泥沙模型試驗加沙裝置的製作方法
2023-07-26 19:20:46
專利名稱：泥沙模型試驗加沙裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於河工泥沙模型試驗中泥沙模型的加沙裝置。
背景技術：
河工泥沙模型試驗需要控制模型進口流量和含沙量，在水沙分離型泥沙模型試驗系統中，需要根據模型試驗的輸沙率，在模型進口段向模型中加入一定濃度的模型沙，使其與進入模型的清水混合，以達到試驗所需要的含沙量。
目前泥沙模型試驗所採用的加沙裝置是輸沙與計量分離，在模型沙輸送方面採用的是循環供沙方式，即用大功率的泥漿泵把一定濃度的模型沙輸送到模型進口，再把多餘的模型沙輸送回加沙工作池；在計量方面是由人工根據事先率定的閥門開度組合，調整進入模型的沙量(如圖1)。也有採用電動閥門控制流量大小，電磁流量計計量的(如圖2)。目前現有的加沙裝置主要問題是耗電，控制不方便，控制精度不高，容易堵塞等。其產生上述問題的主要原因是其中耗電的原因是採用了循環供沙的方式，這種方式需要大功率的泥漿泵連續運行，不論模型需要的沙量大小，為防止管道淤堵，必須使管道中高濃度的泥沙不停的流動。以長江防洪模型供沙系統為例，長江防洪模型有7個加沙泵房，採用循環供沙工藝方法設計的加沙系統，系統中的1#、2#加沙泵房都採用4PN型的泥漿泵，單臺電動機的功率為75kw，單機耗電1800度/天，系統中的4#---7#加沙泵房都採用3PN型的泥漿泵，單臺電動機的功率為30kw，模型試驗時僅供沙系統就日耗電近6500度，由此可見這種裝置耗能巨大。一次泥沙模型試驗僅此將耗費數萬元至數十萬元。控制精度不高在人工調整閥門開度時，是由於閥門開度組合有限；在採用電動閥門控制流量大小，電磁流量計計量的組合中是由於電磁流量計在小流量時誤差加大，甚至測不出。堵塞的原因是由於模型加沙流量的變幅一般很大，因此閥門開度需要調整的範圍也大。人工控制閥門開度加沙，是在循環管道上直接開有大小口徑不等的孔口，其中小口徑的孔口時常會發生堵塞，而採用電動閥門控制流量，當小流量時，閥門需要關得很小，另外電磁流量計計量的組合中從循環管道到出口存在一段「盲腸段」，同時受電磁流量計使用條件的限制(管道內必須充滿液體)，小流量運行時很容易發生堵塞，一旦發生堵塞將會很難疏通。因此很少採用這種組合方式，若採用這種組合方式，則必須把含沙量濃度降到足夠低，方可正常運行。
發明內容
本實用新型的目的在於解決上述現有河工泥沙模型試驗中加沙裝置的不足之處，而提供一種泥沙模型試驗的加沙裝置。該裝置採用單螺杆泵變頻調速控制，把模型沙輸送和計量合二為一，可以做到定量輸送模型沙，另外，不論流量大小，該裝置的輸沙口徑不變，有效地防止了小流量堵塞發生。採用單螺杆泵變頻調速控制，很好地解決了上述問題。
本實用新型的目的是通過如下措施來達到的泥沙模型試驗加沙裝置，其特徵在於它是在加沙工作池和模型進口河段之間採用單螺杆泵連接輸沙管。
在上述技術方案中，所述單螺杆泵與變頻調速控制器電連接。
在上述技術方案中，所述單螺杆泵連接的輸沙管為單向管。
本實用新型泥沙模型試驗加沙裝置具有如下優點①、該裝置可以節省工程費用傳統的加沙裝置輸沙與計量分開，輸沙除了靠泥漿泵外，還需要真空泵輔助啟動泥漿泵。輸沙管徑也相對較粗，計量則需要用到電磁流量計與電動閥門等設備。該裝置輸沙與計量合二為一，可以節省設備及材料費。從圖1、圖2和圖3的對比可看出，管道安裝可以節省一半，其他設備安裝也可省去。因為系統規模、加沙量大小不同不便比較，但可以給出一個對比概念，一套單螺杆泵變頻調速控制系統(G20-1加變頻器)的費用(大約8000元)，低於一臺小口徑電磁流量計的費用(大約10000元)。
