CN102505720B - 脉冲蓄能式水力清淤系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农田水利工程设备技术领域，尤其涉及一种脉冲蓄能式水力清淤系统。包括：配电装置、立式泥浆泵、输泥管、高压水泵、气压蓄能装置、脉冲喷射装置，配电装置与立式泥浆泵和高压水泵连接，立式泥浆泵与输泥管连接，脉冲喷射装置通过气压蓄能装置与高压水泵连接。本发明的脉冲蓄能式水力清淤系统，采用了脉冲喷射、气压蓄能、“掺气”空蚀的技术措施，有效提高了射流的冲击力，起到了增强切割、粉碎土体，加快土体湿化、崩解的作用，从而达到了提高水力清淤系统的工作效率的目的。
Description
技术领域：
本发明属于农田水利工程设备技术领域，尤其涉及一种脉冲蓄能式水力清淤系统。
背景技术：
黄河水泥沙含量大，致使引黄的河、渠非常容易淤积，非灌溉季节清淤为引黄灌区农田水利的重要工作之一。水力清淤系统，具有结构简单，使用方便，可同时完成挖、装、运、卸、填等多道工序的特点，被经常采用。现有的水力清淤系统，由立式泥浆泵输泥系统、高压水泵冲泥系统、配电系统或柴油机系统组成。施工原理是模拟自然界水流冲刷原理，借助水力的作用来进行挖土、输土、填土，即水流经高压水泵产生高压，通过水枪射出一股密实的高速水柱，切割、粉碎土体，使之湿化、崩解，形成泥浆和泥块的混合物，再由立式泥浆泵及其输泥管吸送到堆土场。泥浆可用来填平低洼地或圈堤筑坝。
现有技术的水力清淤系统，在实际运用中发现，水枪射出的连续水流的冲击力不够强，致使大部分时间被消耗在切割、粉碎土体的过程中，而严重影响了清淤的效率。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种射流的冲击力强，清淤效率高的脉冲蓄能式水力清淤系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种脉冲蓄能式水力清淤系统，包括：配电装置、立式泥浆泵、输泥管、高压水泵、气压蓄能装置、脉冲喷射装置，配电装置与立式泥浆泵和高压水泵连接，立式泥浆泵与输泥管连接，脉冲喷射装置通过气压蓄能装置与高压水泵连接。
脉冲喷射装置，包括：壳体、活塞，活塞将壳体的内腔分隔为进水腔和压缩腔，进水腔通过进水流道和输水管道与气压蓄能装置连接，活塞上设有压缩腔补水单向阀和弹性止水环，弹性止水环固定于活塞的外侧，压缩腔内设有压缩弹簧、塔形弹簧、圆球形弹性阀体、喷射孔，压缩弹簧套于塔形弹簧外，压缩弹簧的一端抵在活塞上，另一端抵在挨近喷射孔的壳体的内壁上，塔形弹簧的大头一端固定于活塞上，小头一端固定于圆球形弹性阀体上，喷射孔的进水口曲面与圆球形弹性阀体的曲面吻合，喷射孔上安装可更换的喷嘴，活塞的阻水横断面积大于喷射孔的过流断面面积，喷射孔的过流断面面积大于压缩腔补水单向阀的最大允许过流断面面积，壳体、进水流道、进水腔、活塞、塔形弹簧构成的圆锥体、压缩弹簧构成的圆柱体、圆球形弹性阀体、喷射孔的横断面均为圆形且中垂线全部重合，压缩腔补水单向阀，位于活塞横断面的中心，由补水孔、弹性球、过水栅组成，补水孔为大口朝向压缩腔小口朝向进水腔的圆台形，其内放入直径大于补水孔小口直径而小于补水孔大口直径的弹性球，补水孔大口一端覆盖过水栅。
气压蓄能装置，包括：进水端、闸阀、三通、气水混合罐、出水端、压差掺气装置，进水端与高压水泵连接，三通的直通端的一端通过闸阀与进水端连接，三通的直通端的另一端为出水端，与脉冲喷射装置连接，三通垂直于两个直通端的那一端与气水混合罐连接，压差掺气装置并联在闸阀的两端，压差掺气装置，包括：注气腔、注气射流喷嘴、空气滤清器、逆止阀、喉道、自激振荡腔、渐变流道，空气滤清器的出气端通过逆止阀与注气腔连接，注气射流喷嘴过流断面大的一端与闸阀通向进水端的一端连接，注气射流喷嘴过流断面小的一端即喷射口，水平深入到注气腔的内部，注气腔的水平出流端通过喉道与自激振荡腔的水平进流端连接，注气射流喷嘴的喷射口正对着喉道的过流断面中心，自激振荡腔的水平出流端通过渐变流道与闸阀通向三通的一端连接，注气射流喷嘴、喉道、渐变流道的过流断面中心在一条直线上，注气射流喷嘴、喉道、自激振荡腔、渐变流道与该条直线的垂直截面均为圆形。
