Перспективы реанимации гидротарана в ландшафтном строительстве

Размещено на http://www.Allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

Московский государственный университет природообустройства

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

ОАО «Соллерс»

Перспективы реанимации гидротарана в ландшафтном строительстве

О.Н. Черных, к.т.н., профессор

В.И. Алтунин, к.т.н., доцент

М.В. Федотов - инженер

А.В. Алтунина - специалист

г. Москва, Россия

Аннотация

Обсуждаются конструктивные особенности гидравлического тарана и основные области его современного применения в природных и антропогенных ландшафтах.

In this article are described main water ram's features and it's use in different landscapes and anthropogenic areas.

Вода является одним из основных компонентов современного городского ландшафтного дизайна. Она используется в различных водных устройствах и придаёт дополнительную выразительность другим декоративным средствам и элементам городских пространств. При строительстве новых аквакомплексов, реконструкции, восстановлении и реабилитации памятников истории, культуры и архитектуры (русских городских усадебных водных систем, монастырских подворий, музейных мемориальных парков и пр.) обширна область применения различных гидротехнических сооружений, которые представляют элементы гидроландшафта: водоёмы, бассейны, водопропускные сооружения, каналы, ручьи, водопады, фонтаны, родники, интерактивные водные аттракционы и др.

Все эти устройства гидропластики в настоящее время становятся неотъемлемой частью ландшафтного дизайна не только частных домовладений, но и девелоперских проектов комплексной городской застройки, престижных курортов, жилых районов и парковых территорий. Характер форм водных устройств и возможность обводнения территории в пределах городской черты определяются в первую очередь такими природными факторами как рельеф территории и источники обводнения. Воду из питьевого водопровода для устройств гидропластики допускается брать лишь для детских бассейнов, небольших декоративных водных устройств и малых фонтанов, в том числе питьевых [1]. В некоторых случаях устраивают специальные скважины, питающие крупные фонтаны, декоративные и спортивно-плавательные бассейны.

В фонтанах русских усадеб в качестве водоподъёмного устройства ещё в XVIII в. применялся гидравлический таран. Его использовали, когда запас природной воды значительно превышал количество воды, требуемое для водоподачи, с целью водоснабжения небольших локальных объектов или малых архитектурных форм. Сама таранная установка обычно располагалась намного ниже уровня воды в источнике [2].

Усадьбы Лефортово в Москве, Шаблово, Горенки и др. под Москвой, фонтаны Петергофа и французского Версаля, шлюзы Мариинской водной системы, многие ирригационные системы в России, Европе, Китае с начала XVIII в. до середины XX в. оснащались гидротаранами разных размеров. Например, в Лефортовском парке - первом регулярном парке России, заложенном в 1699 г. Петром I на левом берегу р. Яузы, гидравлические тараны приводили в действие фонтаны, расположенные в нишах грота Растрелли и плотины Венеры. При этом напор создавался за счёт расположения фонтанов на 9…12 м ниже основного источника воды - Анненгофского канала на р. Синичке.

Гидротаран - водоподъёмная установка с возобновляемым источником энергии, в конструктивных элементах которой используется энергия искусственно создаваемого гидравлического удара. Гидравлический таран может подавать воду непосредственно к месту ее потребления или в водонапорную башню. Для установки его необходимо, чтобы вода в реке или в другом водном источнике могла создать в питательной трубе тарана относительно небольшой начальный напор. С его увеличением подача тарана повышается. Для создания напора обычно используют имеющийся естественный уклон русла реки или местный перепад, а также сооружают плотину или запруду.

Впервые описание подобного насоса, изобретённого и построенного им тремя годами ранее, опубликовал в 1775 г. англичанин Д. Уайтхёст. Однако конструкция гидротарана не была полностью автоматической, поэтому в 1776 г. её доработал и получил патент изобретатель воздушного шара Ж. Монгольфье. Затем в течение нескольких лет были получены ещё несколько патентов на аналогичные конструкции (M. Балтон - Англия, 1797 г.; И. Церней, С. Хеллет - США, 1809 г.). В 1834 г. промышленное производство таких насосов начал американец Г. Стрoубридж.

В России, где впервые в 1911 г. Д.И. Трембовельский применил гидротаран для водоснабжения мандаринового питомника в г. Цихис-Дзири близ Батуми, таранные установки разрабатывались вплоть до конца ХХ в. для орошения, водоснабжения и обводнения. Еще лет 30 тому назад гидротараны-насосы крупными партиями выпускали заводы в Москве (завод «Таран»), Ленинграде, Саратове, Буффало, Дюссельдорфе, Кейптауне и др. Устройство было способно работать без присмотра десятками лет, поскольку основными подвижными элементами были лишь два клапана. Их производительность достигала 20…25 л/с [3].

