CN108019542B - 一种涡轮式减压、发电的智能减压阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阀门技术领域，公开了一种涡轮式减压、发电的智能减压阀及控制方法。所述涡轮式减压、发电的智能减压阀包括管道式发电机、数据采集组件、数据处理装置和显示终端；所述管道式发电机采用涡轮式发电，用于为数据采集组件、数据处理装置以及阀门的执行器提供工作电源，所述数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后，用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置和显示终端；所述数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数来对执行器进行相应操作。

Description

一种涡轮式减压、发电的智能减压阀及控制方法

技术领域

本发明涉及阀门领域，更具体地，涉及一种涡轮式减压、发电的智能减压阀及控制方法。

背景技术

目前，全球资源紧缺，水资源、气体源等各种能源都处在紧缺状态，针对水资源来说，智慧水务的理念应运而生，怎样来进行节水，实现有效的漏损控制，其中美国和意大利先后提出了一些先进的带流量检测功能的压力阀门，它们可将漏损控制得尽量小，但其流量检测装置需外接电源或电池，依赖于外界供电，且其仅需对流量参数进行检测，耗电量小。然而智慧水务远不只局限于漏损控制，还需要对水质等各项参数进行测定，以便对阀内流通的水作全面评价，因此需要加入多种类型的检测仪器，此时简单设置的外接电源或电池已无法充分驱使各类检测仪器的同时运作，如为达到全面供电的效果，则需对外接电源或电池进行复杂设计，这样一来工程量大，成本高，后期维护麻烦。

现有技术中也已有水流发电的相关案例，但其仅是水流发电与阀门的结合，并未涉及到检测模块，即现有技术中尚不存在利用水流发电的电能为检测模块供电的案例。同时现有技术的水流发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，现有技术也有采用球型的转轮的，从而带动电磁感应发电机进行发电，但其涡轮并未具体针对水流的过流量进行相关设计，即水流量大时，将对涡轮产生较大冲击，有可能导致涡轮损坏，同时因水流量的不均匀，在流经涡轮时，电磁感应发电机发电不稳定，将直接影响其充电电池的使用寿命。此外，高压水流也会造成减压阀的超载荷，减压阀长期处于高压工作状态会减少其使用寿命。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能够无需外接电源、自动进行阀体内数据检测并根据检测结果进行自我闭环控制的集发电、数据采集、自动控制功能于一体的涡轮式减压、发电的智能减压阀。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

提供一种涡轮式减压、发电的智能减压阀，包括减压阀阀体，阀体设有控制阀体开度的执行器，其特征在于，还包括管道式发电机、数据采集组件、数据处理装置和显示终端；

所述管道式发电机用于为数据采集组件、数据处理装置以及阀门的执行器提供工作电源，包括向心式水轮机和发电机，所述发电机与向心式水轮机连接，所述向心式水轮机包括上机匣、下机匣和涡轮组件，所述下机匣分别设有进水口和出水口，所述涡轮组件贯穿上机匣和下机匣，水流从下机匣进水口进入，穿过涡轮组件，从下机匣的出水口流出；所述涡轮组件包括向心涡轮和涡轮轴，所述向心涡轮设在下机匣内，所述涡轮轴连接向心涡轮和发电机；

所述数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后，用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置和显示终端；所述数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数来对执行器进行相应操作。

本发明的智能减压阀通过自身的发电装置进行发电，为自身的用电元件提供电能，无需额外电源。本发明相对于一般的带有球体转轮发电装置，将航空发动机里向心涡轮的设计方法引入到水流发电中，采用向心涡轮效率更高，高达86%以上，尤其适应高压水流中（200～300m/S），不仅发电效率高，而且能辅助减压阀减压。并且通过设置在阀体各部位的不同数据采集组件对阀体内流通的流体进行各种数据采集和检测，并将采集和检测的数据传送至数据处理装置，并通过显示终端显示。数据处理装置根据反馈的数据情况对阀门进行闭环控制。

进一步地，所述涡轮轴通过上下两对轴承固定在上机匣内，轴承之间的涡轮轴上还套有定距套，所述轴承上还设有弹性卡箍用于防止轴承窜动，所述出水口为S型流道，并且沿着出水的方向逐渐升高。

