Гидротаран в стоячей воде. Подводный гидротаран

Подводный гидротаран может быть использован в конструкциях средств транспортирования жидкости, основанных на использовании гидравлического удара. Подающая труба с ударным клапаном сообщена с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана и с баком возвратной воды посредством дополнительного нагнетательного клапана. Ударный клапан выполнен в виде двух дисков с совпадающими водопропускными отверстиями, соосно установленных на полом штоке, имеющем щелевидное направляющее отверстие, который размещен в подающей трубе с возможностью возвратно-поступательного движения. Один из дисков закреплен на штоке жестко, а другой установлен с возможностью осевого перемещения и поворота вокруг своей оси. Внутри штока установлен стержень-толкатель с головкой, один конец которого, подпружиненный со стороны штока, выполнен в контакте с поршнем. Поршень размещен в цилиндре, сообщенном с баком возвратной воды посредством питательной линии. Повышается производительность путем более полного использования энергии гидравлического удара. 1 ил.

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкциям средств транспортирования жидкостей, основанных на использовании гидравлического удара, и может быть использовано для подъема воды из русла тихоходной реки. Известен гидравлический таран, содержащий рабочую камеру с ударным вестовым клапаном, связанную с напорной и воздушной емкостями, причем воздушная емкость выполнена в виде равномерно расположенных по окружности колпаков, снабженных нагнетательными клапанами и сообщенных между собой (Авт.свид. СССР N 781403, кл. F 04 F 7/02, 1980). Недостатком данного устройства является наличие неиспользованных потенциальных возможностей по увеличению производительности, КПД в связи с тем, что подача жидкости производится периодически. Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является подводный гидротаран, содержащий подающую трубу с ударным клапаном, сообщенную с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана, и воздушный колпак (Авт.свид. СССР N 1788344, кл. F 04 F 7/02, 1993). Подающая труба выполнена конусной, направленной раструбом навстречу потоку воды, а ударный клапан, расположенный на противоположном конце трубы, заключен под воздушным колпаком, свободно сообщающимся понизу с русловой водой. Недостатком известного подводного гидротарана является низкая производительность устройства из-за потерь КПД вследствие высокого гидравлического сопротивления и неэффективной работы ударного клапана. Кроме того, известный гидротаран не сможет работать на тихоходных реках, так как скорости течения будет недостаточно для осуществления гидроудара и для поддержания работы устройства необходим перепад воды (напор). Заявляемое изобретение направлено на повышение производительности гидротарана путем более полного использования энергии гидравлического удара. Указанный технический результат достигается тем, что в подводном гидротаране, содержащем подающую трубу с ударным клапаном, сообщенную с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана, и воздушный колпак, согласно заявляемому изобретению ударный клапан выполнен в виде двух дисков с совпадающими водопропускными отверстиями, соосно установленных на дополнительно размещенном с возможностью возвратно-поступательного движения в подающей трубе полом штоке с щелевидным отверстием, в котором установлена головка стержня-толкателя, свободный конец которого, подпружиненный со стороны штока, выполнен в контакте с поршнем, размещенным в цилиндре, цилиндр сообщен с баком возвратной воды, который соединен с подающей трубой посредством дополнительного нагнетательного клапана, при этом один из дисков жестко закреплен на штоке, а другой установлен с возможностью осевого перемещения и поворота вокруг своей оси. Такое выполнение ударного клапана обеспечивает практически мгновенное его закрытие, а заявляемое сочетание конструктивных элементов позволяет наиболее полно использовать энергию гидроудара и тем самым повысить КПД гидротарана. На чертеже изображено