CN110220043A - 一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，包括阀门进口管道、消减器以及水锤响应通道；消减器与阀门进口管道外壁形成封闭的环状空腔；隔离筋板的边缘分别连接消减器内壁和阀门进口管道外壁；泄压动作块与消减器内壁以及管道外壁贴合，隔离筋板与泄压动作块第一端面形成泄压腔，泄压腔上开设有排水口，隔离筋板与泄压动作块第二端面形成动作腔，水锤响应通道连通动作腔和阀门进口管道内腔；正常输水状态泄压孔与管道孔完全错开，泄压状态下泄压孔与管道孔连通；能够主动响应灌溉配管网中阀门的水锤冲击，并能够有效的消减水锤冲击，保障灌溉配水管网关键部件的安全，提高灌溉配水系统的稳定性，适用于多用户的随机灌溉配水管网工况。

Description

一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置

技术领域

本发明属于农业灌溉装备领域，具体涉及一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，适用于灌溉面积较大、多个取水用户、各用户取水随机的灌溉配水阀门管路。

背景技术

我国是一个农业大国，农业用水量占总用水量的80％，其中农业用水量的绝大多数用于作物的灌溉，但是我们国家的灌溉设备，与发达国家相比差距较大。水资源短缺，严重影响了当地工业、农业的健康发展，也给当地城市生活用水安全产生了影响。近年来随着国民经济和社会的发展，灌溉水资源优化配置与调控的总体发展趋势是：由单水源、单用水部门发展到复杂的多水源、多用水部门；配置内容由单纯的水量配置发展到水量、水质统一调配；配置目标由单目标发展到多目标；由于灌区水资源下垫面与边界条件以及农业用水系统的复杂性，如何将不确定的灌区供、需水量、水管理政策、作物生长特性和经济参数等来优化配置的计算结果，用于指导灌区的实际配水还是比较困难的。

目前在灌溉配水系统中，根据地形、田块、单元、土壤质地、作物种植方式、水源特点等基本情况，设计管道系统的埋设深度、长度、灌区面积等，灌水方式可采用管道灌溉、喷灌、微喷灌、泵加压滴灌、重力滴灌、渗灌、小管出流等。对于单用户的灌区管网设计较为简单且比较成熟，但对于复杂多用户灌区配水输水管路的设计和规划，缺乏相应的理论指导和生产实践，使得多用户随机配水灌区的管路设计方法不明，且管路配水的决策和控制方法不明，影响多用户灌区的优化配水；阀门是灌溉配水过程中的关键部件，由于灌区管网设计大多依据灌区的地势和用户数，特别是山地丘陵灌区管网的布置存在着一定的不规则性，且多用户的配水的随机性和不确定性，需要灌溉输水管路中的阀体频繁开启和关闭，从而造成管路中关键部件的水锤效应，在多用户配水管路中水锤效应的研究尚不明确需要进一步深入研究，从而保证多用户灌区输水管路的安全性。