本发明的脉冲蓄能式水力清淤系统的工作原理如下：
来自高压水泵的高压水流经进水端分为两路，一路通过压差掺气装置，另一路通过闸阀，当闸阀关闭，压差掺气装置的两端压差最高，反之，当闸阀完全打开，压差掺气装置的两端压差最低，闸阀的开度与压差掺气装置的两端压差呈反比变化，通过调节闸阀的开度，可以调节压差掺气装置的两端压差。进入压差掺气装置的高压水流从注气射流喷嘴的喷射口高速喷出，于注气腔内形成负压，在这个负压的作用下，空气通过空气滤清器、逆止阀进入到注气腔内，并随注气射流喷嘴喷出的高速水流，通过喉道一同进入自激振荡腔，进行涡旋、搅拌、剪切“掺气”，“掺气”后含有均匀分布的微小气泡的高压水流经渐变流道与另一路通过闸阀没有掺气的高压水流一道，经出水端送入脉冲喷射装置，通过调节闸阀的开度来调节压差掺气装置的两端压差和“掺气”未“掺气”的供水比例，从而间接地调节了“掺气”量。“掺气”的目的有两个，一个是自动向气水混合罐补气，另一个目的是通过射出含有气泡的高速脉冲水流注入淤泥后的气泡爆裂即所谓的空蚀作用，加强切割、粉碎土体的能力，使之尽快湿化、崩解。自激振荡腔的设计是为了使掺入的气体形成的气泡更小、分布更均匀，更好地避免提前溢出。通过三通并联在脉冲喷射装置前端的气水混合罐，将脉冲喷射装置喷射间隙的能量蓄积起来，以提高脉冲喷射的爆发力，同时保持高压水泵始终处于良好的工况状态，以避免流量剧烈变化影响到高压水泵的正常工作。
来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道进入到进水腔，推动活塞将压缩腔内的水通过打开的喷射孔快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔补水单向阀自动关闭，避免压缩腔内的水回流到进水腔，压缩弹簧被压缩，圆球形弹性阀体向喷射孔移动，直至圆球形弹性阀体堵塞喷射孔，喷射孔停止喷水。因为圆球形弹性阀体堵塞了喷射孔，压力卸放通道被堵死，压缩腔内的压力迅速回升，已被压缩的压缩弹簧开始释放，带动活塞向进水腔移动，压缩腔补水单向阀自动打开，向压缩腔内补水，因为圆球形弹性阀体内外侧存在压差，被吸附于喷射孔的内侧，塔形弹簧被逐渐拉伸。直至塔形弹簧的拉伸力达到足以克服圆球形弹性阀体吸附于喷射孔内侧的吸力，圆球形弹性阀体被从喷射孔的内侧迅速拉开，堵塞的喷射孔被打开，压缩腔内的水通过喷射孔快速喷出，压缩腔内的压力迅速降低，来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道进入到进水腔，推动活塞将压缩腔内的水通过打开的喷射孔快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔补水单向阀自动关闭，避免压缩腔内的水回流到进水腔，压缩弹簧被压缩，圆球形弹性阀体向喷射孔移动，直至圆球形弹性阀体堵塞喷射孔，喷射孔停止喷水。因为圆球形弹性阀体堵塞了喷射孔，压力卸放通道被堵死，压缩腔内的压力迅速回升，已被压缩的压缩弹簧开始释放，带动活塞向进水腔移动，压缩腔补水单向阀自动打开，向压缩腔内补水，因为圆球形弹性阀体内外侧存在压差，被吸附于喷射孔的内侧，塔形弹簧被逐渐拉伸。直至塔形弹簧的拉伸力达到足以克服圆球形弹性阀体吸附于喷射孔内侧的吸力，圆球形弹性阀体被从喷射孔的内侧迅速拉开，堵塞的喷射孔被打开，压缩腔内的水通过喷射孔快速喷出，压缩腔内的压力迅速降低，来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道进入到进水腔，推动活塞将压缩腔内的水通过打开的喷射孔快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔补水单向阀自动关闭，避免压缩腔内的水回流到进水腔，压缩弹簧被压缩，圆球形弹性阀体向喷射孔移动，直至圆球形弹性阀体堵塞喷射孔，喷射孔停止喷水。