предложенное устройство, общий вид. Подводный гидротаран включает подающую трубу 1 с ударным клапаном 2, выполненным в виде дисков 3 и 4, имеющих водопропускные отверстия; подающая труба 1 сообщается с нагнетательной трубой 5 посредством нагнетательного клапана 6. Нагнетательная труба 5 соединена с воздушным колпаком 7. Диски 3 и 4 установлены соосно на полом штоке 8, имеющем направляющее щелевидное отверстие, причем диск 3 закреплен на штоке жестко, а диск 4 установлен с возможностью перемещения по штоку и поворота вокруг своей оси таким образом, что водопропускные отверстия диска 4 совпадают с аналогичными отверстиями диска 3. Внутри штока 8 размещен стержень-толкатель 9 с головкой, установленной в щелевидном направляющем отверстии, выполненном на штоке 8, и соединенной с диском 4. Стержень-толкатель 9 помощью пружины 10 контактирует с поршнем 11, размещенным в цилиндре 12, который в свою очередь сообщается с баком возвратной воды 13 посредством питательной линии 14. Бак 13 сообщается с подающей трубой 1 посредством дополнительного нагнетательного клапана 15. На штоке 8 установлены ограничители 16, воздействующие на вентиль 17 через рейку тягоползунного механизма 18. Шток 8 совершает возвратно-поступательные движения по роликам 19, установленным на кронштейнах 20, закрепленных на корпусе подающей трубы 1. Торцевая поверхность подающей трубы 1, противоположная потоку воды, выполнена в виде кольцевого упора 21. Устройство работает следующим образом. Подающая труба 1 погружается в реку на глубину от поверхности 100-150 мм свободным торцом навстречу потоку воды. От пускового устройства (на чертеже не показано) вода нагнетается в цилиндр 12, при этом поршень 11 двигает стержень-толкатель 9, находящийся внутри штока 8. При этом головка стержня-толкателя 9 скользит по щелевидному направляющему отверстию в штоке 8 и. поворачивает скользящий по штоку 8 диск 4. При этом отверстия у дисков 3 и 4 совпадают и вода по подающей трубе 1 проходит сквозь таран. Когда поршень 11, сжав пружину 10, упрется на шток 8, тот под воздействием поршня начнет перемещаться по направляющим роликам 19 в направлении, противоположном течению реки. Ударный клапан 2, установленный на штоке 8, перемещается вместе с ним, при этом диск 4 скользит по поверхности штока 8. Перемещающийся со штоком 8 ограничитель 16 достигает рейки тягоползунного механизма 18 и начинает на нее воздействовать. При этом вентиль 17 открывается. При открытии вентиля 17 давление в цилиндре 12 падает и поршень 11 движется обратно. При этом под воздействием пружины 10 стержень-толкатель 9 возвращается в исходное положение, осуществив поворот диска 4, при этом отверстия дисков 3 и 4 прикрывают друг друга. Сила течения воды двигает ударный клапан 2 к кольцевому упору 21. Скорость течения и скорость перемещения ударного клапана уравниваются. При достижении упора 21 ударный клапан 2 мгновенно останавливается и происходит гидравлический удар, сопровождающийся повышением давления в гидравлической трубе 1 за счет продолжающегося по инерции движения потока воды, при этом нагнетательный клапан 6 открывается и вода устремляется по нагнетательной трубе 5 в воздушный колпак 7, а оттуда потребителю. Одновременно вода под давлением поступает и в бак возвратной воды 13 через нагнетательный клапан 15. После падения давления в подающей трубе 1 нагнетательные клапана 6 и 15 закрываются. Штоком 8, возвращающимся в исходное положение, ограничитель 16 достигает рейки тягоползунного механизма 18 и начинает на нее воздействовать. При этом вентиль 17 закрывается. Таким образом цикл завершается. Вода под давлением из бака возвратной воды 13 поступает в цилиндр 12, поршень 11 воздействует на стержень-толкатель 9, который открывает ударный клапан 2, и цикл повторяется. Заявляемая конструкция подводного гидротарана позволяет мгновенно закрыть ударный клапан, создав повышение давления в несколько раз, и использовать всю силу гидравлического удара на преобразование гидравлической энергии в пневматическую и механическую, увеличив тем самым КПД устройства.