目前，涉及阀门管路水锤消减的相关专利有：长距离大流量输水系统过渡过程的阀门关闭优化控制方法(2017100763425)，该方法建立了长距离大流量输水工程水力过渡过程仿真模型，同时采用试算法寻求可行域区间，从而采用优化区间搜索法得到最优可行域，但该方法针对的是大流量单用户的配水系统，对于多用户阀体水锤冲击的消减尚不明确；一种缓速型电动阀门的控制方法及其控制装置(2012102812885)，该装置通过在控制箱内加装了一个脉动时间继电器来达到调节电动阀门电机转速和开关过程运行时间的目的，从而达到防止水锤现象的产生，该方法能够避免电动阀门的烧毁，但对于多用户灌溉系统来说，灌溉配水系统变化的随机性比较大，对于缓速型调节的电动阀门不一定能够满足多用户配水随机性的要求；变频式智能型阀门电动装置(2007100725415)，该装置主要采用变频驱动模块来实现异步电动机的驱动来调节阀门关闭的速度，虽然该装置能够有效的消除“水锤”现象，对于多用户复杂的配水系统而言，该变频式智能型阀门从检测到水锤冲击从而实现变频控制这一过程的自适应性较差，同时该装置结构复杂且成本较高，我国农民的生产投入能力有限，采用该装置增加农业生产负担。鉴于此，本发明提供一种自适应阀门管道水锤冲击消减装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，该装置能够主动响应灌溉配管网中阀门的水锤冲击，并能够有效的消减水锤冲击，保障灌溉配水管网关键部件的安全，提高灌溉配水系统的稳定性，特别适用于多用户的随机灌溉配水的管网工况。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，包括阀门进口管道、消减器、水锤响应通道、泄压动作块、泄压环、复位弹簧以及隔离筋板，消减器设置在阀门进口管道的外侧，消减器为环状空腔结构，消减器的内圈为开口式，消减器与阀门进口管道外壁形成封闭的环状空腔；隔离筋板的边缘分别连接消减器内壁和阀门进口管道外壁；

泄压动作块的第一端面连接泄压环和复位弹簧的一端，复位弹簧的另一端安装在消减器的内壁，泄压动作块与消减器内壁以及管道外壁贴合，隔离筋板与泄压动作块的第一端面之间形成泄压腔，泄压腔上开设有排水口，隔离筋板与泄压动作块的第二端面之间形成动作腔，水锤响应通道连通所述动作腔和阀门进口管道内腔；

泄压环设置在所述泄压腔内，泄压环上开设若干泄压孔，阀门进口管道上开设若干管道孔，相邻管道孔之间的弧度与相邻泄压孔之间的弧度相同，正常输水状态下泄压环封堵管道孔，泄压状态下泄压孔与管道孔连通。

水锤响应通道包括水锤响应轴向通道和水锤响应径向通道；阀门进口管道的管壁沿圆周方向开口形成水锤响应径向通道，水锤响应轴向通道为沿阀门进口管道内壁轴向设置的水流通道，所述水流通道靠近阀门的一侧为入口，所述入口为水锤响应入口，所述水流通道的出口连接水锤响应径向通道；水锤响应入口设置在靠近阀门一侧。

所述水流通道包括一块沿阀门进口管道轴向设置的矩形板以及一块弧形板，所述矩形板的长边与阀门进口管道内壁固定连接，所述弧形板与阀门进口管道内壁以及所述矩形板连接，所述弧形板设置在水锤响应径向通道远离阀门的一侧。

所述矩形板与阀门进口管道管壁的轴向有一夹角β，β为3°～8°。

泄压环的设置范围弧度与泄压环的弧度相同；泄压孔沿着泄压环均匀分布，管道孔沿着管道壁均匀分布，泄压孔和管道孔的直径相等。

所述排水口开设在泄压腔的外圆周面上，所述排水口上设置有泄压阀，所述动作腔的腔壁上开设有维护孔，维护孔中设置有维护孔堵头。

复位弹簧内圈设置有一伸缩杆，伸缩杆的第一端与消减器的内壁连接，伸缩杆的第二端为球头，伸缩杆包括第一伸缩段和第二伸缩段，复位弹簧的一端连接第一伸缩段，复位弹簧的另一端连接第二伸缩段，泄压动作块的第一端面设置有球头座，所述球头与球头座配合，复位弹簧的外侧设置有弹簧安装杆，弹簧安装杆的长度大于所述第一伸缩段的长度。

