический таран по п. 1, отличающийся тем, что муфта имеет в секторном пазу регулируемое демпфирующее устройство, которое состоит из двух пар подпружиненных пластин с возможностью движения вокруг своей оси и расположенных у стенок секторного паза, причем пружины соединены с регулировочными винтами, установленными в проточках цилиндрической части муфты.