Формула изобретения

Подводный гидротаран, содержащий подающую трубу с ударным клапаном, сообщенную с нагнетательной трубой посредством нагнетательного клапана, и воздушный колпак, отличающийся тем, что ударный клапан выполнен в виде двух дисков с совпадающими водопропускными отверстиями, соосно установленных на дополнительно размещенном с возможностью возвратно-поступательного движения в подающей трубе полом штоке с щелевидным отверстием, в котором установлена головка стержня-толкателя, свободный конец которого, подпружиненный со стороны штока, выполнен в контакте с поршнем, размещенным в цилиндре, цилиндр сообщен с баком возвратной воды, который соединен с подающей трубой посредством дополнительного нагнетательного клапана, при этом один из дисков жестко закреплен на штоке, а другой установлен с возможностью осевого перемещения и поворота вокруг своей оси.

Гидротаран- источник неисчерпаемой чистой энергии

Человечество столетиями использует силу падающей воды в различных механических устройствах и, в том числе, для получения электрической энергии. Гидростанции, построенные на некоторых реках, непрерывно работаю десятки лет. Видимо поэтому, большинство людей отрицают даже возможность существования или создания принципиально нового энергоисточника «от воды».

С обывательской точки зрения, преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую (необходимую, чтобы что-то вращалось), происходит само собой. Для этого достаточно использовать природную разницу высот реки или искусственно ее создать там, где это возможно. При этом всем понятно, что вода должна течь обязательно вниз, то есть по уклону. Ясно и то, что сила воды зависит от перепада высот течения. Давно существует целая наука «гидроэнергетика» об использовании энергии 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.

Еще в 1775 году, в одном из английских журналов появилась статья Джозефа Уайтхеста (J.Whitehurst) с описанием прибора, изобретенного и выполненного им в 1772 году. Прибор позволял осуществлять подъем воды с небольшой высоты на значительную без подвода какой-либо дополнительной энергии, лишь за счет использования потенциальной энергии воды. За счет, так называемого, явления «гидравлического удара». Но прибор не мог тогда работать полностью автоматически. Этот недостаток был устранен в 1776 году изобретателем воздушного шара французом Монгольфье (J.Montgolfier). В 1797 году им был получен патент на изобретение. Интересно, что в том же году патент на подобное устройство получил в Англии M.Bulton. В 1809 аналогичный патент получили в Америке изобретатели Церни и Халлет (J.Cerneay, S.Hallet). А уже в 1834-м американец Страубридж (H.Strawbridge) запустил промышленный вариант подобного аппарата в массовое производство. Однако в настоящее время считается, что изобретение сделанное именно французом J.Montgolfier является устройством, получившим впоследствии название «гидравлический таран».

Гидравлический таран (Рис.1) состоит из питательного бака с водой 1, нагнетательной трубы 2, ударного клапана 3, нагнетательного клапана 5, воздушного колпака 4 и отводящей трубы 6.