泄压动作块第二端面与水锤响应径向通道之间设置有限位凸台，限位凸台与阀门进口管道的外壁固定连接，在正常输水状态下，泄压动作块的第二端面与限位凸台接触。

水锤响应径向通道为阀门进口管道的管壁上沿圆周方向开设的矩形通孔，水锤响应径向通道的弧度小于限位凸台与隔离筋板之间的弧度。

泄压环的曲率与阀门进口管道外壁曲率相同。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明设置了增压型的水锤响应轴向通道来快速响应阀体管路水锤的冲击，相对于常规径向水锤冲击安全装置响应时间更快；在阀门进口管道上设置了若干泄压水流通道，能够在水锤冲击过程中将管路中的冲击迅速从管道中转移到管道外部，防止在泄压过程中只采用一个泄压孔从而产生二次径向水锤冲击，装置的稳定性更好；泄压腔水锤响应轴向和径向通道相连，泄压腔直接与管道内部相连，所以在泄压过程中可以对连续的水锤冲击进行响应，提高了装置的适用性；本发明对水锤冲击的响应和调节不需要增加相应的控制和检测设计就可以实现，降低了多用户灌溉管网建设的成本，从而提高了农业生产效益；能够适应于不同管道和阀体的水锤冲击，能够满足多用户随机灌溉配水的实际工况要求，能够提高灌溉系统的可靠性和稳定性，从而提高农业灌溉管理水平。

进一步的，复位弹簧内圈设置伸缩杆，外侧设置弹簧安装杆，弹簧安装杆的固定端铰接，伸缩杆的固定端采用球头-球头座结构连接，整体结构对复位弹簧具有灵活的导向作用，确保复位弹簧沿着轴向受力，不发生弯曲，提高泄压动作块的可靠性。

进一步的，水锤响应轴向通道的矩形板与阀门进口管道管壁的轴向有一夹角β能增大进入水锤响应通道的水流量，提高泄压效率。

进一步的，泄压环所对的圆周角度为250°～320°，相应的，泄压腔所受到的冲击压力，与泄压环配合，泄压效率均比较理想。

附图说明

图1是本发明装置的外部结构示意图；

图2是本发明进出口管道及消减器剖面结构示意图；

图3是本发明消减器内部结构示意图；

图4是本发明泄压动作块、伸缩弹簧泄压孔和泄压环结构示意图；

图5是本发明泄压动作块、伸缩弹簧、泄压孔和泄压环局部结构示意图；

图6是本发明水锤响应轴向通道结构示意图；

图7是本发明水锤响应入口、水锤响应轴向通道、阀门进口管道及管道孔局部剖视结构示意图；

图8是本发明水锤响应入口、水锤响应轴向通道和阀门进口管道半剖结构示意图；

图9是本发明阀门进口管道及孔道与消减器局部剖面结构示意图；

图10是本发明阀门进口管道与消减器内部结构示意图；

图11是本发明阀门进口管道、管道孔与消减器内局部结构示意图；

图12是本发明消减器泄压状态内部结构示意图；

图13是本发明消减器未泄压时内部结构示意图；

附图中：1-阀门进口管道，2-排水口，3-压力表，4-消减器，5-阀体，6-阀体出口管道，7-维护孔堵头，8-泄压动作块，9-水锤响应轴向通道，10-弹簧安装杆，11-泄压孔，12-泄压环，13-销轴安装座，14-伸缩杆，15-复位弹簧，16-球头座，17-水锤响应入口，18-管道孔，19-水锤响应径向通道，20-限位凸台，21-隔离筋板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

如图1～图4所示，自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，包括阀门进口管道1、消减器4、水锤响应通道、泄压动作块8、泄压环12、复位弹簧15以及隔离筋板21，消减器4设置在阀门进口管道1的外侧，消减器4为环状空腔结构，消减器4的内圈为开口式，消减器4与阀门进口管道1外壁形成封闭的环状空腔；隔离筋板21的边缘分别连接消减器4内壁和阀门进口管道1外壁；

泄压动作块8的第一端面连接泄压环12和复位弹簧15的一端，复位弹簧15的另一端安装在消减器4的内壁，泄压动作块8与消减器4内壁以及管道外壁贴合，隔离筋板21与泄压动作块8的第一端面之间形成泄压腔，泄压腔上开设有排水口，隔离筋板21与泄压动作块8的第二端面之间形成动作腔，水锤响应通道连通所述动作腔和阀门进口管道1内腔；

