Гидротаран – самодействующий энергонезависимый водяной насос

Подача воды на верхние уровни — частая и довольно сложная задача. Пользователям необходимо наполнять резервуары, расходные емкости, обеспечивать подъем потока на повышенные уровни из-за сложного рельефа местности или в связи с особенностями автономной системы водоснабжения.

Как правило, эти вопросы решаются с помощью установки электрических насосов. Это распространенный способ решения проблемы, но его эффективность в значительной степени нивелируется необходимостью подачи электропитания и технического обслуживания.

Электронасосы довольно быстро выходят из строя, их ресурс слишком сильно зависит от условий и интенсивности работы. Однако, существует весьма эффективное устройство, действующее без подключения электричества и не нуждающееся в использовании сложной механики. Это устройство называется гидротаран. Рассмотрим его внимательнее.

Гидротаран. Насос, качающий воду для полива без электричества и топлива

Мы привыкли, что для того, чтобы перекачать воду – нужен насос с питанием от электричества или мотопомпа (на бензиновом двигателе). Но, оказывается, можно поднять на высоту или перекачать приличные объемы воды и без потребления энергоносителей. Что для этого нужно? Простое и гениальное устройство – гидротаран. А так же постоянный перепад уровня воды в месте установки этого насоса.

При большом напоре воды (например, в горной речке), некоторые модели гидротаранов способны поднимать воду вверх на 40-50 м. Нет, это не вечный двигатель. Это лишь грамотное использование законом гидравлики. Смотрим устройство гидротарана:

Схема и описание гидротарана. Если кратко, то это простое устройство работает так: вода, при своем течении на перепаде высот создает напор в трубе, закрывая один клапан и открывая другой. При открытии нагнетательного клапана и наполнении воздушной емкости, создается понижение давления в системе, которое открывает основной (отбойный) клапан с кратковременным вытеканием воды. Но этот клапан быстро закрывается – и появляется гидроудар. Т.к. жидкость не сжимается – она открывает напорный клапан, наполняя трубу для перекачивания. Цикл повторяется.

На этой анимации более понятен принцип работы. Т.е. мы забираем тот поток воды, который выходит с воздушной емкости. Он гораздо меньше того, что показан справа на схеме, но вода в нем под пульсирующим давлением, и способна подняться на приличную высоту. Гидротаран не вечный двигатель – это устройство лишь преобразует кинетическую энергию потока воды через гидроудар в другой поток воды.

Изобретение принципа работы гидротарана появилось в конце 18в. от англичанина Д. Уайтхёст и француза Монгольфье. Но они делали устройства, основываясь на эмпирические закономерности. Лишь Н.Жуковский в конце 19 в. подвел теоретические расчеты под этот процесс гидроудара.

На западе это устройство известно под названием ram-pump (таранный насос). В СССР достаточную известность получили разработки гидротаранов Рогозина Г.В. Под его началом в Кыргызстане изготавливалось много подобных насосов и устанавливались в каналах и горных реках для подъема воды для полива на полях:

И сейчас некоторые производители продолжают выпуск подобных установок для мелиорации и водоснабжения, основываясь на наработки советского инженера Рогозина:

Изделия , г. Бишкек. Изделия , г. Бишкек. Изделия , г. Бишкек. Изделия , г. Бишкек.

Проект перекачки воды с ручья в Кызыле. Посмотрите, на какую высоту перекачивается вода без использования электричества. Используя только законы гидравлики и перепад давления в потоке.

На этом принципе не так давно создавались опытные образцы для выработки электроэнергии:

Почему они не пошли в серию – большой вопрос. Ведь в этих модификациях используется уже не перепад высоты в русле реки, а перепад давления на поверхности и на глубине, если я правильно понял. У этой установки есть проблема: автоколебания могут затухать из-за растворимости воздуха в воде воздушной емкости. Но это решаемо.

Представьте, поселок находится у большого и глубокого озера. Совместно устанавливается, опускается на дно на платформе такой агрегат и питает электроэнергией дома. Не нужен ни газ, ни дрова. Оплата только за обслуживание. Золотой век независимости от энергетических монополий!

Но это все большие установки, которые могут перекачивать тысячи литров в час и импульсной подачей жидкости приводить к вращению генераторы. Для частного сектора и их нужд иногда достаточно и менее продуктивного устройства. Такие гидротараны давно делают как кулибины, так и небольшие фирмы. Вот конструкция, сделанные из распространенных деталей, которые можно приобрести в любом магазине:

Минимум деталей. Основная стоимость – это трубы или шланги для доставки воды к месту. В youtube видел ролик, что один умелец смог проложить водопровод на расстоянии 250 м от ручья. Но у него поток воды создавался всего лишь 2л/мин. Как собрать в подробностях – роликов много в youtube.

Так в чем заключается идея и смысл этой статьи? Допустим, у кого-то имеется дача, но нет скважины. А участок расположен рядом с ручьем или речкой с достаточным перепадом высоты в их русле. Можно собрать этот нехитрый гидротаран и закачивать воду для полива даже из небольшого ручья. Нужно будет забирать воду выше по течению и ниже на 10-15 м подавать в гидротаран. А тот уже подаст воду к Вам в бак или в систему капельного полива. Как захотите. И это все без электричества и электрических насосов.

Эта технология в особенности подойдет для домов, расположенных рядом с ручьями и речками в горной местности. Там перепад в русле большой и воду можно перекачивать на большие расстояния и высоты. К сожалению, гидротаран не подходит для озер и равнинных рек, где на протяжении сотен метров нет перепада высоты даже на 0,5 м.

История[править | править код]

В 1772 году англичанин Джон Уайтхёрст изобрёл и построил «пульсирующий двигатель», прообраз гидравлического тарана, и спустя три года опубликовал его описание. Устройство Уайтхёрста управлялось вручную. Первый автоматический гидротаранный насос изобрёл знаменитый француз Жозеф-Мишель Монгольфье совместно с Ами Арганом (A. Argand) в 1796 году. В 1797 году при помощи своего друга Мэтью Боултона Монгольфье получил британский патент на своё изобретение. В 1816 году сыновья Монгольфье запатентовали доработанную версию этого насоса.

