Гідротаранний насос або гідравлічний таран ( фр. bélier hydraulique, англ. hydraulic ram) - механічний пристрій для підйому води на значну (до декількох десятків метрів) висоту. Енергію для роботи насос отримує з потоку води, що перетікає під дією сили тяжіння з т. Зв. «Живить» резервуара (наприклад, з загати на річці) по «живильної» трубі в будь-якої нижчерозташованими стік (наприклад, в ту ж річку нижче за течією), завдяки чому пристрій можна застосовувати в місцевості, де немає електропостачання або інших джерел енергії .

Пропускаючи через себе більшу частину води з невеликої висоти h (різниця висот між стоком і рівнем води в живильному резервуарі) насос піднімає меншу частину води на велику висоту H (різниця висот між верхньою точкою відвідної труби і рівнем води в живильному резервуарі).

Терміни не є сталими. Наприклад, яка живить труба нерідко іменується «напірної» і т. П.

Гідротаранний насос в найпростішому випадку складається з (див. Малюнок):

• живильної труби (а)
• відбійного клапана (б)
• поворотного клапана (в)
• повітряного ковпака (г)
• відвідної труби (д)

Початковий стан: відбійний клапан Б відкритий і утримується в такому положенні пружиною або вантажем або т. П. Сила цієї пружини перевищує силу тиску статичного стовпа води в живильній трубі на закритий відбійний клапан. Поворотний клапан В закритий. Повітряний ковпак заповнений повітрям.

За живильної трубі А надходить вода, розганяючись до якоїсь швидкості, при якій відбійний клапан Б, що захоплюється потоком води, долаєзусилля своєї пружини і закривається, перекривши стік. Інерція різко зупиненого в живильної трубі води створює гідроудар - різкий стрибок тиску, величина якого визначається довжиною живильної труби і швидкістю потоку. Тиск гідроудару долає тиск стовпа води в відвідної труби Д, поворотний клапан В відкривається і частина води з живильної труби А проходить через нього і надходить в трубу, що відводить але, головним чином, в повітряний ковпак Г, оскільки інерція маси води в відвідної труби Д перешкоджає такому швидкому, імпульсного вступу. Вода в живильної трубі зупинена, тиск падає і приходить до статичної величиною, поворотний клапан закривається, відбійний клапан відкривається. Вода в живильної трубі починає рухатися, поступово прискорюючись, а в цей час під тиском повітря, підгорнутого в повітряному ковпаку, що надійшла в нього порція води продавлюється в трубу, що відводить. Таким чином система повертається в початковий стан і починає новий цикл роботи.

Цей механізм діє за допомогою запасу механічної роботи, що міститься у воді, що тече по трубі. В оригінальному приладі Монгольф'є, влаштованому в Сен-Клу, поблизу Парижа, вода притікає по довгій трубі A B {\ displaystyle AB} (Рис. 1) з невисоко розташованого ставка і може вільно витікати через край K {\ displaystyle K} , Поки клапан V {\ displaystyle V} опущений.

