用于在系统中将流体流动压力维持在预定的几乎恒定的水平处的方法和安排的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及用于在系统中将流体流动压力维持在预定的几乎恒定的水平处的方法和安排。一种应用是冲击式涡轮机的喷嘴阀(1)，该喷嘴阀将系统的压力自动维持成基本上恒定，从而使得其不取决于所泵送的流入物的偶然变化，其结果是来自喷嘴的射流也保持恒定并且其动能最优。早先已知的喷嘴在流入变化时并不独立地维持系统的压力。喷嘴阀(1)包括圆柱形本体(2)和入口通道(3)，并且流出被安排成穿过喷嘴通道(8)，该喷嘴通道位于该本体(2)的另一个末端处。在该本体(2)内有针体(4)，该针体的锥形头部可以在该通道(8)中震荡。针体(4)轴是由滑动元件(11)来引导的。隔膜压力蓄积器(6)被结合到该本体(2)的另一个末端上，从而使得该针体(4)轴末端借助于压缩弹簧(5)而压靠在其阀盘(10)上，该压缩弹簧的一个末端被压靠在针体(4)轴处的加宽部(12)上。在本体(2)中有通道(13)，流动可以穿过该通道来经过该滑动元件(11)并且行进穿过在盘(10)下方的通道(9)。当盘(10)被蓄积器(6)本体支撑时，针体(4)处于其最低位置处并且关闭流出通道(8)。当流入物压力增加时，阀盘(10)和针体(4)一起升高，并且通道(8)相应地打开，其结果是流动压力保持基本上恒定。
【专利说明】用于在系统中将流体流动压力维持在预定的几乎恒定的水平 处的方法和安排
[0001] 本发明根据权利要求1前序部分涉及一种方法，该方法用于将系统中的流体流动 压力维持在预定的、几乎恒定的水平处，而不取决于被栗送到该系统中的质量流的周期性 变化。
[0002] 本发明还涉及应用该方法的一种安排，该安排的典型特征被限定在权利要求5的 前序部分中。
[0003] 作为应用本发明的安排的一部分的喷嘴阀将流动转变成高压射流，该高压射流被 引导至冲击式涡轮机轮叶。本发明尤其适用于波浪能和反渗透系统。
[0004] 公开文件W0 2004099658 A1涉及一种涡轮机喷嘴阀，该涡轮机喷嘴阀的打开是通 过电动齿轮马达来调整的，并且其快速关闭是通过使用压力蓄积器来实现的。
[0005] 公开文件US 58322944和W0 9813633 A1涉及一种涡轮机喷嘴阀，该涡轮机喷嘴阀 的打开是通过电动齿轮马达来调整的。在后者中，阀门的快速关闭是通过使用压力蓄积器 来实施的。
[0006] 众所周知的是可以通过使用波浪能来栗送水。取决于风的条件，所栗送的质量流 偶尔改变。与常规的水力发电站相反，通过波浪能栗送的水不具有势能和所产生的恒定压 力。为此原因，必须特别地安排流动压力。典型的解决方案是在系统的流出处安装的节流 阀，以产生压力升高。这样一种阀门可以是冲击式涡轮机喷嘴阀，其同时将射流引导向涡轮 机轮叶。图la。
[0007] 在图2a和图2b中描述了与本发明类似并且用于培尔顿水轮机的早先已知的喷嘴 阀。当流动压力来源于水位之间的高度差时使用这种类型的阀门，在这种情况下静水压力 保持恒定并且不取决于流动穿过喷嘴的质量流的量。喷嘴口的横截面积可以通过移动在其 中的锥形针体来调整并且由此改变穿过其的质量流，但是由于恒定压力，射流速度保持不 变。射流速度是：
[0008] v = Cv · V (2gH)，其中Η(水头)是水压管的高度(m)，Cv是喷嘴系数~0.98。这个等 式意味着射流速度仅取决于压力，而压力在其自身方面取决于压管高度。
[0009] 在小发电站中，通常用手动机构来调整针体（图2a)，并且在较大的超过100kW的系 统中，通过调速器机构来调整针体，其中通过伺服电机压力油来实现针体的运动（图2b)。这 些机构的目的是调整进入喷嘴的质量流，从而使得流动与涡轮机负载相对应。射流的动能 Ev = (mv2) /2是根据质量流变量来变化的，并且涡轮机功率将因此改变。所以射流速度仅取 决于由水位差产生的压力。
