CN111720368A - 一种水锤发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水锤发生装置，包括电液压脉冲发生装置、自激振荡腔室、球罐体和橡胶囊；电液压脉冲发生装置喷口与自激振荡腔室入口连通；自激振荡腔室喷口与球罐体上部中间位置连通；橡胶囊套设在球罐内；球罐体内壁与橡胶囊外部之间形成了缓冲腔；缓冲腔内填充有液体；橡胶囊呈椭圆形；橡胶囊两端与输气管道直贯通；自激振荡腔室内部形状类似于倒漏斗形；自激振荡腔室对称设置；自激振荡腔室与球罐体上部中间位置连通通道口呈喇叭口状；自激振荡腔室的中轴线与整个装置的中轴线重合；喇叭口状通道口边缘与中轴线之间呈25度夹角。本发明无运动部件，体积小巧，结构紧凑，工作高效、可靠，造价低，易安装，易更换适于推广使用。

Description

一种水锤发生装置

技术领域

本发明涉及油气设备技术领域，尤其涉及一种水锤发生装置。

背景技术

在流体输送过程中，当打开的阀门突然关闭或水泵突然停止时，后续水流在惯性作用下，会继续流入输送管道，导致输送管道内水压会骤然增大，形成水锤，而这种效应则为水锤效应。教科书中水锤的定义是，水锤是指在密闭管路系统(包括泵)内，由于流体流量急剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象。水锤能量巨大，而目前能够利用水锤能量的装置并不多。迄今对于水锤效应的研究，大部分处于如何克服水锤效应产生的破坏作用方面，却忽略了水锤效应能带来巨大的能量，如果能把这部分能量充分应用在油气输送管道系统或者其他领域，将会产生极大的价值。除了如何克服水锤效应产生的破坏作用，已经开始关注到水锤效应如何带来能量的探索，这既节约了能源，同时又避免消耗其他能量带来的环境污染问题。如公开号为CN104632511A的中国专利就公开了“一种利用水锤效应的能量产生动能的装置”，提供的一种利用水锤效应的能量产生动能的装置，将水锤效应带来巨大的能量转化成持续的动能输出，用于发电或者其他领域。但是该技术方案中发生水锤效应的地方是在处于壳体与传动轮之间的压力仓，因此，水锤效应很大一部分做功发生在压力仓的内壁等其他部件上，即不能转化为转轮的动能输出，做功效率较低。“一种增强水锤效应产生动能的装置(CN107084086A)”，该产生动能的装置，由于发生水锤效应的地方为传动轮上通孔内，水锤效应做功主要发生在传动轮上，输出的动能就较大。因此如何利用水锤能量是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

水锤现象会在管路系统流体流量发生变化时出现，为了解决水锤现象，需要在管路中安装水锤消除装置。但现有的水锤防护装置，多数利用设置的气囊作为缓冲、消除器件，有的需要在管道的高点设置空气阀，靠进气或出气来调节压力平衡，设备精密，易出故障。有的需要设气压罐来调节水量平衡，设备体积大，还需要时不时的充气，且现有的水锤消除器本体多为一体式设计，如果一处损坏就报废需要换新的，成本高。如“防水锤水流量增压装置”(CN210219039U)就是如此；流体管路中易沉降泥沙，易结垢质堵塞管道，利用波动能量清除这些附着物，减阻增输，需要在管路中安装水锤发生器。水锤消除器和水锤发生器都是针对水锤问题进行回应的装置，虽然它们具有相同的结构形式或结构特征，但效果、目的、技术路线截然相反。目前长距离输送天然气和石油存在着阻力损失大、能耗高的弊端。

