CN101628187A

CN101628187A - 固体粒子分离装置及包括这种装置的水力设备

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Publication number: CN101628187A
Application number: CN200910160729A
Authority: CN
Inventors: S·普里让
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Renewable Technologies Wind BV
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: DE602009000888D1; EP2147710B1; US20100013232A1; ES2360659T3; EP2147710A1; SI2147710T1; CA2671216C; FR2933878B1; CL2009001606A1; PE20100493A1; FR2933878A1; CN101628187B; ATE501772T1; CA2671216A1; BRPI0902329A2; US8182674B2

Abstract

本发明公开了一种装置(100)用来从水流(E)中分离固体粒子，该水流(E)送给涡轮机、泵、或涡轮泵型的水压机中。装置具有水流入口区(104)和出口区(105)，该入口区(104)和出口区(105)用于穿过装置(100)沿着水流前进的前进轴线(X₁₀₀)间隔开的水流。装置(100)包括多个平行放置的导管(110)，每个导管(110)在入口区(104)和出口区(105)之间都有管嘴和下游端。在垂直于前进轴线(X₁₀₀)的剖面中，每个导管都有为螺旋形式的剖面，该螺旋形式的剖面具有一曲率半径，所述曲率半径从管嘴朝向下游端的方向或从下游端朝向管嘴的方向增加，同时每个导管(110)都有厚度，该厚度相对于前进轴线的大致径向方向上测得，比上述导管平行于轴线(X₁₀₀)测得的宽度(l₁₁₀)的10％小。

Description

固体粒子分离装置及包括这种装置的水力设备

技术领域

本发明涉及用于从流水中分离固体粒子的装置，且还涉及包括这种装置的能量转换设备。

背景技术

在用于将水力能转换成电能或机械能的设备的领域中，众所周知是用水流送到水力机如涡轮机，该水流与涡轮机的叶片相互作用。视天气状况及其穿过的地面的性质而定，水流可能携带或多或少含量的固体粒子例如砂粒，该颗粒物使与其接触的部分机器磨损。

众所周知，一些不同的装置用于保留或分离水流中的这些固体粒子。它们包括尤其是水坝和沉降池、过滤器格栅和砂槽隧道。砂槽隧道是设置在地下的导管，且传送到水力机的水流在该导管内以较低速度行进，从而使至少一部分进来的水流中所包含的固体粒子能沉降在隧道底部的格栅上。要规定这些颗粒物沉降速度，隧道必需长，尤其是它必需具有大于150米(m)的长度，及其横截面积是以使水流速度降到与其沉降速度类似的水平。这导致大规模的土木工程工作，从而相应地增加了现有技术水力设备的安装费用和运行费用。此外，这种砂槽隧道不是很有效，因为在水流通过这种装置之后，固体粒子含量仅减少约50％。

发明内容

本发明特别试图通过提供新型分离装置来弥补这些缺点，在所述新型分离装置中固体粒子可以有效地从水流中分离出，而装置的尺寸与砂槽隧道相比显著地减小，且其效率提高。

为此，本发明提供一种用于从水流中分离固体粒子的装置，该水流进送到涡轮机、泵、或涡轮泵型水力机中，装置具有水流入口区和出口区，该入口区和出口区穿过装置沿着水流前进的前进轴线间隔开。这种装置其特征在于：它包括多个平行放置的导管，每个导管在入口区和出口区之间具有管嘴和下游端；在垂直于前进轴线的剖面中，每个导管都有螺旋形的剖面，该螺旋形的剖面具有曲率半径从管嘴朝向下游端方向或者从下游端朝向管嘴的方向增加；每个导管都有一厚度，该厚度相对于前进轴线的大致径向方向测得，且比上述导管从平行于轴线测得的宽度的10％小。

通过本发明，各种不同的螺旋形剖面的导管用来利用离心力从水流中分离固体粒子，且它们的厚度与其宽度相比较小，它们的厚度与沉淀时间一致，沉淀时间较短，这是每个螺旋形中水流所需的速度的结果。不同导管的形状能使待处理的高流速与输送大功率水力机相适应。此外，装置具有多个并联的导管的结构使装置变得紧凑，从而减少了相关的土木工程工作量和费用。

