ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН Российский патент 2016 года по МПК F04F7/02 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям гидравлических таранов, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства.

Известна гидротаранная установка, содержащая рабочую камеру, установленную на ней ударный и напорный клапаны, воздушный колпак и питательный и приемный резервуары, соединенные трубопроводами с рабочей камерой, 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 соединена с линией питания. 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 сработки 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 в целом 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 питательным, поэтому высота подъема не может быть понижена более расчетного значения (перепада), что сказывается на работе в целом для 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 гидравлические 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 шибер 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 поворота 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 и связанных с отводящими участками 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 №№2215197, 2172882.

Известные устройства также сложны, оборудованы многочисленными элементами и ограничены гидравлическими характеристиками.

Технический результат направлен на упрощение конструкции и повышение надежности при обеспечении саморегуляции управления ударными напорными клапанами.

Технический результат достигается тем, что гидравлический таран, содержащий подающий трубопровод, рабочий участок трубы, установленный на ней ударный клапан, воздушный колпак и водонапорную емкость, соединенную с водоподающим трубопроводом и с рабочим участком трубы, дополнительный трубопровод, размещенный параллельно подающему трубопроводу, а также съемный груз на штоке, он снабжен емкостями, заполняемыми жидкостью, соединенными приводным коромыслом, и съемный груз выполнен в виде съемно-наборного груза-противовеса с возможностью изменения момента силы и закрепленного на оси, которая снабжена поворотным приводом, при этом емкости заполнены жидкостью и свободно размещены на концах приводного коромысла с возможностью качания на осях и контакта с оголовками патрубков рабочих участков труб, кроме того, емкости выполнены в виде полых конических цилиндров, ориентированные выходными участками в поток жидкости в сторону оголовка патрубка рабочих участков труб с вентилями-регуляторами, при этом ударные клапаны выполнены в виде кольцевых заслонок, жестко закрепленных к емкостям по периметру, заполняемым жидкостью в нижней части, размещенным в герметичном корпусе.

Кроме того, оголовки патрубков рабочих частей труб, которые размещены в герметичном корпусе, установлены на одном уровне и выше относительно сливного трубопровода.

Такая конструкция тарана обеспечивает увеличение гидравлического удара в подающей трубе и развивает такой же напор, как и известные насосы такого типа.

Следовательно, емкости с заполняемой жидкостью, соединенные приводным коромыслом в виде съемно-наборного груза-противовеса на одной общей оси, позволяют осуществить управление ударными клапанами посредством поворота штока со съемно-наборного груза-противовеса в ту или иную сторону его наклона, дополнительно обеспечивают резкое перекрытие выходного оголовка патрубка рабочих участков труб. Так как концы приводного коромысла имеют оси, на которых свободно подвешены емкости, заполняемые жидкостью заданным и регулируемым объемом, то и уровень жидкости в них можно заранее задавать, соответственно, весу съемно-наборного груза-противовеса, располагающегося под углом к горизонтальной оси крепления приводного коромысла поворотным приводом (не показано для упрощения), равновесие емкостей нарушается, и ударные клапаны меняют свое высотное положение относительно выпускных отверстий оголовков патрубков рабочих участков труб. В результате чего силу гидроудара можно менять в заданном интервале времени работы воздушного колпака с нагнетательным клапаном, за счет попеременного закрытия оголовка патрубка рабочих участков труб, каждый из которых соединен с корпусом и не препятствует сливу жидкости из него, выполненнего в виде камеры, соответственно, в центральный сливной трубопровод, а перемещение ударных клапанов с емкостями, заполняемыми жидкостью, связанными жестко в нижней ее части и со съемно-наборного груза-противовеса на штоке, закрепленного в центре приводного коромысла на горизонтальной оси с механизмом привода, что производится после окончания такта сработки воздушного колпака и перекачки жидкости в водонапорную емкость к потребителю за счет поворота приводного коромысла в целом (механизм привода в виде ручки не показан, так как он насажен на ось вращения заодно с поворотом приводного коромысла), далее фиксируется общим весом с емкостью, заполняемой жидкостью со съемно-наборного груза-противовеса, размещенного под углом к горизонтальной оси крепления приводного коромысла. При этом емкости сообщены сверху через патрубок с атмосферой. Емкости с заполняемой жидкостью выполнены в виде полых конических цилиндров, ориентированных выходными участками в поток жидкости в сторону оголовков патрубка рабочих участков труб с вентилями-регуляторами. Кроме того, ударные клапаны выполнены в виде кольцевых заслонок, жестко закрепленных к емкостям в нижней ее части.