另外，1955年，前苏联工程师尤特金发现大电流脉冲液体放电可以产生巨大的机械效应，并将其命名为《液电效应》，(科学出版社，1962)。液电效应在工业领域具有很大的应用前景，实现液电效应需要大电流脉冲发生装置。液电效应，也称电液压脉冲、电水锤、水电爆炸等。液电效应就是电能在水中放电时，瞬间转变为热、光、声、力等几种形式能量的过程。工业用电经过升压整流后充入电容器中储存起来放入水中，通过控制空气开关，在水中放电，形成爆炸。这时在爆炸中心可出现1000～10万大气压的高压力，形成强大的冲击波和每秒100米的高速水流。据测算，这种脉冲的功率最大可达100万千瓦。由于“水电爆炸”具有许多奇特的功能和惊人的本领，因而该技术已在工业、建筑、医疗、海洋开发等领域内获得了广泛的应用。本发明设计用一根电缆将放电电极安装在旋转椭球体密闭钢体中，两根电极共轴线并水平地穿过旋转椭球体上部的第一个焦点，通过脉冲放电，利用其产生的强大的冲击波作为动力源。该强力冲击波聚焦于第二个焦点处，此处为该放电工作腔产生的高压水射流的出口，也即自激振荡腔室的入口。正是液电效应技术可以把电能瞬间转化为水力机械能，从而实现能量转换的特点而备受人们的关注和赏识。该技术的特点是通过比较简单的技术途径就可利用液电效应产生一般方法难以获得的高压水。设备无运动件，发射频率和能量调节容易，且易于实现远程及自动化，安全可靠。

何谓“液电效应”？当对放置于液体中的一对电极施加脉冲高压时，电极间隙被瞬间击穿，产生强烈的电极火花放电，并伴生一系列显著的物理、化学、生物、机械效应的过程称为液电现象。从能量转换角度来看，液相放电是一个瞬时的能量转化过程。

图1为产生液电效应的基本装置电路图。当直流高压电压升高到辅助间隙3的击穿电压值时，辅助间隙3首先放电，于是电源电压突然加在主间隙2上，并使之随即发生放电。所以改变辅助间隙3的值，可以在相当大的范围内调节直流电源电压，因之，也就调节了放电电流和电水锤效应的强度。当主间隙放电时，在盛有液体的液电效应发生容器1内将发生液电效应激波。必须指出：要得到比较强的液电效应，必须使电流波形的波头很短，或者说使电流波形的陡度(di/dt)很大。在极限情况下，如电流波头长度为零(即陡度为无穷大)，则电流由零升到最大值所需时间为零，当电流最大时，液体还未来得及汽化，即“蒸汽垫”的厚度为零，同时因为放电通道截面的变化是和流过的电流值成比例的，所以液中放电通道截面向外扩展的速度也为无穷大，这样，必定要呈现极为强大的机械效应。此时产生的冲击波是向外扩展的。这种由于放电通道向外扩展而形成的冲击波，叫做主冲击，或称第一液力冲击。

放电停止以后，由于放电通道所形成的液中空腔，将以超声的速度闭拢，形成第二次液力冲击，或者叫做空腔冲击，也称空隙冲击。这一冲击波显然是由内向外的，它也会造成很大的机械效应。为了使第二液力冲击的效应强烈，显然必须使此时已经形成的蒸汽数量极微才行。为此要求放电电流的全部波长越短越好，这样在放电完毕之后，液体仍未来得及汽化多少。某些电路产生的电流波形由最大值起可能是按指数规律下降的，它在理论上要无穷大的时间才能降到零值。为了比较电流波尾下降的快慢，通常采用所谓波尾长度，它是指由电流始点起到电流降到1/2最大值所需的时间。因之，电流波的波尾长度越小，则第二液力冲击就越强。实际上，随着电流波尾长度的减小，第一液力冲击将加强。要增大电流的波头陡度并减小波尾长度，需要使放电电路中的电感Z和电阻R越小越好，主间隙的极间电容及电导也越小越好。因此，尽量缩短放电电路的总长度及减小其所包围的面积，对于产生强烈的电水锤效应来说，乃是很必要的。总结上述，液电效应的产生，需要四个必要条件：①辅助间隙；②大的电流幅值；③大的电流升高陡度；④短的波尾。只有掌握了这四点，才能够顺利地产生液电效应。