В США гидротаранный насос впервые запатентовали Серно (J. Cerneau) и Халлет (S.S. Hallet) в 1809 году. В 1834 году американец Строубридж (H. Strawbridge) начал производство гидротаранных насосов.

В 1930 году профессор С. Д. Чистопольский в работе «Гидравлический таран» опубликовал метод теоретического расчёта таких устройств, основанный на теории гидравлического удара, созданной профессором Н. Е. Жуковским в 1897—1898 годах.

Гидротаран – гидравлический таран.

Гидротаран (гидравлический таран) – это несложный и остроумный механизм, который, не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров.

Описание гидротарана:

Гидротаран (гидравлический таран) – это несложный и остроумный механизм, который, не нуждаясь в источнике энергии и не имея двигателя, поднимает воду на высоту нескольких десятков метров.

Он может месяцами непрерывно работать без присмотра, регулировки и обслуживания, снабжая водой небольшой экопосёлок, родовое поселение, общину или ферму.

В основе работы гидравлического тарана лежит так называемый гидравлический удар — резкое повышение давления в трубопроводе.

Фазы развития гидроудара

Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим самый простой пример — внезапное заполнение жидкостью пустой трубы постоянного сечения, погружённой на некоторую глубину. Один конец этой трубы закрыт жёсткой заглушкой, а другой свободно сообщается с окружающей жидкостью. Кстати, практически то же самое будет, если рассматривать резкое перекрытие установившегося потока в такой же трубе, только там будет отсутствовать первая фаза — заполнение пустой трубы, — а роль заглушки будет играть перекрывшая трубу заслонка. Схема возникновения гидравлического удара при заполнении жидкостью пустой трубы. Голубым цветом обозначена внешняя среда с исходным давлением, светло-голубым — область пониженного давления, синим — область повышенного давления (зона гидроудара). Синие стрелки показывают перемещение вещества среды (жидкости), красные — перемещение границы зоны повышенного давления (без существенного перемещения вещества). H— глубина (напор) на входе трубы; h — перепад высот трубы, L — длина трубы от входа до заглушки. Цифрами обозначены фазы развития явления.

Таблица 1. Фазы развития гидравлического удара

№ фазы	Название фазы	Описание фазы
1	Заполнение трубы	Под действием внешнего давления жидкость заполняет трубу, при этом в соответствии с законом Бернулли её давление несколько меньше давления неподвижной среды вне трубы.
2	Встреча с препятствием	Жёсткая заглушка внезапно останавливает поток, который ударяется в неё. Однако практически вся жидкость в трубе ещё продолжает своё движение вперёд.
3	Рост зоны повышенного давления	Головная часть потока остановилась и её кинетическая энергия перешла в потенциальную энергию упругой деформации жидкости и стенок трубы, вызвав в этой области повышение давления. Но до «хвоста» потока это воздействие ещё не дошло, и там жидкость продолжает двигаться в прежнем направлении. Граница области повышенного давления (ударная волна) перемещается от заглушки ко входу трубы, при достаточной жёсткости трубы эта скорость практически равна скорости распространения упругих колебаний в среде, т.е. скорости звука в жидкости.
4	Максимум повышенного давления	Ударная волна достигла входа трубы и вышла в неподвижную среду. Поскольку внешняя среда неподвижна относительно стенок трубы, она уже не добавляет свою кинетическую энергию и не оказывает существенного сопротивления сжатой жидкости в трубе, и та начинает двигаться из зоны повышенного давления наружу. Кроме того, в свободной среде стенки трубы уже не ограничивают и не «фокусируют» ударную волну, так что она распространяется во все стороны, быстро теряя силу. Таким образом, достигнув входа трубы, ударная волна «рассеивается» и «гаснет». Более подробно этот момент рассмотрен ниже.
5	Начало обратного движения	Поскольку у входа в трубу давление относительно невысоко, сжатая жидкость двигается туда под действием повышенного давления внутри трубы. При этом потенциальная энергия упругой деформации снова превращается в кинетическую энергию, но движение уже направлено в обратную сторону. В результате граница зоны неподвижной жидкости под повышенным давлением перемещается от входа в трубу обратно к заглушке, оставляя у входа зону немного пониженного давления, в которой жидкость движется обратно ко входу трубы. Скорость перемещения этой границы в случае достаточно жёсткой трубы также равна скорости распространения упругих деформаций в среде, т.е. скорости звука в жидкости, однако перепад давления на границе не такой резкий, как при распространении ударной волны — зона границы существенно шире. Причиной этого являются особенности процесса рассеивания ударной волны у входа в трубу на предыдущей фазе. При падении давления вся потенциальная энергия упругой деформации снова переходит в кинетическую энергию жидкости (за вычетом неизбежных потерь, которые могут быть весьма малы), поэтому скорость «разряженной» жидкости почти равна её скорости до остановки, только направлена теперь в сторону входа.
6	Окончание сжатия	В момент, когда граница зоны пониженного давления достигает заглушки, во всей трубе жидкость снова испытывает пониженное давление и движется обратно ко входу со скоростью, равной скорости потока в трубе в фазе .
7	Фаза разрежения (отрыва)	Двигаясь в сторону входа трубы, жидкость в силу инерции стремится оторваться от заглушки. Поэтому, если гидроудар был достаточно сильным, то возле заглушки образуется зона разрежения, где жидкость отсутствует и давление близко к нулю (именно вакуум, а не атмосферное давление). Однако жидкость, выходящая из трубы, движется не в пустоту, а в среду, представляющую собой ту же жидкость, только неподвижную. Сопротивление этой среды достаточно быстро затормозит движение жидкости к выходу и вместе с зоной разрежения возле заглушки вновь заставит жидкость двигаться от входа внутрь трубы, тем самым повторяя фазу (естественно, уже с меньшей энергией, потери которой, как всегда, неизбежны). При слабом гидроударе жидкости не удаётся оторваться от заглушки, однако всё равно давление существенно снижается относительно давления вне трубы (настолько, насколько оно повысилось в фазе сжатия). В этом случае выделяют фазы распространения отрицательной ударной волны (границы зоны с низким давлением) ко входу трубы и её возвращения обратно под действием внешнего давления, однако при сильном гидроударе с отрывом жидкости от заглушки появляется ещё и фаза «замирания». Впрочем, самостоятельное значение этих фаз не очень велико, поэтому все их я объединяю в одну фазу разрежения. Чутьниже это рассмотрено более подробно.

