Доклад на тему гидравлический таран
Обновлено: 28.06.2024
Просто и удобное устройство для полива речной водой, засаженных чем-либо угодий, было придумано человеком еще в прошлом столетии.
Люди уже веками применяют энергию падающей воды в своих механических изобретениях, а так же и для получения электроэнергии. Непрерывный цикл работы имеется у гидростанций, которые простроены на некоторых крупных реках. Из-за скептических суждений, многие люди полагают, что создание принципиально новых устройств получения энергии от воды уже невозможно.
Работа гидротарана основана на так называемом гидравлическом ударе, то есть резком повышении давления в трубопроводах, когда заслонка резко перекрывает идущий поток воды. Чтобы избежать разрыва трубопровода, который может произойти из-за большого давления, перекрывается поток постепенно кранами и вентилями.
Принцип работы гидротарана представлен на рисунке 1.
Из водоема (1) по подводящему трубопроводу (2) внутрь поступает вода, которая затем вытекает через отбойный клапан (3). Скорость движения потока будет нарастать, будет увеличиваться напор и достигнет величины, которая превысит вес клапана. Из-за этого клапан перекроет движущийся поток, что приведет к увеличению давления в трубе – возникнет гидроудар. Давление, которое выросло, откроет напорный клапан (4) и через него вода начнет поступать в напорный колпак (5), производя сжатие в нем воздуха. Давление постепенно в трубопроводе начинает снижаться, закрывая тем самым напорный клапан, в свою очередь начнет открываться отбойный. Процесс повторится снова. Находящийся под давлением воздух будет гнать по трубе воду в верхнее хранилище (7), находящееся на высоте от 10 до 15 метров.
Первыми создателями гидротарана были изобретатели знаменитого воздушного шара братья Этьен и Жозеф Монгольфье, который был создан в городе Сен-Клу недалеко от Парижа в 1796 году. Саму теорию гидротарана в 1908 году разработал Николай Жуковский, работы которого способствовали модернизации конструкции этого устройства и повышению коэффициента полезного действия.
Схема конструкции гидротарана настолько на столько проста, что данное устройство можно абсолютно спокойно создать самостоятельно, собрав весь механизм из применяемых в водопроводе деталей. Создание деталей, которых не хватает для полноценной работы устройства, затребует незначительного применения токарного и сварочного оборудования.
Рисунок 2 Элементы конструкции гидротарана
Основной деталью устройства (рисунок 2) будет являться тройник, сделанный из стали или чугуна (лучшим вариантом будет применение крестового соединения, с закрытием нижнего заглушкой), имеющий внутреннюю резьбу 1 - 2 дюйма. В тройник вкручиваются переходные ниппеля (2), имеющие длину наружной резьбы в виде сгона. К первому присоединяют трубопровод, который подводит воду и имеющий минимальный диаметр 50 миллиметров и максимальную длину в 20 метров. К другому – присоединяют колено (3) с условием, чтобы далее при установке гидротарана его незанятый торец стоял горизонтально, для последующей монтировки на нем отбойного клапана. На третьем сгоне устанавливают напорный колпак совместно с клапаном. Прежде чем собрать всю конструкцию необходимо резьбовые соединения очистить щеткой по металлу от грязи и ржавчины, а затем обмотать для герметизации паклей.
Напорный колпак (4) можно изготовить из обрезка трубы (металлической или пластмассовой) с диаметром 15-20 сантиметров. Объем напорного колпака должен быть приблизительно равен объему в подводящем трубопроводе. Отверстия трубы закрываются крышкой(5) и переходной закраиной(6) с резиновыми прокладочками(7) и кольцеобразной(7а). Колпак крепят выполненными из стали шпильками(8).
Для защиты всего механизма от грязи на гидротаран лучше поставить на впускное отверстие простой фильтр. Для перекрывания воды на зиму рекомендуется оборудовать гидротаран дополнительно заслонкой. Для слития воды из корпуса и колпака в нижнее отверстие вводится спица, которой и открывают напорный клапан. Гидротаран устанавливается как стационарно, так и съемно, однако необходимо предусматривать отводящий канал, текущей воды из отбойного клапана.
