CN87107787A

CN87107787A - 水锤装置

Info

Publication number: CN87107787A
Application number: CN198787107787A
Authority: CN
Inventors: 伊佐森荣; 平野阳彦; 平山八彦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-03
Filing date: 1987-09-30
Publication date: 1988-06-08
Also published as: ES2005375A6; WO1988002445A1; AU8075987A

Abstract

本发明的水锤系统结构紧凑，采用了冲击波阀用以引起水锤现象并将水泵送到高处。形成的位能可用于发电，从而为电站的布置提供了灵活性。

Description

本发明涉及一种利用水管中的水锤作用产生的压力滤的水锤装置。

普通的水锤装置可用于引起水锤力，将径流水提升到具有高水头的高处水库中。这种类型的水锤装置的缺点是布置不灵活，因为相对其扬水量来说所采用的外廓形状须占据大的空间（《机械工程手册》第六版，日本机械工程协会编，第9-62页第9章水力机械）。

本发明的目的是提供一种能克服上述缺点的水锤装置。

本发明的另一目的是给水力发电站提供采用水锤的方法和不受地域限制的机会。大多数的水力发电是靠在河道上建立高水头的拦河坝并在其附近建立水电站实现的，因而电站的布置受到地域的限制。

常规的抽水蓄能电站将排掉的水用电泵抽到具有高水头的上游水库，要消耗相当大量的电能。因此，本发明的又一个目的是提供采用这种水锤装置的发电站，能以最少的能量消耗进行抽水蓄能。

为实现上述发明目的，本发明的水锤装置由用以产生冲击波的冲击波控制阀、与该冲击波控制阀相联用以传导冲击波的水管和布置在该水管中途的允许冲击波可从该水管传至下游的单向阀组成。此外，本发明的水锤系统还包括位于该单向阀下游的高压箱，用以对这样的冲击波蓄能，和接在该高压箱下游的压力调节阀，用以对这样的压力箱中任何超过预定值的压力卸压。着眼于本发明的另一目的，一种具有该水锤装置的发电站也涉及到了，它包括用以产生冲击波的冲击波控制阀，与该冲击波控制阀相联用以传导冲击波的水管和布置在该水管中途的允许冲击波从该压力水管传至下游的单向阀。此外，该发电站还使用设置在该单向阀下游的高压箱，对冲击波蓄能，用接在该高压箱下游的压力调节阀对压力箱中任何超过预定值的压力卸压，以及用发电装置将该压力调节阀的弃水转换为动力源。

图1是本发明的一种抽水蓄能电站实施例的管线布置平面图。

图2是图1中的实施例的侧视图。

图3是一种冲击波控制阀的剖视图。

图4是一种与流量控制阀相联的单向阀的剖视图。

图5是一种蓄水箱的俯视图。

图6是沿图5中A-A线的截面图。

图7是沿图5中B-B线的截面图。

图8是一种阀的剖视图。

图9是一种阀致动器的示意图。

图10是凸轮的透视图。

图11是冲击波控制阀1和2的另一种实施例的示意图。

图12是图11中的阀1和2的局部剖视图。

下面结合附图对本发明的一个实施例进行说明：

图1和图2表示一个抽水蓄能站，它包括两套相同的安装在海床上的按照本发明的水锤装置。加有撇号“′”的标号与不加撇号的标号相同。冲击波阀1、2、3、4、1′、2′、3′和4′、都具相同的结构，如果它们突然关闭，可在一条长压力水管上产生水锤现象。从图3可以清楚看出，冲击波阀1呈圆柱状，带一个扩散端，它包括压盖式扩张阀1a和阀座1b。扩张阀1a允许海水流入水管，但一旦关闭就要出现水锤现象。扩张阀1a具有相同形状的衬板1c，它在整个相应的接触面上都是用耐磨材料制的。冲击波阀1还采用了一个提升阀5，通过导向件1d使扩张阀1a运动。导向件1d作为限位件起控制扩张阀1a排量的作用，通过保持扩张阀1a和阀座1b间某个给定的间距它允许一定量的海水流过。提升阀5由缸体5a和活塞5b组成。活塞5b与扩张阀1a连成一体。提升阀5在缸体5a下端处与空气供给管6相联。该空气供给管6导入压缩空气以升高活塞5b，从而将扩张阀1a打开。在靠近缸体5a上端设有一个排气阀7，以允许压缩空气排走，从而活塞5b可以回到缸体5a下端处的原始位置。排气阀7具有一个孔7c，它通常由靠在弹簧7b上的球7a关闭着。如果活塞5b上升到其上部位置，其横向外缘将会把球7a从孔7c处推开，让压缩空气通过孔7c自由流过。随之而来的是，如果压缩空气通过空气供给管6送入提升阀5，扩张阀1a将与阀座1b分开并停在图上实线表示出的打开位置。当压缩空气由排气阀7排走时，扩张阀1a将移到图中虚线表示的关闭位置，这将引起外部压力（水压）的变化。