顾名思义，激波是由于在水或液体中发生放电后产生水锤而发生的。因此，有必要探讨液体中放电的液电效应特性。一般来说，从液电效应看液体可分为两大类，一类是绝缘油或化学性纯的水；另一类是离子性导电液，如一般水或其含有电解质的溶液。即使是后一类液体，由于当波头极陡的冲击电压波使之击穿时，离子根本来不及运动多少，所以也同样呈现出绝缘液的性质。因之两类液体都可以用来发生液电效应。当然在本发明装置上，自来水即可。虽然同样是液中放电，但满足四个必要条件的放电与不满足四个必要条件的放电，其所产生的效应完全不同。例如在一般情况下所进行的能够击穿100～150mm液层的强大的冲击放电，并不能产生什么显著的外部机械效应，不过液面有些轻微的波动而已，此时电容器中的电能绝大部分变成了热能(在导线中和液体中)和电磁辐射能，而极少变成机械能。但在满足了四个条件之后，虽然放电的功率比上述实验时为小，但同样长度的火花，却能将10～15L的液体掀到几米的高度，或者能使壁厚达16mm、容积达400L的有机玻璃制成的坚固水槽炸碎。而且它所发出的响声也要比以前大得多。可见此时电能直接转变为机械能，转换的效率可达30％或50％，详细的计算，这些计算公式(略)，也同样适用于液中放电。总之，要得到很高的瞬时压力，必须使放电的总能量足够大，放电的波头时间要短，放电的持续时间要短，同时液体的密度要高。这些要求在设计实用型液电效应动力装置时，都是不难达到的。由于电能主要转变为机械能，所以在主间隙放电时产生的热量是很少的。为了将液电效应集中到液体中某一区域可以用特制的反射器。即用来达到使冲击波“聚焦”之目的。

发明内容

本发明的目的是设计一种能综合利用水锤能量及增大管输系统的脉冲压力调节，以达到增输效果同时节约造价、降低成本的水锤发生装置。一种融合了水锤发生器和水锤消除器特点的独特的管道增输装置。

根据上述发明构思，本发明提供的技术方案是：

一种水锤发生装置，包括电液压脉冲发生装置、自激振荡腔室、球罐体和橡胶囊；所述电液压脉冲发生装置喷口与所述自激振荡腔室入口连通；所述自激振荡腔室喷口与所述球罐体上部中间位置连通；所述橡胶囊套设在所述球罐内；所述球罐体内壁与所述橡胶囊外部之间形成了缓冲腔；所述缓冲腔内填充有液体；所述橡胶囊呈椭圆形；所述橡胶囊两端与输气管道直贯通；所述自激振荡腔室内部形状类似于倒漏斗形；所述自激振荡腔室对称设置；所述自激振荡腔室与所述球罐体上部中间位置连通通道口呈喇叭口状；所述自激振荡腔室的中轴线与整个装置的中轴线重合；所述喇叭口状通道口边缘与中轴线之间呈25度夹角。

其中，所述电液压脉冲发生装置包括电液压脉冲发生器、工作腔、电极和喷口；所述电液压脉冲发生装置大体呈椭球体形，所述电极包括相对设置的正电极和负电极，所述正电极和负电极的对称点在椭球体内上部第一焦点位置。

其中，所述自激振荡腔室是轴向对称的多段曲率半径不同的腔室。

进一步的，所述橡胶囊与所述输气管道同轴。

进一步的，所述缓冲腔内填充的液体为水。

进一步的，所述橡胶囊的体积小于或等于所述球罐体体积的1/3。

进一步的，所述橡胶囊外表面凹凸不平设置。

进一步的，所述像胶囊外表面不规则的设置有凸起和凹坑。

进一步的，所述橡胶囊表面呈波浪形结构设置。

本发明的有益效果是：本发明装置在制作时，电液压脉冲发生装置、自激振荡腔室、球罐体和橡胶囊可以分别制作加工，然后再装配在一起，本发明结构简单，因此加工难度和成本都较低，且各部分更换简单，使用方便；特别是电液压脉冲发生装置的使用不仅保证了放电频率和放电能量连续可调，也保证了旋转椭球体电极工作腔的下端圆环喷口外表面与自激振荡腔室进口圆环外表面的定位配合精度得以实现，从而使得喷口中心线与自激振荡腔室中心线共线；自激振荡腔室出口外圆弧面与球罐体圆弧面的定位配合精度保证了出口中心线与自激振荡腔室中心线共线，亦即自激振荡腔室进口、自激振荡腔室、自激振荡腔室出口三者中心线共线。而且采用此种结构易于提高自激振荡腔室进口、自激振荡腔室、振自激振荡腔室出口三者中心线共线的精度。实验表明，自激振荡腔室只有自激振荡腔室进口、自激振荡腔室、自激振荡腔室出口三者中心线共线，产生的脉冲效果更强烈。此外，本发明中自激振荡腔室进口与自激振荡腔室出口等径设计，其出口喷嘴锥形碰撞壁的使用，有效地反馈了振荡压力波，因而脉冲效果好。本发明中自激振荡腔室进口孔壁、自激振荡腔室壁面、自激振荡腔室出口孔壁粗糙度Ra小于等于0.8，不仅减小了射流与壁面摩擦引起的能量损耗，也减小了振荡压力波传播过程中的损耗，从而使得出口射流能量更集中，脉冲效果更好。采用本发明后，在压力为20MPa时仍能产生良好的脉冲效果。