Производительность тарана задается длительностью интервала, при котором ручное управление может быть заменено и на телемеханический привод для дистанционного управления регулировки работы напорных клапанов в согласованности по времени с работой каждого воздушного колпака, связанного с заполнением колпака и вытеснением жидкости через обратный клапан и через трубу с водоприемной емкостью, далее потребителю. Из гидравлики известно, что все нагрузки передаются через ось вращения, при этом момент от сил трения мал. Момент сил гидродинамического воздействия складывается от длины плеча коромысла, угла наклона и веса съемно-наборного груза-противовеса и заполнения объема жидкостью в емкости. Сам кольцевой ударный клапан выполняется из листового материала по окружности цилиндра (емкости) с уплотнительным элементом, например резиновым уплотнением (могут быть и другие заменяющие материалы), что смягчает удар о торец оголовка патрубка рабочих участков труб при резком перекрытии выпускного отверстия оголовка, инициируя возникновения пика давления в полости рабочего участка трубы - гидравлический удар, под давлением которого жидкость устремляется в полость воздушного колпака и через трубу станет изливаться под давлением в водонапорную емкость.

Емкости, заполняемые жидкостью и выполненные в виде полых цилиндрических цилиндров с выходными участками на конце в поток жидкости камеры корпуса, позволяют регулировать объемом жидкостью в каждой емкости за счет вентиля-регулятора и задавать начальное или другое наполнение емкости с учетом связи со съемно-наборного груза-противовеса.

Применение изобретения позволяет значительно упростить конструкцию устройства, имеет высокую надежность и работоспособность, а также КПД и является регулируемым в зависимости от высоты поднятия емкости заполняемой жидкостью, к которой жестко прикреплен снизу ударный клапан, а также с установленным съемно-наборного груза-противовеса с возможностью изменения момента силы. Повышается точность регулирования и четкость сработки напорных ударных клапанов.

Сущность изобретения поясняется схематически выполненными чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема гидравлического удара двойного действия; на фиг. 2 изображен гидравлический таран, общий вид.

Гидравлический таран содержит подающий и сливной трубопровод 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 оголовкам 9 и 10 патрубков и встроены в герметичный корпус 11. Ударные клапаны 12 и 13 выполнены в виде кольцевых выступающих пластин с уплотнительными элементами 14 и 15, например, из резины, расположены, соответственно, выше выходного отверстия оголовков 9 и 10 патрубков рабочих участков труб 3 и 4 и жестко связаны с емкостями 16 и 17, заполняемыми жидкостью, которые соединены посредством осей 18 и 19 с приводным коромыслом 20 на горизонтальной оси 21 с поворотным приводом вращения (не показан, так как он соединен жестко с осью 21). Приводное коромысло 20 выполнено двухсторонним равноплечими рычагами, а центр его верхней частью связан со штоком 22 со съемно-наборного груза-противовеса 23 (переменной массы), таким образом, что при повороте коромысла 20, каждый его рычаг, вращаясь, поочередно опускает и приподнимает емкости 16 и 17 с заполняемой жидкостью с возможностью качания на осях 18 и 19 и с возможностью поочередно контакта с оголовками 9 и 10 патрубков рабочих участков труб 3 и 4, т.е. закрывают поочередно водовыпускные отверстия оголовков 9 и 10 патрубков. Полость каждой емкости 16 и 17, заполняемая жидкостью, может быть заполнена частично и связана с возможностью установки съемно-наборного груза-противовеса 23 с возможностью изменения момента силы для напорных ударных клапанов 12 и 13, закрепленных жестко к емкостям 16 и 17 снизу. Выходной нижний конец емкостей 16 и 17 выполнен в виде конических цилиндров и снабжен вентилями-регуляторами 24 и 25, полости которых сообщены с атмосферой посредством воздуховыпускных патрубков 26 и 27.

Воздушные колпаки 5 и 6 снабжены перепускными клапанами 28 и 29 и соединены также водоподающими трубами 30 и 31 через трубу 32 с водонапорной емкостью 33.

Дополнительно может устанавливаться телемеханический привод для дистанционного управления поворотом закрепленного на оси приводного коромысла 20 со съемно-наборного груза-противовеса 23, например, установленного между электромагнитами (на чертеже не показано для упрощения).

Центр тяжести съемно-наборного груза-противовеса 23 и центр тяжести каждого ударного клапана 12 и 13, жестко связанного с емкостями 16 и 17, не совпадает с вертикальной плоскостью оси 21 поворота приводного коромысла 20, размещенных в герметичном корпусе 11, и располагаются одновременно по одну или другую сторону от оси поворота рычага приводного коромысла со штоком со съемно-наборного груза-противовеса.

