Текст
                    В. М. Овсепян
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ
ТАРАН
И ТАРАННЫЕ
УСТАНОВКИ
Теория, расчет и конструкции
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Москва 1968

УДК 621.227 Гидравлический таран и таранные установки. Овсеп ян В. М., М., «Машиностроение» 1968, 124 с. В книге изложены элементы теории неустано- вившегося движения жидкости по трубам, теория гидравлического тарана и гидротаранных установок, уделено особое внимание вопросу конструирования высоконапорных таранов, приведены методы расчета и подбора рационального ' режима работы уста- новок. Книга предназначена для конструкторов, за- нимающихся вопросами проектирования таранов и таранных установок, и для инженеров, работающих в области механизации сельского хозяйства. Табл. 8, илл. 55, библ. 14 назв. Рецензент проф. С. С. Руднев 3-1-4 427-67
Светлой памяти П. Г. Мелконяна — воспитателя многочисленных технических кадров Армении — посвящается эта книга АВТОР ВВЕДЕНИЕ В сельском хозяйстве, особенно в горных районах, из раз- личных устройств для механического подъема воды во многих случаях наиболее выгодными могут оказаться гидротаранные установки. Отечественной промышленностью серийно выпущены гид- равлические тараны ТГ-1 и УИЖК-ЮО. В последние годы в области теории и конструкции гидрав- лического тарана проведены значительные работы в Харьков- ском институте животноводст- ва и Ереванском политехни- ческом институте. В результате этих работ уже осуществлены таранные установки произво- дительностью 20—25 л/сек, ко- торые используются для оро- шения. Однако эти достижения еще недостаточно освещены в технической литературе. В настоящей работе постав- лена цель обобщить основные, данные по таранным установ- кам и дать методику проекти- рования и расчета таранных установок на современном уровне. Гидравлический таран — водоподъемная машина, рабо- та которой обусловлена гид- равлическим ударом. Таран рис ( Принципиальная схема таран использует непосредственно ной установки энергию падающей воды без превращения ее в электрическую или в какой-либо другой вид энергии и заменяет одновременно двигатель и насос. Простота конструкции и автоматичность работы создают благоприятные условия для строительства и эксплуатации таранных установок. Таран состоит из ударного клапана (рис. 1), нагнета- тельного клапана /(2 и воздушного колпака О. 3
Через питательную трубу Т\ таран соединяется с питатель- ным бассейном А, через нагнетательный трубопровод Г2 — с нагнетательным бассейном В. Вода из питательного бассейна А с так называемым питательным напором Н через нагнета- тельный клапан поступает в воздушный колпак и по нагнета- тельному трубопроводу Т2 поднимается до уровня А; создается состояние равновесия, при котором ударный клапан Ki закрыт, а нагнетательный К2 находится в безразличном состоянии. Принудительно открываем ударный клапан и из-под него начинается истечение воды с возрастающей во времени ско- ростью, при которой повышается давление под клапаном. Когда сила давления на клапане превышает его вес, клапан быстро захлопывается и истечение воды прекращается. При этом дви- жущаяся по инерции в питательной трубе жидкость открывает нагнетательный клапан Кг, вливается в воздушный колпак, сжи- мает в нем воздух и поднимается по нагнетательному трубопро- воду к нагнетательному бассейну В. Спустя некоторое время давление в питательной трубе па- дает, нагнетательный клапан закрывается, а ударный автома- тически открывается; начинается новый цикл, протекающий так же, как и первый. И так последовательно: закрывается нагнетательный клапан, открывается ударный, закрывается ударный клапан, открывается нагнетательный и вода опреде- ленными порциями подается в воздушный колпак. Наличие воздуха в колпаке сглаживает пульсацию скорости нагнетаемой воды, и в нагнетательном трубопроводе она дви- жется сравнительно равномерно во времени. Из описания работы тарана видно, что не вся вода, посту- пающая из питательного бассейна, подается в нагнетательный бассейн: некоторая часть ее выливается наружу из-под удар- ного клапана. Обозначим полный расход воды, поступающей из питатель- ного -бассейна, через Q, а расход воды, поступающей в нагне- тательный бассейн, через q; тогда израсходованная механиче- ская энергия воды будет пропорциональна произведению QH, а использованная энергия — qh и, следовательно, энергетиче- ский к. п. д. выразится соотношением й=—• (О 1 QH v ’ Отсюда следует, что вода нагнетается выше своего началь- ного уровня за счет энергии выливающейся воды и что для воз- можности работы тарана обязательно надо иметь некоторый перепад уровня между питательным бассейном и тараном. Таран может работать начиная от 0,2 м до очень больших значений питательного напора; отношение h напора — может 4
достигать 15—20; при больших значениях этого отношения ра- бота установки мало эффективна. Расход используемой воды Q регулируется изменением веса и хода ударного клапана. аДля получения максимального к. п. д. или максимальной производительности установки регу- лируется ход ударного и нагнетательного клапанов. Помимо простоты и автоматичности работы таран имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что его харак- теристики могут изменяться в широком диапазоне. При надле- жащем выборе веса ударного клапана таран может работать при любых -питательных и соответствующих им нагнетатель- Рис. 2. Схема таранной установки в общем случае: /—нагнетательный трубопровод; 2—питательная труба; 3—водослив; 4—питательный бассейн; 5—подводящий трубопровод; 6—водоприемный бассейн; 7—водослив; 8—каптажное сооружение ных напорах. Ограничение напора для данного тарана связано не с гидравлическими условиями, а с условиями механической прочности. Размер тарана определяется диаметром выходного отвер- стия ударного клапана, равным которому берется и диаметр входного патрубка. Этот диаметр принято называть калибром или диамет-ром тарана. В настоящее время в СССР имеются таранные установки с диаметром таранов до 250 мм. Таранная установка в общем случае включает в себя; водоприемник, подводящий трубопровод или деривационный канал, питательный бассейн или уравнительный воздушный колпак, питательную трубу, помещение для тарана, нагнета- тельный трубопровод и нагнетательный бассейн (рис. 2). В за- висимости от конкретных условий и назначения установки некоторые из названных в ней элементов могут отсутствовать. Обязательными элементами являются питательный бассейн, питательная труба и нагнетательный трубопровод. В случае использования родниковых вод водоприемником служит каптажное сооружение (рис. 2), при использовании 5
речного потока водоприем осуществляется перегораживанием реки и установлением шлюзов (рис. 3). Если водоприемник находится не очень далеко установки тарана, то питательный Рис. 3. Схема таранной установки на реке: /—подводящий канал; 2—питательный бассейн от места бассейн строят вблизи водо- приемного шлюза. Если водоприемник находится далеко от тарана, то пи- тательный бассейн строят на желательном расстоя- нии от тарана и водопри- емник соединяют с пита- тельным бассейном через подводящий трубопровод или деривационный канал (рис. 3). Иногда рельеф мест- ности не позволяет стро- ить питательный бассейн в нужном месте на необходимой высо- бассейн и можно заменить те, в этом случае питательный уравнительной башней (см. рис. 46) или уравнительным воз- душным колпаком (рис. 4). Крупным недостатком таранов является их небольшая произво- Рис. СКИЙ ской таранной установки в АрмССР: /—каптажное сооруже- ние; 2—подводящий тру- бопровод; 3—уравнитель, ный воздушный колпак; 4—питательная труба; 5—нагнетательный трубо провод 4. Схематиче- профиль Гохт- высоконапорной дительность; для увеличения производительности установки при- бегают к параллельной работе нескольких таранов. Параллельн'ая работа таранов может осуществляться двумя способами: установлением отдельной питательной трубы для каждого тарана (рис. 5) и присоединением таранов к одной питательной трубе (рис. 6). При параллельной работе в обоих способах все тараны присоединяют к общему нагнетательному трубопроводу. 6
Если параллельно работающие тараны имеют отдельные питательные трубы, то они работают с индивидуальными так- тами, независимо один от другого. Если же они присоединены к общей питательной трубе, то независимо от ходов они все работают с одним тактом, син- хронно. Из указанных способов па- Рис. 6. Схема таранной установки с параллельно работающими тарана- ми, соединенными с общей питатель- ной трубой Рис. 6. Схема таранной установки с параллельно 'работающими тарана- ми, имеющими отдельные питатель- ные трубы раллельной работы таранов по экономическим соображениям предпочтение следует отдать второму. Иногда отношение напоров — для установки получается Н настолько большим, что к. п. д. сильно падает и работа уста- новки оказывается не- эффективной. В этом случае помогает двух- ступенчатое нагнетание (рис. 7). Первый таран, ис- пользуя весь питатель- ный напор, нагнетание производит не на всю высоту, а на некоторую ее часть. Второй таран, . установленный на уро- вне первого, питается нагнетательным расхо- Рис. 7. Схема двухступенча- того нагнетания дом первого тарана и нагнетание производит на всю высоту- Таким образом, оба тара- на работают при сравнительно небольшом отношении напоров. Когда высота нагнетания меньше двухкратного питатель- ного напора, прибегают к двухступенчатому питанию (см. рис. 52). При этом первый таран использует некоторую часть 7
питательного напора, остальную часть использует второй та- ран, питающийся водой, сбрасываемой первым. Оба тарана присоединяют к общему нагнетательному трубопроводу. Движение жидкости в подводящем трубопроводе и в пи- тательной трубе имеет неустановившийся характер, поэтому для получения представления об истинной картине явлений, происходящих в таранной установке, и для ознакомления с тео- рией таранных установок следует сначала коротко ознакомить- ся с основами теории неустановившегося движения жидкости в трубах.
Глава 1 НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ УРАВНЕНИЕ ^УСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ Предположим, что имеем трубу АВ (рис. 8), соединенную с бассейном, наполненным жидкостью, уровень которой остается постоянным. Мгновенно открыв отверстие В, видим, что из тру- бы начинает вытекать жидкость с постепенно увеличивающейся до определенного значения скоростью; достигнув этого значе- ния, скорость перестает возрастать; движение устанавливается, и картина его в дальнейшем остается без изменения. Движение, параметры которого в данной точке меняются во времени, называется неустановившимся. Движение же, пара- метры которого в данной точке остаются постоянными во вре- мени, называется установившимся. В описанном выше случае движение жидкости в трубе вначале является неустановившим- ся, а затем переходит в установившееся. Известно, что при одноразмерном движении жидкости ско- рость, давление и другие величины, характеризующие движение, являются функциями пути s и времени t, т. е. v = v (s, t), р = p(s, I) и‘ т. д. Однако необязательно, чтобы при всяком движении эти величины изменялись в зависимости и от пути и от времени. Возможно, что эти величины при одном и том же значении s в течение времени останутся постоянными. В таком случае говорим, что величины не являются явными функциями вре- мени, значит, частные производные этих величин по времени равны нулю. Установившееся движение является именно таким, при ко- тором изменение величин происходит в зависимости от пути, а не от времени. Если при установившемся движении рассмот- реть в потоке одно живое сечение, то в этом сечении все время будем иметь постоянную скорость, постоянное давление и дру- гие параметры, характеризующие движение. Следовательно, при установившемся движении ди др д(& f, /п\ ---= О, —— — 0, -------=0 и т. д. (2) dt dt dt У 9
При изучении установившегося движения несжимаемой жидкости используется уравнение Бернулли 2 2 О, Of Рч 2i Н---1—— = z2 ~1----~ Ь (3) V 2g У 2g где z — геометрическая высота или геометрический напор, представляющий собой потенциальную энергию единицы веса жидкости по отношению к плоскости сравнения 0—0 (рис. 9); — — пьезометрическая высота или пьезометрический на- У пор, характеризующий потенциальную энергию, ко- торой обладает единица веса жидкости, благодаря давлению р; о2 — —скоростная высота или скоростной напор, характе- ризующий кинетическую энергию единицы веса жидкости; hw — потеря энергии единицы веса жидкости между дву- мя исследуемыми сечениями 1—1 и 2—2. Сумма трех членов уравнения Бернулли составляет полный запас механической энергии' единицы веса жидкости, который иначе называется средней удельной энергией данного сечения. При установившемся дви- жении, если между двумя Рис. 8. Разгон жидкости в трубе Рис. 9. Линия энергии и пьезомет- рическая линия при установившемся движении сечениями 1—1 и 2—2 нет источника энергии (насоса и др.), то благодаря трению удельная энергия во втором сечении 2 Р , Рг , Е2 — z2 + —— У 2g всегда меньше удельной энергии в первом сечении * 9 Р1 V, £1=гг + —+ У 2g 10
Уравнение (3) не может характеризовать неустановившееся движение, так как при его выводе принято, что частные произ- водные по времени равны нулю. При изучении неустановившегося движения капельной жидкости используется уравнение. 2 9 Р1 Ръ Uo 4 I J- —— = z2 Н 4- — 4 hw -у ht. (4) V 2g у 2g Новый член уравнения hi, так называемый инерционный на- пор, равен $2 <s> При установившемся движении в выражении (5) подынте- гральная функция равна нулю, благодаря чему интеграл равен нулю и уравнение (4) превращается в уравнение (3). Чтобы понять смысл члена hi, выделим в потоке два сече- ния 1~ 1 и 2—2 (рис. 10). Масса жидкости, заключенная в отсеке между этими сечениями, при ус- тановившемся движении все вре- мя обладает одной и той же энер- гией. Таким образом, частица жидкости, проходя через этот отсек, не берет из этой массы и Рис. 10. К объяснению инер- ционного напора не отдает ей никакой энергии, затрачивая лишь некоторую энер- гию на преодоление сопротивлений. Последняя превращается в другую форму энергии и больше не восстанавливается. При неустановившемся же движении в изучаемом отсеке энергия изменяется во времени, при этом она может увеличи- ваться или уменьшаться. Предположим, что характер неустановившегося движения таков, при котором в указанном отсеке энергия во времени возрастает. Единственным источником энергии в таком случае для данного объема жидкости может являться энергия частиц, проходящих через этот отсек. Действительно, в случае когда энергия в указанном отсеке во времени возрастает, проходящие частицы в отсеке оставляют некоторую часть своей энергии, и наоборот, если в отсеке энергия во времени убывает, значит, уходящие частицы уносят некоторую энергию. Если при неустановившемся движении сохраним то же опре- деление удельной энергии, что и при установившемся, т. е. опять примем, что Y у'- 2g ’ 11
то баланс удельной энергии жидкости во втором сечении со- гласно уравнению (4) выразится соотношением Е2 ~ Ег hw -f- hi, (6) где величина h, может иметь положительный или отрицатель- ный знак в зависимости от возрастания или убывания энергии в данном отсеке, т-г йч При возрастании скорости во времени производная —- di положительна, следовательно, положителен и инерционный , , dv напор ht; при убывании скорости во времени производная —- dt отрицательна, отрицателен также й инерционный напор. При этом абсолютное значение производной — иногда может быть очень большим. На основании рассмотренного можно прийти к заключению, что в отличие от установившегося движения, при котором всег- да Е2<_Е\, при неустановив- шемся движении удельная энергия Еа в данный момент времени в зависимости от зна- чения разности hi—hw может оказаться больше или меньше энергии Е{. Приведенные выше рассуж- Линия инерционного напора Рис. 11. Пьезометрическая линия при Рис. 12. Пьезометрическая линия при ускоренном во времени неустановив- замедленном во времени неустано- шемся движении вившемся движении дения показывают, что инерционный напор — это некоторая энергия, отнесенная к единице веса жидкости, которая при ус- коренном во времени движении передается проходящими ча- стицами массе жидкости, заключенной между сечениями 1—1, 2—2, а при замедленном движении она берется у этой массы. Инерционный напор не является потерей энергии. На рис. И и 12 показаны пьезометрические линии и линии 12
энергии в случаях замедленного и ускоренного во времени дви- жений. При неустановившемся движении эти диаграммы спра- ведливы только для определённого зафиксированного момента времени, поскольку вследствие изменения скорости и давления эти линии во времени будут перемещаться. Из рис. 12 видно, что при замедленном во времени неуста- новившемся движении линия энергии и пьезометрическая линия могут располагаться выше линии начального напора, что невоз- можно при установившемся движении. УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ В уравнении неустановившегося движения (4) фигурируют две неизвестные функции — скорость и давление: v = o(s, t) и р = p(s, t). Ясно, что для определения этих функций необходимо иметь еще одно уравнение. Этим уравнением является уравнение неразрывности, кото- рое для неустановившегося одноразмерного движения сжимае- мой жидкости, имеет вид , д (ршь) = g д/ ' ds ’ V ’ где <а — площадь живого сечения; р — плотность жидкости. Для однородной несжимаемой жидкости р = const и уравне- ние (7) представляется в виде dt ds При движении несжимаемой жидкости в жестком трубопро- воде -^=0, dt следовательно, d(aw) = g ds Это означает, что величина av, представляющая собой рас- ход жидкости, является функцией только времени юи = f (/), т. е. для данного зафиксированного значения времени во всех живых сечениях потока расход одинаковый оцсц = ш2и2 — ... = <и„цп. (8) 13
В случае установившегося движения однородной несжимае- мой жидкости величины являются функциями только пути, следовательно, d (cov)_d (cov)_ q ds ds ' откуда wv = const, (9) t. e. расход остается постоянным и во времени и по пути. Для неустановившегося движения однородной несжимае- мой жидкости в жесткой трубе постоянного диаметра o)=const и уравнение (7) превращается — = 0. (10) ds Следовательно, в этом случае скорость является функцией только времени и = v(t), т. е. в данный момент времени во всех живых сечениях скоро- сти одинаковые. РАЗГОН ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ ПОСТОЯННОГО ДИАМЕТРА Рассмотрим неустановившееся движение несжимаемой жидкости в жесткой, т. е. в недеформирующейся трубе посто- янного диаметра. В этом случае согласно равенству (10) имеем v = v(t), в силу чего dv dv dt dt и инерционный напор представится в виде Sa hi = — \ ----ds. g J dt Si Так как скорость является функцией только времени, то dv „ , „ производная — тоже будет функцией только времени и при dt интегрировании по s ее можно рассматривать как постоянную, вследствие чего 14
Величина этого интеграла — это расстояние / между изу- чаемыми сечениями 1—1 и 2—2, следовательно, = —— (И) g dt и уравнение неустановившегося движения в этом частном слу- чае будет pi г»? о, I dv 21+— +—-=^ + -----------+ -^-+^+——. (12) V 2g Т 2g g dt Изучим разгон жидкости в трубопроводе, соединенном с бас- сейном, в котором вода имеет постоянный уровень (см. рис. 8). Предположим, что трубопровод с конца В закрыт, и мгновенно полностью откроем его выходное сечение. Как мы уже рассмот- рели, в этом случае в трубе начнется движение с возрастающей во времени скоростью, т. е. начнется разгон жидкости в трубо- проводе. Определим скорость движения в зависимости от времени. Напишем уравнение неустановившегося движения для по- верхности бассейна 0—0 и выходного сечения трубопровода ,, Рат Рат у2 й3 I о2 I dv Н и- + _= +-------р — +х------------+--------. У 2g V 2g 2g d. 2g g dt Пренебрегая скоростью подхода Vo и обозначая а где величина £с является коэффициентом сопротивления, по- стоянным для данной системы, получаем выражение Н = (1 +Q— + 2--^-, (14) 2g g dt ’ которое является обыкновенным дифференциальным уравне- нием первого порядка. Для получения искомой функции v = v(t) необходимо это уравнение проинтегрировать. Разделяя переменные, получим dt = -L---------------------- g t>2 Представим последнее выражение в следующем виде: 21_______dv ьГГс 2gH ' 1 + tc 15
Для данной системы скорость установившегося движения ис = -1/(15) с V 1 -Нс К в силу чего дифференциальное уравнение примет вид ,, 21 dv dt =-------------. 1 + v2 - о2 Интегрируя это уравнение для рассмотренного нами случая, т. е. для начального условия, когда t = 0 и v— 0, найдем t =------------------------1----In (16) vc — v Выражение ——-— , которое для данной системы* яв- vc G+Sc) ляется постоянной величиной и имеет размерность времени, обозначим через т. С учетом равенства (15) запишем ^ = -7=^=. (17) V2gH(i+&) После этого обозначения получим (18) ис — v Решая последнее уравнение относительно v, получаем 0 = 0,——(19) т е + 1 Нетрудно убедиться, что Следовательно, уравнение (19) можно представить в виде и = цЛЬ-^—. (20) Введя обозначение t -£rzLL=th4r=fe> <21> т е + 1 16
получим V = kvc. Подставляя последнее •'выражение чаем в равенство (18), полу- 2_ = 1ПШ. (22) т 1 — k Безразмерная величина k зависит от — и характеризует тг степень разгона скорости в трубопроводе. Назовем ее коэффи- циентом разгона. Согласно выражению (21) значения коэффициента разгона колеблются в пределах 0 < k < 1 (см. табл. 1). Из уравнения v = kvc следует, что в рассмотренном случае неустановившегося движения фактическая скорость движения v всегда меньше установившейся скорости ис. При t—* оо v—► vc. Это означает, что скорость приближается к устано- вившейся скорости асимптотически. График изменения скорости в зависимости от времени при- веден на рис. 13. Таким образом, для установления движения в указанном случае требуется бесконечно большой промежуток времени, т. е. добиться установившегося режима фактически невозмож- но. Такая трактовка вопроса, однако, имеет чисто математиче- ское значение. Вообще за очень небольшой промежуток вре- мени, считая от начала движения, скорость в трубопроводах настолько приближается к установившейся, что движение прак- тически можно принимать за установившееся. Для определения этого времени достаточно заранее задаться точностью при- ближения скорости к скорости установившегося движения. С достаточной для расчетов точностью можно считать, что когда скорость составляет 99% от установившейся, т. е. v = = 0,99 vc, тогда движение практически становится установив- шимся. В этом случае получим , . vc 4- 0,99а, t = т 1П — vc — 0,99ас откуда t = т In 199, или / = 5,3т. (23) Из no'c/e\nfe?V соотношения следует, что промежуток врс- мени, за.кото^сгедвижение практически устанавливается, зави- 2-254$\ч\ 17 ' С. ' ' \ 7 ш.ч. \ / Й tM, uip. \
сит только от параметра системы т. На основании равенства (17) это значит, что он зависит от длины трубопровода I, от сум- марного коэффициента сопротивления и от напора Н. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов в отдель- ности. Согласно соотношению (17) увеличение длины трубопро- вода приводит к увеличению параметра т, следовательно, и к увеличению времени неустановившегося периода движения. Это объясняется тем, что при увеличении длины увеличивается масса жидкости в трубопроводе, инерцию которой при разгоне Рис. 14. Истечение пз отверстия в тонкой стенке Рис. 13. Изменение скорости во вре- мени при разгоне жидкости в трубо- проводе вится мгновенно, потому что в трубопроводе нет массы, инерцию которой надо преодолеть. Если мгновенно откроем отверстие, находящееся на тонкой стене бассейна (рис. 14), то заметим, что мгновенно наступает установившийся режим движения. Из соотношения (17) также видно, что увеличение напора Н приводит к уменьшению продолжительности переходного периода. Это можно объяснить тем, что увеличение напора означает увеличение потенциальной энергии единицы веса жидкости, которая должна преодолеть инерцию массы жидко- сти, находящейся в трубопроводе. Несколько неожиданным является то, что коэффициент гид- равлических сопротивлений находится в знаменателе соотно- шения (17), это обстоятельство показывает, что увеличение сопротивлений приводит к ускорению наступления установив- шегося режима. Это явление, однако, кажущееся. На самом деле при увеличении гидравлических сопротивлений согласно формуле (15) уменьшается установившаяся скорость данной системы и, следовательно, при разгоне данный напор Н должен преодолеть меньшую инерцию, чем при малых значениях сопро- тивлений, поэтому процесс ускоряется. 18
РАЗГОН ЖИДКОСТИ В НЕОДНОРОДНОМ ЖЕСТКОМ ТРУБОПРОВОДЕ Предположим, что к бассейну А последовательно присоеди- нены п труб различных диаметров и разной длины, на которых имеются также местные сопротивления (рис. 15). Аналогично изложенному выше примем, что закрытое конечное от- верстие трубопровода мгно- венно открывается, и изучим разгон жидкости в этом слу- чае. Пренебрегая скоростью подхода, напишем уравне- ние неустановившегося дви- жения для поверхности бассейна и конечного сечения трубы диаметром d\ a1;, Z? а, Д/7, Р Рис. 15. К объяснению разгона однородном трубопроводе в не- первой 1 Рат Pi vj lt vj h У У 2g 2g ' d, 2g g dt где £i — сумма коэффициентов местных сопротивлений для первого участка. Если напишем последовательно уравнения для конечных се- чений каждого предыдущего и последующего участков- и сло- жим их, то получим 2g 2g dt 2g g df i=i i=l i = l (24) В случае жесткого трубопровода для данного зафиксиро- ванного момента времени согласно выражению (8) справедли- вы условия неразрывности ш1ц1 = . = (OiVi = . . . = (UnU„, используя которые все скорости можно выразить через одну скорость какого-либо участка. Выразим их через скорость vn <£>П vn, <SSi тогда уравнение (24) примет вид + 2^4 п dvn ш, dt 2 19
