Способ перекачки жидкости и устройство для его осуществления

 

Использование: для подъема жидкостей из скважин, глубоких колодцев и резервуаров. Сущность изобретения: используют питательный, нагнетательный трубопроводы (ТП) и гидроаккумулятор. Создают гидравлический удар в питательном ТП с величиной давления, необходимой для перемещения части жидкости в нагнетательный ТП через клапан и демпфирования его воздействия. Соединяют питательный и нагнетательный ТП патрубком переменного сечения, совершающим возвратно-поступательное движение. Формируют направленную кумулятивную струю (или струи) жидкости. Создают гидравлический удар путем формирования управляемого импульсного давления и разрежения в жидкости. Перемещение жидкости осуществляют дополнительно за счет кинетической энергии кумулятивной струи и объемного вытеснения ее патрубком. Для формирования струи и гидравлического удара используют часть энергии повышенного давления в нагнетательном ТП посредством регулирования обратной связи по давлению, осуществляемой через патрубок. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к насосостроению, в частности к конструкции гидротаранного насоса, и может быть использовано в промышленности, строительстве и сельском хозяйстве, например, для подъема жидкостей из скважин, глубоких колодцев и резервуаров.

Известен способ перекачки жидкостей, использующих гидравлический удар (ГУ), реализуемый в гидротаранных устройствах (Жабо В.В. и Уваров В.В. Гидравлика и насосы. М. Энергия, 1976, с.102-109), который включает разделение трубопровода перегородкой с нагнетательным клапаном на питательный и нагнетательный, разгон жидкости в питательном трубопроводе (ПТ) до определенной скорости за счет естественного или искусственного напора, созданного в питательном трубопроводе, слив жидкости из него и создание гидравлического удара путем перекрытия слива жидкости ударным клапаном, а также перемещения части жидкости через нагнетательный клапан, вследствие повышения давления при гидравлическом ударе, демпфирование воздействия гидроудара с помощью гидравлического аккумулятора.

Гидротаранный насос (Жабо В.В. и Уваров В.В. Гидравлика и насосы. М. Энергия, 1976, с.103-104) содержит корпус, к которому присоединяются питательный и нагнетательный трубопроводы, ударный клапан, нагнетательный клапан и воздушный колпак, который соединен с нагнетательным трубопроводом.

Недостатками способа и устройства перекачки жидкости гидротаранного насоса, реализующего этот способ, являются низкие производительность и КПД из-за потерь, связанных со сливом части жидкости, и энергии (мощности), затраченной на разгон этой части жидкости, а также неравномерность подачи жидкости.

Техническая задача изобретения состоит в повышении КПД, производительности и равномерности подачи жидкости.

Задача решается тем, что соединяют питательный и нагнетательный трубопроводы подвижным или неподвижным патрубком переменного сечения, выполненным преимущественно в виде конической или прямоугольной воронки, т.е. узла, имеющего подвижные или неподвижные поверхности, наклонные под углом к оси патрубка переменного сечения (ППС или ниже по тексту просто патрубок). Далее создают аккумулятивную струю жидкости (КСЖ), направляемую этим патрубком от питательного к нагнетательному трубопроводу (Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых ответах. М. Наука, 1989, с.21-22), тем или иным способом, например: набегание фронта жидкости на твердую преграду, расположенную под углом к этому фронту, в частности набегание фронта жидкости на коническую поверхность ППС, выполненного в виде воронки или составного диффузора-конфузора; схлопывание обычно двух твердых пластин, расположенных под углом друг к другу и к оси трубопроводов или патрубка и формирующих направленную кумулятивную струю; набегание двух и больше кумулятивных струй жидкости друг на друга, например, полученных после схлопывания пластин и направленных в сторону нагнетательного трубопровода; схлопывание газового пузыря в жидкости, полученного известным способом, в питательном трубопроводе (НОУ-ХАУ).

Во всех вышеперечисленных случаях повышение давления в жидкости, например, за счет гидроудара (ГУ) увеличивает кинетическую энергию кумулятивных струй жидкости, так как быстрее схлопываются пластины или газовый пузырь (НОУ-ХАУ), т.е. увеличивается скорость КСЖ.