按照本发明有利但不是必不可少的方面，这种装置可以包括下列特点中的一个或多个：

●每个导管的厚度比导管的宽度的5％小，优选地比导管的宽度的1％小。

●每个导管的厚度具有数值为小于100毫米(mm)，优选地小于60mm，更优选地等于约50mm。

●每个导管具有扁平矩形的入口剖面，同时它的长尺寸平行于上述前进轴线。

●在其出口处，每个导管都装配有水流分离器，该水流分离器适合于将在导管中流动的基本水流的第一部分与其第二部分分离，第一部分含有较重的固体粒子，而第二部分具有较轻的固体粒子。在这种情况下，水流分离器有利地由一隔板形成，该隔板放置在导管中，靠近导管的径向隔板，并且在距其一定距离处。

●在其入口附近，每个导管都包括一曲率半径区，该曲率半径区在垂直于前进轴线的平面中测得，比导管在上述平面中的最大曲率半径的25％小。

●在本发明的实施例中，各导管围绕前进轴线相互交错。在不同方案中，各导管围绕前进轴线分布在各自斜剖面上。

●每个导管由一个或两个金属薄板形成，该金属薄板在它们平行于前进轴线的方向上是矩形。

本发明还提供一种设备，该设备用于将水力能转变成电能或机械能，或反之亦然，上述设备包括涡轮机、泵、或涡轮泵型水力机，和把水送到水力机的管线。该设备的特征在于，它还包括至少一个用于从水中分离固体粒子的装置，如上所述。

这种设备比现有技术水平的设备使用更方便和费用更低。

附图说明

根据下面按照本发明的原理所述的分离装置和能量转换设备的两个实施例的说明，本发明更好理解，且其别的优点更显而易见，上述实施例纯粹作为例子和参照附图给出，其中：

●图1是示出本发明的设备的原理的示意图；

●图2是图1设备的固体粒子分离装置的更大比例的视图，该图与图1的细部II对应；

●图3是图2中线III-III的半剖面图，同时图2的剖视平面标为II-II；

●图4是与图2同一平面的剖视图，但按较小比例，且其示出图2和3的装置的分离器导管的其中之一；

●图5是图4的线V-V的剖视图，同时图4的剖面标为IV-IV；

●图6是图5的细部VI的更大比例的视图；

●图7是图3的细部VII的更大比例的视图；

●图8是图2-7的装置局部切去的透视图；

●图9是图2-8的装置的某些部分的分解透视图；

●图10是类似于图2的轴向剖视图，并示出构成第二实施例的装置；

●图11是图10的线XI-XI的半剖视图，同时图10的剖面标为X-X；

●图12是图11的细部XII的更大比例的视图；

●图13是图11的线XIII-XIII上的局部剖视图；

●图14是图10-13的装置局部切去的透视图；和

●图15是图10-14的装置的某些部分的分解透视图。

具体实施方式

图1所示的设备I包括一弗朗西斯(Francis)型涡轮机1，该涡轮机1带有它的叶轮2，所述叶轮2用来通过来自进水口3的强制水流E被设定为绕竖直轴线X₁旋转，上述进水口3采用来自水库，如堤坝的水流或者来自未筑坝的河流的水流。涡轮机1联接到交流发电机4上，该交流发电机4随着叶轮2的旋转而把交流电流输送到电网(未示出)。

使水流E进入叶轮2的水压管5在进水口3和供应槽6之间延伸，该供应槽6装配有导叶61用于调节水流E。在设备I下游设置一吸入管道7用于输送水流E。

插在进水口3和供应槽6之间的装置100用于将在水流E中发现的固体粒子从构成该水流的水中分离。装置100包括一圆筒形入口导管101，该圆筒形入口导管101具有圆形横截面，所述圆形横截面定心在水平轴线X₁₀₀上，该水平轴线X₁₀₀构成装置100的纵向轴线。在其出口处，装置100设有一截锥形收集器102，该截锥形收集器102围绕锥形的尖头部分103放置。导管101的进料口104构成通向装置100的入口，而在收集器102的端部处所形成的圆形开口105构成水流E的出料口。进料口104用来连接到管道5的底部上，而开口105用来连接到供应槽6的入口上。