泄压环11设置在所述泄压腔内，泄压环11上开设若干泄压孔12，阀门进口管道1上开设若干管道孔18，相邻管道孔18之间的弧度与相邻泄压孔11之间的弧度相同，正常输水状态下泄压孔12与管道孔18完全错开，泄压环11封堵管道孔18，泄压状态下泄压孔12与管道孔18连通；

所述水流通道包括一块沿阀门进口管道1轴向设置的矩形板以及一块弧形板，所述矩形板的长边与阀门进口管道1内壁固定连接，所述弧形板与阀门进口管道1内壁以及所述矩形板连接，所述弧形板设置在水锤响应径向通道19远离阀门5的一侧。

如图6、图7和图8所示，水锤响应通道包括水锤响应轴向通道9和水锤响应径向通道19；阀门进口管道1的管壁沿圆周方向开口形成水锤响应径向通道19，水锤响应轴向通道9为沿阀门进口管道1内壁轴向设置的水流通道，所述水流通道靠近阀门的一侧为入口，所述入口为水锤响应入口17，所述水流通道的出口连接水锤响应径向通道19；水锤响应入口17设置在靠近阀门一侧。

所述矩形板与阀门进口管道1管壁的轴向有一夹角β，β为3°～8°。

泄压环11所对的圆周角度为250°～320°，管道孔18的设置范围与泄压环的弧度相同；泄压孔12沿着泄压环11均匀分布，管道孔18沿着管道壁均匀分布，泄压孔12和管道孔18的直径相等。

所述排水口开设在泄压腔的外圆周面上，所述排水口上设置有泄压阀2，所述动作腔的腔壁上开设有维护孔，维护孔中设置有维护孔堵头7。

如图4和图5所示，复位弹簧15内圈设置有一伸缩杆14，伸缩杆14的第一端与消减器4的内壁连接，伸缩杆14的第二端为球头，伸缩杆14包括第一伸缩段和第二伸缩段，复位弹簧15的一端连接第一伸缩段，复位弹簧的另一端连接第二伸缩段，泄压动作块8的第一端面设置有球头座16，所述球头与球头座16配合，复位弹簧15的外侧设置有弹簧安装杆10，弹簧安装杆10的长度大于所述第一伸缩段的长度。

泄压动作块8第二端面与水锤响应径向通道19之间设置有限位凸台20，限位凸台20与阀门进口管道1的外壁固定连接，在正常输水状态下，泄压动作块8的第二端面与限位凸台20接触。

水锤响应径向通道19为阀门进口管道1的管壁上沿圆周方向开设的矩形通孔，水锤响应径向通道19的弧度小于限位凸台20与隔离筋板21之间的弧度。

泄压环12的曲率与阀门进口管道1外壁曲率相同。

如图1～4，以及图10和图11所示，所述消减器4内部设有泄压动作块8，泄压动作块8上设有泄压环12，泄压环12上开设有若干泄压孔11，泄压孔11在泄压环12上间隔均匀开设，同时泄压动作块8上设有球头座16，伸缩杆14一端采用球头结构，所述球头结构安装在球头座16内部，伸缩杆14的另一端与复位弹簧15相连，复位弹簧15安装在弹簧安装杆10内部，弹簧安装杆10的固定端安装在销轴安装座13上，销轴安装座13设置在消减器4的内壁，销轴安装座13上开设销轴孔，弹簧安装杆10的固定端与销轴安装座13通过销轴铰接。

如图7和图8所示，阀门进口管道1内部沿轴向设有水锤响应轴向通道9，水锤响应轴向通道9上靠近阀体5一端设有水锤响应入口17，水锤响应轴向通道9的另一端设有水锤响应径向通道19，水锤响应径向通道19同时作为阀门进口管道1上的水流出口，阀门进口管道1外圆周面上沿着水锤响应轴向通道9两侧设有若干管道孔18，同时设有限位凸台20和隔离筋板21，限位凸台20和隔离筋板21均径向固定在阀门进口管路1的外圆周面水锤响应径向通道19的两侧。