(Рис.1) Принципиальная схема гидравлического тарана

Его работа происходит следующим образом: вода из питательного бака 1 поступает по нагнетательной трубе 2 к открытому ударному клапану 3 и под напором h вытекает наружу с возрастающей скоростью. При некоторой скорости воды давление на ударный клапан превышает силу, удерживающую клапан в открытом состоянии (например, силу пружины), закрывает его и преграждает выход воде наружу. Происходит резкая остановка движущейся воды и, так называемый, «гидравлический удар». В пространстве нагнетательной трубы от ударного клапана 3 до нагнетательного клапана 5 давление воды почти мгновенно поднимается до величины, соответствующему напору H. В результате открывается нагнетательный клапан. Однако на повышение давления вода затрачивает только часть своей скорости. А с оставшейся скоростью она через открывающийся при этом клапан поступает в воздушный колпак 4. Возникшая от клапана 3 волна «гидравлического удара» за некоторое время движения по трубе 2 достигает бака 1 и, отражаясь там от невозмущенной воды, начинает двигаться опять к ударному и нагнетательному клапану, снижая при этом скорость. Таких отражений происходит несколько. За время многочисленных отражений волны, оставшийся объем воздуха в воздушном колпаке сжимается до давления, соответствующему напору H. В свою очередь, вода из колпака под тем же давлением по отводящей трубе 6, поступает на высоту H к потребителю. За счет таких отражений начальная скорость воды в питательной трубе через некоторое время полностью затрачивается на поддержание в трубе повышенного давления. После чего давление воды под клапанами падает чуть ниже атмосферного. В результате, существующее повышенное давление в воздушном колпаке закрывает нагнетательный клапан, а низкое давление под ударным клапаном и механизм открытия (например, сжатая пружина) позволяет ударному клапану открыться. Так вся схема автоматически приходит в исходное состояние. Процесс повторяется вновь. В итоге, при определенной культуре изготовления деталей, вода может подниматься на расчетную высоту H автоматически непрерывно много лет. Движущиеся части тарана - два клапана, проектируются так, что повышение давления в питательной трубе закрывает ударный и открывает напорный клапан, а понижение давления действует в обратном порядке. При этом весь смысл работы устройства заключается в том, что оно поднимает объем воды qH на высоту H, используя энергию объема воды q, находящейся на высоте h.

Своей оригинальностью и простотой работы «гидравлический таран» некоторое время сильно привлекал ученых теоретиков и практиков. В течение XIX столетия было выполнено много теоретических исследований «гидравлического тарана», но до конца 1900 года все они упирались в неизвестность теории «гидравлического удара» в трубах и поэтому не давали правильных результатов. Еще в 1804 году Эйтелвейн (Eitelvein) (Германия) поставил более 1000 опытов и опубликовал ряд эмпирических выводов и формул, большинство которых, как выяснилось уже тогда, было не пригодно для проектирования. Хотя факт существования явления «гидравлический удар» был известен еще в XVIII веке, теория этого явления была разработана впервые русским ученым Николаем Жуковским. Свои теоретические выводы профессор Жуковский проверил и подтвердил специальными опытами в 1897-1898 годах. В 1898 году его теория была впервые опубликована в «Бюллетенях Политехнического общества».

В 1901 итальянский инженер Алиеви (Alievi) опубликовал практически ту же теорию

«гидравлического удара», но применительно к трубопроводам различных силовых установок. Однако опыты, проведенные самим Жуковским и, позднее, другими исследователями в разных странах, полностью подтвердили правильность основных положений именно его теории. Но и она, после опубликования, не получила широкого освещения и признанания. Исследователи и энтузиасты «гидравлического тарана» из года в год по-прежнему ставили эксперименты и находили для своих целей разные не обобщенные эмпирические формулы. В Америке, Австралии и в ряде других западных стран «гидравлический таран», как устройство, способное бесплатно качать воду на высоту, получил развитие в мелиорации и для различных бытовых нужд под названием «ram-pump». В этих государствах и сейчас существует несколько десятков малых компаний, специализирующихся на производстве и продаже «ram-pump». Многие из них при инсталляции своих механизмов используют исключительно собственные формулы. В Интернете, через различные поисковые системы, при вводе слов «гидравлический таран» или «ram-pump», можно найти не только такие компании, но и большое количество публикаций на эту тему.

Можно изобразить и немного по-другому:

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.

ГИДРОТАРАН СВОИМИ РУКАМИ

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 2 3 4 6 8 10 12 15 18

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.

ИСТОЧНИК ИЗОБРЕТЕНИЯ - ТЕОРИЯ ГИДРОТАРАНА

Представим себе присоединенную к основанию резервуара с водой закрытую с двух сторон трубу, у которой с одной стороны имеется глухое дно, а с другой (там, где резервуар с водой), установлена сдерживающая воду тонкостенная мембрана. При определенном давлении воды мембрана прорывается, и в трубу из резервуара устремляется поток воды с увеличивающейся скоростью. Если в трубе отсутствует воздух (или каким-либо образом свободно вытесняется водой), то при достижении водяным потоком дна трубы (либо существенного сужения в конце трубы), возникнет тоже явление «гидравлического удара».