本发明中自激振荡腔室的设计，可以对从电液压脉冲发生装置喷口喷出的高压水射流转化为强烈的速度和压力“攀升”式的脉冲射流：出口水流的瞬时速度更高，出口压力的幅值可增大10％～30％。这是一种利用流体力学、流体共振、瞬变流、水声学等理论发展起来的新型高效脉冲射流。自激振荡腔体为回转体，该回转体有进口和出口，中间为振荡腔，依靠其自身所具有的对称的指数曲面内腔，(该回转体的内轮廓曲线是向内凹的高次方程曲线与直线段依次光滑连接而成)，而这种对称的指数曲面内腔是具有边界层理论和漩涡理论复杂度的腔室结构，它可以对高压水射流进行脉冲式的加强和深化，类似打出的组合拳，更加有力。它的工作原理，可简单地描述为液流穿过狭窄的喷口时，被加速，到达对称腔室被压缩然后再膨胀，冲出倒漏斗形的喷管，达到声速，这时的速度比进液的速度更高。不过其工作方式非常巧妙，类似经过编排。它利用了液电效应冲击波产生的剪切层的不稳定性、涡量扰动以及这种剪切层不稳定性对扰动的放大作用，和反馈这三个环节构成的闭环来产生振荡脉冲射流的原理，使得射流具有脉冲特性，从而改变了现有的传统的连续射流喷嘴所产生的射流状态，克服了现有连续射流喷嘴持续能量小的特点，有效提高了射流的瞬时打击力和有效喷射距离，即靶距。因此，本发明在这里采用自激振荡腔室结构具有能量大，瞬时打击力大的优点。其脉冲射流能量为E＝mCV，其中m为工作液体密度，C为工作液体的声速，V为射流出口速度)，故本发明的能量远大于现有喷嘴所能产生的持续能量；而连续射流引起的缓冲腔内的流场的脉动较小，仅为E₀＝1/2mV(E₀为持续能量，m为工作液体密度，V为射流出口速度)，影响橡胶囊的吸能效率及效能的输出，而自激振荡腔室可达到有效改善连续性水射流所造成的上述缺陷。它可以把连续射流转变成振荡脉冲水射流。提高射流的工作效率，并起到节能的作用。而且压力越高，效果越好。尤其适合在电液压脉冲发生装置所产生的射流中应用。该腔室具有结构简单、无运动零件、制造方便、容易安装、价格低廉等优点。此外，这种腔室产生的射流能增大缓冲腔内流场的脉动，改善缓冲腔的工作条件，在不改变现有设备和安装其他配件的条件下，可提高整个装置的效能输出。

这样本发明装置在工作时，缓冲腔内充入的高压水能够对橡胶囊里的气体进行挤压，直到水压与气压平衡为止。该腔室对橡胶囊装置进行的这种压力脉冲的调制作用与效果，使得橡胶囊装置的工作过程更加合理、高效、流畅，因此利于其更好地吸收电水锤能量。也就是说自激振荡腔室对峰谷型高压水射流进行调和后，能达到逐步改变水的流量和压力的效果，使得水流量的变化缓慢、平和，能够避免流量和压力的瞬时大幅度波动，但同时又使射流的瞬时打击力和靶距得到有效提高，从而避免流量和压力的波动对橡胶囊装置的橡胶膜造成破坏性伤害，同时还能避免流量和压力变化时引起的设备振动问题。

再一，本发明使用电液压脉冲发生装置具有一次放电就产生多次空腔冲击的特性，这种特性的应用，替代了现有的水锤效应发生装置中设置的活塞及弹簧的作用，能源利用率最高，也使电液压脉冲效应与效能得到了最充分的发挥；其缓冲腔内用水而非气体作为压能传导介质，在椭球体形状的橡胶囊上施加使之扁平化的作用力，球罐内水压的稍稍变化就会对橡胶囊的压力平衡带来显著的影响，因此整个系统此时的反应将更加灵敏，也就是说，此种方式将更加高效和便捷，可更好地保证不间断地密集使用。因此本发明易于使输气管道形成“脉冲流”，可使输气管道内达到脉冲增压之效果，让管输系统节能降耗，防蜡防垢，减阻增输，甚至逆转造成管道能耗较高的因素，达到了在关键能力方面、在关键技术方面发挥关键作用之目的。最终可达到兼顾压力输出稳定性，低成本，无负压水锤闭环运行之目的。该装置的优点之一就是“低成本的不间断使用”。