在装置100的入口区104和出口区105之间，水流E平行于轴线X₁₀₀前进。

在导管101和收集器102之间，装置100具有25个相互交错的导管110，所述25个导管110围绕轴线100排列成螺旋形。在垂直于轴线X₁₀₀的平面中，如图3和5中所示，每个导管110都具有螺旋形横截面。每个导管110都由内金属板111和外金属板112限定。第一导管的内金属板111可以起相邻导管的外金属板112的作用，该相邻导管在径向上位于第一导管内部。同样，第一导管的外金属板112可以起第二相邻的导管的内金属板的作用，该第二相邻的导管在径向上位于第一导管外部。

25个导管110交错到这种程度，以使每个导管110的长度的主要部分在径向上位于两个另外的导管110之间，如在图3中可以看出的。所有导管110全都具有同样的长度、宽度和厚度。

导管110的长度L₁₁₀是其围绕轴线X₁₀₀展开的长度。换句话说，导管110的长度是其在图5中可以看到的长度。导管110的宽度l₁₀₀是其平行于轴线X₁₀₀的尺寸。导管110的厚度e₁₁₀是其径向厚度，亦即它的内和外金属板之间的距离。实际上，导管110的长度L₁₁₀约为20m，而其宽度l₁₁₀约为10m，及其厚度e₁₁₀约为50mm。因此，每个导管110都取宽度比其厚度大得多的槽的形式。

实际上，厚度e₁₁₀选择小于100mm，而优选地小于60mm。用e₁₁₀等于50mm计算和试验已经提供了令人满意的结果。

若规定了不同管道110的形状，则它们之中每个都具有各自的入口区，该入口区取矩形的形式，同时矩形的长尺寸与宽度l₁₁₀对应，而其短尺寸与厚度e₁₁₀对应。

一旦e₁₁₀与l₁₁₀的比值小于0.1，则可以实施本发明。实际上，该比值优选的是小于0.05或甚至小于0.01。在所示的实施例中，该比值为50/10000＝0.005。

装置100的中心区107限定在格栅108和锥体109之间，上述格栅108用于加固装置100和保留大废料块，其放置在导管101的出口处，而上述锥体109定心在轴线X₁₀₀上，且朝格栅108的方向，亦即上游会聚。加固杆109a从锥体109延伸至格栅108，也定心在轴线X₁₀₀上。因此，通过导管101和格栅108的水流E到达中心区107，从该中心区107水流E被锥体109从轴线X₁₀₀的径向上向外偏转，因此深入不同的导管110。每个导管110都具有一流动截面积，该流动截面积等于它的宽度乘以它的厚度，亦即0.05m×10m＝0.5m²。因此，25个导管110在中心区107和收集器102的内部体积之间的总流动截面积为25×0.5m²＝12.5m²。这适合于在一大流速下处理水流E，该大流速适合于全速驱动涡轮机1。

在这些情况下，假定水压管5的截面S₅具有12.5m²的面积，和假定通过水压管5和通过装置100的水流E在相同速率下流动，则水流E的线性速度在水压管5和装置100之间守恒。该速度可以是在每秒5米(m/s)至10m/s范围内，例如，它可以是8m/s。

提供装置100中水流E的线性速度值比水压管5中的线性速度值增加也是可行的。例如，在水压管5中水流E具有线性速度等于8m/s的情况下，可以对导管110中水流E安排成具有等于24m/s的线性速度。这种24m/s的速度值高到足以通过离心作用从水分子中有效地分离固体粒子，但低到足以避免由于磨耗而引起的构成装置100的金属板的过早磨损。对于线性速度大于30m/s和水中砂子的浓度超过每百万分之一千(1000ppm)(按重量计)观察到这种磨损。