进一步地，所述向心涡轮包括涡壳，所述蜗壳内设有向心涡轮，所述导流叶片环绕向心涡轮360°均匀分布，所述向心涡轮外设有导流的导流叶片，所述向心涡轮包括内环和外环，所述外环上固定有旋转的大叶片，任意相邻的大叶片之间还设有固定在外环上的旋转的小叶片，所述内环套在外环上形成向心涡轮的进水口和出水口，所述大叶片的两端分别延伸至进水口和出水口，所述小叶片的一端延伸至进水口，另一端在轴向方向低于出水口的位置，所述外环上还设有安装涡轮轴的螺纹管，所述内环的外壁通过螺纹安装在下机匣内。

进一步地，所述蜗壳内的流道管径按水流进入方向从大到小，所述导流叶片固定在蜗下机匣内，在径向方向上的厚度大于向心涡轮的出水口的口径，并且边缘弯曲卷起。

优选地，所述外环的外壁上还设有迷宫式篦齿，用于减小水流从高压端向低压端泄露

进一步地，所述大叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲，所述小叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲，所述小叶片的长度为大叶片长度的三分之一至三分之二。

进一步地，所述电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、变压模块和充电电池。所述充电电池分别与数据采集组件、数据处理装置和显示终端连接。发电机输送的电能经过整流、滤波、变压处理后通过充电电池传送至给阀门的用电元件进行供电。

进一步地，数据采集组件包括温度传感器、流量计量装置、水质传感器、压力传感器的一种或几种。能对阀门内的各种数据进行采集和检测。

进一步地，所述数据处理装置包括PLC控制模块，PLC控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

本发明的另一目的在于提供一种涡轮式减压、发电的智能减压阀的控制方法，所述减压阀包括分布设置于阀前和阀后的压力传感器，包括以下步骤：

S1.高压水流首先通过管道式发电机，发电机进行发电并对电池组件充电，然后变成低压水流进入减压阀阀体，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源；

S2.数据采集元件采集相应数据并将其传输至数据处理装置和显示终端；

S3.数据处理装置根据S2步骤中的数据显示情况作出对执行器的相关操作，从而控制阀体的开闭和开度情况；

S4.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将介质相关参数通过NB-IOT的方式传输给操作者。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明创造性地将阀门、数据采集和发电三种独立的功能性装置整合在一起，即使本发明的减压阀在具有数据采集功能的同时，还可利用减压阀内流通介质自身的动能进行发电，为数据采集组件以及减压阀的执行器提供工作电源，实现了所述多功能减压阀电能的自给自足，无需外接电源。

本发明数据采集组件在采集到相关参数后传输至数据处理装置，并最终由数据处理装置控制减压阀执行器的相关动作，实现了本发明的多功能阀的全自动反馈控制，自动调节压力等相关参数，无需人工参与。

本发明创造性地将航空发动机里向心涡轮的设计方法引入到水流发电中，与水轮机行业常用的混流式和斜流式不同，采用向心涡轮效率更高，围绕向心涡轮将发电机设计成上、下机匣集成式结构，具有结构紧凑、小巧灵活、安装更方便的优点，具有很高的实用价值。

本发明向心涡轮采用了大小叶片的流动结构，极大地提高了发电效率，可达86%以上，广泛应用于各种管道式发电机中，尤其适用于高压水流环境下（200～300m/S），通过导流叶片能控制高压水流的方向，不断冲击向心涡轮，由于向心涡轮采用了大小叶片的流动结构，配合导流叶片极大提高了水流势能的转化率。

本发明在外环的外壁上还设有迷宫式篦齿，用于减小水流从高压端向低压端泄露齿；蜗壳内的流道管径按水流进入方向从大到小，始终能保持水流的高压和流速；内环的外壁上还设有螺纹用于旋转，从而无需额外的安装固定机构，使用安装方便。

本发明因发电装置发电形成的电能自给自足优势，本发明的减压阀可相应设置多种数据采集元件，如温度传感器、流量数据采集装置和水质传感器等，可采集介质的各种参数，为用户提供大量参考数据。