Так же как в «гидравлическом таране», при наличии у дна трубы открывающегося при определенном давлении клапана, процесс «гидравлического удара» начнет обеспечивать ту же накачку. «Ударная волна» с зоной повышенного давления пойдет навстречу водяному потоку, растягивая избыточным давлением стенки трубы и обеспечивая этим поступление воды через нагнетательный клапан. Отразившись от находящейся в резервуаре воды, «ударная волна» двинется назад - ко дну трубы. При движении «ударной волны» в сторону нагнетательного клапана, так же как и в «гидравлическом таране», в зоне от входа трубы до фронта «ударной волны» будет наблюдаться понижение статического давления.

Такое движение (с периодическим увеличением и понижением давления) многократно повторится до тех пор, пока столб воды в трубе, не исчерпает свою кинетическую энергию. При этом за определенное время в колпак 4 поступит определенное количество воды. Такой же процесс будет происходить, если вместо мембраны на входе в трубу установить, как это показано на Рис.2 открывающийся клапан 3.

(Рис.2) Принципиальная схема нового водоподъемного устройства

Однако если этот клапан сделать «обратным» (то есть закрывающимся со стороны трубы 7), при соприкосновении с первой «ударной волной», двигающейся
навстречу потоку воды и создающей за собой зону повышенного давления, он получит тенденцию закрыться (от действия разницы давления). При этом начнет перекрывать протекающий через него водяной поток. Наше исследование такой гидродинамической схемы, введение в теорию механизма открытия и закрытия клапанов с учетом их инерционности, показывает, что при определенной конструкция клапана 3 и определенных исходных параметрах, клапан успеет не только закрыться
от первой волны, но останется закрытым, пока действует избыточное давление в трубе 7 под нагнетательным клапаном 5. В итоге, могут создаться условия, когда клапан на некоторое время полностью отсечет водяной поток. При этом отсеченный столб воды в трубе 7, набрав определенную скорость, обязан продолжить свое движение в колпак 4 уже по инерции. Таким образом, сила напора для закачки воды в колпак может быть заменена эквивалентной силой инерции. Однако в отличие от
«гидравлического тарана», каждая порция воды, закаченная в колпак, должна вызывать невосполнимые потери массы всего столба воды (поскольку клапан 3 закрыт). Вследствие этого в трубе 7, со стороны закрытого клапана 3, с момента начала движения первой отраженной от него «ударной волны», должна появиться зона разряжения с давлением близким к нулю. В ней может находиться только некоторая малая часть растворенных в воде газов.
Итак, в результате закачки воды в колпак, разность начальной и конечной кинетической энергии перейдет в потенциальную энергию поступившей в колпак воды (как и в «гидравлическом таране»). При этом избыточное давление в колпаке должно запереть нагнетательный клапан, а почти полное отсутствие давления в трубе 7 при разрушении столба воды (если таковой еще в трубе останется), должно открыть клапан 3, находящийся под статическим напором воды со стороны трубы 2. Через открывающийся клапан 3 в трубу 7 опять начнет поступать вода, объем которой за время поступления в точности будет равняться объему зоны «нулевого» давления или, как принято говорить в гидрогазодинамике, зоны «отрыва». При этом параметры воды в трубе при смешении будут определяться соответствующими законами сохранения энергии и импульса.

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. Эту гидродинамическую схему можно, разумеется, использовать и в условиях, в которых работает «гидравлический таран». Правда при этом появляется проигрыш по давлению. Однако нет препятствий для работы такого водоподъемного устройства и без питательного бака 1. Для этого достаточно погрузить его в воду, как это показано на Рис.3 на определенную глубину h. В таком исполнении схема превращается в идеальный насос малого напора, который можно использовать только для подъема воды, например, в опреснителях морской воды. 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) Схема нового насоса малого напора

(Рис.4) Схема нового источника энергии

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.