如此周而复始地自动进行流体的脉冲喷射。本脉冲喷射装置，可根据实际需要，更换不同形状的安装在喷射孔上的喷嘴。脉冲射流在冲击淤泥时有较大的压力变化，由于瞬时冲击压力的增大，使得脉冲射流的破碎能力增强。本脉冲喷射装置，启动时间远远小于现有的水流开关式的脉冲喷射装置，例如膜结构的脉冲电磁阀，因而爆发力更强，更能充分发挥气压蓄能方式的威力。
本发明具有如下积极效果：
本发明的脉冲蓄能式水力清淤系统，采用了脉冲喷射、气压蓄能、“掺气”空蚀的技术措施，有效提高了射流的冲击力，起到了增强切割、粉碎土体，加快土体湿化、崩解的作用，从而达到了提高水力清淤系统的工作效率的目的。
附图说明：
附图1、2、3为本发明的脉冲蓄能式水力清淤系统的脉冲喷射装置处于不同工作状态时的示意图。
附图4为本发明的的脉冲蓄能式水力清淤系统的气压蓄能装置的示意图。
具体实施方式：
一种脉冲蓄能式水力清淤系统，包括：配电装置、立式泥浆泵、输泥管、高压水泵、气压蓄能装置、脉冲喷射装置，配电装置与立式泥浆泵和高压水泵连接，立式泥浆泵与输泥管连接，脉冲喷射装置通过气压蓄能装置与高压水泵连接。
脉冲喷射装置，如附图1、2、3所示，包括：壳体1、活塞2，活塞2将壳体1的内腔分隔为进水腔3和压缩腔4，进水腔3通过进水流道3-1和输水管道与气压蓄能装置连接，活塞2上设有压缩腔4补水单向阀和弹性止水环2-4，弹性止水环2-4固定于活塞2的外侧，压缩腔4内设有压缩弹簧4-1、塔形弹簧4-2、圆球形弹性阀体4-3、喷射孔5，压缩弹簧4-1套于塔形弹簧4-2外，压缩弹簧4-1的一端抵在活塞2上，另一端抵在挨近喷射孔5的壳体1的内壁上，塔形弹簧4-2的大头一端固定于活塞2上，小头一端固定于圆球形弹性阀体4-3上，喷射孔5的进水口曲面与圆球形弹性阀体4-3的曲面吻合，喷射孔5上安装可更换的喷嘴6，活塞2的阻水横断面积大于喷射孔5的过流断面面积，喷射孔5的过流断面面积大于压缩腔4补水单向阀的最大允许过流断面面积，壳体1、进水流道3-1、进水腔3、活塞2、塔形弹簧4-2构成的圆锥体、压缩弹簧4-1构成的圆柱体、圆球形弹性阀体4-3、喷射孔5的横断面均为圆形且中垂线全部重合，压缩腔4补水单向阀，位于活塞2横断面的中心，由补水孔2-1、弹性球2-2、过水栅2-3组成，补水孔2-1为大口朝向压缩腔4小口朝向进水腔3的圆台形，其内放入直径大于补水孔2-1小口直径而小于补水孔2-1大口直径的弹性球2-2，补水孔2-1大口一端覆盖过水栅2-3。
气压蓄能装置，如附图4所示，包括：进水端7、闸阀8、三通9、气水混合罐10、出水端11、压差掺气装置，进水端7与高压水泵连接，三通9的直通端的一端通过闸阀8与进水端7连接，三通9的直通端的另一端为出水端11，与脉冲喷射装置连接，三通9垂直于两个直通端的那一端与气水混合罐10连接，压差掺气装置并联在闸阀8的两端，压差掺气装置，包括：注气腔12、注气射流喷嘴13、空气滤清器14、逆止阀15、喉道16、自激振荡腔17、渐变流道18，空气滤清器14的出气端通过逆止阀15与注气腔12连接，注气射流喷嘴13过流断面大的一端与闸阀8通向进水端7的一端连接，注气射流喷嘴13过流断面小的一端即喷射口，水平深入到注气腔12的内部，注气腔12的水平出流端通过喉道16与自激振荡腔17的水平进流端连接，注气射流喷嘴13的喷射口正对着喉道16的过流断面中心，自激振荡腔17的水平出流端通过渐变流道18与闸阀8通向三通9的一端连接，注气射流喷嘴13、喉道16、渐变流道18的过流断面中心在一条直线上，注气射流喷嘴13、喉道16、自激振荡腔17、渐变流道18与该条直线的垂直截面均为圆形。
本发明的脉冲蓄能式水力清淤系统的工作原理如下：
