Библиотека бесплатных электронных книг

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН

 

В. В. Ляшевич.

 

Я хочу сделать устрой­ство для автоматическо­го полива растений во­дой из реки. Случайно я узнал, что существует механизм, называемый гидравлический таран, который самостоятель­но, без подвода энергии, качает воду. Можно ли изготовить его самостоятельно и как?

Рис. 1. Схема гидравлического тарана и принцип его работы

Несложный и остроумный механизм — гидравлический таран, не нуждаясь в источни­ке энергии и не имея двигате­ля, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров. Он может месяцами непре­рывно работать без присмот­ра, регулировки и обслужива­ния, снабжая водой неболь­шой поселок или ферму.

В основе работы гидротарана лежит так называемый гид­равлический удар — резкое повышение давления в трубо­проводе, когда поток воды мгновенно перекрывается зас­лонкой. Всплеск давления может разорвать стенки трубы, и, чтобы избежать этого, краны и вентили перекрывают поток постепенно.

Гидравлический таран ра­ботает следующим образом (рис. 1). Из водоема 1 вода по трубе 2 поступает внутрь уст­ройства и вытекает через от­бойный клапан 3. Скорость. потока нарастает, его напор увеличивается и достигает величины, превышающей вес клапана. Клапан мгновенно перекрывает поток, и давле­ние в трубопроводе резко по­вышается — возникает гид­равлический удар. Возросшее давление открывает напорный клапан 4, через который вода поступает в напорный колпак 5, сжимая в нем воздух. Дав­ление в трубопроводе падает, напорный клапан закрывает­ся, а отбойный — открывает­ся, и цикл повторяется снова. Сжатый в колпаке воздух го­нит воду по трубе «б» в верхний резервуар 7 на высоту до 10—15 метров.

Первый гидравлический та­ран построили в городе Сен-Клу под Парижем братья Жозеф и Этьен Монгольфье в 1796 году, через 13 лет после своего знаменитого воздушно­го шара. Теорию гидравличес­кого тарана создал в 1908 году Николай Егорович Жуковский. Его работы позволили усовер­шенствовать конструкцию это­го устройства и повысить его кпд.

Гидравлический таран на­столько прост, что его можно без труда изготовить самосто­ятельно, почти полностью со­брав из готовых деталей, при­меняемых в водопроводных сетях. Недостающие детали требуют несложных токарных и сварочных работ.

Рис. 2. Детали конструкции гидравлического тарана.

Основным элементом уст­ройства (рис. 2) служит сталь­ной или чугунный тройник 1 (а еще лучше — крестовое со­единение, тогда четвертое, нижнее, отверстие закрывают резьбовой заглушкой) с внут­ренней резьбой 1 1/2 — 2 дюйма. В тройник ввинчивают переходные ниппеля («бочонки») 2 с длинной наружной резьбой—сгонами. К одному сгону подсоединяют подводя­щий трубопровод диаметром не менее 50 мм и длиной не более 20 метров. Ко второму

— подсоединяют колено (уголок) 3 так, чтобы при установ­ке тарана его свободный торец был горизонтальным: на нем будет смонтирован отбойный клапан. На третьем ниппеле монтируют напорный колпак с клапаном. Все резьбовые со­единения перед сборкой очи­щают металлической щеткой от грязи и ржавчины и обма­тывают паклей.

Напорный колпак 4 делают из отрезка металлической или пластмассовой трубы диамет­ром 15—20 сантиметров. Его объем должен быть примерно равен объему подводящего трубопровода. Торцы трубы закрывают крышкой 5 и пере­ходным фланцем 6 с резино­выми прокладками 7 и 7а (кольцо). Колпак стягивают стальными шпильками 8.

Напорным клапаном может служить обратный клапан, выпускаемый для водяных насосов итальянской фирмой «Бугатти» (с внешней резьбой 1 1/2 дюйма) и немецкой фир­мой «Ценнер» (диаметром от 15 до 40 мм) — они продаются в магазинах сантехническо­го оборудования, самодель­ный клапан-лепесток из куска листовой резины или сливной клапан от туалетного бачка. Конструкция клапана опреде­лит размеры и форму пере­ходного фланца, место и спо­соб крепления напорной тру­бы 9 диаметром 1/2 дюйма. Варианты конструкции показа­ны на рисунке.

