一種用於調節位於管道中液柱的能量潛力的設備以及方法

2023-09-23 06:07:05

專利名稱：一種用於調節位於管道中液柱的能量潛力的設備以及方法
技術領域：
本發明涉及一種用於調節位於管道中液柱能量潛力的設備以及方法。尤 其涉及一種設備的整合，該設備包括作為管道中一部分的驅動裝置，該驅動 裝置用來影響管道中液柱的流動。
背景技術：
因而，該設備被用來在位於其上、下遊的液柱部分之間產生一差壓。該 差壓可為正數或負數。
在差壓為正數的情況下，那就是說設備下遊的液壓大於其上遊的液壓， 設備將向流體提供能量。這可以通過任何一種本身已知的泵裝置來完成。
在差壓為負數的情況下，那就是說設備下遊的液壓小於其上遊的液壓， 該設備將從流體中獲取能量。在後一種的情況下，該設備可以連接一個負載， 諸如(但不限於)一種用來產生電流的發電機。
因此，本發明涉及一種設備，除了別的以外，該設備被既可以被用來給 液柱提供能量使其在管道中移動，也可以從管道中流動的液柱獲取能量。
本文中術語"液柱"的意思是一種注滿管道內部橫截面區域的流體。更 準確地說，該流體是不可壓縮的，並且可以是，例如(但不限於)水或其他液 體。該流體也可以是一種氣體。
除了別的以外，在下文中將會討論一種減壓，那就是說在液體流動中， 尤其是在水流中產生一種負差壓。然而，可以理解，依照本發明的設備可以 被用來減少管道中大量其他流體流動時的壓力。這種流體的一種實例是一種 在石油工業中生產出的流體，該流體從地下巖層向上流入到一個例如在海平面上的設施。
眾所周知，在那些液壓過高的管道系統中放置一個或多個減壓閥，能夠 將壓力減少至理想水平。可以作為選擇地或除所述減壓閥之外，也通常提供 一個或多個所謂的均壓池來達到所述理想的減壓。
供水行業的用水就是一個實例，其通常必須使用一個或多個減壓閥和/ 或均壓池的減壓裝置來確保管道網絡中的水壓不超過預定水平。
從美國專利US4,390,331中可以知曉一種所謂的凸輪泵，它被設置用來 作為一種泵裝置或者一種液壓驅動發電機。 還有很多缺陷涉及上述的現有技術。
均壓池通常可以由較大的露天水池、槽或罐構成。因而，至少提供這樣 的均壓池對資源是有需求的。
比起均壓池，提供減壓閥對資源的需求相對較少。然而，還是有一種環 境缺陷，就是不可能利用在減壓閥中流體流動所損失的能量。
為了能夠利用這種能量，舉例來說，在水流中的能量，眾所周知某些供 水系統已經在水流中放置一個或多個本身已知的水輪機。那樣，可能使得水 中的某些能量被用來譬如說是發電。然而，為了使這樣的水輪機能工作最佳 化，那麼在水輪機的下遊不能有任何的反壓力。因此，這樣的水輪機需要水 能流入譬如說一個露天水池。
如美國專利US4,390,331中所揭示的凸輪泵，具有與流體流動有關的缺 陷，就是當流體在通過設備時其方向會受到實質性的改變，這是由於流體被 迫流向葉輪的"外側"(在葉片和泵腔的外殼之間)，而不是在葉片之間。這 種方向改變也導致泵腔遭受來自液柱所攜帶的任何微粒的腐蝕。另外，葉輪 的葉片或"凸輪"會佔據泵腔內相當大比例(41%)的體積。
總而言之，上述實質性的缺陷使得例如美國專利US 4,390,331中所揭示 的作為一發動機使用的凸輪泵，表現出相對較低的效率，同時也容易被腐蝕。

發明內容
本發明的目的是為了改善或減少至少一種現有技術的缺陷。
該目的需要通過技術特徵來實現，該技術特徵將在下面的說明書中以及 隨後的權利要求中被詳細描述出來。
按照本發明的一個方面，提供一種用來調節位於管道中液柱的能量潛力 的設備，該設備包括兩個葉輪，每個葉輪包括一個具有多個葉片或盤狀葉片 的旋轉軸，該葉輪被安置在一個組成管道中一部分的護罩內，所述設備與一 個負載和/或一個能量源相連通，因此該設備的葉輪被用來影響管道中液柱的 流動，該設備被用來接收在葉輪軸之間的液柱，所述軸的中心軸線與葉輪上、 下遊護罩的壁部實質上處在同一平面內，使得液柱通過設備的速度實質上與 該設備的葉輪直接向上遊和/或向下遊的液柱的速度相符合。
