CN103867500B - 一种水锤泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水锤泵，包括：动力管，动力管与泵体连接，泵体与弯管、竖直的进水管底部连接，进水管与输水阀连接，输水阀与空气罐连接，空气罐与出水管连接，动力管的截面积与泵体、弯管的截面积相等，弯管与一端大一端小的异径管的小端连接，异径管的大端与泄水阀连接。本发明采用的将异径管设置在于泄水阀的位置，和弯管、泄水阀集中在一起，可以降低水头损失。与传统水锤泵相比，提高了水锤泵的效率，增加了扬程，减小了水锤泵的体积。水锤泵体积的减小，一方面节约了制造水锤泵的材料，另一方面节约了安装水锤泵的工程量。这一点对抽水蓄能或调水工程等大型水锤泵站之类的工程建设十分重要，可以大量的减少土方工程和安装费用。

Description

一种水锤泵

技术领域

本发明涉及一种水锤泵，是一种自动抽水设备，是一种利用水头的自然力在无需其他能源的情况下自动泵水的设备。

背景技术

随着社会的进步和对石化能源应用局限性的认识，人们越来越重视各种直接将自然力转化为动力的设备。作为一种不需要电力等二次能源就可以有效运行的抽水设备，水锤泵是一种十分理想的自然力转换设备。但是，传统的水锤泵由于受到种种限制，功率不能太大，只能应用在农业田间抽水的场合。从理论上讲，如果使用大功率的水锤泵将超低水头(小于5米的水头)的水流提高扬程至十几、二十几米的高度，就可以产生工业发电水头，由此可以利用水资源十分丰富的超低水头，而产生大量无公害的能源。另外，还可以利用超低水头进行大面积灌溉，以及无需能源或少用能源的大型输水工程中。如何设计和制造体积较小而效率较高的大功率水锤泵，是一个必须解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水锤泵。所述的水锤泵通过改变异径管的位置，减小了水锤泵的体积同时提高了效率。

本发明的目的是这样实现的：一种水锤泵，包括：动力管，所述的动力管与泵体连接，泵体与弯管、竖直的进水管底部连接，所述的进水管与输水阀连接，所述的输水阀与空气罐连接，所述的空气罐与出水管连接，所述的动力管的截面积与泵体、弯管的截面积相等，所述的弯管与一端大一端小的异径管的小端连接，所述的异径管的大端与泄水阀连接。

进一步的，所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为截头圆锥形。

进一步的，所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为矩形。

进一步的，所述的异径管与弯管连接部位的底角为90度。

进一步的，所述的异径管与弯管连接部位的底角为圆弧过渡。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的将异径管设置在于泄水阀的位置，和弯管、泄水阀集中在一起，可以降低水头损失。与传统水锤泵相比，首先是提高了水锤泵的效率，利用1米的低水头就可以产生高达70米的扬程。另一个优点是减小了水锤泵的体积，或者说在同样功率下，水锤泵的体积缩小了。水锤泵体积的减小，一方面节约了制造水锤泵的材料，另一方面节约了安装水锤泵的工程量。这一点对抽水蓄能或调水工程等大型水锤泵站之类的工程建设十分重要，可以大量的减少土方工程和安装费用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述水锤泵结构示意图；

图2是传统的水锤泵的结构示意图；

图3是本发明的实施例四所述异径管的结构示意图；

图4是本发明的实施例五所述异径管的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种大型水锤泵，如图1所示。本实施例包括：动力管1，所述的动力管与泵体2连接，泵体与弯管4、竖直的进水管3底部连接，所述的进水管与输水阀7连接，所述的输水阀与空气罐8连接，所述的空气罐与出水管9连接，所述的动力管的截面积与泵体、弯管的截面积相等，所述的弯管与一端大一端小的异径管5的小端连接，所述的异径管的大端与泄水阀6连接。

本实施例所述的动力管是将上游水头引入水泵中，并提供水泵的动力，因此，动力管带有水头所提供的压力。

泵体是一段水平放置的直管，是一个连接段，将进水管弯头连接在一起。

弯头是将动力管流出的接近水平的水流引导为竖直向上的水流，竖直向上的水流使泄水阀的阀瓣可以利用重力上下运动而开闭。利用重力开闭泄水阀的好处是阀瓣的开闭受力更加均匀，不会受到弹簧指数型受力变化的影响。

输水阀是立式升降式止回阀，同样利用重力开闭，如图1所示。在工作过程中，输水阀的阀瓣上下移动。当阀瓣水锤的冲击下向上移动，则输水阀开启容许水流进入空气罐；当水锤冲击过后，阀瓣在重力的作用下向下移大，输水阀关闭阻止空气罐水流进入泵体。

泄水阀可以采用立式升降式止回阀或卧式旋启式止回阀。如果采用立式升降式泄水阀，当阀瓣在重力作用下向下移时泄水阀开启时，在水头的作用下动力管水流将加速流动；一旦阀瓣受到的水流拖拽力和压力之和超过其重力时，则阀瓣将迅速上移使泄水阀关闭，产生巨大的水锤压力。