如附图4所示，来自高压水泵的高压水流经进水端7分为两路，一路通过压差掺气装置，另一路通过闸阀8，当闸阀8关闭，压差掺气装置的两端压差最高，反之，当闸阀8完全打开，压差掺气装置的两端压差最低，闸阀8的开度与压差掺气装置的两端压差呈反比变化，通过调节闸阀8的开度，可以调节压差掺气装置的两端压差。进入压差掺气装置的高压水流从注气射流喷嘴13的喷射口高速喷出，于注气腔12内形成负压，在这个负压的作用下，空气通过空气滤清器14、逆止阀15进入到注气腔12内，并随注气射流喷嘴13喷出的高速水流，通过喉道16一同进入自激振荡腔17，进行涡旋、搅拌、剪切“掺气”，“掺气”后含有均匀分布的微小气泡的高压水流经渐变流道18与另一路通过闸阀8没有掺气的高压水流一道，经出水端11送入脉冲喷射装置，通过调节闸阀8的开度来调节压差掺气装置的两端压差和“掺气”未“掺气”的供水比例，从而间接地调节了“掺气”量。“掺气”的目的有两个，一个是自动向气水混合罐10补气，另一个目的是通过射出含有气泡的高速脉冲水流注入淤泥后的气泡爆裂即所谓的空蚀作用，加强切割、粉碎土体的能力，使之尽快湿化、崩解。自激振荡腔17的设计是为了使掺入的气体形成的气泡更小、分布更均匀，更好地避免提前溢出。通过三通9并联在脉冲喷射装置前端的气水混合罐10，将脉冲喷射装置喷射间隙的能量蓄积起来，以提高脉冲喷射的爆发力，同时保持高压水泵始终处于良好的工况状态，以避免流量剧烈变化影响到高压水泵的正常工作。
如附图1所示，来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道3-1进入到进水腔3，推动活塞2将压缩腔4内的水通过打开的喷射孔5快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔4补水单向阀自动关闭，避免压缩腔4内的水回流到进水腔3，压缩弹簧4-1被压缩，圆球形弹性阀体4-3向喷射孔5移动，直至圆球形弹性阀体4-3堵塞喷射孔5，喷射孔5停止喷水，如附图2所示。因为圆球形弹性阀体4-3堵塞了喷射孔5，压力卸放通道被堵死，压缩腔4内的压力迅速回升，已被压缩的压缩弹簧4-1开始释放，带动活塞2向进水腔3移动，压缩腔4补水单向阀自动打开，向压缩腔4内补水，因为圆球形弹性阀体4-3内外侧存在压差，被吸附于喷射孔5的内侧，塔形弹簧4-2被逐渐拉伸，如附图3所示。直至塔形弹簧4-2的拉伸力达到足以克服圆球形弹性阀体4-3吸附于喷射孔5内侧的吸力，圆球形弹性阀体4-3被从喷射孔5的内侧迅速拉开，如附图1所示，堵塞的喷射孔5被打开，压缩腔4内的水通过喷射孔5快速喷出，压缩腔4内的压力迅速降低，来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道3-1进入到进水腔3，推动活塞2将压缩腔4内的水通过打开的喷射孔5快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔4补水单向阀自动关闭，避免压缩腔4内的水回流到进水腔3，压缩弹簧4-1被压缩，圆球形弹性阀体4-3向喷射孔5移动，直至圆球形弹性阀体4-3堵塞喷射孔5，喷射孔5停止喷水，如附图2所示。因为圆球形弹性阀体4-3堵塞了喷射孔5，压力卸放通道被堵死，压缩腔4内的压力迅速回升，已被压缩的压缩弹簧4-1开始释放，带动活塞2向进水腔3移动，压缩腔4补水单向阀自动打开，向压缩腔4内补水，因为圆球形弹性阀体4-3内外侧存在压差，被吸附于喷射孔5的内侧，塔形弹簧4-2被逐渐拉伸，如附图3所示。直至塔形弹簧4-2的拉伸力达到足以克服圆球形弹性阀体4-3吸附于喷射孔5内侧的吸力，圆球形弹性阀体4-3被从喷射孔5的内侧迅速拉开，如附图1所示，堵塞的喷射孔5被打开，压缩腔4内的水通过喷射孔5快速喷出，压缩腔4内的压力迅速降低，来自气压蓄能装置的高压水，通过进水流道3-1进入到进水腔3，推动活塞2将压缩腔4内的水通过打开的喷射孔5快速推送出去，形成高速水流。