在一個優選的實施例中，該驅動裝置被用來控制從液柱向一個負載傳 遞動能；從一個能量源向液柱傳遞動能；以及從管道內的流動中保留至少一 部分液柱。
舉例來說，該負載可以是(但不限於)一個本身已知的用來產生電能的發 電機。
更適宜地是，該負載可受控於液柱中理想的減壓和/或從液柱到該負載的 理想的能量傳遞。該負載也可受控於其他控制參數，諸如在一個水池中的液 面或液柱的流速。
在一實施例中，每個葉輪中至少有一個葉片實質上是與護罩的內殼表面 的第一部分緊密接觸，以及每個葉輪中至少有另一個葉片與鄰近葉輪的一個 相對應的葉片相接觸，所以兩個葉輪可以提供一個障礙物，使一部分液柱的 流動能在兩個葉輪上施加一種壓力。舉例來說，如果該設備的驅動裝置是葉 輪，其保持或抑制旋轉可以對至少一部分液柱的流動提供一個障礙物。因此， 按照本發明的設備也可以用來當作一個截流閥或一個阻風門。
在一個實施例中，該設備還進一步具有一個放置在該設備至少一部分中 的長分隔元件。在一個優選實施例中，該分隔元件的縱軸實質上與一個延伸在該設備入口部分和出口部分之間的軸線平行。
在一個實施例中，分隔元件進一步具有至少一個鉸接於分隔元件的液柱 控制元件或活葉，用來控制兩個葉輪之間液柱的分布。當液柱控制元件的縱 軸與分隔元件的縱軸同軸安置，液柱實質上可以被均勻地分布在兩個葉輪之 間。當液柱控制元件的縱軸相對於分隔元件的中心軸成一定角度地安置，則 液柱將被不均勻地分布在兩個葉輪之間。在某一位置，液柱控制元件可從分 隔元件的一部分延伸出來到護罩外殼表面的一部分，液柱的主要部分將被正 好傳送到兩個葉輪中的一個。這在液柱相對緩慢地流過該設備時是尤其有用 的。通過以這種方式限制液柱，使液柱的主要部分正好通過一個葉片時，液 柱的速度以及葉片的轉速將會提高。
引導液柱遠離兩個葉輪之一的能力被證明對於該設備的維護是有用的。
相對於分隔元件的位置，液柱控制元件的位置可由目前已知的手動或自 動控制裝置進行控制。
按照本發明第二個方面，提供一種用來向或者從位於管道內液柱傳遞能 量的方法，該方法包括如下步驟將按照本發明所述第一方面的設備整合入 管道內；以這樣一種方式選擇性調整該設備從液柱向一個負載傳遞動能； 或從一個能量源向該液柱傳遞能量；或從流動中保留至少一部分液柱。
負載以及能量源更適宜位於該設備的外面，但在一選擇性實施例中，該 負載和/或能量源可以在該設備裡面。
更適宜地是，該設備以這樣一種方式被調整，該方式是，應用於該設備 的負載提供了一種在該設備上、下遊的液柱壓力之間的預定差壓。
在那些主要目的是在例如一個配水網絡中，或一種本身已知的如美國專 利US4,390,331所揭示的凸輪泵中提供一種減壓的情況下，能提供相對滿意 的結果。
凸輪泵也可連接於一個負載，例如， 一個發電機，不過相對於按照本發 明的設備具有一個明顯較低的效率。
然而，在這些案例中，其主要目的是為了從由液柱中吸取的能量達到可能的最高效率，和/或其目的是為了提供一種截流閥，按照接下來說明書中提 到的設備，令人驚訝地產生了具有超過所述凸輪泵的實質性優點。


下文中所描述的一個非限定性優選實施例，將在附圖中示出
圖1示出按照本發明，由兩個安置於護罩內的葉輪所組成設備的立體圖2以一個較大的比例示出了圖1中設備的俯視圖3以一個較大的比例示出了圖1中設備的一個視圖，該視圖朝向一個 入口部分或一個出口部分；
圖4示出一個與圖1相符合的設備，但是該設備進一步具有一個安置在 該設備兩葉輪之間的分隔元件；
圖5以一個較大的比例示出了圖4中設備的俯視圖，但是該分隔元件進 一步具有一個液柱控制元件，該液柱控制元件為一個位於第一位置的活葉；
圖6示出了圖5中的設備，但是該活葉已被移動到第二位置；
圖7以一個較小的比例示出了一部分供水系統的側視原理圖，按照本發 明的兩個設備被安置在該供水系統的一部分管道中；以及
圖8示出圖7中供水系統的俯視圖。
具體實施例方式