З того моменту, як вода, що наповнює A B {\ displaystyle AB} , Отримала можливість текти, робота сили тяжіння піде на збільшення її швидкості до деякої максимальної величини, обумовленої висотою h {\ displaystyle h} рівня води в ставку над отвором K {\ displaystyle K} , Розмірами і властивістю (див. Нижче) труби A B {\ displaystyle AB} . Разом з тим буде зростати і гідравлічний тиск води на нижню поверхню клапана V {\ displaystyle V} , Вага якого так підібраний, щоб він піднявся і закрив вихідний отвір, як тільки швидкість води в трубі досягне своєї максимальної величини. У цей момент гідростатичний тиск води на внутрішню поверхню труби A B {\ displaystyle AB} і її продовження C S {\ displaystyle CS} стане зростати, так як рух води буде сповільнюватися, поки весь запас роботи, укладений в її масі у вигляді живої сили , Не витратите на розтягнення цих стінок, на стиск самої води і на внутрішнє тертя. Але частина цих стінок зроблена рухомого: в колоколообразной придатку S {\ displaystyle S} замкнуто водою деяку кількість повітря і поміщені клапани W {\ displaystyle W} , Що відкриваються в дзвін R {\ displaystyle R} , Теж містить повітря над водою і забезпечений підйомної трубою D E {\ displaystyle DE} . Тому після закриття клапана V {\ displaystyle V} жива сила води починає стискати повітря в S {\ displaystyle S} , Поки не піднімуться клапани W {\ displaystyle W} ; тоді вода стане входити в R {\ displaystyle R} , Частиною стискати знаходиться в ньому повітря, а частиною підніматися по трубі D E {\ displaystyle DE} на висоту H {\ displaystyle H} . На все це скоро витратив вся жива сила води, тиск в R {\ displaystyle R} переважить тиск в S {\ displaystyle S} , Клапани W {\ displaystyle W} закриються, V {\ displaystyle V} відкриється, і весь процес почнеться знову. Зростання тиску буде тим більше, чим швидше зачиняються клапан V {\ displaystyle V} і чим непіддатливі стінки судини, що містить воду в русі. Такого «гідравлічного удару» ретельно намагаються уникати при влаштуванні водопроводів, щоб не лопалися труби, тому Монгольф'є і влаштував ковпак S {\ displaystyle S} ; пружна податливість повітря, в ньому ув'язненого, послаблює силу удару; повітря же в ковпаку R {\ displaystyle R} служить регулятором для труби D E {\ displaystyle DE} і підтримує в ній рух води в той період, коли клапани W закриті. При підвищеному тиску в воді розчиняється більше повітря, ніж при атмосферному тиску, тому кількість повітря в S {\ displaystyle S} і R {\ displaystyle R} зменшувалася б під час безперервної роботи. Щоб поповнювати цю спад, служить клапан H {\ displaystyle H} , Відчиняє всередину: як тільки клапани W {\ displaystyle W} захлопнуться, пружність повітря в S {\ displaystyle S} змусить воду в C B A {\ displaystyle CBA} отхлинуть назад; з придбання швидкістю вона перейде своє становище рівноваги і зробить на дуже короткий час під S {\ displaystyle S} тиск, менше атмосферного. У цей момент через H {\ displaystyle H} входить трохи повітря.

У продажу існують готові типи таран, англійські фірми Дулас, французькі Декер і ін. При випробуванні в Паризькій консерваторії мистецтв і ремесел таран, влаштовані Декер (Decoeur), дали корисну дію від 0,6 до 0,9. На малюнку 2 видно особливості його пристрою: обидва клапана розташовані один над іншим і забезпечені пружинами і гвинтами, щоб регулювати їх натяг під час самої роботи, змінюючи число ударів від 40 при падінні в 0,3 м до 220 при падінні в 2 м; висота підйому в усіх дослідах була 9м 15 см.

При впускання повітря через бічний клапан, який не зображений на рис. 2, таран працює без шуму, але корисну дію і найбільша можлива висота підйому зменшуються. Хороші результати дії Таранa настільки залежать від своєчасного закривання випускного ( «стопорного») клапана, що для великих машин Персалль (Pearsall) знайшов вигідним влаштувати для цієї мети особливу машину, що приводиться в рух стисненим повітрям з-під ковпака. Такий тип Таранa діє абсолютно плавно, дає великий коефіцієнт корисної дії і може бути влаштований у великих розмірах. На тому ж принципі, Персалль влаштовує гідравлічний Таран для отримання струменя стиснутого повітря.

Розрахунок коефіцієнта корисної дії гідравлічного таранa дуже простий, якщо обмежитися головними обставинами явища. Нехай зі ставка випливає в одиницю часу V 1 {\ displaystyle V_ {1}} одиниць обсягу води і падає з малої висоти h {\ displaystyle h} . А піднімаються в резервуар водопроводу V 2 {\ displaystyle V_ {2}} одиниць на велику висоту H {\ displaystyle H} . Позначимо η {\ displaystyle \ eta} коефіцієнт корисної дії машини. Він дорівнює відношенню роботи, зробленої машиною до роботи падаючої води:

