CN204200715U - 一种减阻减振水锤泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种减阻减振水锤泵，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，弯管与异径管的小端连接，异径管的大端与泄水阀连接，输水阀的出水阀瓣背水面设有出水导流体，泄水阀的泄水阀瓣迎水面设有泄水导流体，泄水阀瓣的背水面设有泄水锥，泄水导流体与异径管固定连接，泄水锥与所述的泄水阀瓣固定连接。本实用新型在水锤泵的两个止回阀上设置了导流装置，以达到减小止回阀的阻力系数、降低阀瓣的重量和防止水锤泵剧烈振动和空蚀破坏的目的，不仅可以提高水锤泵的寿命，明显的降低水锤泵的噪声和振动，而且可以显著提高水锤泵的效率。

Description

一种减阻减振水锤泵

技术领域

本实用新型涉及一种减阻减振水锤泵，是一种水力机械设备，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

在水锤泵设计和运行中，必须考虑水锤泵的效率、振动、空化与空蚀及噪声问题。

水锤泵的效率主要与止回阀的局部阻力系数大小有关。目前，水锤泵泄水阀的阀瓣一般采用简单的圆盘型式，它结构简单，但水力性能较差，其原因是阀瓣平面与来流方向垂直，水流绕过阀瓣外缘在反面形成漩涡区，产生很大的局部阻力系数和能量损失。根据水力学原理，如果在泵体内设置适当的导流装置，改善泵体内的流态，减小止回阀的阻力系数，则可以显著提高水锤泵的效率。

水锤泵的振动和噪声主要由泄水阀的关闭引起。在水锤泵工作过程中，止回阀一般以每分钟30-60次的频率启闭，并且每次完成从全开到全闭的时间在百分之几秒内，在关闭的瞬间阀瓣与阀盖密封撞击会产生巨大的冲力，频繁的剧烈撞击不仅会缩短密封的使用寿命，而且使得水锤泵剧烈振动并产生很大噪声。

泄水阀阀瓣关闭产生的作用力F = ma，其中m为阀瓣的质量，a为阀瓣的加速度，所以在阀瓣关闭加速度一定的条件下，在关闭的瞬间阀瓣与阀盖密封的作用力与阀瓣的质量成正比。在水锤泵设计过程中，随着作用水头H的增加，泄水阀阀瓣所受水推力也成正比增加，所以，为了保证水锤泵的正常工作，泄水阀阀瓣的质量m必须成正比增加。这意味着，随着作用水头H的增加，泄水阀阀瓣与阀盖密封撞击产生的作用力也成正比增加，这将使得水锤泵的振动也更加剧烈。

这就产生一对矛盾。一方面，减小泄水阀阀瓣的质量可以减小水锤泵的振动强度和噪声。另一方面，泄水阀阀瓣的质量应该随着作用水头H的增加而增加，如果不采取合理措施，单纯地减小泄水阀阀瓣质量将大大降低水锤泵的效率，甚至不能正常运行。

水锤泵的空化现象是指水流流经止回阀的缩流孔口处时，流速最大，压强最低，如果这时的压力低于水的饱和蒸汽压，液体气化，产生汽泡；当水流过缩流孔口处后，压力升高，如果超过饱和蒸汽压值，汽泡瞬时溃灭，重新由汽相变为液相，这个过程称为空化。当汽泡溃灭时，喷射释放巨大的能量，并产生振动波，对阀内件表面造成严重冲击和侵蚀磨损，同时还会导致剧烈振动和高噪音的发生，称为空蚀。根据运行实践，水锤泵的空蚀破环主要发生在阀瓣的反面（背水面）和密封环与阀瓣外缘，在发生严重空蚀时，在很短的时间内，就会发生阀杆和阀瓣断裂事故。

综上所述，如果能够找到一种减小水锤泵阻力系数、阀瓣质量以及防止空蚀破坏的方法，对于提高水锤泵效率、削减水锤泵的振动和噪声具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本实用新型提出了一种减阻减振水锤泵。所述的水锤泵根据水力学原理，在泵体内设置适当的导流装置，改善泵体内的流态，以达到减小止回阀的阻力系数、降低阀瓣的重量和防止水锤泵剧烈振动和空蚀破坏的目的，不仅可以提高水锤泵的寿命，而且可以显著提高水锤泵的效率。