Обозначим п п (25) 1=1 где — суммарный коэффициент гидравлических сопротивле- ний, который для данной системы — величина посто- янная. Обозначим также Sh— =1пР «у (26) d,L и Рис. 16. К объяснению разгона в трубе с насадкой и назовем 1пр приведенной длиной трубопровода, отнесенной к диа- метру dn, тогда получим дифферен- циальное уравнение О? ^по Н= " (l+Q + -^~ (27) 2/? g dt сходное с уравнением (14). Интегрируя это уравнение, получим t vn = Ц (28) где 1пр_____ VC + ?с) (29) (30) Если все скорости выразить через скорость какого-либо дру- гого участка, то опять придем к формуле (28), где vc и т будут иметь, однако, другие значения. Рассмотрим необходимый для дальнейших исследований частный случай. Предположим, что имеем однородную трубу, кончающуюся насадкой пренебрежимо малой длины (рис. 16) с коэффициентом местных гидравлических сопротивлений £н . Если в этом случае расчеты вести через скорость в трубе, то, поступая так же, как в общем случае, нетрудно убедиться, что в формулы (28), (29) и (30) необходимо подставлять 1 + Ъ = (— )2 + + X -L + (31) X tort / а X ын I 20
lnP = I. (32) Если в этом же случае расчеты вести через скорость в на- садке, то необходимо в указанные формулы подставлять НА = 1 + + (33) и I — Ын I *пр -- ----- I • СО (34) ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В предыдущем параграфе мы рассмотрели разгон жидкости в трубопроводе, т. е. решили задачу определения скорости в трубопроводе в зависимости от времени при мгновенном открытии. Разберем теперь обратную задачу для той же системы. Предположим, что в трубопроводе жидкость движется с неко- торой скоростью v и мы мгновен- но закрываем отверстие в конце В (рис. 17). Исследуем изменение скорости во времени. Если исходить из допущений, принятых в предыдущем парагра- фе относительно свойств жидко- сти и стен трубопровода, т. е. ес- ли принять, что жидкость не сжи- мается и трубопровод не дефор- мируется, то поставленная задача становится бессмысленной, так Рис. 17. Распространение волны удара при мгновенном закрытии как в этом случае при закрытии конечного отверстия жидкость мгновенно остановится во всем трубопроводе, т. е. процесс торможения будет распространяться с бесконечно большой скоростью. При тех же допущениях для исследования изменения дав- ления напишем уравнение неустановившегося движения для поверхности бассейна и конечного сечения трубопровода: О о । Рат , «о п 4 И —- = V 2g = — + - ? и2 / V + /1'' + 7 dv dt Пренебрегая скоростью подхода v0, напишем -£- = н + — . 1 dv 2g W g dt 21
В момент закрытия а = 0и, следовательно, hw = Q, остается Р = // Рат l_ dv__ У У g dt Мгновенное закрытие означает, что за бесконечно малый промежуток времени скорость от конечного значения v умень- шается до нуля, т. е. -----» - ОО . dt Имея это в виду, получим У Таким образом, мы приходим к заключению, что в случае несжимаемой жидкости и жесткого трубопровода при мгновен- ном’ закрытии задвижки процесс торможения частиц жидкости распространяется с бесконечно большой скоростью и давление повышается до бесконечности. Отсюда ясно, что задачу мгно- венного торможения жидкости при таких допущениях исследо- вать невозможно. Исследование истинного явления, происходящего при мгно- венном закрытии трубопровода, возможно только при учете сжимаемости жидкости и деформации стен трубопровода, как это показал Н. Е. Жуковский. Проследим за явлениями, происходящими при мгновенном закрытии трубопровода, опираясь на теорию Н. Е. Жуковского. Допустим, что жидкость в трубопроводе движется со ско- ростью v и мы мгновенно закрываем конечное отверстие. В мо- мент закрытия частицы жидкости, находящиеся вблизи задвиж- ки, остановятся, а жидкость в трубопроводе будет продолжать двигаться вперед по инерции. Движущиеся частицы, прижи- маясь к частицам, остановившимся вблизи задвижки, вызовут повышение давления, благодаря чему стенки трубы расширятся. Этот процесс продолжится до некоторого значения давления, после чего приближающиеся к задвижке частицы остановятся и процесс торможения с некоторой скоростью распространится в сторону бассейна. Процесс, происходящий при внезапном изменении скорости •движущейся жидкости, называется гидравлическим ударом. Распространение этого процесса по трубопроводу называется распространением волны гидравлического удара. Если при распространении волны давление повышается, то волна назы- вается положительной, если понижается — отрицательной. Таким образом, при мгновенном закрытии трубопровода происходит гидравлический удар, давление вблизи задвижки повышается и положительная волна с некоторой скоростью а 22
распространяется в сторону бассейна, вычерчивая диаграмму давления cd (см. рис. 17). Когда волна распространяется в сторону бассейна, давление в трубопроводе повышается, в открытом же бассейне давление остается прежним и жидкость больше не двигается. Однако при этом статическое равновесие невозможно, так как благодаря разности давлений в трубопроводе и бассейне жидкость должна двигаться от трубопровода к бассейну. При уравновешивании давления жидкость расширяется, стенки трубопровода сжимаются до своих нормальных значений и высвободившийся при этом объем жидкости двигается к бас- сейну с такой же скоростью, с какой происходил гидравличе- ский удар. Возникает отрицательная волна, которая, распро- страняется от бассейна вниз по трубопроводу и вычерчивает диаграмму давления ab. Когда эта волна доходит до задвижки, во всем трубопро- воде давление, диаметр трубы и плотность жидкости прини- мают свои начальные значения. В этот момент жидкость в тру- бопроводе движется тоже с начальной скоростью V, только в обратную сторону. Созданная картина движения при закрытой задвижке может продолжаться только благодаря расширению жидкости, при котором будет уменьшаться давление, сужаться трубопровод и высвободившаяся жидкость послужит источником для поддер- жания движения в сторону бассейна, т. е. при этом должна образоваться новая отрицательная волна, распространяющаяся от задвижки к бассейну. Эта волна вычерчивает диаграмму давления ef. Когда волна доходит до бассейна, то во всем трубопроводе создается -пониженное давление и жидкость, находящаяся в трубопроводе, приходит в покой. Такое статическое равновесие тоже невозможно, поскольку давление в бассейне больше, чем в трубопроводе. Начинается движение от бассейна в трубопро- вод. При этом движении давление в трубопроводе, плотность жидкости и диаметр трубопровода увеличиваются до начальных значений. Эта новая положительная волна распространяется в сторо- ну задвижки, вычерчивая диаграмму давления ab. Когда волна доходит до задвижки, мы имеем в системе все начальные па- раметры, включая и направление движения. Жидкость со скоростью v движется в сторону задвижки, но задвижка закрыта, происходит гидравлический удар с такими ’ же параметрами, как и в первый раз. Начинается новый цикл, повторяющийся от первоначального положения. Если бы в системе не было гидравлических сопротивлений, первый цикл все время тождественно повторялся бы. Однако благодаря сопротивлениям в каждом последующем цикле 23
давление и скорость становятся меньше, чем в предыдущем, и в конце концов описанный процесс затухает. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ И ПОВЫШЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ УДАРЕ Согласно теории, разработанной Н. Е. Жуковским [4], ско- рость распространения волны гидравлического удара выража- ется формулой а=------г -а±= (35) . / d К где а —скорость распространения волны удара; аГ) — скорость распространения звуковых волн в неограни- ченной жидкой среде; d — внутренний диаметр трубопровода; 6 — толщина стенок трубопровода; К — объемный модуль упругости жидкости; Е — модуль упругости материала стенок трубопровода. Повышение давления при ударе = (36) Y g где \р — повышение давления; До — величина уменьшения скорости в трубопроводе, вы- зывающая удар; g — ускорение силы тяжести; у — объемный вес жидкости. Дадим сначала представление о численном значении скоро- сти распространения волны. Скорость распространения звуковых волн в воде в условиях нормального атмосферного давления а0 = 1425 м/сек, объемный модуль упругости воды К= 2-104 — = 19,6-108 н/м2, см2 1 а модуль упругости стальных труб Е = 2- 10е — = 19,6- Ю1» н/м2. см2 Если примем, что 24
то получим а = —~ 1000 м/сек. У 2 d В действительности эта скорость в зависимости от —- ко- о леблется в пределах 900—1200 м/сек. Это означает, что скорость распространения волны гидрав- лического удара достаточно велика; однако это величина ко- нечная, а не бесконечно большая, которую мы получили бы, если бы пренебрегли деформацией трубопровода и жидкости. Для получения представления о величине повышения дав- ления при ударе примем а ~ 1000 м/сек и g ~ 10 м/сек7, тогда 100» м, V где v — скорость в м/сек. Это соотношение показывает, что изменение скорости на 1 м/сек вызывает изменение давления в 100 м. Если, например, в трубопроводе вода движется со скоростью 4 м/сек, то при мгновенном полном закрытии заслонки изменение скорости будет А» = 4 м/сек, а повышение давления 400 м. У Следовательно, повышение давления, вызываемое гидрав- лическим ударом, тоже большая величина, но опять конечная, как и скорость распространения волны. Таким образом, учет ничтожных деформаций жидкости и стенок трубопровода раскрывает истинную суть гидравлическо- го удара и создает возможность определения действительных значений скорости распространения волны и повышения дав- ления. На основании рассмотренного в предыдущем и настоящем параграфах приходим к заключению, что мгновенное изменение скорости движения жидкости в трубопроводе вызывает гидрав- лический удар, при котором происходит соответствующее из- менение давления. Волна удара распространяется по трубо- проводу с некоторой скоростью а. Гидравлическому удару мож- но дать и обратное истолкование: изменение давления вызывает соответствующее изменение скорости, при этом волна удара распространяется с такой же скоростью а. Предположим, что мгновенно открываем полностью закры- тый конец В трубы, соединенной с бассейном А (рис. 8), в ко- 25.
тором вода имеет постоянный уровень. В момент открытия в конце В трубы избыточное давление мгновенно падает от зна- чения Н статического до атмосферного, благодаря чему диаметр трубы уменьшается, жидкость расширяется и выделенный в ре- зультате этих деформаций объем жидкости вытекает из трубы наружу с некоторой скоростью и, т. е. возникает отрицательная волна удара, движущаяся в сторону бассейна со скоростью а. Понижение давления, вызывающее эту волну, будет V} Изменение давления и изменение скорости связаны соот- ношением Др _ аАа У g откуда, подставив Дп = и и — = Н, получим У и = (37) а Таким образом, и — это изменение скорости движения жидкости, которое вызывается некоторым мгновенным измене- нием давления на величину Н. И наоборот, если мгновенно изменить скорость движения жидкости на величину и, то оно вызовет некоторое изменение давления Н. Назовем изменение скорости и, вызывающееся изменением давления волновым изменением скорости. ПРЯМОЙ И НЕПРЯМОЙ УДАРЫ В наших рассуждениях мы до сих пор исходили из пред- положения, что закрытие трубопровода происходит мгновенно, т. е. время закрытия затвора равно нулю. Рассмотрим теперь случай, когда процесс закрытия имеет некоторую продолжи- тельность. Представим, что жидкость движется по трубопроводу со скоростью v, опустим установленную на его конце задвижку и закроем некоторую часть сечения трубопровода, вызвав изме- нение скорости жидкости на Дц (рис. 18). Произойдет гидрав- лический удар и положительная волна, повышающая давление а д v на распространится в сторону бассейна, вычерчивая диаграмму давления 1—1. Спустя некоторое время Д/ задвижку опустим еще и вызо- вем дополнительное уменьшение скорости на Дц. Тогда про- .. ., а Д а . г изойдет новый удар и повышение давления на -------- . Новая g 26
положительная волна тоже распространится в сторону бассей- на с отставанием от первой волны на расстояние aAt и вычер- тит диаграмму давления 2—2. Если таким же порядком созда- дим третью волну, то она, двигаясь в сторону бассейна, отста- нет от первой на 2аД/ и начертит диаграмму давления 3—3. Если этим же путем будем создавать последовательно новые волны, то все они, отставая одна от другой на aAt, будут пере- мещаться в сторону бассейна. Когда первая волна дойдет до бассейна, оттуда вернется первая же отрицательная волна, уничтожающая первое повы- ра при постепенном закрытии зад- вижки с дискретными порциями Рис. 19. Диаграмма повышения дав- ления при мгновенном закрытии зад- вижки, Т3 =0 шение давления; за ней с отставанием на aAt вернется вторая отрицательная волна и т. д. Представим теперь, что задвижка уже полностью закрыта, когда первая отрицательная волна еще не успевает до нее дой- ти. В этом случае вблизи задвижки движение жидкости уже полностью остановлено, т. е. вызвано изменение скорости на полное ее значение v и, следовательно, давление во всем тру- бопроводе или в некоторой части его повысилось до возмож- ного максимального значения. В указанном случае гидравличе- ский удар называется прямым (рис. 19). Описанный выше случай характеризуется тем, что время прохождения волны от задвижки к бассейну и обратно больше времени полного закрытия задвижки. Обозначив длину трубо- провода через I, время полного закрытия задвижки через Т для этого случая получим выражение т . 2/ 1 3 \ , а которое является критерием прямого удара. Если первая отрицательная, волна, возвращаясь от бассей- на, доходит до задвижки, которая полностью не закрыта, дав- ление не повышается до возможного максимального значения. 27
В этом случае удар называется непрямым. Критерием непря- мого удара, таким образом, будет т . 2/ * з • а Следовательно, при прямом ударе во всем трубопроводе или в некоторой его части повышение давления достигает возмож- ного максимального значения. Рис. 20. Диаграмма повышения дав- ления при прямом ударе, Рис. 21. Диаграмма повышения дав- ления при непрямом ударе, 21 т3> — а а а Повышение давления при непрямом ударе зависит от вре- мени и закономерности закрытия затвора, но всегда Др ао У ' g ’ Если задвижку опускать не ступенями, а непрерывно, то вместо ступенчатых диаграмм давления получим непрерывные линии (рис. 19, 20 и 21). Из изложенного выше следует, что в практических случаях гидравлического удара возможное повышение давления зави- сит от скорости жидкости, времени закрытия и длины трубо- провода. Увеличение длины трубопровода и уменьшение времени за- крытия приводят к возможности получения прямого удара. Достаточное увеличение времени закрытия практически предотвращает гидравлический удар, следовательно, и повыше- ние давления.
Глава 2 ТЕОРИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТАРАНА И ТАРАННЫХ УСТАНОВОК ПЕРИОДЫ ПОЛНОГО ЦИКЛА РАБОТЫ ТАРАНА Описание работы тарана во введении дает только некоторое предварительное представление о происходящих явлениях. Рассмотрим работу тарана, опираясь на теорию гидравли- ческого удара. Когда открывается ударный клапан, то из-под него начи- нается истечение жидкости наружу и разгон жидкости в пита- тельной трубе со скоростью, возрастающей во времени по фор- муле (19). При некотором значении скорости сила давления на ударный клапан настолько увеличивается, что превышает Рис. 22. График рабочего процесса тарана, составленный на основе осцил- 9 лограмм его вес, клапан поднимается и закрывает отверстие истечения. Во время подъема клапана происходит гидравлический удар и повышается давление в питательной трубе. Несмотря на то что клапан еще не успел полностью закрыться, давление в пи- тательной трубе доходит до величины нагнетательного напора, при котором нагнетательный клапан открывается (рис. 22), начинается нагнетание жидкости в воздушный колпак, и воз- никшая положительная волна распространяется в сторону бас- сейна. При дальнейшем подъеме ударного клапана до полного 29
прекращения истечения давление больше не повышается, по- скольку жидкость свободно выходит из питательной трубы в воздушный колпак. Период времени от начала открытия ударного клапана до момента* при котором скорость в питательной трубе становится наибольшей, называется периодом разгона. Когда положительная волна удара, несущая давление, рав- ное нагнетательному напору, доходит до питательного бассейна, из бассейна отражается отрицательная волна, несущая давле- ние, равное шщщру: Причиной автоматического открытия ударного клапана Рис. 23. Периоды одного пол- ного цикла работы тарана: а — разгона; б — нагнетания; в — отра- жения является отражение от нагнета- тельного клапана отрицательной волны, идущей из питательного бассейна, новой отрицательной волной, при котором нагнетатель- ный клапан закрывается и давле- ние в ударном узле падает ниже атмосферного. Период от момента открытия нагнетательного клапана до мо- мента его закрытия, при котором происходит нагнетание жидкости в воздушный колпак, называется периодом нагнетания. Период от момента закрытия нагнетательного клапана до от- крытия ударного клапана, при ко- тором не происходит ни разгона, ни нагнетания, называется перио- дом отражения. Для получения надежных рас- четных соотношений важное зна- чение имеет правильная оценка явлений, происходящих в отдельные периоды работы тарана, и определение продолжительности этих периодов. * К этому вопросу у разных авторов различные подходы. С. Д. Чистопольский полный цикл работы тарана разделяет на два периода: период разгона и период нагнетания. А. И. Лав- рентьев, Ю. Д. Соколов, А. Д. Кобылянский, А. А. Искандарян и другие полный цикл рассматривают как сумму трех перио- дов: разгона, нагнетания и отражения. Бержерон, Рено и дру- гие, учитывая инерцию клапанов, полный цикл разделяют на четыре периода. Отмечая важность учета инерции клапанов и ценность работ указанных авторов, которые для точного представления о яв- лениях рассматривают происходящие процессы во всех подроб- 30
ностях, укажем однако, что учет этих подробностей сильно усложняет вид полученных теоретических результатов. Для получения достаточной точности расчетных соотноше- ний, доступных широкому кругу производственников, в данной книге мы исходим из предположения, что процесс открытия и закрытия клапанов происходит мгновенно. Полный цикл работы тарана будем рассматривать состоя- щим из трех периодов: разгона, нагнетания и отражения (рис. 23, а, б и н). ПЕРИОД РАЗГОНА. СИЛА ДАВЛЕНИЯ НА УДАРНЫЙ КЛАПАН Период разгона начинается открытием ударного клапана, при котором происходит разгон жидкости в питательной трубе. В течение всего периода разгона происходит возрастание ско- рости и сбрасывание воды наружу. Продолжительность периода разгона, обозначаемая t, не- посредственно не обусловлена параметрами установки, а зави- сит от регулирования работы ударного клапана. Для данной установки, характеризующейся определенными питательным и нагнетательным напорами, определенной длиной питательной трубы, изменением хода и веса ударного клапана, период раз- гона теоретически можно изменять в пределах 0 < t < оо. Эффективность работы установки определяется продолжи- тельностью периода разгона, которая в расчетных соотношениях выражается через коэффициент разгона k. При очень малой продолжительности периода разгона, т. е. при малых значениях коэффициента разгона k, развивающаяся в питательной трубе скорость может оказаться меньше волно- вого изменения скорости и, необходимого для процесса нагне- тания, и нагнетания не произойдет. Чрезмерное увеличение продолжительности периода разгона (коэффициент k приближается к единице) тоже приводит к неэффективной работе установки, при этом объем сбрасывае- мой воды намного превышает объем нагнетаемой воды. В период разгона с возрастанием скоро'сти в питательной трубе возрастает также сила давления на ударный клапан, под действием которой клапан захлопывается. Для получения закона возрастания силы давления на удар- ный клапан напишем уравнение неустановившегося движения для сечения 1—1 на питательной трубе в непосредственной бли- зости от ударного клапана и для выходного сечения 2—2 удар- ного узла Р1 _ Pam V2 /)_2 dv У 2g у 2g Кл 2g g dt 31
Ввиду малости расстояния /(-2 между рассматриваемыми сечениями по сравнению с другими членами уравнения инер- ционным членом можно пренебречь. Приняв, что выходное сечение клапана соответствует диаметру питательной трубы, т. е. щ = о, получим Pi~PaT _ , ? Кл 2g ’ где Z.K.-1 —коэффициент сопротивления ударного клапана. Таким образом, избыточное давление на ударный клапан равно потерям напора в ударном узле. Подставляя значения неустановившейся скорости v из вы- ражения (20), найдем ,_Р1~.Р£т_ = ; jL th2_L. (38) у 2g 2т Приравнивая силу давления на клапан весу клапана, полу- чим где ы — площадь выходного отверстия ударного узла. Отсюда можно определить значение продолжительности периода разгона данной установки, соответствующее данному весу ударного клапана / = 2т Ar thl/ 2g%-. (39) Это соотношение показывает, что. для существующей уста- новки регулирующим фактором продолжительности периода разгона могут-являться вес и ход ударного клапана, посколь- ку зависит от хода клапана, а остальные величины по- стоянные. Для грубой оценки влияния различных факторов, входящих в формулу, на продолжительность периода разгона, ограни- чимся первым членом степенного ряда правой части выраже- ния (39), т. е. примем, что t = — 1/ VC г Тъкл10 С учетом формул (15) и (16) последнее выражение можно представить так: Я V УёХкл® 32
Если иметь в виду, что при увеличении хода ударного клапа- на коэффициент 1,кл уменьшается, то становится ясным, что как увеличение веса, так и увеличение хода ударного клапана приводят к увеличению продолжительности периода разгона. Из последней' формулы видно также влияние длины пита- тельной трубы / и питательного напора Н на продолжитель- ность периода разгона, что очень важно при проектировании установки. ДИНАМИЧЕСКАЯ И РАСЧЕТНАЯ ВЫСОТЫ НАГНЕТАНИЯ При создании теории и получении количественных соотно- шений для практических расчетов таранных установок важное значение имеет точный учет фактического необходимого для осуществления процес- са нагнетания. Иногда за высоту нагнетания прини- мают нагнетательный геометрический на- пор Л1 (рис. 24). С. Д. Чистопольский [12] фактическим нагнетательным напором считает сумму геометрической высоты и потерь напора в нагнетательном трубо- проводе /2i-|-S/zVy. Теория нагнетания, раз- работанная на основе этих предположе- ний, может привести к значительным ошибкам (особенно при малых значениях h:H) при определении производительно- сти или к. п.д. установки. повышения давления, Рис. 24. Динамическая и расчетная высоты нагнетания Например, у С. Д. Чистопольского максимальное значение к. п. д. установки при — = 2 равно 2/з, между тем в дейст- вительности в этом случае к. п. д. очень высокий. Следуя теории С. Д. Чистопольского, иногда можно прийти к неверным результатам вследствие неправильного учета фак- тического повышения давления. 3—2542 33
Так, в конце периода разгона в таранном узле перед нагне- тательным клапаном пьезометрическое давление не равно нулю, как принимает С. Д. Чистопольский, а больше нуля. И следова- тельно, для осуществления процесса нагнетания требуется по- вышение давления не на величину hj + Shw, а меньше. Для определения истинной динамической высоты нагнетания напишем уравнение неустановившегося движения для сечений питательного бассейна и таранного узла до нагнетательного клапана , Рат v* р v* v2 I dv Л Ц-------1----- — -- -Ц + --тр “Г- 4--------—. У 2g У 2g 2g g. dt где £ тр — суммарный коэффициент гидравлических сопротивле- ний питательной трубы. п I dv В конце периода разгона инерционный член — — сильно g dt уменьшается и им можно пренебречь. Пренебрегая также ско- ростью подхода v0, получаем выражение JL^Par +Г' V 2g которое показывает, что избыточное давление ь конце периода разгона перед нагнетательным клапаном равно ^5 На основании этого динамическая высота нагнетания hd — н ~\(| + '-,r} vl Обозначим h^^hw = h (41) и назовем h расчетным нагнетательным напором. Тогда hd = h-H + (\ + Ц>)^-. (42) Отношение динамического и питательного напоров будет — = — - 1 НО +чр) — • Н Н р 2g И (43) Согласно формулам (20) и (15) имеем ' 2 2gH V = kv. и vc = —- . 1 + Ze 34
Тогда hd = _h___J i 1 4- ?тр /44) НН 1 + Многочисленные расчеты показывают, что отношение 1 Ч- п -----незначительно влияет на окончательные результаты, 1 4” поэтому его можно заранее заменить некоторой постоянной величиной. На практике это отношение может колебаться в пределах 0,4—0,7. Для получения надежных результатов возь- мем его верхнее значение 1 4~ К>тр у 1 4- ?с тогда = — — 1 + 0,7k2. (45) н н Динамический нагнетательный напор hg является фактиче- ской разностью напоров до и после нагнетательного клапана в начале процесса нагнетания. При нагнетании фактически пре- одолевается разность напоров на величину hg, значительно меньшую h. При создании теории тарана за высоту нагнетания мы долж- ны считать ha, а не h, как считает С. Д. Чистопольский. Следовательно, волновое изменение скорости и, необходи- мое для процесса нагнетания, будем определять по формуле В дальнейшем теоретические выводы будут базироваться на этом положении. Однако в окончательных расчетных соотно- шениях динамический нагнетательный напор hg выразим через расчетный напор h, используя уравнение (44), поскольку это оказывается удобным для расчетов. ПЕРИОД НАГНЕТАНИЯ Как мы уже условились раньше, для создания теории при- нимаем, что закрытие или открытие клапанов происходит мгно- венно. Следовательно, период нагнетания начинается с момента закрытия ударного клапана (открытия нагнетательного клапа: на) и кончается закрытием нагнетательного клапана. Процесс, происходящий в период нагнетания, намного сложнее процесса периода разгона. Определим продолжительность периода нагнетания. Предпо- ложим, что в момент закрытия ударного клапана, т. е. в конце 3* 35