Факторы, влияющие на силу гидроудара

Эластичные стенки трубопровода значительно снижают силу гидроудара, достаточно легко увеличивая объём трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если труба заполнена воздухом и по мере продвижения жидкости он не успевает покинуть трубу с нужной скоростью, это также способно предотвратить сильный гидроудар, поскольку в этом случае воздух играет роль пневматического амортизатора, в котором плавно повышается давление, и потому он оказывает всё большее сопротивление движению жидкости, постепенно замедляя её. Именно эти принципы использует большинство устройств для защиты трубопроводов от гидроударов.

Следует чётко понимать, что эти факторы лишь растягивают процесс гидроудара во времени, но общая энергия гидравлического удара при этом остаётся прежней. Однако за счёт увеличения времени процесса, снижается его мощность, а значит, и максимальное давление, и максимальное усилие, воздействующее на стенки трубы. Но именно это и является целью защиты от гидроудара — ведь теперь трубу уже не разорвёт!

И, конечно, силу гидроудара снижает более плавное перекрытие потока и уменьшение рабочей скорости движения жидкости в трубе (если необходимо сохранить расход, то для этого придётся увеличить диаметр трубы — скорость уменьшится пропорционально увеличению площади её просвета).

Если же силу гидроудара надо увеличить, то тут рекомендации обратные — как можно более жёсткая (и прочная!) труба, как можно более резкое перекрытие потока и как можно больший разгон жидкости перед остановкой потока.

Особенности явления гидроудара

Гидроудар в силу своей природы имеет несколько существенных особенностей, о которых нельзя забывать.

Высокая скорость процесса

Прежде всего, следует учесть высокую скорость процесса. Поскольку скорость перемещения границ зон с различным давлением при высокой жёсткости трубы и заглушки определяется скоростью распространения упругих деформаций в жидкости, т.е. скоростью звука, всё происходит за очень короткое время.

Скорость звука в жидкостях обычно составляет порядка 1000…1500 м/с (для воды при 4°С — 1.435 км/с, при 45°С ­ 1.51 км/с (максимум), при 100°С — 1.46 км/с), поэтому в трубе с водой длиной 15 метров процесс распространения ударной волны от заглушки до входа или обратно займёт примерно 10 миллисекунд. За это время тело, находящееся в покое, под действием ускорения свободного падения успеет набрать лишь скорость в 9.8 см/сек и пройти путь менее 5 сантиметров. При более коротких длинах эти цифры пропорционально уменьшатся.

Это означает, например, что в горизонтальной трубе за такое время пустота в зоне отрыва не успеет сколько-нибудь существенным образом перераспределиться и останется «сконцентрированной» именно возле заглушки, а не превратится в относительно небольшое снижение уровня жидкости на значительной части длины трубы. Многие другие эффекты, скажем, испарение заметного количества жидкости с границы зоны отрыва в область разрежения и, как следствие, существенное повышение там давления, также не смогут проявиться в полной мере из-за краткости отпущенного им времени.

Условия отрыва жидкости. Сильные и слабые гидроудары

В фазе разрежения отрыв жидкости от заглушки происходит не всегда. Для этого скорость потока должна быть достаточно высокой, а стенки трубы — достаточно жёсткими, чтобы удар получился резким. Если удар окажется слишком слабым (или слишком плавным), то пустой области у заглушки не образуется, хотя в любом случае в фазе разрежения давление внутри трубы, в том числе непосредственно у заглушки, будет меньше, чем давление окружающей жидкости снаружи.

Для того, чтобы жидкость смогла оторваться от заглушки и появилась область отрыва, обратное давление (в идеале, без учёта потерь, равное максимальному повышению давления при сжатии) должно превышать давление среды снаружи. Таким образом, отрыв жидкости с образованием вакуума возможен при выполнении условия

ΔPуд > P0 + ΔPh + ΔPT (1),

где ΔPуд — максимальное повышение давления в фазе сжатия относительно внешнего давления; P0 — абсолютное внешнее давление в резервуаре возле входа в трубу (т.е. давление относительно вакуума, а не атмосферы над поверхностью жидкости); ΔPh — гидростатическая разность давлений между входом в трубу и заглушкой, если труба расположена не горизонтально; ΔPT — необратимые потери давления при сжатии и расширении жидкости и стенок трубы в фазах —.

Если пренебречь потерями, то для строго горизонтальной трубы критерий возникновения области вакуума будет ещё проще:

ΔPуд > P0 (2).

Может возникнуть вопрос: как же повышение давления при гидроударе может превысить давление на входе в трубу? Однако здесь нет парадокса, так как скачок давления зависит лишь от резкости остановки потока и набранной им к этому моменту кинетической энергии, поэтому жёсткая труба и малосжимаемая жидкость могут обеспечить сильный удар даже при не слишком высокой скорости потока.

Таким образом, гидроудары можно разделить на «сильные», когда образуется область вакуума в зоне отрыва, и «слабые», когда мощности удара для этого не хватает. При этом следует помнить, что речь именно о мощности удара, а не о его энергии, поскольку здесь определяющую роль играет резкость остановки.

Повторные циклы

Как уже было сказано выше, после фазы (разрежения) снова следует фаза — пустая (или разреженная) часть трубы снова заполняется жидкостью под давлением. В результате при гидроударе происходит своеобразный колебательный процесс, естественно, довольно быстро затухающий. При этом весьма важно знать, что же является главным фактором для возникновения повторного удара — разгон жидкости, заполняющей пустоту, возникшую при отрыве её от заглушки в фазе разрежения или упругая реакция внешней среды на возмущения, вызванные отбойным движением жидкости от заглушки ко входу в фазах –.