Положение ударных клапанов 12 и 13 гидротарана в работе зависит от положения емкостей, наполняемых жидкостью в закрытом корпусе 11 с регулируемыми вентилями-регуляторами 24 и 25.

Гидравлический таран работает следующим образом.

В начальный период емкости 16 и 17 заполняют жидкостью равных объемов и выравнивают за счет регулирования вентилей-регуляторов 24 и 25 до заданных расчетных объемов. В этом случае устанавливается их равновесие приводным коромыслом 20 на оси 21, затем закрепляют регулируемый съемно-наборный груз-противовес 23, регулируя вес и положение его, т.е. определяются с балансированием его веса с возможностью изменения момента силы на штоке 22, затем уточняется требуемый объем (вес) жидкости, необходимый для закрытия ударного клапана 12 или 13 оголовка патрубков рабочих участков труб 3 или 4, запускают гидротаран в работу.

Поток жидкости, движущийся по подающему трубопроводу 1, поступает в рабочие участки труб 3 и 4, и при положении поворотной емкости, заполняемой жидкостью, дно которой связано жестко с ударным клапаном 13 посредством вращения поворотного коромысла 20 на оси 21 «Закрыто», например, оголовка 10 патрубка, соединенного с рабочим участком трубы 4, жидкость поступает в рабочий участок трубы 3 и через камеру корпуса 11 сливается в сливной трубопровод 2. При этом в корпусе 11 для работы гидравлического тарана, например, в рабочем участке трубы 3 закрывается оголовок 9 патрубка посредством поворота приводного коромысла 20 на оси 21 и, в этом случае, емкость 16, заполненная расчетным объемом жидкостью и с прикрепленным к ней жестко кольцевого ударного клапана 12, резко закрывает оголовок 9 патрубка рабочего участка трубы 3 в положение «Закрыто», вызывая гидроудар в рабочем участке трубы 3, энергия гидроудара передается на нагнетательный клапан 7, в результате чего нагнетательный клапан 7 открывается, и жидкость вытесняется в воздушный колпак 5, далее через клапан 28 и водоподающую трубу 30 поступает в трубу 32 и в водонапорную емкость 33 к потребителю. Наличие съемно-наборного груза-противовеса 23, и его вес и положение, в средней части с закрепленным приводным коромыслом 20, при переходе мертвой точки через ось 21, дополнительно возникает действие силы от сбалансированного съемно-наборного груза-противовеса 23 для ускорения опускания емкости 16 с ударным клапаном 7 (сила, действующая от веса клапана и веса воды в емкости, будет больше, чем при открытии отверстия оголовка 10 патрубка рабочего участка трубы 4), т.е. возможность положения съемно-наборного груза-противовеса для уравновешивания и уменьшения усилия емкости 17, заполняемой жидкостью.

Таким образом, силой, предопределяющей переход ударного клапана через мертвую точку оси, является установка съемно-наборного груза-противовеса 23 с возможностью изменения момента силы. Центр тяжести переменной массы и центр тяжести ударного клапана 12 не совпадают с вертикальной плоскостью оси 21 поворота (правая емкость вместе с ударным клапаном поднято вверх, открыв выпускное отверстие оголовка патрубка рабочего участка трубы).

Через заданное время, после сработки воздушного колпака 5, меняют положение ударного клапана 13 с емкостью 17, съемно-наборного груза-противовеса 23 и резко перекрывают другой оголовок 10 патрубка в положение «Закрыто» в соответствующем рабочем участке трубы 4, т.е. осуществляют через расчетные промежутки времени, определяемые режимом проведения работы воздушного колпака; происходит гидравлический удар и открывается нагнетательный клапан 13, через который жидкость вытесняется в соответствующий ему воздушный колпак 6, т.е. способствует поступление новой порции жидкости в воздушный колпак. Из колпака 6 жидкость через клапан 29 и водоподающую трубу 31 также поступает в трубу 32, далее водонапорную емкость 33 потребителю. Таким образом, обратные клапаны с емкостями, заполняемыми жидкостью, соответственно, весом ее и положением, действующим от съемно-наборного груза-противовеса, работают в противофазе за счет поворота на оси приводного коромысла, на концах которого свободно размещены емкости с клапанами с возможностью качания на осях и контакта с оголовками патрубка рабочих участков труб. Изменение объема и веса жидкости в емкостях можно регулировать с помощью вентилей-регуляторов, для учета силы, действующей от съемно-наборного груза-противовеса, что приводит к смене крайних положений емкости с ударным клапаном относительно выпускного отверстия оголовка патрубка рабочего участка труб. Для предотвращения ударов при контакте с выпускными оголовками патрубков рабочих участков труб, при смене их резкого закрытия, и для предотвращения утечек жидкости, кольцевые ударные клапана снабжены уплотнительными элементами, например, из резины.