圖l-6示出了一個由安裝在一個泵護罩4內的兩個葉輪2所組成的設備 1。兩個葉輪中任一個都是由一個從十六葉輪片8中延伸出來的中心軸6所 組成的。為了清楚地表示，泵護罩4的頂部已經被移開。然而可以知曉，泵 護罩4的外殼部分在使用時是不漏水的，而且設備1在任一末端10， l(T與 一些諸如管道(未示出)的流體輸送裝置相連接。
在各葉輪片8上、下端所連接的環形元件9(除了別的以外)以保持各葉 片的間距。
技術人員知曉如圖1-3中所示出的兩個葉輪2的旋轉，必須以相反方向同步地運轉，也就是順時針和逆時針，可通過目前已知的裝置來控制。
中心軸6的縱軸線實質上被安置成與至少位於該設備1中葉輪2上遊的
一液柱縱軸線(未示出:)相垂直。
當一種實質上無法壓縮的液柱流過設備1，葉輪2將隨液柱的流動而相 應地旋轉。這是由於各葉輪片8與泵護罩4之間的緊密接觸，以及相互交迭 的兩葉輪片8之間的緊密接觸。這在圖2中被最好地示出。
圖4-6中示出了如圖1-3中所示設備1的一種選擇性實施例。圖4中， 該設備進一步具有一個長分隔元件30。該分隔元件30具有一雙面凹部分。 該雙面凹部分與葉輪2的直徑相互補，因此葉輪片8的末端實質上能相對該 分隔元件30緊密接觸地運動。
關於所示出分隔元件30的實施例以及所示出葉輪片的數量，每個葉輪2 總有兩個葉輪片8與分隔元件30相接觸。通過該分隔元件30的其他設計， 葉輪片8的數量除了兩個以外，例如還可以有一個或三個或更多葉輪片與分 隔元件30相接觸。
顯然在一個選擇性實施例(未示出)中，葉輪片8可與分隔元件30間具有 一個小間隙以及可能與護罩4的外殼間也有一個小間隙。後一種方案在磨損 方面具有優點，但無法在葉輪2與分隔元件30間以及可能在葉輪2與護罩4 的外殼間提供均勻良好的密閉。
該分隔元件30至少對於護罩4的外殼部分是牢固的。
相對於圖1-3中所示設備1，該分隔元件30至少提供了兩個有利的特性。
所述兩個優點中的一個涉及葉輪片8與分隔元件30之間的密閉。該密 閉和在葉輪片8與護罩4的外殼部分之間的密閉是以同樣的方式達到的。
所述兩個優點中的另一個所涉及的是，分隔元件30消除了葉輪2同步 地旋轉或以相同速度地旋轉的需求。
圖5以一個俯視的視角示出了圖4中的設備，但是有一個液柱控制元件 32以一個活葉的形式鉸接於該分隔元件30的一個末端。
該液柱控制元件32可在如圖5所示位置與圖6所示位置之間被調整。顯然，在一個優選的實施例中，該液柱控制元件32也可以被旋轉到緊靠在所述附圖所示設備護罩外殼的對面。顯然，該液柱控制元件32也可以被放置在所述端位置之間的任意位置。
在圖5和圖6中，該液柱的流動方向更適宜從圖的頂部往底部。通過與如圖1-3中所示設備中葉輪2的兩根軸6中至少一根軸連接一個負載19， 21(圖8中示出)，該葉輪2在液柱流動中將起到一個"閘"的作用。從液柱傳遞給負載19， 21的那部分動能可以被利用，在某種情況下，該負載19， 21是一個用來產生電能的發電機。同時， 一個負差壓將被提供穿過該設備l。
如圖4-6所示的實施例中，當各葉輪相互獨立轉動時， 一個負載19， 21不得不與每個葉輪2的軸6相連接。然而，技術人員將會知曉， 一個同步機械裝置(未示出)可與葉輪2的一部分相連接，例如軸6，因此負載19， 21不得不只能與兩個葉輪2的軸6中的一個相連接。
此外，葉輪2的旋轉將使液柱流動。當液柱是一種實質上無法壓縮的流體，其流動將與葉輪2的旋轉成比例。如圖l-3所示設備中葉輪2的旋轉，通過由一個驅動裝置施加在至少一個軸6上的力來提供，該驅動裝置未示出，諸如一個電動機。因此，液柱可以通過控制葉輪2的旋轉方向來選擇性地以一個理想的方向流過設備1。技術人員將知曉，通過協調圖4-6中所示設備1中葉輪2的旋轉，不得不向兩軸施加一力。然而， 一同步機械裝置(未示出)可以與例如軸6相連接，因此所述力正好施加在所示兩軸6中的一個上。