Ответ на этот вопрос определяет, является ли отрыв жидкости от заглушки в фазе необходимым условием возникновения повторных циклов или они будут иметь место даже если отрыва не происходит?

Посмотрим, как при гидроударе с течением времени изменяется давление возле заглушки. Изменение во времени давления возле заглушки при гидроударе. Слева — сильный удар (с отрывом жидкости от заглушки), справа — слабый (без отрыва). Синей линией показан уровень исходного давления (до начала гидроудара), голубой линией — идеальный характер изменения давления при отсутствии потерь энергии. P0 — давление свободной среды возле входа в трубу; ΔPуд — максимальное повышение давления при гидроударе; t0 — длительность этапа при слабом гидроударе. По материалам сайта gidravl.narod.ru.

На рисунке видно, что при сильном гидроударе (слева) в фазе отрыва давление падает практически до нуля, т.е. образуется вакуум (0.1 МПа ~ 1 атм, давление измерялось относительно атмосферного, поэтому показания в –1 атм как раз и соответствуют абсолютному нулю давления). Однако это не слишком снижает энергию повторных гидроударов, более того, характер их постепенного ослабления не отличается от аналогичного ослабления при слабом гидроударе, показанном на рисунке справа.

При слабом гидроударе (без отрыва жидкости), фазы сжатия и разрежения имеют одинаковую длительность t0, обусловленную временем «путешествия» ударной волны от заглушки ко входу трубы и обратно. В этом случае возмущения не выходят в резервуар сколько-нибудь далеко от входа трубы, и период этих колебаний полностью определяется длиной трубы и скоростью ударной волны.

При сильном гидроударе обратным ходом (отбойной волной) жидкость выбрасывается из трубы с большой силой, и она выходит в резервуар достаточно далеко от входа в трубу, «расталкивая» уже находившуюся там жидкость. В результате этого в трубе возле заглушки освобождается место для зоны отрыва, однако и сила повторного удара обусловлена не только разрежением жидкости в трубе, но и возмущённой жидкостью в резервуаре вокруг входа в трубу. Поэтому повторный удар получается сильным, однако «затишье» между ударами существенно больше длительности каждого удара, поскольку ударная волна выходит далеко за пределы трубы, и этот путь требует дополнительного времени. По мере снижения силы повторных ударов интервал между ними сокращается, и когда скачок давления при очередном повторном гидроударе ΔPуд становится равным давлению вне трубы P0, сравнивается с t0 и в дальнейшем уже не уменьшается.

С точки зрения математики можно сказать, что в каждом цикле гидроудара площади положительного и отрицательного отклонения от уровня давления P0 на графике P(t) должны быть равны, поскольку они пропорциональны энергии, а без учёта потерь энергия стадии сжатия и стадии расширения должна быть одинаковой. И, так как разрежение не может быть отрицательным, то в случае возникновения отрыва это условие соблюдается за счёт увеличения длительности фазы разрежения. Если же отрыва не возникает, то энергия «регулируется» амплитудой скачка давления, так как теперь «вакуумное ограничение» на стадии разрежения перестаёт действовать.

Таким образом, пренебрегая потерями и считая фронты нарастания и спада давления достаточно резкими (близкими к вертикальным), можно записать условие соотношения длительностей стадий сжатия и разрежения возле заглушки в следующем виде:

(P0 – Pс) · tсз = (Pр – P0) · tрз или ΔPс · tсз = –ΔPр · tрз (3),

где P0 — исходное давление до начала гидроудара; Pс — давление на стадии сжатия; tcз — длительность стадии сжатия возле заглушки; Pр — давление на стадии расширения; tpз — длительность стадии разрежения возле заглушки; ΔPс — изменение давления на стадии сжатия; ΔPр — изменение давления на стадии расширения.

Размер имеет значение

С увеличением размеров трубы сила гидроудара значительно возрастает, причём для одного и того же давления у входа в трубу этот рост обычно круче линейной зависимости. Здесь мы рассмотрим качественные причины такого поведения (количественные результаты автоматически следуют из расчётов, приведённых в следующих разделах этой страницы).

Дело в том, что энергия гидроудара определяется его длительностью, зависящей от длины и жёсткости трубы, и мощностью, которая прямо зависит от скачка давления, в свою очередь линейно зависимого от скорости потока в момент остановки. Поэтому при той же скорости потока скачок давления будет тем же, но длительность гидроудара, а значит и его общая энергия, возрастут в соответствии с увеличением длины трубы.

Однако при увеличении линейных размеров масса (и, следовательно, кинетическая энергия при той же скорости) возрастает пропорционально объёму, т.е. кубу их изменения, а потери на трение о стенки трубы — пропорционально площади соприкосновения, то есть квадрату изменения размеров. Таким образом, удельные потери энергии на трение на единицу массы жидкости уменьшаются, и потому при том же движущем усилии (внешнем давлении) скорость потока возрастает, а стало быть, увеличивается и скачок давления в момент остановки.

В результате при одном и том же внешнем давлении мы получаем сильный гидроудар в большой трубе и слабый — в маленькой. При этом слишком большое удлинение трубы без увеличения её диаметра также ослабит гидроудар за счёт того, что возрастающее гидравлическое сопротивление снизит скорость потока к моменту остановки. Отсюда следует вывод, что имеется некоторая оптимальная (или, может быть, наоборот — фатальная) длина трубопровода, при которой гидроудар имеет максимальную силу. При меньшей длине поток не успевает разогнаться до максимальной скорости либо длительность гидроудара получается слишком маленькой, при большей — гидравлическое трение отбирает слишком много энергии у движущегося потока, снижая его скорость до «безопасных» величин. Кроме того, если при увеличении диаметра трубы толщина её стенок не увеличится, то жёсткость, а следовательно, скорость ударной волны и скачок давления при гидроударе снижаются. Правда, на столько же возрастает его длительность, — так что общую энергию гидроудара снижение толщины стенок не уменьшает, а вот шансы разрыва трубы увеличиваются!

Для слишком узких трубок большое значение начинают играть поверхностные эффекты, в том числе поверхностное натяжение. Все они препятствуют разгону потока и потому также снижают силу гидроудара. Чтобы получить в капиллярной трубке сколь-нибудь заметный гидравлический удар, надо сильно постараться!

