Гидравлический таран (гидротаран)

Как работает гидротаран
В предыдущем номере альманаха мы уже рассказывали о «бесплатном» способе подачи воды на садовый участок с помощью гидравлического тарана.
В этом материале мы продолжим разговор о подобном устройстве на более "высоком техническом уровне". Но сначала небольшая информация о гидравлическом таране, взятая из БСЭ-3 (том 6, стр. 467).
Итак, гидравлический таран – водоподъемное устройство, в котором для подачи воды используется энергия гидравлического удара.
В свою очередь, гидравлический удар – резкое повышение давления в потоке жидкости, вызванное мгновенным изменением скорости ее течения в ограниченном пространстве (например, при быстром перекрытии потока в напорном трубопроводе запорным устройством).
Гидравлический таран был известен и применялся на практике еще в 18-м веке, но теория гидравлического тарана была разработана Н.Е. Жуковским только в 1907 году.
Преимуществом гидравлического тарана перед другими устройствами для подъема воды заключается в том, что это устройство прямо преобразует потенциальную энергию воды в кинетическую, заменяя собой гидравлическую турбину, электрический генератор и электродвигатель с насосом. И при этом устройство не имеет вращающихся частей, а из движущихся – два клапана.

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.

Отметим, что воздух из воздушного колпака расходуется с уходящим потоком воды, и чем больше высота нагнетания, тем больше воздуха требуется для подпитки (с повышением давления повышается растворимость воздуха в воде). Подпитка воздушного колпака воздухом происходит при падении давления в нем ниже атмосферного в момент закрытия нагнетательного клапана. Самое простое устройство для подпитки – форсунка с калиброванным отверстием диаметром 2…5 мм. С помощью этой форсунки при повышении давления в колпаке наружу вытекает некоторое количество воды, а при понижении в нем давления ниже атмосферного внутрь поступает воздух.
О составных частях гидравлического тарана
Питающий бассейн, предназначенный для питания водой тарана, служит также для успокоения потока и удаления из воды пузырьков воздуха (а при необходимости – и механических примесей). Глубина бассейна должна позволить установить питающую трубу так, чтобы расстояние от нижней кромки трубы до дна превышало 300…400 мм, а глубина погружения трубы как минимум была равна двукратному диаметру питающей трубы (но не менее 200 мм), так как необходимо исключить возможность образования воронки всасывания, что сопровождается попаданием воздуха в питающий трубопровод.
При работе тарана допустимое колебание уровня воды в бассейне за один «качающий» цикл принимается в пределах 10…20 мм. Так что не «делайте» площадь бассейна слишком маленькой.
Питающий трубопровод – неотъемлемая составная часть таранной установки и от того, насколько правильно выполнен расчет трубопровода, зависит надежность работы тарана особенно при значении питающего гидравлического напора Н > 10 м (см. рис. 1). Причем здесь важны не только размеры (диаметр, длина) трубопровода, но также материал, из которого он сделан, способ прокладки трубопровода на местности, качество монтажных работ.
Поскольку питающий трубопровод является частью колебательной системы, в которой происходит гидравлический удар, то, во-первых, на этом трубопроводе нельзя устанавливать запорно-регулирующую арматуру, и, во-вторых, стенки трубы должны выдерживать давление гидравлического удара.
Здесь мы не будем приводить расчеты повышения давления воды в системе при гидравлическом ударе (подобные расчеты легко отыскать в соответствующих учебниках), а только отметим, что изменение скорости на 1 м/с (например, при остановке потока, текущего первоначально со скоростью 1 м/с) приводит к росту давления на 100 м водяного столба (или на 10 атмосфер).
Обычно скорость потока воды в трубопроводе составляет от 1,5 до 3 м/с, откуда становятся понятными особые требования к прочности стенок трубопровода. Последний обычно выполняется из стальных цельнотянутых труб (сварные водогазопроводные трубы можно использовать только при Н < 30 м). Рекомендуемый (оптимальный) расход воды через трубу того или иного диаметра зависит от питающего напора (см. таблицу).
Таблица. Рекомендуемые расходы воды Q (л/с) через питательные трубы различного диаметра D (мм) в зависимости от питающего напора Н (м)