периода разгона, в питательной трубе скорость жидкости бу- дет V. Когда ударный клапан закрывается, происходит гидрав- лический удар, давление в питательной трубе повышается, бла- годаря чему мгновенно открывается нагнетательный клапан и в таранном узле давление становится равным нагнетательному напору. Больше давление подниматься не может, поскольку имеется возможность свободного поступления жидкости в воз- душный колпак, находящийся под давлением нагнетательного бассейна. Поэтому при ударе повышение давления не будет соответствовать полному изменению скорости, а будет равно динамическому нагнетательному напору /га. В процессе нагнетания скорость в питательной трубе посте- пенно уменьшается, следовательно, должен уменьшаться также динамический нагнетательный напор ho, определяемый по урав- нению (42). Однако мы принимаем, что за весь период нагнета- ния динамический нагнетательный напор остается постоянным и равным своему максимальному значению, соответствующему моменту начала нагнетания. При этом допущении мы получим несколько заниженное значение производительности, полагая, что это будет компенсировано результатами допущения о прене- брежении временем открытия и закрытия клапанов, сделанным нами при рассмотрении вопроса о периодах полного цикла. Таким образом, когда закрывается ударный клапан и проис- ходит гидравлический удар, скорость в питательной трубе уменьшается на величину а давление повышается на /щ. Возникшая при этом положительная волна распространяется в сторону питательного бассейна, и со скоростью v — и вода нагнетается в воздушный колпак. Когда эта волна доходит до питательного бассейна, в пита- тельной трубе устанавливаются скорость v — ни давление ho- Так как в открытом бассейне давление повышаться не может, то давление в трубе должно снизиться до значения давления в бассейне. Чтобы уменьшилось давление в трубе, должно начаться движение жидкости от трубы к бассейну. Для понижения давле- ния на hd потребуется волновое изменение скорости в направ- лении бассейна, равное . Поскольку вода движется в а сторону тарана со скоростью v — и, то последняя уменьшится gha на величину и движение продолжится в сторону тарана а 36
со скоростью v — и — или, ка основании равенства (46), а со скоростью v — 2и. Таким образом, в этот момент возникает отрицательная вол- на, которая распространяется в сторону тарана и снижает дав- ление в трубе до первоначального, а скорость движения умень- шает до значения v — 2и. До момента подхода этой волны к тарану нагнетание проис- ходит еще со скоростью и — и. Когда эта первая отрицательная волна доходит до таранного узла, давление на нагнетательный клапан со стороны воздушно- го колпака превышает давление со стороны питательной трубы на величину ha- В этих условиях при открытом нагнетательном клапане рав- новесие невозможно. Чтобы уравновешивалось давление в пи- тательной трубе и воздушном колпаке, должно начаться дви- жение жидкости от колпака в трубу с волновым изменением ско- рости « = Ж а Однако жидкость еще двигается в сторону колпака со ско- ростью v — 2и. Если эта скорость больше скорости и, то обрат- ное движение не начнется, а лишь скорость уменьшится на ве- личину и и наступит новая — вторая фаза нагнетания со ско- ростью v — Зи. Возникшая новая положительная волна, при которой ско- рость жидкости v—Зи, доходя до питательного бассейна, отра- жается отрицательной волной со скоростью жидкости v—4и. При добегании этой волны до нагнетательного клапана опять образуется разность давлений hd , скорость нагнетания еще раз уменьшается на величину и и начинается третья фаза нагнета- ния со скоростью v — 5«. Таким образом, в гг-й фазе скорость нагнетания становится равной v — (2п — 1) и. Процесс продолжается до тех пор, пока скорость нагнетания положительна, т. е. V — (2п — 1) и > 0. (47) Из рассмотренного выше следует, что период нагнетания мо- жет состоять из одной или нескольких фаз в зависимости от отношения и : и. Продолжительность нагнетания воды в каждой фазе равна времени добегания волны от тарана до питательного бассейна . 2/ и обратно, т. е. —. а 37
Число фаз нагнетания п зависит от отношения v : и и может быть определено из неравенства (47), V — +1 n С Л-Т~. (48) При числе фаз нагнетания п добегание волны от тарана до питательного бассейна и обратно повторяется п раз. Следова- тельно, имея значение п, можно определить полную продолжи- тельность периода нагнетания, которая выразится соотно- шением ПЕРИОД ОТРАЖЕНИЯ В последней, n-й фазе периода нагнетания скорость в пита- тельной трубе направлена в сторону тарана и имеет некоторую величину vn = v — (2п — 1) и. (50) Поскольку п равно наибольшему целому числу, полученному из отношения (48), то vn не может оказаться больше 2и. Поэтому можно полагать, что 0 < vn < 2и. Когда волна, соответствующая этой скорости, от тарана до- ходит до питательного бассейна, оттуда возвращается отрица- тельная волна, соответствующая скорости vn — и. Эта скорость в зависимости от того vn больше или меньше и, может оказаться положительной или отрицательной, т. е. при перемещении этой волны движение жидкости может оказаться в сторону тарана или в сторону бассейна. Рассмотрим все характерные случаи. 1. Если vn = 0, то движение будет направлено в сторону бассейна и, когда волна дойдет до тарана, вся жидкость в пи- тательной трубе будет двигаться в сторону бассейна со ско- ростью и, а давление будет равно питательному напору Н. При отражении этой волны от воздушного колпака нагне- тательный клапан закроется, давление в трубе упадет на ве- личину и избыточное давление в ударном узле станет равным H-hd. 38
Последнее выражение показывает, что ударный клапан ав- томатически откроется, если hd > Н. Таким образом, если соблюдено это условие, то при отраже- нии волны от воздушного колпака, когда нагнетательный клапан закроется, давление в ударном узле упадет ниже атмосферного и ударный клапан автоматически откроется. В этом случае закрытие нагнетательного и открытие ударно- го клапанов происходит одновременно, следовательно, продол- жительность периода отражения равна нулю. 2. Если 0 < vn <— , то движение опять будет направлено а в сторону бассейна и, когда волна дойдет до тарана, вся жид- кость в питательной трубе будет двигаться в сторону бассейна со скоростью и—vn. При отражении этой волны от воздушного колпака нагнетательный клапан закроется и давление в трубе упадет на величину а (и — уп) _ а1'п g g Избыточное давление в ударном узле в предельном случае (оп = — ) будет Н -(hd — H) = 2H — hd. откуда видно, что вакуум может образоваться, только если hd > 2Н. При соблюдении этого условия, когда волна отражается от воздушного колпака, нагнетательный клапан закрывается, а ударный клапан благодаря образовавшемуся вакууму откры- вается. В этом случае закрытие нагнетательного и открытие ударно- го клапанов также происходит одновременно и продолжитель- ность периода отражения равна нулю. 3. Если < vn < и, то движение опять будет направлено в сторону бассейна. Скорость движения будет и — vn. При отра- жении волны от воздушного колпака нагнетательный клапан за- кроется и давление в трубе упадет на величину д (и — уп) _ аип g g ' Избыточное давление в ударном узле для предельного слу- чая (vn — и) будет равно н _ (fe - = н. 39
Значит, вакуума не может образоваться, и если допустить, что нагнетательный клапан закрывается мгновенно, то ударней клапан автоматически не должен открываться. . , . еН 4. Если и < v„ < и 4- —, то в отличие от предыдущих случаев движение уже будет направлено в сторону тарана со скоростью vn — и. Когда волна дойдет до тарана, в питательной трубе давление будет равно питательному напору. При отражении волны от воздушного колпака жидкость остановится, произойдет удар с повышением давления до a(^u)<hd_ g При перемещении этой положительной волны в сторону бас- , и- a (vn — и) сеина давление в трубе становится п — ----------- , т. е. мень- g ше нагнетательного напора, благодаря чему нагнетательный клапан закрывается, но, поскольку в трубе избыточное давление положительное, ударный клапан открывается не сразу. Волна повышенного давления будет отражаться от бассей- на, при этом скорость жидкости будет ип — и и будет направле- на в сторону бассейна. При отражении этой новой волны от нагнетательного клапа- на давление упадет на величину a (vn. — и) g Отсюда легко убедиться, что при а а вакуум не образуется и, следовательно, ударный клапан авто- матически не открывается. При и — < vn < 2и а благодаря образовавшемуся вакууму клапан будет автоматиче- ски открываться. Как мы видели, в некоторых случаях после закрытия нагне- тательного клапана ударный клапан открывается спустя проме- жуток времени, равный времени добегания волны от тарана до 2/ бассейна и обратно, т. е. — . Таким образом, приведенный выше анализ показал, что период отражения при работе гидро- таранной установки не обязателен. Его наличие зависит от соот- 40
ношения величин и и и. Но когда этот период существует, то 21 его продолжительность равна— Чтобы не усложнять дальнейшие выкладки при получении расчетных соотношений, исходя из наихудшего случая, будем принимать, что всегда /о = — (51) а Из приведенного анализа стало ясным также, что автомати- ческая работа тарана может нарушаться в двух случаях: когда hd < 2Н и когда Первый случай связан с параметрами установки и его можно устранить правильным проектированием установки. Опыт пока- зывает, что, действительно, тараны устойчиво работают при от- h ношениях напоров — >2. Некоторые исследователи рекомен- Л дуют даже принимать — >3. Второй случай связан с величиной скорости и в конце перио- да разгона, т. е. с регулированием работы установки. При регу- лировании работы установки следует избегать некоторой «мерт- вой зоны». Опыт, однако, показывает, что при соблюдении условия Л \ а и , — 1 тараны устойчиво работают при всяком ходе ударного И клапана, т. е. «мертвых зон» не наблюдается. Это противоречие можно объяснить следующим образом. При построении теории мы считали, что когда нагнетательный клапан закрывается, то обратное движение жидкости от колпа- ка в питательную трубу не происходит: клапан предотвращает это движение. В действительности же какими бы ни были ма- лыми ход и вес нагнетательного клапана, для его закрытия по- требуется некоторое время. Благодаря наличию воздуха в колпаке инерция жидкости для движения в сторону трубы небольшая, поэтому за промежуток времени закрытия нагнетательного клапана жидкость успевает приобрести некоторую скорость, направленную в сторону тру- бы. Именно эта скорость выводит режим работы из «мертвой зоны». Ниже будет показано, что при искусственном увеличении скорости движения от колпака в трубу в процессе закрытия 41
нагнетательного клапана автоматическая работа тарана воз- /г „ можна и в случае — <2. Ударный клапан автоматически может открываться и под действием собственного веса, если в питательной трубе вакуума не образуется, а давление незначительно превышает атмосфер- ное. Однако в этом случае при малейшей утечке из-под клапа- нов таран остановится. Для устойчивой работы тарана крайне не- обходимо, чтобы в период отражения образовался значительный вакуум. Вакуум необходим и для обеспечения нормального снабжения воздухом колпака. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛНОГО ЦИКЛА Из описания процесса работы тарана следует, что продол- жительность полного цикла выразится соотношением Т — t -|- tH tomp или с учетом зависимостей (49) и (51) Т = t + 2(” + 1)f . (52) а Для удобства дальнейших исследований и получения непре- рывной функции Т, вместо дискретного изменения значений п. без существенной погрешности можно рассматривать еУо изме- нение непрерывным, заменяя неравенство (48) равенством Отсюда 2 (/г-ф 1) = — ф-3- и Скорость в конце периода разгона v согласно формуле (20) представим в виде v = kvc, где и,- — установившаяся скорость в питательной трубе. Тогда выражение (52) примет вид Учитывая соотношения (15), (16), (22), (43), (44) и (46) после преобразований получаем 42
T = t — Г-— 4-2/г — (1 — 0,7/г2) — + 6 — ]. (54) hd И т т vc J Обозначим 1- 0,7/г2 =/г2 и 2/г — (1 — 0,7/г2)—=/г3. (55) т Величины k2 и k3 зависят только от k, поскольку — зависит т только от k, поэтому их значения можно привести в виде таб- лицы (табл. 1). Таблица 1 Значение различных коэффициентов в зависимости от k 0,10 0,010 0,201 0,010 0,993 0,001 0,56 0,314 1,266 0,377 0,780 0,132 0,12 0,014 0,241 0,014 0,990 0,002 0,58 0,336 1,325 0,409 0,764 0,147 0,14 0,020 0,281 0,020 0,986 0,003 0,60 0,360 1,386 0,447 0,748 0,163 0,16 0,026 0,322 0,026 0,982 0,004 0,62 0,384 1,450 0,484 0,731 0,181 0,18 0,033 0,363 0,033 0,978 0,005 0,64 0,410 1,516 0,528 0,713 0,199 0,20 0,040 0,405 0,041 0,972 0,006 0,66 0,436 1,586 0,573 0,695 0,218 0,22 0,048 0,447 0,050 0,966 0,008 0,68 0,462 1,658 0,620 0,677 0,238 0,24 0,058 0,489 0,060 0,960 0,010 0,70 0,490 1,735 0,673 0,657 0,260 0,26 0,068 0,532 0,070 0,953 0,012 0,72 0,518 1,815 0,730 0,637 0,284 0,28 0,078 0,575 0,082 0,945 0,016 0,74 0,548 1,901 0,794 0,617 0,308 0,30 0,090 0,619 0,094 0,937 0,020 0,76 0,578 1,993 0,863 0,596 0,333 0,32 0,102 0,663 0,108 0,929 0,024 0,78 0,608 2,091 0,936 0,574 0,359 0,34 0,116 0,708 0,123 0,919 0,029 0,80 0,640 2,197 1,022 0,552 0,387 0,36 0,130 0,754 0,139 0,909 0,035 0,82 0,672 2,314 1,115 0,530 0,415 0,38 0,144 0,800 0,155 0,899 0,041 0,84 0,706 2,442 1,224 0,506 0,443 0,40 0,160 0,847 0,173 0,888 0,048 0,86 0,740 2,586 1,347 0,482 0,472 0,42 0,176 0,895 0,194 0,876 0,056 0,88 0,774 2,757 1,488 0,458 0,500 0,44 0,194 0,944 0,216 0,864 0,064 0,90 0,810 2,944 1,661 0,433 0,525 0,46 0,212 0,995 0,238 0,852 0,073 10,92 0,846 3,178 1,871 0,407 0,536 0,48 0,230 1,046 0,262 0,839 0.083 0,94 0,884 3,476 2,154 0,381 0,546 0,50 0,250 1,099 0,287 0,825 0,093 0,96 0,922 3,892 2,551 0,355 0,538 0,52 0,270 1,153 0,315 0,811 0,105 0,98 0,960 4,595 3,223 0,327 0,458 0,54 0,292 1,208 0,345 0,796 0,118 1,00 1,000 — — 0,300 — 43
Учитывая эти обозначения и соотношение (45), имеем h t , „и — — + йз + 6 — Г — - х h---------- (56) 7Г~ k Для данной конкретной установки все величины, входящие в последнее уравнение, кроме k, зависят от проектных данных и заранее известны. Значит, продолжительность полного перио- да Т для конкретной установки зависит от коэффициента раз- гона k. РАСХОД ЖИДКОСТИ, СБРОШЕННОЙ ТАРАНОМ Из описания полного цикла работы тарана следует, что жид- кость выливается из тарана в ц^риод разгона, следовательно, величина расхода обусловлена продолжительностью этого пе- риода. После мгновенного открытия ударного клапана начинается истечение, которое происходит со скоростью, нарастающей по закону (19). Объем жидкости, выливающейся за весь период разгона, выразится интегралом t «7 = со f vdt, b где co — прощадь сечения питательной трубы; t — продолжительность периода разгона. С учетом выражения (19) 1 t Се т - 1 U7 = ouc I ~----— dt, I J_ ’о е Т + 1 после интегрирования t W = О) Vc Т In . t 4е Используя выражение (21), аргумент логарифма можно пред- ставить через коэффициент разгона k и найти UZ = <о vc т In —!— • 1 — й2 44
Обозначим In—— =klt (57) 1 — k2 ' тогда W — kt io vc т. Значения коэффициента kx в зависимости от коэффициента разгона k приведены в табл. 1. Для определения среднего по времени расхода Qi жидкости, выливающейся из тарана, необходимо полученный объем W раз- делить на продолжительность одного полного периода Т работы тарана: k} <о vc т (58) Подставляя значение Т из выражения (56), получаем h t и ~т, +^з+6 п г vr (59) ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТАРАННОЙ УСТАНОВКИ Под производительностью тарана будем понимать осреднен- пый по времени расход q воды, подаваемой в нагнетаемый тру- бопровод. Исходя из этого для определения производительности таран- ной установки необходимо объем жидкости W, подаваемой в воздушный колпак (в нагнетательный трубопровод) за период нагнетания, делить на полную продолжительность одного цикла работы тарана Т, т. е. Определим сейчас объем жидкости W. Раньше мы видели, что период нагнетания может состоять из одной или несколь- ких фаз, причем в различных фазах скорость нагнетания раз- ная. Продолжительность же всех фаз одинаковая и равна а В первой фазе нагнетания скорость в питательной трубе рав- на v — и. Очевидно, что объем воды, подаваемой в воздушный колпак, .в первой фазе будет 2/ . . ----03 (С — и), а где оз — площадь сечения питательной трубы; 45
во второй фазе 2Z , о . ---со (и — Зи), а в n-ной фазе ш [и — (2/г — 1)и] . а Складывая эти объемы, получаем Г = 4-3 + 5 + . . . + (2n— 1)]}. а Выражение в квадратных скобках представляет собой сумму нечетных натуральных чисел, которая равна п2. В силу этого 2/г co I , . W =--------(v — пи) . а (61) Разделив этот объем на полную продолжительность одного периода работы тарана, получим производительность, т. е. на- гнетаемый расход таранной установки 2/г со I . , 4 = аТ (р-пи). Согласно сделанному выше предположению и является ско- ростью в питательной трубе в конце периода разгона. Если эту скорость выразить через установившуюся скорость, используя выражения (20), (21) и (53), то получим 2псо/ ,, . Q =----— (Ь, — пи), а Т Используя равенство (53), после преобразований имеем 2а Та ' Выражая значение волнового изменения скорости и в знаме- нателе через динамический нагнетательный напор а (62( получаем (63) Подставив в учтя выражение ра, получим формулу (44) для 2ghaT (63) значение Т из формулы (54) и динамического нагнетательного напо- q = со V, и2 k2 — —у” _____________ + 2М-6- 1 + / т vc (64) Я = h И 46
или с учетом выражения (55) и2 А2- — о. q = <о ve h t , . u "77 + k3 4- 6 Н х vc (65) Таким образом, поскольку — и k3 зависят только от k, то X производительность q выражается через установившийся расход <£>vCy умноженный на некоторую функцию безразмерных пара- Н и . метров — . — и». Л vc Обозначим тогда = (67) Отношения и “ могут быть определены непосредст- Л ve венно на основании проектных данных. Коэффициент же раз- гона k зависит от режима работы установки и имеет существен- ное значение для оптимальной ее работы. Поэтому при проектировании установки необходимо заранее Я и /г~. определить отношения —, — и, исходя из уравнения (оз), h vc подобрать такое значение коэффициента разгона k, при котором с той или иной точки зрения работа установки будет оптималь- ной (см. гл. 5). К. П. Д. ГИДРОТ АРАННОЙ УСТАНОВКИ Под к. п. д. таранной установки следует понимать отношение использованной энергии воды к затраченной, т. е. у нас речь всегда будет идти только об энергетическом к. п. д. Отметим, что к. п. д. тарана как отдельно взятой машины смысла не имеет, поскольку машина самой хорошей конструкции в зависимости от параметров установки может обеспечить очень низкий к. п. д. и наоборот, плохая машина при благоприятных параметрах установки может обеспечить сравнительно высокий к. п. д. Поэтому когда рассматривается вопрос о к. п. д., то надо иметь в виду не только качество машины, но и параметры уста- новки, которые обусловливают оптимальный режим работы. 47
В этом смысле к. п. д. таранной установки больше зависит от длины питательной трубы и режима работы, чем от конструкции самого тарана. Остальные же элементы, как, например, подводящий трубо- провод до питательного бассейна, нагнетательный трубопровод и другие, конечно, влияют на к. п. д. установки в целом, но они не играют роли в подборе оптимального режима работы уста- новки. Поэтому при определении к. п. д. обычно не учитывают влияние этих элементов, а рассматривают таран вместе с пита- тельной трубой. Таким образом, исходя из приведенных выше соображений, к. п. д. таранной установки выразится формулой (1): ГПА 41 П <3 ПГТ АФТТ Т ТП Т Т О Т'Т 1 р'Т' О -ГА ГТ Т И Т I П ТТН ПАП А-3 Г ГТ А А ТТ А А ГН » I Г ГГ £1 I Дс / I JJCILTL 1 riDltl ПС11Г1С^С11<.«Д1ЭГ1и1Г1 Л Cl UU j-J У ip vp 1V1 J ul V (41), равный h — Zzi + hw. Во многих исследованиях к. п. д. тарана рассматривали, не связывая его с питательной трубой и, особенно, с режимом ра- боты установки. Общей тенденцией этих исследований было определение к. п. д. в функции отношения напоров — . Причем все исследо- Н вания в этом направлении носили эмпирический характер. Ниже увидим, что постановка вопроса определения к. п. д. без связи его с режимом работы установки не верна и резуль- таты, полученные при этом, не могут быть рекомендованы для использования. Правильно трактуется вопрос к. п. д. таранной установки у С. Д. Чистопольского, который вводит в рассмотрение не только проектные данные установки, но и режим работы, выраженный коэффициентом разгона k. Однако он допускает некоторые ие- точност-и в деталях вопроса, о которых упоминалось на стр. 33. Рассмотрим здесь к. и. д. таранной установки исходя из зна- чений Q] и q, определяемых по теоретическим формулам (58) и (63). Имея в виду, что полный питательный расход Q = Qi + <7, выражение (1) для ц представим в виде qh (Qi+y) н (68) (69) Для облегчения преобразований очень удобно вместо ц ис- следовать выражение обратной величины — , которое запишем 48
JL = 2L м+^. П h \ q ) Подставив сюда значения Qi и q по формулам (58) и (63), по- лучим 1 __ Я , ki ha Ч h и2 И ' k2 — —А ve Выражая теперь динамический нагнетательный напор hd че- рез расчетный h согласно формуле (44), найдем или с учетом формул (55) / Н \ i _ я Г] /г и2 k ~ “2" Vc (71) Поскольку зависит только от k, то и в этом случае, как и в случае определения производительности, окончательный ре- зультат представлен через безразмерные параметры — , — и k. h vc Не останавливаясь на доказательстве, укажем, что к. п. д., определяемый из выражения (71), при равных прочих условиях является возрастающей функцией отношения —, что и наблю- h дается на практике. Из формулы (71) видно следующее. 1. Когда — — 1, т) —* 0. Этого можно было ожидать, так Vc как при и — vc даже при максимальном значении скорости в питательной трубе во время удара нагнетания не происходит. 2. Когда k — 1, т] -»0. Это объясняется тем, что при k = 1 в питательной трубе создается установившийся режим, а он может создаваться только при безграничном возрастании перио- да разгона. Вследствие этого получается, что в бесконечно большой промежуток времени, т. е. при бесконечно большом количестве жидкости, выливающейся из тарана, нагнетается ко- нечный объем жидкости. 4—2512 49
3. Наибольший к. п. д. получится, когда /г-» 0 и — —>-0. Действительно, в этом случае и следовательно, -п —► 1. . г-, Ни 4. При заданных значениях — и — к. п. д. в зависимости vc / от коэффициента разгона k имеет максимум (см. гл. 5). ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТОВ УСТАНОВКИ Подробный расчет таранных установок будет рассмотрен в гл. 5. Здесь укажем только последовательность расчета уста- новки и приведем сводные расчетные формулы. В начале расчета нам должны быть известны питательный напор Н, нагнетательный напор hlt длина питательной трубы /, питательный расход Q, а если он не ограничен, то необходимый нагнетательный расход q. Имея одну из величин Q или q, другую предварительно мож- но определить приближенно, принимая за основу некоторое ожи- даемое значение к. п. д. Диаметр питательной трубы зависит от питательного расхо- да и его можно подобрать по табл. 2, составленной на основе анализа работы существующих установок. Т абжща 2 Рекомендуемые расходы Q в л!сек для питательных труб различных диаметров Диаметр трубы d в мм Питательный напор И в м 1—2 2-5 5—Ю 10—20 20—30 30—40 63 1 1 2 3 4 5 75 2 2 3 5 6 7 100 3 4 6 8 10 12 150 8 10 15 20 25 30 200 15 20 30 40 50 60 250 25 35 50 60 70 80 После выбора ния волны удара диаметра определяем скорость распростране- но формуле (35) Н. Е. Жуковского а = 1425 1 4- 6 Е 50
Коэффициент сопротивления трению 'К берем из табл. 3, со- ставленной для квадратичной зоны сопротивления. Потери напора в нагнетательном трубопроводе можно опре- делить по формуле (72> где v — скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе. Таблица 3 Значение коэффициента X для труб различных диаметров Трубы Диаметр трубы d в мм 0,25 0,40 0,50 0,65 0,80 100 150 200 250 Стальные новые 0,028 0,025 0,023 0,022 0,021 0,019 0,018 0,017 0,016 Стальные, быв- шие в упот- реблении . . 0,031 0,027 0,025 0,024 0,023 0 022 0,019 0,018 0,017 Чугунные но- вые 0,030 0,027 0,024 0,022 0,020 0,019 Чугунные, быв- шие в упот- реблении . . — — 0,037 — 0,032 0,030 0,027 0,025 0,023 Однако эти потери легче сразу найти, пользуясь табл. 4. Зная потери в нагнетательном трубопроводе, определяем расчетный нагнетательный напор /г = hx Ц- hw. Сумма гидравлических сопротивлений для системы «пита- тельная труба — ударный клапан» складывается из сопротивле- ний входа трубы А, — и ударного клапана d = U + + (73) а Сопротивление входа обычно принимают £вх = 0,5. Коэффициент сопротивления для ударного клапана зави- сит от типа клапана. Для тарельчатых клапанов при нормаль- ном открытии (6 = —), по экспериментальным данным А. А. 4 Искандаряна, можно принять ^кл = 6 4- 8. Если диаметр выходного отверстия ударного узла отличается от диаметра питательной трубы, то суммарный коэффициент сопротивления необходимо отнести к сечению питательной тру- бы и, используя формулу (31), 4’ 51
Таблица 4 Гидравлические потери в зависимости от расхода и диаметра труб на длине 100 м, выраженные в м Диаметр трубы d в мм Расход Qi в л/сек 25 32 38 50 63 75 100 0,1 0,44 0,13 0,25 2,75 0,75 0,30 0,077 0,5 10,5 2,85 1,26 0,289 0,08 0,75 23,3 6,30 2,70 0,597 0,18 1,00 41,2 10,90 4,65 1,049 0,32 1,25 17,00 7,05 1,64 0,48 0,197 1,50 24,70 10,15 2,48 0.69 0,283 1,75 33,25 13,70 3,12 0,94 0,38 0,085 2,00 17,80 4,07 1,20 0,49 0,110 2,50 27,90 6,30 1,90 0,76 0,173 3,00 9,10 2,70 1,08 0,24 3,50 12,20 3,65 1,45 0,34 4,00 16,00 4,75 1,91 0,43 4,50 20,60 5,95 2,39 0,53 5.00 25,10 7,45 2,90 0,66 5,50 8,98 3,52 0,78 6,00 10,60 4,20 0,95 6.50 12,25 4,92 1,10 7.00 14,20 5,75 1,25 7.50 6,55 1,47 8,00 7,45 1,64 8.50 8,40 1,85 9.00 9,41 2,04 9.50 10,50 2,30 10,00 11,50 2,53 11.00 14,00 3,07 125 150 200 250 300 0,074 0,106 0,136 0,054 0,178 0,068 0,208 0,079 0,251 0,096 0,293 0,120 0,342 0,135 0,394 0,157 0,034 0,450 0,173 0,040 0,513 0,198 0,043 0,572 0,224 0,051 0,638 0,252 0,058 0,708 0,282 0,062 0,800 0,313 0,070 0,021 0,972 0,368 0,083 0,025
