CN101484691A - 一种用于调节位于管道中液柱的能量潜力的设备以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于调节位于管道(13)中液柱能量潜力的设备(1)及方法，该设备(1)包括两个叶轮(2)，每个叶轮包括一个具有多个叶片或盘状叶片(8)的旋转轴(6)，该叶轮(2)被安置在一个组成管道(13)中一部分的护罩(4)内，该设备(1)与一个负载(19，21)和/或一个能量源相连通，因此该设备(1)的叶轮(2)被用来影响管道(13)中液柱的流动，该设备(1)被用来接收在叶轮(2)的轴(6)之间的液柱，所述轴(6)的中心轴线与叶轮上、下游护罩(4)的壁部实质上处在同一平面内，其中液柱通过设备的速度实质上与该设备(1)的叶轮(2)直接向上游和/或向下游的液柱的速度相符合。

Description

一种用于调节位于管道中液柱的能量潜力的设备以及方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节位于管道中液柱能量潜力的设备以及方法。尤其涉及一种设备的整合，该设备包括作为管道中一部分的驱动装置，该驱动装置用来影响管道中液柱的流动。
背景技术
因而，该设备被用来在位于其上、下游的液柱部分之间产生一差压。该差压可为正数或负数。
在差压为正数的情况下，那就是说设备下游的液压大于其上游的液压，设备将向流体提供能量。这可以通过任何一种本身已知的泵装置来完成。
在差压为负数的情况下，那就是说设备下游的液压小于其上游的液压，该设备将从流体中获取能量。在后一种的情况下，该设备可以连接一个负载，诸如(但不限于)一种用来产生电流的发电机。
因此，本发明涉及一种设备，除了别的以外，该设备被既可以被用来给液柱提供能量使其在管道中移动，也可以从管道中流动的液柱获取能量。
本文中术语“液柱”的意思是一种注满管道内部横截面区域的流体。更准确地说，该流体是不可压缩的，并且可以是，例如(但不限于)水或其他液体。该流体也可以是一种气体。
除了别的以外，在下文中将会讨论一种减压，那就是说在液体流动中，尤其是在水流中产生一种负差压。然而，可以理解，依照本发明的设备可以被用来减少管道中大量其他流体流动时的压力。这种流体的一种实例是一种在石油工业中生产出的流体，该流体从地下岩层向上流入到一个例如在海平面上的设施。
众所周知，在那些液压过高的管道系统中放置一个或多个减压阀，能够将压力减少至理想水平。可以作为选择地或除所述减压阀之外，也通常提供一个或多个所谓的均压池来达到所述理想的减压。
供水行业的用水就是一个实例，其通常必须使用一个或多个减压阀和/或均压池的减压装置来确保管道网络中的水压不超过预定水平。
从美国专利US4,390,331中可以知晓一种所谓的凸轮泵，它被设置用来作为一种泵装置或者一种液压驱动发电机。
还有很多缺陷涉及上述的现有技术。
均压池通常可以由较大的露天水池、槽或罐构成。因而，至少提供这样的均压池对资源是有需求的。
比起均压池，提供减压阀对资源的需求相对较少。然而，还是有一种环境缺陷，就是不可能利用在减压阀中流体流动所损失的能量。
为了能够利用这种能量，举例来说，在水流中的能量，众所周知某些供水系统已经在水流中放置一个或多个本身已知的水轮机。那样，可能使得水中的某些能量被用来譬如说是发电。然而，为了使这样的水轮机能工作最佳化，那么在水轮机的下游不能有任何的反压力。因此，这样的水轮机需要水能流入譬如说一个露天水池。
如美国专利US4,390,331中所揭示的凸轮泵，具有与流体流动有关的缺陷，就是当流体在通过设备时其方向会受到实质性的改变，这是由于流体被迫流向叶轮的“外侧”(在叶片和泵腔的外壳之间)，而不是在叶片之间。这种方向改变也导致泵腔遭受来自液柱所携带的任何微粒的腐蚀。另外，叶轮的叶片或“凸轮”会占据泵腔内相当大比例(41％)的体积。
总而言之，上述实质性的缺陷使得例如美国专利US 4,390,331中所揭示的作为一发动机使用的凸轮泵，表现出相对较低的效率，同时也容易被腐蚀。