Рисунок 3 - Новейшая принципиальная схема устройства подъема воды
Главное в этом проекте то, что изделие можно сделать самостоятельно, соблюдая точность и аккуратность. В процессе изготовления данного прибора используются в основном подручные материалы и средства, которые можно приобрести в торговых точках.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| proektno-issledovatelskaya_rabota.rar | 27.96 КБ |
Предварительный просмотр:
Муниципальная научно-практическая конференция учащихся
Гидравлический насос -таран
Автор работы: Гиниятуллин Ильназ Ильхамович
МБОУ «Тимершикская средняя
Руководитель: Валиева Ландыш Аглямзяновна
МБОУ «Тимершикская средняя
Энергия падающей воды 5
Достоинства и недостатки гидравлического тарана 6
Теоретические сведения 10
Эскизная праработка базового варианта 10
Технология изготовления 12
Принцип работы гидравлического тарана 14
Дом в которой мы живем, работаем и отдыхаем, должна быть удобной, уютной и энергосберегающий. Чтобы достигнут энергосбережения, вовсе нет необходимости затрачивать большие средства. Для этого надо необходимо многое сделать своими руками.
В нашем цивилизованном обществе вокруг нас имеются механизмы, которые облегчают нашу повседневную жизнь. И у меня тоже появилась идея разработки давно забытого гидронасоса, который работает без потребления электрической энергии, а за счет энергии протекающей воды речки или родника. Точнее гидравлический таран (далее гидротаран) действует только за счет импульса движущегося столба воды, без какого-либо двигателя. Можно применить в сельском хозяйстве, для водоснабжения небольших строек, дач и т.д.
В 1775 году англичанин Джозеф Уайтхёст (J.Whitehurst) впервые опубликовал описание подобного насоса, изобретённого и построенного им тремя годами ранее (1772). Однако его конструкция не была полностью автоматической, поэтому в 1776 году её доработал и на следующий год получил патент на своё изобретение француз Монгольфье (J.Montgolfier — тот самый, что изобрёл воздушный шар). Затем в течение нескольких лет были получены ещё несколько патентов на аналогичные конструкции (M.Bulton — Англия, 1797; J.Cernay, S.Hallet — США, 1809). В 1834 году промышленное производство таких насосов начал американец Стрoубридж (H.Strawbridge).
Главное в этом проекте то, что изделие можно сделать самостоятельно, соблюдая точность и аккуратность. В процессе изготовления данного прибора используются в основном подручные материалы и средства, которые можно приобрести в торговых точках.
Цель моей работы: -определить понятие и принцип действия гидравлического тарана с точки зрения физики;
-выявить его достоинства и недостатки;
-сделать гидронасос своими руками;
Энергия падающей воды
Однако Природа подарила нам в падающей воде не только источник бесплатной энергии, но и простейший способ преобразования естественной гравитационной энергии. Ведь с точки зрения физики, потенциальная энергия воды и есть аккумулированная в ней гравитационная энергия. Этот способ является, прежде всего, физическим явлением. Раз так, то следует вспомнить, что в окружающем нас зеркально симметричном мире каждое физическое явление существует, как бы в двух взаимно противоположных формах. Например, кроме отрицательного электрического заряда существует заряд положительный. У протона имеется его антипод — антипротон. Наряду с магнитным притяжением существует и магнитное отталкивание. Есть геометрическая симметрия. Наконец, существуют даже антивещество. Поэтому логично ожидать, что потенциальную энергию воды можно использовать не только для ускорения движения воды при ее падении, но и для ее подъема. Иными словами, как антипод известному способу преобразования энергии, основанному на использовании падающей воды, должен существовать и другой — неизвестный способ преобразования, позволяющий также просто и естественно, без подвода какой-либо внешней энергии, поднимать воду. И, оказывается, путь к поиску такого способа преобразования, был намечен давно.
Достоинства и недостатки гидравлического тарана
Гидравлические тараны обладают несколькими важными достоинствами, которые в своё время и обеспечили их довольно широкое распространение.