②、該裝置可以節省使用費用原加沙裝置工作時，無論加沙量的大小，泥漿泵都必須滿負荷的工作，而採用單螺杆泵變頻調速控制的加沙裝置則根據加沙量的大小調節泵的輸出流量，有效地節省了能源。以長江防洪模型供沙系統為例，長江防洪模型有7個加沙泵房，原採用老的加沙工藝方法設計加沙裝置，1#、2#加沙泵房都採用4PN的泥漿泵，單臺電動機的功率為75kw，單機耗電1800度/天，4#---7#加沙泵房都採用3PN的泥漿泵，單臺電動機的功率為30kw，模型試驗時加沙功率為270KW，僅供沙系統就日耗電近6500度，採用單螺杆泵變頻調速控制的加沙裝置完成相同的任務，設計共用4臺G20-1(4×0.75KW)和5臺G20-2(5×1.1KW)，加沙最大功率為8.5KW，加上工作池攪拌電機的功率，總功率為22KW。更何況模型加沙80％以上是小流量，所以實際的功耗還要減小。一般來說該裝置與傳統的加沙裝置的功耗比大約為1/8到1/15左右。
③、該裝置的其他特點從試驗效果來看，採用單螺杆泵變頻調速控制的加沙裝置控制流量方便、控制重複性好、控制精度高，新裝置簡單，靈活，自動化程度高，很容易與計算機連接，實現自動控制。對比原加沙裝置，與採用人工開孔調節加沙流量相比，克服了其精度低，控制不便的問題。與採用電磁流量計和電動閥門組合調節加沙流量相比，解決了原系統小流量易堵的問題，也比電磁流量計和電動閥門組合的設備費用低、控制方便。通過實驗證實加沙裝置由於採用了單螺杆泵，可適應各種模型沙，可輸送的模型沙濃度也遠大於泥漿泵可輸送的濃度，再加上採用了高科技的變頻調速技術，因而加沙新裝置流程具備很多優良的特性，預計將取代原有的加沙裝置。
圖1為現有採用人工調節開度的加沙裝置的結構示意圖；圖2為現有採用電磁流量計和電動閥門調節流量的加沙裝置的結構示意圖；圖3為本實用新型採用單螺杆泵變頻調速控制的加沙裝置的結構示意圖。
圖4為單螺杆泵工作時轉子和定子的旋轉角度變化圖；圖5為單螺杆泵工作原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的實施情況，但它們並不構成對本實用新型的限制。
圖中1為加沙工作池、2為攪拌器、3為泥漿泵、4為模型進口、5為輸沙管、6為人工調節閥、7為電磁流量計、8為電動閥門、9為單螺杆泵、10為變頻調速器。
參閱圖1、圖2可知目前所採用的加沙工藝方法是在模型沙輸送方面採用的是循環供沙方式，即用大功率的泥漿泵把一定濃度的模型沙輸送到模型池，再把多餘的模型沙輸送回加沙工作池。在計量方面是由人工根據事先率定的人工調節閥門開度組合，調整進入模型河段的沙量(如圖1)。也有採用電動閥門控制流量大小，電磁流量計計量的(如圖2)。目前現有的加沙裝置主要問題是耗電，控制不方便，控制精度不高，容易堵塞等。
參閱圖3可知本實用新型泥沙模型試驗加沙裝置，它是在加沙工作池和模型進口池之間採用單螺杆泵連接輸沙管，單螺杆泵與變頻調速控制器電連接，單螺杆泵連接的輸沙管為單向管。
參閱圖4、圖5可知具有特殊螺旋面型腔的彈性定子與具有大導程大齒高的轉子相嚙合，在定子型腔內構成連續的密封線將吸入腔與壓出腔分隔，轉子轉動時型腔連續的向排出方向運動，使物料不斷地被抽吸與被排出。
單螺杆泵的輸出流量與單螺杆泵的轉速成線性關係，所以可以方便的通過調整單螺杆泵的轉速來調整流量，達到控制流量的目的。加沙新裝置正是利用了單螺杆泵的這個特點。另外還有單螺杆泵的轉子轉動時型腔連續的向排出方向運動，物料不斷地被恆定的壓力推擠排出。推擠壓力與泵的級數有關，每增加一級，壓力就增加0.6MPa，0.6MPa相當於60米的揚程。
