Гидравлический таран

Гидравлический таран, водоподъемная машина, чрезвычайно простой конструкции, утилизирующая непосредственно работу падающей воды и обращающая ее на подъем части воды того же самого, а иногда и другого источника; см. приложение.

Гидравлический таран

Для приведения в действие гидравлического тарана не нужно никакого иного двигателя, кроме текущей воды, что и делает эту машину очень удобной там, где ость затруднения в уходе за двигателями или в расходах на их постановку, например, в небольших сельских хозяйствах и т. п. гидравлический  таран  изобретен в 1796 г. французом Монгольфье. Схема его устройства показана па рисунке. В А имеется источник, вода которого отводится трубой в место В с понижением уровня на высоту h₁. Здесь в конце трубы стоит клапан В, прижимаемый давлением воды к своему седлу. Это так называемый ударный клапан; он нагружен грузом так, чтобы гидростатическое давление на него было почти уравновешено. Впереди него на трубе стоит другой клапан С, нагнетательный, открывающийся наружу и ведущий воду через воздушный нагнетательный колпак D в напорный резервуар Е. В этом заключается все устройство. Иногда оно дополняется небольшим воздушным клапаном, который ставят на рабочей трубе АВ где-нибудь под клапаном С: он открывается внутрь трубы, и его назначение — впустить в трубу АВ, а оттуда через клапан С в колпак D немного воздуха в те периоды, когда в трубе имеется разрежение, и таким образом пополнить убыль его в колпаке D, неизбежную благодаря растворения воздуха в протекающей воде.  Вместо нагнетательного клапана С иногда ставят скалку C₁, входящую в другой насосный цилиндр М, имеющий свои клапаны - всасывающий Р и нагнетательный Q: совершенно подобно игре клапана С первой схемы, здесь будет перемещаться вверх и вниз скалка C₁ и тем заставит клапаны Р и Q открываться поочередно как во всяком насосе. Это позволяет вполне разделить рабочую воду от подаваемой и, например, пуская под C₁ грязную волу из прачечной, поднимать ею через таран PMQ чистую питьевую.

Действие прибора основано на так называемом гидравлическом ударе, т. е. на явлениях, происходящих в длинной трубе при внезапной остановке протекающей в ней воды. Вкратце, эти явления таковы. После внезапного закрытия выпускного клапана В вся колонна воды в трубе АВ не может остановиться сразу, а делает это лишь постепенно. Естественно, что запас энергии в этой движущейся колонне, или, как говорят, ее живая сила не пропадает, а вызывает соответствующие деформации как стенок трубы (они растягиваются), так и самой воды (она сжимается). Проявившись впервые у клапана В в момент его закрывания, эти деформации постепенно, от слоя к слою, передаются вверх по трубе от В к А. Когда они дойдут до конца трубы А — а это время можно подсчитать, так как скорость распространения этих состояний по длине трубы теоретически определяется, — окажется, что вся труба заполнена остановившейся сжатой водой, имеет повышенное «ударное» давление, стенки ее растянуты... а рядом стоит открытый резервуар А: ясно, что равновесие не может удержаться, и вода хлынет из трубы в резервуар, но опять не вся сразу, а постепенно, от слоя к слою, восстановляя попутно свое первоначальное давление, первоначальный объем, а также позволяя трубе восстановить свою первоначальную форму. Когда последний слой в трубе близ клапана В начнет также оттекать, то сзади него должно образоваться разрежение (допустим пока, что клапан В не может открываться), которое должно, во-первых, сейчас же затормозить этот оттекающий слой, во-вторых, оно приведет воду в состояние разрежения, т. е. увеличит ее удельный объем, и может даже вызвать ее разрыв; в-третьих, стенки трубы должны сжаться. Эти состояния опять побегут вверх по трубе, к резервуару А, пока не прекратится вытекание из нее и пока вся она не окажется наполненной разряженной водой, а стенки ее не сожмутся по всей ее длине. Рядом с резервуаром А эти состояния опять не могут удержаться и вода устремится из А в трубу, последовательно возвратит в ней все в первоначальное состояние, имевшееся до удара, и если клапан Б, как было предположено, оставался закрытым, то образуется  новый гидравлический удар и все фазы будут повторяться до тех пор, пока вся начальная энергия не израсходуется на внутренние трения в материале трубы и на трения, внешнее и внутреннее, жидкости. Теоретическое рассмотрение этого явления (см. ниже) показывает, что величина ударного повышения давления, сверх господствовавшего в трубе до удара, пропорциональна погашенной ударом скорости в трубе и упомянутой выше скорости распространения описанных упругих явлений вдоль трубы и совершенно не зависит от длины и размеров трубы; последние имеют лишь косвенное влияние на ударное давление, так как скорость распространения ударной волны зависит как от материала, из которого сделана труба, так и от отношения толщины стенки к ее диаметру. Для чугунных труб небольшого диаметра (до 150 mm) можно считать, что давление в трубе поднимается на 4 атмосферы (4 kgr cm³) на каждый фут (0,305 m/r) потерянной скорости. В трубах более тонкостенных, а также в трубах, сделанных из материалов более легко растягиваемых, т. е. с меньшим коэффициентом упругости, эта величина меньше.