Обычно диаметр питающего трубопровода и канала тарана совпадают. Однако диаметр питающего трубопровода делается меньше диаметра канала тарана при очень большом питающем напоре и ограниченном питающим расходе. Заметим, что особые требования предъявляются к герметичности питающего трубопровода, ведь через малейшие неплотности в него обязательно будет проникать воздух.
Поскольку закрытие ударного и нагнетательного клапанов происходит не мгновенно, а примерно за 0,01…0,02 с, то длина питающего трубопровода не является величиной произвольной.
Существует зависимость, связывающая длину l питающего трубопровода с числом осуществляемых в нем ударов, напором и диаметром трубопровода:
l = (900 x H) / (N² x D),
где: l – длина питающего трубопровода, м;
Н – питающий напор, м;
N – число гидравлических ударов в минуту;
D – диаметр питающего трубопровода, м.
Минимальной считается длина трубопровода в 10…15 м. Если же по условиям местности длина питающего трубопровода получается слишком большой, то используются промежуточные уравнительные башни или уравнительные воздушные колодцы, назначение которых – вызвать разрыв струи и, следовательно, ограничить путь возвратной ударной волны, возникающей при гидравлическом ударе.
Воздушный колпак, предназначенный смягчать неравномерность давления и потока, имеет важное значение для работы тарана, уменьшая шум и вибрацию установки при работе.
Отсутствие такого колпака или недостаточный его объем нередко приводят к чрезмерному повышения давления и разрыву стенок нагнетательного трубопровода. Расчеты показывают, что выгоднее всего работать в режиме, когда давление в воздушном колпаке при ударе повышается всего на 10…20%. Тогда необходимый для спокойной работы объем V воздушного колпака составит:
V = (8…15) x q x t,
где: q – количество воды, подаваемой таранной установкой, л/с;
t – продолжительность периода нагнетания, то есть отрезок времени от момента открытия нагнетательного клапана до его закрытия, с.

Ударный клапан, обеспечивающий несколько десятков гидравлических ударов в минуту, работает в достаточно напряженном режиме. Подбор материалов для пары клапан-седло является сложной и ответственной задачей, поскольку от этого зависит долговечность работы всего устройства. Современные материалы обеспечивают продолжительность работы ударного клапана 10 8 циклов и более (несколько лет эксплуатации). Такой клапан делают подъемным (как на рис. 2) или откидным. Обычно ударный клапан располагается непосредственно перед воздушным колпаком с нагнетательным клапаном, но известны конструкции, где ударный клапан устанавливают на тупиковом участке питательного трубопровода уже после входа в воздушный клапан.
К нагнетательному клапану предъявляются те же требования, что и к ударному, хотя он испытывает несколько меньшие механические нагрузки.
Нагнетательный трубопровод должен выдерживать давление нагнетания, и поскольку он не подвержен столь высоким ударным нагрузкам, как питательный, то его не возбраняется выполнять не только из стальных труб, но и из чугунных, асбоцементных, пластиковых. Выбор диаметра нагнетательного трубопровода определяется его гидравлическим сопротивлением при заданном расходе воды. В остальном особых требований к его прокладке и профилю не предъявляется.
В начале нагнетательного трубопровода в месте его соединения с воздушным колпаком устанавливают обратный клапан и запорную арматуру. Обратный клапан предотвращает утечку воды из принимающего бассейна через воздушную форсунку при неработающем таране, а запорная арматура используется при наладке тарана.
Фундамент таранной установки призван выдерживать динамические нагрузки, возникающие при работе ударного клапана и при самом гидравлическом ударе. Обычно для тарана сооружают заглубленный бетонный или железобетонный фундамент, зачастую содержащий элементы для гашения динамической ударной нагрузки. В качестве таких гасящих элементов используют резиновые и деревянные закладные детали, реже осуществляют подрессоривание фундамента с помощью пружин.
Принимающий бассейн выполняет роль регулятора потребления воды и сглаживает суточные или иные колебания расхода у потребителя.
***
Высота подачи воды таранной установкой достаточно велика. Например, на Гохтской высоконапорной таранной установке в Армении высота нагнетания составляет 160 м. Удается реализовать подачу и на большую высоту, если таранные установки установить последовательно.
Из теории гидравлического тарана следует, что при h/Н < 2 (см. рис. 1) его автоматическая работа невозможна, так как при отражении отрицательной волны давления в ударном узле не возникает вакуум. Но некоторые ухищрения позволяют и в этих условиях обеспечить автоматическую работу клапанов. Достигается это, например, либо искусственным замедлением срабатывания нагнетательного клапана, либо использованием двух последовательно работающих таранов.
Для повышения производительности тарана применяют либо параллельное включение нескольких установок, либо эксплуатацию многоклапанных таранов. Так, в Аштаракском районе Армении в 1956 году был успешно запущен таран с тремя ударными клапанами в одной питательной трубе и с одним воздушным колпаком. Эта установка при питающем напоре 10,5 м и нагнетательном напоре 100 м обеспечивала производительность до 720 л воды в минуту.
Расчет таранной установки
Обычно перед началом проектирования гидравлического тарана известны четыре величины, характеризующие работу тарана: питающий напор Н, высота нагнетания h, питающий расход воды Q и необходимый полезный расход (подача) q.
Реально же для расчета необходимы несколько другие характеристики: те же Н и Q, а также длины питающего и нагнетательного трубопроводов. Поэтому только после проведения расчета будет определен полезный расход q, который сможет обеспечить данная таранная установка.
В результате расчетов строят график зависимости расходов Q и q, а также КПД тарана η от коэффициента разгона k – гидравлической характеристики данной установки (k зависит от питающего напора, диаметра и длины питающего трубопровода, а также от гидравлического сопротивления последнего).

Рис. 3. График некоторых параметров, необходимых при расчете гидравлического тарана: Q – расход воды на входе тарана (питательный расход); q – полезный расход воды (подача тарана); η – коэффициент полезного действия тарана; k – коэффициент разгона гидравлической системы

Подобный график зависимости Q, q и η от k приведен на рис. 3. Из графика видно, что в принципе возможны варианты исполнения гидравлических таранов либо работающих с максимальным коэффициентом полезного действия η, либо с максимальной полезной подачи q.
Так для достижения максимального η = 0,93 при питающем расходе Q = 27 л/с и полезной подаче q = 8,5 л/с необходима установка с коэффициентом разгона k = 0,25 (точка «а» на оси абсцисс).
Максимальная полезная подача q = 23 л/с будет получена при питающем расходе Q = 108 л/с и при значении коэффициента разгона k = 0,8 (это точка «б» на оси абсцисс графика, приведенного на рис. 3). КПД установки в этом случае составит 0,56.
Реально же при расчетах гидравлической системы трубопроводов сначала определяется k, а затем, используя заданный питающий расход Q и найденный k, вычисляют и η.
Число ударов клапана n определяется по формуле:
n = ((900 х Н) / (l х D))^-1/2,
где: l – длина питающего трубопровода, м;
Н – питающий напор, м;
D – диаметр питающего трубопровода, м.
(Подробнее о расчете таранных установок можно прочесть в книге В.M. Овсепяна «Гидравлический таран и таранные установки. Теория, расчет и конструкции», выпущенной издательством Машиностроение» в 1968 году, где приведены табулированные табличные данные, необходимые для расчетов.)
Особенности пуска и работы таранной установки
После обычной проверки установки на прочность и герметичность особое внимание уделим работе и герметичности ее клапанов.
Проверка на герметичность ударного клапана производится визуально – в случае подачи воды в таран при закрытом нагнетательном клапане через ударный клапан вода наружу вытекать не должна.

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.