Конструкция гидротарана

Привычные помпы состоят из нагнетающего устройства (закрытая крыльчатка, поршень, мембрана), активатора (ДВС, электромотор, иной привод), трубопровода и системы клапанов. Схема гидротаранного насоса предельно проста, его уникальность заключается в том, что активатором и поршнем выступает сам агент (вода). Его конструкция примечательна тем, что в ней нет механических подвижных частей (кроме двух примитивных клапанов), не используются ГСМ и участки под постоянным давлением.

Основа насоса — сплошная трубка с тремя отводами, которую можно собрать из обычных фитингов и трубы, имеющихся в любом магазине сантехники.

Первый отвод. К нему подключается питающая труба (фидер), о ней расскажем отдельно.

Второй отвод. Через ниппели и муфты к нему подключается обратный клапан, расширительный бак с мягкими стенками и выходной патрубок. В качестве расширительного бачка вполне пригодна пластиковая бутылка, на заводских моделях устанавливают полноценные баки в металлическом корпусе с резиновой мембраной.

Третий отвод. Здесь должен быть установлен главный элемент — проточный гидроклапан. Это элемент запорной арматуры, который перекрывает поток воды при критическом увеличении давления. Его работа регулируется пружиной. Такие клапаны до 1,5″ можно пробрести в магазине, но при большем диаметре их стоимость может быть довольно велика (20 у. е. и выше). Если стоит задача создать насос для реальных хозяйственных нужд под большой объём воды, лучше изготовить этот клапан самостоятельно.

Сборка насоса с самодельным клапаном — пошаговое видео

Преимущества гидротарана:

– длительный срок службы,

– лёгок в использовании и неприхотлив в обслуживании,

– работает без топлива, электричества, газа и ручной силы, экономит финансы в колоссальных объёмах,

– может обеспечивать хозяйство до одного миллиона литров воды в год.

Применение гидротарана:

Гидротараны устанавливаются на реки, ручьи, водопады и ключи, а также на любые скопления воды, где есть возможность установить запруду с перепадом высоты от 0,5 метров.

Самодействующие насосы-гидравлические тараны не предназачены для колодцев, скважин и озёр!

Ручной гидронасос высокого давления своими руками

Гидравлические насосы высокого давления, работающие при характеристиках 42-70 МПа и более, достаточно широко используются для привода малогабаритного ручного инструмента, специального оборудования, применяются в испытательных стендах и других ответственных изделиях.

При передаче одной и той же мощности от первичного двигателя к исполнительному гидромеханизму увеличение давления влечет за собой уменьшение расхода.

В результате требуются меньшие типоразмеры насоса, гидродвигателей, клапанно-распределительной аппаратуры, трубопроводов и прочих компонентов.

Классификация

Богатый опыт создания и эксплуатации разнообразных гидроприводов показал, что высокое давление могут развивать только ограниченные виды насосов. К ним относятся поршневые и плунжерные типы. Привод гидравлического насоса бывает трех конструкционных видов:

• ручной (мускульный);
• механический;
• пневматический.

Использование гидроприводов со сверхвысоким давлением (свыше 70 Мпа) позволяет существенно уменьшить габариты и массу оборудования, повысить его удельные показатели. Развитие систем с высоким давлением является одним из ключевых факторов создания компактных мощных гидроприводов и мини-техники для различных отраслей экономики.

Насосы с мускульным приводом

Ручной (рычажный) гидравлический насос приводятся в действие мускульной силой человека. Его главный компонент – поршень, который перемещается внутри цилиндра.

Движение поршня управляется рычагом. Рычаг перемещается рукой человека или ножной педалью с возвратной пружиной.

Принцип его действия основан на всасывании и нагнетании рабочей жидкости при возвратно-поступательном движении поршня.

Конструкция

Рассмотрим, как устроен насос гидравлический для пресса с мускульным приводом. В цилиндрической полости корпуса насоса установлен поршень, жестко связанный со штоком. Шток шарнирно соединен с приводным рычагом. В поршне установлен промежуточный клапан, связывающий поршневую и штоковую полости насоса.

Поршневая полость через впускной клапан соединена с гидробаком. В таких насосах гидробак обычно является составной частью их конструкции. В баке перед впускным клапаном часто устанавливают всасывающий фильтр.

Штоковая полость через выпускной клапан соединяется с выходным портом насоса. В крышке корпуса насоса, которая попутно служит направляющей штока, установлены специальные уплотнения.

Винтовой кран, расположенный в байпасном канале насоса, служит для возврата рабочей жидкости в гидробак. Для замены масла и обслуживания в корпусе предусмотрена заглушка.

Характеристики

Рабочий объем у таких насосов небольшой, приводной рычаг имеет относительно короткий ход, поэтому вырабатываемый расход невысокий.

Тем не менее это наиболее распространенные агрегаты во всем мире, поскольку используются в очень многих областях промышленности. Давление, развиваемое ручными системами, достигает 70-280 МПа.

Благодаря простоте конструкции, ремонт гидравлических насосов ручного типа трудностей не вызывает.

Двухступенчатые ручные насосы

Их схема более сложная. Они содержат два поршня, которые шарнирно соединены с коромыслом приводного рычага. При перемещении приводного рычага влево один поршень поднимается и всасывает жидкость, а второй – опускается и нагнетает ее в гидросистему.

При перемещении приводного рычага вправо, наоборот, первый поршень нагнетает жидкость, а второй ее всасывает. Таким образом, при поочередной работе одинаковых поршней рабочая жидкость подается непрерывно и более равномерно, чем в одноступенчатых моделях.

Насос ручной гидравлический двухступенчатый способен приводить в действие одновременно два контура гидросистемы. В промышленности широко применяются двухступенчатые версии ручных насосов с коаксиальными поршнями различной площади.

При низком давлении оба поршня нагнетают рабочую жидкость с большим расходом. При высоких нагрузках в контур нагнетает жидкость только один поршень с малой площадью, развивая высокое давление при малом расходе.