发明内容
本发明的目的是为了改善或减少至少一种现有技术的缺陷。
该目的需要通过技术特征来实现，该技术特征将在下面的说明书中以及随后的权利要求中被详细描述出来。
按照本发明的一个方面，提供一种用来调节位于管道中液柱的能量潜力的设备，该设备包括两个叶轮，每个叶轮包括一个具有多个叶片或盘状叶片的旋转轴，该叶轮被安置在一个组成管道中一部分的护罩内，所述设备与一个负载和/或一个能量源相连通，因此该设备的叶轮被用来影响管道中液柱的流动，该设备被用来接收在叶轮轴之间的液柱，所述轴的中心轴线与叶轮上、下游护罩的壁部实质上处在同一平面内，使得液柱通过设备的速度实质上与该设备的叶轮直接向上游和/或向下游的液柱的速度相符合。
在一个优选的实施例中，该驱动装置被用来控制：从液柱向一个负载传递动能；从一个能量源向液柱传递动能；以及从管道内的流动中保留至少一部分液柱。
举例来说，该负载可以是(但不限于)一个本身已知的用来产生电能的发电机。
更适宜地是，该负载可受控于液柱中理想的减压和/或从液柱到该负载的理想的能量传递。该负载也可受控于其他控制参数，诸如在一个水池中的液面或液柱的流速。
在一实施例中，每个叶轮中至少有一个叶片实质上是与护罩的内壳表面的第一部分紧密接触，以及每个叶轮中至少有另一个叶片与邻近叶轮的一个相对应的叶片相接触，所以两个叶轮可以提供一个障碍物，使一部分液柱的流动能在两个叶轮上施加一种压力。举例来说，如果该设备的驱动装置是叶轮，其保持或抑制旋转可以对至少一部分液柱的流动提供一个障碍物。因此，按照本发明的设备也可以用来当作一个截流阀或一个阻风门。
在一个实施例中，该设备还进一步具有一个放置在该设备至少一部分中的长分隔元件。在一个优选实施例中，该分隔元件的纵轴实质上与一个延伸在该设备入口部分和出口部分之间的轴线平行。
在一个实施例中，分隔元件进一步具有至少一个铰接于分隔元件的液柱控制元件或活叶，用来控制两个叶轮之间液柱的分布。当液柱控制元件的纵轴与分隔元件的纵轴同轴安置，液柱实质上可以被均匀地分布在两个叶轮之间。当液柱控制元件的纵轴相对于分隔元件的中心轴成一定角度地安置，则液柱将被不均匀地分布在两个叶轮之间。在某一位置，液柱控制元件可从分隔元件的一部分延伸出来到护罩外壳表面的一部分，液柱的主要部分将被正好传送到两个叶轮中的一个。这在液柱相对缓慢地流过该设备时是尤其有用的。通过以这种方式限制液柱，使液柱的主要部分正好通过一个叶片时，液柱的速度以及叶片的转速将会提高。
引导液柱远离两个叶轮之一的能力被证明对于该设备的维护是有用的。
相对于分隔元件的位置，液柱控制元件的位置可由目前已知的手动或自动控制装置进行控制。
按照本发明第二个方面，提供一种用来向或者从位于管道内液柱传递能量的方法，该方法包括如下步骤：将按照本发明所述第一方面的设备整合入管道内；以这样一种方式选择性调整该设备：从液柱向一个负载传递动能；或从一个能量源向该液柱传递能量；或从流动中保留至少一部分液柱。
负载以及能量源更适宜位于该设备的外面，但在一选择性实施例中，该负载和/或能量源可以在该设备里面。
更适宜地是，该设备以这样一种方式被调整，该方式是，应用于该设备的负载提供了一种在该设备上、下游的液柱压力之间的预定差压。
在那些主要目的是在例如一个配水网络中，或一种本身已知的如美国专利US4,390,331所揭示的凸轮泵中提供一种减压的情况下，能提供相对满意的结果。
凸轮泵也可连接于一个负载，例如，一个发电机，不过相对于按照本发明的设备具有一个明显较低的效率。
然而，在这些案例中，其主要目的是为了从由液柱中吸取的能量达到可能的最高效率，和/或其目的是为了提供一种截流阀，按照接下来说明书中提到的设备，令人惊讶地产生了具有超过所述凸轮泵的实质性优点。
附图说明
下文中所描述的一个非限定性优选实施例，将在附图中示出：
图1示出按照本发明，由两个安置于护罩内的叶轮所组成设备的立体图；
图2以一个较大的比例示出了图1中设备的俯视图；
图3以一个较大的比例示出了图1中设备的一个视图，该视图朝向一个入口部分或一个出口部分；