[0010] 明显的是，用已经由电动或柴油栗加压的水来产生能量是没有意义的。这就是为 何上述阀门已经旨在与其中的水具有势能的水电站中的涡轮机一起运行。当喷嘴阀自身必 须维持进入其中的栗送质量流会偶然性地变化的系统中的压力恒定时它们是不被预期或 不适合的。
[0011] 与这些情况相反，根据本发明的喷嘴阀的运行原理仅仅是为了不取决于质量流变 化来独立地维持系统压力恒定。作为本发明的喷嘴阀的优选用途是利用了由波浪能栗送的 水以及反渗透废弃物所含有的能量的量。
[0012] 如果水压保持恒定，则射流速度保持恒定。例如，在以上等式中的50巴压力对应于 500米高的水压管。
[0013] 因为射流速度仅取决于压力，所以当压力保持恒定时，涡轮机功率Pmax=D · p与 质量流的改变呈正比例地改变，其中□是质量流并且P是压力。清楚的是，如果质量流和压 力同时下降，如在具有恒定口喷嘴的情况下，则功率大幅度地下降。
[0014] 流量和压力的同时变化就反渗透系统的运行而言也是成问题的，因为在反渗透模 块中的盐水压力一定比水的渗透压力高，其在海水的情况下超过36巴。所以在这些系统中 通常使用的恒定节流仅是当所栗送的流入量恒定时才可用。然而，用波浪能则永远不会处 于这种情况。在反渗透系统中，节流装置被安装在废弃物管(reject tube)中。废弃物是从 模块流出的盐浓缩物，并且流动节流喷嘴形成射流，将该射流引导至涡轮机(图lb)。
[0015] 从反渗透模块流出的废弃物可能含有70 % -90 %的初始栗送能量。
[0016]节流并且维持反渗透流动压力的装置例如可以是压力释放阀。然而，然后的基本 问题是在节流之后，废弃物所已经含有的能量损失了并且不能够在涡轮机中利用。在机械 操作的压力释放阀中的开启压力约是其关闭压力的两倍，这在反渗透系统中产生了问题。
[0017] 出于上述原因，必要的是使得流动节流阀中的压力在流入物偶然性地变化的情况 下也保持恒定。
[0018] 本发明的目的是产生一种方法和一种安排，其中喷嘴阀将系统中的流体流动压力 保持在预定水平处并且几乎恒定，而不取决于被栗送到其中的质量流的周期性变化。同一 喷嘴阀将流动转变成高压射流，从而例如将其引导至冲击式涡轮机轮叶。
[0019] 这个目的是通过在权利要求1中特征化的根据本发明的方法以及通过在权利要求 5中特征化的根据本发明的安排来实现的。
[0020] 本发明尤其适合用于维持反渗透系统压力并且通过使用培尔顿水轮机来利用其 废弃物的压力。于是淡水生产和通过废弃物力运行的冲击式涡轮机将具有最优效率。
[0021] 以下参照图la、图3a和图3b，对根据本发明的方法和安排进行了更详细地描述。
[0022] 喷嘴阀1包括中空且长的、优选圆柱形的本体2,该本体可以由若干个部分组装而 成，并且在该本体的另一末端处、在本体2轴线的方向上是喷嘴通道8,该喷嘴通道优选是锥 形的、具有圆形横截面，并且是穿过该喷嘴通道来安排流出的。进入到本体2中的流入是穿 过在本体壁中的通道3而发生的。
[0023] 出于清楚起见，本体2的通道8所位于的那个末端在下文中被称为本体2的下部部 分。
[0024] 通过针体4在本体2内侧的往复运动来打开和关闭通道8。针体是由基本上圆柱形 的轴和锥形头部来形成的，该锥形头部在通道中移动时通过改变其横截流动面积来逐渐地 打开和关闭通道8。
[0025] 当通道8关闭时，针体4头部与通道8口具有小的间隙。当通道8关闭时，其不必完全 密封，就足够基本上封阻穿过其的流动。本体2的与通道8相反的上部末端具有直接或通过 间接管14来结合到其上的压力蓄积器6,其方式使得进入块2的流入物还可以在蓄积器6的 阀盘10下方穿过通道9,该通道被形成在本体2与蓄积器6之间，并且针体4可以在通道9中轴 向地往复移动。滑动元件11被安装在本体2内以引导针体4轴。在滑动元件11外侧，在本体2 壁中存在多个凹槽或通道13,穿过这些凹槽或通道进入本体2中的流入物流可以穿过通道3 来传递至滑动元件11的另一侧并且继续行进至通道9并且因此到在阀盘10下方，该阀盘关 闭预加压的蓄积器6。图3b。凹槽或通道13还可以处于针体4轴中。