Усилие, необходимое для поворота оси приводного коромысла со съемно-наборного груза-противовеса и для преодоления сил трения, незначительно, так как моменты меняются, а длина рычага приводного коромысла остается постоянной. Как известно, все нагрузки, воспринимаемые клапанами с емкостью, передаются через ось вращения закрепленной к приводному коромыслу со съемно-наборного груза-противовеса. Поэтому момент от сил трения определяется по известным формулам гидравлики.

Эффективность изобретения заключается в том, что оно обеспечивает реализацию технологических схем при работе гидравлического тарана в режиме в пределах, заданных устройству.

Таким образом, благодаря возможности компактного расположения ударных клапанов с емкостями, съемно-наборного груза-противовеса на приводном коромысле с равноплечими рычагами в плане и по всей высоте на поворотной оси с поворотным приводом (можно и с дистанционным управлением) обеспечивается возможность в работе одностороннего действия каждого ударного клапана, а нужное поворотное положение в разных направлениях обеспечивается схемой подключения и конструктивными размерами. При повороте приводного коромысла с емкостями и со съемно-наборного груза-противовеса в одну или в другую сторону один оголовок патрубка рабочего участка трубы открывается, а другой - закрывается, образуется резкий гидроудар. Кроме того, конструкция системы узлов проста с меньшим тяговым усилием на ударные клапаны.

Таким образом, гидротаран имеет высокую надежность и работоспособность, а также КПД и является регулируемым в зависимости от конструкции узлов с емкостями, заполняемыми жидкостью, и центра тяжести веса и положения съемно-наборного груза переменной массы.

Изобретение относится к насосостроению, в частности к гидравлическим таранам, и может быть использовано в качестве водоподъемного устройства. Гидравлический таран содержит подающий трубопровод, рабочие участки труб 3 и 4, установленные на них ударные клапаны 12 и 13, воздушные колпаки 5 и 6 и водонапорную емкость 33, соединенную с водоподающим трубопроводом 32 и с рабочими участками труб 3 и 4, дополнительный трубопровод, размещенный параллельно подающему трубопроводу, а также съемно-наборной груз-противовес 23 на штоке 22. Таран снабжен емкостями 16 и 17, заполняемыми жидкостью и соединенными приводным коромыслом 20. Емкости 16 и 17 заполнены жидкостью и размещены на концах коромысла 20 с возможностью качания на осях и контакта с оголовками 9 и 10 патрубков рабочих участков труб 3 и 4. Емкости 16 и 17 выполнены в виде полых конических цилиндров, ориентированные выходными участками в поток жидкости в сторону оголовков 9 и 10. Клапаны 12 и 13 выполнены в виде кольцевых заслонок, жестко закрепленных к емкостям по периметру и заполняемых жидкостью в нижней части, размещенных в герметичном корпусе. Изобретение направлено на обеспечение регулирования работы, увеличение надежности, повышение КПД. 1 з.п ф-лы, 2 ил.

1. Гидравлический таран, содержащий подающий трубопровод, рабочий участок трубы, установленный на ней ударный клапан, воздушный колпак и водонапорную емкость, соединенную с водоподающим трубопроводом и с рабочим участком трубы, дополнительный трубопровод, размещенный параллельно подающему трубопроводу, а также съемный груз на штоке, отличающийся тем, что он снабжен емкостями, заполняемыми жидкостью и соединенными приводным коромыслом, съемный груз выполнен в виде съемно-наборного груза-противовеса с возможностью изменения момента силы и закрепленного на оси, которая снабжена поворотным приводом, при этом емкости заполнены жидкостью и свободно размещены на концах приводного коромысла с возможностью качания на осях и контакта с оголовками патрубков рабочих участков труб, кроме того, емкости выполнены в виде полых конических цилиндров, ориентированные выходными участками в поток жидкости в сторону оголовка патрубка рабочих участков труб с вентилями-регуляторами, при этом ударные клапаны выполнены в виде кольцевых заслонок, жестко закрепленных к емкостям по периметру и заполняемых жидкостью в нижней части, размещенных в герметичном корпусе.

2. Гидравлический таран по п. 1, отличающийся тем, что оголовки патрубков рабочих труб, которые размещены в герметичном корпусе, установлены на одном уровне относительно сливного трубопровода.