Описанная простая схема гидравлического удара для тарана видоизменяется и отчасти осложняется. Во-первых, вслед за закрытием клапана В, вместе с повышением давления в трубе наступает момент, когда клапан С открывается. Этим прекращается дальнейшее повышение давления в трубе, но в тоже время сохраняется в ней некоторая скорость воды, очевидно меньшая той, которая имелась в трубе при открытом клапане В, иначе не могло бы сохраниться никакого повышения давления. Значит, во-первых,  напор h₂ нужно выбирать непременно ниже того, который соответствует полному ударному повышению давления, а во-вторых, полезная подача воды тараном может составлять лишь часть того расхода, который вытекает из нее и притом тем меньшую, чем больше h₂. Повышенное давление под клапаном С сохраняется за все то время, пока ударная волна бежит по трубе от С до А и обратно от А до С; к этому моменту волна принесет к С от резервуара состояние первоначального давления, а значить клапан С закроется. Чем длиннее труба АС, тем больше времени открыт клапан С, тем больше он подаст воды. И наоборот, так как на движение клапана С нужно время, то можно себе представить, что, при слишком короткой трубе, промежуток времени от  достаточного повышения давления до начала его понижения окажется настолько мал, что клапан С не успеет открыться и подача окажется слишком мала. Старинное правило Эйтельвейна, данное почти 100 лет назад, требует, чтобы длина I подводящей трубы была, не менее 10—15 mtr и удовлетворяла бы соотношению: l=h₂+0,3(h₂/h₁). Слишком длинная подводящая труба, конечно, тоже нежелательна во избежание излишних потерь напора при протекании.

Второе отступление в таране от  рассмотренной схемы состоит в наличности клапана В, который открывается, как только под ним наступает стремление к разрежению. Тут могут оказаться два случая: понижение давления в трубе таково, чти в ней должно установиться давление или большее  атмосферного, или меньшее: в первом случае, который имеет место при небольших h₂, при открывшемся клапане В вода сейчас же должна начать выливаться из-под него, своим течением подхватить его и закрыть себе выход. Но это легко может случиться еще тогда, когда состояние разрежения не успело еще распространиться по всей трубе; в таком случае течение установится более слабое, а потому вторичный удар, если и произойдет, то тоже ослабленный, так что работа пробора будет нарушена. Если же итоговое давление после разрежения должно было бы оказаться меньше атмосферного, то, после открытия клапана В, оно не будет в состоянии упасть значительно ниже атмосферного: в трубу поступит некоторое количество воздуха, вода в ней остановится под этим давлением, немного меньшим внешнего, и затем под влиянием напора h₁ вода устремится к клапану В, вытечет из него, сейчас же подхватит его и закроет себе ход при полном течении во всей трубе АВ, т. е. работа тарана при этом вполне обеспечена. Это вторая причина того, что напор h₂ должен быть больше напора. Регулируя нагрузку клапана, можно заставить его открываться раньше или позже: легкий клапан откроется позднее, позволит достигнуть большего разрежения, значит, позволит  работать на большие напоры h₂, зато он удлинит период разрежения, во время которого подача прерывается, значит, он уменьшит его производительность. Увеличивал нагрузку клапана (но, конечно, до известных пределов) можно увеличить подачу прибора, уменьшая в то же время высоту подъема h₂.