[0026] 开始时，当不存在流动时，针体4头部关闭通道8,并且于是针体4处于其最低位置 处，并且盘10被蓄积器6本体支撑。图3a。在这种情况下，针体4轴末端借助于压缩弹簧5压靠 在盘10上。弹簧5被张紧，并且其下部末端基本上被滑动元件11或本体2所支撑，并且其上部 末端被安装在针体4轴上的板12或被在轴处的加宽边沿所支撑。
[0027] 当液压栗开始将流入物栗送到系统中时，流动压力在本体2中升高，因为流动不能 够在针体4关闭通道时穿过通道8流出。针体4也不可以移动，因为其上部末端借助于弹簧5 压缩在阀盘10上，该阀盘关闭蓄积器6。为此原因，流动压力增加直到其超过蓄积器6中的预 加压的压力P〇,并且然后盘10由于影响其的上升力而开始升高。这个上升力是弹簧力Fs和 流动压力pl在针体4上产生的力之和。这个弹簧力将针体4轴末端始终保持基本上触碰盘 10。因为压力Pi高，有可能的是其可以在针体轴末端与盘10之间进入。在那种情况下，压力 Pl将试图将针体向下压，并且由此，弹簧力必须在所有情况下都大于这个向下的压迫力。
[0028] 随着锥形针体4头部与盘10-起升高，流出通道8打开并且其横截流动面积相应地 增加。图3b。通道8仅仅打开成使得穿过其的流动体积对应于压力p2那么大。在隔膜压力蓄 积器6中的气体压力p2和在阀门1中的流入物压力pl在所有运行流动情况下都基本上相同。 [0029]蓄积器6具有的气体压力越大，在p2与蓄积器6中的预加压的压力p0之间的差值就 越小。这是因为然后在蓄积器6中的由于针体4升高而造成的相对气体体积改变保持较小。 在达到蓄积器的运行压力水平时，最大运行体积改变应该小于蓄积器的体积的16%、优选 小于体积的9%。
[0030] 最大运行压力p2与气体预增压力pO的比率绝不可能大于蓄积器的由制造商给定 的通常为4:1的设计压力比率。
[0031] 在蓄积器(6)中从pO至p2的压力升高与其由于针体(4)升高而造成的气体体积改 变相反地成比例。可以根据最大运行流动体积通过选择P〇、蓄积器体积、针体(4)头部的锥 角和通道(8) 口的横截面来选择最大运行压力p2。
[0032] 由于针体(4)升高而造成的有利运行压力比率:p2/p0〈l. 1。
[0033] 通过这种方式，即便流动体积偶然性地变化，流动压力pl也保持几乎恒定，并且作 为这种情况的结果，在整个系统中的压力也保持基本上恒定。当流入物中断时，阀门1将系 统压力保持在水平P〇处。然而，对反渗透模块有益的是没有高度浓缩的盐水留在其中，并且 因此通道8可以保留轻微地打开。当用于反渗透系统时，在蓄积器6中的初始压力pO被选择 成大于待处理的盐水的渗透压。压力P〇基本上被设定至在整个系统中的运行压力所希望处 于的并且由阀门1提供的射流开始处于的水平。
[0034]根据流出通道8 口的圆形横截面积、在蓄积器6中的预加压的初始气体压力pO以及 针体4的最大运行运动来限定弹簧5力。弹簧力Fs必须是以下等式中较大的一个：
[0035] a)当针体4处于其最高运行位置处时，Fs = p2DA7
[0036] b)当针体4关闭通道8时，Fs = pO □ A7。
[0037] A7是在当前运行时刻下锥形针体4头部恰好在通道8 口处的垂直于其纵向轴线的 横截面积。因为在实践中，流动压力pl可以在针体4轴末端与阀盘10之间进入，所以为了使 针体4与阀盘10-起升高，使针体4上升的弹簧力必须大于将其向下压的压力pi所产生的 力。
[0038]然而，所需要的弹簧力相对较小并且与常规压力释放阀的弹簧力相比只是一小部 分。在根据本发明的解决方案中，针体4的运动是平滑且无摩擦的，并且作为压力pi的哪怕 最小改变尝试的结果其也快速移动，因此使得压力维持基本上恒定。