Расход Q л/сек 25 32 38 50 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 45 50 60 70 80 90 j00 120 140
Диаметр трубы d в мм Продолжение табл. 4 63 75 100 125 150 200 250 300 3,68 1,13 0,441 0,098 0.030 4,30 1,32 0,518 0,115 0,035 5,00 1,53 0,589 0,136 0,043 5,70 1,75 0,679 0,166 0,049 0,018 6,46 2,00 0,778 0,174 0,056 0,022 7,25 2,26 0,864 0,194 0,063 0 024 8,15 2,49 0,970 0,216 0,070 0 026 9,08 2,80 1,08 0,239 0,078 0 030 10,00 3,09 1,18 0,271 0,085 0,032 3,75 1,44 0,323 0,103 0 039 4,41 1,70 0,379 0,121 0 047 5,22 1,99 0,450 0,141 0 055 6,01 2,30 0,516 0,163 0 064 6,95 2,66 0,600 0,185 0 074 7,88 3,01 0,673 0,210 О'081 8,88 3,38 0,755 0,236 0 092 10,00 3,78 4,24 4,67 5,95 7,32 1 0,852 0,944 1,03 1,31 1,62 2,30 3,13 4,09 5,19 0,263 0,291 0,322 0,414 0,508 0,722 0,988 1,28 1,61 2,00 2 87 3 99 0J03 0,115 0,129 0,160 0,197 0,28] 0,379 0,494 0,622 0,776 1,100 1,490
При этом следует подставлять tH = £,Кл, а вместо а>п— площадь выходного отверстия ударного узла. На основании этих данных можно определить установившую- ся скорость Поскольку еще неизвестно значение динамического нагнета- тельного напора, то в первом приближении определяем волно- вое изменение скорости через расчетный нагнетательный напор а Вычислив отношения — и — . по табл. 6 выбираем пред- ке h варительное значение коэффициента разгона k, на основании которого определяем динамический нагнетательный напор hd = h — k2H После этого уточняем значение волнового изменения скоро- сти а и и определяем отношение — . Дальнейший ход расчета зависит от режима работы установ- ки. Эти вопросы подробно будут рассмотрены в гл. 5. Здесь разберем ход расчета самого общего случая, когда необходимо построить характеристики установки. В этом случае нужно определить производительность и к. п. д. при различных значениях коэффициента разгона k. Задаваясь различными значениями k, на основании формул (1), (56), (59), (65), (68) и табл. 1, обозначая А - 4 + 6 — = ? (74) П X vc определяем его значение, и далее последовательно Т = —; (75) н ~ki Qi=k^(ir~k2Y’ (76) 54
— (77) P к / Q — Qi + q; и, наконец, число ударов в минуту Л^=у. (78) Результаты вычислений записываем в таблицу. h и и1 Н ' ~с~" „ и u>Vc = .... О - = ... т = . . . По данным таблицы строим характеристики установки (см. рис. 54) Q= Q(k), q = q(k) и t| = r](^)-
Глава 3 КОНСТРУКЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТАРАНОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ Со времени изобретения тарана было разработано и осуще- ствлено много различных конструкций таранов. Эти конструкции отличаются одна от другой в основном размерами, устройством клапанов и их взаимным расположением. Не останавливаясь на всех существующих до сих пор харак- терных конструкциях, разберем только некоторые современные типы таранов, имеющие практическое значение. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН ТГ Гидравлические тараны типа ТГ сконструированы двух ти- пов: ТГ-1 и ТГ-2, из которых промышленностью выпущен таран ТГ-1. Гидравлический таран ТГ-1 рассчитан на питательную трубу диаметром 75 мм и максимальную высоту нагнетания 80 м. Производительность тарана, по заводским данным, колеблется в пределах 0,08 — 0,3 л/сек. Корпус тарана и воздушный колпак чугунные литые. Воз- душный колпак имеет полезный объем 20 л. Вес машины 105 кг. Ударный клапан собран на стальном штоке 3 (рис. 25), на верхнем конце которого установлены сменные грузы 7 для изме- нения веса клапана. Ход ударного клапана регулируется с по- мощью направляющей бронзовой муфты 6, ввернутой в опорный мост 4. После регулирования хода муфту закрепляют контргай- кой 5. Во время удара клапан опирается на резиновое кольцо 2, которое смягчает механический удар и улучшает закрытие от- верстия истечения. Нагнетательный клапан собран на чугунном диске 10. К дис- ку прикреплена удлиненная с одной стороны резиновая проклад- ка 9. При помощи этой удлиненной части клапан прикрепляется к корпусу тарана двумя болтами и металлической накладкой. Ход нагнетательного клапана регулируется при помощи бол- та 11. Воздух в колпак подается при помощи форсунки Чистополь- ского [12], устройство и принцип действия которой приведены на стр. 73. 56
Если во время работы тарана колпак будет заполнен возду- хом полностью, то при закрытии нагнетательного клапана воз- дух может попасть в зону пониженного давления и нарушить работу. Поэтому воздух должен всегда находиться выше неко- торого уровня. В таране ТГ-1 для регулирования уровня воздуха в колпаке в начале нагнетательного отверстия установлен пат- рубок 13. В нижней части корпуса имеется пробка 8 для полного сли- ва воды из системы в зимний период, если таран не рабо- тает. Таран ТГ-1 прост по конструкции, удобен в эксплуатации, технологичен в производстве. Благодаря обтекаемым формам внутренних отверстий при благоприятных условиях он может обеспечить высокий к. п. д. Недостатком тарана является то, что резиновые прокладки ударного и нагнетательного узлов не обеспечивают длительной работы машины при значительных нагнетательных напорах. При нагнетательных напорах до 20 м таран ТГ-1 может ра- ботать длительное время, а при сравнительно больших напорах, как показывает опыт, клапаны тарана выходят из строя очень быстро. Например, при работе этого тарана под напором 60 м резиновые прокладки выходили из строя через 5—6 дней. По- этому рекомендовать таран ТГ-1 для работы с нагнетательным напором, превышающим 20—30 м, не следует. В 1954 г. Д. И. Трембовельским предложена конструкция гидравлического тарана ТГ-2 (рис. 26) двух размеров: для рабо- ты с питательными трубами диаметром 50 мм и 100 мм. В этом таране ударный узел расположен после нагнетатель- ного. Нагнетательный клапан 1 снабжен направляющим штоком 2; воспринимающий удары резиновый амортизатор 5 прикреп- лен к ударному клапану 4, а взамен форсунки Чистопольского для снабжения воздухом установлена труба 3, соединяющая чашу ударного клапана с нагнетательным узлом. Преимуществами этого тарана по сравнению с тараном ТГ-1 Д. И. Трембовельский считает следующие. Резиновое амортиза- ционное кольцо заменено прокладкой, закрепленной на ударном клапане, что должно, по мнению Д. И. Трембовельского, усили- вать гидравлический удар. Таран имеет специальное приспособ- ление для пополнения воздуха, которое является более надеж- ным, а нагнетательный клапан — направляющий шток, который делает работу тарана более долговечной. Исходя из опыта эксплуатации таранных установок, укажем следующее. Наличие амортизационного кольца под ударным клапаном в таране ТГ-2 нисколько не усиливает гидравлический удар. Кольцо имеет значение только для механического удара, смягчение которого положительно влияет на длительность рабо- ты машины. 57
Наличие резинового кольца на седле, воспринимающем удар, как в таране ТГ-1, или на ударном клапане, как в таране ТГ-2, дает одинаковые результаты при работе. Специальное приспособление для пополнения воздухом, пре- дусмотренное в таране ТГ-2, более сложно по конструкции и не только не имеет преимуществ по сравнению с устройством в тара- не ТГ-1, а, наоборот, является менее надежным. Относительно достоинств, предложенной новой конструкции Д. И. Трембовельский прав только в вопросе направляющего Рис. 25. Гидравлический таран ТГ-1 Рис. 26. Гидравлический таран ТГ-2 штока нагнетательного клапана, который действительно обеспе- чивает более длительную работу нагнетательного узла. Расположение ударного узла после нагнетательного не дает никакого преимущества ни в смысле гидравлического эффекта, ни в смысле технологичности конструкции. Опыт эксплуатации показывает, что тараны с различными взаимными расположениями клапанов работают одинаково. Таким образом, отмечая преимущества тарана ТГ-1, укажем лишь, что изготовление таранов этой конструкции для высоких напоров и для большой производительности не представляется возможным. 58
КОНСТРУКЦИИ ТАРАНОВ ТИПА АНГ Ряд интересных конструкций таранов был разработан в 1941—1944 гг. в Академии наук Грузинской ССР под руководст- вом проф. М. А. Мосткова для питательных труб диаметром 50—1000 мм. В этих таранах разработаны различные конструк- ции клапанов и восстанавливающих механизмов, однако, к со- жалению, тараны этих конструкций не только не внедрены, но даже не были изготовлены для испытания. Проведено только лабораторное исследо- вание тарана АНГ-50, конструкцию которого и рассмотрим здесь. В этом таране (рис. 27) ударный 2 и нагнетательный 4 клапаны расположены очень близко один от другого, что дает зна- чительное (преимущест- во. Нагнетательный Рис. 27. Гидравический таран АНГ-50 клапан, как и ® таране ТГ-1, находится ib (воздушном (колпаке, (непосредственно на пи- тательной трубе. Ударный клапан расположен после нагнета- тельного. Ударный клапан при работе (поворачивается вокруг оси <3. Работа этого клапана регулируется противовесам 6, дви- жущимся на штоке 5. Нагнетательный патрубок 1 расположен сбоку воздушного колпака. Из-за отсутствия производственного опыта трудно судить о конструктивных преимуществах или недостатках этого тара- на. Укажем только, что такое конструктивное оформление мо- жет обеспечить сравнительно бесшумную работу и при благо- приятных условиях высокий к. п. д. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН УИЖ-К В Украинском институте животноводства А. Д. Кобылянским разработаны конструкции гидравлических таранов большой про- изводительности различных размеров, имеющих питательные трубы диаметром до 500 мм. Серийно'выпущен таран УИЖ-К-100 для питательной трубы диаметром 100 мм (рис. 28). Характерной особенностью тарана УИЖ-К является то, что, его ударный клапан плоский и при полном открытии плоскость 59
клапана почти совпадает с направлением движения жидкости. Это уменьшает силу механического удара клапана и делает возможным работу тарана при очень малых питательных на- порах. Ударный клапан 8 тарана через резиновую прокладку сое- эластичности прокладки при диняется с корпусом и благодаря работе делает кача- тельнюе движение. Ход клапана регулируется п п-тлтлиг нА. •Г1 чЛ1П K—llVJl1 11U;VJ ,Д«’1>ЦЦ| Ы1 и,4- пи 6. Нагнет ательаый клапан 2 типа захло'п- 'ки, снабжен регулиру- ющей пружиной 1 и имеет ограничитель хо- да 3. Нагне т а т е л ь н ы й патрубок 4 выведен на бок корпуса. Корпус и воздушный колпак 7 из- г> оо Т- " vuw TZ ША готовляют из чугунного Рис. 28. Гидравлический таран УИЖ-К-100 J - литья. Конструктивные особенности тарана таковы, что можно до- биться значительных питательных расходов. Конструкции кла- панов могут обеспечить надежную длительную работу для нагнетательного напора до 30 м. Однако таран нельзя рекомен- довать для длительной работы при больших высотах нагнета- ния. Недостатком тарана является то, что он не имеет приспо- собления для систематической подачи воздуха, а предусмотрен- ная автором конструкции диафрагма 5 из мешковины быстро выходит из строя и не может являться надежным средством сохранения воздуха в колпаке, но этот недостаток легко устра- ним. То обстоятельство, что ударный узел при работе находится в воде, нисколько не мешает приспособить к тарану воздушное приспособление. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТАРАНЫ ЕрП'И Начиная с 1952 г. на кафедре гидравлики Ереванского поли- технического института проводились работы по конструирова- нию гидравлических таранов и внедрению их в сельское хо- зяйство. Основной целью этих исследований была разработка кон- струкций таранов для высоких напоров, доходящих до 250 м, и конструкций таранов для сравнительно небольших напоров, но большой производительности. 60
За период исследований сотрудниками кафедры были разра- ботаны и внедрены различные типы таранов и, в особенности, ударных и нагнетательных клапанов. Эти тараны изготовлялись по заказу в механических мастерских института или на заводах. Тараны типа ЕрПИ сконструированы для питательных труб диаметром 63—250 мм. При конструировании высоконапорных таранов возникло пер- вое затруднение — обеспечение достаточной прочности клапанов. Как мы указали раньше, клапаны, снабженные резиновыми прокладками, не прочны при работе в условиях больших нагне- тательных напоров. Можно, конечно, увеличением площади резиновых прокладок добиться допускаемого напряжения на них, но в этом случае увеличивается так называемый коэффи- циент перекрытия, представляющий отношение площади клапа- на к полезной площади отверстия (см. рис. 34). р = . - (79) “о Увеличение же коэффициента перекрытия 0 весьма нежела- тельно, так как приводит к повышению давления в питательной трубе по сравнению с полезным нагнетательным напором и, кро- ме того, значительно увеличивает коэффициент гидравлических сопротивлений. Уменьшать коэффициент перекрытия, допуская удары клапа- на о металлическое седло, тоже невозможно, так как в этом случае благодаря малым деформациям во время удара разви- ваются огромные разрушающие усилия, вследствие чего клапа- ны очень быстро выходят из строя. В некоторых зарубежных конструкциях таранов клапаны ударяются о бронзовые кольца. Однако нельзя считать, что это является радикальным решением вопроса, и нельзя ожидать, что тараны этой конструкции могут длительное время работать под высокими напорами. В конструкциях таранов типа ЕрПИ имеется возможность уменьшить коэффициент перекрытия, не увеличивая напряжения на площадках седла клапана при механическом ударе. При конструировании таранов больших размеров возникало второе затруднение. Размещение нагнетательного клапана под съемным воздушным колпаком, как это сделано во всех указан- ных выше конструкциях, приводит к эксплуатационным неудоб- ствам. Воздушные колпаки для таранов значительной производи- тельности могут иметь большой вес и их съем в случае ре- монта нагнетательного клапана или для очистки его во время засорения непрактичен. Естественно, возникла необходимость изготовить воздушный колпак глухим и соответствующим обра- зом разместить нагнетательный узел. 61
Преодоление этих двух затруднений открыло возможность сконструировать гидравлические тараны небольшой производи- тельности для напоров до 250 м и тараны большой производи- Рис. 29. Гидравлический таран ЕрПИ-150 тельности для орошения при сравнительно малых напорах, до- ходящих до 30 м. Не останавливаясь на всех типах таранов, разработанных кафедрой гидравлики Ереванского политехнического института, разберем здесь один характерный. На рис. 29 показан разрез тарана ЕрПИ-150, работающего с питательной трубой диаметром 150 мм. По его образцу изго- товляются также тараны для диаметра трубы 63; 75 и 100 мм. 62
Ударный узел тарана расположен до нагнетательного. Нагнета- тельный клапан находится в глухом воздушном колпаке в от- дельном съемном узле. Тарельчатый ударный клапан 1 движется относительно не- подвижного направляющего штока 2, опирающегося при по- мощи гайки 7 на корпус ударного узла. При работе клапан поднимается и опускается на штоке. Ход ударного клапана регулируется резиновыми сменными шайбами 6, находящи- мися под опорной гайкой. Клапан одевают на шток в мастер- ской, где изготовляют таран. После того как клапан надели на шток, к нижнему отверстию его приваривают крышку 9. Направляющий шток вместе с опорной гайкой имеет сквоз- ное отверстие для пуска тарана. Во избежание ослабления опор- ной гайки между полузакрытой головкой гайки и верхним тор- цом штока установлена эластичная шайба 8. При закрытии ударный клапан ударяется о стальное коль- цо 3, опирающееся на резиновое амортизационное кольцо 4, находящееся в пазе п-ерекрывающего стального фланца 10. Верхний опорный узел 11 посредством муфт 5 опирается на перекрывающий фланец, и вся эта система при помощи болтов прикрепляется к фланцу, глухо соединенному с корпусом та- рана. Ударный клапан открывается нажимом рычага 15 на стер- жень 14, который опускается в отверстие направляющего штока и доходит до нижней крышки клапана 9. После пуска стержень удаляют. Останавливают клапан поднятием направляющего штока вверх до отказа. Нагнетательный клапан 19 имеет глухо закрепленный на- правляющий шток, по которому он движется в муфте 18. При закрытии клапан ударяется о стальное кольцо 20, сидящее на резиновом амортизаторе 21. Ход нагнетательного клапана регулируется при помощи бол- та 16, закрепляемого после регулировки контргайкой 17. Таран имеет специальное приспособление 12 для снабжения воздухом. Конструкция этого приспособления описана на стр. 74. Нагнетательный патрубок расположен сбоку воздушного колпака 22. Все элементы тарана стальные, и вся конструкция сварная. Это, конечно, удорожает стоимость тарана, но дает и важное преимущество: такой таран можно изготовлять и ремонтировать в любой механической мастерской, где имеются токарно-винто- резный станок и электросварочный аппарат. В таранах с питательной трубой большого диаметра (ЕрПИ-250) нагнетательный узел находится вне воздушного колпака, непосредственно после ударного узла. Конструктивное же решение всех элементов такое же, как и в таране ЕрПИ-150. 63
Воздушные колпаки высоконапорных таранов типа ЕрПИ, предусмотренных для нагнетательных напоров 150—250 м, же- лательно изготовлять из кислородных баллонов. При значитель- ной производительности удобно применять тараны с двумя воз- душными колпаками. Тараны типа ЕрПИ имеют хорошие эксплуатационные пока- затели. КОНСТРУКЦИИ ДВУХЖИДКОСТНЫХ ТАРАНОВ В условиях, когда чистой родниковой воды недостаточно для работы тарана, а требуется нагнетать большую часть его рас- хода чистой воды, для нагнетания можно использовать наряду с родниковой водой непригодную для использования воду с доста- точным для работы тарана перепадом. Тараны, работающие по такому принципу, называются двухжидкостными. Рис. 30. Двухжидкостный таран На рис. 30 показана .конст- рукция самого простого двух- жидаостного тарана. По трубе Ti поступает загрязненная во- да, которая приводит в дейст- вие таран. На этой трубе вмес- то нагнетательного клапана установлена эластичная диаф- рагма. При работе ударного клапана диафрагма опускает- ся и поднимается, действуя как поршень, благодаря чему открываются и закрываются клапаны К и К\, действующие по принципу клапанов порш- невого насоса. Таким образом, через трубу Т2 чистая вода, не смешиваясь с грязной, подает- ся в воздушный колпак. Для диафрагмового тарана не требуется особое падение родниковой воды, а требуется зна- чительное падение загрязненной воды, чтобы привести в дейст- вие таран и получить достаточную энергию для подъема нуж- ного количества чистой воды. Наличие падения чистой воды только улучшает условия работы с энергетической точки зрения. Работа таких таранов при значительных напорах и расходах неэффективна. Их можно рекомендовать для нагнетательного напора до 20 м и для нагнетательного расхода до 0,3 л/сек. Более эффективным может оказаться двухжидкостный таран, в котором диафрагма заменена поршнем. Двухжидкостный таран с поршнем можно разрабатывать 64
для высоких нагнетательных напоров и значительных расходов. Укажем только, что при конструировании надо стараться вся- чески уменьшать вес поршня. КОНСТРУКЦИИ УДАРНОГО КЛАПАНА В литературе приводится много разнообразных типов удар- ных клапанов, имеющих те или иные особенности. Наиболее полную классификацию этих клапанов можно найти у проф. М. А. Мосткова [8]. Остановимся здесь на некоторых наиболее характерных ти- пах. По характеру совершаемого при работе движения клапаны бывают вертикально-качательные и вертикально-поступатель- ные. Клапаны, совершающие вертикально-качательное движе- ние, качаются вокруг неподвижной оси и могут быть располо- жены под различными углами по отношению к направлению движения воды. Такими клапанами являются ударные клапаны таранов АНГ-50 и УИЖ-К-ЮО, рассмотренные нами выше. Клапаны, совершающие вертикально-поступательное движе- ние, движутся по линии некоторого направляющего устройства. Такими клапанами являются клапаны таранов типа ТГ и ЕрПИ. Клапаны, совершающие вертикально-поступательное дви- жение, бывают тарельчатые и чашечные. Из указанных типов самыми распространенными являются тарельчатые клапаны различных модификаций. Эти клапаны имеют одно очень важное положительное свойство: при работе они закрываются очень быстро и даже при малых длинах пита- тельной трубы могут создать прямой удар, который желателен для эффективной работы установки. Коэффициент гидравличе- ских сопротивлений для этих клапанов больше, чем, например, для чашечных; больше также усилия, возникающие при меха- ническом ударе, однако быстрое закрытие в большинстве слу- чаев на практике компенсирует эти недостатки. На рис. 31 показан разрез ударного узла с чашечными кла- панами, сконструированного в Ереванском политехническом ин- ституте на основе клапана тарана Персола. Здесь ударный кла- пан 1, имеющий форму цилиндра, поднимается и опускается в наружном направляющем цилиндре 2. В период разгона на кла- пан постепенно начинают действовать увлекающая сила трения и разность давлений на его торцевые площадки, благодаря ко- торым он захлопывается, ударяясь о верхний неподвижный диск 3, сидящий на резиновом амортизаторе 4. Происходит гид- равлический удар. Чашечный клапан по сравнению с другими типами клапанов, имеющими такой же диаметр, обладает значительно большей пропускной способностью. Коэффициент гидравлических сопро- тивлений у этого клапана намного меньше, возникающие напря- 5—2542 65
жения на площадке удара очень малы и, следовательно, могут обеспечить большую длительность работы. Чашечный клапан имеет два крупных недостатка. Во-первых, в связи с малой си- лой увлечения он медленно закрывается, вследствие чего зна- чительно падает к. п. д. установки, особенно при малых значе- ниях длины питательной трубы. Во-вторых, чашечный клапан больше склонен к засорению. На таранах типа ЕрПИ взамен тарельчатых клапанов для производственного испытания были установлены чашечные. Рис 31. Чашечный клапан Рис. 32. К выводу инерцион- ных усилий В условиях чистой боды они работали бесперебойно длительное время. Однако на одной и той же установке при равных усло- виях чашечные клапаны давали производительность и к. п. д. почти в 2 раза меньше по сравнению с тарельчатыми. ♦ Чашечные клапаны можно рекомендовать только для рабо- ты в условиях чистой родниковой воды, если неограничен пита- тельный расход и нет необходимости иметь высокий к. п. д. В других условиях они не могут оправдать себя. Остановимся на некоторых вопросах, связанных с конструи- рованием и эксплуатацией тарельчатых ударных клапанов, как наиболее распространенных и характерных. Рассмотрим удар тарельчатого клапана о воспринимающее седло и определим величину возникающих при ударе напря- жений. Предположим, что клапан 1 (рис. 32) с общей массой М, движущийся со скоростью v, ударяет о седло 2 и останавли- вается. 66
Сила удара будет F = М— , dt (80) где —-----ускорение торможения клапана; откуда dv__F dt — М Инерционная сила, возникающая в сечении а—а (рис. 32) штока, будет f = («И где т — масса штока с опорной гайкой 4. С учетом выраже- ния (80) f = (82) М Сила удара F зависит от деформаций клапана и седла. Обозначая суммарно деформацию через б, напишем M — =F~ 2 2 или г Mv~ г = ---. 6 Подставив последнее выражение в формулу (81), найдем Отсюда следует, что инерционная сила, возникающая в сече- нии а—а направляющего штока, прямо пропорциональна массе штока и обратно пропорциональна деформации при ударе. Следовательно, увеличение веса направляющего штока в ре- зультате его удлинения или перегрузки верхней опорной гайки регулирующими грузами приводит к увеличению разрывающего усилия и напряжения в низшем сечении. Поэтому при конструи- ровании тарана необходимо стремиться к уменьшению длины штока и массы опорной гайки. При резиновой прокладке, когда металлический клапан уда- ряется прямо о резину, деформация резины настолько значи- ли тельна, что производная — чрезмерно не увеличивается, благо- dt даря чему возникающие напряжения в нижней шейке штока остаются в допустимых пределах даже при наличии регули- 5* 67
рующих грузов. Но и в этом случае при больших нагнетатель- ных напорах может произойти разрыв шейки штока. Если металлический клапан будет ударяться прямо о верх- ний металлический закрывающий фланец, то будут возникать такие огромные усилия, что шейка разорвется через несколько часов работы. На Гохтской установке в воздушном приспособлении с це- лью испытания вместо шарика был поставлен бронзовый клапан R Рис. 33. Ударный клапан с неподвижным штоком диаметром 15 мм со штоком диаметром 10 мм. При работе под напором 120 м шейка штока вышла из строя через не- сколько часов. В такой же короткий срок разорвалась шейка клапана, сделанного из стали 18ХГТ. Поэтому при значительных касторах не следует допускать удара клапана прямо о металлическое седло. Когда металлический клапан ударя- ется о металлическое кольцо малой мас- сы, опирающееся на резиновый аморти- затор, как это сделано в таранах ЕрПИ, положение улучшается. Правда, здесь в шейке штока напряжения намного уве- личиваются по сравнению со случаем удара о резину, но они остаются в пре- делах (выносливости материала. В этом случае нельзя рекомендовать регулирова- ние веса ударного клапана при помощи грузов. При (больших напорах даже без этих грузов шейка штока выходит из строя через несколько месяцев. Эти соображения и опыт многолетней эксплуатации высоконапорных установок привели к созданию ударного клапана, движущегося на неподвижном направляющем штоке. На рис. 33 показана конструкция такого клапана. Направ- ляющий шток 4 посредством гайки 6 опирается на корпус удар- ного узла. Клапан 3 свободно сидит на нижнем буртике 2 на- правляющего штока. Клапан надевают на шток при снятой гайке, нижнее отверстие его закрывают крышкой 1, которую приваривают к клапану. В периоде разгона клапан свободно скользит по штоку и закрывает отверстие истечения, а в такте отражения, падая, он опирается на буртик штока. Для предотвращения ослабления опорной гайки между ней и верхним торцом штока устанавливают эластичную шайбу 7. Завертывание и отвертывание гайки производится при помощи 68