本发明的上述实施例表示出了一个双管线布置方案，每条管线包括四个冲击波阀1、2、3、4或1′、2′、3′、4′，它们与钢管10、10′或与支管11、11′以两个阀门对应一条管线的方式相联。为便于理解，下面对一条具有水锤装置的管线进行说明。四个冲击波阀1、2、3和4是按递增1/4周期相位差的方式排列的，这就缩短了发生水锤现象的周期，可以获得较高的效率。为保证由冲击波阀1、2、3或4中的一个引起的压力波顺利进入另一管线而不造成任何压力损失，每个冲击波阀1、2、3和4上都接有一个单向阀（15、16、17或18）。单向阀15、16、17和18具有相同的结构，能按给定的方向打开并让压力波传至下游。

图4表示出了单向阀15，它包括进水口151、打开和关闭进水口151的阀152，和将该阀152压靠在进水口151上的弹簧153。弹簧153装在阀座155内并由支柱154支持住，同时阀152是用弹簧153通过调节螺丝156调到某个自由选定的给定压力值从一侧加压的。此外，在进水口151和阀152之间还装有阀座157以形成有效的密封。由于冲击波阀1是与单向阀15的进水口151相联的，由冲击波阀1引起的压力波从对着弹簧153的方向压向阀152，从而将进水口151打开，进而通过阀座155的侧面传至下游。其余的冲击波阀2、3和4也是按类似的方式与单向阀16、17和18联接起来的。

如图4右侧所示的那样，在靠近单向阀15处装有一个液流控制阀30，它与联在冲击波阀1上的管线贯通。液流控制阀30由打开或关闭出口301的阀302、将阀302压向出口301的弹簧303和阀体304组成。并非由冲击波阀1引起的整个冲击波都通过了单向阀15，由于单向阀15不能吸收全部液流，会有某些反射波作用在阀1上。这样的反射波会干扰由冲击波阀1产生的后续冲击波，削弱这些后续的冲击波。为此，设置了液流控制阀30以释放剩余的冲击波，从而避免反射波的不利影响。此外，装在液流控制阀30中的弹簧303的强度要做得小于装在单向阀15中的弹簧153的强度。其余的单向阀16、17、和18也用类似的方式与具有相同结构的液流控制阀联接起来。

由冲击波阀1、2、3和4引出的空气供给管6通过阀20、21、22和23与管线25联接在一起。压力管25通过贮气罐26与空气压缩机27联接在一起。空压机27排出的压缩空气调节到给定的贮气罐26中的压力，然后随着阀门20、21、22和23的打开或关闭送入冲击波阀1、2、3和4。如图8所示，阀20、21、22和23具有四套球阀20a、21a、22a和23a，它们并排布置在一起。这些球阀顺序转动，一旦它们处在图上球阀23a的位置时，空气进口就接受从管线25来的压缩空气并通过空气出口将压缩空气排至空气供给管6。球阀靠图9所示的阀开启机构转动。球阀20a、21a、22a和23a与球阀臂20b、21b、22b和23b相联，而这些球阀臂又与凸轮臂20c、21c、22c和23c相联。球阀可随球阀臂的转动开启或关闭。此外，凸轮轴200上固定有凸轮201、202、203和204。从图10可以看出，凸轮具有沿凸轮轴200轴向延伸的升程201a，同时凸轮201、202、203和204在凸轮轴上是按一定的角度关系定位的，即凸轮升程相对于凸轮轴200的转动方向相互错相90°。随着凸轮轴200的转动，凸轮升程使凸轮臂20c、21c、22c和23c顺序沿凸轮轴200发生位移，从而打开阀门。凸轮轴由电动机（图上未画）驱动。电动机和压缩机27由邻近压缩机27的中央控制站控制。