Отбойный клапан собран из двух деталей: корпуса 10а и заслонки 106.Корпус вытачи­вают из стали или из бронзы. В верхней его части просвер­лено отверстие диаметром 15 — 20 мм. Внутренняя по­лость заканчивается конусом с углом порядка 45°. Корпус клапана навинчивается на сгон ниппеля 2. Стальная или бронзовая заслонка имеет форму двойного усеченного конуса диаметром 20—25 мм и массой 100—150 г. Верхний конус заслонки должен иметь тот же угол, что и полость кор­пуса: только тогда клапан смо­жет мгновенно перекрыть по­ток, создав гидравлический удар. В верхнюю часть заслон­ки ввернуты три центрирую­щие спицы так, чтобы они вхо­дили плотно, но без трения в верхнее отверстие корпуса. В нижнюю — ввернут винт. На­страивают гидравлический таран, меняя массу заслонки.

Для этого на нижний винт на­девают свинцовые шайбы. Для запуска гидротарана достаточно приподнять заслонку, давая воде свободно вытекать через отбойный клапан.

Впускное отверстие подводящего трубопровода необхо­димо оборудовать простым фильтром, защищающим гидротаран от грязи, и заслонкой, перекрывающей воду на зиму. Чтобы слить воду из корпуса тарана и колпака, через ниж­нее отверстие вводят спицу, открывая ею напорный кла­пан. Гидравлический таран можно установить стационар­но или сделать съемным, пре­дусмотрев отводной канал для воды, текущей из отбойного клапана.

Производительность гид­равлического тарана можно ориентировочно оценить по таблице. Она связывает отношение массы воды (m), поднятой гидротараном, к массе воды (М), поступившей из во­доема, и отношение высоты подъема воды h к высоте Н ее падения к гидротарану.

m/М	0,3	0,2	0,15	0,1	0,06	0,05	0,03	0,02	0,01
h/Н

Пусть, например, к гидрав­лическому тарану поступает М = 12 л/мин воды с высоты Н = 1,5 метра. Посмотрим, сколь­ко воды он сможет поднять на высоту 9 метров. Отношению h/Н = 9/1,5 = 6 в таблице соот­ветствует величина h/М =0,1. Это значит, что гидротаран ежеминутно должен подавать на высоту 9 метров массу воды m = 0,1-М =0,1-12= 1,2 литра. Это немного, но за сутки авто­матическое устройство накачает свыше полутора тонн воды, количество, достаточное для поливки сада или огорода немалой площади.

 

 

Схема гидравлического тарана: 1 — верхний бак; 2, 6 — трубопроводы; 3 — напорный колпак; 4, 5 — клапаны; 7 — резервуар; р — усилие, необходимое для открытия клапана; h — высота падения воды; Н — высота подъёма воды.

 

 

Гидравлический удар, явление резкого изменения давления в жидкости, вызванное мгновенным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе (например, при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством).

Увеличение давления при гидроударе определяется в соответствии с теорией Н. Е. Жуковского по формуле

Dp = r(v₀ — v₁) c,

где Dp — увеличение давления в н/м², r — плотность жидкости в кг/м³, v₀ и v₁ — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки в м/сек, с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода. При абсолютно жёстких стенках с равна скорости звука в жидкости а (в воде а = 1400 м/сек). В трубах с упругими стенками

где D и d — диаметр и толщина стенок трубы, Е и e — модули упругости материала стенок трубы и жидкости.

Гидроудар— сложный процесс образования упругих деформаций жидкости и их распространения по длине трубы. При очень большом увеличении давления гидроудар может вызывать аварии. Для их предупреждения на трубопроводе устанавливают предохранительные устройства (уравнительные резервуары, воздушные колпаки, вентили и др.).

Теория гидроудара, развитая Н. Е. Жуковским, способствовала техническому прогрессу в гидротехнике, машиностроении и др. отраслях.

 

Лит.: Жуковский Н. Е., О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, М. — Л., 1949; Мостков М. А., Башкирова А. А., Расчеты гидравлического удара, М. — Л., 1952.

В. В. Ляшевич.

Источник http://www.skif.biz/

ИДУ НА ТАРАН

Ю.ШКРОБ.

Энергоустановка, например электрическая или насосная станция малой мощности для фермы, чабанского участка, погранзаставы, работоспособна при малых перепадах уровня в верхнем и нижнем бьефах, и даже совсем без подпора - на берегу моря, за счет энергии приливных и ветровых волн.

Фонтаны Версаля, шлюзы Мариинской водной системы, много ирригационных систем в России, Европе, Китае с начала XVIII до середины XX века оснащались гидротаранами разных размеров. Эти насосы работают без энергоносителей, вернее, они - сама перекачиваемая вода. Несложные конструктивно, но весьма непростые для проектировщика устройства превращают кинетическую энергию потока во всасывающей трубе в потенциальную - в нагнетательной. Иными словами, большой расход в ниэконапорной части уравновешивается меньшим, но под большим давлением в расходной (напорной) части.