图4示出一个与图1相符合的设备，但是该设备进一步具有一个安置在该设备两叶轮之间的分隔元件；
图5以一个较大的比例示出了图4中设备的俯视图，但是该分隔元件进一步具有一个液柱控制元件，该液柱控制元件为一个位于第一位置的活叶；
图6示出了图5中的设备，但是该活叶已被移动到第二位置；
图7以一个较小的比例示出了一部分供水系统的侧视原理图，按照本发明的两个设备被安置在该供水系统的一部分管道中；以及
图8示出图7中供水系统的俯视图。
具体实施方式
图1-6示出了一个由安装在一个泵护罩4内的两个叶轮2所组成的设备1。两个叶轮中任一个都是由一个从十六叶轮片8中延伸出来的中心轴6所组成的。为了清楚地表示，泵护罩4的顶部已经被移开。然而可以知晓，泵护罩4的外壳部分在使用时是不漏水的，而且设备1在任一末端10，10`与一些诸如管道(未示出)的流体输送装置相连接。
在各叶轮片8上、下端所连接的环形元件9(除了别的以外)以保持各叶片的间距。
技术人员知晓如图1-3中所示出的两个叶轮2的旋转，必须以相反方向同步地运转，也就是顺时针和逆时针，可通过目前已知的装置来控制。
中心轴6的纵轴线实质上被安置成与至少位于该设备1中叶轮2上游的一液柱纵轴线(未示出)相垂直。
当一种实质上无法压缩的液柱流过设备1，叶轮2将随液柱的流动而相应地旋转。这是由于各叶轮片8与泵护罩4之间的紧密接触，以及相互交迭的两叶轮片8之间的紧密接触。这在图2中被最好地示出。
图4-6中示出了如图1-3中所示设备1的一种选择性实施例。图4中，该设备进一步具有一个长分隔元件30。该分隔元件30具有一双面凹部分。该双面凹部分与叶轮2的直径相互补，因此叶轮片8的末端实质上能相对该分隔元件30紧密接触地运动。
关于所示出分隔元件30的实施例以及所示出叶轮片的数量，每个叶轮2总有两个叶轮片8与分隔元件30相接触。通过该分隔元件30的其他设计，叶轮片8的数量除了两个以外，例如还可以有一个或三个或更多叶轮片与分隔元件30相接触。
显然在一个选择性实施例(未示出)中，叶轮片8可与分隔元件30间具有一个小间隙以及可能与护罩4的外壳间也有一个小间隙。后一种方案在磨损方面具有优点，但无法在叶轮2与分隔元件30间以及可能在叶轮2与护罩4的外壳间提供均匀良好的密闭。
该分隔元件30至少对于护罩4的外壳部分是牢固的。
相对于图1-3中所示设备1，该分隔元件30至少提供了两个有利的特性。
所述两个优点中的一个涉及叶轮片8与分隔元件30之间的密闭。该密闭和在叶轮片8与护罩4的外壳部分之间的密闭是以同样的方式达到的。
所述两个优点中的另一个所涉及的是，分隔元件30消除了叶轮2同步地旋转或以相同速度地旋转的需求。
图5以一个俯视的视角示出了图4中的设备，但是有一个液柱控制元件32以一个活叶的形式铰接于该分隔元件30的一个末端。
该液柱控制元件32可在如图5所示位置与图6所示位置之间被调整。显然，在一个优选的实施例中，该液柱控制元件32也可以被旋转到紧靠在所述附图所示设备护罩外壳的对面。显然，该液柱控制元件32也可以被放置在所述端位置之间的任意位置。
在图5和图6中，该液柱的流动方向更适宜从图的顶部往底部。
通过与如图1-3中所示设备中叶轮2的两根轴6中至少一根轴连接一个负载19，21(图8中示出)，该叶轮2在液柱流动中将起到一个“闸”的作用。从液柱传递给负载19，21的那部分动能可以被利用，在某种情况下，该负载19，21是一个用来产生电能的发电机。同时，一个负差压将被提供穿过该设备1。
如图4-6所示的实施例中，当各叶轮相互独立转动时，一个负载19，21不得不与每个叶轮2的轴6相连接。然而，技术人员将会知晓，一个同步机械装置(未示出)可与叶轮2的一部分相连接，例如轴6，因此负载19，21不得不只能与两个叶轮2的轴6中的一个相连接。
此外，叶轮2的旋转将使液柱流动。当液柱是一种实质上无法压缩的流体，其流动将与叶轮2的旋转成比例。如图1-3所示设备中叶轮2的旋转，通过由一个驱动装置施加在至少一个轴6上的力来提供，该驱动装置未示出，诸如一个电动机。因此，液柱可以通过控制叶轮2的旋转方向来选择性地以一个理想的方向流过设备1。技术人员将知晓，通过协调图4-6中所示设备1中叶轮2的旋转，不得不向两轴施加一力。然而，一同步机械装置(未示出)可以与例如轴6相连接，因此所述力正好施加在所示两轴6中的一个上。