Прежде всего, для их работы не нужно ни каких-либо двигателей, ни мускульных усилий. Будучи один раз установленным и запущенным, гидротаран может работать до пересыхания питающего потока (осушения питающего резервуара) или до механического износа деталей, которые в нём можно пересчитать по пальцам.
Во-вторых, для работы достаточно минимального перепада уровней, начиная с десятка-другого сантиметров, и относительно небольшого расхода воды (обычно от долей литра до нескольких литров в секунду).
В-третьих, несложные накопительные устройства в питающем резервуаре позволяют гидравлическому тарану работать и с ещё меньшим расходом воды, дожидаясь, пока она накопится в необходимом количестве и только тогда совершая рабочий цикл. Благодаря этому гидротараны могут максимально эффективно использовать энергию потока как при большом расходе воды (в паводок), так и при очень малом (в межень). И водяные колёса, и турбины предназначены для работы с непрерывным потоком и в таких условиях не смогут работать . В принципе — энергии накопленной порции воды, достаточной для гидравлического тарана, им может не хватить даже для того, чтобы сдвинуться с места, а их микро варианты, рассчитанные на минимальный расход воды, будут выдавать такую же мизерную мощность и тогда, когда питающий поток вновь станет полноводным.
В-четвёртых, простота конструкции и минимум деталей обеспечивают выдающуюся надёжность и долговечность устройства — непрерывная работа без ремонта в течение 10 лет считалась вполне обычным делом.
Однако при всех своих положительных качествах гидравлический таран имеет и недостатки, которые по мере распространения относительно недорогого и удобного электричества и моторизованной техники в конечном счёте привели к почти полному вытеснению этих безмоторных насосов обычными насосами с электрическим или бензиновым приводом. Часть этих недостатков может быть компенсирована достаточно легко, но устранить другие не представляется возможным, поскольку, как это часто бывает, они являются прямым продолжением достоинств.
Во-первых, для обеспечения разгона потока после очередного открытия отбойного клапана за ним уже не должно быть воды, прошедшей туда в предыдущем цикле. Если она по какой-либо причине не уйдёт за время гидравлического удара, то она помешает разгону новой порции воды в нагнетательной трубе, которая не наберёт скорости, достаточной для закрытия отбойного клапана. В самом лучшем варианте поток будет набирать нужную скорость гораздо дольше, чем это произошло бы при отсутствии воды за отбойным клапаном — а это непроизводительные потери воды через отбойный клапан и снижение эффективности работы установки. Естественным путём вода может уйти только при наличии стока, поэтому слив нагнетательного трубопровода (точнее, место расположения отбойного клапана) не может находиться ниже уровня сливного водоёма, иначе прошедшая вода не сможет освободить отбойный клапан.
Во-вторых, для разгона потока в нагнетательном трубопроводе до хорошей скорости (хотя бы метр в секунду) необходимо обеспечить перепад высот как минимум в несколько сантиметров на участке длиною в несколько метров.
По этим причинам гидравлические тараны не могут работать в водоёмах с постоянным уровнем поверхности, таких, как пруды и озёра, а также на равнинных участках рек, где на сотни метров, а то и на километры течения приходится разность уровней в сантиметр-другой.
Наконец, в-пятых, гидравлический таран имеет немалые размеры. Так, обычно считается, что оптимальная длина нагнетательной трубы 2 лежит в диапазоне от 10 до 14 и более метров. Это обусловлено тем, что масса движущейся, а затем останавливающейся воды должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошую энергию рабочего гидроудара. Поскольку масса воды прямо пропорциональна её объёму, это накладывает неизбежные ограничения на минимальные размеры более-менее производительных конструкций. Да и длительность гидроудара тоже должна быть достаточной для того, чтобы напорный клапан 4 успел открыться и пропустить заметный объём воды, а это время тоже прямо пропорционально расстоянию от отбойного клапана 3 до питающего водоёма или резервуара 1. Впрочем, свернув нагнетательную трубу в спираль, можно в несколько раз уменьшить линейные размеры установки. Но вот вес, определяемый необходимой прочностью и жёсткостью конструкции, существенно уменьшить вряд ли удастся.