[0039] 针体(4)根据流入的改变而移动，这是因为当通道8口的横截面积保持恒定时在阀 门中的流动压力pl会升高或降低。根据本发明，在流动压力pl低于气体压力p2时，在蓄积器 6中的气体压力p2就立即向下推动阀盘10和由此的针体4,并且相应地，流动压力pi在其超 过气体压力 P2时就立即开始使盘10和由此的这个针体4上升。作为这种运动的结果，锥形针 体4头部和通道8 口之间的间隙会根据流动体积改变而改变，并且由此流动压力基本上保持 恒定。
[0040] 以此方式，系统压力和由此的通过喷嘴通道8的射流的这个速度基本上保持恒定。 当流动停止时，通道8关闭，这是因为在蓄积器6中的压力将盘10和锥形针体4头部推动到其 最低位置中。针体4头部不卡在通道8中，因为盘10运动停止在蓄积器6本体上，也使得针体4 的运动停止。
[0041] 针体4轴的上部末端被固定到阀盘10上的替代安排也是可能的。在那种情况下，弹 簧5即便有利，也不是强制性地。这种类型的安排需要特殊的压力蓄积器，其目前为止在市 场中没有。
[0042] 还可以的是，使用囊式蓄积器，而不是隔膜蓄积器6。然而，至于结构和运行方面， 这在实践中将不会优于隔膜蓄积器。
[0043] 例如在暴风雨条件过程中，流入物体积将比为系统设计的更大，并且由此系统压 力将超过其设计值。这种过量的流动和压力升高可以通过使用另一个阀门来避免，该阀门 以相同的原理运行并且在系统中被安装在阀门1之前并且被调整成以比所设计的最大压力 P2略微更大的压力来打开。
【主权项】
1. 用于不取决于被栗送到该系统中的质量流的周期性变化地将系统中的流体流动压 力维持在预定的、几乎恒定的水平上的一种方法，该系统包括至少一个压力蓄积器(6)和喷 嘴阀（1)，该喷嘴阀具有阀体(2)和在其轴向内侧的锥形针体(4)，该锥形针体用于打开和关 闭该喷嘴阀的流出通道(8)的口，并且该针体(4)轴是由被安装在该阀体(2)内的滑动元件 (11)来引导的，并且进入到该阀体(2)中的流入物能够穿过一个或若干个通道（13)来传递 至该滑动元件（11)的另一侧，并且该针体(4)借助于对其施加影响的力来轴向地移动向使 得该阀门（1)打开和关闭的方向，并且该针体因此来调整该流出通道(8) 口的横截面积，其 特征为以下步骤:通过该流动压力(Pi)和弹簧(5)-起在该针体(4)轴上产生第一力，该第 一力是向上趋于打开该阀门（1)的；并且通过在该蓄积器(6)中的预加压的初始气体压力 (pO)在该针体(4)轴上产生第二力，该第二力是向下的并且趋于关闭该阀门（1 )，由此，当该 第一力超过该第二力时，该针体(4)开始升高并且在该蓄积器(6)中的气体体积变得更小， 其结果是在该蓄积器(6)中的压力(p2)变得高于其初始压力(pO);并且选择该流出通道(8) 口的直径、该针体(4)的锥角以及该蓄积器(6)的体积来使得在最大流动下由该针体(4)升 高以及所导致的在该蓄积器的压力中的增加造成的在该蓄积器(6)中的气体体积中的改变 也是小的，由此其遵循在所提及的力之间的关系自动地调整该阀门的打开级别，使得该流 体流动压力(pi)保持接近于在该蓄积器(6)中预加压的初始压力(pO)。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征为，使该针体(4)上升的弹簧力Fs等于或大于在 以下等式a和b中限定的力的较大值： a )当该针体（4 )处于由该系统的最大设计压力限定的最高运行位置时， Fs = p2 * A7 b)当该针体(4)关闭该出口通道(8)时，Fs z pO · Λ7 =并且在这些等式中， Α7是在实际运行情况下该针体(4)头部在该通道(8) 口处垂直于其轴线的横截面积。3. 根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，该压力蓄积器(6)是隔膜或囊式蓄积 器，并且该隔膜的内侧受在该蓄积器(6)中的初始压力(pO)影响，并且该隔膜的外侧受该流 体流动压力(pi)影响，并且通过这种方式，作为在流动压力中的改变的结果，该隔膜和被固 定到其中的该针体(4)移动，并且相同使这些改变最小化。4. 