стержня, вставленного в отверстие 8. Для стопора на штоке имеется отверстие 5. В нижнем сечении штока и при этой конструкции тарельча- того клапана развиваются некоторые напряжения, однако, они очень малы по сравнению с напряжениями, развивающимися в штоке, глухо соединенном с клапаном, поскольку кинетиче- ская энергия клапана при падении намного меньше, чем при подъеме. На многих действующих установках, на которых были часты случаи усталостного разрыва неподвижного направляющего штока, вызванного инерционными напряжениями, ударные кла- паны были заменены новыми — с неподвижными направляющи- ми штоками. Дальнейшая многолетняя эксплуатация показала эффективность этих клапанов. Случаи усталостного разрыва штоков больше не повторялись. Такие клапаны выходят из строя только по причине износа трущихся поверхностей штока и кла- пана. Когда износ доходит до степени, мешающей нормальной работе, в механических мастерских шток заменяют новым с не- сколько увеличенным диаметром. В условиях чистой воды такие клапаны работают без ремон- та несколько лет, т. е. в пределах 108 циклов. Амортизационные резиновые кольца работают очень долго. При долгой работе появляются трещины на ударовоспринимаю- щих кольцах от усталости и кавитационных явлений. КОНСТРУКЦИИ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО КЛАПАНА Нагнетательный клапан в таране предназначается для пред- отвращения обратного течения воды из колпака в питательную трубу в периоды разгона и отражения, когда нагнетания не происходит. В период нагнетания, для того чтобы клапан открылся, дав- ление со стороны питательной трубы должно значительно пре- вышать напор нагнетания. Это превышение зависит от коэф- фициента перекрытия ₽ = ^-_ СО Поскольку в момент отрыва клапана от седла под кольцом перекрытия абсолютное давление равно нулю, то силы, дейст- вующие на клапан со стороны питательной трубы и воздушного колпака в момент открытия, будут (рис. 34). (Р 4- Рат) = (рн ф" Рат) откуда -Р- = [3 + (3 — 1)^ . (84) Рн Рн 69
Следовательно, увеличение коэффициента перекрытия 0 при- водит к бесполезному, нежелательному повышению давления в питательной трубе, вызывающему повышение разрывающих на- пряжений в трубе и уменьшающему к. п. д. установки. В силу этого при конструировании нагнетательного клапана необходи- мо стремиться к уменьшению коэффициента перекрытия. При конструировании нагнетательного клапана необходимо стремиться также к уменьшению его веса. В отличие от ударного клапана, для которого вес являлся регулирующим параметром, для нагнетательного клапана он Рис. 34. К объяс- нению коэффици- ента перекрытия является конструктивным фактором. С увели- чением веса клапана увеличивается инерция, следовательно, и время закрытия клапана, тогда как для бесперебойной работы тарана и уменьшения обратного слива воды, сни- жающего к. п. д., мы должны стремиться к уменьшению этого времени. Таким образом, при достаточной прочности качество нагнетательного клапана характе- ризуют два фактора: коэффициент перекры- тия и вес. Из многих разнообразных типов нагнета- тельных клапанов рассмотрим здесь некото- рые, наиболее характерные. На рис. 35 показана конструкция так на- зываемого клапана-захлопки. Этот клапан очень прост, поскольку не имеет направляю- щего устройства. Клапан представляет собой резиновую пластину 2, соединенную с корпу- сом тарана двумя болтами. Для жесткости к пластине подсоединена металлическая накладка 1 с шайбой и болтом. Благодаря своей простоте этот клапан нашел широкое при- менение, в частности, он применяется в таранах ТГ-1 и УИЖ-К Недостатками его являются большой коэффициент перекрытия, доходящий до 3 при значительных напорах, и недостаточная прочность. Вследствие разрыва шейки клапан быстро выходит из строя, его можно рекомендовать для напоров 30—40 м. На рис. 36 показан нагнетательный клапан Трембовельского, совершающий при работе вертикально-поступательное движе- ние. Клапан 2 снабжен резиновой прокладкой 1 и двигается по неподвижному направляющему штоку 3, закрепленному в ниж- ней розетке клапана. Сверху клапан опирается на пружину, играющую роль саморегулятора хода и ускоряющую процесс закрытия. Преимуществом этого клапана является быстрое и герметич- ное закрытие, что очень важно в случаях малого нагнетательно- 70
гс расхода. При такой конструкции можно добиться значитель- ного уменьшения веса клапана. Недостатками клапана являются большой коэффициент пере- крытия, доходящий до 4 и сложность конструкции. Этот клапан можно рекомендовать для нагнетательных напоров, не превы- шающих 40—50 м, и для небольших расходов нагнетания в пре- делах 0,2—0,3 л!сек. С. Д. Чистопольский рекомендует при нагнетательных напо- рах, превышающих 50 м, использовать полностью металлические Рис. 36. Нагнетательный клапан Трембовельского клапаны. Однако, учитывая результаты проведенных нами эк- спериментов и приближенную теорию, приведенную для ударно- го клапана, с этой рекомендацией согласиться нельзя. Для длительной работы клапана, т. е. для ограничения на- пряжений, возникающих при ударе на седле клапана, как мы уже показали выше, необходима ощутимая деформация седла или клапана. Потому полностью металлические клапаны без амортизаторов никак не могут оправдать себя. На рис. 37 показана конструкция висячего клапана, предло- женная автором. Для уменьшения коэффициента перекрытия в этом клапане резиновой прокладке передается не полная сила давления, а ее ничтожная часть. Когда клапан 1 опускается и герметично закрывает отвер- стие, верхняя опорная гайка 2 направляющего штока доходит до опоры и предотвращает дальнейшее повышение напряжений в резиновой прокладке. Работа такого клапана для ограничения напряжений в рези- новой прокладке подлежит регулированию. При неправильном регулировании получится перенапряжение в нижней прокладке или неплотное закрытие отверстия. 71
пить контргайкой. Направляющий Регулирование производится следующим образом. Отвернув верхнюю опорную гайку 2 и контргайку 3, надо нажать на шток клапана так, чтобы клапан плотно закрыл отверстие. В таком положении следует завернуть гауку до опоры и закре- шток можно нажимать также слабо и опорную гайку закреплять в положении, не доходящем до опоры на расстояние 1 — 1,5 мм. Висячий клапан даст Рис. 37. Висячий нагнетатель- ный клапан возможность уменьшить коэффициент перекрытия до 1,3, благодаря чему несколько уменьшится и- вес клапана. Однако на- личие опорной гайки и контргайки не позволяет добиться значительного уменьшения веса. Опыт эксплуатации таких кла- ; панов показал полную пригодность их в услови- ях работы под напорами 100—120 м. Недостатками клапа- на являются сравнитель- ная сложность и необхо- димость регулировки воз- никающих в прокладке напряжений . Очень удобными и прочными оказались на- гнетательные клапаны, ударяющиеся о металли- ческие кольца, сидящие на резиновых амортизато- Рис. 38. Узел нагнетательного клапана та- РаХ’ предложенные авто- ранов ЕрПИ Ром и примененные в та- ранах типа ЕрПИ. Принцип действия такого клапана мы уже разбирали на стр. 68. Поэтому здесь приведем только конструктивное офор- мление нагнетательного клапана (рис. 38). Такие клапаны могут быть выполнены как для вертикально-поступательного, так п для горизонтально-поступательного движений. Как видно из рис. 38, нагнетательный клапан собирают в от- дельном узле, который снимают при необходимости очистки или ремонта. 72
ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДАЧИ ВОЗДУХА Для нормальной работы тарана колпак должен систематиче- ски заполняться воздухом. Во время работы тарана запас воз- духа в колпаке постепенно уменьшается, воздух растворяется в воде и уходит с ней в нагнетательный трубопровод. Раствори- мость воздуха в воде увеличивается с увеличением давления, поэтому при больших нагнетательных напорах снабжение воз- духом приобретает особенно важное значение. Из способов автоматической подачи воздуха в колпак самым простым является подача его через пробку с отверстием, полу- чившую название форсунки Чистопольского (рис. 39), приме- ненная на таране ТГ-1. На пробке 2, ввернутой в питательную трубку, имеется небольшое отверстие 1. В периоды разгона и нагнетания из этого отверстия вытекает наружу тонкая струя воды, в период же отражения, когда нагнетательный клапан за- крывается и в таранном узле образуется вакуум, через отверстие засасывается воздух, который в следующий период нагнетания подается в воздушный колпак. Таким путем при каждом цикле работы тарана в воздушный колпак подается определенный объем воздуха, часть которого вытекает в нагнетательный тру- бопровод, а другая часть в виде пузырьков выделяется из воды и поднимается в верхнюю часть колпака. Количество засасы- ваемого воздуха зависит от диаметра отверстия. Увеличение диаметра до некоторого его значения приводит к увеличению засасываемого количества воздуха. Надо иметь в виду, что в период нагнетания из этого отвер- стия вытекает наружу и теряется определенный объем воды, следовательно, увеличение диаметра отверстия весьма нежела- тельно. Поэтому форсунка Чистопольского практически применима, когда требуется небольшое количество воздуха. Она дает хороший эффект при больших отношениях напо- h * ров —, когда величина образующегося вакуума значительна, н благодаря чему, несмотря на малый размер отверстия, в каждом цикле засасывается достаточное количество воздуха. При срав- нительно малых значениях отношения напоров, особенно когда питательный напор велик, пробка не обеспечивает нормального снабжения воздухом. Она имеет и другой недостаток: из-за ма- лого диаметра отверстие часто засоряется. Д. И. Трембовельский в конструкции тарана ТГ-2 предлагает другой способ снабжения воздухом (см. рис. 26). Чашу ударного узла соединить трубкой 3 с нагнетательным узлом, чтобы воз- дух, попавший в чашу при опускании ударного клапана, в пе- риод нагнетания подавался под нагнетательный клапан. 73
По просьбе Д. И. Трембовельского в лаборатории гидравли- ки Ереванского политехнического института были проведены опыты для сравнения эффекта засасывания воздуха через проб- ку с отверстием и при помощи приспособления, предложенного для царана ТГ-2. Лабораторные опыты, а также эксплуатация таранов, снаб- женных пробкой, показали, что пробка очень надежна в работе. Несколько ухудшается ее эффект при малых отношениях напоров . Приспособление же Д. И. Трембовельского при указанных лабораторных исследованиях не дало положительного эффекта, поэтому оно не было использова- Рис. 39. Форсунка Чистопольского и пробка с шариком Рис. 40. Воздушное приспособле- ние тарана ЕрПИ В таранах типа ЕрПИ при производственных испытаниях снабжение воздухом осуществлялось через пробку с отверстием и другим новым способом, дающим более надежный эффект. Этот способ исключает возможность засорения, полностью уст- раняет потери нагнетательного расхода и обеспечивает засасы- вание достаточного количества воздуха при отношении напо- /I г. ров — > 2. Приспособление (рис. 40) имеет два шариковых клапана 1 и 2, установленных на трубке, подсоединенной к питательной 74
трубе. В период отражения открывается клапан 1 и засасывает- ся некоторое количество воздуха, а в период нагнетания откры- вается клапан 2 и этот воздух с водой подается в воздушный колпак. Это приспособление по конструкции намного сложнее проб- ки, но оно оправдывает себя и в тех случаях, когда пробка не дает необходимого эффекта. Приспособление позволяет изменять количество подаваемо- го воздуха путем изменения диаметра отверстия клапана. Форсунку можно заменить пробкой, снабженной шариковым клапаном, которая также дает хороший эффект и исключает возможность засорения. Но как в случае пробки с отверстием, так и здесь воздух перемешивается с нагнетаемой водой и не- полностью выделяется в колпак. При использовании приспособ- ления с двумя клапанами воздух подается в колпак значительно выше нагнетательного клапана и выходного патрубка нагне- тательной линии, благодаря чему уменьшается количество воз- духа, попадающего с водой в нагнетательную линию. Лабораторные и производственные испытания подтверждают полную надежность работы этого приспособления при всяких параметрах таранных установок. Исходя из проведенного анализа способов снабжения тара- нов воздухом, можно прийти к следующему выводу: 1) в условиях чистой воды и отношений напоров — > 4 вполне приемлема пробка с отверстием; 2) при этих же отно- шениях напоров, но для нечистой воды вместо пробки с отвер- стием следует применять пробку с шариком; 3) в остальных случаях необходимо прибегать к приспособлению с двумя кла- панами. Поэтому на таранах ЕрПИ одновременно устанавливают и приспособления с двумя клапанами и пробку с шариком. В за- висимости от условий работы тарана можно использовать лю- бой из указанных трех способов. Когда нет надобности в при- способлении с двумя клапанами, его можно заглушить и ис- пользовать нижнее отверстие на корпусе, ввернув в него пробку с шариком или пробку с отверстием.
Глава 4 ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТАРАННЫХ УСТАНОВОК Важнейшими проектными данными при проектировании гид- ротаранной установки являются возможный питательный на- пор Н, геометрический нагнетательный напор hi, питательный расход Q и необходимый нагнетательный расход q. Исходя из рельефа местности и экономических соображений определяют место установки тарана. После этого нивелирова- нием или измерением теодолитом определяют разность отметок места установки тарана и места расположения источника пита- ния, в результате чего получают предварительное значение пита- тельного напора. По результатам этих измерений строят про- дольный профиль трассы питательной линии, нужный для проек- тирования питательной трубы. В ходе этой работы может воз- никнуть необходимость уточнения заранее намеченного места установки гидротарана. В случае когда заранее известно, что имеющийся расход во- ды велик и полностью для гидротарана не может быть использо- ван, тогда нет надобности в измерении питательного расхода Q. Когда же имеющийся расход воды используется полностью, то для выяснения эффективности установки необходимо измерить расход Q, Измерение небольших расходов, доходящих до 4—5 л/сек, можно произвести объемным способом. Для этого достаточно иметь посуду емкостью 30—40 л и секундомер. Измерение же сравнительно больших расходов воды, поряд- ка 200—300 л!сек. и более, удобно производить с помощью тре- угольного водослива, имеющего вид металлического листа с вы- резом, в виде прямоугольного треугольника (рис. 41). Поток, расход которого подлежит измерению, направляют в русло, пе- регороженное треугольным водосливом. Затем измеряют напор водослива Н, на основании которого расход Q определяют по формуле Q = l,343№47, (85) где Q — изливаемый через водослив расход в м31сек; Н — напор в м. Расход Q можно определить по табл. 5, составленной на ос- новании формулы (85). 76
Расход Q треугольного водослива в зависимости от напора Н Таблица 5 Н в ем Q в л/сек Н в см Q в л/сек Н в см Q в л) сек 3,0 0,23 8,0 2,62 25 43,82 3,5 0,34 8,5 3,23 27,5 55,36 4,0 0,47 9,0 3,51 30 68,67 4,5 0,63 9,5 4,01 35 100,4 5,0 0,82 10 4,55 40 139,9 5,5 1,04 12 7,14 45 186,9 6,0 1,29 14 10,45 50 242,7 6,5 1,54 16 14,54 55 306,8 7,0 1,89 18 19,43 60 380,1 7,5 2,22 20 25,29 65 463,2 Точность измерения расхода зависит от следующих требова- ний, предъявляемых к установке треугольного водослива: 1) водослив должен быть установлен так, чтобы плоскость его была вертикальна, а прямой угол выреза установлен симмет- рично относительно вертикальной оси; Рис. 41. Треугольный водослив 2) перед водосливом должна быть достаточная глубина и ширина русла, при которых можно было бы пренебрегать под- ходной скоростью потока; 3) после водослива горизонт воды должен быть ниже отмет- ки вершины угла, с тем чтобы слив был свободный. Нагнетательный напор, представляющий собой вертикальную высоту от тарана до верхней отметки нагнетательного бассейна, измеряют после того, как уже будут установлены места располо- жения тарана и нагнетательного бассейна. Нагнетательный напор измеряют нивелиром или теодолитом. По данным нивелировки строят профиль нагнетательной линии. 77
Нагнетательный необходимый расход q определяют исходя из целей построения таранной установки. Если установка пред- назначена для орошения, то ее производительность определяется площадью, подлежащей орошению, и величиной гидромодуля для данного состава культур. Для установки же водоснабжения необходимый нагнетательный расход q определяется числом жителей населенного пункта, числом голов крупного и мелкого скота, птиц и других животных, а также количеством воды, по- требной для производственных объектов. КАПТАЖ И ПОДВОДЯЩИЙ ТРУБОПРОВОД родники, ав воду в Если таранная установка питается родниковыми водами и предназначена для водоснабжения, то необходимо каптировать верху закрытый канал, кото- рый нужно закрывать еще последовательными слоями гравия, песка и глины для полной изоляции от дожде- вых вод (рис. 42). Капти- рованная таким путем вода подается в питательный бас- сейн через закрытый трубо- провод. В начале подводящего трубопровода строят не- большой водоприемный бас- сейн, в котором устанавли- вают мелкую решетку (сет- ку) для предотвращения го - падания наносов в пита- тельный бассейн. Глубина водоприемного бассейна должна быть такой, при которой невозможно образование воронок, занося- щих воздух в трубопровод. В противном случае резко умень- шается пропускная способность последнего. Чтобы этого избе- жать достаточно, чтобы уровень воды в бассейне находился выше верхней кромки трубопровода не менее чем на 20 см. В конце подводящего трубопровода при его входе в пита- тельный бассейн устанавливают задвижку, с помощью которой можно прекращать подачу воды в питательную трубу. При за- крытом положении задвижки уровень воды в каптажном бас- сейне может подняться до нежелательных отметок. Чтобы это избежать, на верхней кромке стены каптажного бассейна делают отверстие свободного слива воды. На вырезе водослива устанавливают сетку, предотвращающую возможность попада- ния в бассейн водоплавающих животных и насекомых. 78
Поскольку в подводящем трубопроводе давление незначи- тельное, то для его прокладки могут быть использованы любые трубы: газовые, чугунные, асбоцементные и др. Диаметр труб обусловлен расходом воды и уклоном, подбор которого следует производить, используя табл. 4. При использовании речной воды подводящий трубопровод можно заменить открытым деривационным каналом, в начале которого необходимо построить отстойный бассейн. ПИТАТЕЛЬНЫЙ БАССЕЙН После подводящего трубопровода или канала вода попадает в питательный бассейн (рис. 43). Питательный бассейн предна- значается для успокоения поступающего потока, удаления из воды пузырьков воздуха и (что самое главное) предотвращения попада- ния воздуха из атмосфе- ры в питательную трубу в результате колебаний горизонта воды при рабо- те тарана. Размеры бассейна должны быть такими, чтобы в нем при работе гидротарана колебание горизонта воды не толь- ко не приводило бы к по- паданию воздуха в пита- тельный трубопровод, но и не образовывало силь- ные волны. Поскольку размеры питательного бассейна по- лучаются небольшими, то их можно подобрать кон- Рис. 43. Питательный бассейн: / — подводящая труба; 2 — водослив; 3 — труба для очистки и холостого сброса; 4 — питательная труба структивно или же определить исходя из грубо приближенных расчетов. Глубина бассейна выбирается такой, чтобы от нижней кромки питательной трубы до дна оставалось 30—40 см, а от верхней кромки до уровня воды — от двухкратного до трехкрат- ного диаметра питательной трубы. Площадь бассейна определяют с учетом некоторого допу- стимого колебания уровня воды АН. Если допустить, что мини- мальный горизонт воды соответствует горизонту в конце периода разгона, а максимальный — в конце периода нагнетания, то очевидно 2 _ ьн 79
Опыт показывает, что неприятных явлений не обнаружи- вается, если брать АН=1ч-2сл/. В установках, предназначенных для водоснабжения, бассейн должен быть закрытым. На его стене в обязательном порядке предусматривается водослив. Вода, сливающаяся через него, свидетельствует о создании условий для бесперебойной работы гидротаранной установки. При отсутствии слива горизонт воды прогрессивно снижается и работа установки может прекра- титься. При этом следует помнить, что в гидротаранных уста- новках при уменьшении питательного напора расход воды не уменьшается, а увеличивается. Когда горизонт воды в бассейне падает, в периоде разгона уменьшается давление на ударный клапан, в результате чего он закрывается медленнее, причем увеличивается продолжительность периода разгона, а следова- тельно, увеличивается и расход воды из гидротарана. Это обстоятельство приводит к более быстрому прогрессивному сни- жению горизонта воды в бассейне. В связи с этим работу гидротаранной установкихнужно регу- лировать так, чтобы обязательно был некоторый, хотя бы незна- чительный слив воды из бассейна. Соединение питательной трубы с бассейном осуществляют без задвижки. Опыт работы показывает, что задвижки, устанав- ливаемые в начале или в конце питательной трубы, не в состоя- нии выдержать знакопеременную нагрузку от гидравлического удара и потому часто бывают причиной перебоев в работе уста- новки. Поэтому задвижки рекомендуется устанавливать в тех узлах, на которые гидравлический удар не распространяется. Как указывалось выше, задвижку удобно устанавливать у входа в питательный бассейн. Питательные бассейны для малых установок могут быть металлическими и бетонными, для больших — бетонными. В ме- таллических бассейнах питательную трубу приваривают к стене бассейна, в бетонных — начало питательной"трубы обматывают льняной веревкой и заливают бетоном. Непосредственно в на- чале питательной трубы устанавливать сетку или решетку не рекомендуется, поскольку это может уменьшить пропускную способность трубы. У дна бассейна должно быть отверстие для очистки. На патрубке отверстия с наружной стороны устанав- ливают задвижку с диаметром проходного сечения, равным (или несколько меньше) диаметру питательной трубы. ПИТАТЕЛЬНАЯ ТРУБА И ЕЕ ДЛИНА Питательная труба является неотъемлемым и очень важным элементом таранной установки. Надежность работы гидротарана зависит от того, насколько правильно спроектирована и уста- новлена его питательная труба. Особое значение это имеет при 80
использовании питательных напоров, превышающих 10 м. Про- ектируя установку, необходимо обратить внимание на подбор диаметра, материала, длины, профиля питательного трубопро- вода и предъявлять особые требования к монтажным работам. Диаметр питательной трубы следует выбирать равным диа- метру входного патрубка гидротарана, но это, конечно, необя- зательно. Расчеты показывают, что гидротаран определенного диаметра при работе с питательной трубой различного диаметра дает различные характеристики. Увеличение диаметра питатель- ной трубы по отношению к диаметру тарана приводит к увели- чению возможного питательного расхода, а следовательно, и производительности установки. Уменьшение диаметра пита- тельной трубы вызывает движение воды по питательной трубе при данном питательном расходе, а это, в свою очередь, вызы- вает необходимость увеличения высоты нагнетания. Поэтому в отдельных случаях может возникать необходимость выбора питательной трубы с диаметром, отличающимся от диаметра тарана. При наличии неограниченного питательного расхода и не- больших высот нагнетания целесообразно увеличивать диаметр питательной трубы, в связи с чем значительно увеличится про- изводительность установки. К увеличению диаметра можно при - бегиуть еще в случае больших питательных напоров, если длина трубы получается очень большой. Необходимость уменьшения диаметра питательной трубы пр отношению к диаметру тарана может возникнуть только в слу- чаях очень больших по абсолютному значению нагнетательных напоров и если питательный расход ограничен. Во всех осталь- ных случаях желательно диаметр питательной трубы выбирать равным диаметру тарана. Эффективность изменения диаметра питательной трубы по отношению к диаметру тарана в каждом случае следует прове- рять проведением полного расчета установки. Немаловажную роль в надежной работе установки играет материал питательной трубы. Опыт эксплуатации таранных установок показывает, что наиболее подходящими для этих целей являются стальные бесшовные трубы. Газовые трубы со швами можно использовать только для установок с нагнетатель- ным напором, не превышающим 30—40 м. При эксплуатации иногда от случайных причин давление может значительно пре- вышать расчетное и тогда трубы со швами могут выйти из строя. Использование чугунных и асбоцементных труб для питательной линии не рекомендуется. Питательная труба должна быть герметичной, иначе в пе- риод отражения, когда в ней образуется вакуум, через малей- шие неплотности будет засасываться воздух, который сбивает с такта работу тарана. Чтобы этого избежать, соединения труб 6-2542 81