本实用新型的目的是这样实现的：一种减阻减振水锤泵，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；所述的输水阀的出水阀瓣背水面设有出水导流体，所述的出水导流体与输水阀瓣固定连接；所述的泄水阀的泄水阀瓣迎水面设有泄水导流体，所述泄水阀瓣的背水面设有泄水锥，所述的泄水导流体与异径管固定连接，所述的泄水锥与所述的泄水阀瓣固定连接。

进一步的，所述的泄水导流体为：迎水面的头部是半球型、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种，后部为前端大后端小的圆台形。

进一步的，所述的泄水导流体为中空，泄水导流体的头部和尾部设有联通的通孔，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于或者等于泄水阀瓣迎水面的直径。

进一步的，所述的泄水导流体为实体，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于泄水阀瓣迎水面的直径。

进一步的，所述的泄水导流体通过固定导叶与所述的异径管的大端连接。

进一步的，所述的固定导叶为2-6片沿水流方向安装的流线型或圆头尖尾对称翼型导叶。

进一步的，所述的泄水锥为圆锥体，所述圆锥体的顶角为90-140度。

进一步的，所述的泄水阀与能量回收装置连接。

进一步的，所述的能量回收装置包括：与泄水阀出水口连接的竖直向上的喇叭形尾水扩散口，所述的喇叭形尾水扩散口的扩口上设置水平放置的出水挡板。

进一步的，所述的出水导流体为实体，所述出水导流体前半部分为圆台形，所述圆台形的小端与出水阀瓣的背水面连接，出水导流体后半部分为半球形、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型在水锤泵的两个止回阀上设置了导流装置，以达到减小止回阀的阻力系数、降低阀瓣的重量和防止水锤泵剧烈振动和空蚀破坏的目的，不仅可以提高水锤泵的寿命，明显的降低水锤泵的噪声和振动，而且可以显著提高水锤泵的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的实施例一所述水锤泵的结构示意图；

图2是传统水锤泵的泄水阀瓣的受力示意图；

图3是本实用新型的实施例一所述水锤泵的泄水阀瓣的受力示意图，是图1中的A点放大图；

图4是传统水锤泵的止回阀的水流示意图；

图5是本实用新型的实施例二、七所述的鼓形圆锥的泄水导流体示意图；

图6是本实用新型实施例六所述的导叶的截面图，是图5中的B-B剖面图；

图7是本实用新型实施例九所述的能量回收装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种减阻减振水锤泵，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3、竖直的进水管10底部连接，所述的进水管与输水阀9连接，所述的输水阀与空气罐7连接，所述的空气罐与出水管8连接，所述的弯管与一端大一端小的异径管4的小端连接，所述的异径管的大端与泄水阀6连接，所述的输水阀的出水阀瓣902背水面设有出水导流体902，所述的出水导流体与出水阀瓣固定连接，所述的泄水阀的泄水阀瓣601迎水面设有泄水导流体5，所述泄水阀瓣的背水面设有泄水锥602，所述的泄水导流体与异径管固定连接，所述的泄水锥与所述的泄水阀瓣固定连接。

水锤泵的振动和噪声主要由泄水阀的关闭引起。在水锤泵工作过程中，泄水阀（止回阀）一般以每分钟30-60次的频率启闭，并且每次完成从全开到全闭的时间在百分之几秒内，在关闭的瞬间阀瓣与阀体的撞击会产生巨大的冲力，频繁的剧烈撞击不仅会缩短密封的使用寿命，而且使得水锤泵剧烈振动并产生很大噪声。

水锤泵关闭泄水阀瓣的作用力来自于动力管中的水头。根据牛顿力学公式，推动泄水阀瓣由完全打开状态开始运动的作用力（水推力）为F = ma，公式中m为泄水阀瓣的质量，a为泄水阀瓣的加速度。由于阀瓣关闭是向上运动的，因此，至少要克服重力加速度，同时还有克服阀杆的摩擦，以及水流的作用等阻力，所以阀瓣关闭加速度可以基本确定，即是一个相对确定的值。根据水锤泵的工作原理：推动泄水阀瓣运动的作用力F是水头的函数，是由水锤泵工作的外部环境决定的，也是一个确定的数值。随着作用水头H的增加，推动泄水阀瓣运动的推力F也成正比增加，所以，在传统的水锤泵设计过程中，为了保证水锤泵高效率的正常工作，泄水阀瓣的质量m必须随着水头H成正比增加。这意味着，随着作用水头H的增加，泄水阀瓣的质量也增大。但是，泄水阀瓣质量的增加，运动后的惯性也增加，泄水阀瓣与阀体撞击产生的作用力也成正比增加，这将使得水锤泵的振动也更加剧烈。