再一，本发明虽是水锤发生装置，由于本发明专利具有缓冲腔，且缓冲腔内填充水，水具有一定的可压缩性，因此当水锤来袭时，还可以作为水锤消除器使用。

再一，本发明装置无运动件，整个装置体积小巧，结构紧凑，造价低，易安装，易更换，易于生产和使用。与现有技术的产生和利用水锤效应的装置相比，拥有实用性好且性价比高等优势。基于“绿色”、低成本、简单、对外界环境无依赖的使用条件和具有商业前景。

附图说明

图1是背景技术中液电效应原理图；

图2是本发明结构示意图；

图3是像胶囊外表面不规则的设置的凸起和凹坑示意图。

图4是橡胶囊表面呈波浪形结构设置的示意图

电液压脉冲发生装置1、自激振荡腔室2、球罐体3、橡胶囊4、缓冲腔5、第一焦点、第二焦点。

具体实施方式

一种水锤发生装置，包括电液压脉冲发生装置1、自激振荡腔室2、球罐体3和橡胶囊4；所述电液压脉冲发生装置1出口与所述自激振荡腔室2入口连通；所述自激振荡腔室2出口与所述球罐体3上部中间位置连通；所述橡胶囊4套设在所述球罐内；所述球罐体3内壁与所述橡胶囊4外部之间形成了缓冲腔5；所述缓冲腔5内填充有液体；所述橡胶囊4呈椭圆形；所述橡胶囊4横向两端伸出球罐体3与输气管道连通；所述橡胶囊4与所述球罐体3密闭连接；所述自激振荡腔室2外部形状类似于倒漏斗形；所述自激振荡腔室2对称设置；所述自激振荡腔室2与所述球罐体3上部中间位置连通通道口呈喇叭口状；所述自激振荡腔室2的中轴线与整个装置的中轴线重合；所述喇叭口状锥形扩张角为40～70度；其中电液压脉冲发生装置1与自激振荡腔室2的空腔内同样填充满水。本发明橡胶囊4外设置球形罐体，而不像常规的设置成圆筒形，是由于经试验球形罐体的承压能力远大于圆筒形罐体，球形罐体的承压能力比圆筒形容器大1倍，而且球罐体3的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。因此球罐体3制造，可大幅度减少钢材的消耗，一般可节省钢材30％～45％。即可以缩小系统尺寸又可节省大量原材料，从而使造价更便宜，而且球罐体3还能减少水能和热能的损失。

进一步的，所述喇叭口状通道口边缘与中轴线之间夹角呈25度夹角。

其中电液压脉冲发生装置包括电液压脉冲发生器、工作腔、电极和喷口。本发明工作腔，放电设置在旋转椭球体内上部第一焦点6位置，这样放电能量产生的冲击波以球面波扩散，通过椭球体空腔内壁折反射聚焦第二焦点7，能产生高压水射流并从位于第二焦点7喷口处喷出。自激振荡腔室将电液压脉冲发生装置喷口射入的高压恒定射流通过自激振荡腔室调制变为脉冲射流，然后从自激振荡腔室喷口喷出。下喷口与球罐体相连，由于橡胶囊是套设在球罐内，球罐体内壁与橡胶囊外部之间形成了缓冲腔，缓冲腔内填充有液体，橡胶囊呈椭圆形，橡胶囊两端与输气管道直贯通。这样经自激振荡腔室调制后的高压脉冲射流射入缓冲腔内的相对静止的液体，产生能量交换，使缓冲腔内的液体产生脉动并高效作用于橡胶囊。

进一步的，所述的自激振荡腔室的指数曲面最大直径为其进口直径的3倍；所述的自激振荡腔室的进口表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的自激振荡腔室内曲旋转面的表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的自激振荡腔室的出口表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的旋转椭球体电极工作腔的下端喷口圆环外表面与自激振荡腔室进口圆环外表面的定位配合精度为H6/h5；所述的自激振荡腔出口外圆弧面与球罐体圆弧面的定位配合精度为H6/h5。

