CN111022281B - 少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元 - Google Patents

少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，包括海水液压泵和海水液压马达两部分，减少了传统斜盘式柱塞泵中的两对滑靴副。采用泵和马达在主轴转盘两侧布置的结构型式，泵端配流斜盘与低压海水入口、高压海水出口连通，马达端配流斜盘与低压浓盐水出口、高压浓盐水入口连通。工作时电机驱动液压泵吸入原料海水并增压，产生的高压海水经反渗透膜过滤变成高压浓盐水进入液压马达，完成能量回收过程后通过低压浓盐水出口排出。本发明克服了现有能量回收装置集成度低、摩擦副数量较多和盐/海水存在掺混等缺点，具有能量回收效率高、无掺混和工作寿命长等明显技术优势。

Description

少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元
技术领域
本发明涉及一种少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，可实现反渗透海水淡化***中的海水增压及能量回收过程，属于流体传动与控制技术领域。
背景技术
随着淡水资源的日趋匮乏，利用海水淡化技术生产淡水逐渐成为全球范围内缓解水资源紧张形势的有效途径。海水淡化有超过二十余种方法，反渗透膜法是目前应用较多的方法之一。反渗透膜法通常又称为超过滤法，是一种膜分离淡化法，利用只允许溶剂通过、不允许溶质通过的半透膜过滤海水中的盐分，具有成本低、能耗低和产水质量高等优点。
在反渗透海水淡化过程中，由于产水率低、操作压力高，使得***的整体能耗较大。高压泵所提供的压力能有50％以上都储存在经反渗透膜过滤的高压浓盐水中，采用能量回收技术来回收利用这部分压力能是降低***能耗和提高运行效率的关键举措。
按照工作原理可将能量回收装置分为液力透平式、正位移式和液压泵 -马达式三种。液力透平式能量回收装置在工作时需要经过“压力能-机械能-压力能”两步转换，能量回收效率受限。正位移式能量回收装置能直接实现高压浓盐水和低压海水之间的能量传递，能量回收效率可达96％，已逐渐占据市场主流，但无法避免地存在浓盐水和低压海水掺混的技术缺陷。液压泵-马达式能量回收装置是近年在小型化和集成化海水淡化***需求下出现的新产品，通过液压马达将压力能转换成机械能从而补偿电机的输出功率，具有集成度高、能量回收效率高和盐海水不掺混等优点。
中国专利(CN 107829896 A)公开了一种“流量可调柱塞式高压泵能量回收一体机”，该装置将柱塞式高压泵和柱塞式马达集成，优化了***的结构组成，通过柱塞泵为反渗透***提供压力能，柱塞马达回收高压浓盐水能量，从而实现高压泵和能量回收一体式功能。但该装置的柱塞式高压泵和马达分别包含了传统斜盘式柱塞泵/马达中的滑靴副、柱塞副、配流副、轴承副等摩擦副，且关键摩擦副采用工程塑料对不锈钢的软硬配对方案，存在摩擦副数量多、泄漏量大、耐污染性能差的问题，其能量回收效率和工作寿命存在局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其改善了现有能量回收装置集成度低、摩擦副数量较多和盐/海水存在掺混等不足，具有良好的应用前景。
少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，主轴通过泵端鼓形外齿和马达端鼓形外齿分别与泵端缸体和马达端缸体相连；前端盖、壳体和后端盖相连；泵端配流斜盘的平面安装在前端盖的端面上，泵端配流斜盘的斜面与泵端浮动衬板相连，泵端浮动衬板通过泵端连通套与泵端缸体柱塞套相连，泵端缸体柱塞套与泵端连杆柱塞相连；泵端连杆柱塞的小球头位于泵端缸体的柱塞孔中，泵端连杆柱塞的大球头与主轴转盘左侧的内球窝相连；泵端弹簧分别与泵端缸体和泵端卡环相连，在泵端弹簧压紧力作用下泵端浮动衬板贴紧泵端配流斜盘；主轴转盘右侧的内球窝与马达端连杆柱塞的大球头配合，马达端连杆柱塞的小球头位于马达端缸体的柱塞孔中；马达端连通套一端与马达端缸体柱塞套相连，马达端连通套另一端与马达端浮动衬板相连，马达端弹簧分别与马达端缸体和马达端卡环相连，马达端浮动衬板在马达端弹簧的压紧力作用下紧贴马达端配流斜盘，马达端配流斜盘安装在后端盖的端面上。
采用镜像对称结构形式，液压泵端上侧为低压海水入口，下侧为高压海水出口；液压马达端上侧为低压浓盐水出口，下侧为高压浓盐水入口。
采用连杆柱塞结构和三对轴承副支撑设计，极大减小了柱塞对缸体的侧向力和缸体所受的倾覆力矩，有效地改善了柱塞副和配流副的受力状况，并防止配流副出现过大的配合间隙。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)集成度高、占地空间小。本发明将液压泵和液压马达集成于一体，通过电机驱动来实现原料海水的增压和能量回收过程，极大提高了反渗透海水淡化***的集成度和空间利用率。