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 < tH происходит открытие

клапана 3, разгон воды и накопление энергии. Давление с погрешностью менее 0,5% за время tH практически постоянно. Таким образом, на выходе из насадки, один раз в течение времени tH должна периодически формироваться струя воды, характеризующаяся расходом воды с определенной скоростью VT.

(Рис.5) Теоретическая зависимость давления от времени

При этом средний расход воды за время tH может значительно превышать значение, получаемое в «гидравлическом таране», а истекающая струя воды, согласно закону сохранения импульса системы, обязана создавать реактивную силу (поскольку клапан 3 закрыт). 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.

Энергетические возможности

(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 м? 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.8) Схема горизонтального модуля

(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.Важно, и то, что при определенном режиме работы новое водоподъемное устройство, так же как «гидравлический таран», способно нагревать проходящую через него воду. Расчеты показывают, что, например, вертикально расположенный единичный модуль при отсутствии мер к охлаждению воды может уже через 2 часа работы нагреть всю массу воды в подземном или наземном резервуаре до температуры +75С. Таким образом, данная схема превращается не только в источник электроэнергии, но и одновременно, без какого-либо последующего преобразования электроэнергии, в источник тепла.

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

Объем колпака, размер труб, арматура клапанов были выбраны из условий их совместимости при минимальных затратах на доработку. В качестве гидротурбины применялась реактивная гидротурбина производства голландской компании «Energi Teknikk, A/S» специально модернизированная на входной напор ~33 метра. Гидротурбина и электрогенератор в сборе показаны на Рис.11. В качестве электрогенератора использовался синхронный генератор переменного тока с номинальным напряжением ~6,0 кВ при номинальной мощности ~100 кВт с автоматической регулировкой частоты и напряжения. Для нагрузки применялось балластное омическое сопротивление от мощных ветроэлектрогенераторов. Все детали этого энергетического модуля, а также аппаратура регистрации давления в колпаке, независимый источник питания для нее, гидротурбина и электрогенератор были смонтированы в герметическом контейнере, имеющим в передней части фланцевое соединение для стыковки труб, а в верхней части - люк для выхода отработанной воды. Для доступа к клапанам (для обеспечения их ручной регулировки) в контейнере имелись дополнительные герметические люки. Конструкция этого энергетического блока обеспечивала стыковку ускорительных и нагнетательных труб любой длины и, в случае необходимости, быструю их замену. Внешний вид контейнера с данным энергетическим модулем представлен на Рис.12.

(Рис.12) Контейнер с электрогенерирующим модулем

Результаты испытаний

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.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.

ВЫВОДЫ

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. Такой промышленный модуль под названием «Подводный электропреобразователь гравитационной энергии» уже создан нами в Испании. Его внешний вид в сравнительном масштабе представлен на Рис.14. Пакет таких энергоблоков для электростанции любой мощности потребует резервуар, заполненный водой, площадью не более 5,5 м?/мВт и высотой 21 метр. Схема размещения такого одиночного модуля в подземном резервуаре представлена на Рис.15. Масса энергоблока при использовании электрогенератора «IFC4-Siemens» (Германия) и специально созданной для этих целей реактивной гидротурбины «PHY-500P» (Испания) при выходном напряжении электрического тока равным 6,3 кВ, составляет 6,2 т. Выходное напряжение - 6,3 кВ. Частота - 50 Гц. Длина - 8,1 м. Диаметр опорного основания 2 м.

(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.

Если вам нужно поливать огород или качать воду для других целей. Обязательным условием для работы машины является наличие перепада высот, то есть, это должна быть река с хорошим течением, родник и так далее. Качать воду из таких мест вы сможете без затрат электроэнергии 24 часа в сутки.