如图2～图4所示，所述动作腔的腔壁上开设有维护孔，所述维护孔为螺纹孔，维护孔中设置有维护孔堵头7，维护孔堵头与维护孔螺纹连接实现封堵，在需要清理时打开维护孔堵头对消减器4的内部进行清理维护。

本发明优选的，管道孔18的数量与泄压孔11的数量相同。

本发明的一个可选实施例，水锤响应径向通道19为径向贯穿的矩形孔，隔离筋板21固定设置在水锤响应径向通道19的一侧，限位凸台20固定设置在水锤响应径向通道19的与泄压动作块8之间，限位凸台20与泄压动作块8相配合；所述泄压动作块8为扇形体，所述扇形体内侧面的曲率与阀门进口管道1的外圆周面曲率相同，两者相互配合，与泄压动作块8相连的泄压环12为圆环体，圆环体内侧的曲率与阀门进口管道1的外圆曲率相同，两者相互配合；

所述管道孔18为阀门进口管道1上的径向贯穿孔，管道孔18的直径与泄压孔11的直径相同，在不泄压状态下管道孔18和泄压孔11的轴线不重合，泄压状态下管道孔18与泄压孔11的轴线重合，阀门进口管道1内部的水体依次经过管道孔18和泄压孔11进入消减器4，再从消减器4上的泄压阀2流出。

所述水锤响应轴向通道9为有一弧面的四面体，其中弧面设置在阀门进口管道1的内部圆周面上，其中一面为轴向的平面，远离阀体5的一面为径向平面，靠近阀体的一面为开口，所述开口为水锤响应入口17，其中轴向的平面与阀门进口管道1管壁的轴向夹角β为3°～8°。

所述相邻管道孔18之间的弧度与相邻泄压孔11之间的弧度相同，水锤响应轴向通道9设置在阀门进口管道1圆周面上未开设管道孔18。

如图12和图13所示，在本发明中，当阀门关闭过程中水锤的冲击产生的波速可以通过水锤响应入口17进入水锤响应轴向通道9内部，由于水锤响应轴向通道9靠近管道中心的一面与管道轴线有一夹角β，水锤冲击产生的波速在水锤响应轴向通道9内部压力增大，增大压力的这部分流体通过水锤响应径向通道19进入消减器4内部的动作腔中，使得所述动作腔内部的压力增大，初始时由于复位弹簧15提供的预紧力使得泄压动作块8的一端面与限位凸台20相接触，随着所述动作腔内部的压力增大使得作用在泄压动作块8上的压力大于复位弹簧15的支撑力，泄压动作块8带动泄压环12沿着阀门进口管道1的外圆周面绕阀门进口管道1轴线转动，转动方向为压缩弹簧15的方向，泄压环12上的泄压孔11与阀门进口管道1上的管道孔18的中心轴线的相对角度逐渐变小，即泄压孔11与距离其最近的管道孔18靠近阀门进口管道1中的水锤冲击流体依次从管道孔18和泄压孔11流入泄压腔内部，泄流腔内部的流体达到一定的压力从泄压阀2流出管路，由于管道中的泄流作用使得水锤冲击轴向通道9和消减器4中所述动作腔压力减小，从而使得作用在泄压动作块8上的压力小于复位弹簧15提供的拉力，作用在泄压动作块8上的合力推动其沿着阀门进口管道1的外圆周面向动作腔旋转，泄压动作块8带动泄压环12旋转使得在重合状态的泄压孔11与管道孔18相互远离至管道孔18闭合，阻止管道中流体进入消减器4的内部，完成泄压保护。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，包括阀门进口管道(1)、消减器(4)、水锤响应通道、泄压动作块(8)、泄压环(12)、复位弹簧(15)以及隔离筋板(21)，消减器(4)设置在阀门进口管道(1)的外侧，消减器(4)为环状空腔结构，消减器(4)的内圈为开口式，消减器(4)与阀门进口管道(1)外壁形成封闭的环状空腔；隔离筋板(21)的边缘分别连接消减器(4)内壁和阀门进口管道(1)外壁；