水管10通过单向阀40和高压箱41与压力调节阀42相联。类似于单向阀15的单向阀40用于将冲击波阀1、2、3或4产生的冲击波传递到高压箱41中。一个液流控制阀设置在靠近单向阀40的上游处，另一个是按与单向阀15相同的方式布置的。这样由水锤现象产生的压力能就积蓄在高压箱41中。接在高压箱41下游处的压力调节阀42设计成压力箱41中的压力升至预定值时才打开，由此通过下游水管10将高出预定值的压力卸去。

在一种替换方案中，阀20、21、22和23可用由一个气缸和相应的活塞组成的气动活塞致动器开启或关闭。气缸上的四组孔顺序与活塞上的配合孔相通，将阀门依次打开或关闭。活塞可用现成的由管线25供给的压缩空气驱动，或由从冲击波阀出来的排气驱动。

水管10进一步还与高处的水箱50联接。如图5-7所示，水箱50包括一个外壁501和一对上下透平机组502和503，透平机组是垂直布置的。透平502和503的每一台都用设在其垂直轴504和505上端和下端的推力轴承可旋转地支承着。位于中间的推力轴承是用固定梁506固定就位的。水可通过水管10从顶部流入储水箱50，在水箱中向下流动，同时使透平502、503向右旋转，然后通过出水口507排走（图5）。水流通过储水箱50的出水口507排走前，由于透平502和503的旋转和惯性力的作用其压力头已转换成为速度头。此外，空气还可通过吸入管508进入储水箱50中部，提高箱中水流的旋转速度。与出水口507相联的加速系统51由一个收缩锥管511和一个空气吸入管512组成，以对离开出水口507的水流加速并增加溶于水中的氧的浓度。

储水箱50通过加速系统51和水管52与主发电机53相联。主发电机53也和由另一水锤系统延伸来的水管52′相联，使发电机53加速。

离开主发电机53的水通过水管54流入下面的辅助发电机55。发电机53和辅助发电机55间的水头产生的动能由于辅助发电机的作用转换成了电能。离开辅助发电机55后，水流入一个养鱼池56，然后又流到一个压缩机27。一经启动器启动之后，象电动机、压缩机27一类的机器就在以水头的形式储存起来的能量的作用下不断运转起来了。

图11示意地表示出了本发明的冲击波阀1和2的另一实施例，图12同时表示出了图11所示的阀1和2的局部剖视图。如图所示，设置了一对冲击波阀1和2，并包括枢接在平衡臂300端部的可动阀1a和2a。作为转动杆，平衡臂300的中部用枢轴支承在支柱302的顶端。支柱302的底部是牢固固定的。此外，平衡臂300还有一对缓冲系统304，它们布置在臂的中间。每个缓冲装置304都是由活塞306和气缸308组成的空气缓冲器，起到防止平衡臂300运动过快而对可动阀1a和2a造成明显损害的作用。

如图12所示，每个可动阀1a和2a都通过外伸连杆310和连杆312与平衡臂300联接起来的。外伸连杆310装在可动阀底部，用枢轴与接杆312的一端联接。平衡臂300的端部用枢轴联在接杆312的另一端。这样，平衡臂300引起的可动阀1a和2a的横向外伸运动就受到缓冲，而进行垂直运动。

冲击波阀1的排气阀7通过单向阀320与相匹配的冲击波阀2的空气供给管相联。冲击波阀2的排气阀7通过单向阀322也作了类似的布置。这样，从冲击波阀1和2排出的空气得到重新利用，有助于推动可动阀1a和2a，从而减少了压缩空气的供给量。

可动阀1a和2a具有孔314和315以及相应的转动板316和317，包括装在转动板上端的铰链316a和317a。转动板316和317的尺寸略大于孔314和315，仅能朝给定方向打开，而通常是装在铰链316a和317a上的螺旋弹簧的作用下受到朝关闭孔314和315方向的作用力的。板316和317可由皮革和其它又刚性既有韧性的材料制成。当可动阀1a和2a被向外推动时，转动板316和317在阀中水压的作用下受到向外的压力，从而与孔分开。在一种替换方案中，孔314和315以及相应的转动板316和317是布置在可动阀1a和2a底部平面部分上的。