这就产生一对矛盾。一方面，减小泄水阀瓣的质量可以减小水锤泵的振动强度和噪声，另一方面，泄水阀瓣的质量应该随着作用水头H的增加而增加。在传统的水锤泵设计中，为了减小水锤泵的振动，只能设缓冲弹簧减振，以牺牲效率为代价，其结果是大大降低了水锤泵的效率。

为解决这一问题，本实施例采取了减小泄水阀瓣的受力面积的方式。通常的泄水阀瓣迎水面是一平面，该平面与水流方向垂直，水推力的大小与迎水面的面积有关，面积越大，则水推力越大，如图2所示，图中多个箭头表示水流对泄水阀瓣的压力。根据这个原理，本实施例在泄水阀的迎水面设置了泄水导流体。泄水导流体与异径管固定连接，承受了一部分水流的推力，导流体使泄水阀瓣的迎水面积减小，也就是使泄水阀瓣上的推力减小，这样在保证效率的前提下，可以减小泄水阀瓣的质量，从而减小阀瓣在运动中的冲量，进而减小振动和噪声，提高效率。

泄水导流体可以有各种形式，迎水面的头部是半球型、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种，后部为前端大后端小的圆台形。

还可以将导流体做成中空的，水流可以从导流体的中间流过，这样，导流体的直径可以与泄水阀瓣的直径相同。在泄水阀瓣与导流体顶部脱离接触时，推动泄水阀瓣运动的水流将从泄水导流体的中间通过。通过控制泄水导流体中间的过流孔，可以更加精确的控制泄水阀瓣上的受力。图1中所示的是一种泄水导流体空心的情况，而图3所示的是导流体为实体，而非空心的情况。

固定泄水导流体的连接件可以是几根细杆，也可以是几片与水流方向一致的导叶。导叶的截面形状可以是矩形，也可以是流线型或对称的翼型。

水锤泵的效率主要与止回阀（输水阀和泄水阀）的局部阻力系数大小有关。目前，现有的水锤泵的泄水阀瓣一般采用圆盘型式，水力性能较差。其原因是阀瓣平面与来流方向垂直，水流绕过阀瓣外缘在反面形成漩涡区，产生很大的局部阻力系数和能量损失，如图4所示。

现有的水锤泵还存在一个空化的问题。水锤泵的空化现象是指水流流经止回阀的缩流孔口处时，流速最大，压强最低，如果这时的压力低于水的饱和蒸汽压，液体气化，产生汽泡；当水流过缩流孔口处后，压力升高，如果超过饱和蒸汽压值，汽泡瞬时溃灭，重新由汽相变为液相，这个过程称为空化。当汽泡溃灭时，喷射释放巨大的能量，并产生振动波，对阀内件表面造成严重冲击和侵蚀磨损，同时还会导致剧烈振动和高噪音的发生，称为空蚀。水锤泵运行实践表明，水锤泵的空蚀破环主要发生在阀瓣的反面（背水面）和密封环与阀瓣外缘，发生严重空蚀时，在很短的时间内，就会发生阀杆和阀瓣断裂事故。

鉴于止回阀背水面的紊流和空化问题，本实施例在泄水阀的背水面设置了泄水锥，在出水阀的背水面设置了出水导流体，改善了 止回阀（输水阀、泄水阀）背水面的紊流流态，提高了整个水锤泵的工作效率，同时解决了空化空蚀的问题。

为进一步提高水锤泵的效率，可以在泄水阀的出口处设置能量回收装置，减少水头损失，提高效率。

本实施例所述的异径管是一种工程上常用的词语，并有标准的异径管元件出售，其所代表的意义是水锤泵的出水阀与动力管连接处的变径管，其形状通常是一端口径较大，另一端口径较小，而本实施例也借用了异径管的概念，但内涵稍有变化。其主要变化是：大端到小端的回转体母线，不是直线，而是一条向外弯曲的曲线，使整个异径管的外形看起来像一个拉长的鼓形，换句话说，本实施例所述的异径管的出口也出现一些收缩，如图1、3所示。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于泄水导流体的细化。本实施例所述的泄水导流体为：迎水面的头部是半球型（图3）、鼓形圆锥（图5）、鼓形圆台（图1）中的一种，后部为前端大后端小的圆台形。