根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，当该喷嘴阀（1)用于维持在反渗透系统 中的压力时，在该蓄积器(6)中选择的初始压力(pO)大于待处理的盐水的渗透压。5. 用于不取决于被栗送到该系统中的质量流的周期性变化地将系统中的流体流动压 力维持在预定的、几乎恒定的水平上的安排，该系统包括至少一个压力蓄积器(6)和喷嘴阀 (I) ，该喷嘴阀具有阀体(2)和在其轴向内侧的锥形针体(4)，该锥形针体用于打开和关闭该 喷嘴阀的流出通道(8)的口，并且该针体(4)的轴是由被安装在该阀体（2)内的滑动元件 (II) 来引导的，并且进入到该阀体(2)中的流入物能够穿过一个或若干个通道（13)来传递 至该滑动元件的另一侧，并且该针体(4)被安排成可借助于影响该针体(4)的力来向上朝该 阀门的打开方向移动和向下移动，以便调整该出口通道(8) 口的横截面积，其特征在于，具 有预加压初始气体压力(p〇)的隔膜或囊式蓄积器(6)被结合到该阀体(2)的与该流出通道 (8)相反的上部末端上，并且在该阀体(2)与该蓄积器(6)之间形成了通道(9)，该针体(4)轴 末端穿过该通道被安排成基本上压靠在该蓄积器(6)的阀盘（10)上并且被安排成与其一起 移动，该初始压力(P〇)产生趋于关闭该阀门（1)的向下的力;在于当该阀盘(10)处于其最低 位置处并且被该蓄积器(6)体支撑时，该针体(4)的锥形头部基本上关闭该流出通道(8)的 口，并且被栗送到该系统中的质量流被适配成在该阀盘（10)和该针体(4)上产生趋于打开 该阀门的力，并且预张紧弹簧(5)被安排成在该针体(4)上产生试图使该针体上升的弹簧力 (Fs)，并且这个弹簧力与这些质量流力相组合趋于反抗在该蓄积器(6)中的初始压力(p0) 在该阀盘（10)上产生的力而使该阀盘（10)和该针体(4)升高，以便打开该流出通道(8)并 且与此同时将在该蓄积器(6)中的压力增加到与该针体(4)的升高相对应的水平(p2)，并且 在于，该流出通道(8) 口的直径、该针体(4)的锥角以及在该蓄积器中的气体体积被选择成 使得在最大流动体积下由该针体(4)升高以及所导致的在该蓄积器中的压力增加造成的在 该蓄积器(6)中的气体体积改变也是小的，其结果是该压力蓄积器(6)调整该流出通道(8) 口的横截面积来使得将流出的流体的流动压力(pl)、以及以此方式整个系统中的压力保持 接近于在该蓄积器(6)中的预加压的初始压力(p0)。6. 根据权利要求5所述的安排，其特征为，该预张紧的弹簧(5)是压缩弹簧，该压缩弹簧 的一个末端被该阀体(2)或该滑动元件（11)支撑，并且另一个末端被加宽边沿(12)支撑，该 加宽边沿被制造在或被安装在该针体(4)轴上，其结果是趋于使该针体(4)上升的弹簧力 (Fs)与该流动压力(pi)在该针体上产生的力相加。7. 根据权利要求6所述的安排，其特征为，使该针体(4)上升的弹簧力Fs等于或大于在 以下等式a和b中限定的力的较大值： a )当该针体（4 )处于由该系统的最大设计压力限定的最高运行位置时， Fs = ρ2 ?7 b)当该针体(4)关闭该出口通道(8)时， Fs = p0 * Δ7;并且在这些等式中，A7 是在实际运行情况下该针体(4)头部在该通道(8) 口处垂直于其轴线的横截面积。8. 根据权利要求5-7所述的安排，其特征为，该针体(4)轴的末端被固定到该阀盘（10) 上，该阀盘被固定到该隔膜或囊式蓄积器(6)的隔膜上。9. 根据权利要求5-8所述的安排，其特征为当该喷嘴阀（1)用于维持在反渗透系统中的 压力时，该初始压力(P〇)被选择成大于待处理的盐水的渗透压。10. 根据权利要求5-9所述的安排，其特征为该喷嘴阀（1)是冲击式涡轮机的喷嘴阀。
【文档编号】F16K31/12GK106062451SQ201580008909
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月18日
【发明人】海基·安特罗·波赫约拉
【申请人】太阳能热水解决方案有限公司