тщательно проваривают. Соединение нагнетательных труб муф- тами не оправдывает себя. О длине питательной трубы в существующей литературе по таранам имеются разноречивые мнения. Свиндин утверждает, что длина питательной трубы должна превышать четырехкрат- ный питательный напор. Рено предлагает эту длину брать в 6—12 раз больше питательного напора [14]. Эти утверждения основаны на опыте работы малых таранов и в условиях работы малых питательных напоров. Они теоре- тически не оправдываются и являются тормозящим фактором Что» л/сен 6г~ ^2^ ЪН-5м; h-Км - , <2-150м М; Н-10м О 10 20 30 90 50 60 10 80 90 1м Рис. 44. График изменения максимальной производительности в зави- симости от длины питательной трубы в создании мощных установок с использованием высоких' пита- тельных напоров. О длине питательной трубы делает очень ценные замечания проф. М. А. Мостков. Анализируя этот вопрос, он приходит к заключению, что для получения максимальной производитель- ности таранной установки по возможности надо укоротить пита- тельную трубу. Проведенные исследования в Ереванском политехническом институте также говорят в пользу сокращения длины питатель- ной трубы. Многочисленные расчеты и опыт эксплуатации показывают, что гидротаранные установки с питательной трубой меньшей длины имеют производительность и к.п.д. большие, чем однотип- ные установки с питательной трубой большей длины. На рис. 44 показана расчетная зависимость производитель- ности установки от длины питательной трубы одинакового диа- 82
метра 150 мм, но с различными питательными и нагнетатель- ными напорами. Из графика видно, что наибольший эффект получается при меньших значениях длины питательной трубы. Анализ уравне- ния (77) также показывает, что при уменьшении длины пита- тельной трубы производительность увеличивается и при прибли- жении к нулю приобретает наибольшее значение. Однако пол- ностью с этим согласиться нельзя, так как при очень малых значениях длины питательной трубы приведенная теория не- верна. При построении этой теории мы исходили из того, что процесс закрытия ударного и нагнетательного клапанов про- исходит мгновенно. Из этого следует, что при всех длинах трубы происходит прямой гидравлический удар, характеризую- щийся повышением давления по диаграмме на рис. 19. В дей- ствительности же процесс закрытия клапанов происходит хотя и за очень малый, но все же некоторый конечный промежуток времени, с которым в данном случае нельзя не считаться. Время закрытия ударного клапана, по данным Б. М. Бубе- кина, имеет порядок 0,01 сек.. С. Д. Чистопольский предлагает принимать это время равным 0,01—0,02 сек, что также под- тверждается осциллограммами, снятыми А. А. Искандаряном. С. Д. Чистопольский и А. А. Искандарян предлагают за мини- мальную длину питательной трубы считать ту, при которой все же получается прямой удар. С учетом этих предложений, мини- мальная длина получается равной 10—15 м. И действительно, уменьшать длину ниже этих значений нецелесообразно, так как при этом, в особенности в случаях больших питательных напо- ров, число ударов настолько увеличивается, что становятся опасными усталостные напряжения. Если за основу принять некоторое оптимальное число ударов в минуту N, то можно записать следующую приближенную фор- мулу для определения длины питательной трубы: I = МIL. (86) Эти выводы сделаны на основании результатов теоретиче- ского разбора процесса работы тарана. На практике местные конкретные условия иногда вызывают иные решения, поэтому категорически предлагать руководствоваться указанными дан- ными не следует. В каждом конкретном случае необходимо счи- таться с местными условиями. Если местные условия таковы, что естественная длина питательной трубы не намного превы- шает ее значение, полученное с помощью вышеуказанного рас- чета, то можно принять эту длину без оговорок. В случае же когда рельеф местности диктует очень большую длину питатель- ной трубы, следует прибегнуть к методам искусственного ее сокращения. При искусственном сокращении длины питательной 6* 83
трубы, кроме технических условий, указанных выше, надо иметь в виду также некоторые экономические соображения. Искус- ственными методами сокращения длины питательной трубы являются применение уравнительных башен и уравнительных воздушных колпаков. При больших питательных напорах для бесперебойной ра- боты тарана играет определенную роль профиль питательной трубы (рис. 45). Если про- филь выпуклый (рис. 45, профиль I), то в момент открытия ударного клапана, образовавшийся вакуум мо- жет привести к кавитации и разрыву сплошности пото- ка. Разрыв сплошности сби- вает таран с такта и оста- навливает его действие. Экспериментальные ис- следования Р. Е. Трозяна, показали, что если в воде Рис. 45. Желательный и нежелательный профили питательной трубы содержится хотя бы малейшее количество воздуха, то разрыв сплошности потока наступает при вакууме порядка 2—3 м. Прямолинейный и вогнутый профили (рис. 45, профили //) в момент открытия ударного клапана исключают возможность образования вакуума, поэтому они являются желательными, а выпуклый профиль нежелательным. УРАВНИТЕЛЬНАЯ БАШНЯ При выборе места уравнительной башни (рис. 46) необхо- димо исходить из условий местности, а также иметь в виду фор- мулу (86), определяю- щую оптимальную дли- ну питательной трубы при числе ударов N, имеющем значение в желательных пределах. В гидротаранной ус- тановке с уравнитель- ной башней для подво- дящей части трубопро- вода нет надобности предъявлять те требо- вания, которые предъ- Рис. 46. Схема установки с уравнительной башней'. 1 — подводящая труба; 2 — перегородка;; 3 - - пи- тательная труба; 4 — отверстие являются к питатель- ной трубе, поскольку на эту часть гидравлический удар почти не распространяется. В подводящей части вакуум не образуется, 84
следовательно, нет опасения засасывания воздуха и, разумеется, нет надобности в высокой степени герметичности соединений. Давление в этой части мало превышает гидростатическое. Эти обстоятельства позволяют на подводящем участке трубопровода использовать любые трубы: газоъые со швами и муфтовыми соединениями, чугунные и асбоцементные. Расчеты показывают, что для уравнительной башни не тре- буется особо большой объем. Не приводя здесь эти расчеты, выскажем некоторые чисто практические соображения. Для нор- мальной работы установки достаточно диаметр уравнительной башни принимать в 2 раза больше диаметра питательной трубы. Верхняя кромка башни должна быть выше гидростатического горизонта в питательном бассейне. Превышение же должно быть таким, чтобы в нем помещался объем воды, проходящий через питательную линию за один полный период работы тарана. На уравнительной башне несколько ниже гидростатического горизонта следует предусматривать малое отверстие 4 (рис. 46) для постоянного истечения небольшого расхода воды. Это отвер- стие оставляют открытым в период низких внешних температур во избежание замерзания воды в башне и подводящей трубе при остановке тарана вследствие случайных причин. Опыт эксплуатации показывает, что установка задвижки непосредственно на питательной трубе приводит к неприятным явлениям. Во время работы тарана задвижка, находясь под зна- копеременной нагрузкой, быстро выходит из строя. Кроме того, задвижка может вызывать сбивание такта тарана, вследствие засасывания воздуха через сальник. Поэтому ее рекомендуется устанавливать не на самой питательной трубе, а на подводящей линии до питательной трубы. При наличии уравнительной баш- ни наиболее удобным местом для установки задвижки является входное отверстие в башне. УРАВНИТЕЛЬНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ КОЛПАК Если профиль местности вогнутый, то установка уравнитель- ной башни не представляется возможной- В этом случае лучше устанавливать уравнительный воздушный колпак (см. рис. 4). При воздушном колпаке колебание давления в подводящей тру- бе может происходить в большем диапазоне по сравнению с башней, но оно практически не меняет условий работы и прочно- сти подводящего трубопровода. Объем воздушного колпака зна- чительно меньше объема уравнительной башни. Применение уравнительного воздушного колпака вызывает необходимость систематического пополнения его воздухом. При чрезмерном уменьшении количества воздуха в коллаже, вслед- ствие уноса его с водой, волна удара может проникнуть в под- 85
водящий трубопровод и этим вызвать нарушение нормального режима работы установки. Для воздухоснабжения уравнитель- ного колпака автором предложено и осуществлено на несколь- ких установках специальное приспособление, действующее автоматически. На питательной трубе на расстоянии 2—3 м от уравнитель- ного колпака устанавливается обычное воздушное приспособле- ние таранов ЕрПИ, выход которого трубой диаметром 25 мм соединяется с уравнительным колпаком (рис. 47) выше отметки Рис. 47. Уравнительный колпак с приспособле- нием воздухоснабжения: Г—подводящая труба; 2—воздушная труба; 3—питатель- ная труба верхней кромки подводящей трубы на 10—15 см. Когда отри- цательная волна в /период отражения минует точку соединения воздушного приспособления, то он начинает засасывать воздух, который впоследствии в период нагнетания подается в колпак. В течение работы бывает такое скопление воздуха, что он начи- нает попадать в питательную трубу, что весьма нежелательно, так как может привести к остановке работы. Чтобы скопивший- ся лишний воздух не попадал в питательную трубу, на колпаке выше отметки подводящей и питательной труб предусматривают отверстие диаметром 1—2 мм, через которое воздух выходит в атмосферу. Представим, что на питательной линии установки имеется воздушный колпак К с объемом воздуха в конце периода раз- гона под абсолютным давлением р0 (рис. 47). Для состав- ления уравнения изменения объема примем, что скорость в под- водящей трубе постоянная. В момент времени t в период повы- шения горизонта в колпаке за бесконечно малый промежуток Д/ благодаря разности поступающего из подводящей трубы и ухо- дящего в питательную трубу расходов в колпаке объем воды будет изменяться на AII7 Это изменение объема воды в колпаке приведет к тому же изменению объема воздуха с обратным знаком (—ЛИ7) и соот- ветствующему изменению давления. 86
Принимая процесс адиабатическим, можем написать p0Wk0 = pWk откуда Г = Г0(^)\ Уменьшение объема - АГ = W - Го = — Го 1 Обозначая ----- = а, получим i-f-F ' Ро / Го = аЛГ. (87) (88) Ниже приведены значения коэффициента а в зависимости от — для воздуха (6=1,40) Ро р Ро 1 1,05 1,10 1,15 1,20 1,50 2,0 а сю 28,0 15,4 10,5 8,0 4,0 2,9 Чтобы по уравнению (88) определить полезный объем кол- пака, необходимо иметь значение приращения объема воды ДГ за все время подъема горизонта в колпаке в одном периоде Т работы тарана. Точное определение этого приращения объема рассмотрено в работе [10]. Здесь приведем приближенный способ расчета, приемлемый для установок с питательными трубами до 150 мм. Низший горизонт воды в колпаке устанавливается в конце периода раз- гона, после чего начинается его повышение, которое продол- жается в течение всех фаз периода нагнетания, периода отра- жения, а также в начальное время последующего периода разгона. Продолжительность времени в период разгона, за которое еще продолжается повышение давления в колпаке, определим исходя из следующих допущений. Примем, что за это время расход в питательной трубе возрастает по линейному закону и в конце периода разгона примем значение его, равное 2Q, как 87
это приблизительно получается в большинстве случаев при опти- мальном режиме работы установки. Тогда в момент времени (считая от начала периода раз- гона) изливаемый расход примет значение, равное Q, т. е. по- ступающий в колпак и уходящий из него расходы будут равны, после чего начнется понижение горизонта в колпаке. Полное время повышения горизонта в колпаке будет in + t0 4- — . За это время из подводящей трубы в уравнительный колпак поступит объем воды, равный Q (tH -Wo Н—, а из колпака выйдет полный нагнетаемый объем за один период работы тарана, равный qT, и изливаемый из тарана объем за промежуток , который ввиду линейного закона возрастания й ' Qi . расхода будет равен — . 1огда приращение объема воды 4 в уравнительном колпаке за весь период подъема горизонта будет A UZ = Q (tH + to + у) - (у + QT) . (89) Имея в виду, что t „ + t0 = Т—t, полученное уравнение будет ЛЙ7 = (Q — q)T ~~Qt. (90) 4 Все величины, входящие в правую часть уравнения (90), за- ранее должны быть известны из расчета производительности и числа ударов установки. Подставив значение AU7 в уравнение (88), найдем полезный объем воздушного колпака. Й7О= J(Q-fl)T- 3 QZ1. (91) 4 J На рис. 48 приведен график изменения, а в зависимости р от — Ро Изменение крутизны кривой показывает, что практически вы- годное значение отношения — находится в пределах 1,15—1,20. Рч 88
В частности, если примем — = 1,20, т. е. примем, что колеба- ния давления в а, Ро колпаке составляют 20% от начального давле- ния, то, пользуясь приведенной выше таб- лицей, найдем коэффициент сс = 8 и для по- лезного объема колпака окончательно полу- чим формулу 28,0 15,4 8,0 4,0 2,9 -q)T- \ (92) Примененные по предложению автора уравнительные воздушные колпаки на Гохтской и Гндевазской установках в Ар- мянской ССР, Дунусской установке в Гру- зинской ССР полностью себя оправдали.. 1,0 1,05 1,10,, 1,20 1,5 2,0 £. Ро Рис 48. График изменения коэффициента а в зависимости от — Ро ВОЗДУШНЫЙ КОЛПАК ТАРАНА. УСТАНОВКА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО КОЛПАКА Объем воздуха, содержащегося в воздушном колпаке имеет важное значение для нормальной работы тарана. Недостаток его вызывает сильную пульсацию, оказывающую отрицательное влияние как при повышении так и при понижении давления. Чрезмерное повышение давления может привести к разрыву воздушного колпака, питательного или нагнетательного трубо- провода. Понижение давления вследствие пульсации в нагнета- тельном трубопроводе может довести нагнетательный напор до значения, не превышающего двухкратный питательный напор, при котором таран останавливается. Кроме того, пульсация уве- личивает также фактический нагнетательный напор, что умень- шает производительность и к.п.д. установки. При достаточном количестве воздуха в колпаке таран рабо- тает устойчиво, ритмично, сглаживается подача воды в нагне- тательный трубопровод, сильно уменьшаются шум и вибрации. Можно привести много примеров, когда из-за недостатка воз- духа лопались воздушные колпаки, сделанные из цельнотянутых труб, или же при достаточной прочности системы прекращалась подача воды. В последнем случае таран продолжает работать, вся система сильно вибрирует, работа сопровождается шумом. 89=
На Ангехакотской таранной установке, имеющей питатель- ный напор 28 м и нагнетательный напор 90 м, воздушный кол- пак тарана ЕрПИ-100, изготовленный из цельнотянутой сталь- ной трубы диаметром 300 мм и толщиной стенки 8 мм, лопнул в вертикальном направлении вследствие ненормальной подачи воздуха в колпак. Объем серийно выпускаемого воздушного колпака тарана не всегда может оказаться достаточным для нормальной работы установки. Поэтому при проектировании следует определить необходимый объем воздушного колпака данной установки и сравнить его с объемом колпака, выпускаемого промышлен- ностью. Если окажется, что объем последнего недостаточен, не- обходимо будет на нагнетательной линии непосредственно за тараном предусмотреть дополнительный колпак недостающего объема. Чтобы определить необходимый объем воздушного колпака для данной установки, исходим из следующих соображений. Предположим, что полезный объем колпака, т. е. часть объема колпака, находящаяся выше того уровня, где попадание воздуха может помешать работе тарана, равен 11%. При ударе за один цикл работы тарана из питательной трубы в колпак вливается объем жидкости, равный qT. За этот же промежуток времени из колпака в нагнетательный трубопровод удаляется вода в объеме q(T—t). Здесь q — производительность установки, Т — продолжительность полного цикла и t — продолжительность периода разгона. Следовательно, приращение объема воды в колпаке в конце периода нагнетания будет \W = qT — q(T — t} = qt. (93) Изменение объема воды и необходимый объем колпака свя- заны соотношением (88), которое с учетом формулы (93) будет: 11% = aqt. (94) Коэффициент а зависит от отношения —, т. е. от относи- Ро тельного повышения давления в колпаке в период нагнетания^ Если, например, примем, что в период нагнетания допускается повышение давления на 10% по отношению к абсолютному Р Р давлению в начале нагнетания, т. е. примем, что— =----------= Ро Pam + W = 1,10 и в связи с этим из таблицы возьмем а~ 15, то можем записать Wo = \5qt. (95) При таком выборе объема колпака повышение давления на 10% будет происходить во время нормальной работы тарана, когда этот объем полностью заполнен воздухом. Однако в на- чальный период пуска тарана объем воздуха, находящегося под 90
атмосферным давлением, по мере повышения давления вслед- ствие подачи воды в нагнетательный трубопровод сжимается и в момент полного повышения давления фактический объем воздуха в колпаке уменьшается. Поэтому при пуске тарана сле- дует искусственно наполнить колпак воздухом с помощью насоса под давлением полного нагнетательного напора или же вначале отрегулировать таран не на полную производительность. С этой целью следует ударный клапан отрегулировать на малый ход, при котором уменьшается производительность q и, следователь- но, требуемый объем воздуха в колпаке и увеличивается частота ударов, которая ускоряет процесс наполнения колпака воздухом. После 8—10 ч работы тарана при таком режиме установку мож- но уже регулировать на полную производительность. ПОМЕЩЕНИЕ ДЛЯ ТАРАНА Помещение для тарана вообще не обязательно. В зависи- мости от местных условий и назначения таран можно оставлять под открытым небом. Поскольку тараны, предназначенные для орошения, в зимний период не работают, то нет опасности их замерзания. Однако при подготовке к зиме их необходимо пол- ностью освободить от воды и смазать солидолом. Таранные установки, работающие на водоснабжении, необ- ходимо укрывать в соответствующих помещениях, а территорию от источника до помещения ограждать с целью запрещения до- ступа посторонних лиц (а также животных) и соблюдения сани- тарных условий. Размеры помещения для тарана должны быть такими, чтобы в нем можно было свободно разместить все оборудование, включая дополнительные воздушные колпаки и инструмент. Расстояние между осями таранов диаметром до 150 мм должно быть 1,25—1,5 м. Высоту помещения достаточно взять равной 2,20—2,50 м, если высота воздушного колпака не вызы- вает необходимости ее увеличения. При этом высота помещения должна быть на 0,3—0,5 м больше высоты колпака. В помещении строят бетонные фундаменты для таранов, горизонтальные размеры которых в плоскости определяют по габаритам тарана, а глубину в зависимости от нагнетательного напора. При больших нагнетательных напорах увеличиваются вибрации тарана при работе, в результате чего возникают уси- лия, разрушающие фундамент. В этих условиях высоту послед- него значительно увеличивают, а иногда и армируют фундамент. С учетом этих соображений высота фундамента берется в пре- делах 0,3—1,0 м. Таран на фундаменте иногда крепят анкерными болтами, но более надежным креплением является заложение в фунда- мент специально удлиненной нижней части воздушного колпака. 91
В зависимости от местных условий в качестве строительных материалов для помещения можно использовать камень, пемзо- блоки, бетонные блоки, дерево и др. Для установок, работаю- Рис. 49. Помещение для тарана: /—подводящая труба; 2—очистная труба; 3—питательная труба; 4—обратный клапан; 5—нагнетательный трубопровод; 6—отводящая труба щих в суровых зимних условиях, целесообразно строить поме- щение для тарана иод землей. На рис. 49 показан разрез и план помещения таранной уста- новки с тремя таранами, присоединенными к одной питатель- ной трубе. НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ ТРУБОПРОВОД И НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ БАССЕЙН Нагнетательный трубопровод таранной установки, предна- значенный для подачи воды на требуемую высшую отметку, в зависимости от фактического давления может быть смонтиро- 92
ван из чугунных, газовых, бесшовных и асбоцементных труб. От нагнетательного трубопровода не требуется особой герметич- ности, так как возможные просачивания воды через соединения нагнетательного трубопровода не нарушают нормальную работу всей установки. Соединения труб нагнетательной линии могут быть сварные, муфтовые, фланцевые,-раструбные и др., лишь бы они выдержи- вали давление нагнетания. Профиль нагнетательного трубопро- вода также не имеет значения для нормальной работы уста- новки, поэтому его обычно выбирают исходя только из эконо- мических или каких-либо технических соображений, как-то: воз- можной глубины заложения, возможности накопления воз- духа и др. Выбор диаметра питательного трубопровода зависит от на- гнетаемого расхода и определяется по табл. 4, исходя из эконо- мических соображений и значения 100/ в -пределах 1—2. Выбрав диаметр нагнетательного трубопровода, определяют потери на- пора в трубопроводе, что необходимо для проведения полного расчета установки. В начале нагнетательного трубопровода, где он соединяется с тараном, устанавливают обратный клапан пли задвижку соответствующего диаметра. Опыт показывает, что наиболее приемлемыми в этом случае являются пробковые краны. После монтажа и испытания питательный трубопровод зары- вают в траншею глубиной 1 —1,2 м и более, если режим зимних температур данной местности особо суровый. Нагнетательный бассейн предусматривают с целью регули- рования потребного расхода воды в установках, предназна- чаемых для водоснабжения. В различные часы суток расход воды водопроводной сети колеблется, а производительность, т. е. количество воды, подаваемой тараном, остается постоянной. Поэтому в часы, когда водопроводная сеть берет меньше воды, чем подает таран, бассейн ее накопляет чтобы в период боль- шей потребности подать в сеть больше расхода, чем получается от тарана. Расчет проводят так, чтобы общий объем суточного использования воды был равным объему, подаваемому тараном. Нагнетательный бассейн устанавливают на такой высоте, чтобы имелась возможность обслуживать все точки, находя- щиеся в системе водоснабжения, и чтобы в самых отдаленных точках обеспечивался так называемый свободный напор. В гор- ных районах удобно выбирать место для бассейна на возвыше- ниях' и устанавливать его в грунте, обеспечивающем хорошую теплоизоляцию. В равнинных местностях для бассейна строят башню нужной высоты. Наиболее удобным является бассейн в виде цилиндра, имею- щего глубину, приблизительно равную радиусу основания. Бас- сейны в грунте лучше делать из каменной кладки с цементной 93
штукатуркой или из бетона. Бассейны на башне целесообразно делать металлической или железобетонной конструкции. /—распределительная труба; 2—нагнетательная труба; 3—промывная труба На рис. 50 приведена ской таранной установки схема нагнетательного бассейна Гохт- (АрмССР) объемом 40 м3. ПРЕДЕЛЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТАРАННЫХ УСТАНОВОК. ПИТАТЕЛЬНЫЙ НАПОР Из описания работы тарана, а также из формулы (1) видно, что водоисточник тарана должен находиться выше отметки собственно тарана и что работа последнего без некоторого пита- тельного напора невозможна. Возникает вопрос, начиная от ка- кого значения питательного напора Н таран может работать? Следует отметить, что с точки зрения теории нет такого определенного предела. Работа тарана' при всяких напорах принципиально возможна и поэтому зависит только от кон- структивных его особенностей. В частности, минимальный нагне- тательный напор, при котором таран может работать, обуслов- ливается весом ударного клапана. Если клапан тяжел, то при малых напорах в период разгона давление для его закрытия может оказаться недостаточным, в силу чего клапан всегда остается открытым и гидравлический удар не происходит. Сле- довательно, с уменьшением веса клапана уменьшается также то предельное значение питательного напора, при котором та- ран будет работать. Для малых значений напора вес ударного клапана надо по возможности облегчать, однако для всякого типа клапана некоторый конструктивный вес обязателен. Прак- тически нижний предел питательного напора обусловливается именно этим минимальным весом. 94
По поводу верхнего предела питательного напора до послед- него времени в литературе были разноречивые мнения. По дан- ным С. Д. Чистопольского, максимальное значение питательного напора разными авторами ограничивается величинами 10; 12; 15 и 39 м. С. Д. Чистопольский правильно оценивает, что эти предположения не имеют основания и что можно осуществлять установки с более высоким питательным напором. Однако, он расматривает только одну сторону вопроса, а именно возмож- ность ограничения скорости в питательной трубе при больших питательных напорах. Предположения об ограниченности питательного напора исходят из двух опасений. Во-первых, при больших напорах могут развиваться большие давления, вредные для системы, и во-вторых, при больших питательных напорах в момент откры- тия ударного клапана вакуум может дойти до предельного зна- чения и возникающие при этом кавитационные явления могут разрушающе действовать на питательную трубу. Теория тарана показывает, что давление, развивающееся в питательной трубе, зависит не от питательного, а от нагнета- тельного напора. При закрытии ударного клапана в питательной трубе давле- ние повышается до нагнетательного напора, при котором нагне- тательный клапан открывается и воздушный колпак начинает принимать жидкую массу, движущуюся по инерции в питатель- ной трубе; этим предотвращается дальнейшее повышение дав- ления в питательной трубе. Самое большое значение давления в питательной трубе превышает нагнетательный напор лишь на величину потерь напора в нагнетательном клапане. Таким обра- зом, при нормальной работе тарана в питательной трубе не мо- жет развиться опасное давление. Такая опасность может иметь место только тогда, когда таран работает при закрытой нагне- тательной трубе, что, вообще говоря, технически недопустимо. Для предотвращения же такой опасности, возникающей вслед- ствие случайных причин, можно на воздушном колпаке уста- новить регулятор-предохранитель давления. Необходимо учитывать и то обстоятельство, что повышение давления во время гидравлического удара обусловлено ско- ростью движения воды в питательной трубе. При мгновенном полном закрытии оно выражается формулой Др av У g Поэтому, независимо от величины питательного напора, мож- но ограничить повышение давления ограничением скорости в питательной трубе. Этого можно добиться уменьшением отвер- стия ударного клапана по сравнению с сечением питательной трубы. 95