С другой стороны, производительность гидротарана ограничена его размерами. Слишком большие размеры гидравлического тарана также вызовут проблемы, поскольку все элементы конструкции в зоне рабочего гидроудара должны обладать не только достаточной прочностью, но и максимальной жёсткостью. По мере роста линейных размеров обеспечение необходимой жёсткости может потребовать слишком толстых стенок и, как следствие, слишком массивных деталей.
Тем не менее, классический гидравлический таран остаётся чрезвычайно простым, неприхотливым и очень необычным устройством, которое совершенно незаслуженно почти забыто в последнее время.
Изделие, которое я решил изготовить, как указано выше должно быть аккуратным, красивым и прочным. Гидротаран я решил изготовить из подручных материалов, которое можно приобрести в торговых точках и в меллаломе.
После возникновения идеи создания данного устройства я решил познакомиться с подобными идеями. Мои поиски дали некоторые положительные результаты. Нашлись люди, которые интересуются такими устройствами. Были даже действующие макеты. Все обдумав, решил устройство сделать из современной полипропиленовой трубы.
Эскизная праработка базового варианта
1 — питающий резервуар (верхний уровень естественного потока); 2 — нагнетательная (ускорительная) труба; 3 — отбойный (ударный) клапан; 4 — напорный (нагнетательный) клапан; 5 — воздушный колпак; 6 — напорная (отводящая) труба. H — высота подъёма воды относительно уровня слива; h — уровень питающего резервуара относительно уровня слива.
В фазе разгона потока отбойный клапан в открытом состоянии обычно удерживается с помощью пружины, для закрытия напорного клапана при показанной на рисунке компоновке может вполне хватить разницы давлений и его собственного веса.
Гидравлический таран — хорошо забытое старое
Однако Природа подарила нам в падающей воде не только источник бесплатной энергии, но и простейший способ преобразования естественной гравитационной энергии. Ведь с точки зрения физики, потенциальная энергия воды и есть аккумулированная в ней гравитационная энергия. Этот способ является, прежде всего, физическим явлением. Раз так, то следует вспомнить, что в окружающем нас зеркально симметричном мире каждое физическое явление существует, как бы в двух взаимно противоположных формах. Например, кроме отрицательного электрического заряда существует заряд положительный. У протона имеется его антипод — антипротон. Наряду с магнитным притяжением существует и магнитное отталкивание. Есть геометрическая симметрия. Наконец, существуют даже антивещество. Поэтому логично ожидать, что потенциальную энергию воды можно использовать не только для ускорения движения воды при ее падении, но и для ее подъема. Иными словами, как антипод известному способу преобразования энергии, основанному на использовании падающей воды, должен существовать и другой — неизвестный способ преобразования, позволяющий также просто и естественно, без подвода какой-либо внешней энергии, поднимать воду. И, оказывается, путь к поиску такого способа преобразования, был намечен давно.
(Рис.1) Принципиальная схема гидравлического тарана
Вклад российских ученых
(Рис.2) Принципиальная схема нового водоподъемного устройства
Гидрореактивный движитель и устройство для получения электроэнергии
В результате математического описания этой схемы, учета различных особенностей механизма закачки, всех временных характеристик, механизма изменения давления в колпаке, а также различных потерь, особенностей горизонтальной и вертикальной схемы втекания воды, была разработана достаточно полная теория такой гидродинамической схемы и метод расчета параметров необходимый для проектирования. А в результате конструкторского поиска была найдена и требуемая конструкция клапана 3.
Полученные математические зависимости показывают, что при любых начальных параметрах всегда получается, что 2 > H/h > 1. При этом для начальных параметров существуют определенные критерии, определяющие условия автоматического повторения процесса. В частности, одним из необходимых условий является точное соответствие масс клапанов 3 и 5 (нагнетающий) параметрам процесса. Кроме того, должны конструктивно выполняться как расчетный объем в колпаке для воздушной подушки, так и определенная площадь сечения выходного отверстия из колпака (для отвода воды).
Следует отметить, что с энергетической точки зрения, данная схема потребляет больше энергии для работы, чем создаваемая ей полезная энергия. Если представить к.п.д. схемы в виде обычной формулы Ренкина (как отношение потенциальной энергии воды, закаченной в колпак, к потенциальной энергии всей воды, поступившей в трубу 7 до закачки), то к.п.д. получается всегда меньше 100%.