Затем осуществляют гидроудар путем создания управляемого импульсного давления и разрежения в жидкости преимущественно за счет возвратно-поступательного движения патрубка в неподвижном или движущемся столбе жидкости, при этом используют часть энергии повышенного давления в нагнетательном трубопроводе для движения ППС, через который осуществляется обратная связь по давлению (ОСД) между трубопроводами, а регулировку ОСД осуществляют изменением площадей сечений патрубка, находящихся в нагнетательном и питательном трубопроводах, а также изменением давления в гидравлическом аккумуляторе, например компрессором, подсоединенным к нему. Кроме того, осуществляют управление параметров КСЖ (скорость, время действия) и ГУ (давление, время действия и т.д.) следующими путями: путем изменения геометрических размеров питательного трубопровода, размещением подвижного клапана в нем, так как при этом можно получить как прямой, так и непрямой ГУ, следовательно, большее или меньшее давление, а значит, большую или меньшую кинетическую энергию КСЖ, что в итоге изменит производительность способа перекачки жидкости; путем управляемого ударного воздействия движущимся ППС на столб жидкости как при прямом (в сторону ПТ), так и при обратном его ходе, при повышении скорости движения патрубка уменьшается время удара, т.е. обеспечивается возможность получения как прямого, так и непрямого ГУ, возрастает скорость набегания фронта жидкости на патрубок, что повышает производительность способа. При обратном ударном ходе патрубка может образоваться газовый пузырь в питательном трубопроводе, и в этом случае для интенсификации перекачки жидкости используют обратный гидравлический удар (ОГУ), воздействие которого на детали устройства демпфируются за счет обратной связи по давлению (ОСД) гидравлическим аккумулятором (НОУ-ХАУ).

При неподвижном патрубке все способы получения кумулятивных струй также действуют, но набегание потока жидкости на ППС получают с помощью гидроудара, осуществляемого, например, с помощью ударного клапана в гидротаране.

Перемещение жидкости происходит в результате действия гидравлического удара, кинетической энергии направленных кумулятивных струй жидкости.

Преимущества предложенного способа перекачки жидкости заключаются в следующем: отсутствуют слив жидкости и связанные с ним потери энергии; клапаны в устройстве, реализующем способ, выполняют в виде одной или нескольких подвижных пластин, закрепленных на осях в устройстве, которые не только не допускают обратного перетока жидкости, но и являются источниками КСЖ, т.е. энергия ГУ не тратится на простое смещение клапана, а дополнительно расходуется на получение кумулятивных струй; в результате того, что клапан подвижного патрубка выполнен проходным, дополнительное перемещение жидкости происходит за счет движения ППС как в прямом, так и обратном направлении, т.е. за счет объемного вытеснения жидкости, зависящего от длины хода и частоты возвратно-поступательного движения патрубка переменного сечения;
жидкость более равномерно поступает в нагнетательный трубопровод (НТ) во время всего цикла как действия ГУ (прямого и обратного), так и действия прямого и обратного хода подвижного патрубка;
управление параметрами ГУ, КСЖ осуществляется за счет управляемого возвратно-поступательного движения ППС (импульсного давления и разрежения), за счет регулируемой обратной связи по давлению, осуществляемой через подвижный патрубок, изменением величины площадей сечений патрубка, находящихся в питательном и нагнетательном трубопроводах, а также за счет изменения давления в гидроаккумуляторе.

Следовательно, в результате осуществления способа перемещение жидкости Q происходит за счет ГУ q_ГУ, за счет энергии КСЖ q_КСЖ, за счет объемного вытеснения жидкости движущимся патрубком -qo, что можно записать в виде формулы
Q q_ГУ + q_КСЖ + q_o. (1)
На фиг. 1 представлена схема устройства перекачки жидкости, посредством которого осуществляется способ; на фиг. 2 схемы устройства клапана; на фиг. 3 схемы образования и направления течений кумулятивных струй жидкости в патрубке переменного сечения с клапаном, показанных стрелками; на фиг. 4 схемы многопластинчатых клапанов, применяющихся в устройстве.

Устройство перекачки жидкости содержит корпус 1, в котором размещены первая рабочая камера (ПКР) 2, соединенная с питательным трубопроводом (ПТ) 3, и вторая рабочая камера (ВРК) 4, к которой присоединяется нагнетательный трубопровод (НТ) 5. Эти камеры соединены патрубком переменного сечения (ППС) 6, установленным с возможностью управляемого возвратно-поступательного движения. ППС 6 снабжен клапаном 7 и штоком 8 соединен с приводом, состоящим, например, из пружины 9 и эксцентрика 10 с уступом, который вращается электродвигателем (не показан). ВРК 4 снабжена вентилем 11, через который стравливается или закачивается, например, компрессором воздух, тогда она выполняет роль воздушного колпака. ПТ 3 снабжен всасывающим клапаном (ВК) 12, который установлен в нем с возможностью перемещения и фиксации. Затрубное пространство 13 между внешней поверхностью ППС 6 и внутренней поверхностью корпуса 1 соединено с атмосферой или может быть заполнено рабочей средой (РС), например воздухом, и соединено с источником переменного давления (ИПД) 14, возбуждаемого в РС, например компрессором (не показан). Корпус 1 снабжен управляемым клапаном 15. Кроме того, клапан 7 может размещаться в ВРК 4 или в НТ 5, тогда ППС 6 без клапана.