泄压动作块(8)的第一端面连接泄压环(12)和复位弹簧(15)的一端，复位弹簧(15)的另一端与消减器(4)的内壁连接，泄压动作块(8)与消减器(4)内壁以及管道外壁贴合，隔离筋板(21)与泄压动作块(8)的第一端面之间形成泄压腔，泄压腔上开设有排水口，隔离筋板(21)与泄压动作块(8)的第二端面之间形成动作腔，水锤响应通道连通所述动作腔和阀门进口管道(1)内腔；

泄压环(11)设置在所述泄压腔内，泄压环(11)上开设若干泄压孔(12)，阀门进口管道(1)上开设若干管道孔(18)，相邻管道孔(18)之间的弧度与相邻泄压孔(11)之间的弧度相同，正常输水状态下泄压环(11)封堵管道孔(18)，泄压状态下泄压孔(12)与管道孔(18)连通。

2.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，水锤响应通道包括水锤响应轴向通道(9)和水锤响应径向通道(19)；阀门进口管道(1)的管壁沿圆周方向开口形成水锤响应径向通道(19)，水锤响应轴向通道(9)为沿阀门进口管道(1)内壁轴向设置的水流通道，所述水流通道靠近阀门的一侧为入口，所述入口为水锤响应入口(17)，所述水流通道的出口连接水锤响应径向通道(19)；水锤响应入口(17)设置在靠近阀门一侧。

3.根据权利要求2所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，所述水流通道包括一块弧形板以及一块沿阀门进口管道(1)轴向设置的矩形板，所述矩形板的长边与阀门进口管道(1)内壁固定连接，所述弧形板与阀门进口管道(1)内壁以及所述矩形板连接，所述弧形板设置在水锤响应径向通道(19)远离阀门(5)的一侧。

4.根据权利要求3所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，所述矩形板与阀门进口管道(1)管壁的轴向有一夹角β，β为3°～8°。

5.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，泄压环(11)所对的圆周角度为250°～320°，管道孔(18)的设置范围弧度与泄压环的弧度相同；泄压孔(12)沿着泄压环(11)均匀分布，管道孔(18)沿着管道壁均匀分布，泄压孔(12)和管道孔(18)的直径相等。

6.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，所述排水口开设在泄压腔的外圆周面上，所述排水口上设置有泄压阀(2)，所述动作腔的腔壁上开设有维护孔，维护孔中设置有维护孔堵头(7)。

7.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，复位弹簧(15)内圈设置有一伸缩杆(14)，伸缩杆(14)的第一端与消减器(4)的内壁连接，伸缩杆(14)的第二端为球头，泄压动作块(8)的第一端面设置有球头座(16)，所述球头与球头座(16)配合，复位弹簧(15)的外侧设置有弹簧安装杆(10)，弹簧安装杆(10)的长度大于所述第一伸缩段的长度；伸缩杆(14)包括第一伸缩段和第二伸缩段，复位弹簧(15)的一端连接第一伸缩段，复位弹簧的另一端连接第二伸缩段。

8.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，泄压动作块(8)第二端面与水锤响应径向通道(19)之间设置有限位凸台(20)，限位凸台(20)与阀门进口管道(1)的外壁固定连接，在正常输水状态下，泄压动作块(8)的第二端面与限位凸台(20)接触。

9.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，水锤响应径向通道(19)为阀门进口管道(1)的管壁上沿圆周方向开设的矩形通孔，水锤响应径向通道(19)的弧度小于限位凸台(20)与隔离筋板(21)之间的弧度。

10.根据权利要求1所述的自适应灌溉系统管路水锤冲击消减装置，其特征在于，泄压环(12)的曲率与阀门进口管道(1)外壁曲率相同。