(Рис.3) Принципиальная схема нового насоса малого напора
Однако наибольшие перспективы открываются при использовании этой схемы, если отводящая труба вообще отсутствует. Или в том случае, когда на выходе из колпака на глубине hэ≈h имеется участок трубы 6 небольшой длины с сечением равным сечению выходного отверстия в колпаке, как это представлено на Рис.4.
(Рис.4) Принципиальная схема нового источника энергии
В том и другом случае, как показывают полученные зависимости, при определенном объеме воздушной подушки в колпаке и при определенной площади проходного сечения выходного отверстия, теоретическая зависимость давления (напора) в колпаке от времени будет выглядеть так, как представлено на Рис.5. При этом время подъема давления (tw ) и его спада (tu ) составляет менее 0,1tH. Причем, в течение периода ty
(Рис.5) Теоретическая зависимость давления от времени
Таким образом, данная схема превращается в идеальный пульсирующий гидрореактивный движитель. Его эффективность, при отсутствии силы за время ty, как и для любой пульсирующей системы, будет определяться суммарным по времени импульсом силы. Это эквивалентно постоянному действию некоторой (несколько меньшей по величине) средней результирующей реактивной силы RTcp. Кроме того, сама по себе такая струя воды в течение времени tH, способна производить определенную работу. Это позволяет на выходе из колпака установить гидротурбину с последовательно соединенным электрогенератором. В результате, описанная схема превращается в источник электрического тока.
При этом электрогенератор должен находиться в герметическом контейнере, либо на поверхности воды, имея соединение с гидротурбиной посредством какого-либо вращающегося вала. Поскольку сравнительно малый период времени ty будет влиять только на время набора заданной угловой скорости гидротурбины и электрогенератора, то получаемая электрическая мощность определяется только к.п.д. гидроэлектроагрегата.
Для оценки возможностей данной схемы на рисунках 6,7 приведены результаты расчета средней реактивной силы и электрической мощности от глубины погружения h при определенных конструктивных размерах трубы 7 и клапана 3.
(Рис.6) Зависимость тяги от глубины
(Рис.7) Зависимость мощности от глубины
Откуда следует, что на глубинах ~450-650 метров имеется определенный максимум. При этом в диапазоне от 15 до 300 метров расчетная величина к.п.д. не превышает 69%.
Как видно, данная схема теоретически может обеспечить любую реактивную тягу и любую электрическую мощность. Для этого достаточно применение ускорительной и нагнетательной трубы определенной длинны и площади входного сечения. Например, при площади входного сечения равной 3,6 м² на глубине 500 м расчетная средняя тяга составляет ~380 т, а возможная вырабатываемая электрическая мощность ~110 МВт. Однако, как, оказалось, изготовить такую схему, по причине отсутствия требуемой технологии производства (а также материалов с нужными свойствами), возможно только для глубины h > 15 метров.
Для глубины h > 15 метров реактивная сила может быть использована для движения любого типа подводных аппаратов, а ожидаемая электрическая мощность делает возможным создать электростанции любой промышленной мощности в генерирующей энергетике. В последнем случае целесообразно не увеличивать площадь входного сечения труб, а создать базовый энергетический модуль оптимальной электрической мощности. При этом подводную морскую или бассейновую ГЭС требуемой мощности составлять из пакета таких модулей. Базовый модуль может быть горизонтального, либо вертикального исполнения. Вертикальное расположение модуля упрощает его использование в местах, где нет больших водных ресурсов, так как позволяет обойтись меньшим объемом воды. Однако вертикальный модуль при той же мощности требует несколько большей глубины.
В качестве примера, на Рис.8 приведена компоновочная схема горизонтального модуля, состоящего из нового водоподъемного устройства 1, гидротурбины 2 и генератора 3. На Рис.9 — компоновочная схема вертикального модуля, состоящего из водоподъемного устройства 6, гидротурбины 5, электрогенератора 4.