На фиг. 2 (а, б, в) показан продольный разрез патрубка 6, выполненного в виде прямоугольной воронки с клапаном 7 в виде двух пластин 16, 17, имеющих каждая оси 18 и 19 вращения соответственно (фиг. 2а), закрепленных в плоскости расходящихся сторон воронки. Свободные стороны пластин 16 и 17 опираются на ограничитель кронштейн 20, закрепленный между двумя другими параллельными между собой сторонами 21 воронки (другая сторона не показана).

На фиг. 2б показан тот же патрубок 6, но пластины 16, 17 имеют общую ось 22 вращения, закрепленную также между двумя параллельными между собой сторонами 21 (другая не показана), а свободные стороны пластин опираются каждая на смежные стороны воронки, образуя со всеми ее сторонами герметичный контакт.

На фиг. 2в показан вариант клапана 7, выполненного в виде пружинистой пластины, закрепленной на одной из сторон воронки. Свободная сторона пластины-пружины 23 опирается на противоположную сторону ППС 6, образуя со всеми его сторонами герметичный контакт.

Во всех описанных случаях (фиг. 2а, б, в) пластины клапана 7 расположены под углом к оси патрубка 6, изменяющимся в интервале от 3 до 90^о, и образуют герметичный контакт со всеми сторонами ППС 6 и между собой для предотвращения обратного тока жидкости. Клапан 7, выполненный в соответствии с фиг. 2 а, б. в, может располагаться в ВРК 4 или в НТ 5, тогда пластины будут располагаться под углом соответственно к оси ВРК 4 или НТ 5.

На фиг. 3 а, б, в пластины 16, 17 и пластина-пружина 23 клапана 7 показаны в момент схлопывания между собой (3б) и со стенками ППС 6, а стрелками показаны КСЖ 24-42, формируемые как за счет движения пластин (одинарные стрелки), так и за счет набегания потоков жидкости друг на друга (КСЖ 28-30; 35, 36, 38, 42, двойные стрелки).

На фиг. 4а, б, в приведены схемы многопластинчатых клапанов, имеющих соответственно: две оси на каждой, закрепленные подвижно по паре пластин; три оси, закрепленные на каждой стороне трехгранного патрубка, имеющие каждая по одной трехугольной пластине, которые составляют в закрытом состоянии пирамиду и герметично перекрывают сечение ППС 6; одна общая ось, закрепленная в устройстве и снабженная поворачивающимися четырьмя пластинами, перекрывающими сечение двух соосных трубопроводов.

Все вышеописанные пластинчатые клапаны удовлетворяют формуле для выражения соотношения количества пластинчатых элементов n и осей вращения k
n a ˙ k, (2) где k 1, 2, 3,
a
Так для клапана на фиг, 2а, а 1, k 22, тогда n 2 х 1 2 пластины;
на фиг. 2б a 2, k 1, то n 2 х 1 2 пластины;
на фиг. 4а а 2, k 2, то n 2 х 2 4 пластины;
на фиг. 4б а 1, k 3, то n 3 х 1 3 пластины.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим пример подвижного ППС 6, который приводится в движение механизмом ударного возвратно-поступательного действия, состоящим из пружины 9 и эксцентрика 10 с уступом, приводимым во вращение, например, электродвигателем. Затрубное пространство 13 соединено с атмосферой, ППС 6 находится в верхнем по чертежу положении и выполнен в виде прямоугольной воронки с клапаном 7 (фиг. 2а), содержащим две пластины 16 и 17, закрепленные на осях 18 и 19, расположенных под углом к оси патрубка 6, и закрыт давлением жидкости, находящейся в ВРК 4. Столб жидкости в ПТ 3 неподвижен.

При вращении эксцентрика 10 зацеп штока 8 соскальзывает с уступа, пружина 9, до этого растянутая, сжимается, толкает шток 8 и связанный с ним патрубок 6 вниз, который ударяет по столбу жидкости, находящейся в ПРК 2 и ПТ 3, где происходит гидравлический удар. Одновременно с этим при движении ППС 6 вниз фронт жидкости набегает на пластины 16 и 17 клапана 7, расположенные к этому фронту под некоторым углом. В результате вдоль этих пластин формуются КСЖ 24, 25 (фиг. 3а), которые имеют более высокую скорость U, чем скорость V патрубка 6 (Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых опытах. М. Наука, 1989, с.15)
U V ctg (α /2), (3) где α угол между плоским фронтом и пластинами.