單螺杆泵的特點單螺杆泵被廣泛地應用於工業各部門，它最大的特點是對介質的適應性強，運行速度可高可低，流量平穩，壓力脈動小，自吸能力高，它是一種內嚙合迴轉式容積泵。
調速的常用方法由於要對單螺杆泵進行速度控制並計量，所以要對調速的方法進行比較。調速的常用方法有機械調速，直流電機調速，步進電機調速，交流伺服電機調速，交流變頻調速等。機械調速一般是固定變比，需要手動操作，不適合自動控制。小功率時，採用直流調速比較方便，也容易控制，但大功率時，電機成本，控制電源成本，大幅度上升。步進電機可以做到精確定量，特別是對低轉速的控制定量，但控制麻煩，成本高，也沒有太大功率的電機產品。交流伺服電機調速是目前新發展的調速方法，主要問題是成套成本太高。交流變頻調速已經使用了多年，已形成從數十瓦到數百千瓦的系列產品。隨著合資企業及國內企業生產的變頻器不斷推出，變頻器的價格已下降了許多，因此從通用性和成本考慮，選用交流變頻調速的方法較佳。
下面通過試驗來說明本實用新型泥沙模型試驗加沙裝置的實施情況試驗設備與系統選用了一臺G20-1型單螺杆泵和一臺磁束向量控制型交流變頻器作為研究對象，在單螺杆泵的出口配合一段與泵的出口管徑相同管徑的長50餘米的循環管道回到工作池即構成試驗系統。單螺杆泵和交流變頻器的性能和特點如下所列。
單螺杆泵性能表
交流變頻器的性能和特點
試驗內容與結論1、單螺杆泵的轉速與流量關係驗證試驗，結論是線性關係良好。可以用控制轉速方法達到控制流量的目的。
2、單螺杆泵的出口阻力變化對輸出流量的影響試驗，結論是在泵的輸出壓力範圍內，延程阻力的變化對流量沒有影響，當管道壓力超過泵的輸出壓力時，流量才開始變小。
3、含沙量的變化對流量的影響試驗，結論是含沙量在很大範圍的變化對流量的影響很小。
4、長距離輸沙試驗，結論是在一定的範圍內，通過相應的技術措施可以長距離輸沙。
5、不同種類，不同比重，不同粒徑的模型沙對流量的影響試驗，結論是模型沙的變化對流量沒有影響。
6、單螺杆泵的吸程變化對輸出流量的影響，結論是略有影響，但相對變化不大，必要時可通過計算按比例進行補償。
總的結論是單螺杆泵通過變頻調速控制，可以控制流量，可以用於泥沙模型加沙。
需要說明的是對於所屬領域的技術人員來說，在不改變本實用新型原理的前提下還可以對本實用新型做出若干的改變或變形，這同樣屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.泥沙模型試驗加沙裝置，其特徵在於它是在加沙工作池和模型進口河段之間採用單螺杆泵連接輸沙管。
2.根據權利要求1所述的泥沙模型試驗加沙裝置，其特徵在於所述單螺杆泵與變頻調速控制器電連接。
3.根據權利要求1或2所述的泥沙模型試驗加沙裝置，其特徵在於所述單螺杆泵連接的輸沙管為單向管。
專利摘要泥沙模型試驗加沙裝置，它是在加沙工作池和模型進口河段之間採用單螺杆泵連接輸沙管，單螺杆泵與變頻調速控制器電連接。該裝置採用單螺杆泵變頻調速控制，比傳統的加沙裝置省電、控制精度高、自動化程度高。採用該裝置組成的加沙系統結構簡單，組成靈活，系統造價低。該裝置可適應各種泥沙模型和各種模型沙，可輸送的模型沙濃度範圍也遠大於傳統的加沙裝置。
文檔編號E02B1/02GK2846492SQ20052009658
公開日2006年12月13日 申請日期2005年5月31日 優先權日2005年5月31日
發明者許明, 盧金友, 魏國遠, 範北林, 郭煒, 張文仁, 孫貴洲 申請人:長江水利委員會長江科學院