进一步的，所述橡胶囊4与所述输气管道同轴，橡胶囊4与管道通过法兰连接，法兰部位使用阻尼垫片和阻尼螺栓，可进一步控制、减小振动与噪音。

进一步的，所述缓冲腔5内填充的液体为水。

进一步的，所述橡胶囊4的体积小于或等于所述球罐体3体积的1/3。橡胶囊4的大小可根据需要进行优化设置。

进一步的，所述橡胶囊4外表面凹凸不平设置。所述像胶囊外表面可以不规则的设置有凸起和凹坑；所述橡胶囊4表面也可以呈波浪形结构设置。橡胶囊4外表面这样设置能够有效增加与水击波的作用面积，因此能有效吸收球罐体3内水压变化而产生的能量冲击，并能达到控制和消除振动与噪音的效果，同时可延长橡胶囊4的使用寿命，保证橡胶囊4的使用稳定性。

本发明采用电液压脉冲发生装置1作为动力源和激励源，工作介质采用水，本发明的水锤发生装置在工作时，电液压脉冲发生装置1提供动力，然后水射流经自激振荡腔室2后进入球罐体3内，然后挤压橡胶囊4。由于自激振荡腔室2与球罐体3连接口呈喇叭口状，水射流经过该自激振荡腔室2的“调和”作用后，液体喷射到球罐体3内时呈扇形分布，类似“花洒”，对橡胶囊4上部表面作用面积会更大，能避免呈小股射流状和液弹对橡胶囊4造成局部集中冲击而受损。自激振荡腔室2利用流体力学中边界层理论和漩涡理论，在不需要任何外加辅助装置的条件下，自激振荡腔室2的这种几何形状特定的边界条件将连续射流转变为脉冲射流，当自激振荡腔室2的高速射流经自激振荡腔室2入口向下游流动进入轴对称腔室时，自激振荡腔室2的空腔内充满静止状态的液体，高速射流与周围静止液体出现紊流混合，产生能量交换，形成不稳定剪切层，由于射流速度大且剪切层的不稳定性，剪切层周围的流体被夹带形成轴对称漩涡，通过不稳定剪切层的选择放大作用，剪切射流中一定频率范围内的涡量扰动在自激振荡腔室2腔室内得到放大，形成大尺度涡环结构。剪切层形成一连串离散涡环，与下游碰撞壁碰撞后产生压力扰动波并向上游反射(以声速向上游传播)，在上游又诱发新的涡量扰动。若分离区与碰撞区的压力扰动相互为反向，就会形成涡量扰动---放大---新的涡量脉动产生的循环过程，导致自激振荡腔室2内流体阻抗发生周期性变化，从而完成对射流的“完全阻断”、“部分阻断”及“不阻断”的调制过程，该过程不断重复，最终通过自激振荡腔室2的射流就会转变成强烈的脉冲射流。也就是说自激振荡腔室2借助边界层理论和漩涡理论，能够实现对高压水射流的先缓冲后能量补偿之作用，而且这种作用具有一定的频率(频率几十到数百不等)，因而使得该装置的电液压脉冲发生装置1——自激振荡腔室2——缓冲腔室5——橡胶囊4——管道更加链条化。由于橡胶囊4内的气体具有可压缩性能好的特性，橡胶囊4的壁面亦具有弹性，具有良好的可膨胀与收缩之特性，因此，作为系统主导或支配力量，稍小的电液压脉冲放电能量，由于自激振荡腔室2的压力“攀升”的作用，能获得射流较大的瞬时打击力和有效喷射距离，此时射流的压力幅值得到跃升，流场更加脉动，从而易于使缓冲腔5内的压力达到巅峰，从而利于打破缓冲腔5和橡胶囊4之间脆弱的压力平衡。由于该射流属于水力脉冲空化射流，从喇叭口状的出口射进缓冲腔5室内，产生水力脉冲、水力空化和瞬时负压三种效应，将连续稳定的液体流转换为脉冲谐振流动液体；将脉冲谐振流动液体高速射入相对静止的液体中，产生空化现象并形成空化流；以波动压力的方式冲击橡胶囊，从而改变缓冲腔5室内的流场及橡胶囊的受力状态，使得橡胶囊4装置的工作过程更加富有弹性和韧性，更加富有张力维度，从而强化了整个装置的效能，使整个装置的能效得到提升。