附图说明

图1 T型智能减压阀的结构示意图。

图2 向心涡轮结构示意图1。

图3 向心涡轮结构示意图2。

图4 向心涡轮结构示意图3。

图5 向心涡轮结构示意图4。

图6 向心涡轮结构示意图5。

图7 管道式发电机剖视图。

图8 管道式发电机示意图。

图9 向心式水轮机结构示意图。

图10 本阀门的电气连接结构示意图。

图11 T型智能减压阀的执行器控制连接示意图。

其中，1-蜗壳，2-导流叶片，3-向心涡轮，4-向心涡轮进水口，5-向心涡轮出水口，6-上机匣，7-下机匣，8-发电机，9-向心式水轮机，11-蜗壳进水口，12-蜗壳流道，31-外环，32-内环，33-大叶片，34-小叶片，35-螺纹管，36-螺纹，37-迷宫式篦齿，91-涡轮轴，92-轴承，93-轴承，94-定距套，95-弹性卡箍，96-螺母，97-螺母，101-密封法兰件，125-上腔电磁阀，126-阀后电磁阀，131-超声波流量计，133-减压阀阀体。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种涡轮式减压、发电的智能减压阀，本实施例以T型减压阀为例。智能减压阀包括减压阀阀体133，管道式发电机、数据采集组件、数据处理装置和显示终端，其中管道式发电机与减压阀阀体133连接。

数据采集组件包括流量计、压力传感器、水质传感器；具体实施过程中，根据具体需求，如采集阀体的开度、流体的温度等，还可以采用其他类型的数据采集组件。本实施例中流量计采用能够计量管网的用量，同时具有温度补偿功能的超声波流量计131，超声波流量计131通过三通管设置在智能减压阀阀体前部。压力传感器在减压阀阀体33的阀前和阀后各设置一个，水质传感器设置在减压阀阀体133内部。

如图7～8所示，管道式发电机包括向心式水轮机3和发电机8，发电机8与向心式水轮机3连接，向心式水轮机3包括上机匣6、下机匣7和涡轮组件，下机匣7分别设有进水口和出水口，涡轮组件贯穿上机匣6和下机匣7，水流从下机匣7进水口进入，穿过涡轮组件，从下机匣7的出水口流出，出水口为S型流道，并且沿着出水的方向逐渐升高，并且通过密封法兰件101与减压阀阀体前部连接；

如图9所示，本实施例涡轮组件包括向心涡轮3和涡轮轴91，向心涡轮3设在下机匣7内，涡轮轴91连接向心涡轮3和发电机8，涡轮轴91通过轴承92和轴承93固定在上机匣6内，轴承92和轴承93固之间的涡轮轴91上还套有定距套94，轴承92上还设有弹性卡箍95用于防止轴承92窜动；

如图2～6所示，本实施例还包括涡壳1，所述蜗壳1内设有向心涡轮3，向心涡轮3外设有导流的导流叶片2，向心涡轮3包括内环32和外环31，外环31上固定有旋转的大叶片33，任意相邻的大叶片33之间还设有固定在外环31上的旋转的小叶片34，内环32套在外环31上形成向心涡轮3的向心涡轮进水口4和向心涡轮出水口5，大叶片33的两端分别延伸至心涡轮进水口4和向心涡轮出水口5，小叶片34的一端延伸至向心涡轮进水口4，另一端在轴向方向低于向心涡轮出水口5的位置，外环31上还设有安装涡轮轴91的螺纹管35，内环的外壁上还设有螺纹36用于固定在下机匣7上旋转，蜗壳1内的流道管径按水流进入方向从大到小，外环31的外壁上还设有迷宫式篦齿37，用于减小水流从高压端向低压端泄露，导流叶片2在径向方向上的厚度大于出水口的口径。

本实施例管道式发电机的工作原理如下：高压水流从下机匣7通过蜗壳进水口11进入蜗壳1内，在静止的导流叶片2的引导下，冲击向心涡轮3，从而使向心涡轮3转动并向发电机8输出功率，同时水压降低，水流依次从向心涡轮出水口5、下机匣7的出水口流出，然后流向减压阀阀体33。

本实施例蜗壳1内的流道管径按水流进入方向从大到小设置，始终能保持水流的高压和流速，下机匣7的出水口为S型流道，并且沿着出水的方向逐渐升高，能延长高压水流在向心涡轮3内的时间。