При этом кинетическая энергия КСЖ 24 и 25 при внезапной остановке в вершине угла, образованном пластинами, которые пока герметично перекрывают сечение патрубка, превращаются в энергию давления. В это время в ПРК 2 и ПТ 3 повышается давление за счет гидроудара. При совместном действии давлений пластины 16 и 17 поворачиваются на осях 18 и 19, преодолевая давление в нагнетательном трубопроводе 5 и схлопываются со сторонами ППС 6, на которых закреплены их оси. При этом схлопывании образуются КСЖ 26 и 27 соответственно, которые направлены в одну сторону к ВРК 4 и под одинаковыми углами к оси патрубка 6. Пластины располагаются вдоль стен патрубка 6, следовательно, клапан 7 открыт. Кроме того, образуются кумулятивные струи 28 и 29, образованные при столкновении соответственно пар струй 24 и 25 и 26, 27.

Таким образом сформировалась направленная кумулятивная струя 30, занимающая все узкое сечение патрубка 6 и перемещающаяся в ВРК 4 и имеющую более высокую скорость, чем скорость движения патрубка (фиг. 3). Очевидно, что в узком сечении патрубка 6 понижается давление, а кинетическая энергия КСЖ 30 в ВРК 4 превращается в энергию давления.

Так как в ПРК 2 и ПТ 3 действует положительный период ГУ, то давление в них повышенное и происходит перемещение жидкости за счет действия ГУ и дополнительное перемещение жидкости, вызванное пониженным давлением в узком сечении патрубка 6 за счет действия кумулятивной струи, из ПТ 3 через патрубок 6 в НТ 5, т.е. жидкость приобретает некоторую скорость относительно ПРК 2, а навстречу движется патрубок 6. Следовательно, скорость набегания фронта жидкости равна сумме этих скоростей, что немаловажно для формирования новой кумулятивной струи 30, образующейся у пластин 16 и 17, прижатых к расходящимся стенкам патрубка 6. Встречаясь в узком сечении патрубка 6, они образуют КСЖ 30, которая существует во все время действия положительного периода гидроудара. Таким образом, энергия ГУ и энергия КСЖ взаимно дополняют друг друга во все время прямого хода патрубка 6 и положительного периода ГУ.

Перемещение жидкости происходит как за счет действия ГУ, так и за счет кумулятивного эффекта, а также за счет объемного вытеснения жидкости движущимся патрубком.

В конце прямого хода патрубок 6 занимает крайнее нижнее положение. В этот момент в ПТ 3 действует отрицательный период гидроудара, при котором давление в нем и в ПРК 2 ниже атмосферного, т.е. действует разрежение: пластины 16 и 17 клапана 7 возвратились в исходное положение и перекрыли внутреннее сечение патрубка 6. Под действием разрежения в ПТ 3 поступает жидкость, например, из скважины и восполняет убывший объем жидкости, приобретая некоторую скорость в ПТ 3.

Под действием эксцентрика 10 патрубок 6 начинает движение вверх по чертежу, растягивая пружину 9: происходит обратный его ход, при этом жидкость разгоняется в ПТ 3 до более высокой скорости. Одновременно в ВРК 4 за счет хода патрубка 6 вверх происходит объемное вытеснение порции жидкости в НТ 5. При достижении крайней верхней точки зацеп штока 8 соскальзывает с уступа эксцентрика 10 и, сжимаясь, пружина 9, а также давление в ВРК 4 действуют на патрубок, приводя его в движение. Патрубок 6 ударяет по движущемуся навстречу ему с некоторой скоростью столбу жидкости в ПТ 3 и т.д.

Работа устройства с клапаном, выполненным в соответствии с фиг. 2 б, аналогична, изменяется только схема формирования кумулятивных струй. При прямом ходе патрубка 6 идет формирование КСЖ 31 и 32 вдоль расходящихся стенок патрубка и КСЖ 33 и 34 вдоль пластин 16 и 17, которые, в свою очередь, формируют струи 35 и 36. При схлопывании пластин 16 и 17 образуется КСЖ 37, которая совместно с КСЖ 35 и 36 формирует кумулятивную струю 38 патрубка 6. При обратном ходе пластины расходятся, опираясь на стенки патрубка 6, герметично перекрывая его внутреннее сечение.