所述喇叭口状锥形扩张角为40～70度，经调制的高效脉冲射流经此喷口喷射进球罐体3内时液流呈扇形分布，类似“花洒”；当放电空腔闭拢时，强大的吸力使缓冲腔5内的水流经此锥形扩张喷口高速回流进放电工作腔，此喇叭口状锥形扩张角的设置，可大大减小液流阻力，利于流体快速流动，从而有效抑制整个装置震动与噪音的产生。

另外，当水锤来袭时，本发明专利的水锤发生装置可以作为水锤消除装置使用。由于本发明专利具有缓冲腔5，且缓冲腔5内填充水，水具有一定的可压缩性，因此当水锤来袭时，管路内的水流在水锤的高压能量作用下回击进入水锤发生装置，此时，橡胶囊4在水锤高压的作用下迅速膨胀，吸收并削弱突然停泵等因素导致管路内水流速度激变引起的水锤，同时，缓冲腔5内的水被迅速压缩，而且这个缓冲腔5是与上部的两个腔室是贯通的，此时都转换角色成为缓冲腔5，进一步缓冲水锤的作用力，抑制水流升压，并保护橡胶囊4，防止其形变过度；随着水锤波的振荡，橡胶囊4与缓冲腔5内的液体不断反复膨胀和收缩，吸收并削弱突然停泵导致的管路内水流速度激变引起的水锤；而当水锤消失后，则橡胶囊4恢复形变。因此该发明既具有水锤发生器的特征同时又具有水锤消除器的功用。可串联应用于气管道、生产、生活及消防给水设备及其他输送流体为目的的管路系统。尤其在天然气和石油的长距离管输应用方面，清防蜡垢，解堵，减阻增输，可大幅降低稠油泵的电耗，起到增压运输之作用。

本发明具有如下效果与优点：

(1)本发明采用球罐体这种最小腔体的优化设计结构，最大程度地减少腔体无效空间，减少由于液体压缩带来的流量损失和能量消耗，因而使得该装置有着较高的使用功效；

(2)本发明采用自激振荡腔室结构设计，是从发挥水射流潜力的方向来提高喷嘴的射流压力，在相同条件下与常规的连续射流相比，自激振荡脉冲射流喷嘴的峰值压力、冲蚀体积和射流的有效靶距均能够得到明显的提高，其冲击压力能够达到一般连续射流的数倍，在本发明装置中的缓冲腔内对橡胶囊施加压力作用时具有诸多优势。从而克服了现有连续射流喷嘴持续能量小的缺点，提高了射流的瞬时打击力和有效喷射距离(靶距)，因而可大大提高橡胶囊的工作能效。其最大的优点是，能够有效降低电液压脉冲发生装置的放电能量。达到节约电能之目的。此外，该腔室结构还具有结构简单、体积小、可靠性高、成本低廉、磨损低、能耗小、工作特性范围广等优点。

(3)本发明中橡胶囊的流线型结构设计，橡胶囊直贯通连接于管道中，保证了气体输送的连续性，故大大地提高了工作效率，充分体现了节能环保的特点。而传统的输气管道脉冲增压运输装置，能耗较高，能量利用率较低。此种脉冲增压可大大提高气体传输效能，可获得大流量、高效率的气体增输效果。本发明装置可单独使用，也可间隔一定距离再安装一台(套)，进行多个串联使用。而且输气、输液管道均适用；

(4)采用电液压脉冲装置作为动力源和激励源，该装置的关键能力是，它不需要高压水泵等庞大的机械设备就能在消耗电能不大的情况下产生“水电爆炸”的冲击波和高速水流，同时又没有粉尘和噪音污染。且压力和脉冲频率易于调节，便于实现远程及自动化。而且利用电液压脉冲装置利于自激振荡腔室效能的发挥，因为该腔室最大的优点是压力越高效果越好。而采用其他常规方法则成本高、效率低；