Модели с мускульным приводом используются в различных механизмах:

• прессах;
• домкратах;
• статических гидроинструментах;
• подъемных платформах;
• малогабаритных грузоподъемных кранах;
• в лабораторном испытательном оборудовании на давление до 200 МПа.

Насос гидравлический для пресса, своими руками изготовленный

Такую систему не сложно собрать самостоятельно. Вначале сваривается металлическая рама высотой примерно с человеческий рост (можно использовать обычные швеллера). По бокам вертикальных стоек просверливаются (прожигаются) отверстия на определенном расстоянии друг от друга.

В них будут просовываться металлические пруты (арматура), которые выполняют роль упора для платформы, на которой устанавливаются узлы, требующие применения большой силы. Например, при выпрессовки/запрессовки подшипников, втулок и т.д.

Ряд вертикальных отверстий позволяет регулировать высоту относительно пресса.

Как и почему работает гидротаран

Главная особенность данного насоса — он использует кинетическую энергию воды, которая уже находится в потоке. То есть, для подачи воды на высоту необходим перепад уровней. Он может быть минимальным — 0,5 м, но чем этот показатель больше, тем эффективнее работа насоса. Мы нарочно не приводим гидравлический расчёт — он крайне сложен и сводится лишь к оптимальной пропорции перепада высоты между точкой забора воды, рабочей частью насоса и верхней точкой слива. Поскольку это устройство будет установлено в конкретных условиях, все величины разумно определить по месту.

Вода, попадая в фидер, под действием гравитации стремится к нижней точке, создавая избыточное давление, на которое реагирует гидроклапан. В момент его срабатывания вода блокируется в закрытой системе и происходит явление гидроудара, который проталкивает воду через обратный клапан в расширительный бак. Эластичные стенки бака накапливают избыточное давление от гидроудара, но не в воде (она несжимаема), а в воздухе. Это давление и проталкивает воду по отводному каналу (шлангу, трубе), а обратный клапан не даёт давлению выровняться.

Принцип работы гидротаранного насоса на видео

После сброса давления в расширительный бак гидроклапан снова открывается и цикл возобновляется. Подача воды происходит импульсами. Многие уже догадались, что работа насоса становится возможна за счёт разности плотности сред — несжимаемой воды и воздуха, который легко аккумулирует давление. Вся сила гидроудара переходит в спрессовку газа (воздуха) в расширительном баке, который потом подаёт воду наверх.

Работа

Вигвам своими руками: мастерим детские шалаши для игр
Начальное состояние: отбойный клапан Б открыт и удерживается в таком положении пружиной или грузом или т. п. Сила этой пружины превышает силу давления статического

столба воды в питающей трубе на
закрытый
отбойный клапан. Возвратный клапан В закрыт. Воздушный колпак заполнен воздухом.

По питающей трубе А поступает вода, разгоняясь до некой скорости, при которой отбойный клапан Б, увлекаемый потоком воды, преодолевает усилие своей пружины и закрывается, перекрыв сток. Инерция резко остановленой в питающей трубе воды создает гидроудар — резкий скачок давления, величина которого определяется длиной питающей трубы и скоростью потока. Давление гидроудара преодолевает давление столба воды в отводящей трубе Д, возвратный клапан В открывается и часть воды из питающей трубы А проходит через него и поступает в отводящую трубу но, главным образом, в воздушный колпак Г, поскольку инерция массы воды в отводящей трубе Д препятствует такому быстрому, импульсному поступлению. Вода в питающей трубе остановлена, давление падает и приходит к статической величине, возвратный клапан закрывается, отбойный клапан открывается. Вода в питающей трубе начинает двигаться, постепенно ускоряясь, а в это время под давлением воздуха, поджатого в воздушном колпаке, поступившая в него порция воды продавливается в отводящую трубу. Таким образом система возвращается в исходное состояние и начинает новый цикл работы.

Принцип действия гидротарана:

Ниже на рисунке изображена принципиальная схема гидротарана.

• 1. Питающая труба
• 2. Отбойный клапан
• 3. Напорный клапан
• 4. Воздушный колпак
• 5. Напорный трубопровод
• 6. Устройство забора воды

Питающая труба (1) имеет относительно большую длину. Высота уровня воды в месте её забора и в месте установки отбойного клапана должна быть не менее 0,5 м (от перепада напрямую зависит производительность и высота напора).

Гидравлический таран работает следующим образом. При открытом отбойном клапане (2) вода, двигаясь по питающей трубе (1), сливается наружу. При достижении определенной скорости потока, вода подхватывает отбойный клапан (2) и ускоренно перемещает его верх. Клапан (2) резко перекрывает поток воды. Передние слои воды, упираясь в клапан (2), останавливаются, в то время как остальные слои столба воды в питающей трубе (1) по инерции продолжают движение. Вследствие этого, происходит резкое повышение давления в зоне отбойного клапана (2), и весь столб воды в трубе (1) останавливается. Процесс повышения давления в трубе (1) сопровождается упругим сжатием воды. После остановки воды в трубе (1) возникает обратная, отраженная волна давления в сторону устройства забора воды (6), приводящая к понижению давления у отбойного клапана (2), вплоть до разряжения. Отбойный клапан (2) открывается, и процесс повторяется снова. В моменты повышения давления в области отбойного клапана (2) вода через напорный клапан (3) поступает в полость воздушного колпака (4) или, иначе, пневмогидроаккумулятора. Далее вода, практически без пульсации, по напорному трубопроводу (5) поступает к месту назначения.

Описанное явление, когда разогнанный массивный столб воды в длинной питающей трубе (1) ударяет по внезапно закрытому отбойному клапану (2), называют гидравлическим ударом.

Принцип действия[править | править код]

Этот механизм действует при помощи запаса механической работы, содержащегося в воде, текущей по трубе. В оригинальном приборе Монгольфье, устроенном в Сен-Клу, близ Парижа, вода притекает по длинной трубе A B {displaystyle AB} (рис. 1) из невысоко расположенного пруда и может свободно вытекать через край K {displaystyle K} , пока клапан V {displaystyle V} опущен.

