Гидроударные установки

Сегодня в технике гидравлический удар считается опасным явлением, с которым необходимо всячески бороться, но так было не всегда. В первой половине прошлого века широко использовались гидротаранные и гидропульсорные насосы, основанные как раз на явлении гидроудара.

Прообразом гидротарана стал «пульсирующий двигатель», изобретённый и построенный в 1772 году англичанином Джоном Уайтхёрстом. Двигателем Уайтхёрста нужно было управлять вручную. Первый автоматический гидротаранный насос был изобретён знаменитым французом Жозеф-Мишелем Монгольфье совместно с Ами Арганом в 1796 году. В 1797-м Монгольфье получил британский патент на своё изобретение, а в 1816-м его сыновья запатентовали доработанную версию этого насоса.

В Советском Союзе в 1930 году профессор С. Д. Чистопольский в работе «Гидравлический таран» опубликовал метод теоретического расчёта таких устройств, основанный на теории гидравлического удара, которую разработал профессор Н. Е. Жуковский в 1897-1898 годах.

Гидротаран

Гидротаранный насос работает на энергии потока жидкости, образуемого небольшим перепадом высот. Основные сферы его применения - мелиорация и пожарное дело.

Вода от источника самотёком идёт по длинному напорному трубопроводу, проложенному под небольшим уклоном (см. рис. 1). Под действием нарастающего динамического водяного напора в определённый момент закрывается отбойный клапан, расположенный на нижнем конце трубопровода. Вследствие инерции движущейся воды и её несжимаемости давление здесь резко повышается. Скачка давлений оказывается достаточно для кратковременного открывания напорного клапана и прохождения через него небольшой части воды, которая поднимается вверх, попадая под воздушный колпак. После этого оба клапана возвращаются в прежнее положение. Давление воздуха под колпаком гонит воду через отводящую трубу наверх. Далее всё повторяется сначала. Правильно спроектированный гидротаранный насос способен поднимать воду на высоту H, намного превышающую h - высоту водяного столба, на энергии которого он работает.

Отбойный клапан снабжён пружиной, которая удерживает его в открытом состоянии во время разгона водяного потока. А напорный клапан может обходиться без пружины - для его закрытия обычно вполне хватает разницы давлений и его собственного веса.

Рис. 1. Устройство гидротаранного насоса

Гидравлические тараны хороши тем, что для их работы не нужно каких-либо двигателей. Насос способен действовать при минимальном перепаде высот h, начиная с десятка-другого сантиметров, и при относительно небольшом расходе воды (обычно от долей литра до нескольких литров в секунду).

Если приток воды окажется малым, в питающем резервуаре можно установить несложные накопительные устройства. При этом рабочие циклы насоса станут более редкими. Важно, что гидротараны способны эффективно использовать энергию потока как при большом расходе воды (в паводок), так и при очень малом (в межень). Ни водяные колёса, ни турбины на столь разнообразные рабочие условия не рассчитаны.

Ещё одно достоинство гидротаранного насоса - простота конструкции, естественным следствием чего являются его надёжность и долговечность (если используются достаточно прочные элементы). Насосы, выпускаемые небольшими партиями (см. рис. 2), обычно работают по десять лет без ремонта.

Рис. 2. Гидротаранные насосы промышленного исполнения

Из недостатков гидротарана отметим в первую очередь его значительные габариты. Оптимальная длина напорного трубопровода обычно получается от 10 до 14 метров, а иногда и более. Это связано с тем, что масса движущейся, а затем останавливающейся воды должна быть настолько большой, чтобы обеспечить необходимую энергию гидроудара. Чтобы напорный клапан успел открыться и пропустить заметный объём воды, необходима также достаточно большая длительность гидроудара, а она зависит от расстояния между источником воды и отбойным клапаном. Впрочем, напорный трубопровод можно свернуть в спираль, тем самым уменьшив линейные размеры установки. Но вот вес, определяемый необходимой прочностью и жёсткостью конструкции, существенно уменьшить вряд ли удастся.

Другой недостаток гидротарана - постепенное растворение в воде находящегося под колпаком воздуха, что вынуждает применять те или иные механизмы его восполнения.

Гидротараны, широко распространившиеся в первой половине прошлого века, впоследствии пали жертвой повсеместной электрификации. Установить электронасос для поднятия воды на поля и в резервуары зачастую оказывается проще.

Гидропульсоры

В начале прошлого века были изобретены гидропульсоры - некие гибриды гидротаранов и турбин. Вращающееся колесо радиально-осевой турбины направляет поступающую жидкость то в сливную, то в напорную полость благодаря тому, что попеременно открываются нижние либо верхние радиально-осевые каналы. То есть клапаны в гидропульсорах заменены турбинными лопатками. В них также задействована центробежная сила. Гидропульсор обходится без воздушных пузырей, и ему важнее кинетическая энергия потока воды, чем перепад высот.

Гидропульсорные насосы, получившие широкое распространение в первой половине прошлого века, имели довольно крупные габариты - не меньше метра в диаметре (см. рис. 3). И они перекачивали намного больше воды, чем гидротараны, поднимая её порой на высоту до ста метров.

Рис. 3. Гидропульсорные насосы, построенные сто лет назад,
часто имели множество подводящих трубопроводов

Гидропульсоры способны работать как на нагнетание, так и на всасывание. Всасывающий вариант подходит для мелиорации, когда нужно откачивать воду из болота или иного водоёма.

Поле для творчества

Поскольку в турбинах гидроэлектростанций возникают пульсации давления, многие изобретатели думают над тем, чтобы дооснастить их различными гидроударными устройствами, которые на энергии пульсаций могли бы часть воды из нижнего бьефа возвращать в верхний.

Другая любопытная идея касается микроГЭС. Это подъём воды на несколько метров в специальную ёмкость, откуда её можно направить на турбину для выработки электроэнергии с высоким КПД. Вполне вероятно, что такая схема позволит лучше использовать кинетическую энергию речного потока, нежели установка винтовых проточных турбин на дне реки. Кроме того, упростится конструкция - не нужно будет герметизировать корпус электрогенератора или передавать вращательное движение наверх.

На основе гидротаранных насосов рационализаторы изготавливают различные электрогенераторы, применяя хитроумные миниатюрные турбины. Заслуживает внимания идея использовать для выработки электроэнергии пьезоэлектрик, хорошо преобразующий ударную энергию в электричество.