泄水导流体的头部为半球型的流线形，在三维实体中常被称为鼻球形。所述的鼓形圆锥是母线为向外凸起的曲线回转而形成的圆锥，同理，鼓形圆台则是母线为向外凸起的曲线回转形成的圆台。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于泄水导流体的细化。本实施例所述的泄水导流体为中空，泄水导流体的头部和尾部设有联通的通孔，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于或者等于泄水阀瓣迎水面的直径。

本实施例所述的导流体尾部，也就是背水面可以采用完全开敞式和部分遮挡式。所谓开敞式，就是导流体背水面不加盖，导流体是薄壳结构，如图1所示。图1是一种所谓遮挡式，就是导流体背水面有带孔的顶盖。

可以根据作用水头H的大小，通过调整导流体迎水面开孔大小与顶盖上孔口的大小改变阀瓣所受水推力的大小，达到减小阀瓣质量的目的。

在作用水头H较小时，可以将导流体背水面采取完全开敞式，并且在导流迎水面采取较大的开孔直径的过孔，以增加阀瓣所受水推力，保证水锤泵正常工作。在作用水头H较大时，比如H>3m，为了消减阀瓣撞击产生振动的强度，则可以采用低于常规设计的阀瓣质量，这时必须减小阀瓣所受水推力以保证水锤泵正常工作，为此应该在导流体迎水面采取较小的开孔直径，同时，在导流体背水面加盖带圆孔的顶盖。在泄水阀瓣的质量给定的条件下，随着H的增加，则导流体背水面的顶盖上的圆孔直径减小，以减小水对泄水阀瓣的压力。

导流体的安装要点是：阀瓣圆盘与导流体轴心在同一垂线。在泄水阀完全开启时，阀瓣圆盘与导流体顶盖表面接触，使部分阀瓣圆盘面积被导流体顶盖遮挡。这样，原来作用在阀瓣圆盘上的一部分水推力由导流体分担，以减小阀瓣所受水推力，从而为减小阀瓣质量创造了条件。

工作原理是：泄水阀完全开启时，泄水阀阀瓣与导流体顶部完全接触，水流平顺绕过导流体、阀瓣、泄水锥流动，如图4所示。一旦泄水阀阀瓣所受水推力大于它的自重，则阀瓣圆盘就与导流体脱离接触，开始向上运动关闭泄水阀，随着阀瓣离开与导流体的接触，阀瓣圆盘与水推力的接触面突然增加，同时，随着阀瓣的关闭运动，动力管将产生巨大的水锤压力，使得阀瓣关闭的运动速度加快。

实施例四：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于泄水导流体的细化。本实施例所述的泄水导流体为实体，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于泄水阀瓣迎水面的直径。

本实施例所述实体的意义并不代表该物体是实心的，也可以是空心的，只是说明该物体中间没有通孔，水流只能沿该物体外部流动，不能进入该物体中。

泄水导流体只是将泄水阀瓣的中心部位挡住，泄水阀瓣的迎水面的受力面呈环状。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于泄水导流体的细化。本实施例所述的泄水导流体通过固定导叶与所述的异径管的大端连接。

所述的固定导叶是将泄水导流体固定在异径管的中间，水流可以从泄水导流体的周围流向泄水阀的出口。

固定导叶设置在泄水导流体的外圆四周均布，可以设置两片导叶，也可以设置三片、四片、五片、六片等多种布置的导叶。固定导叶的截面形状可以有多种形式：扁片状的矩形、圆柱形、流线型等。

实施例六：

本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于固定导叶的细化。本实施例所述的固定导叶为2-6片沿水流方向安装的流线型或圆头尖尾对称翼型导叶。

本实施例所述的圆头尖尾对称翼型是指：飞机机翼的翼型，即一边突起，一边平缓的流线型，将中间切开，并将两边突起的部分合并而形成的形状，见图6，图中的箭头表示水流方向。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于泄水锥的细化。本实施例所述的泄水锥为圆锥体，所述圆锥体的顶角α为90-140度，见图5。

泄水锥是固定在泄水阀瓣上的，其形状也可以有多种选择，如：可以是流线型、鼻球形等。本实施采取了圆锥形。泄水锥的材料可选取质量密度较小且抗空蚀破坏和磨蚀的超高分子材料，如高强度尼龙等。