Для каждого прибора есть такие соотношения между подачей и полным расходом, между высотами h₂ и h₁, которые приводят к наивыгоднейшему коэффициенту полезного действия. По Эйтельвейну последний (η) зависит только от  напоров и вычисляется так:

η = 1,12—0,2√h₂/ h₁.  

Тараны устанавливаются для работы и на очень небольших напорах h₁; были случаи (лабораторного характера), когда рабочий напор, достигал только 0,3 mtr и даже 30 mm! Обычно хотят иметь h₁ больше 0,7 mtr и часто от 2 до 5 mtr. Строятся они на потребление рабочих расходов до 100 litr/sec, т. е. до 8 ведер в  секунду. Испытания дают иногда высокие значения коэффициентов полезного действия, доходящие до 0,9 для небольших моделей; часто эта величина получается около 0,75—0,8. Изготовлением таранов занимаются преимущественно французские фирмы, например, Durozoi, Decoeur и др., хотя, конечно, строят их везде; известны американские тараны Дуглас. См. Б. М. Бубекин, «Дешевое водоснабжение посредством тарана и водостолбовой машины» ( 1912).

В дополнение к объясненной выше общей картине гидравлического удара, наблюдаемого всякий раз при быстрой остановке течения жидкости в длинной трубе, укажем, что повышение давления вследствие удара (Р kgr/mtr²) вычисляется по уравнению:

P/γ = λ_v/g

Здесь γ есть вес единицы объема жидкости (для воды и для mtr нужно считать γ=1000); g — ускорение тяжести; v — есть та скорость в трубе, которая погашена ударом, должна быть выражена в mtr/sec. Наконец λ — тоже в mtr/sec — есть скорость распространения по длине трубы всех фаз удара. Эта скорость λ вычисляется но уравнению:

λ=1/√(γD/geE + γ/gK)

Здесь γ и g имеют те же значения, что выше; D и e соответственно диаметр и толщина стенки трубы; Е и К — модули упругости соответственно для материала стенки и дли жидкости, наполняющей трубу; оба должны быть выражены в kgr/mtr². Обе формулы были получены профессором Н. Е. Жуковским теоретически и блестяще подтвердились на обширных опытах, произведенных им при содействии инженера Н. П. Зимина на Московском водопроводе в 1897 году. Те же уравнения были получены позднее итальянским инженером Allieve (1901 год). Работу Жуковского см. на немецком языке в Трудах   Санкт-Петербургской Академии наук за 1899 год, на русском языке в Бюллетенях Политехнического Общества за 1899 г., № 5; кроме того она подробно реферирована в журнале Annales deg Ponts et Chaussées за 1907 г., и цитируется во многих учебниках гидравлики, русских и иностранных.

Кроме указанной выше простейшей схемы, явление гидравлического удара может осложниться многими обстоятельствами: теряемый на трение напор, освобождающийся при остановке воды, изменяет величину наибольшего давления; если на трубе, где проявляется удар, есть глухой отросток — тупик —, то в нем удар проявляется с особой силой; всякое обстоятельство, обусловливающее некоторую величину давления — предохранительный клапан, отверстие, через которое может выливаться вода, открытая Пьезо метрическая труба, воздушные колпаки, водяные мешки (местные уширения на трубе) — все это влияет на величину ударного повышения давления. Состоя из ряда упругих колебательных движений, явление это может быть записано как диаграмма изменения давления по времени во всякой данной точке трубы. Форма диаграммы вполне характерна. Если на трубе есть место, дающее утечку, то это отражается характерным изменением вида диаграммы, притом так, что можно найти по диаграмме расстояние места утечки от  данной точки трубы. Отсылая за подробностями к указанным выше источникам, отметим, что в водопроводной практике явление гидравлического удара важно главным образом по отношению к определению прочных размеров труб. В водопроводах же, ведущих воду к гидравлическим установкам в целях утилизации энергии, явление гидравлического удара имеет также большое влияние на равномерность хода машин.

Ал. Астров.