(Рис.9) Вертикальный модуль в подземном резервуаре
Вертикальный модуль при этом может быть, например, просто подвешен в подземном резервуаре 1 с водой на тросе 3.
Практика — критерий истины
Результаты теоретических расчетов и разработанная методика проектирования устройства подтвердились экспериментальными исследованиями. В 2003 году нами был разработан и изготовлен в Испании экспериментальный малогабаритный полупромышленный энергетический модуль, состоящий из расчетной схемы горизонтального исполнения, гидротурбины и электрического генератора. Глубина его погружения ~50 метров. Этот модуль имел расчетную выходную электрическую мощность ~97,4 кВт. В качестве основных деталей (колпака, труб 2,7 и т.д.) схемы и приборов контроля давления в колпаке, почти полностью использовался набор элементов конструкции стандартного опреснителя морской воды представленного на Рис.10
(Рис.10) Опреснитель морской воды
(Рис.11) Гидроэлектрогенератор
Испытания проводись путем опускания данного контейнера на тросе с корабля на заданную глубину в Атлантическом океане. Было проведено несколько серий испытаний. В качестве независимых наблюдателей на всех испытаниях присутствовали представители трех авторитетных в Испании компаний. В результате, был получен устойчивый самоподдерживающийся режим, а обработка осциллограммы избыточного давления в колпаке дала осредненные результаты, представленные на Рис.13.
При этом избыточное давление в колпаке оказалось меньше теоретического на ~5,2%, время нагнетания меньше на ~4,3%, а время разгона до восстановления процесса больше на ~5,2%.
(Рис.12) Контейнер с электрогенерирующим модулем
(Рис.13) Результаты измерения давления
В то же время прямой замер вырабатываемого электрического напряжения показал значение напряжения 5,8±0,35 кВ, а прямой замер силы тока —15,96±0,46 А. При этом диаграмма получаемого электрического напряжения и силы тока не носила ступенчатый характер. Это соответствовало о полученной электрической мощности равной 92,73±8,25 кВт, что по среднему значению меньше теоретического значения всего на ~ 4,8%.
Таким образом, новое водоподъемное устройство, представляющее, по сути, новый преобразователь гравитационной энергии, способно простым способом вырабатывать любое промышленное количество экологически чистой и мощной электроэнергии, и потенциально способно заменить (по мощности) существующие тепловые и атомные электростанции.
В настоящее время широкое внедрение этого изобретения в энергетику в техническом плане не представляет проблем. При этом детальная экономическая оценка показывает, что при разработке и создании подобных энергетических модулей и (на их базе) электростанций мощностью более 100 мВт, наиболее целесообразно использовать схему с вертикальным расположением модуля при единичной выходной мощности ~500 кВт.
(Рис.14) Вертикальный модуль 500 кВт
(Рис.15) Вертикальный модуль 500 кВт в подземном резервуаре
Важно, что удельная себестоимость такого источника электроэнергии получается минимальной (из всех известных энергогенераторов). Общие затраты на строительство электростанции с таким модулем не превысят стоимости строительства промышленного ветрогенератора.
В заключение следует отметить, что результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили авторам этой статьи и группе специалистов, участвовавших в разработке этого изобретения сделать несколько заявок на Европейские патенты и получить на него в 2005 году Евразийский патент.
Рис. 1. Общий вид таранной водоподъемной установки: 1 – питающий резервуар (бассейн); 2– трубопроводы; 3 – ударный клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – воздушный колпак; 6 – принимающий резервуар (бассейн); Н – питающий напор; h – высота подъема воды (высота нагнетания)
На рис. 1 приведена схема гидравлического тарана. При открытии ударного клапана в подводящей трубе создается поток воды со средним расходом Q. В результате ускорения потока воздействие воды уравновешивает вес клапана, он закрывается (поднимается), движение воды в трубопроводе резко останавливается, вызывая гидравлический удар.
Под действием повышенного давления в трубопроводе нагнетательный клапан открывается и через воздушный (напорный) колпак в трубопровод принимающего резервуара поступает некоторое количество воды со средним расходом q. Из-за появления в трубопроводе отрицательной волны давления созданное в системе давление уменьшается, нагнетательный клапан закрывается, а ударный клапан под собственным весом открывается (опускается), обеспечивая автоматическое повторение цикла. (Сжатый воздух, находящийся в воздушном колпаке, выравнивает подачу воды в трубопроводе принимающего резервуара.)