Для демпфирования инерционного воздействия массы жидкости на детали устройства ВРК 4 можно выполнить в виде гидравлического аккумулятора воздушного колпака, а стравливать или закачивать воздух в него через вентиль 11. Объем воздушного колпака, зависящего от степени неравномерности подачи жидкости, можно уменьшить по сравнению с известным устройством, так как в предложенном устройстве неравномерность подачи меньше. Еще меньшие размеры будет иметь ВРК 4, если ее выполнить в виде пружинного гидроаккумулятора.

Те же процессы и в том же порядке будут происходить в устройстве и в том случае, когда ПТ 3 будет снабжен всасывающим клапаном 12. Тогда при прямом ходе патрубка 6 он будет закрыт, а при обратном ходе отрывается и происходит всасывание порции жидкости в ПТ 3 из скважины через этот клапан.

При наличии всасывающего клапана 12, который перемещается и фиксируется на расстоянии l от ПРК 2, всегда можно настроить устройство в резонанс с периодами гидравлического удара в данной жидкости, с частотой и величиной хода патрубка 6, например, при замене одной жидкости на другую, так как параметры ГУ зависят от скорости pаспpостpанения ударной волны, различной для различных жидкостей. Это позволит устройству развивать наивысшую производительность при перекачке различных жидкостей.

Клапан 12 также можно выполнить в соответствии с фиг. 2 а, б, в, т.е. получить кумулятивную струю жидкости в ПТ 3, что повысит скорость движения жидкости в нем.

Управление параметрами гидроудара (давление, разрежение, время действия), а также кумулятивной струи (скорость, время действия КСЖ) можно производить несколькими методами.

Управление скоростью движения патрубка 6 в различные периоды рабочего цикла с помощью управляемого привода, в этом случае изменяя ускорения движения патрубка в разные моменты периодов ГУ можно изменять давление, разрежение, время действия ГУ.

Изменение геометрических размеров ПТ 3, например, за счет изменения положения всасывающего клапана 12. При l 0 устройство будет перекачивать жидкость за счет объемного вытеснения и кумулятивного эффекта, так как время действия ГУ ничтожно мало, а при l, равной некоторому значению, можно добиться разностной работы устройства.

Изменение величины обратной связи по давлению (ОСД) β осуществляемой через ППС 6, посредством изменения соотношения площадей сечений его, находящихся соответственно в ВРК 4 S₂ и в ПРК 2 S₁, т.е.

β > 0, (4) где Р₁, Р₂ давления в ПРК и ВРК соответственно.

ОСД показывает, какая часть энергии давления в ВРК 4 расходуется на движение ППС 6 при прямом его ходе для его ускорения, необходимого для получения гидроудара с заданными параметрами. При этом можно выбрать оптимальное соотношение распределения мощности привода и мощности, передаваемой с помощью ОСД на патрубок 6, по периодам рабочего цикла устройства. Например, при обратном ходе ППС 6 в период действия отрицательной фазы ГУ в ПРК 2 и ПТ 3 в объеме патрубка 6 образуется газовый пузырь, при схлопывании которого происходит обратный гидроудар (ОГУ), в результате чего возникают большие давления в ПТ 3 и механические нагрузки на патрубок 6. За счет противодействия давления в ВРК 4 на патрубок 6 и привода на ППС 6 избыточная энергия ОГУ демпфируется и используется только необходимая ее часть для перемещения жидкости из питательного трубопровода в нагнетательный (НОУ-ХАУ). Это повышает КПД, производительность и равномерность подачи способа и устройства.

Изменение давления в ВРК, выполненной в виде гидроаккумулятора, с помощью компрессора через вентиль 11 позволяет также изменять величину обратной связи по давлению и регулировать скорость движения ППС 6.

Рассмотрим случай подвижного патрубка 6, но без клапана 7, который приводится в ударное возвратно-поступательное движение с помощью источника переменного давления (ИПД) 14, возбуждаемого в рабочей среде, например в жидкости, заполняющей затрубное пространство 13 устройства. ППС 6 выполнен в виде конической воронки. НТ 5 снабжен клапаном 7, который закрыт, и гидравлическим аккумулятором, ВРК 4 по существу выполняет роль соединительного узла устройства и НТ 5. Ударный пружинный привод, а именно пружина 9, шток 8, эксцентрик 10, отсутствуют.