如图3所示，导流叶片2环绕向心涡轮3呈360°均匀分布，导流叶片2边缘弯曲卷起，从而形成类似于喇叭形状，其目的是为了聚集水流而设置的。

如图6所示，小叶片的长度为大叶片长度的三分之一至三分之二，大叶片和小叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲。

如图10所示，电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、降压模块和充电电池。

如图11所示，本智能减压阀设有控制阀体开度的执行器，包括两个二位二通电磁阀，上腔电磁阀125和阀后电磁阀126分别控制T型智能减压阀的控制腔的入水口和出水口的管道开闭。两个电磁阀均与数据处理装置连接。

数据处理装置包括PLC控制模块，PLC控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。显示终端为远程上位机的显示屏，也可以为设置在阀门附近的触摸显示屏，根据具体情况进行设置。

本实施例智能减压阀的控制方法包括以下步骤：

S1.高压水流首先通过管道式发电机，发电机进行发电并对电池组件充电，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源，然后变成低压水流进入T型智能减压阀阀体；

发电机输出的三相电流输送至电池组件，经过整流模块将交流电变成直流电，并通过滤波模块对电流去除干扰、纯化电源，然后通过变压模块，根据用电元件的需求，变压模块为降压模块或升压模块，进行降压处理或升压处理以实现满足后续所需工作电源的大小。经过处理后的三相电流输入到充电电池为其充电。充电电池为数据采集组件、数据处理装置以及减压阀执行器提供电源。

S2.数据采集元件采集相应数据并将其传输至数据处理装置和显示终端。

得电后的数据采集元件开始工作。设置在阀前和阀后的压力传感器分别采集阀体阀前和阀后压力值，超声波流量计131采集流入阀体的流体流量，水质传感器采集阀体内流体的水质。

PLC控制模块接收超声波数据采集装置的阀体入口流量信号、两个压力传感器的水压变化信号、水质传感器的水质信号，并通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

S3.根据S2步骤中的数据显示情况作出对执行器的相关操作，从而控制阀体的开闭和开度情况。

PLC控制模块通过将采集的压力信号与预设的压力阈值相比较，控制电磁阀进行相应动作。向上腔电磁阀125发出指令时，系统压力进入控制腔上部，压力增加促使主阀趋于关闭，通过压力传感器将实时压力反馈给PLC控制模块。PLC控制模块向阀后电磁阀126发指令时，系统压力从出口处排出，主阀趋于打开。通过控制阀门的开启和关闭的速度，最终达到阀后恒压输出。

S4.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将介质相关参数通过NB-IOT的方式传输给操作者。

PLC控制模块可以通过采集压力传感器、流量计、温度传感器、水质、阀门开度等数据实现阀门及管道远程数据采集和处理，统计分析、实时控制、事故报警，数据通信、设备管理等。

操作者可通过上位机的显示屏进行数据查看参数，如当前阀体的压力、阀体流量、流体温度以及水质等。并可通过上位机进行参数设定，如对PLC控制模块进行压力阈值或温度阈值等进行设定。如此实时监控阀门运行状态。

本实施例中导流叶片按360°均匀分布，形成了促使高压水流螺旋旋转的通道，从而使得高压水流形成有规则的向心聚集流动，不断冲击向心涡轮，推动向心涡轮转动，从而带动外环上的涡轮轴转动，涡轮轴则连接发电机进行发电。

本实施例高压水流在冲击外环31的同时带动外环31旋转，因此外环31与静止的导流叶片之间存在一定缝隙，为了防止高压水流从缝隙中向低压端泄露，在外环31的外壁上设有迷宫式篦齿37，通过篦齿密封。

本实施例发电机采用管道式发电机，采用上、下机匣集成式结构，具有结构紧凑、小巧灵活的优点，相比混流式和斜流式的水轮机，体积更小，安装更方便，实用价值更高。

本实施例管道式发电机采用向心式涡轮结构，避免涡轮直接面对高压水流（200～300m/S）的冲击，通过导流叶片能控制高压水流的方向，不断冲击向心涡轮，而向心涡轮则采用了大小叶片的流动结构，配合导流叶片极大提高了水流势能的转化率，不仅发电效率高（86%以上），而且可以辅助减压阀进行减压，减轻减压阀的负担。