在一個實施例(未示出)中，在設備1的葉輪2的軸6之間具有一個同步裝置，該同步裝置受設備1中液柱控制元件32位置的影響。因此，當液柱控制元件32在如圖5所示的中間位置，按照該力，該軸將為同步的/連接的。當液柱控制元件32從所述中間位置轉動超過了一個預定角度，該同步裝置將用來分離軸6間的相互連接。舉例來說， 一個同步裝置可以使得如圖6所示的左軸6與右軸6相分離，使力將僅作用於右軸6上。
如果葉輪2的軸6保持旋轉，則一種無法壓縮的液柱向該設備1上遊的流動將停止。
葉輪2選擇性產生旋轉的可能性，既是順時針也是逆時針，同樣具有積極的副作用使得任何可能擠入設備1中的夾雜物將通過液柱的往複流動更容易地被去除。每個葉輪2的旋轉達到往復的順時針和逆時針就能實現這樣的流動。
參考圖7和8。該圖僅僅是原理圖，沒有按照比例示出各獨立元件，並且僅僅用來說明本發明 一方面的主要特徵。
在圖中，參考數字12顯示一種供水系統，該系統包括一管道13，該管道的第一末端與一飲用水源15相連接，並且其第二末端與配管網絡17相連接。
該飲用水源15可以是，例如， 一種本身已知的水處理工廠。
在管道13中，安置了兩個相同的設備1，該設備為泵裝置。該兩個泵裝置1在同一水平面和同一垂直面中被隔開。
該泵裝置1的目的是用來減少由於飲用水源15與位於較低位置的配管網絡17之間的海拔高度差異所導致的壓力。沒有泵裝置1，則在配管網絡17上的壓力可能變得非常高。
液柱或水流所具有的一部分能量，在任一個泵裝置1的入口將被消耗用來驅動該泵裝置l。因此，該泵裝置1導致水流能量的損失，依次在任一個泵1的下遊導致一個減小的壓力。在任一個泵1中所獲取的能量數可以通過例如一本身已知的離心制動器(未示出)來控制。
因此通過泵1，在配管網絡17上的壓力可以被調整到一理想水平。
為了能利用從管道13內水流中所獲取的能量，可通過泵裝置1，這些裝置各自連接一個本身已知的發電機19， 21。
因此，泵1既作為一種"減壓閥"，也作為一種發電機的能量源，在該發電機中，由於一種在飲用水源15與配管網絡17之間的海拔高度差異以及在配管網絡17中理想壓力或必須的壓力產生的可利用壓力的差別被用來發電。可以理解，泵裝置1也可從一個外部能源(未示出)獲取能量，並且因此致使在液柱中有一個正差壓，或者將水往上抽向飲用水源15。該泵裝置1 也可以通過泵中保持旋轉的驅動裝置2起到一個截流閥的作用，這樣，至少 一部分液柱在管道13中的流動被阻止。
即使所示泵1被連續地放置，技術人員也知曉泵1可被平行地放置，而 且按照需求和理想的減壓任何數量的泵都可以被安置。在配管網絡17上壓 力不是臨界的情況下，通過泵裝置1所獲取的能量數可以按照能量需求來被 控制。
技術人員同樣會知曉，具有所謂"旁通管道"(未示出)的管道13是更加 有利的，通過閥門裝置，例如上述任一種泵l，"旁通管道"可以引導水流， 因此水流連同一個或兩個泵1被維持。
因此，按照本發明的設備除了作為一個泵和一個作為產生電流的發電機 的能量源之外，還令人驚訝地既能作為一種減壓裝置也能作為一種截流闊。
由於泵1是非常容易地既可以放置在新的流體流動系統中，也可以放置 在現有的流體流動系統中，以及作為通過泵從水流中所獲取能量的實質性部 分可以利用成電能，本發明所表現出的一種相當可觀的資源以及一種超越使 用昂貴的均壓池或減壓閥來調整液柱的壓力達到理想或需求的水平的現有 技術的環境收益。因此，通過本發明從液柱中獲取的能量的利用，正是利用 了那些當今浪費掉的能量。
權利要求
1. 一種用來調節位於管道(13)中液柱的能量潛力的設備(1)，所述設備(1)包括至少兩個葉輪(2)，每個葉輪包含一個具有多個葉片或盤狀葉片(8)的旋轉軸(6)，所述葉輪(2)被安置在一個組成管道(13)中一部分的護罩(4)內，所述設備(1)與一個負載(19，21)和/或一個能量源相連通，所以該設備(1)的葉輪(2)被用來影響管道(13)中液柱的流動，其特徵在於，所述設備(1)被用來接收在葉輪(2)的軸(6)之間的液柱，所述軸(6)的中心軸線與葉輪(2)上、下遊護罩(4)的壁部實質上處在同一平面內，使得液柱通過設備(1)的速度實質上與該設備(1)的葉輪(2)直接向上遊和/或向下遊的液柱的速度相符合。