Несложные по конструкции, но непростые для проектировщика гидротаранные устройства превращают кинетическую энергию потока во всасывающей трубе в потенциальную - в нагнетательной. Особенностью конструкции тарана является невозможность её расчёта отдельно от всасывающей и напорной труб (рис. 1) [3, 4].

Рис. 1. Принципиальная схема гидравлического тарана [4]:

1 - ударный клапан; 2 - нагнетательный клапан; 3 - воздушный колпак; 4 - питательная труба; 5 - питательный бассейн; 6 - нагнетательный трубопровод; 7 - приёмный или нагнетательный бассейн

Таран начинает работать при резком открытии, например, вручную, ударного клапана 1. С этого момента начинается истечение воды, скорость которой от 0 будет постепенно увеличиваться до некоторой конечной величины, стремясь в пределе к скорости установившегося движения, соответствующей напору Н и гидравлическим сопротивлениям системы «питательный трубопровод - ударный клапан». При этом через ударный клапан 1 сбрасывается расход Q₁. В момент, когда сила давления превысит вес клапана 1, он резко закроется, давление перед клапаном 2 возрастёт до величины р > р_к и нагнетательный клапан 2 откроется. С момента закрытия клапана 1, в питательной трубе 4 начинается волновой процесс, ведущий к уменьшению скорости жидкости и изменению давления в этой трубе. В результате через некоторое время после закрытия клапана 1 давление падает так, что нагнетательный клапан 2 закрывается, а ударный клапан 1 автоматически открывается. Новый цикл протекает по аналогии с начальным. Дальше таран работает автоматически, порционно подавая воду в воздушный колпак 3, который сглаживает пульсацию скорости нагнетаемой воды и обеспечивает относительно равномерное её движение в трубопроводе 6.

В рабочем периоде в приёмный бассейн 7 вода поступает, используя энергию падающей воды для подъёма её части на необходимую высоту, с энергетическим коэффициентом полезного действия з (кпд)

з = Q₂ (h - Н)/(Q₁+ Q₂).

Величина з в значительной мере зависит от напоров, расходов воды и конструкции таранной установки (рис. 2).

Рис. 2. Коэффициент полезного действия з при гидравлическом таране

конструктивный гидравлический таран природный ландшафт

Плавную и постоянную подачу воды по напорной трубе обеспечивает воздушный колпак 3. Расчёты по программе SiP показывают, что использование воздушного колпака кардинально повышает производительность гидравлического тарана (в 10… 20 раз), и чем длиннее напорная труба, тем больше этот выигрыш.

В общем случае эффективность работы гидравлических таранов определяется правильным выбором длины и объёма нагнетательной трубы, соотношения сечений отбойного и напорного клапанов и усилий, нужных для их открытия и закрытия, в зависимости от необходимой высоты подъёма и скорости потока в нагнетательном трубопроводе. Поэтому в идеале каждый экземпляр такого насоса надо настраивать индивидуально под конкретные условия установки.

На протяжении более 200 лет было сделано много усовершенствований в конструкции гидротарана. Известны мощные тараны, производительность которых достигает 150 л/с. Однако недостатки гидравлического тарана по мере распространения насосов с электрическим и бензиновым приводом на сегодняшний момент практически полностью вытеснили эти безмоторные насосы. Отметим основные из них:

- необходимость обеспечения отсутствия воды в нагнетательной трубе за отбойным клапаном, прошедшей туда после его открытия в предыдущем цикле;

- в водоёмах с постоянным уровнем поверхности и равнинных участках рек с небольшими уклонами гидротараны работать не могут;

- в некоторых конструкциях тарана существенная часть воды сбрасывается через ударный клапан и слив, что в условиях дефицита водных ресурсов бывает неприемлемым;

- необходимо предусматривать специальные мероприятия для пополнения количества воздуха в воздушном колпаке (автоматическая подкачка воздуха через клапаны, мембранный гидроаккумуляторный бак и т.п.);

- значительные размеры установки, необходимые для обеспечения оптимальной энергии гидроудара.

Если необходима большая подача, то несколько гидротаранов устанавливаются параллельно. Это позволяет выбрать их количество в любой момент времени для удовлетворения водоподачи переменного расхода воды.