在一个实施例(未示出)中，在设备1的叶轮2的轴6之间具有一个同步装置，该同步装置受设备1中液柱控制元件32位置的影响。因此，当液柱控制元件32在如图5所示的中间位置，按照该力，该轴将为同步的/连接的。当液柱控制元件32从所述中间位置转动超过了一个预定角度，该同步装置将用来分离轴6间的相互连接。举例来说，一个同步装置可以使得如图6所示的左轴6与右轴6相分离，使力将仅作用于右轴6上。
如果叶轮2的轴6保持旋转，则一种无法压缩的液柱向该设备1上游的流动将停止。
叶轮2选择性产生旋转的可能性，既是顺时针也是逆时针，同样具有积极的副作用使得任何可能挤入设备1中的夹杂物将通过液柱的往复流动更容易地被去除。每个叶轮2的旋转达到往复的顺时针和逆时针就能实现这样的流动。
参考图7和8。该图仅仅是原理图，没有按照比例示出各独立元件，并且仅仅用来说明本发明一方面的主要特征。
在图中，参考数字12显示一种供水系统，该系统包括一管道13，该管道的第一末端与一饮用水源15相连接，并且其第二末端与配管网络17相连接。
该饮用水源15可以是，例如，一种本身已知的水处理工厂。
在管道13中，安置了两个相同的设备1，该设备为泵装置。该两个泵装置1在同一水平面和同一垂直面中被隔开。
该泵装置1的目的是用来减少由于饮用水源15与位于较低位置的配管网络17之间的海拔高度差异所导致的压力。没有泵装置1，则在配管网络17上的压力可能变得非常高。
液柱或水流所具有的一部分能量，在任一个泵装置1的入口将被消耗用来驱动该泵装置1。因此，该泵装置1导致水流能量的损失，依次在任一个泵1的下游导致一个减小的压力。在任一个泵1中所获取的能量数可以通过例如一本身已知的离心制动器(未示出)来控制。
因此通过泵1，在配管网络17上的压力可以被调整到一理想水平。
为了能利用从管道13内水流中所获取的能量，可通过泵装置1，这些装置各自连接一个本身已知的发电机19，21。
因此，泵1既作为一种“减压阀”，也作为一种发电机的能量源，在该发电机中，由于一种在饮用水源15与配管网络17之间的海拔高度差异以及在配管网络17中理想压力或必须的压力产生的可利用压力的差别被用来发电。可以理解，泵装置1也可从一个外部能源(未示出)获取能量，并且因此致使在液柱中有一个正差压，或者将水往上抽向饮用水源15。该泵装置1也可以通过泵中保持旋转的驱动装置2起到一个截流阀的作用，这样，至少一部分液柱在管道13中的流动被阻止。
即使所示泵1被连续地放置，技术人员也知晓泵1可被平行地放置，而且按照需求和理想的减压任何数量的泵都可以被安置。在配管网络17上压力不是临界的情况下，通过泵装置1所获取的能量数可以按照能量需求来被控制。
技术人员同样会知晓，具有所谓“旁通管道”(未示出)的管道13是更加有利的，通过阀门装置，例如上述任一种泵1，“旁通管道”可以引导水流，因此水流连同一个或两个泵1被维持。
因此，按照本发明的设备除了作为一个泵和一个作为产生电流的发电机的能量源之外，还令人惊讶地既能作为一种减压装置也能作为一种截流阀。
由于泵1是非常容易地既可以放置在新的流体流动系统中，也可以放置在现有的流体流动系统中，以及作为通过泵从水流中所获取能量的实质性部分可以利用成电能，本发明所表现出的一种相当可观的资源以及一种超越使用昂贵的均压池或减压阀来调整液柱的压力达到理想或需求的水平的现有技术的环境收益。因此，通过本发明从液柱中获取的能量的利用，正是利用了那些当今浪费掉的能量。

Claims (14)