空气罐也称为压力罐，主要利用罐内气体的压缩和膨胀起蓄水储能和吸收水锤冲击波的作用。由于水锤泵完全依靠泄水阀和输水阀的周期交替自动启闭利用水锤效应来输水，如果没有空气罐，则输水管的输水过程是周期性不连续的，当设置空气罐后，不仅可以使输水管的输水是连续的，而且可以提高水锤泵的效率。本实施例所述的空气罐不但可以起到调节水压的作用，还可以起到降噪音的作用。

传统的水锤泵的异径管设置在动力管的出口处，如图2所示。而本实施例的异径管的位置在泄水阀的位置。这样的变化对水锤泵的外形体积的效率起到关键性的作用。对比图1和图2可以明显的看到本实施与传统水锤泵的差别。

减少水头损失是提高水锤泵效率的重要途径。在水力学上有一个重要的原则是，具有水头损失的要素最好能集中在一起，由于要素之间的干扰作用，可以减小水头损失。比如某个***有要素阀门、接头、弯头三个要素，如果三个要素之间的距离相对较远，则三个要素的水头损失仅仅是相加的关系，但如果将三个要素集中在一起，其水头损失不再是相加的关系，而是一个复杂的关系，其水头损失要根据各个要素的特点和位置关系进行计算和实验才能得出，但总体是降低了水头损失。

在一般情况下，泵体流道长度比动力管小得多，其水头损失主要是局部水头损失，沿程水头损失可以忽略不计。水锤泵的泵体及其周围的局部水头损失较大，其水头损失主要由异径管、弯头和泄水阀的局部水头损失组成。

传统水锤泵的连接关系是：动力管连接异径管，异径管连接泵体，泵体连接弯管，弯管连接泄水阀。这样的连接关系异径管与弯管之间被泵体隔开，距离弯管和泄水阀较远。这样异径管、弯管和泄水阀的水头损失只能单独计算，而整个泵的水头损失则需要将上述三个要素的水头损失相加。

本实施例将异径管的位置转移，将异径管、弯头和泄水阀集中放在一起，使三者之间的漩涡互相干扰，减小水头损失。

当动力管和泵体孔口截面积相同时，两者的局部水头损失基本相同。换句话说，本实施例将泵体的孔口直径设置为与动力管的孔口直径相等，其水头损失较传统水锤泵的动力管连接异径管再连接泵体的方式，减小了这一局部的水头损失，改善了这个局部的水力性能。

综合上述两个位置的局部水头损失，虽然在弯管、异径管和泄水阀这个局部中水头损失有所增加，但减去动力管与泵体之间由于去掉异径管所造成的水头损失，整体上的水头损失将有所下降。因此，本实施例所述的结构较传统水锤泵结构的水头损失从理论上讲是降低的，这个结论在之后的实验中得到了数据的支持。

考虑到水锤泵的输水扬程一般远远大于水锤泵的作用水头，而输水流量则远远小于泄水阀的流量，以及过大的输水阀孔口直径对于提高泄水阀关闭产生的水锤压力是不利的，例如，当泄水阀迅速关闭的流量改变量与相同时间输水阀开启的流量改变量大小相同、方向相反时，则几乎不会产生水锤压力，所以输水阀的孔口尺寸应该远远小于泄水阀的，换句话说，采用泵体截面积等于或者小于动力管的是合理的。

本实施例所述的结构不仅提高了水锤泵的效率，而且还有结构紧凑，重量轻优点。这一优点在大型水锤泵的制造中尤为重要、在相同的材料情况下，如果动力管和泄水阀的参数、流量相同，假设泄水阀的阀瓣截面积：A_d＝A＝A₀，其中：A为动力管截面积，A₀为泄水阀孔口面积，A_d为泄水阀阀瓣面积。

为了具有较好的水力性能，需要考虑泄水阀阀瓣对流道占用的影响，因此要求传统水锤泵设计满足下述条件，A_tc＝A_bc＝A_1c≥2A，其中：A₁为异径管出口截面积，A_t为泵体截面积，A_b为弯管截面积，下标c代表传统水锤泵。

而本实施例：

A_1n-A_d≥A＝A_tn＝A_bn＝A₀，其中下标n代表本实施例所述水锤泵。

所以有：

$\frac{A_{tc}}{A_{tn}}=\frac{A_{bc}}{A_{bn}}\≥2,$

即传统水锤泵与本实施例所述水锤泵直径的平方比为：

$\frac{d_{tc}^2}{d_{tn}^2}=\frac{d_{bc}^2}{d_{bn}^2}\≥2,$

即：

$d_{tc}=d_{bc}=\frac{d_{bc}^2}{d_{bn}^2}\≥\sqrt{2}{d}_{tn}=\sqrt{2}{d}_{bn},$

因此，在管壁厚度相同的情况下，传统水锤泵泵体、弯管、动力管的重量是本实施例的倍以上。需要说明的是，对于相同的承压能力，随着泵体流道直径的减小，泵体壁厚也可以减小。这一点对于大型水锤泵具有非常重要的经济价值，可以大大减小泵体的尺寸和重量。