ИПД 14 создает в рабочей среде затрубного пространства 13 импульсное давление, что приводит патрубок 6 в движение (по чертежу вниз, фиг. 1), так называемый прямой ход патрубка. Последний удаpяет по неподвижному или движущемуся столбу жидкости в ПТ 3 конической поверхности и в ней возникает ГУ. Одновременно с этим в ППС 6 возникает цилиндрическая кумулятивная струя жидкости (ЦКС), которая обладает более высокой скоростью, чем скорость патрубка 6 (фиг. 3). ЦКС перемещается из ПТ 3 в ВРК 4, обладая большой кинетической энергией, где она превращается в энергию давления, при этом открывается клапан 7 в нагнетательном трубопроводе 5. В это время повышается давление в ПТ 3 и за счет этого также происходит перемещение жидкости в НТ 5 в течение всего действия положительного периода гидравлического удара.

Продолжающееся движение ППС 6 вниз с некоторой скоростью способствует поддержанию действия ЦКС, удлиняет время положительного действия ГУ, а также за счет объемного вытеснения жидкости из ПРК 2 перемещает дополнительное количество жидкости в НТ 5. В конце действия положительного периода ГУ ИПД 14 создает импульсное разрежение в жидкости затрубного пространства 13 и ППС начинает двигаться вверх обратный ход патрубка 6. В ПТ 3 формируется управляемое разрежение и в него поступает жидкость из скважины, клапан 7 в НТ 5 закрывается и не допускает обратного притока жидкости. Дополнительного перемещения жидкости за счет объемного ее вытеснения не происходит, так как в патрубке отсутствует клапан 7.

Если ПТ 3 снабжен всасывающим клапаном 12, то процессы при работе устройства происходят в соответствии с вышеописанным. Перемещением всасывающего клапана 12 в ПТ 3 и изменением скорости движения патрубка 6 можно управлять параметрами ГУ и ЦКС, что позволит развить устройству высокие КПД и повыcить производительность устройства и способа. Возможно совместное действие ударного пружинного и гидравлического приводов или использование затрубного пространства 13, заполненного жидкостью и снабженного управляемым клапаном 15, для предотвращения движения патрубка 6 в обратном направлении в самом начале его прямого хода под действием давления, развиваемого в ПТ 3 гидроударом, когда клапан 7 еще не сработал не открыт. В этом случае ИПД 14 представляет собой емкость с жидкостью.

Рассмотрим случай неподвижного патрубка 6, который может быть снабжен клапаном 7, тогда ВРК 4 может быть выполнена в виде гидроаккумулятора. Клапан 7 может быть выполнен по одной из схем, приведенных на фиг. 3 а, б, в, например в соответствии с фиг. 2в пластинчатая пружина 23, закрепленная на стенке ППС 6. Патрубок 6 со стенками ПРК 2 соединен негерметично, т.е. затрубное пространство 13 сообщается с ПРК 2. Источник переменного давления выполнен в виде, например, цилиндра с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Управляемый клапан 15 выполнен в виде ударного клапана.

При движении поршня ИПД 14 по чертежу вправо в затрубном пространстве 13, в ПРК 2 и ПТ 3 создается разрежение и жидкость разгоняется до некоторой заданной скорости. В это время управляемый клапан 15 закрывается и в ПТ 3 происходит гидроудар давление в нем возрастает, действуя на пластинчатую пружину 23, которая перекрывает внутреннее сечение патрубка 6. Пружина-пластина 23 движется в направлении к стенке ППС 6, на которой она закреплена и, схлопываясь с ней, формирует КСЖ 39, направленную вдоль внутреннего сечения патрубка в сторону ВРК 4.

Под действием давления ГУ формируется поток жидкости через ППС 6, который, набегая на его стенку, расположенную под углом к его оси, и на пружину-пластину 23, создает КСЖ 40, 41, 42 в том же направлении, что и предыдущая КСЖ 39, которые обладают большей скоростью по сравнению со скоростью потока жидкости в питательном трубопроводе. В патрубке 6 создается разрежение, что создает возможность для перемещения дополнительного объема жидкости в нагнетательный трубопровод. Кроме того, по мере уменьшения давления ГУ в ПТ 3 пружина-пластина 23 под действием сил упругости отходит от стенки ППС 6 и автоматически уменьшает угол α между нею и фронтом набегающего потока, который уже имеет меньшую скорость Vn. Но скорость U кумулятивной струи 42 в патрубке 6 автоматически поддерживается на заданном уровне еще некоторое время действия положительного периода ГУ. Формула (3) для этого случая имеет вид
U V_n ctg (α /2), (5) где V_n скорость потока;
α угол между фронтом потока и пружины.

Очевидно, что при уменьшении α увеличивается ctg (α /2), т.е. скорость КСЖ 42 при подобранном правильно коэффициенте упругости пружины поддерживается, обеспечивая давление в НТ 5 на заданном уровне.