实施例八：

本实施例是上述实施例的细化，是上述实施例关于泄水阀出口的细化。本实施例所述的泄水阀与能量回收装置（图1中用虚线框的部分）连接。

能量回收装置的作用是通过改变泄水阀出口的水流状态，减少水头损失，提高水锤泵的使用效率。能量回收装置可以有多种形式，例如：在泄水阀出口使用挡板、将泄水阀的出口设计为喇叭形的扩口等，都可以起到减少水头损失的作用。

实施例九：

本实施是实施例八的改进，是实施例八关于能量回收装置的细化，如图7所示。所述的能量回收装置包括：与泄水阀出水口连接的竖直向上的喇叭形尾水扩散口6032，所述的喇叭形尾水扩散口的扩口上设置水平放置的出水挡板6031。

泄水阀孔口出口能量回收装置由泄水阀尾水扩散管和挡板组成。渐扩管后的挡板造成一个压头，促使流体沿截面分流。这导致分离区的缩小，从而使流体更有效地扩散。此时无论是渐扩管内的损失还是出口速度压力损失都减小。同时挡板促使流体未出管道前就作径向转向(转90度)，如图7中箭头所示。

尾水扩散管可由异径接头形成，进口直径等于泄水阀孔口直径D，异径接头出口直径D₃>D，建议取D₃/D≥2。异径接头母线采用半径为R的圆弧，建议取R/D≥0.5。顶盖是圆形平板，直径≥D₃，且顶盖与异径接头之间的距离s取值为0.15<s/D<0.25。

当不设能量回收装置时，其出口局部水头损失                                                ，其中V ₀ 为泄水阀孔口流速，ξ ₀为泄水阀孔口出口局部阻力系数，g为重力加速度。当泄水阀孔口为自由出流时，ξ ₀＞1；当泄水阀孔口为淹没出流时，ξ ₀≈1。

当泄水阀出口设能量回收装置时，扩散管能量回收装置的水头损失为，ξ为能量回收装置阻力系数。当0.15<s/ D<0.25且R/D=0.5时，则0.41<ξ<0.49。

显然，设置泄水阀能量回收装置可以大大减小泄水阀的出口水头损失，相当于回收了部分泄水阀出口的能量，提高了水锤泵的效率。

建议取s/D₁=0.20且R/D₁=0.5，对应=0.41。当缺乏母线为圆弧的异径接头时，可以采用标准的商用异径接头。

实施例十：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于出水导流体的细化。本实施所述的出水导流体为实体，所述出水导流体前半部分为圆台形，所述圆台形的小端与出水阀瓣的背水面连接，出水导流体后半部分为半球形、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种。

本实施例所述的实体可以是空心的，也可以是实心的。可出水导流体可以使用尼龙等高分子材料制成。

最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案（比如泄水导流体的形状、泄水导流体的安装方式、异径管的形状等）进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种减阻减振水锤泵，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，其特征在于，所述的输水阀的出水阀瓣背水面设有出水导流体，所述的出水导流体与输水阀瓣固定连接；所述的泄水阀的泄水阀瓣迎水面设有泄水导流体，所述泄水阀瓣的背水面设有泄水锥，所述的泄水导流体与异径管固定连接，所述的泄水锥与所述的泄水阀瓣固定连接。

2.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水导流体为：迎水面的头部是半球型、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种，后部为前端大后端小的圆台形。

3.根据权利要求2所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水导流体为中空，泄水导流体的头部和尾部设有联通的通孔，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于或者等于泄水阀瓣迎水面的直径。

4.根据权利要求2所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水导流体为实体，所述的泄水导流体的后部端面圆的直径小于泄水阀瓣迎水面的直径。

5.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水导流体通过固定导叶与所述的异径管的大端连接。

6.根据权利要求5所述的水锤泵，其特征在于，所述的固定导叶为2-6片沿水流方向安装的流线型或圆头尖尾对称翼型导叶。

7.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水锥为圆锥体，所述圆锥体的顶角为90-140度。

8.根据权利要求1所述的水锤泵，其特征在于，所述的泄水阀与能量回收装置连接。

9.根据权利要求8所述的水锤泵，其特征在于，所述的能量回收装置包括：与泄水阀出水口连接的竖直向上的喇叭形尾水扩散口，所述的喇叭形尾水扩散口的扩口上设置水平放置的出水挡板。

10.根据权利要求1-9之一所述的水锤泵，其特征在于，所述的出水导流体为实体，所述出水导流体前半部分为圆台形，所述圆台形的小端与出水阀瓣的背水面连接，出水导流体后半部分为半球形、鼓形圆锥、鼓形圆台中的一种。