Эта конструкция является аналогом редуктора. То есть, благодаря течению происходит циркуляция определенного объема воды. Эту энергию мы можем преобразовать для подачи меньшего объема воды на нужную нам высоту. Такой насос будет работать примерно так, как гидравлическая турбина. Но эта конструкция гораздо проще, на ее сборы надо мало средств и времени, а еще такой гидротарнный насос очень долговечный, тут изнашиваются разве что клапана. Итак, рассмотрим более подробно, как же собрать такой насос!

Как все работает
Система состоит из двух клапанов, один работает на выпуск воды, а другой на впуск. Тот клапан, что работает на выпуск, нужен для того, чтобы удерживать воду в шланге, которую мы будем поднимать для своих целей на нужную высоту. А что касается второго клапана, он находится в открытом состоянии лишь тогда, когда на него действует небольшое давление воды. Когда скорость потока вытекающей воды возрастает, растет и давление, как следствие клапан запирается. Именно в этот момент происходит гидроудар и вода поднимается вверх по отборному шлангу. Потом давление стабилизируется, клапан снова открывается и так далее.

В системе предусмотрена емкость с воздухом. Она работает в качестве амортизатора для импульса, то есть, позволяет больше забрать воды, увеличивает КПД.

Материалы и инструменты, которые использовал

Список материалов:
- пластиковые трубы;
- два клапана;
- кран (необязательно);
- два пластиковых тройника для труб;
- бутылка;
- шланги и другое.

Список инструментов:
- токарный станок (автор нарезал резьбу на трубах);
- ножовка по металлу;
- клей для труб, фум-лента и другие мелочи.

Процесс изготовления гидротарана:

Шаг первый. Подготавливаем трубы
Автор нарезал на токарном станке на трубах резьбу. Это избавило от потребности покупать переходники, чтобы установить клапана.

Шаг второй. Сборка
Накручиваем клапана на резьбы труб, как это сделал автор. Первый клапан на выпуск, а последний на впуск. С помощью тройников собираем все прочие узлы. Также вам понадобится надежно и герметично прикрутить бутылку.

Шаг третий. Испытания
Приступаем к испытаниям. Автор подает воду из емкости, имитируя реку. Его насос может подавать воду на высоту не более одного метра выше от источника. В целом, систему можно модернизировать и увеличить КПД.

На этом все, проект окончен. Надеюсь, самоделка вам понравилась. Удачи и творческих вдохновений, если надумаете повторить. Не забывайте делиться своими самоделками с нами.

Гидроударный насос осуществляет подачу жидкости из мест с проточным течением, где есть уклон.

Принцип работы

Эффект гидроудара - это принцип работы водяного насоса. Жидкость заходит в подающую трубу. Набрав определённую скорость "замыкается" разгоняющий клапан. Далее под нарастающим напором воды происходит открытие рабочего клапана. Жидкость заполняет аккумулятор.

Когда вода в разгонной трубе полностью прекращает своё движение - останавливается, закрывается рабочий клапан. И наоборот - клапан отвечающий за разгон, открывает доступ к потоку жидкости. Этот цикл происходит периодически.

Под давлением сжатого воздуха, который создаётся в аккумуляторе вода нагнетается в приёмную магистраль. При цикличной работе происходит пульсация давления, которая заканчивается в трубопроводе.

Элементы гидроударного насоса:

• собственно корпус;
• клапана отвечающие за работу и разгон воды;
• аккумулятор;
• разгонная труба.

Основные параметры:

• Рабочий объем или удельная подача жидкости. Обозначается в см3/об. Это определённый объём воды, который способен выдать насос за один оборот вала.
• Максимальное рабочее давление. Обозначается в МПа, bar.
• Максимальная частота вращения проходящая за определённый промежуток времени. Обозначается в (об/мин).

Преимущества и недостатки

Если говорить кратко к недостатками можно отнести гидроудар, возможность работы насоса только на уклоне. Положительный момент: нет затрат электроэнергии. Он может работать длительное время. Его ещё называют вечным "насосом". Простота обслуживания пожалуй этот момент можно записать в плюс.