异径管可以有多种形式：可以是喇叭口形(圆台形)渐扩管，或者是圆柱形突扩管，或者为半球与圆柱结合的突扩管等形状。

根据本实施例进行的实验表明本实施例所述的水锤泵与传统的水锤泵相比效率有明显的提高。

按照本实施例设计的水锤泵主要参数是：泵体的泵体和90°弯管内径为100m；渐扩管采用异径接头，进口内径D＝100mm，出口内径D₁＝200mm，长度L＝152mm。动力管长13m，内径0.1m，把水从水箱引入水锤泵。

实测的弯管、异径管和泄水阀的综合阻力系数ξ与泄水阀行程S_v的函数关系列于表1，其中在S_v＝30-40mm时ξ＝1.85-2.39，实测表明当泄水阀工作最大行程S_v＝30mm时，相同作用水头H时的输水流量和效率最大，对应的恒定流阻力系数ξ＝2.39。作为比较，表1中也列出了著名的Wilcox水锤泵(53mm口径)泄水阀的ξ-S_v函数关系，该水锤泵推荐工作最大行程S_v＝12mm，对应恒定流阻力系数ξ＝2.5。

需要说明的是，表1中本实施例所述水锤泵的ξ是综合阻力系数，其中包括了弯管、曲面渐扩管和泄水阀的阻力系数，所以它的最小值ξ_min＝1.85比Wilcox水锤泵泄水阀的最小阻力系数ξ_min＝1.37大。

然而，如果将Wilcox水锤泵的弯管阻力系数ξ_b＝0.26，异径管阻力系数ξ_d＝0.4，计算在内的话，则Wilcox水锤泵弯管、异径管和泄水阀的综合最小阻力系数为：ξ_min＝1.37+0.225+0.4＝2.025，大于本实施例所述水锤泵的ξ_min＝1.85。这说明本实施例所述水锤泵的泵体结构体形不仅结构紧凑、重量轻，而且具有减小泵体综合阻力系数的好处，其原因是本实施例所述的水锤泵的弯管、异径管、泄水阀紧密相连使得各自水流的运动会相互干扰，导致综合阻力系数ξ略微减小。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于异径管的细化。本实施例所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为截头圆锥形。

异径管是一种变截面的管道，本实施例所述的异径管是渐扩形的异径管，即管的截面积逐渐增大，形成喇叭形或圆台形，其通过回转中心线的竖直平面内的截面形状为截头圆锥形。截头圆锥的两条对称的斜线，可以是直线，也可以是曲线。如果截头圆锥的斜线是向内弯曲的曲线，则回转形状则是喇叭形。如果截头圆锥的斜线是直线，则回转形状是圆台形，如图1所示。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于异径管的细化。本实施例所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为矩形。

本实施例所述的异径管是突变型，即管径在一个很短的距离上由小变大，其通过回转中心线的竖直平面上的形状为一端敞口另一端带有端面的圆筒形，端面处类似一个台阶。端面与圆筒的连接部位可以是比较尖锐的直角，也可以是较大的圆弧过渡。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于截面为矩形的异径管的细化。本实施例所述的异径管与弯管连接部位的底角为90度，如图3所示。

本实施例所述的90度底角是指比较尖锐的直角。在制造过程中适当、比较小的圆弧过渡当然是允许的。

实施例五：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于截面为矩形的异径管的细化。本实施例所述的异径管与弯管连接部位的底角为圆弧过渡，如图4所示。

本实施例所述圆弧过渡的圆弧半径可以达到异径管的大端直径与弯管连接处的小端直径之差，如果再继续增大，则成为一端大一端小的鼓形。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如泵体、进水管、泄水阀、出水阀、空气罐等的形状、连接方式等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种水锤泵，包括：动力管，所述的动力管与泵体连接，泵体与弯管、竖直的进水管底部连接，所述的进水管与输水阀连接，所述的输水阀与空气罐连接，所述的空气罐与出水管连接，其特征在于，所述的动力管的截面积与泵体、弯管的截面积相等，所述的弯管与一端大一端小的异径管的小端连接，所述的异径管的大端与泄水阀连接；所述的异径管、弯管和泄水阀集中放在一起，使三者之间的漩涡互相干扰，减小水头损失。

2.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为截头圆锥形。

3.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的异径管过回转中心轴线的竖直平面上的形状为矩形。

4.根据权利要求3所述的水锤泵，其特征在于，所述的异径管与弯管连接部位的底角为90度。

5.根据权利要求3所述的水锤泵，其特征在于，所述的异径管与弯管连接部位的底角为圆弧过渡。