В настоящее время интерес к классическому гидравлическому тарану в нашей стране объясняется в основном расширением реставрационных работ в старинных садах и парках, где он первоначально применялся. За рубежом (США - насосы Флеминга, ЮАР, Австралия и ряд других европейских стран) гидравлический таран, как устройство, способное бесплатно качать воду на высоту, получил развитие в мелиорации и для различных бытовых нужд под названием «ram-pump». Наиболее известны гидротараны фирм Дулас (Англия), Декер (Decoeur, Франция), которые дают кпд от 0,6 до 0,9, и большие насосы Персалль (Pearsall), получающие струю сжатого воздуха. В этих странах сейчас существуют несколько десятков малых компаний, специализирующихся на производстве «ram-pump». В России, по данным выполненного нами обзора научно-технической литературы, лишь в Барнауле ещё выпускают гидротаран ТГ2-76. Его характеристики зависят от ряда факторов: скорости течения потока жидкости на входе в подводящую трубу, высоты падения и подъёма жидкости при устройстве плотины, толщины стенок и т.д.

Вместе с тем, есть отдалённые посёлки, где до настоящего времени продолжают работать гидротараны, изготовленные ещё до Великой Отечественной войны. Изредка они используется «народными умельцами» и на садовых участках в Нечерноземье. Потребность в этих простых гидронасосах, с несложным техническим обслуживанием которых может справиться местное население, ощущается в ряде регионов нашей страны. Гидротараны сейчас работают в некоторых районах Северного Кавказа, где из-за военной обстановки часты перебои с электричеством. В последнее десятилетие единичные гидротаранные насосы появились в Центральной Азии, в Узбекистане и Таджикистане. Для горных регионов, таких как Памир, Карпаты или Крым, гидротаран является альтернативой в орошении и водообеспечении питьевой водой отдаленных сёл или городов.

Сейчас в России усовершенствованием гидротаранных установок и их внедрением, часто уже за границей, занимаются в основном изобретатели. Например, ряд фирм продвигают насос «Гидротаран-Тритон», изобретённый Г.В. Рогозиным. Он предназначен для подачи воды на объекты потребления из открытых водоисточников (арык, канал, река, водяной коллектор). Гидроимпульсная насосная установка, объединяющая для увеличения производительности 2-3-4-5 и более насосов, опробована в Киргизии и Казахстане. Эта установка, кроме подъёма и перекачки воды, способна вырабатывать и электроэнергию, что очень актуально в настоящее время.

В 1999 г. прошла государственные испытания и была рекомендована к серийному производству гидротаранная установка конструкции ВНИИ «Радуга», обеспечивающая высоту подъёма чистой воды до 50…75 м. М.С. Мирдадаевым (КазНИИВХ, 2010 г.) доказано, что одним из эффективных путей орошения и водоснабжения в условиях рыночной экономики является использование таранной установки для сельскохозяйственных земель, расположенных выше водоисточников. Это характерно для горных и предгорных ландшафтов юга Казахстана, Кавказа, Памира и др., где актуальным становится внедрение ресурсосберегающих технологий (например, капельное орошение и микродождевание) и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Известен ряд проектов реанимации гидротарана и применения его в энергетических системах. Особенно интересны предложения использования гидротарана в бесплотинных малых гидроэлектростанциях (ГЭС), разработанных для применения в лесной промышленности, сельском хозяйстве и в труднодоступных районах. Их конструктивные схемы можно найти на различных сайтах и Интернете. Среди множества предложений можно выделить конструктивные разработки Я.И. Шестакова, И.Н. Багаутдинова, Н.А. Кузьмина и др. Есть предложения использования гидродвигателя-тарана для миниГЭС на основе поршневой машины, когда в результате перемещения поршней, кинематически связанные с ними элементы, пускают электрогенератор. Машина имеет в каждом модуле по три цилиндра и может работать и на сельской запруде, и на океаническом берегу, используя энергию прилива. Для водоснабжения фермерского хозяйства Л. Черепков разработал гидравлическую установку, позволяющую для подъёма воды из источника использовать его же энергию. Отсутствие гидравлической связи между воздушным и напорным баком позволяет установке работать на двух источниках воды, когда, например, чистый родник имеет небольшую производительность, а протекающий рядом ручей непригоден для питья. Автономность такого водоподъёмника позволяет использовать его для создания искусственных водоёмов, систем орошения и других хозяйственных нужд.