1.一种用来调节位于管道(13)中液柱的能量潜力的设备(1)，所述设备(1)包括至少两个叶轮(2)，每个叶轮包含一个具有多个叶片或盘状叶片(8)的旋转轴(6)，所述叶轮(2)被安置在一个组成管道(13)中一部分的护罩(4)内，所述设备(1)与一个负载(19，21)和/或一个能量源相连通，所以该设备(1)的叶轮(2)被用来影响管道(13)中液柱的流动，其特征在于，所述设备(1)被用来接收在叶轮(2)的轴(6)之间的液柱，所述轴(6)的中心轴线与叶轮(2)上、下游护罩(4)的壁部实质上处在同一平面内，使得液柱通过设备(1)的速度实质上与该设备(1)的叶轮(2)直接向上游和/或向下游的液柱的速度相符合。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个叶轮(2)中至少有一个叶片(8)实质上是与护罩(4)的内壳表面的第一部分紧密接触，以及每个叶轮(2)中至少有另一个叶片(8)与邻近叶轮(2)的一个相对应的叶片(8)相接触，所以两个叶轮(2)可以提供一个障碍物，使一部分液柱的流动能在两个叶轮(2)上施加一种压力。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备(1)进一步具有一个放置在该设备(1)至少一部分中的长分隔元件(30)。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述分隔元件(30)的纵轴实质上与一个延伸在该设备(1)入口部分和出口部分的轴线平行。
5.如权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述分隔元件(30)中至少有一部分是具有双凹形。
6.如权利要求3-5中任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述分隔元件(30)进一步具有至少一个铰接于分隔元件(30)的液柱控制元件(32)，用来控制两个叶轮(2)之间液柱的分布。
7.如上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述负载(19，21)是产生电能的发电机。
8.如上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述负载(19，21)以这样一种方式被调整，该方式是，提供了一种在所述设备(1)上、下游液柱压力之间的预定差压。
9.一种用来调节位于管道(13)中液柱的能量潜力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将如权利要求1所述的设备(1)整合入管道内；以这样一种方式选择性调整该设备(1)：从液柱向一个负载(19，21)传递一个预定比例的动能；或从一个能量源向该液柱传递能量；或从流动中保留至少一部分液柱。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述设备(1)以这样一种方式被调整，该方式是，应用于该设备的负载(19，21)在提供了一种在该设备(1)上、下游液柱压力之间的预定差压。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述差压是负数，所以所述设备(1)下游液柱的压力小于所述设备(1)上游液柱的压力。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述负载(19，21)是产生电能的发电机。
13.如权利要求9-12中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，两个或更多所述设备(1)被连续地放置和/或平行地放置。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过分隔元件(30)和液柱控制元件(32)将所述液柱分布在叶轮之间。
CN200780025202XA 2006-07-03 2007-06-28 一种用于调节位于管道中液柱的能量潜力的设备以及方法 Active CN101484691B (zh)

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