(2)摩擦副数量少、能量回收效率高。本发明通过镜像结构设计，比传统的液压泵-马达式能量回收装置减少了两对滑靴副，消除了相应的泄漏损耗和摩擦损耗，从而提高装置的机械效率和能量回收效率。
(3)盐/海水无掺混。本发明采用液压泵和马达的容积式能量回收工作原理，避免了转子式能量回收装置在压力交换过程中存在的高压浓盐水和原料海水的掺混现象，进一步降低了***能耗。
(4)耐污染性强、工作寿命长。本发明减少了两对抗污染能力差且易失效的滑靴副，其他关键摩擦副均采用陶瓷-硬质合金/陶瓷的硬-硬配对方案，提高摩擦副的耐磨和耐污染性能，延长了装置的工作寿命。
附图说明
图1是本发明少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元的结构示意图
图2是本发明少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元的泵端缸体图
图3是本发明少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元的泵端配流斜盘图
图中：1、主轴，1.1主轴转盘、1.2马达端鼓形外齿，1.3、泵端鼓形外齿，2、密封压盖，3、前端盖，4.1、泵端轴承外圈，4.2、泵端轴承内圈，5、泵端配流斜盘，6、泵端浮动衬板，7、泵端连通套，8、泵端缸体，8.1、泵端缸体内鼓形齿，9、泵端连杆柱塞，10、壳体，10.1、壳体泄流口，11.1、主轴转盘轴承内圈，11.2、主轴转盘轴承外圈，12、马达端连杆柱塞，13、马达端缸体， 14、马达端缸体柱塞套，15、马达端连通套，16、马达端浮动衬板，17、马达端配流斜盘，17.1、马达端配流斜盘低压腰型槽，17.2、马达端配流斜盘高压腰型槽，17.3、马达端配流斜盘固定螺纹孔，18、后端盖，19.1、主轴推力轴承外盘， 19.2、主轴推力轴承内盘，20.1、马达端轴承内圈，20.2、马达端轴承外圈，21、马达端卡环，22、马达端弹簧，23、泵端弹簧，24、泵端缸体柱塞套，25、泵端卡环，26、机械密封，27、密封压盖紧定螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明的部分实施例中的附图1～3，对本发明的实施方式作更加详细地说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明所有实施例的一部分。本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下，从本发明公开的内容中直接获得或者联想到的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
本发明应用于反渗透海水淡化***高压泵及能量回收时的实施方式：
主轴1在电机的驱动下带动转盘工作，转盘驱动泵端连杆柱塞9运动，由于泵端斜盘5的存在使得泵端连杆柱塞9做往复运动，低压海水从低压海水入口吸入后增压，再经高压海水出口排出到反渗透膜前。
未经过反渗透膜的高压浓盐水从高压浓盐水入口和马达端斜盘16上的进水腰型槽进入柱塞腔，推动马达端连杆柱塞12外伸；同时，高压浓盐水通过马达端连杆柱塞12作用在转盘上，转盘给马达端连杆柱塞12反作用力，该反作用力的水平分力与马达端连杆柱塞12受到的水平方向的液压力相平衡，该反作用力的垂直分力使马达端连杆柱塞产生对缸体的转矩。而位于低压浓盐水出口侧的马达端连杆柱塞12被迫内缩，将柱塞腔内的低压浓盐水排出。
泵端连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12相同，但由于进出水的压力不同，产生的对缸体转矩不同，在合力矩的作用下带动缸体转动，并使泵端连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12在缸孔中往复运动，不断进入高压浓盐水，向主轴输出转矩和转速，减小驱动电机的输入功率，从而降低反渗透海水淡化***的能耗。
本发明应用于双排柱塞大流量海水液压泵时的实施方式：低压海水分别从前端盖3和后端盖18的低压海水入口和低压浓盐水入口进入泵端配流斜盘 5和马达端配流斜盘17，主轴1在电机的驱动下带动主轴转盘1.1、泵端缸体8 和马达端缸体13旋转，在主轴转盘1.1的驱动下泵端连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12做旋转运动，由于泵端配流斜盘5和马达端配流斜盘17的存在，使得泵端连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12同时做往复吸排水运动，不断将低压海水吸入柱塞腔并通过配流斜盘的高压腰型槽和前端盖3的高压海水出口、以及后端盖 18的高压浓盐水口共同汇流排出。由于主轴转盘两侧的结构尺寸完全对称，因此双排柱塞大流量海水液压泵的轴向受力完全平衡，且通过多个柱塞的错开布置，能够大大降低泵的流量脉动。