В некоторый заданный момент положительного действия периода ГУ поршень ИПД 14 начинает двигаться налево по чертежу, вытесняя жидкость из цилиндра в ПРК 2 через управляемый клапан 15, поддерживая скорость набегания потока V_n на конусную часть ППС 6, перемещая дополнительно жидкость в нагнетательный трубопровод 5.

При отрицательном периоде ГУ пружина-пластина 23 перекрывает сечение патрубка 6. В питательном трубопроводе 3 создается разрежение, под действием которого в него начинает поступать жидкость, например, из резервуара. Поршень ИПД 14 начинает двигаться вправо и разгоняет столб жидкости в ПТ 3 до некоторой заданной скорости. Клапан 15 закрывается, и в питательном трубопроводе 3 создается гидроудар и т.д.

Те же процессы будут протекать в устройстве и при наличии в ПТ 3 всасывающего клапана 12, который может быть выполнен в виде пластин, расположенных под углом к оси трубопровода, в соответствии с фиг. 2 а, б, в, т.е. создавать в нем кумулятивную струю, обладающую большей скоростью, по сравнению с тем случаем, если бы клапан 12 был выполнен по схеме поднимающегося клапана (тарельчатым, кольцевым, шаровым).

Таким образом, изобретение позволяет развивать уровень ударных давлений, не меньших, чем в гидротаранном насосе, управлять частотой следования гидравлических ударов, применить физический эффект кумулятивных струй (увеличение кинетической энергии) перекачиваемого потока жидкости, которая при торможении в нагнетательном трубопроводе превращается в дополнительное давление в жидкости, заменить поднимающиеся клапаны на активные клапаны (комбинация вращающихся пластин, расположенных под углом к оси устройства, изменяющимся в пределах от 3 до 90^о, и установленных с возможностью перекрытия обратного потока жидкости в устройстве), которые сами могут формировать кумулятивные струи, используя энергию гидроудара и движения патрубка переменного сечения, управлять не только импульсным давлением, но и разрежением при гидроударе, что позволяет применить энергию обратного гидроудара для перекачки жидкости (НОУ-ХАУ), а также управлять параметрами как гидроудара, так и кумулятивных струй, перемещать жидкость как за счет энергии гидроудара и кумулятивных струй, так и за счет объемного вытеснения ее из рабочих камер движущимся патрубком при прямом и обратном его ходах, повысить равномерность подачи жидкости.

Следовательно, КПД, производительность и равномерность подачи жидкости в изобретении выше, чем в проточке.

КПД η₁ прототипа выражается формулой
η₁ Pq/W₁, (6)
где P давление в нагнетательном трубопроводе;
q производительность;
W₁ затраченная мощность.

КПД η₂ способа и устройства с учетом формулы (1) выражается формулой
η₂= P₂Q/W₂= (q_ГУ+q_КСЖ+q_o). (7)
Примем, что q q_ГУ (8), очевидно, что η₂>η₁ при этом W₂ затраченная мощность. Составим отношение η₂/η₁ с учетом условия формулы (8)
1 + +
Для выполнения неравенства (9) необходимо показать, что каждый из сомножителей больше или равен 1. Первый сомножитель заведомо больше единицы, т.е.

1 + + > 1. (9)
Второй сомножитель необходимо расшифровать. Полная или затраченная мощность тарана включает мощность, употребленную на разгон жидкости объемом Q₁ в питательном трубопроводе, при этом q₁ объем сливной жидкости и q объем жидкости, перемещенный в нагнетательный трубопровод, Q₁ q₁ + q, тогда
W₁ Q₁P₁ + qP P₁q₁ + P₁q + Pq, (10) где Р₁ давление в питательном трубопроводе до гидроудара (при P/P₁ 10, КПД тарана ТГ-1 52%). Так как Р₁ мало и q обычно в несколько раз меньше q₁, то Р₁q мало по сравнению с другими слагаемыми равенства (10) и им можно пренебречь. Мощность P₁q₁ затрачена на разгон жидкости и ее слив через ударный клапан, Pq мощность, необходимая для перемещения жидкости в нагнетательный трубопровод.