Отметим, что гидравлический таран применяется только там, где имеется запас воды значительно превышающий требуемое количество и где есть возможность расположить установку ниже уровня источника воды.
Коэффициент полезного действия гидравлического тарана η (отношение израсходованной работы к полезной) определяется по формуле:
η = (q x h) / (Q x H),
где: Q – расход воды, сбрасываемой через ударный клапан;
q – расход воды, поступающей через нагнетательный клапан;
Н – высота падения воды;
h – высота подъема воды.
Для работы таранной установки достаточен очень маленький напор воды – значение Н (см. рис. 1) может составлять всего 200 мм при высоте подъема воды h, превышающей Н в 15…20 раз. При большей высоте подъема воды коэффициент полезного действия становится очень малым, а работа установки – неэффективной.
Рис. 2. Конструкция гидравлического тарана: 1 – входной патрубок, вход воды из питающего трубопровода; 2 – седло ударного клапана; 3 – бронзовая направляющая и регулирующая втулка; 4 – ударный клапан со штоком; 5 – дополнительный груз ударного клапана; 6 – опора ударного клапана; 7 – резиновая прокладка, на которой укреплен нагнетательный клапан; 8 – нагнетательный клапан; 9 – фиксатор-болт, ограничивающий ход нагнетательного клапана; 10 – место штуцера для подключения манометра; 11 – воздушный колпак; 12 – место устройства для подачи воздуха в воздушный колпак; 13 – ограничительная втулка; 14 – нагнетательный патрубок, выход воды в нагнетательный трубопровод
Типичная конструкция гидравлического тарана приведена на рис. 2. Из питающего трубопровода вода поступает под ударный клапан со штоком, перемещающимся в направляющей бронзовой втулке. Последняя крепится в опоре на резьбе, что позволяет регулировать ход клапана. При закрытии клапан прижимается к седлу. На штоке клапана укреплен дополнительный груз. На рис. 2 не показано устройство для предварительного открытия ударного клапана при пуске тарана. Дело в том, что давление питающей воды (которое может достигать нескольких атмосфер) прижимает клапан к седлу, так что для начала работы установки необходимо принудительно открыть клапан.
В конце питающего трубопровода расположен нагнетательный клапан. Ход нагнетательного клапана ограничен фиксатором-болтом. Наличие воздуха в воздушном колпаке сглаживает пульсации давления в напорном трубопроводе и выравнивает расход воды на линии нагнетания. На корпусе воздушного колпака установлен штуцер для подсоединения манометра и предусмотрено устройство для подпитки воздушного колпака воздухом (на рис. 2 указаны только места расположения этих приспособлений). Ограничительная втулка, предотвращающая попадание воздуха в питательный трубопровод, установлена таким образом, что не допускает полного слива жидкости из воздушного колпака, то есть оголения нагнетательного клапана.
Для проверки герметичности нагнетательного клапана на воздушном колпаке устанавливают манометр, закрывают форсунку для подпитки воздуха и запорную арматуру на нагнетательном трубопроводе. Показание манометра при полностью закрытом нагнетательном клапане должно быть постоянными (при пропуске воды через клапан давление постепенно снижается).
Пуск таранной установки производится следующим образом. Направьте воду в питательный трубопровод и убедитесь, что воздух из системы удален полностью (при закрытом ударном клапане). Заметим, что при малых значениях питающего напора таран начинает работать практически после первого принудительного открытия ударного клапана. В случае же значительного питающего напора ударный клапан необходимо принудительно открыть несколько раз, чтобы в воздушном колпаке создать давление, равное двукратному нагнетательному напору.
