К библиотеке

УДК 621.624.3

Белоус А.В., студент группы КГПС-09м, руководитель - к.т.н., доц. Устименко Т.А.

Донецкий национальный технический университет

Источник: Механика жидкости и газа / Материалы VII Международной научно-технической студенческой конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2008.- С.151-154.

Исследовано устройство, принцип работы гидротарана, рассмотрена и проанализирована сущность явления гидравлического удара. Рассмотрены различные области применения гидротарана.

В настоящее время одной из проблем является стоимость энергии. Когда энергия становиться слишком дорогой, ставиться потребность в использовании аналоговой - энергии воды, ветра или солнечной энергии.

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.

Так же гидравлический таран может использоваться и на небольших ГЭС.

В основе работы гидротарана лежит так называемый гидравлический удар - комплекс явлений, происходящих в капельной жидкости при резком уменьшении ее скорости движения, благодаря чему в жидкости возникает колебательный затухающий процесс, сопровождающийся чередующимся резким повышением и понижением давления.

Повышение давления в трубе равно:

где Δp — увеличение давления в н/м², ρ — плотность жидкости в кг/м³, v₀ и v₁ — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия

Скорость распространения ударной волны в трубопроводе:

где d и δ — внутренний диаметр и толщина стенок трубы, E и E_ж — модули упругости материала стенок трубы и жидкости.

Гидравлический таран состоит из водоисточника 1, питательного трубопровода 2, рабочей коробки 3 с двумя клапанами 4 и 5, водовоздушного колпака 6, нагнетательного трубопровода 7 и приемного резервуара 8 (рис.1).

Принцип работы насоса такой. Ударный клапан 4 открывается под действием собственного веса. При его открытии жидкость из водоисточника 1 начинает поступать в питательный трубопровод 2 под напором H1. При его открытии через подводящий трубопровод 2 под неболь¬шим напором Нг начинает поступать вода, которая вытекает через, открытый клапан 4. Вследствие увеличения силы воздействия вытекающий с нарастающей скоростью воды на ударный клапан он закрывается, и скорость потока в трубо¬проводе падает до нуля. В связи с внезапной остановкой потока в падающем трубопроводе и рабочей коробке произойдет гидравлический удар с резким повышением давления. Под влиянием этого давления открывается нагнетательный клапан и часть воды поступит в воздушный колпак 6 сжимая имеющийся там воздух, который вытеснит часть воды в нагнетательный трубопровод 7, подняв ее на высоту H2 в приемный резервуар 8.

Риcунок 1 - Схема гидротаранной установки. 1 - водоисточник, 2 – питательный трубопровод, 3 – рабочая коробка, 4 – ударный клапан, 5 – нагнетательный клапан, 6 – водовоздушный колпак, 7 – нагнетательный трубопровод, 8 – приемный резервуар.

После ухода части воды в воздушный колпак давление в рабочей коробке уменьшится и ударный клапан 4 под действием собственного веса откроется. При этом вода снова начнет выливаться через клапан 4, а нагнетательный клапан 5 закроется под действием силы давления воздуха в воздушном колпаке 6. Затем происходит повторение процесса: снова произойдет закрытие ударного клапана 4 и открытие нагнетательного клапана 5 и т. д. Таким образом, происходит непрерывное повторение рассмотренного процесса подачи воды. Поступающий из напорного резервуара расход воды Q затрачивается в основном на излив воды через клапан 4 и создание давления на этот клапан, при котором он закрыва¬ется. Этот первый период работы гидравлического тарана называется разгонным периодом. Второй период его работы называется ударным, когда после закрытия клапана 4 произойдет гидравлический удар и в рабочей коробке появится повышенное (ударное) давление, соответствующее напору . Третий период называется рабочим. В течение этого периода вода из воздушного колпака будет поступать через напорный трубопровод 7 с расходом Q2 в резервуар 8 под давлением воздуха на высоту Н2.

Производительность гидравлического тарана можно ориентировочно оценить по таблице 1. 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.

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.

Напор Н1 обычно 1,5—5 м, а высота нагнетания Н2 от 15 до 40 м. При этом подача расхода Q2 = (0,4...0,07)

Коэффициент полезного действия гидравлического таранa:

Выпускаемые промышленностью гидравлические тараны могут поднимать воду на высоту до 60 м с расходом до 20—22 л/мин. Они очень просты в эксплуатации и могут беспрерывно работать длительное время, снабжая водой потребителей. Известны мощные тараны, производительность которых достигает 150 л/с.

Список источников:

1. Жуковский Н. Е. О гидравлическом ударе в водопроводных труба./Н. Е. Жуковский. - М.: Гостехиздат., 1949 - 103 с.
2. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. 3-е издание, дополненное и переработанное./ В.Г. Гейер, В.С. Дулин, А.Н. Заря. -М.: Недра, 1991. - 333 с.
3. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах./ И.А. Чарный. - М.: Недра, 1975. – 296с.
4. Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки/ В.М. Овсепян. – М.: Машиностроение, 1968. – 124с.

К библиотеке