С того момента, как вода, наполняющая A B {displaystyle AB} , получила возможность течь, работа силы тяжести пойдет на увеличение её скорости до некоторой наибольшей величины, обусловленной высотой h {displaystyle h} уровня воды в пруде над отверстием K {displaystyle K} , размерами и свойством (см. ниже) трубы A B {displaystyle AB} . Вместе с тем будет возрастать и гидравлическое давление воды на нижнюю поверхность клапана V {displaystyle V} , вес которого так подобран, чтобы он поднялся и закрыл выходное отверстие, как только скорость воды в трубе достигнет своей наибольшей величины. В этот момент гидростатическое давление воды на внутреннюю поверхность трубы A B {displaystyle AB} и её продолжения C S {displaystyle CS} станет возрастать, так как движение воды будет замедляться, пока весь запас работы, заключенный в её массе в виде живой силы, не истратится на растяжение этих стенок, на сжатие самой воды и на внутреннее трение. Но часть этих стенок сделана подвижною: в колоколообразном придатке S {displaystyle S} замкнуто водой некоторое количество воздуха и помещены клапаны W {displaystyle W} , открывающиеся в колокол R {displaystyle R} , тоже содержащий воздух над водой и снабженный подъемной трубой D E {displaystyle DE} . Поэтому после закрытия клапана V {displaystyle V} живая сила воды начинает сжимать воздух в S {displaystyle S} , пока не поднимутся клапаны W {displaystyle W} ; тогда вода станет входить в R {displaystyle R} , частью сжимать находящийся в нём воздух, а частью подниматься по трубе D E {displaystyle DE} на высоту H {displaystyle H} . На все это скоро истратится вся живая сила воды, давление в R {displaystyle R} перевесит давление в S {displaystyle S} , клапаны W {displaystyle W} закроются, V {displaystyle V} откроется, и весь процесс начнется снова. Возрастание давления будет тем больше, чем быстрее захлопывается клапан V {displaystyle V} и чем неподатливее стенки сосуда, заключающего воду в движении. Такого «гидравлического удара» тщательно стараются избегать при устройстве водопроводов, чтобы не лопались трубы, поэтому Монгольфье и устроил колпак S {displaystyle S} ; упругая податливость воздуха, в нём заключенного, ослабляет силу удара; воздух же в колпаке R {displaystyle R} служит регулятором для трубы D E {displaystyle DE} и поддерживает в ней движение воды в тот период, когда клапаны W закрыты. При повышенном давлении в воде растворяется больше воздуха, чем при атмосферном давлении, поэтому количество воздуха в S {displaystyle S} и R {displaystyle R} уменьшалось бы во время непрерывной работы. Чтобы пополнять эту убыль, служит клапан H {displaystyle H} , отворяющийся внутрь: как только клапаны W {displaystyle W} захлопнутся, упругость воздуха в S {displaystyle S} заставит воду в C B A {displaystyle CBA} отхлынуть назад; с приобретенною скоростью она перейдет своё положение равновесия и произведет на очень короткое время под S {displaystyle S} давление, меньшее атмосферного. В этот момент через H {displaystyle H} входит немного воздуха.

В продаже существуют готовые типы таран, английские фирмы Дулас, французские Декер и др. При испытании в Парижской консерватории искусств и ремёсел таран, устроенные Декером (Decoeur), дали полезное действие от 0,6 до 0,9. На рисунке 2 видны особенности его устройства: оба клапана расположены один над другим и снабжены пружинами и винтами, чтобы регулировать их натяжение во время самой работы, изменяя число ударов от 40 при падении в 0,3 м до 220 при падении в 2 м; высота подъёма во всех опытах была 9м 15 см.

При впускании воздуха через боковой клапан, не изображённый на рис. 2, таран работает без шума, но полезное действие и наибольшая возможная высота подъёма уменьшаются. Хорошие результаты действия Таранa настолько зависят от своевременного закрывания выпускного («стопорного») клапана, что для больших машин Персалль (Pearsall) нашёл выгодным устроить для этой цели особую машину, приводимую в движение сжатым воздухом из-под колпака. Такой тип Таранa действует совершенно плавно, дает большой коэффициент полезного действия и может быть устроен в больших размерах. На том же принципе, Персалль устраивает гидравлический Таран для получения струи сжатого воздуха.

Фидер и гидроклапан

Эти два элемента — основные в конструкции, которую планируется создать своими руками. От их размеров и устройства зависит вся работа агрегата.

Фидер

Представляет собой закрытый канал, соединяющий точку водозабора и точку гидроудара. В идеале это длинная ровная труба, расположенная под уклоном. Вода, находящаяся в трубе, и есть тот самый поршень, который создаёт избыточное давление — причину гидроудара. Поэтому чем больше сечение, тем мощнее будет таран. Диаметр трубы фидера должен лежать в разумных пределах — от 50 до 150 мм. Эта величина должна соотноситься с диаметром остальных каналов системы и требуемой высотой подачи.

В заборной части фидера рекомендуем установить раструб для лучшего улавливания воды.

Оптимальные соотношения диаметров гидротаранного насоса

Фидер, мм	Система, мм
50	16
100	32
150	32–50

В последнем случае при длине фидера 10 м и перепаде в 1,5 м вода будет подаваться на высоту в 10 м со скоростью около 1500 л/час.

Гидроклапан

Заводская модель этого устройства может оказаться дорога за счёт материала, прокладок и пружины, выставленной на определённое давление. В нашем случае, когда мы используем бесплатную энергию, которую просто нет смысла экономить или учитывать, достаточно самого факта блокировки потока воды. Для этого вполне подойдёт гидроклапан собственного изготовления.

Насос с самодельным гидроклапаном — видео установки с комментариями

Идеальное место установки такого насоса — пороги реки с их значительными перепадами или ручьи.