Полная мощность, используемая в устройстве, выражается формулой
W₂ P₂q + P₂q_КСЖ + P₂q_o, P₂ P, (11) где P₂q мощность, затраченная на перемещение жидкости в нагнетательный трубопровод при ГУ;
P₂q_КСЖ мощность, затрачиваемая на создание кумулятивных струй за счет вращения пластин клапана и набегания потока на конусную часть патрубка (в прототипе равная мощность W₁ расходуется только на подъем клапана и не участвует в перемещении жидкости);
P₂q_o мощность, расходуемая на объемное вытеснение жидкости в нагнетательный трубопровод (мощность лобового сопротивления при этом незначительна, так как при ГУ давление с обеих сторон патрубка одинаковое; при обратном ходе затрачивается основная часть мощности в этом случае, но и она меньше мощности P₁q₁ прототипа, так как отсутствуют потери, связанные с разгоном и сливом этой жидкости в питательном трубопроводе,
Таким образом, P₂q_o < P₁q₁. Из анализа формул (10), (11) можно записать следующие выражения:
P₁q₁ P₂q_o > 0, P₂q_ГУ Pq, P₂q_КСЖ ≥W₁.

Тогда
W₁ W₂ P₁q₁ Pq_o > 0, т.е. W₁/W₂ ≥ 1. (12)
Окончательно η₂/η₁ > 1.

Способ перекачки жидкости реализован в устройстве перекачки жидкости, представленном на фиг. 1 и содержащем клапаны, выполненные в соответствии с фиг. 2 а, б, в, а также фиг. 4 а, б. Для реализации способа можно применить промышленно освоенный гидротаран ТГ-1 предварительно выполнив следующие конструктивные изменения:
соединить патрубком переменного сечения питательный и нагнетательный трубопроводы, причем последний соединен с воздушным колпаком; патрубок переменного сечения выполнен в виде прямоугольной воронки с клапаном;
клапан выполнить в виде вращающихся пластин, закрепленных на противоположных стенках патрубка, в соответствии с фиг. 2 а, б, в, с помощью которого формируется кумулятивная струя, направленная от питательного к нагнетательному трубопроводу. Алгоритм работы тарана (Жабо В.В. и Уваров В.В. Гидравлика и насосы. М. Энергия, 1989, с.102-109) полностью сохраняется кроме того, что перемещение жидкости осуществляется не только за счет гидроудара, но и за счет энергии кумулятивной струи, созданной патрубком переменного сечения и клапаном оригинальной конструкции.

Формула изобретения

1. Способ перекачки жидкости, включающий использование питательного, нагнетательного трубопроводов и гидроаккумулятора, создание гидравлического удара в питательном трубопроводе с величиной давления, необходимой для перемещения части жидкости в нагнетательный трубопровод через клапан и демпфирования его воздействия, отличающийся тем, что соединяют питательный и нагнетательный трубопроводы патрубком переменного сечения, совершающего возвратно-поступательное движение, формируют направленную кумулятивную струю (или струи) жидкости, при этом создают гидравлический удар путем формирования управляемого импульсного давления и разряжения в жидкости, перемещение жидкости осуществляют дополнительно за счет кинетической энергии кумулятивной струи и объемного вытеснения ее патрубком переменного сечения, причем для формирования кумулятивной струи (струй) и гидравлического удара используют часть энергии повышенного давления в нагнетательном трубопроводе посредством регулируемой обратной связи по давлению, осуществляемой через подвижный патрубок переменного сечения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управление параметрами гидравлического удара, кумулятивной струи и величины обратной связи по давлению осуществляют изменением соотношения площадей сечений патрубка, находящихся соответственно в нагнетательном и питательном трубопроводах, изменением давления в гидравлическом аккумуляторе, а также за счет изменения геометрических размеров трубопровода.

3. Устройство перекачки жидкости, содержащее корпус питательный, нагнетательный трубопроводы и клапан, отличающееся тем, что оно снабжено патрубком переменного сечения, первой и второй рабочими камерами, закрепленными в корпусе и соединенными соответственно с питательным и нагнетательным трубопроводами, патрубок переменного сечения, соединяющий полости рабочих камер, установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения посредством привода, при этом клапан выполнен с возможностью создания кумулятивных струй в жидкости.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что запорный орган клапана выполнен преимущественно в виде по крайней мере одного пластинчатого элемента, закрепленного под углом к оси симметрии устройства, совпадающей с направлением перемещения жидкости, с возможностью возвратно-поворотного движения и герметичного перекрытия внутреннего сечения устройства.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что питательный трубопровод снабжен всасывающим клапаном, установленным с возможностью его перемещения и фиксации, а вторая рабочая камера выполнена в виде гидравлического аккумулятора.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным управляемым клапаном, затрубным пространством с рабочей средой, образованным внешней поверхностью патрубка и внутренней поверхностью корпуса, которое соединено с источником переменного давления, возбуждаемого им в рабочей среде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4