η = V 2 H V 1 h {\ displaystyle \ eta = {\ frac {V_ {2} H} {V_ {1} h}}}

Для визначення η {\ displaystyle \ eta} в різних випадках було зроблено багато дослідів ще в 1805 р Ейтельвейном, пізніше Моріном і ін. З'ясувалося, що коефіцієнт цей тим більше, чим ближче до одиниці відношення H: h {\ displaystyle H: h} . За Ейтельвейну, коли H {\ displaystyle H} в 20 разів більше h {\ displaystyle h} , Η = 0, 2 {\ displaystyle \ eta = 0,2} ; при H = 8 h {\ displaystyle H = 8h} η = 0, 5 {\ displaystyle \ eta = 0,5} ; при H = 3 h {\ displaystyle H = 3h} η = 0, 7 {\ displaystyle \ eta = 0,7} . За даними початку XX століття , Корисну дію більше при великих поданих, ніж при малих; так, при малих h {\ displaystyle h} η = 0, 4 {\ displaystyle \ eta = 0,4} , При середніх 0,55, а при великих 0,7. Вплив же відносини висоти падіння до висоти підйому води визнається малим. Тому з V 1 = 20 {\ displaystyle V_ {1} = 20} (Літрів) можна розраховувати, наприклад, підняти 2 л на 7 метрів, 1 л на 14 метр, і тільки півлітра на 28 м, якщо при цьому H {\ displaystyle H} η {\ displaystyle \ eta} = 0,1 для взятого тарана, труба, яка веде воду, повинна бути достатньої довжини, щоб маса полягає в ній води була значна: по Ейтельвейну, вона повинна перевищувати H {\ displaystyle H} на число футів, що дорівнює відношенню H {\ displaystyle H} до h {\ displaystyle h} , І в усякому разі бути не коротше, ніж п'ятикратна висота підйому, так що при коротких відстанях її доводиться навмисно згинати. Діаметр клапана б повинен бути дорівнює діаметру приводний труби, а цей останній в футах дорівнює 2 60 (V 1 + V 2) {\ displaystyle 2 {\ sqrt {60 (V_ {1} + V_ {2})}}} , Де V 1 {\ displaystyle V_ {1}} і V 2 {\ displaystyle V_ {2}} дані в кубічних футів. Обсяг ковпака г роблять рівним обсягом приводний труби. Обидва клапана повинні бути якомога ближче один до іншого. В даний час гідравлічний таран вживається досить часто для підняття невеликої кількості води для господарських цілей.

Зміна тиску визначається за формулою Жуковського: Δ p = ρ (v 0 - v 1) v {\ displaystyle \ Delta p = \ rho (v_ {0} -v_ {1}) v} ,

де ρ - щільність рідини, v 0 {\ displaystyle v_ {0}} і v 1 {\ displaystyle v_ {1}} - середні швидкості води до і після закриття клапана, v - швидкість поширення ударної хвилі в рідині. Цю швидкість можна розрахувати за формулою:

v = 1 ρ β + D ρ E d, {\ displaystyle v = {\ frac {1} {\ sqrt {\ rho \ beta + {\ frac {D \ rho} {Ed}}}}}} ,

де E - модуль пружності стіни, β {\ displaystyle \ beta} - стисливість рідини, d - товщина стін труби, а D - її діаметр.

Коефіцієнти пружності різних матеріалів:

• вода - 2⋅109 Н / м²;
• чавун - 100⋅109 Н / м²;
• сталь - 200⋅109 Н / м²;
• мідь - 123⋅109 Н / м²;
• алюміній - 71⋅109 Н / м²;
• полістирол - 3,2⋅109 Н / м²;
• скло - 70⋅109 Н / м²;

Межа значення V дорівнює 1414 м / с (швидкість звуку у воді).

ККД гідротаранного насоса залежить від ставлення H / h, де h - висота потрапляє в резервуар А води, а H - необхідна висота підняття.

У 1772 році англієць Джон Уайтхёрст винайшов і побудував «пульсуючий двигун», прообраз гідравлічного тарану, і через три роки опублікував його опис. Пристрій Уайтхёрста управлялося вручну. Перший автоматичний гідротаранний насос винайшов знаменитий француз Жозеф-Мішель Монгольф'є спільно з Амі Арганом (A. Argand) в 1796 році. У 1797 році за допомогою свого друга Метью Боултона Монгольф'є отримав британський патент на свій винахід. У 1816 році сини Монгольф'є запатентували доопрацьовану версію цього насоса.

У США гідротаранний насос вперше запатентували сірчано (J. Cerneau) і Халлет (SS Hallet) в 1809 році. У 1834 році американець Строубрідж (H. Strawbridge) почав виробництво гідротаранних насосів.

У 1930 році професор С. Д. Чистопольську в роботі «Гідравлічний таран» опублікував метод теоретичного розрахунку таких пристроїв, заснований на теорії гідравлічного удару , Створеної професором Н. Е. Жуковським в 1897-1898 роках.