水压管5中水流E的线性速度用V₅表示。因此水流在水压管中的流量由下式给出：

Q₅＝S₅×V₅

水流E在装置100的导管110中的线性速度用V₁₀₀表示。导管110的面积之和用S₁₀₀表示，且等于N×S₁₁₀，此处N是导管110的数量，和S₁₁₀是一个导管110的横截面面积。S₁₁₀等于e₁₁₀×l₁₁₀。水流E通过装置100的流量因此是：

Q₁₀₀＝S₁₀₀×V₁₀₀＝N×S₁₁₀×V₁₀₀＝N×e₁₁₀×l₁₁₀×V₁₀₀

由于流量守恒，所以这给出：

Q₅＝Q₁₀₀

亦即：

S₅×V₅＝N×e₁₁₀×l₁₁₀×V₁₀₀

该方程能定出导管110的宽度l₁₁₀和厚度e₁₁₀的尺寸。在实施例中，此处V₁₀₀等于24m/s，而V₅＝8m/s，和S₅为12.5m²，这给出：

e₁₁₀×l₁₁₀＝(S₅×V₅)/(N×V₁₀₀)＝1/3×S₅/25

由于e₁₁₀设定在50mm处，所以这样能确定l₁₁₀的数值，亦即：

l₁₁₀＝1/0.05×1/3×12.5/25＝3.33m

在这些情况下，比值e₁₁₀/l₁₁₀为1.5％。

如果宽度l₁₁₀定在10m，且厚度e₁₁₀定在50mm，则在对导管或管道110的标准化生产的情况下，可以作用在管道的数量上，以便在管道110中得到预定的速度。因此，在八个管道的情况下，速度V₁₀₀变成25m/s。

中心区107具有直径D₁₀₇约为4m。通向不同导管110的入口孔分布在中心区107的周边处。

导管110的曲率半径在图5的平面中用R₁₁₀表示。该曲率半径具有数值为从约2m增加到约4.7m。

通过导管110的水流E基本部分用E₁表示。这一部分E₁由于导管110在图5的平面中的弯曲形状而经受离心加速。这种加速作用在导管110中存在的水分子和固体粒子二者上，具有上述水分子和固体粒子之间密度差所产生的不同效果。

图6示出导管110的上游区113，和尤其是其管嘴114，该管嘴114具有厚度e₁₁₀，如上所述。上游区113包括一弯头部分115，该弯头部分115具有曲率半径R₁₁₅为50mm，亦即比围绕轴线X₁₀₀的曲率半径R₁₁₀小得多。该弯头部分115具有赋予每个基本水流E₁强大的和局部离心加速的效果。该局部离心加速作用具有开始将深入导管110中的基本水流E₁中的固体粒子导向导管的外金属板112的效果。

倘若离心加速作用的不同效果由导管110的其余部分中水流E₁的螺旋形路线产生，则这些颗粒物随后越来越接近外金属板112移动。因此，固体粒子往往会聚集在每个导管110的外金属板112的附近。

由于固体粒子分离效果取决于径向速度和每个导管110中水流E₁的切向速度V₁₁₀，所以优选的是流入装置100中的水流的入口水压V较高。这就是为什么把装置100放置在水压管5的底部处，亦即其下游部分中的原因。在本发明未示出的不同方案中，装置100可以安装在水压管5的中间部分中，同时提供水流的水压是足够的。

在导管110的下游端116附近，将分离薄板117放置在距每个导管110的外薄板112一非零的径向距离d₁₁₇处，从而在薄板112和117之间限定一狭槽118，基本水流E₁具有最大固体粒子含量的这部分E₂流入到所述狭槽118中，因为这些颗粒已聚集在薄板112的附近，而同时沿着导管110行进。排放口119从每个狭槽118下游连接，且不同导管的排放口119本身连接到排放导管(未示出)上，用于排放水流E中含有最重固体粒子的部分。距离d₁₁₇是狭槽118的厚度。

实际上，距离d₁₁₇可以约为0.5mm，这样使每个水流E₁除去朝排水口119输送的这部分E₂与上述水流相比极小。比值d₁₁₇/e₁₁₀选择小于1/50。有利地约为1/100，如所示的实施例中那样。该比值选择为小的数值，因为水流E₂与损失的水百分率相对应。