Еще лет 30 тому назад такие насосы крупными партиями выпускали заводы в Москве, Ленинграде, Саратове, Буффало, Дюссельдорфе, Кейптауне. Не только мелкие фирмочки, но и крупнейшие заводы, обладатели высоких технологий, не гнушались этой продукцией. Почему заглох этот выгодный, особенно в пору удорожания традиционных энергоносителей, экологически полезный бизнес, неясно. Возможно, одна из причин падения спроса - особенность конструкции: зависимость насоса от системы. Невозможно, как и любой другой насос, рассчитать гидротаран отдельно от всасывающей и напорной труб. Они связаны. В каждом случае установку необходимо заново рассчитать. Задача, как видно из практики энергетиков и водопроводчиков, не слишком трудная, если ее решать серьезно, в расчете на последующую прибыль.

Есть еще одно неудобство: часть воды, поступающей по всасывающей трубе, необходимо слить. Не всегда просто найти куда. В засушливых местах, где вода - драгоценность, это невозможно психологически (хотя и полезно экологически: если землю в жарких странах постоянно поливать, она родит отличные фрукты, овощи, цветы). Впрочем, этот недостаток преодолен, есть конструкции безрасходных, без слива, гидротаранов. Из них ничего зря не выливается, но их производительность заметно меньше.

Известно множество проектов применения гидротаранов в энергетических системах. Например, использующие морские волны для производства электроэнергии. Гигантская энергия прибоя преобразуется в потенциальную при подьеме на высокий берег в аккумулирующее водохранилище. Оттуда вода стекает по потребности через турбогенератор. Оптимальное решение для многомегаваттного энергетического гиганта на берегу океана. Если водохранилище достаточно велико, размещено на солидной высоте, можно запитать турбогенераторы большой мощности. Чем больше мощность одного агрегата, тем дешевле киловатт -час производимой энергии. Этот объективный закон заставляет строить все более крупные ГЭС. Они, наряду с АЭС, - фундамент энергетики. Но недостаточно одного фундамента, нужны еще стены и крыша. Так же и в энергетике - кроме мощных станций, объединенных в энергосистемы, нужны малые автономные сети и даже отдельные энергоустановки. Есть много мест, куда тянуть сеть невыгодно. Там нужна малая ветряная, солнечная, геотермальная установка. Но лучше всего, если есть такая возможность, - гидротаранная, независимая от погоды, времени суток и года.

***********
"Гидравлический двигатель -таран" для мини-ГЭС, по-видимому, - оптимальное решение: в основе его - поршневая машина. Чем меньше мощность, тем она выгоднее аналогичной турбины: перетечки в зазорах относительно меньше, значит, выше КПД.

Стекающая из низконапорного источника вода 1 (см. рис.) через ударный клапан 4 сбрасывается на уровень ниже расположения машины, например в огород или на заливной луг. Под действием струи закрывается ударный клапан. Резко возрастает давление (гидравлический удар) в клапанной коробке 3, трубопроводе 2 и рабочей камере цилиндра 8. Поршень перемещается и через шатун поворачивает коленчатый вал 9 и кинематически связанные с ним агрегаты, в том числе выходной вал - привод исполнительных механизмов, например электрогенератора. Одновременно через передачу поворачивается кулачковый вал 6, взаимодействующий через толкатели с клапанами других цилиндров. В каждом модуле три цилиндра, и достигается максимальный КПД. Для пуска машины в работу клапан в одном из цилиндров надо открыть вручную кулачковым валиком 7. По окончании рабочего хода в первом цилиндре клапан под действием кулачка открывается, и вода сливается по трубе 5. Цилиндр приходит в исходное положение. В это время в одном из соседних совершается рабочий ход. В следующем такте в работу вступает третий.

До пуска вода через машину не течет, перерасхода нет.

В примере рассмотрена машина с напором Н=0,2 м, числом цилиндров 3, частотой вращения коленвала 1000 об./мин.

Неясно, почему авторы предназначили эту поистине универсальную машину только для ферм и стойбищ крупного рогатого скота.

Машина может отлично работать и на сельской запруде, и на океанском берегу. Прибой там повыше 0,2 м, а полный штиль (когда и прибоя нет) - редчайшее, кратковременное явление.

Пат. 2105906. А.Е. и Н.А. Кузьмины. Иркутская государственная сельскохозяйственная академия.

 

Библиотека бесплатных электронных книг.