下面结合一套水锤系统对本发明的抽水蓄能站进行说明。

接到中央控制站的控制信号后，阀致动器动作使阀20、21、22和23顺序打开或关闭，前一阀和后一阀之间彼此保持1/4周期相位差。如同四缸四冲程发动机中的点火指令一样，这些阀最好按1-3-4-2的顺序打开或关闭水管10。当阀20打开时，其余的阀21、22和23保持关闭。空气管25中的压缩空气通过空气供给管6送入提升阀5的气缸5a，使活塞5b上升。随着活塞5b被推高，扩张阀1a与阀座1b离开，腾出水流的空间。当活塞达到最高点时，活塞的横向外缘朝弹簧7b的方向顶开排气阀7的球7a。由于气缸5a中的压缩空气是通过孔7c突然排进排气阀7的，扩张阀1a迅速关闭以产生水锤现象。由冲击波阀1引起的冲击波通过单向阀15和支管11，如箭头所示的那样进入水管10。由冲击波阀1引起的冲击波由于单向阀16、17和18的作用没有散失地传到高压箱41。顺序地经过1/4周期相位差，冲击波阀3动作将冲击波送至高压箱41，冲击波阀4和2也依次动作完成一个循环，并且这样的循环又不断重复。在水管10中运动的冲击波通过单向阀40进入高压箱41，以增压的形式将能量积蓄起来。随着冲击波的不断出现，高压箱41中的内部压力逐渐升高。一旦高压箱41中的压力达到预定值，压力调节阀42就通过下游水管10卸掉过剩的压力。随着上述动作的不断重复，压力水将通过水管10上升到储水箱50，在透平机502和503的作用下水的压力头转化为速度头。通过加速系统51后，水流通过水管52进入主发电机53，发出电力。离开主发电机53的水通过水管54向下流动进入辅助发电机55，用水头形成的动能发出电力。离开辅助发电机55后，水被输入养鱼池56用以养鱼。流过储水箱50和加速系统51时溶解在水中的氧的浓度也增大。

〔试验〕

对本发明的水锤系统的提水能力曾进行过试验。

一对冲击波阀安装在高出水面4米的竖直高度处。每个冲击波阀体直径约508毫米（20英吋）并采用直径约254毫米（10英吋）的水管。这样的一对引自冲击波阀的管线又与一根向上延伸的公用排水管联接。

按照上述布置，该水锤系统产生的提水能力为：扬程25至30米，流量60升/秒，流速1.7米/秒。

如上所述，本发明的抽水蓄能站具有如下效果：

1）.发电成本较其它类型的电站低。需要的运行费用只有启动压缩机用的电费。避免了昂贵的建坝费用。

2）.绝无事故和污染的危险。由于不建坝，避免了发生灾难性洪水的危险或让自然河流改道。排出的水完全不会含有油或其它化学物质。

3）.可建造辅助电站以满足日益增长的电力需求，从而对地方工业的发展作出贡献。

4）.由于用海水发电，电站完全避免了降雨量季节性变化的影响，能产生恒定的电力输出，获取稳定的电力收费。

5）.这种电站对海-陆交接处的地貌没有任何要求。在防止海藻污染方面也特别有效。

6）.离开主发电机的水在进入鱼塘前先送入辅助发电机，这样就有效地利用了冲击波产生的位能。

此外，本发明如用于鱼塘养鱼和养海藻还具有一系列优点：

1）.从主发电机排出的水是经过增氧的，以保持溶于水中的氧的高浓度，可以达到最适于养殖的饱和点。

2）.高密集养殖以获得高产。

3）.由于连续使用海水或湖水而没有水污染。

4）.由于开发了海水或湖水，种类繁多的鱼和海藻均可养殖。

5）.廉价的电力生产和多种类的鱼类养殖可导致农村地区海产品的工业化生产和加工。

6）.可以建造水族馆之类的旅游设施，促进第三产业的发展。

Claims

1、一种水锤系统，包括：

用以产生冲击波的冲击波控制阀，

与所述冲击波控制阀相联用以传导所述冲击波的水管，

布置在所述水管中途的允许所述冲击波从所述水管传至下游的单向阀，

设置在所述单向阀下游用以对所述冲击波蓄能的高压箱，

联接在所述高压箱下游用以对所述高压箱中任何超过预定值的压力卸压的压力调节阀。

2、一种具有水锤系统的发电站，它包括：

用以产生冲击波的冲击波控制阀，

与所述冲击波控制阀相联用以传导所述冲击波的水管，

设置在所述单向阀下游用以对所述冲击波蓄能的高压箱，

联接在所述高压箱下游用以对所述高压箱中任何超过预定值的压力卸压的压力调节阀，

和将从所述压力调节阀排出的水用于发电的发电机。