然后每个水流E₁的其余部分E₃被导向空间V₁，该空间V₁由圆筒形和圆形横截面的薄板130在径向上围绕导管110限定和在径向上限定在外部上。该空间V₁通向空间V₂，所述空间V₂限定在部分103和收集器102之间，因此水流E₁不偏向排水口119的不同部分E₃经由用于送到涡轮机1的开口一起被送向供应槽6。

按照本发明仅在图7中用虚线示出的一方面，可以在导管110的内薄板111的附近设置第二分离薄板121，由此能除去水流E₁的具有最少固体粒子含量的部分E₄。该水流部分E₄可以用与排水口119同样的方式连接，但使用特定的导管，以便构成特别清洁的水或“清洁水”的水源，该清洁水源可以用于特殊场合的设备I，如冷却交流发电机4或进给流体静力轴承。装配有薄板121的导管110的数量取决于清洁水所需流量。

本发明上面已参照导管110中水流朝导管110的不断增加的曲率半径R₁₁₀的方向进行的情况进行了说明。换句话说，导管110的上游端113比其下游端116更靠近轴线X₁₀₀。不过也可以提供朝相反方向，亦即朝与减少半径R₁₁₀相对应的方向的水流。在这种情况下同样得到固体粒子的离心加速。

在如图10-14所示的本发明的第二实施例中，与第一实施例类似的那些部件用相同的标号表示。

在这个实施例中的装置100具有25个导管110，每个导管110在一垂直于前进轴线X₁₀₀的平面中具有螺旋形状，该螺旋形状使水流E在入口区104和出口区105之间前进。每个导管110都由一平板111形成，该平板111平行于轴线X₁₀₀，并成形为与上述轴线垂直的螺旋形。

每个导管110都放置在外壳131中，该外壳131限定一斜剖面，所述斜剖面在圆心处具有一角度α等于约14.4°。在垂直于轴线X₁₀₀的平面中，每个导管110都有一螺旋形剖面，该螺旋形剖面定心在轴线X₁₁₀上，所述轴线X₁₁₀平行于轴线X₁₀₀，且具有一厚度e₁₁₀，该厚度比其平行于轴线X₁₀₀所取的宽度l₁₁₀小得多。e₁₁₀和l₁₁₀的数值可以与上面参照第一实施例所述的那些值相同或具有相同的数量级。

锥形部分103B像第一实施例中那样放置在装置100的出口收集器102的内部，而另一个锥形部分103A放置在发散的截锥形入口导管101中。锥形部分103A用来使水流E径向上发散到空间V₃，该空间V₃靠近导管110，且在径向上位于外壳131内部，并围绕定心在轴线X₁₁₀上的圆形形状的薄板132。

接合在导管110中的基本水流E₁朝轴线X₁₁₀方向前进。换句话说，导管110的上游端或入口区113比其出口区更远离轴线X₁₁₀。每个基本水流E₁都经由导管110从空间V₃通向中心空间V₄，该中心空间V₄径向上限定在每个导管110的中心。每个空间V₄都经由在外壳131的端面134中形成的开口133到达空间V₂，该空间V₂可与第一实施例的空间V₂类似。

尽管如此，可以想像朝相反方向的水流的情况。

星形轮108A和108B用来加固锥形部分103A和103B及薄板132。

水流E₁通过绕过部分103A平行于轴线X₁₀₀在导管101的入口孔104和收集器102的出口开口105之间通过，穿过空间V₃，穿过导管110，和然后围绕部分103B穿过空间V₄和穿过空间V₂。

如上所述，若各导管110的螺旋形剖面每个都绕各自的中心轴线X₁₁₀，则接合在导管110中的基本水流E₁经受离心加速作用而具有不同的效果，因而使固体粒子能通过离心法快速而有效地从构成水流的水分子中分离出来。

像在第一实施例中那样，分离器117设置在每个导管110的出口116处，因此能用每个基本水流E₁载有最重固体粒子的部分E₂送到排水口119。分离器由位于薄板111的一部分附近的板117形成，该薄板111形成每个导管110的下游端116的径向上的外面部分。每个板117和最靠近的薄板111的部分之间的径向距离d₁₁₇不是零，但比厚度e₁₁₀小得多。比值d₁₁₇/e₁₁₀可以具有与第一实施例相同的数值。该比值小于1/50，而优选地约为1/100。