2. 如權利要求1所述的設備，其特徵在於，每個葉輪(2)中至少有一個 葉片(8)實質上是與護罩(4)的內殼表面的第一部分緊密接觸，以及每個葉輪(2) 中至少有另一個葉片(8)與鄰近葉輪(2)的一個相對應的葉片(8)相接觸，所以 兩個葉輪(2)可以提供一個障礙物，使一部分液柱的流動能在兩個葉輪(2)上 施加一種壓力。
3. 如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述設備(l)進一步具有一 個放置在該設備(l)至少一部分中的長分隔元件(30)。
4. 如權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述分隔元件(30)的縱軸實 質上與一個延伸在該設備(l)入口部分和出口部分的軸線平行。
5. 如權利要求3或4所述的設備，其特徵在於，所述分隔元件(30)中至少有一部分是具有雙凹形。
6. 如權利要求3-5中任一項權利要求所述的設備，其特徵在於，所述分 隔元件(30)進一步具有至少一個鉸接於分隔元件(30)的液柱控制元件(32)，用 來控制兩個葉輪(2)之間液柱的分布。
7. 如上述任一項權利要求所述的設備，其特徵在於，所述負載(19,21) 是產生電能的發電機。
8. 如上述任一項權利要求所述的設備，其特徵在於，所述負載(19,21)以這樣一種方式被調整，該方式是，提供了一種在所述設備(l)上、下遊液柱 壓力之間的預定差壓。
9. 一種用來調節位於管道(13)中液柱的能量潛力的方法，其特徵在於， 所述方法包括以下步驟將如權利要求l所述的設備(l)整合入管道內；以這 樣一種方式選擇性調整該設備(l):從液柱向一個負載(19,21)傳遞一個預定比 例的動能；或從一個能量源向該液柱傳遞能量；或從流動中保留至少一部分 液柱。
10. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述設備(l)以這樣一種方 式被調整，該方式是，應用於該設備的負載(19,21)在提供了一種在該設備(i:) 上、下遊液柱壓力之間的預定差壓。
11. 如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述差壓是負數，所以所 述設備(l)下遊液柱的壓力小於所述設備(l)上遊液柱的壓力。
12. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述負載(19，21)是產生電能 的發電機。
13. 如權利要求9-12中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，兩個 或更多所述設備(l)被連續地放置和/或平行地放置。
14. 如權利要求9所述的方法，其特徵在於，通過分隔元件(30)和液柱控 制元件(32)將所述液柱分布在葉輪之間。
全文摘要
本發明描述了一種用於調節位於管道(13)中液柱能量潛力的設備(1)及方法，該設備(1)包括兩個葉輪(2)，每個葉輪包括一個具有多個葉片或盤狀葉片(8)的旋轉軸(6)，該葉輪(2)被安置在一個組成管道(13)中一部分的護罩(4)內，該設備(1)與一個負載(19，21)和/或一個能量源相連通，因此該設備(1)的葉輪(2)被用來影響管道(13)中液柱的流動，該設備(1)被用來接收在葉輪(2)的軸(6)之間的液柱，所述軸(6)的中心軸線與葉輪上、下遊護罩(4)的壁部實質上處在同一平面內，其中液柱通過設備的速度實質上與該設備(1)的葉輪(2)直接向上遊和/或向下遊的液柱的速度相符合。
文檔編號F03B3/10GK101484691SQ200780025202
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月28日 優先權日2006年7月3日
發明者揚·克裡斯蒂安·瓦斯胡斯, 特龍·梅爾哈斯 申請人:綠色能源公司