Где целесообразно использовать

Насосы работают на реках, ручьях, озёрах, ставках, где есть сток воды или перепады. Работает насос за счет энергии течения воды.

Из чего можно сделать самостоятельно

Многие домашние умельцы создают разные технические изделия, способные облегчить свой труд и жизнь окружающих. Инженеры-любители могут у себя дома изготовить водяной насос. Для изготовления потребуются материалы:

• бревно;
• трубка гофрированная;
• кронштейн;
• трубка с клапанами. Один из которых служит для разгона. Второй клапан рабочий.

Принцип работы основан на колебаниях водной поверхности водоёмов. При ветре более двух метров в секунду самодельный агрегат может перекачать более двадцати тонн жидкости в сутки.

Видео: Невероятно, но это работает. Насос качает воду без электричества

А вот что думают на offtopru по поводу гидротарана в стоячей воде

SpoilerTarget">Спойлер

Пожалуй я постараюсь объяснить логику работы гидротарана Марухина и Кутьенкова. Только прошу без лишних телодвижений.

Итак на дне водоема лежит труба. На одном конце клапан, открывающийся вовнутрь, а второй конец замурован. Как известно в любой трубе можно создать стоячую волну. Вот в такой трубе и создается стоячая волна, в результате чего в объеме трубы на давление воды на глубине H, накладывается колеблющееся давление с амплитудой +/-H.

Но без устройства для отбора воды (колпака с воздухом) стоячая волна быстро затухнет. Колпак с водой и с обязательным воздушным пузырем подсоединяют к основной трубе в точке, где есть пучность втоячей волны. Тогда при достижении давления в этом участке выше определенной величины, небольшая порция воды поступает в этот колпак, воздух в колпаке в этот момент сжимается (без воздушного пузыря ни один гидротаран работать не будет), так как повышение давления носит локальный характер, но по снижению давления клапан (а это диод) срабатывает и вода остается под колпаком, откуда она под действием давления воздуха в колпаке через выводную трубку и турбину вновь поступает в водоем (успев выработать электроэнергию), но уже в другом месте. В результате уровень воды в водоеме, а тем более море, океане остается неизменным.

Но раз вода из основной трубы ушла, то ее восполняет водоем через торцевой клапан (есть соображения, что при определенной раскрутке схемы можно обойтись без этого клапана, так как стоячая волна в таком открытом торце сформирует не узел, а пучность, но тогда нужно думать, как организовать первоначальный "загон" воды в трубу) в основной трубе, это обеспечивается более высоким в этот момент давлением воды в водоеме по сравнению с давлением в трубе. Это обеспечивает приток энергии к стоячей волне основной трубы. Колебания давления в этой стоячей волне достигают очеь больших величин, если измерять в метрах водного столба, то от нуля до 2H. Поэтому фонтанчик бъет на высоту H над уровнем воды в водоеме (см. материал PanEgor"а). Поэтому толщина трубы должна бюыть большой, иначе разорвет.

Но процесс протекает так, что сразу и не поймешь. Но именно через такие релаксационные колебания гравитация позволяет нам возбудить поток воды и получать 500 Кватт с бандуры в 8 метров длинной. И обеспечено это мудростью и Разумом человека, который из воздуха, воды и медных труб соорудил устрйоство для организации водного потока в нужном для себя направлении.

Во всех духовых инструментах работает подобный механизм, только там потерю воздуха возмещает сам человек. Фактически в любом духовом инструменте один конец трубы закрыт, а второй открыт. Перекрывая дырочки на трубе можно создавать стоячие волны той или иной частоты. Любой духовой инструмент - это усилитель мощности.

Чтобы это проверить работу гидротарана Марухина и Кутьенкова, надо внутри трубы (вдоль) разместить тензорные датчики, но мне и без них это ясно. (