因此，水流E₁不流向排水口119的这部分E₃到达中心空间V₄，该中心空间V₄由导管110限定。

像在第一实施例中那样和按照本发明未示出的方面，在必要的地方可以从导管110的一个或多个中放出清洁的水。

无论什么实施例，本发明的能量转换设备都可以包括一个或多个装置100，该装置100并联放置在供应水压机的管线上。

所说明的不同实施例的技术特点可以在本发明的范围内组合。

本发明在其使用方面用涡轮机1进行了说明。不过，它也可适用于用涡轮机方式工作的泵或涡轮泵。在这些情况下，包括这种水压机的装置也可以将机械能或电能转变成水力能。

Claims

1.一种装置(100)，用于从供应涡轮机、泵、或涡轮泵型水压机(1)的水流(E)里的水中分离固体粒子，该装置具有水流入口区(104)和出口区(105)，该入口区(104)和出口区(105)用于沿着水流穿过该装置前进的前进轴线(X₁₀₀)间隔开的水流，其中该装置包括多个平行放置的导管(110)，每个导管(110)在入口区(104)和出口区(105)之间都具有管嘴(114)和下游端(116)，其中，在垂直于前进轴线(X₁₀₀)的剖面中，每个导管(110)都有一螺旋形的剖面，同时曲率半径(R₁₀₀)从管嘴朝下游端方向或从下游端朝向管嘴方向增加，其中每个导管都有一厚度(e₁₁₀)和宽度(l₁₁₀)，该厚度(e₁₁₀)相对于前进轴线(X₁₀₀)在大致径向方向上测得，比平行于上述轴线测得的导管宽度(l₁₁₀)的10％小。

2.按照权利要求1所述的装置，其中每个导管(110)的厚度(e₁₁₀)比该导管的宽度(l₁₁₀)的5％小，优选地比该导管的宽度的1％小。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其中每个导管(110)的厚度(e₁₁₀)具有的数值为小于100mm，优选地小于60mm，更优选地等于约50mm。

4.按照权利要求1或2所述的装置，其中每个导管(110)都具有一扁平矩形的入口剖面，同时矩形的长尺寸(l₁₁₀)平行于前进轴线(X₁₁₀)。

5.按照权利要求1或2所述的装置，其中在其出口处，每个导管都装配有水流分离器(117)，该分离器(117)适合于将在导管中流动的基本水流(E₁)的第一部分(E₂)与其第二部分(E₃)分离，第一部分装载重的固体粒子，而第二部分具有较轻的固体粒子。

6.按照权利要求5所述的装置，其中水流分离器由隔板(117)形成，该隔板(117)放置在靠近导管的径向隔板(111，112)，并距其一定距离(d₁₁₇)的导管中。

7.按照权利要求1或2所述的装置，其中在其入口附近，每个导管(110)都包括一区域(115)，该区域(115)在垂直于前进轴线(X₁₀₀)的平面中测得的曲率半径(R₁₁₅)比上述导管在上述平面中的最大曲率半径(R₁₁₀)的25％小。

8.按照权利要求1或2所述的装置，其中各导管(110)围绕前进轴线(X₁₀₀)相互交错。

9.按照权利要求1或7所述的装置，其中各导管(110)围绕前进轴线(X₁₀₀)分布在相应的斜剖面中。

10.按照权利要求1或2所述的装置，其中每个导管都由一个或两个金属薄板(111，112)形成，该金属薄板(111，112)在它们平行于前进轴线(X₁₀₀)的方向上是矩形的。

11.一种设备(I)，用于将水力能转变成电能或机械能，反之亦然，上述设备包括涡轮机、泵、或涡轮泵型水压机(1)，和用于把水供应给该水压机的管线(3，5，6)，其中上述设备包括至少一个按任何上述权利要求所述的装置(100)，用于将固体粒子从水中分离出来。