本实施例中导流叶片2通过螺钉固定在下机匣内，相比现有水轮机中的导流叶片为可调整或可活动的，固定式连接可以抵消高压水流冲向大、小叶片时反向的冲击力，由于是固定在下机匣上，通过下机匣即可抵消这一部分的冲击了，不会影响向心涡轮的转动。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种涡轮式减压、发电的智能减压阀，包括减压阀阀体，阀体设有控制阀体开度的执行器，其特征在于，还包括管道式发电机、数据采集组件、数据处理装置和显示终端；

所述管道式发电机用于为数据采集组件、数据处理装置以及阀门的执行器提供工作电源，包括向心式水轮机和发电机，所述发电机与向心式水轮机连接，所述向心式水轮机包括上机匣、下机匣和涡轮组件，所述下机匣分别设有进水口和出水口，所述涡轮组件贯穿上机匣和下机匣，水流从下机匣进水口进入，穿过涡轮组件，从下机匣的出水口流出；所述涡轮组件包括向心涡轮和涡轮轴，所述向心涡轮设在下机匣内，所述涡轮轴连接向心涡轮和发电机；

所述数据采集组件设于阀体阀前和/或阀内和/或阀后，用于实时采集阀体内介质参数并将参数传输至数据处理装置和显示终端；所述数据处理装置根据数据采集组件提供的实时参数来对执行器进行相应操作；

所述涡轮轴通过上下两对轴承固定在上机匣内，轴承之间的涡轮轴上还套有定距套，所述轴承上还设有弹性卡箍用于防止轴承窜动，所述出水口为S型流道，并且沿着出水的方向逐渐升高；

所述向心涡轮包括涡壳，所述涡壳内设有向心涡轮，所述向心涡轮外设有导流的导流叶片，所述导流叶片通过螺钉固定设置在下机匣内，并环绕向心涡轮360°均匀分布，所述向心涡轮包括内环和外环，所述外环上固定有旋转的大叶片，任意相邻的大叶片之间还设有固定在外环上的旋转的小叶片，所述内环套在外环上形成向心涡轮的进水口和出水口，所述大叶片的两端分别延伸至进水口和出水口，所述小叶片的一端延伸至进水口，另一端在轴向方向低于出水口的位置，所述外环上还设有安装涡轮轴的螺纹管，所述内环的外壁通过螺纹安装在下机匣内；

所述涡壳内的流道管径按水流进入方向从大到小，所述导流叶片固定在下机匣内，在径向方向上的厚度大于向心涡轮的出水口的口径，并且边缘弯曲卷起。

2.根据权利要求1所述涡轮式减压、发电的智能减压阀，其特征在于，所述外环的外壁上还设有迷宫式篦齿，用于减小水流从高压端向低压端泄露。

3.根据权利要求1所述涡轮式减压、发电的智能减压阀，其特征在于，所述大叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲，所述小叶片沿径向和轴线呈空间螺旋形弯曲，所述小叶片的长度为大叶片长度的三分之一至三分之二。

4.根据权利要求1所述涡轮式减压、发电的智能减压阀，其特征在于，电池组件包括依次连接的整流模块、滤波模块、变压模块和充电电池，所述充电电池分别与数据采集组件、数据处理装置和显示终端连接。

5.根据权利要求1所述涡轮式减压、发电的智能减压阀，其特征在于，所述数据采集组件包括温度传感器、流量计量装置、水质传感器、压力传感器的一种或几种。

6.根据权利要求1所述涡轮式减压、发电的智能减压阀，其特征在于，所述数据处理装置包括PLC控制模块，PLC控制模块集成了无线通讯模块，通过无线通讯模块与远程上位机进行通讯。

7.一种涡轮式减压、发电的智能减压阀的控制方法，其特征在于，所述减压阀包括分布设置于阀前和阀后的压力传感器，包括以下步骤：

S1.高压水流首先通过管道式发电机，发电机进行发电并对电池组件充电，然后变成低压水流进入减压阀阀体，电池组件输出恒定电压为数据采集组件、数据处理装置和执行器提供工作电源；

S2.数据采集元件采集相应数据并将其传输至数据处理装置和显示终端；

S3.数据处理装置根据S2步骤中的数据显示情况作出对执行器的相关操作，从而控制阀体的开闭和开度情况；

S4.阀体运行至阀后为恒压输出状态时将介质相关参数通过NB-IOT的方式传输给操作者。

Images