Таким образом, отказ от использования высоких питатель- ных напоров ни в какой мере нельзя оправдать соображениями о возможности развития опасных давлений в питательной трубе тарана. Это ошибочное положение дезориентирует конструкто- ров и тормозит создание мощных таранных установок. Опасение о том, что при больших напорах возникающие ка- витационные явления могут разрушающе действовать на пита- тельную трубу, тоже лишено основания. Действительно, в питательной трубе тарана, в каждом цикле его работы, когда по окончании последней фазы нагнетания отрицательная волна возвращается от нагнетательного клапана, образуется вакуум, независимо от питательного напора; благодаря этому вакууму и открывается ударный клапан. В это время в трубе явно слышно кавитационное шипение. Опыт показывает, однако, что питательная труба не страдает от кавитационных явлений . Ка- витационные явления могут иметь разрушающее действие при больших частотах возникновения и исчезновения пузырь- ков; в таране же эта частота соответствует циклам его работы и оказывается для него безвредной. Следовательно, кавитация не может служить помехой к использованию таранов с большим питательным напором. Использование питательных напоров, превышающих 10 м, может привести к неприятным явлениям, выражающимся в пе- ребоях нормальной работы, только в том случае, когда пита- тельный трубопровод, как это показано выше, спроектирован неправильно. Таким образом, нет причин, мешающих использо- ванию больших питательных напоров. При правильном проекти- ровании установки можно использовать любой питательный напор. Особо отметим, что использование больших напоров является самым сильным фактором увеличения мощности та- ранных установок. Верхний предел нагнетательного напора, как и нижний, с точки зрения теории смысла не имеет. Практически же оба эти предела, конечно, ограничены. В частности, величина максимального нагнетательного на- пора связана со скоростью движения в питательной трубе в кон- це периода разгона и согласно уравнению (37) представляется в виде , av П = — . g Скорость v в питательной трубе, конечно, может принимать достаточно большие значения, однако при ее больших значениях потери на трение настолько увеличиваются, что работа уста- новки может стать неэффективной. Если исходить из экономи- чески допустимых скоростей, колеблющихся в пределах 1,5—3 м/сек, то при наличии значительного питательного 96
напора вполне осуществимы эффективные установки, работаю- щие под напором порядка 300 м. ПРЕДЕЛЫ ОТНОШЕНИЯ НАПОРОВ Из описания волновых процессов при работе тарана следует, что автоматическая работа его при условии — <3 2 невозмож- Н на, поскольку, если понижение давления в периоде отражения будет меньше Н, вакуум не образуется и ударный клапан не откроется. Это положение подтверждается практикой и поэтому почти все исследователи рекомендуют в целях обеспечения на- дежной работы тарана принимать — >2. н Не отрицая теоретическую обоснованность этих подтвержде- ний, укажем, что при наличии восстанавливающих механизмов можно добиться нормальной работы тарана и в случаев h о когда — < 2. п Поставленные опыты автора показали, что вполне возможна работа тарана при условии -^ < 2 и без дополнительных вос- станавливающих механизмов. При замедлении закрытия нагне- тательного клапана таран автоматически работает при всяком отношении —. Чем объясняется это неожиданное явление? При работе тарана вообще, в период отражения, когда нагне- тательный клапан быстро закрывается, вакуум образуется бла- годаря соответствующей скорости жидкости в питательной трубе, имеющей направление в сторону питательного бассейна. Вместе с этим нужно иметь в виду, что это не единственная возможность создания вакуума в питательной трубе. При замед- ленном закрытии нагнетательного клапана вода, находя- щаяся в воздушном колпаке, успевает преодолеть инерцию и приобрести некоторую скорость по направлению питательной трубы. Когда же нагнетательный клапан закроется, вода пре- кращает это обратное движение, возникает отрицательная волна, при которой образуется вакуум и откроется ударный клапан. Тараны с горизонтально расположенными нагнетательными клапанами, сконструированные автором, автоматически рабо- тают при отношении напоров, меньшем двух. Однако при этом для замедления закрытия нагнетательного клапана необхо- димо несколько увеличить его ход. Многочисленные опыты П. Г. Мелконяна показали, что гори- зонтально расположенный нагнетательный клапан является вполне надежным средством автоматической работы тарана при 7—2542 97
отношении напоров, меньшем двух. По результатам этих опы- тов выяснилось, что к.п.д. установки несколько падает по срав- нению с работой в условиях отношений напоров, чуть больших двух. Это, очевидно, объясняется тем, что замедление закры- тия нагнетательного клапана, нужное для открытия ударного клапана, является причиной Обратного течения жидкости из воз- душного колпака в питательный трубопровод. Эти опыты пока- зали также, что обычные методы воздухоснабжения в этом слу- чае неприемлемы. Таким образом, по новым данным, при решении вопроса о снабжении тарана воздухом нижнее значение отношения на- поров для автоматической работы тарана можно считать -^-=1. Верхнее значение отношения напоров связано с к.п.д. уста- новки. При больших значениях отношений напоров, превышаю- щих 20—25, к.п.д. настолько снижается, что работа установки становится бессмысленной. Например, для установки с отноше- нием напоров — 30 к.п.д. в зависимости от режима работы колеблется в пределах 0,15—0,20. Это означает, что нагнетатель- ный расход будет составлять всего лишь 0,004—0,006 Q. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ РАБОТА ТАРАНОВ В случаях, когда отношение напоров настолько велико, что к. п. д. установки сильно падает, или абсолютная высота нагне- тания такова, что выходит за пределы применения тарана, при- бегают к двухступенчатому нагнетанию, т. е. последовательному соединению таранов. На рис. 7 показана схема последовательного соединения двух таранов. Первый таран большей производительности подает воду в бассейн В, находящийся на уровне /ib Этот бассейн слу- жит питательным бассейном для второго тарана меньшей про- изводительности. Второй таран находится в благоприятных условиях с точки зрения отношения напоров; его работа в этих условиях будет эффективнее, чем при нагнетании на всю вы- соту h одной ступенью. Кроме того, ставить под высоким нагне- тательным напором таран, пропускающий большой расход воды, и обеспечить при этом высокую его прочность весьма затрудни- тельно. В указанной схеме таран большого диаметра работает под небольшим напором; под большим напором работает таран малого диаметра, что не вызывает особой сложности. При такой бас- h Л1 вто- 98 схеме работы необходимо подобрать оптимальную высоту „ nr, h h h, сеина В. Представим отношение напоров — в виде — = — Н НН При этом — есть отношение напоров первого, а — h Л,
рого таранов. Можно доказать, что к.п.д. всей установки будет максимальным в случае, если hi Н (96) Следовательно, отношение напоров можно найти из соотношения = — = 1/— . (97) Н hi ’ Н Например, если имеем отношение напоров =30, то вы- годно прибегнуть к двухступенчатому нагнетанию, при этом отношение напоров для каждой ступени будет равно ]/ 30 — 5,47. „ hl Г h с Отсюда можно принимать — = о и — = Ь. Н При последовательной работе таранов установление проме- жуточного бассейна В не обязательно. Второй таран можно Рис. 51. Последовательное соедине- Рис. 52. Последовательное питание ние таранов без промежуточного' таранов бассейна прямо соединить с воздушным колпаком первого тарана (рис. 51). Если же по техническим причинам это непредстав- ляется возможным, то можно после первого тарана установить уравнительный воздушный колпак, к которому подсоединить второй таран. В случае последовательной работы таранов без промежуточ- ного бассейна отношение напоров подлежит регулировке, кото- рую можно осуществлять с помощью манометра, установленного на воздушном колпаке первого тарана. Последовательным соединением таранов будет также двух- ступенчатое питание. В этом случае второй таран (рис. 52) ра- 7* 99
ботает изливаемой водой первого тарана, а нагнетательные рас- ходы обоих таранов поступают в общий нагнетательный трубопровод. Необходимость двухступенчатого питания была основана, главным образом, на неправильном представлении, что питательный напор тарана ограничен и поэтому использо- вать большие питательные напоры одной ступенью невозможно. Однако, как это уже было показано выше, при правильном проектировании установки таран может работать на любом питательном напоре и, следовательно, использование наличия любого питательного напора представляется возможным одной ступенью без последовательного соединения таранов. Надоб- ность двухступенчатого питания при этом возникает лишь тогда, когда при имеющемся питательном напоре h ~ п — <3 2, на котором таран автоматически не работает, для использования имеющей- ся энергии воды, естественно, нужно прибегнуть к двухступен- чатому питанию, соблюдая условия — >2. Укажем, что и в этом случае можно отказаться от двухступенчатого питания, поскольку новые исследования показывают, что отношение — > 2 необязательно для автоматической работы тарана. н В заключение отметим, что использование больших пита- тельных напоров с двухступенчатым питанием ни технически, ни экономически невыгодно. При двухступенчатой работе вместо одного нужно использовать два тарана с одинаковой пропуск- ной способностью, получая при этом более низкий к.п.д. Проч- ность таранов при обоих условиях должна быть одинаковая, поскольку она обусловливается не питательным, а нагнетатель- ным напором. Поэтому при любом питательном напоре правиль- ным проектированием установки можно разрешить вопрос в пользу одноступенчатого питания. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТАРАНОВ. МНОГОКЛАПАННЫЕ ТАРАНЫ Поскольку конструирование таранов больших размеров и их производство представляют определенные затруднения, то в це- лях увеличения производительности установки целесообразно использовать параллельное соединение нескольких таранов уже освоенной конструкции. До последних лет в литературе было ошибочное мнение, выражающееся в том, что при параллельном соединении таранов каждый из них обязательно должен иметь свою отдельную пи- тательную трубу. Такое представление сложилось из-за опасе- ния, что при параллельной работе нескольких таранов, под- соединенных к одной питательной трубе, один таран может сбивать с такта другой. 100
Исследование волновых явлений, происходящих при работе тарана, показывает, что параллельно соединенные тараны не только не могут мешать друг другу, а, наоборот, один способ- ствует бесперебойной работе другого. Проведенные автором лабораторные испытания полностью оправдали эти доводы. К одной питательной трубе были подсоединены несколько тара- нов (при этом различных конструкций и различных размеров), тем не менее они работали бесперебойно и ритмично. Таким образом, стало очевидным, что для увеличения производительности ус- тановки к одной питательной тру- бе большого диаметра можно па- раллельно подсоединить несколь- ко таранов малого диаметра. Необ- ходимость установки' питательной трубы больше одной может по- Рис. 53. Общий вид тарана ЕрПИ с двумя ударными клапанами явиться в случае, когда питательный расход колеблется и при минимальном его значении в питательной трубе большого диа- метра не может развиваться скорость больше волнового измене- ния скорости и, чтобы при ударе произошло нагнетание. Такая надобность может появляться также в том случае, когда преду- сматривается запасной агрегат. В иных условиях предпочтитель- но к одной питательной трубе подключать несколько таранов. Когда отношение напоров — значительное, вследствие чего И производительность одного тарана намного ниже пропускной способности одного нагнетательного клапана, можно для уве- личения производительности установки к одной питательной трубе большого диаметра присоединять один полный таран и несколько ударных узлов. Такую комбинацию, при которой один таран работает с несколькими ударными клапанами, назовем многоклапанным тараном (рис. 53). Такое соединение целесо- 101
образнее, чем параллельное соединение нескольких таранов к одной питательной трубе, так как при этом сокращается число нагнетательных клапанов и воздушных колпаков. Несмотря на то, что при проектировании специального многоклапанного та- рана необходимо несколько увеличить размеры нагнетательного клапана и воздушного колпака, все же изготовление одного воз- душного колпака некоторого объема легче, чем изготовление нескольких колпаков с тем же общим объемом. Нагнетательный клапан одного тарана при значительных отношениях напоров может обслуживать несколько ударных клапанов того же диа- метра. Следовательно, при некотором, уже освоенном в произ- водстве клапане такая комбинация и технически, и экономически представляется выгодной. Многоклапанные тараны работают бесперебойно и ритмично, независимо от весов и ходов ударных клапанов. Они являются весьма эффективным средством увеличения производительности установки. О работе многоклапанных таранов можно судить по много- летнему опыту производственных установок. В селе Сараландж Аштаракского района в июне 1956 г. был пущен в ход таран с тремя ударными клапанами на одной питательной трубе и одним нагнетательным клапаном. Диаметр питательной трубы 150 мм, диаметр отверстия нагнетательного клапана 75 мм, диаметр отверстия ударных клапанов 100 мм, питательный напор 10,5 м, нагнетательный расчетный напор 100 м. Установка производительностью 1,2 л!сек работает нормально, причем периодически ремонтируются только ее клапаны. На Джрвежской опытной установке на одной питательной трубе диаметром 450 мм установлены два ударных клапана диаметрами выходных отверстий 200 и 175 мм. Несмотря на то что клапаны имели различные веса и ходы, все же таран ра- ботал с четким тактом. Проведенные измерения показали, что эта установка на высоте 40 м дает расход 20 л/сек, вполне до- статочный для орошения земельной площади 20 га. На Выставке достижений народного хозяйства СССР демон- стрировался гидравлический таран ЕрПИ-150/2 с питательной . трубой 150 мм и двумя ударными клапанами. Многоклапанные тараны по сравнению с таранами с одним клапаном большого диаметра имеют преимущество, состоящее в том, что при равных условиях они обеспечивают более высо- кий к.п.д. При параллельной работе таранов с отдельными питательными трубами или подсоединенных к общей питатель- ной трубе нет надобности в отдельных нагнетательных трубо- проводах. Их нужно подключать к одному нагнетательному трубопроводу, соответствующему по пропускной способности полной производительности всех таранов. В случае параллельной работы таранов, имеющих отдельные 102
питательные трубы на выходе каждого тарана до места при- соединения его к общему нагнетательному трубопроводу, по- мимо задвижки необходимо устанавливать также обратный клапан, дающий возможность нормальной работы установки в случае неисправности нагнетательного клапана какого-либо тарана. При отсутствии обратного клапана, когда нагнетатель- ный клапан одного из таранов закрывается неплотно, не только останавливается этот таран, но, вследствие обратного тока нагнетаемой воды из этого клапана понижается давление в пи- тательном трубопроводе, могут останавливаться все остальные тараны- Несмотря на то, что многоклапанные тараны бесперебойно и ритмично работают при различных весах и ходах ударных клапанов, все же для более эффективной работы и получения более высокого к.п.д. желательно клапаны отрегулировать оди- наково по весу и по ходу.
Глава 5 ХАРАКТЕРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСТАНОВКИ. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХАРАКТЕРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ Для таранной установки возможны два эффективных режима работы: 1) режим работы для получения максимальной производи- тельности (см. стр. 107); 2) режим работы для получения максимального к.п.д. (см. стр. 109). Практические условия часто не позволяют строго придержи- ваться одного из этих двух режимов, и установки могут рабо- тать -в некотором среднем свободном режиме. Приведем пример полного расчета таранной установки для свободного режима работы. Пример. Дано: Расстояние от водоприемника до места установки /1 = 180 м, питательный напор 7/1=15,3 м, нагнетательная геометрическая вы- сота /11=40 м, длина нагнетательного трубопровода /нв2 = 120 м, питательный расход Q=60 л!сек. 1. Для данного питательного расхода подбираем тип тарана. Из табл. 2 видно, что для расхода Q=60 л/сек целесообразно выбрать таран диаметром 250 мм. 2. Поскольку подводящая труба очень длинна, нужно установить уравни- тельный воздушный колпак. Длину питательной трубы определим по формуле (86), принимая ориентировочно М = 40 ударов/мин и //=14 м: _ 9_22 JL _ эоо-14 “ /V2 d ~ 1600-0,25 ~ ° М' Следовательно, длина подводящей трубы до воздушного колпака: 1п= 180 — 30= 150 м. 3. Подбираем по табл. 4 диаметр подводящей трубы <7=250 мм, прини- мая гидравлические потери на длине 100 м меньше 2 м. При этом можно ис- пользовать разные трубы, поскольку рабочее давление составляет~ 14 м вод. ст. 4. По табл. 4 определяем потери напора в подводящей части при Q=60 л/сек, d=250 мм и I «=150 м: 0,722 „ Ли? = —QQ 150 = 1,1 м. 5. Расчетный питательный напор для установки равен Н=Н1~ hw= 15,3 — 1,1 = 14,2 м. 104
6. Принимая, что диаметр питательной трубы равен диаметру тарана, определим суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений (см. табл. 3): I 30 + Скл + X — = 0,5 + 6 + 0,016 = 8,5. а. и, 2э 7. Установившаяся скорость в питательной трубе: _ ~|/~ 2-9,81 -14,2 _ — 1/ _ — и । о/ 1 + ^ Г 1+8,5 м/сек; характерный параметр т: I 30 т =-------------=----------= 0,594 сек, »c(l++) 5,32-8,5 а установившийся расход л-0 252 Qc = mvс =------’--- -5,32 = 262 л/сек. 8. Для определения потерь в нагнетательном трубопроводе сначала по формуле (1) найдем производительность q при г] = 0,8 Н 14,2 q « r.Q — = 0,8-60------ ss 17 л)сек. ‘ h 40 9. По табл. 4 подберем для нагнетательной линии диаметр труб с! =125 мм. Тогда 2,26 Луу = 120 -- 2,7 м. w 100 10. Расчетный нагнетательный напор согласно формуле (41) h = /ц + hw ~ + 2,7 = 42,7 м. 11. Определим скорость распространения стенки трубы 6=5 мм 1425 волны, принимая толщину 1425 250 f = 1160 м/сек. 100 12. По уравнению (44) определяем нии k = 0,8: hq = . Н Следовательно, принимая в первом приближе- h ~Н 42,7 1 + £2 = 1++ И.2 3,5 1 + ~~ 0,82 = 2,24. 9,5 а = 5 н hd = 2,МН = 2,24-14,2 = 32 м. 13. Далее определяем волновое изменение скорости ghd 9,81-32 и ------=------------= 0,272 м сек 1160 а 105
и вычисляем отношения Н 14,2 — = —— = 0,33 h 42,7 14. Поскольку установка работает при данном питательном расходе, тэ, задаваясь различными значениями коэффициента разгона k, по формулам (76), (77) и (68) определим соответствующие значения Qi, <7 и Q и постро- им характеристики работы установки. Результаты расчетов приведены в табл. 6. Имеем — = 0,333; — =0,051; h vc — = 0,0026; oi vc = 262 л!сек и 6 — = 0,306; т = 0,594 сек. Таблица 6 Значения расчетных величин k Al г'1 2 * Р Т сек N ударов/мин Qi л/сек 7 л/сек Q л/сек т, 0,1 0,010 0,007 0,91 0,27 242 5,8 2,1 7,9 0,80 0,2 0,041 0,037 1,53 0,45 133 14,2 6,3 20,5 0,93 0,3 0,094 0,087 2,18 0,63 195 23,2 10,5 33,7 0,93 0,4 0,173 0,157 2,89 0,82 73 33,0 14,2 47,2 0,90 0,5 0,287 0,247 3,69 1,01 59 44,5 17,5 62,0 0,85 0,6 0,447 0,357 4,63 1,22 49 57,3 20,2 77,5 0,77 0,7 0,673 0,487 5,75 1,47 41 71,0 22,2 93,2 0,72 0,8 1,022 0,637 7,28 1,77 34 86.0 22.9 108,9 0,63 0,9 i ,661 0,307 9,79 2,28 26 114,0 21,6 135,6 0,48 0,95 2,333 0,900 11,88 2,70 22 135,0 19,8 154,8 0,38 15. На основании имеющегося питательного расхода Q = 60 л/сек и по- строенных характеристик установки (рис. 54), находим q= 17 л/сек, г] = 0,86 и Л' = 62 ударов!мин. 16. Для определения полезного объема воздушного колпака сначала на- ходим продолжительность периода разгона 1 + k t = Tin —=0,594-1,050 = 0,625 сек , 1 — k согласно формуле (92) получим Г 3Q 1 Г 3-60 1 Г = 8 QjT — — t = 8 44-1 —----------0,625 = 128 л. L 4 J L 4 J Для цилиндрической трубы d=400 мм высота 4W 4-128 —- =-------- = 10,2 дм = 1,02 м. nd2 л-42 106
Учитывая нижнюю глухую часть 0,25 + 0,20 = 0,65 м, получим полную высо- ту Л = 1,70 м. 17. По формуле (95) определяем объем воздушного колпака тарана «7 = I54t= 15-17-0,625 = 160 л. Если полезный объем воздушного колпака имеющегося тарана меньше 160 л, то следует поставить дополнительный колпак. РЕЖИМ РАБОТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Установку следует рассчитывать на этот <режим, если вели- чина питательного расхода тарана не ограничена и желательно получить максимальный нагнетательный расход q при любом к.п.д. Г). Имея проектные величины Н, и I, определяем установив- шуюся скорость vc и установившийся расход Согласно урав- нению (67) имеем q = где ф — некоторая функция, зависящая от параметров и режима работы установки —, —, k. Н vc 107
n h и По имеющимся данным определяем параметры — и — . // vc Коэффициент разгона k нужно выбрать так, чтобы получить максимальную производительность. Поскольку множители ш и vc постоянные, то наибольшая производительность q получит- ся при максимальном значении ф. Функция ф согласно равенству (66) имеет вид п пи При заданных величинах —, — максимальное значение Н vc функции ф зависит от коэффициента разгона k. Таким образом, установление режима работы для получения максимальной производительности сводится к определению коэффициента разгона k, при котором функция ф достигает максимума. Для нахождения максимума этой функции можно воспользо- ваться методом подбора, т. е. задаваться различными значения- ми k и определять соответствующие значения ф. Затем, построив график ф = ф (k), определить значение k, которому соответствует фтах' Чтобы избежать метода подбора, автором при помощи вычис- лительных машин составлена табл. 7, в которой приведены опти- Оптимальные значения коэффициента разгона k и соответствующие им значения фгаах Таблица 7 н h и- vc 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 k ^max k ^max k , ^raax k Ф Tmax A ^max 0,05 0,80 0,014 0,80 0,014 0,81 0,014 0,82 0,013 0,83 0,013 0,10 0,80 0,028 0,81 0,027 0,82 0,027 0,83 0,026 0,84 0,024 0,15 0,80 0,042 0,81 0,040 0,82 0,039 0,83 0,037 0,84 0,035 0,20 0,80 0,055 0,81 0,052 0,82 0,050 0,84 0,048 0,85 0,046 0,25 0,80 0,067 0,82 0,065 0,83 0,062 0,84 0,058 0,85 0,055 0,30 0,80 0,080 0,82 0,076 0,83 0,072 0,85 0,068 0,86 0,064 0,35 0,80 0,092 0,82 0,087 0,84 0,082 0,85 0,077 0,86 0,072 0,40 0,80 0,103 0,82 0,097 0,84 0,092 0,85 0,086 0,87 0,080 0,45 - 0,81 0,115 0,82 0,108 0.84 0,101 0,86 0,094 0,87 0,088 0,50 0,81 0,125 0,83 0,117 0,84 0,110 0,86 0,102 0,88 0,095 108
Продолжение табл, 7 И h и vc 0,30 0,35 0,40 • 0,45 0,50 k ^max k ^max k | ^max k | ^max k фтах 0,05 0,84 0,012 0,86 0,012 0,87 0,011 0,88 0,010 0,89 0,009 0,10 0,85 0,023 0,86 0,022 0,87 0,020 0,89 0,017 0,90 0,017 0,15 0,86 0,033 0,87 0,031 0,88 0,029 0,89 0,027 0,91 0,024 0,20 0,86 0,043 0,87 0,040 0,89 0,037 0,90 0,038 0,91 0,031 0,25 0,87 0,052 0,88 0,048 0,89 0,044 0,90 0,041 0,91 0,037 0,30 0,87 0,060 0,88 0,055 0,90 0,051 0,91 0,047 0,92 0,042 0,35 0,88 0,067 0,89 0,062 0,90 0,057 0,91 0,052 0,92 0,047 0,40 0,88 0,075 0,89 0,069 0,90 0,063 0,92 0,058 0,93 0,052 0,45 0,88 0,081 0,90 0,075 0,91 0,069 0,92 0,063 0,93 0,056 0,50 0,89 0,088 0,90 0,081 0,92 0,074 0,92 0,067 0,93 0,060 мальные значения ф, в зависимости от различных значений па- h и раметров — и —. Я vc РЕЖИМ РАБОТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО К. П. Д. Установка проектируется для работы при максимальном к.п.д. в том случае, когда питательный расход ограничен и его необходимо использовать полностью. Следовательно, при дан- ных проектных параметрах необходимо установить такой режим работы, при котором к.п.д. приобретает максимальное значение. Выражение обратной величины ц согласно уравнению (71) имеет вид или с учетом формул (55) и (57) 1 г Н „ I i .я I ' . о (98) Отношения — и —, входящие в последнюю формулу, Я vc задаются при проектировании. Коэффициент разгона k выби- рают так, чтобы эта функция имела минимальное значение, которому соответствует максимальная величина т]. 109