本发明应用于双排柱塞大流量海水液压马达时的实施方式：高压海水分别从前端盖3和后端盖18的高压海水口和高压浓盐水口进入泵端配流斜盘5 和马达端配流斜盘17，高压水压缩泵端连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12做往复运动，连杆柱塞9与马达端连杆柱塞12在径向的分力会产生驱动力矩使得缸体、主轴、浮动衬板转动，从而将入口的高压海水转换成力矩输出。由于主轴转盘两侧的结构尺寸完全对称，因此双排柱塞大流量海水液压马达的轴向受力完全平衡，且通过多个柱塞的错开布置，能够大大降低马达的流量脉动。此外，由于取消了滑靴副，使得马达的启动特性较好、容积效率和机械效率较高。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围内由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其特征在于：少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元的主轴(1)通过泵端鼓形外齿(1.3)和马达端鼓形外齿(1.2)分别与泵端缸体(8)和马达端缸体(13)相连；前端盖(3)、壳体(10)和后端盖(18)相连；泵端配流斜盘(5)的平面安装在前端盖(3)的端面上，泵端配流斜盘(5)的斜面与泵端浮动衬板(6)相连，泵端浮动衬板(6)通过泵端连通套(7)与泵端缸体柱塞套(24)相连，泵端缸体柱塞套(24)与泵端连杆柱塞(9)相连；泵端连杆柱塞(9)的小球头位于泵端缸体(8)的柱塞孔中，泵端连杆柱塞(9)的大球头与主轴转盘(1.1)左侧的内球窝相连；泵端弹簧(23)分别与泵端缸体(8)和泵端卡环(25)相连，在泵端弹簧(23)压紧力作用下泵端浮动衬板(6)贴紧泵端配流斜盘(5)；主轴转盘(1.1)右侧的内球窝与马达端连杆柱塞(12)的大球头配合，马达端连杆柱塞(12)的小球头位于马达端缸体(13)的柱塞孔中；马达端连通套(15)一端与马达端缸体柱塞套(14)相连，马达端连通套(15)另一端与马达端浮动衬板(16)相连，马达端弹簧(22)分别与马达端缸体(13)和马达端卡环(21)相连，马达端浮动衬板(16)在马达端弹簧(22)的压紧力作用下紧贴马达端配流斜盘(17)，马达端配流斜盘(17)安装在后端盖(18)的端面上；
还包括泵端轴承、马达端轴承和主轴转盘轴承，泵端轴承内圈(4.2)过盈装配在主轴(1)上，泵端轴承外圈(4.1)过盈装配在前端盖(3)的内孔中，泵端轴承内圈(4.2)和泵端轴承外圈(4.1)通过间隙配合相连；马达端轴承内圈(20.1)过盈装配在主轴(1)上，马达端轴承外圈(20.2)过盈装配在后端盖(18)的内孔中，马达端轴承内圈(20.1)和马达端轴承外圈(20.2)通过间隙配合相连；主轴转盘轴承内圈(11.1)与主轴转盘(1.1)过盈连接，主轴转盘轴承外圈(11.2)与壳体(10)过盈连接，主轴转盘轴承内圈(11.1)与主轴转盘轴承外圈(11.2)通过间隙配合相连；
泵端轴承内圈(4.2)、泵端轴承外圈(4.1)、主轴转盘轴承内圈(11.1)、主轴转盘轴承外圈(11.2)、主轴推力轴承内盘(19.2)、主轴推力轴承外盘(19.1)、马达端轴承内圈(20.1)、马达端轴承外圈(20.2)的材质为工程陶瓷或者耐海水腐蚀硬质合金；泵端配流斜盘(5)、泵端浮动衬板(6)、马达端浮动衬板(16)、马达端配流斜盘(17)的材质为工程陶瓷或者耐海水腐蚀硬质合金。
2.根据权利要求1所述的少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其特征是：主轴推力轴承内盘(19.2)固定在主轴(1)的端部和主轴推力轴承外盘(19.1)过盈安装在后端盖(18)上，在泵端弹簧(23)和马达端弹簧(22)的压紧力作用下主轴推力轴承内盘(19.2)和主轴推力轴承外盘(19.1)贴紧。
3.根据权利要求1所述的少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其特征是：前端盖(3)上的低压海水入口和后端盖(18)的低压浓盐水出口处于同一侧，前端盖(3)上的高压海水出口和后端盖(18)的高压浓盐水入口处于同一侧。
4.根据权利要求1所述的少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其特征是：泵端缸体内鼓形齿(8.1)和泵端鼓形外齿(1.3)为球面鼓形齿结构，马达端缸体内鼓形齿(13.1)和马达端鼓形外齿(1.2)为球面鼓形齿结构，球面鼓形齿的摆动球心分别为泵端球铰和马达端球铰的球心。
5.根据权利要求1所述的少摩擦副海水淡化高压泵及能量回收一体化单元，其特征是：还包括机械密封(26)，机械密封(26)的一端和密封压盖(2)相连，另一端和主轴(1)的轴肩相连，密封压盖紧定螺钉(27)将机械密封(26)和密封压盖(2)固定在前端盖(3)上。
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