Из всех изобретений мировое признание получила оригинальная гидродинамическая схема разгона воды, предложенная и подтверждённая натурными экспериментами в Испании В. Марухиным и В. Кутьенковым (рис. 3).

Рис. 3. Схема водоподъемного устройство нового типа (патент №005489 Евразийской патентной организации, 2005 г.)

1 - воздушный колпак; 2 - нагнетательная труба; 3 - нагнетательный клапан; 4 - ударный клапан; 5 - питательная труба с ускоряющей (6) и напорной (7) частями

Основным достоинством её считается то, что слива воды практически нет. Вся вода, поступающая в трубу 6, перегоняется гидроударным волновым процессом в нагнетательную трубу 2, а от неё подаётся потребителю на необходимую высоту. Такое водоподъёмное устройство может работать и без питательного бака, если погрузить его в воду на определённую глубину. В этом случае устройство становится насосом малого напора, и может быть использовано только для подъёма воды, например, в опреснителях морской воды и пр. Если в этой схеме исключить и отводящую трубу, или на выходе из колпака 4 установить участок трубы небольшой длины с сечением равным выходному отверстию в колпаке, то при закрытом клапане 3 на выходе из насадка формируется струя, которая согласно закону сохранения импульса системы, создаёт реактивную силу, совершающую определённую работу.

Таким образом, схема становится гидрореактивным движителем. При установке на выходе из колпака гидротурбины с последовательно соединённым электрогенератором схема начинает работать как источник электрического тока. Следует отметить, что данное водоподъёмное устройство, как и гидравлический таран, способно нагревать проходящую через него воду. Таким образом, устройство гидропластики превращается не только в источник электроэнергии, но и одновременно, без какого-либо последующего преобразования электроэнергии, и в источник тепла.

Масса энергоблока промышленного модуля при использовании электрогенератора «IFC4-Siemens» (Германия) и специально созданной для этих целей реактивной гидротурбины «PHY-500P» (Испания) при выходном напряжении 6,3 кВ электрического тока частотой 50 Гц составляет 6,2 т, длина - 8,1 м, диаметр опорного основания - 2 м [1]. При глубине погружения около 50 м мощность одного модуля равна 97,4 кВт. Конструкция водоподъёмного устройства даёт возможность размещать модули-электрогенераторы в нужном количестве не только в составе наземных ГЭС и в качестве передвижных электростанций, но и в трюме надводных судов или энергоотсеке подводных аппаратов практически любого водоизмещения. Это может позволить, по мнению разработчиков, заменить дизельные или атомные электростанции морского надводного и подводного флота.

Выполненный обзор известных конструктивных схем гидравлического тарана, показывает, что он является не только примером использования гидравлического удара в утилитарных целях, но и объектом постоянного внимания людей. Многие пытаются приспособить чудо-устройство, работающее практически самостоятельно без их помощи и подвода энергии, для выполнения своих насущных задач водообеспечения, постоянно усовершенствуя это устройство и повышая его кпд. В настоящее время представляется перспективным и актуальным использование гидротаранных установок для подъёма воды из любых открытых водоисточников и подачи её в аккумулирующую ёмкость для орошения или водоснабжения индивидуальных потребителей (полив фермерских и приусадебных участков, водоснабжение малых ферм и т.д.). Одной из важнейших задач промышленности в ближайшие годы является решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды и использованием энергосберегающих технологий. Поэтому следует рассматривать применение в качестве альтернативных возобновляемых источников водной энергии, наряду с малыми ГЭС или ГАЭС, водяные мельницы (или водяные колёса), и гидравлические тараны. В заключении можно констатировать, что классический гидравлический таран остаётся чрезвычайно простым, неприхотливым и очень необычным устройством, которое совершенно незаслуженно забыто в отечественном ландшафтном строительстве.

Библиографический список

1. Черных О.Н., Алтунин В.И., Алтунина А.В., Федотов М.В. Использование гидравлического тарана в гидропластике природных и антропогенных ландшафтов. // Вопросы мелиорации. - М.: ФГНУ ЦНТИ «Мелиоинформ», 2010. № 5-6. С. 63-70.

2. Сабо Е.Д., Теодоронский В.С., Золотаревский А.А. Гидротехнические мелиорации объектов ландшафтного строительства. - М.: Издательский центр «Академия», 2008, 335 с.

3. Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение, 1968.

4. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. - М.: Колос-С, 2006.

Размещено на Allbest.ru