n h и При заданных отношениях — и — нахождение мини- Н vc мума этой функции аналитическим методом затруднительно. Для облегчения расчетов автором составлена табл. 8, в которой приведены оптимальные значения коэффициента разгона k и соответствующие им максимальные значения Цтах. Приведем пример расчета. Таблица 8 Оптимальные значения коэффициента разгона k и соответствующие им значения т]тах н h и vc 0,05 0,1 0,15 0,20 0,24 k ^max k %ax k ^max k ^max k 0,05 0,26 0,93 0,37 0,86 0,45 0,80 0,51 0,73 0,57 0, 67 0,10 0,26 0,93 0,36 0,87 0,44 0,80 0,51 0,74 0,56 0,67 0,15 0,25 0,93 0,36 0,87 0,44 0,80 0,50 0,74 0,56 0,68 0,20 0,25 0,93 0,35 0,87 0,43 0,81 0,49 0,74 0,55 0,68 0,25 0,24 0,94 0,34 0,87 0,42 0,81 0,49 0,75 0,54 0,69 0,30 0,23 0,94 0,33 0,88 0,41 0,82 0,48 0,76 0,53 0,69 0,35 0,23 0,94 0,33 0,88 0,40 0,£2 0,48 0,76 0,52 0,70 0,40 0,23 0,94 0,32 0,88 0,40 0,82 0,47 0,76 0,52 0,70 0,45 0,22 0,94 0,32 0,88 0,39 0,83 0,46 0,77 0,51 0,71 0,50 0,22 0,94 0,31 0,89 0,39 0,83 0,45 0,77 0,51 0,71 Продолжение табл. 8 H h u Vc 0,30 0,35 0,40 0,45 0.50 k ^tnax k %ax k Чтах k ^max k ^inax 0,05 0,62 0,61 0,67 0,55 0,71 0,49 0,75 0,43 0,78 0,39 0,10 0,62 0,61 0,66 0,56 0,71 0,50 0,74 0,44 0,78 0,39 0,15 0,61 0,62 0,66 0,56 0,70 0,50 0,74 0,45 0,78 0,39 0,20 0,60 0,62 0,65 0,56 0,70 0,51 0,74 0,45 0,77 0,40 0,25 0,60 0,63 0,65 0,57 0,69 0,51 0,73 0,46 0,77 0,40 0,30 0,59 0,64 0,64 0,57 0,69 0,52 0,73 0,46 0,77 0,41 0,35 0,58 0,64 0,64 0,58 0,68 0,52 0,72 0,47 0,76 0,41 0,40 0,58 0,64 0,63 0,58 0,67 0,53 0,72 0,47 0,76 0,42 0,45 0,57 0,65 0,62 0,59 0,67 0,53 0,71 0,48 0,75 0,42 0,50 0,56 0,66 0,61 0,60 0,66 0,54 0,70 0,48 0,74 0,43 Пример. Рассчитать таранную установку с диаметром питательной тру- бы 150 мм для двух режимов ее работы: при максимальной производитель- 110
ности и при максимальном к.п.д. Данэ: Н = 20 м, /1[ = 100 м, длина питатель- ной трубы /=40 м, длина нагнетательного трубопровода / = 300 м. Величина питательного расхода не ограничена. Поскольку нагнетательный расход неизвестен, то для определения рас- четного нагнетательного напора h можно задаться значением гидравличе- ского уклона, определить потери напора и после определения значения на- гнетательного расхода q по табл. 4 подобрать диаметр нагнетательного тру- бопровода, соответствующий выбранному уклону. Примем /=0,02, т. е. для каждых 100 м длины трубопровода потери со- ставляют 2 м. Тогда получим Shw = 300/ = 300-0,02 = 6 м. Таким образом, h - hi = 100 6 = 106 м. Для питательной линии имеем: суммарный коэффициент сопротивлений л 1 . 0,019-40 — ьм -Н , 4~ эк» — 0,5 4- _ -1-813,6; а ;0,1 о установившаяся скорость 1 /'~2аН~ I /2-9,81-20 vc = 1/------= I/ ----------— = 5,20 mJce> г 1 + г 14,6 установившийся расход л -1,52 ’ Qc = =-------’-- 52 = 92 л) сек.-, 4 параметр т I 40 т =--------:----= ---------= 0,526 сек\ vc (1 4-Гс) 5,20-14,6 далее определяем Волновое изменение скорости, принимая а = 1200 м]сек, в первом при- ближении, исходя из расчетного нагнетательного напора h, будет , gh 9,81-106 и = — =------------= 0,87 м сек. а 1200 В соответствии с этим На основании имеющихся данных — и — из табл. 7 выбираем п vc k=0,82. Теперь определим динамическую высоту нагнетания и уточним значение волнового изменения скорости ha = h — кгН = 106-0,53-20= 95,4 м, 111
следовательно, gh() а 9,81-95,4 1200 = 0,78 м/сек и и 1. Расчет установки, работающей при максимальной производительности. Н и По данным — =0,088 и — =0,15 из табл. 7 берем я = 0,8 и при помощи h vc интерполяции имеем -фтах=0,0518. На основании этих данных можно опре- делить <7maz: gmax = шос1|)тах = 92-0,0518 = 4,8 л/сек. По формуле (71), используя табл. 1, находим J_____Я Й1У h ) = 0 188 + 1,022 (1 -0,552-0,188) = 1 86 Т h + и2 ’ 0,82 —0,152 1 fe2 — — £ следовательно, г, =-------------------------------- = 0,54; '1,86 питательный расход <2 = qh 4,8-106 --------- = 47 л/сек; 0,54-20 продолжительность полного периода h t и ~] Н — — + ЙЗ + о — I — т vc I hd = 0,526 [5,3-2,314 4-0,42 4- 0,90] 0,21 = 1,5 сек, число ударов N = 60 1,5 = 40 ударов/мин. 2. Расчет установки, работающей при максимальном к.п.д. Не учиты- и Ни вая некоторые изменения —, по имеющимся данным — =0,118 и — = h vc = 0,15 из табл. 8 выбираем k = 0,44 и г] = 0,80. По полученному значению k опре- деляем производительность q, используя табл. 1: vc 0,185 — 0,022 ---------------- = 92 -------------------= 2,56 л/сек hi и 5,3-0,92 4-0,06 4-0,9 — ~+/гз+6 — Н х vc 112
Далее £ Л 1 Н 2,56 ———: 5,3 = 17 л/сек, 0,805 сек; 60 60 N = — = —— = 90 ударов/мин. Т 0,67 и И Сравнивая результаты расчетов по двум режимам работы, замечаем, что для Q = 47 л]сек, которые пропускает один таран, работая на режиме максимальной производительности, необхо- 47 димо установить —~3 таких же тарана, работающих на ре- жиме максимального к.п.д. Но в случае работы трех таранов на режиме максимального к.п.д. можно получить суммарную производительность 3X2,56 = = 7,7 л)сек вместо 4,8 л/сек от одного тарана, работающего на режиме максимальной производительности. НАЛАДКА И ПУСК ТАРАННОЙ УСТАНОВКИ После окончания строительно-монтажных работ и перед пуском установки следует проверить исправность отдельных элементов. Для бесперебойной работы установки основными факторами являются герметичность питательного трубопровода и воздуш- ного колпака, а также герметичность закрытия ударного и на- гнетательного клапанов, поэтому прежде всего надо проверить эти элементы. Для этого следует открыть задвижку на подводящей линии, пустить воду в питательный трубопровод и поднять в верхнее положение ударный клапан. Через несколько минут, когда уже начнется слив воды из питательного бассейна нужно тщательно проверить швы питательного трубопровода и отметить места пропуска воды, а также убедиться, что ударный клапан закры- вается герметично. Для этого следует несколько раз опустить и поднять клапан и оставить его в закрытом положении. Удар- ный клапан не должен пропускать воду. Для проверки герметичности нагнетательного клапана откры- вается кран манометра, установленного на воздушном колпаке и закрывается задвижка на нагнетательном трубопроводе. По- казание манометра при плотном закрытии нагнетательного кла- 8—2542 ИЗ
папа должно быть постоянным. При пропуске воды через кла- пан показание манометра постепенно снижается. В этом случае надо тщательно проверить клапан и все швы на воздушном кол- паке. После проверки следует опорожнить всю систему, устранить замеченные дефекты и подготовить установку к пуску. Пуск осуществляется в следующем порядке. После открытия задвижки необходимо подождать 3—4 мин, пока питательная труба наполнится водой и полностью освободится от воздуха. Все это время ударный клапан находится в закрытом положе- нии. Убедившись, что из питательной трубы больше не подни- маются воздушные пузырьки, открыть ударный клапан. При питательных малых напорах часто после первого же открытия ударного клапана таран начинает работать, а при зна- чительных напорах ударный клапан нужно открывать несколько раз, чтобы в колпаке развилось давление, равное двукратному напору. Когда нагнетательный трубопровод длинный и пологий, для повышения достаточного для автоматической работы давления требуется долгое время вынужденного открытия ударного.кла- пана. В таких случаях пуск осуществляется при закрытом поло- жении задвижки на питательной линии. Открывая несколько раз ударный клапан, надо проследить за показанием манометра. Если давление превышает двукрат- ный питательный напор и ударный клапан уже автоматически открывается, то надо постепенно открывать задвижку, чтобы манометрическое давление в колпаке все время оставалось больше двукратного питательного напора. Когда начинается бесперебойная автоматическая работа и манометр покажет дав- ление, равное нагнетательному напощу. задвижку можно от- крыть полностью. После описанного процесса пуска начинается нормальная работа установки. Регулировка работы установки производится в зависимости от того, в каком режиме она будет работать: при максимальной производительности или при максимальном к.п.д. Надо иметь в виду, что некоторый слив воды из питательного бассейна обя- зателен. После пуска и регулировки следует закрыть трехходовой кран манометра и снять манометр. Затем закрепить все регули- рующие приспособления и тщательно проверить крепежные болты. Спустя несколько часов после пуска необходимо еще раз проверить герметичность питательной трубы, воздушного кол- пака и особенно работу воздушного приспособления. При недо- статочности работы воздушного приспособления со временем усиливаются пульсация воды в нагнетательном трубопроводе и вибрационные явления. Таран может работать длительное вре- 114
мя только в том случае, если воздушное приспособление дей- ствует нормально. Питательную трубу можно закопать в траншею только после нескольких дней регулярной работы установки, когда уже окон- чательно выяснится, что на ней нет дефектов. При параллельном соединении нескольких таранов, имеющих отдельные питательные трубы, каждый таран пускается в ход отдельно. Однако после пуска первого тарана пуск остальных облег- чается, так как одним тараном наполняется нагнетательный трубопровод. При пуске других таранов в воздушных колпаках при открытом положении выходных задвижек давление будет превышать двукратный питательный напор и они могут вклю- чаться в автоматическую работу после первого вынужденного открытия ударных клапанов. При параллельном соединении нескольких таранов с одной питательной трубой, когда в воздушном колпаке развивается давление, равное двукратному нагнетательному напору, вынуж- денное открытие одного клапана приводит к открытию остальных клапанов и все клапаны начинают действовать автоматически синхронно. Вынужденное открытие ударного клапана при малых диамет- рах тарана и малых значениях питательного напора не требует большой силы и может быть произведено нажимом на ударный клапан рукой. При значительном питательном напоре, например превышающем 20 м вод. ст., открытие клапана рукой невоз- можно. ПУСКОВОЙ КЛАПАН Проведенные эксперименты показывают, что для пуска та- рана, кроме рабочих ударных клапанов, можно установить один пусковой клапан меньшего диаметра, для открытия которого не требуется большой силы. Определим диаметр пускового клапана для данной конкрет- ной установки. Обозначим площадь сечения клапана в)кл (рис. 55), ско- рость движения в отверстии клапана , а для питательной трубы соответственно со и v. При открытом положении пуско- вого клапана установившаяся скорость будет , _ \/~ W “ Г 1 • ей будет соответствовать скорость в питательной трубе у = 2^1/ 2gZZ <> ' 1 + ‘ 8* 115
При закрытии пускового клапана произойдет гидравлический удар и согласно выражению (36) давление в питательной трубе повысится на Рис. 55. Пусковой кла- пан Отсюда видно, что а и'кл 1/ g « г 1 + г„с' Для автоматической работы тарана это давление должно быть больше Н, следовательно, получаем неравенство а шкл 1/ > Я g “ ' 1 + Сс откуда найдем ШКА = ------—-----ш- а/2 Принимаем £с = 6, <2—1000 м]сек, полу- чаем диаметр отверстия пускового кла- пана dKjl^0,075 ^Hd, где d — диаметр питательной трубы; Н — питательный напор в м. диаметр отверстия пускового клапана получается очень небольшим. Например, для питательного на- пора 30 м и диаметра питательной трубы d = 250 мм диаметр пускового клапана получится dKA <50 мм. Такой клапан лег- ко можно открыть рукой. Пуск тарана с пусковым клапаном производится следующим образом. Закрывают задвижку на нагнетательной линии и на- жимая несколько раз на пусковой клапан, открывают его, кол- пак наполняется и когда давление в колпаке превысит двукрат- ный нагнетательный напор, автоматически открывается рабочий клапан. После этого следует постепенно открывать задвижку на нагнетательной линии. После пуска можно пусковой клапан поднять в верхнее положение и закрепить. Можно оставить его в работе, если он имеет конструкцию, рассчитанную на длитель- ную работу. Пусковой клапан крайне необходим для чашечных ударных клапанов, поскольку для них не имеется рационального способа пуска даже при малых диаметрах. Останавливать таран можно многими способами. Для мгновенной остановки тарана достаточно поднять 116
в верхнее крайнее положение ударный клапан и несколько секунд подержать его в таком положении. После этого ударный клапан больше самостоятельно открываться не сможет. Однако это не помогает при параллельном подсоединении нескольких таранов к одной питательной трубе и при многоклапанных та- ранах. В последнем случае при остановке одного клапана другие продолжают работать и остановленный клапан без закрепления не может остаться в закрытом положении. Поэтому в этих слу- чаях необходимо по очереди поднять ударные клапаны и за- крепить в закрытом положении. При наличии пускового клапана, если его закрепить в от- крытом положении, все клапаны сразу остановятся. РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТАРАНА Для того чтобы таранная установка работала эффективно, нужно ее регулировать. Регулировать работу тарана можно изменяя вес ударного клапана, ход ударного клапана и ход нагнетательного клапана. Вес и ход ударного клапана дают возможность изменять величину питательного расхода Q и тем самым устанавливать режим работы установки. Изменение хода нагнетательного кла- пана дает возможность получить наибольшее значение нагне- таемого расхода при данном питательном. Регулирование работы установки надо начинать с регулиро- вания веса ударного клапана. Таран может эффективно работать в широких пределах из- менения веса ударного клапана, поэтому рекомендовать опре- деленный вес клапана можно, только зная конкретные условия работы. Данный питательный расход можно получить при различных ходе и весе ударного клапана, причем увеличением веса можно уменьшить ход клапана. Однако при данных конкретных условиях работы установки существует некоторый минимальный вес ударного клапана, при котором таран еще работает ритмично. Когда ударный клапан имеет недостаточный вес, то при па- дении он не успевает полностью открыть отверстие, так как дей- ствующее снизу гидродинамическое давление возвращает его, не дав сделать полного хода. Поэтому необходимо сначала определить минимальный вес клапана. Следует установить нормальный ход 6 = —- ударного 4 клапана и пустить в работу клапан с минимальным конструк- тивным весом, далее постепенно увеличивать этот вес до тех 117
пор, пока клапан будет опускаться и подниматься с равными тактами. Если при этом минимальном весе и нормальном ходе б= — ударного клапана таран пропускает не меньше требуемого пи- тательного расхода Q, то минимальный вес клапана надо при- нимать за рабочий, после чего изменением хода добиться точ- ного значения расхода Q. Если же при нормальном ходе б = и минимальном весе таран не пропускает нужный расход, то, не изменяя хода, надо нагружать клапан до получения нужного расхода. На основании рассмотренного можно прийти к заключению, что таран должен работать во всех случаях при ходе б <— , т. е. для увеличения питательного расхода не следует ход кла- пана делать больше нормального, а нужно увеличивать его вес. Изменение веса в зависимости от конструкции тарана про- изводится при помощи сменных грузов 7 (рис. 25). На таранах конструкции ЕрПИ ударный клапан глухой, сменных грузов не имеет, поэтому регулирование производится эталонным клапаном, имеющим сменные грузы. После установ- ления необходимого веса эталонный клапан заменяют рабочим клапаном, вес которого расточкой груза 3 (рис. 33) приравни- вают к требуемому. Укажем, что хороший эффект дает нагружение клапана не грузом, а пружинами. В этом случае благодаря малой инерции пружин клапан работает очень четко, ритмично и, кроме того, несколько увеличивается к.п.д. Однако пружины не очень дол- говечны. Во время регулирования ударного клапана для нагне- тательного должен быть установлен некоторый средний ход. Нагнетательный клапан регулируют после регулирования ударного. Вес нагнетательного клапана не является регулирую- щим фактором и при конструировании тарана всячески ста- раются облегчить клапан, останавливаясь на некотором кон- структивном значении веса, обеспечивающем достаточную прочность. Регулирующим фактором является ход нагнетательного кла- пана. При неправильном регулировании хода нагнетательного клапана, в особенности в условиях больших отношений — , Н производительность тарана может снизиться до нуля. При малых нагнетательных напорах оптимальный ход нагне- тательного клапана получается значительно больше, чем при , „ , h больших. При высоких напорах и больших отношениях — ход И получается незначительный. 118
Исходя из этих соображений надо считать обязательным регулирование хода нагнетательного клапана после наладки установки. Регулирование легко произвести, когда клапан имеет наружное регулирующее приспособление, как, например, в та- ранах конструкции ЕрПИ. В этом случае во время работы тарана при уже отрегули- рованном ударном клапане необходимо регулирующий болт 16 (рис. 29) отодвинуть до крайнего положения, соответствующего максимальному ходу, и измерить расход q. Далее, постепенно уменьшая ход и повторяя измерение расхода, найти значение хода, которому соответствует максимальный расход. Ход нагнетательного клапана можно регулировать и без непосредственных измерений расхода q, используя показания манометра, установленного на воздушном колпаке тарана. Для этого нужно, постепенно закрывая задвижку на нагнетательной линии, повысить давление в воздушном колпаке до значения, превышающего нагнетательный напор на 10—20%, и регули- рующим болтом изменять ход клапана, следя за показанием манометра. Оптимальным будет ход, которому соответствует максимальное показание манометра. После регулирования хода задвижку опять надо полностью открыть. Во избежание износа регулирующего болта после измерения оптимального хода можно открыть узел нагнетательного кла- пана, установить этот ход при помощи резиновых сменных шайб и отодвинуть регулирующий болт, чтобы клапан больше не уда- рялся о него. В таранах, не имеющих наружного регулирующего приспо- собления, как, например, в таранах ТГ и УИЖ-К, ход нагнета- тельного клапана регулируют теми же способами, но для каж- дого измерения расхода надо открывать воздушный колпак и изменять ход клапана. ПРИЗНАКИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО И УДАРНОГО КЛАПАНОВ Среди причин самопроизвольной остановки тарана важное место занимает неисправность клапанов. Выше было отмечено, что при наладке установки следует проверять плотность закры- тия клапанов. Из-за неплотного закрытия клапанов возможны остановки тарана. При неплотном закрытии ударного клапана во время нагнетания и при большом давлении в питательной трубе из ударного узла вытекает значительное количество воды. В связи с этим не только падают производительность и к.п.д. установки, но и в зависимости от величины утечки это может послужить причиной остановки. До разбора узла для устране- ния причины неплотного закрытия необходимо проверить, не 119
является ли это случайным явлением, например следствием попадания под клаиан песка или других частиц. Для этого надо пустить таран в ход, некоторое время про- следить за работой, а затем поднять в верхнее крайнее поло- жение ударный клапан и остановить таран. Если опять обнару- жится утечка, то ударный узел нужно разобрать. Причинами неисправности могут оказаться: износ резиновых прокладок, неровный износ воспринимающего удары металлического коль- ца, а также кромок клапана, расширение зазора между клапа- ном и направляющим штоком вследствие износа. При наличии запасных частей можно заменить вышедшие из строя элементы. Остановка тарана из-за неплотного закрытия нагнетатель- ного клапана имеет следующие характерные особенности: удар- ный клапан открывается очень трудно и после открытия чув- ствуется сильная отдача, манометрическое давление в колпаке падает и, несмотря на неоднократное вынужденное открытие ударного клапана, оно не становится выше питательного на- пора. Нагнетательный клапан часто работает неисправно из-за попадания под него различных частиц. Когда размеры их не- большие, при первом вынужденном открытии ударного клапана они удаляются и таран начинает работать нормально. Если же вынужденное открытие ударного клапана, повто- ряющееся несколько раз, не помогает и при открытии чувствует- ся отталкивающая сила, нагнетательный узел нужно разобрать для выяснения причины неисправности. После разборки нагнетательного узла, если не обнаружи- вается засорение, причины неисправности могут быть такие же, какие указывались выше для ударного клапана. Таран может остановиться также вследствие проникновения воздуха в питательную трубу из питательного бассейна или из малейших отверстий на питательной трубе. Остановка тарана из-за проникновения воздуха имеет сле- дующие характерные признаки. При вынужденном открытии ударного клапана таран начинает работать не ритмично, с уча- щающимся тактом, глухим звуком, через несколько ударов сби- вается с такта и останавливается. Проникновение воздуха мож- но обнаружить по пузырькам воздуха, поднимающимся из пита- тельной трубы в питательный бассейн. В случае проникновения воздуха следует в первую очередь проверить возможность попадания воздуха из питательного бассейна вследствие аэрации входящего потока. Если в бассей- не не замечается явление аэрации, необходимо проверить пита- тельную трубу. Неисправность приспособления для снабжения воздухом также вызывает ненормальную работу установки и может по- служить причиной неприятных последствий, таких, как разрыв 120
питательного или нагнетательного трубопроводов, разрыв воз- душного колпака и т. д. При нормальной работе установки вода в нагнетательном трубопроводе двигается с пульсирующей ско- ростью, степень пульсации которой зависит от количества воз- духа в колпаке. Когда воздушное приспособление работает не- нормально, то количество воздуха в колпаке постепенно умень- шается и пульсация усиливается. Признаки недостаточности воздуха очень характерны. При ударе система сильно вибрирует и эта вибрация передается нагнетательному трубопроводу. Нагнетательный трубопровод звучит, хрипит. При этих признаках необходимо немедленно остановить та- ран, проверить воздушное приспособление и заполнить колпак воздухом.
ЛИТЕРАТУРА 1. Андронов А. А., Аронович Г. В. К теории гидравлического та- рана. Собрание трудов А. А. Андронова. Изд-во АН СССР, М., 1956. 2. Б а х м е т е в Б. А. Введение в изучение неустановившегося движе- ния жидкости. Петроград. 1915. 3. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети. (пер. с франц.) М., Машгиз 1962. 4. Жуковский Н. Е. О гидравлическом ударе в водопроводных тру- бах. М„ Гостехиздат, 1949. 5. Искандарян А. А. Определение оптимальных значений некоторых параметров гидравлического тарана. Труды НИИАвтоматика. Вып. XX, 1964. 6. Кобылянский А. Д. Гидравлические тараны большой производи- тельности и высокого напора. «Механизация и электрификация социалистичес- кого сельского хозяйства». 1957, № 2. 7. Лаврентьев А. И. Г идравлический таран. М., 1940. 8. Мостков М. А. Опыт теории гидроударных машин. Труды энерге- тического сектора АН ГрузССР. Т. II, 1942. 9. Овсеп ян В. М. К вопросу конструирования мощных гидравличе- ских таранов. Известия АН АрмССР. Серия. «Технические науки». Т. XI, № 1, 1958. 10. Овсеп ян В. М. Расчет уравнительных устройств на питательной линии гидротаранных установок. Известия АН АрмССР. Серия. «Техниче- ские науки». Т. XVIII, № 2, 1965. И. Трембовельский Д. И. Гидравлические тараны для простых трубопроводов. М., изд-во Мин-ва коммун, хоз-ва РСФСР, 1956. 12. Чистопольский С. Д. Гидравлические тараны, М.—Л. ОНТИ 199й 13. Шишак Э. Применение ударных клапанов откидного типа в гид- ротаранах. «Механизация и электрификация социалистического сельского хо- зяйства», 1960, № 4. 44. Renaud Н. Le Beller Hydraulique, Paris, 1950.
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение 3 Глава 1. Неустановившееся движение жидкости Уравнение неустановившегося движения..................... 9 Уравнение неразрывности ............................... 13 Разгон жидкости в трубопроводе постоянного диаметра . 14 Разгон жидкости в неоднородном жестком трубопроводе . 19 Гидравлический удар..................................21 Скорость распространения волны и повышение давления при гидравлическом ударе................................24 Прямой и непрямой удары..............................26 Г лава 2. Теория гидравлического тарана и таранных установок . 29 Периоды полного цикла работы тарана ..................... 29 Период раДгона. Сила давления на ударный клапан . . 31 Динамическая и расчетная высоты нагнетания . . . 33 Период нагнетания....................................35 Период отражения......................................... 38 Продолжительность полного цикла......................42 Расход жидкости, сброшенной тараном..................44 Производительность таранной установки ................... 45 К. п. д. гидротаранной установки.....................47 Последовательность расчетов установки ................... 50 Г лава 3. Конструкции гидравлических таранов и их элементов Гидравлический таран ТГ .....................56 Конструкции таранов типа АНГ..........................59 Гидравлический таран УИЖ-К............................59 Гидравлические тараны ЕрПИ...........................60 Конструкции двухжидкостных таранов....................64 Конструкции ударного клапана ......................... 65 Конструкции нагнетательного клапана ........ 69 Приспособления для подачи воздуха .................... 73 Г лава 4. Вопросы проектирования таранных установок.............. 76 Каптаж и подводящий трубопровод.......................78 Питательный бассейн...................................79 Питательная труба и ее длина..........................80 Уравнительная башня ..................................84 Уравнительный воздушный колпак........................85 Воздушный колпак тарана. Установка -дополнительного колпака.................................................89 Помещение для тарана..................................91 Нагнетательный трубопровод и нагнетательный бассейн . 92 Пределы применения таранных установок. Питательный напор...................................................94 Пределы отношения напоров.............................97 Последовательная работа таранов ...................... 98 1 Параллельная работа таранов. Многоклапанные тараны . 100 123