(5)缓冲腔内的工作介质是水而非压缩空气，可以充分发挥液体的脉动性能。系统工作时，水进入球罐体内的缓冲腔后挤压橡胶囊。由于发生水锤效应的地方为球罐，水锤效应做功主要发生在橡胶囊上，极大的提高了水锤效应的做功率，输出的动能较大。与传统的压力罐相比，用自激振荡腔室的“弹力”代替了压缩空气，替代了活塞和弹簧的适配作用，杜绝了压力罐中的缓冲气囊因为漏气及压缩空气热胀冷缩导致的无法稳压问题；球罐体与其内部的橡胶囊集成在一起密闭后，只与上部的自激振荡腔室的出口连通，这大大降低了对电液压脉冲动力系统的适配难度和整个系统装置的适配难度。而且球罐内水压的稍稍变化就会对橡胶囊的平衡带来显著的影响，因此利于使管输系统产生水锤效应。

(6)本发明将电液压脉冲发生装置与自激振荡腔室的搭配使用，二者搭配产生的射流，出口压力的幅值较之常规的连续射流可增大10％～30％，这使得缓冲腔内产生强烈的水力脉冲、水力空化和瞬时负压三种效应，不仅大大地改善了动、静水体的混合条件，增强了缓冲腔室内水体的紊动，提高了对流扩散能力，增大了橡胶囊的受服务面积，从而改变缓冲腔室内的流场及橡胶囊的受力状态，使缓冲腔室内的流场瞬时动压成倍增高，而且该自激振荡腔室的喇叭形出口处于橡胶囊的正上方并抵近橡胶囊的顶部工作面，利用这种脉冲特性与效应来增大边界区域的推动性和服务面积，能量的转化效率更高，从而大幅度地提升橡胶囊装置的工作效能。这是本发明最重要的特征与特性。因此，本发明的具体实施方式具有结构简单、能源利用率高、安全可靠、无污染、移动灵活、使用及维护简便、对橡胶囊施压效果好和适用于管道增压运输的特点。

最后应说明的是：上述实施例仅为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。

Claims (10)

1.一种水锤发生装置，其特征在于，所述水锤发生装置包括电液压脉冲发生装置、自激振荡腔室、球罐体和橡胶囊；所述电液压脉冲发生装置喷口与所述自激振荡腔室入口连通；所述自激振荡腔室喷口与所述球罐体上部中间位置连通；所述橡胶囊套设在所述球罐内；所述球罐体内壁与所述橡胶囊外部之间形成了缓冲腔；所述缓冲腔内填充有液体；所述橡胶囊呈椭圆形；所述橡胶囊两端与输气管道直贯通；所述自激振荡腔室内部形状类似于倒漏斗形；所述自激振荡腔室对称设置；所述自激振荡腔室与所述球罐体上部中间位置连通通道口呈喇叭口状；所述自激振荡腔室的中轴线与整个装置的中轴线重合；所述喇叭口状通道口边缘与中轴线之间呈25度夹角。

2.根据权利要求1水锤发生装置，其特征在于，所述电液压脉冲发生装置包括电液压脉冲发生器、工作腔、电极和喷口；所述电液压脉冲发生装置大体呈椭球体形，所述电极包括相对设置的正电极和负电极，所述正电极和负电极的对称点在椭球体内上部第一焦点位置。

3.根据权利要求1或2所述的水锤发生装置，其特征在于，所述自激振荡腔室是轴向对称的多段曲率半径不同的腔室。

4.根据权利要求3所述的水锤发生装置，其特征在于，所述橡胶囊与所述输气管道同轴。

5.根据权利要求1、2或4的水锤发生装置，其特征在于，所述缓冲腔内填充的液体为水。

6.根据权利要求5述的水锤发生装置，其特征在于，所述橡胶囊的体积小于或等于所述球罐体体积的1/3。

7.根据权利要求1、2或6所述的水锤发生装置，其特征在于，所述橡胶囊外表面凹凸不平设置。

8.根据权利要求7水锤发生装置，其特征在于，所述像胶囊外表面不规则地设置有凸起和凹坑。

9.根据权利要求1、2、6或8水锤发生装置，其特征在于，所述橡胶囊表面呈波浪形结构设置。

10.根据权利要求9水锤发生装置，其特征在于，所述的自激振荡腔室的指数曲面最大直径为其进口直径的3倍；所述的自激振荡腔室的进口表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的自激振荡腔室内曲旋转面的表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的自激振荡腔室的出口表面粗糙度Ra小于等于0.8；所述的旋转椭球体电极工作腔的下端喷口圆环面与自激振荡腔室进口圆环面的定位配合精度为H6/h5；所述的自激振荡腔出口外圆弧面与球罐体圆弧面的定位配合精度为H6/h5。

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