Конструкция гидротарана “Качалыч”:

• 1. Питающая труба
• 2. Корпуса отбойного и напорного клапанов
• 3. Воздушный колпак
• 4. Напорный клапан
• 5. Клапанный узел
• 6. Скоба крепления
• 7. Отбойный клапан

Технические характеристики гидротаранов “Качалыч”:

ПАРАМЕТРЫ / МОДЕЛЬ	“Качалыч” ГТ-01-40/½″	“Качалыч” ГТ-03-32/½»
Рабочий перепад высот (м)	1 — 8	0,5 — 3
Рекомендуемый перепад высот (м)	1,5 — 5	0,5 — 1,5
Производительность, подъём воды (напор) на высоту 15м, перепад 1,5м (л/сутки)	2000	1200
Максимальный напор (при нулевой производительности), перепад 1,5м (м)	40	25
Диаметр напорной трубы ПНД SDR 11 (мм)	40	32
Гарантированный срок эксплуатации	2 года	2 года
Срок службы (при рекомендуемом обслуживании)	до 20 лет	до 10 лет
Особенности	— Большая прочность и долговечность	— Малая цена при оптимальной производительности
	— Работа в большом диапазоне перепадов высот	— Хорошая работа при малом перепаде высот

Примечание: описание технологии на примере гидротарана “Качалы

Гидротаранные насосы заводского изготовления

Разумеется, такие простые и надёжные устройства не могли миновать претензий на серийное производство. В настоящий момент их производят как отечественные, так и зарубежные фирмы. Однако из-за своей специфики работы (часть воды сбрасывается через клапан) они имеют довольно узкую область применения — в городском хозяйстве они практически бесполезны, зато незаменимы в отдалённых, неосвоенных районах, экопоселениях и фермерских хозяйствах.

На сегодняшний день в России только одна фирма выпускает эти экологически чистые и эффективные устройства — производственная артель «Урал». Модельный ряд представлен насосами «Качалыч» ГТ-01 (190 у. е.) и ГТ-03 (110 у. е.), а также их разновидностями.

Изготовление насоса своими руками обойдётся несколько дешевле, даже если приобретать все детали. Однако реальная экономия достигается при наличии подручных средств — в этом случае насос будет практически бесплатным, при этом его производительность может быть существенно выше за счёт более объёмного фидера и пропускной способности всей системы.

Любой прибор или устройство на основе действий естественных сил заслуживает пристального внимания и разработки. Игнорируя бесплатную энергию, данную самой природой, мы рискуем внезапно остаться беспомощными в отсутствие бензина и электричества. Перевод подсобного хозяйства на альтернативные источники энергии — залог спокойствия и гармонии с окружающей средой.

Виды

Ученые предпринимают попытки устранить недостатки насоса в классическом исполнении. Например, ставится задача, как заставить работать гидротаран в стоячей воде, которая содержится в прудах, озерах и колодцах. Этим вопросом задались В. В. Марухин и В. А. Кутьенков. Они решили изменить существовавшую конструкцию – поставили отбойный клапан перед напорным, а место слива заглушили.

В этом случае отпадает необходимость обеспечивать выход всей воды из нагнетательной трубы. Появляется возможность погрузить устройство в стоячую воду. При этом сам пруд или озеро становится питающим резервуаром, а наклон нагнетательной трубы уже необязателен.

Гидротаран с одной ёмкостью большего объёма

Ее можно положить горизонтально, так как рабочее давление создается за счет глубины размещения насоса. Совсем убрать нагнетательную трубу в гидротаране Марухина нельзя. Ее назначение состоит в формировании направленного потока, обособленного от общей водяной массы и дающего гидроудар.

Авторы с помощью расчетов установили, что минимальная глубина, необходимая для работы такого оснащения, – 15 метров. Только при таких условиях будет действовать давление, которое заставит поток двигаться и обеспечит гидроудар.

Еще один изобретатель М. Н. Бурангулов представил научному сообществу свою версию подводного гидротарана – он отличается от аналогов повышенной производительностью. Гидравлический удар здесь используется максимально полно. Этот эффект достигается за счет особого устройства отбойного клапана.

Он состоит из двух дисков, один из которых жестко зафиксирован, а другой имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси. Здесь добавлены дополнительные конструкционные элементы – шток, поршень. В такой системе отбойный клапан мгновенно закрывается, что делает удар от водяного столба мощнее, а КПД насоса в целом увеличивается.

Гидротаран Рогозина – еще одна разновидность приспособления для сбора природной жидкости. Особенным успехом разработки изобретателя пользовались в СССР. Рогозин предложил объединить гидротаран с турбиной, к которой подключен электрогенератор. Водоподъемное устройство в этом случае становится также источником энергии.

Турбина, соединенная с гидротараном, работает при таком течении, при котором функционировать самостоятельно она не способна

Но здесь следует особое внимание уделять тому, чтобы проходящая через отбойный клапан вода тут же освобождала место для снова подступившей порции жидкости

Гидротараны — бестопливные насосы от уральских умельцев

Пермские крамольники начали реализацию проектов по улучшению качества жизни людей на Земле. Наперекор всем современным научным общепринятым понятиям и догмам они решили запустить массовое производство водяных насосов работающих БЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА по максимально доступной для русичей цене! Давно забытые дедовские, экологически чистые и не загрязняющие окружающую природу технологии начали возрождаться на нашей святой русской земле. И как бы не пыжылись представители тёмных западных иерархий переманить светлые русские головы на свою сторону, Боги на нашей стороне, а значит и победа будет за нами. Как говорил Коловрат: «Это жидкие мозги утекают, а твёрдые остаются».

Источники

• https://zen.yandex.ru/media/samstroy24/gidrotaran-nasos-kachaiuscii-vodu-dlia-poliva-bez-elektrichestva-i-topliva-5e479d41baec8f365f1fbb4e
• https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/gidrotaran/
• https://dealanenergo.ru/Statiy/gidrotaran-vodyanoy-nasos-bez-lektrichestva
• https://www.rmnt.ru/story/water/gidroudar-ili-kak-sdelat-besplatnyy-nasos-ispolzuja-energiju-vody.784823/
• https://USamodelkina.ru/11806-gidrotarannyj-nasos-svoimi-rukami.html
• https://www.kramola.info/vesti/rusy/gidrotarany-bestoplivnye-nasosy-ot-uralskih-umelcev

[свернуть]