在此过程中，压缩腔4补水单向阀自动关闭，避免压缩腔4内的水回流到进水腔3，压缩弹簧4-1被压缩，圆球形弹性阀体4-3向喷射孔5移动，直至圆球形弹性阀体4-3堵塞喷射孔5，喷射孔5停止喷水，如附图2所示。如此周而复始地自动进行流体的脉冲喷射。本脉冲喷射装置，可根据实际需要，更换不同形状的安装在喷射孔5上的喷嘴6。脉冲射流在冲击淤泥时有较大的压力变化，由于瞬时冲击压力的增大，使得脉冲射流的破碎能力增强。本脉冲喷射装置，启动时间远远小于现有的水流开关式的脉冲喷射装置，例如膜结构的脉冲电磁阀，因而爆发力更强，更能充分发挥气压蓄能方式的威力。
Claims (1)
1.一种脉冲蓄能式水力清淤系统，其特征在于：包括配电装置、立式泥浆泵、输泥管、高压水泵、气压蓄能装置、脉冲喷射装置，配电装置与立式泥浆泵和高压水泵连接，立式泥浆泵与输泥管连接，脉冲喷射装置通过气压蓄能装置与高压水泵连接，
脉冲喷射装置，包括壳体(1)、活塞(2)，活塞(2)将壳体(1)的内腔分隔为进水腔(3)和压缩腔(4)，进水腔(3)通过进水流道(3-1)和输水管道与气压蓄能装置连接，活塞(2)上设有压缩腔(4)补水单向阀和弹性止水环(2-4)，弹性止水环(2-4)固定于活塞(2)的外侧，压缩腔(4)内设有压缩弹簧(4-1)、塔形弹簧(4-2)、圆球形弹性阀体(4-3)、喷射孔(5)，压缩弹簧(4-1)套于塔形弹簧(4-2)外，压缩弹簧(4-1)的一端抵在活塞(2)上，另一端抵在挨近喷射孔(5)的壳体(1)的内壁上，塔形弹簧(4-2)的大头一端固定于活塞(2)上，小头一端固定于圆球形弹性阀体(4-3)上，喷射孔(5)的进水口曲面与圆球形弹性阀体(4-3)的曲面吻合，喷射孔(5)上安装可更换的喷嘴(6)，活塞(2)的阻水横断面积大于喷射孔(5)的过流断面面积，喷射孔(5)的过流断面面积大于压缩腔(4)补水单向阀的最大允许过流断面面积，壳体(1)、进水流道(3-1)、进水腔(3)、活塞(2)、塔形弹簧(4-2)构成的圆锥体、压缩弹簧(4-1)构成的圆柱体、圆球形弹性阀体(4-3)、喷射孔(5)的横断面均为圆形且中垂线全部重合，压缩腔(4)补水单向阀，位于活塞(2)横断面的中心，由补水孔(2-1)、弹性球(2-2)、过水栅(2-3)组成，补水孔(2-1)为大口朝向压缩腔(4)小口朝向进水腔(3)的圆台形，其内放入直径大于补水孔(2-1)小口直径而小于补水孔(2-1)大口直径的弹性球(2-2)，补水孔(2-1)大口一端覆盖过水栅(2-3)，
气压蓄能装置，包括进水端(7)、闸阀(8)、三通(9)、气水混合罐(10)、出水端(11)、压差掺气装置，进水端(7)与高压水泵连接，三通(9)的直通端的一端通过闸阀(8)与进水端(7)连接，三通(9)的直通端的另一端为出水端(11)，与脉冲喷射装置连接，三通(9)垂直于两个直通端的那一端与气水混合罐(10)连接，压差掺气装置并联在闸阀(8)的两端，压差掺气装置，包括注气腔(12)、注气射流喷嘴(13)、空气滤清器(14)、逆止阀(15)、喉道(16)、自激振荡腔(17)、渐变流道(18)，空气滤清器(14)的出气端通过逆止阀(15)与注气腔(12)连接，注气射流喷嘴(13)过流断面大的一端与闸阀(8)通向进水端(7)的一端连接，注气射流喷嘴(13)过流断面小的一端即喷射口，水平深入到注气腔(12)的内部，注气腔(12)的水平出流端通过喉道(16)与自激振荡腔(17)的水平进流端连接，注气射流喷嘴(13)的喷射口正对着喉道(16)的过流断面中心，自激振荡腔(17)的水平出流端通过渐变流道(18)与闸阀(8)通向三通(9)的一端连接，注气射流喷嘴(13)、喉道(16)、渐变流道(18)的过流断面中心在一条直线上，注气射流喷嘴(13)、喉道(16)、自激振荡腔(17)、渐变流道(18)与该条直线的垂直截面均为圆形。
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