При большой длине нагнетательного трубопровода для достижения давления, достаточного для автоматической работы тарана, требуется значительное время принудительного открытия ударного клапана (чтобы разогнать поток до скорости, превышающей условия выравнивания веса клапана и давления потока на клапан). В этом случае рекомендуется пускать таран при закрытой арматуре на нагнетательном трубопроводе тарана. Когда давление воздуха в воздушном колпаке превысит двукратный питательный напор, необходимо начать постепенно открывать арматуру таким образом, чтобы давление под колпаком оставалось примерно одним и тем же. И учтите, что запорную арматуру на нагнетательном трубопроводе можно открыть полностью только при достижении устойчивой автоматической работы ударного клапана.
Следует иметь в виду, что запас воздуха в воздушном колпаке при пуске недостаточен для нормальной автоматической работы тарана. Поэтому воздух в колпак либо дополнительно накачивают насосом до давления нагнетания, либо пуск установки производят при меньшей производительности (уменьшая для этого ход ударного клапана) и только через 6…10 ч работы установку пускают на полную мощность.
Регулирование режима работы таранной установки производится изменением веса ударного клапана и отладке его хода, а также подбором хода нагнетательного клапана. Регулировку начинают с подгонки груза ударного клапана, добиваясь его минимального веса. При этом следует иметь в виду, что вес клапана и его ход взаимосвязаны, так что увеличением веса можно уменьшить ход клапана.
Кстати, в ряде зарубежных конструкций таранных установок вместо сменных грузов на штоке ударного клапана предусмотрены пружины, что облегчает не только процесс регулирования, но и повышает ритмичность работы клапана и его пропускную способность из-за снижения инерционных сил.
Для нагнетательного клапана (его вес постоянен) регулируемым параметром является ход клапана. Неправильная его установка, в особенности при больших значениях h/Н, сильно влияет на производительность тарана и даже может снизить ее до нуля. При небольшом нагнетательном напоре оптимальный ход нагнетательного клапана больше, чем при более высоком напоре.
Для организации оптимального хода нагнетательного клапана прибегают к "услугам" манометра на воздушном колпаке. Постепенно закрывая арматуру на нагнетательном трубопроводе, устанавливают давление в колпаке примерно на 10…20% больше нагнетательного напора, после чего начинают подгонять ход нагнетательного клапана изменением положения ограничительного винта-фиксатора. Оптимальным будет то положение, при котором давление нагнетания максимально. После отладки арматура на нагнетательном трубопроводе открывается полностью.
О неисправностях
Самой серьезной неисправностью в таранных установках следует признать негерметичность питающего трубопровода, так как возникающий при этом подсос воздуха исключает создание условий для возникновения гидравлического удара, что приводит к остановке тарана.
Появление этой неисправности сопровождается изменением режима работы ударного клапана. Он начинает действовать в ускоряющемся темпе и после нескольких тактов, сопровождаемых глухими ударами, таран останавливается.
Остановка тарана возможна так же из-за неплотностей в клапанах Подобная неисправность в ударном клапане приводит к повышенному бесполезному расходу воды, что не только снижает КПД установки, но иногда и служит причиной ее остановки. При неплотностях в нагнетательном клапане ударный клапан открывается с трудом, давление в воздушном колпаке падает и таран также прекращает работу.
Причина плохой работы клапанов чаще всего заключается в попадании в них различного мусора или нарушении плотности прилегания посадочных поверхностей.
Недостаточная подпитка воздухом пространства под колпаком – достаточно опасная неисправность, способная вызвать не только снижение подачи воды, но и разрушение самого воздушного колпака или нагнетательного трубопровода. Признаком уменьшения количества воздуха под воздушным колпаком служат усиление вибрации нагнетательного трубопровода и появление в нем сильного шума В этом случае требуется немедленно остановить установку.
***
Водоподъемное устройство в виде гидравлического тарана не требует электроэнергии. При этом гидравлический таран обладает коэффициентом полезного действия ничуть не меньшим, чем центробежный насос с электроприводом.
К сожалению, проектирование гидравлических таранов до сих пор в значительной мере остается искусством, литература по этому вопросу чрезвычайно скудна.
Для практического использования можно порекомендовать следующие книги:
Чистопольский С.Д. Гидравлические тараны. М.-Л.: ОНТИ, 1936 г.
Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. Теория, расчет и конструкции. М., Машиностроение, 1968 г.
Читайте также: