專利名稱：用于除去懸浮物質(zhì)顆粒的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從水力發(fā)電廠的加壓水管線中的含有懸浮物質(zhì)顆粒的水流中除去懸浮物質(zhì)顆粒特別是沙子的裝置和方法。
背景技術(shù)：
水力發(fā)電廠將水流的水力能量轉(zhuǎn)換成電流。蓄能式水電廠通過在幾百米的落差上沿著加壓水管道使水加速來利用水庫的勢(shì)能。水流的動(dòng)能通過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能，并且借助于發(fā)電機(jī)而作為電能使用。水庫可能包含大量沉積物或懸浮物質(zhì)顆粒，即不同尺寸的固體物質(zhì)，例如淤泥、沙子等，這些固體物質(zhì)經(jīng)由加壓水管線到達(dá)發(fā)電廠，從而導(dǎo)致特別是渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件的高度磨損。為了防止發(fā)電廠的敏感部件特別是渦輪機(jī)葉片由于引入懸浮物質(zhì)顆粒而被磨蝕，發(fā)電站通常具有大的沉降盆或除沙廠，試圖通過這種大的沉降盆或除沙廠借助于除沙器等從水中除去懸浮物質(zhì)顆粒。在除沙器中，使水流平靜并且降低水流速度，由此使較重固體諸如沙子、泥土等下沉并且被部分地除去。然而，在實(shí)踐上已經(jīng)表明，盡管有這種沉降盆，加壓管線中的水流依舊具有相對(duì)高含量的沙子等。例如，在一個(gè)具體的工廠中，已經(jīng)觀察到在具有780kg原始重量的葉輪的情況下，在大約操作六個(gè)月之后，由于沉積物的磨蝕，已經(jīng)磨損掉了 200kg ;即使磨損比這個(gè)磨損小，也需要頻繁地更換水力發(fā)電廠的特別昂貴的葉輪。在出版物“Hydrocyclones:Alternative Devices for Sediment Handling inROR Projects，，(H. P. Pandit, International Conference on Small Hydropower-HydroSri Lanka, 22-240ctober 2007)中，從原理上描述了利用離心力從水力發(fā)電廠的加壓水管線中的水流分離懸浮物質(zhì)顆粒，由此提出了不同的用于從水流中分離懸浮物質(zhì)顆粒的切向 旋流器。盡管根據(jù)該會(huì)議報(bào)告這種切向旋流器適合用于水力發(fā)電廠，但是這種旋流器不利地導(dǎo)致發(fā)電廠的效率程度較低。從DE 3 8337 789A還已知一種類似的用于小型和中型規(guī)模水力發(fā)電廠的通過向心抽取清潔水來集沙的切向旋流器。然而，在實(shí)踐上，已經(jīng)證明這種切向旋流器由于高的壓力損失而并非令人滿意。另外，從EP I 717 373A2已知一種用于河流水力發(fā)電廠的發(fā)電廠進(jìn)水口，其中在該發(fā)電廠進(jìn)水口的基床的區(qū)域中與流動(dòng)方向垂直地設(shè)置流體通道，這些流動(dòng)通道供應(yīng)有壓縮空氣以使來自基床的固體物質(zhì)松散并利用沖洗水通道使它們返回河床。因而，已知的用于對(duì)加壓水管線除沙的裝置都不經(jīng)濟(jì)地導(dǎo)致水流中的高壓損失，或者具有非常高的結(jié)構(gòu)要求，并且伴隨有高的安裝和維護(hù)成本。從JP 05 - 098624已知用于排水管線的出口。該出口具有相對(duì)于所述排水管線傾斜地布置的管，該管使借助于狹縫引入的流體流產(chǎn)生漩渦，以便分離包含在該流體流中的沉積物顆粒。然而，該裝置并沒有被設(shè)計(jì)成用來從發(fā)電廠的加壓水管線除去懸浮物質(zhì)顆粒。US 2006/0182630A1描述了另一種類型的用于利用流體流產(chǎn)生電能的裝置。該流體流被引入到一個(gè)腔室內(nèi)，在該腔室中，插入元件產(chǎn)生渦流，所述渦流驅(qū)動(dòng)螺旋槳等以產(chǎn)生能量。

發(fā)明內(nèi)容
相比之下，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造出一種開始描述類型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省成本的裝置，通過該裝置，能夠以盡可能小的壓力損失從加壓水管線中可靠地除去懸浮物質(zhì)顆粒。在組裝之后，所述裝置應(yīng)該確保在需要盡可能少的維 護(hù)的情況下自動(dòng)地對(duì)加壓水管線中的水流進(jìn)行除沙。 根據(jù)本發(fā)明，上述目的的實(shí)現(xiàn)在于，在所述加壓水管線中存在位于流動(dòng)通道中的管狀元件，其中所述流動(dòng)通道在所述加壓水管線的軸向方向上延伸，并且在所述流動(dòng)通道中布置靜止的漩渦產(chǎn)生裝置，以便產(chǎn)生所述水流的與主流動(dòng)方向垂直的流動(dòng)分量，并且在流動(dòng)方向上所述漩渦產(chǎn)生裝置之后，設(shè)置有分離裝置，該分離裝置用于除去由于離心力作用而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒。通過呈現(xiàn)軸向旋流器形式的所述靜止的漩渦產(chǎn)生裝置，在所述主流動(dòng)方向上進(jìn)入所述流動(dòng)通道(即優(yōu)選為圓形的流動(dòng)橫截面)的流體被與所述主流動(dòng)方向垂直地偏轉(zhuǎn)，使得除了在所述主流動(dòng)方向上的分量(該分量由所述管狀元件中的流動(dòng)通道的路線確定)之外，所得到的所述水流的速度矢量也具有與所述主流動(dòng)方向垂直的速度分量。離心力作用在受到漩渦的懸浮物質(zhì)顆粒上，該離心力與所述懸浮物質(zhì)顆粒的質(zhì)量、它們的與主流動(dòng)方向垂直的速度分量的平方成比例，并且與它們距離所述流動(dòng)通道的中軸線的徑向距離成反比。所述離心力產(chǎn)生所述懸浮物質(zhì)顆粒的隨著距離所述中軸線的距離而增加的濃度。被向外攜帶的所述懸浮物質(zhì)顆粒于是可以利用所述分離裝置從所述水流除去。所述流動(dòng)通道中的所述靜止的漩渦產(chǎn)生裝置通過外部形狀使所述懸浮物質(zhì)顆粒產(chǎn)生漩渦，所述外部形狀確定用于沿著所述漩渦產(chǎn)生裝置流動(dòng)的水流的流動(dòng)路徑。由于根據(jù)本發(fā)明的裝置被設(shè)計(jì)為所述加壓水管線的一部分，可以將水流的壓力損失和結(jié)構(gòu)成本保持得比較低；所述管狀元件的尺寸與所述加壓水管線的其余部分相當(dāng)，使得可以獲得特別節(jié)省空間、結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單的布置。為了激發(fā)與所述主流動(dòng)方向垂直的流動(dòng)分量，不需要諸如轉(zhuǎn)子葉片等主動(dòng)裝置，這極大地降低了易受磨損性以及維護(hù)成本。特別地，在具有高輸出的發(fā)電廠的情況下，所述加壓水管線可以具有傾斜率不同的至少兩個(gè)區(qū)段。為了使得流動(dòng)通過除沙裝置時(shí)所述加壓水管線中的壓力損失最小，如果將所述管狀元件設(shè)置在具有比較小的傾斜率的區(qū)段中則是有益的。因而，所述懸浮物質(zhì)顆粒在所述管線的平坦部分中除去，由此僅僅損失小比例的流動(dòng)能量。在所述懸浮物質(zhì)顆粒已經(jīng)被大部分從所述加壓水中除去之后，則在所述管線的隨后陡峭的區(qū)段中，在水力發(fā)電廠中可以完全利用落差產(chǎn)生能量。研究已經(jīng)表明，如果在用于帶有所述懸浮物質(zhì)顆粒的水流的入口與用于所述懸浮物質(zhì)顆?；颈磺宄乃鞯某隹谥g的流動(dòng)通道的長(zhǎng)度在5m和25m之間，并且所述入口和所述出口之間的高度差在Im和15m之間，則能夠在所述加壓水管線中實(shí)現(xiàn)以小的壓力損失可靠地除去所述懸浮物質(zhì)顆粒。就耐用、可靠、低磨損的設(shè)計(jì)來說，如果所述漩渦發(fā)生裝置是插入元件則是有利的，所述插入元件優(yōu)選居中地布置在所述管狀元件中，并且在所述管狀元件的表面上有偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于與所述主流動(dòng)垂直地偏轉(zhuǎn)沿著所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)流動(dòng)的水流。所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)允許所述加壓水完全被動(dòng)地產(chǎn)生漩渦，這是因?yàn)樗鼈兿薅伺c所述主流動(dòng)方向垂直的流動(dòng)路徑。為了避免在所述加壓水管線中的湍流，并由此將由于所述裝置引起的壓力損失保持最小，有利的是，所述插入元件具有橫截面朝向所述自由端部均呈逐漸變細(xì)的面向所述入口的末端區(qū)段和面向所述出口的末端區(qū)段，以及橫截面基本上恒定的具有所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段。所述插入元件的近似流線型形狀，例如橢圓體形狀，可以將由于摩擦、湍流等引起的流動(dòng)能量的損失或壓力損失保持最小。為了確保流動(dòng)分量并因而確保以近似3m/s的比較低的水流流速可靠地除去所述懸浮物質(zhì)顆粒，有利的是，所述管狀元件具有不同的橫截面基本恒定的至少兩個(gè)區(qū)段，由此所述區(qū)段的橫截面面積的比優(yōu)選在2. 5:1和I. 5:1之間，更具體地基本為2: I。由所述漩渦發(fā)生裝置產(chǎn)生的垂直于所述主分流的流動(dòng)分量然后被引導(dǎo)到具有減小的橫截面的區(qū)段內(nèi)，在該區(qū)段中，根據(jù)旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)不變?cè)?，所述水流的垂直于所述主流?dòng)方向的速度分量增加，因而相應(yīng)地增加了所述懸浮物質(zhì)顆粒上的離心作用。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，僅僅通過所述漩渦發(fā)生裝置，必然激發(fā)垂直于所述主流動(dòng)方向的比較弱的流動(dòng)分量，該比較弱的流動(dòng)分量然 后在進(jìn)入具有減小橫截面的區(qū)段時(shí)被增強(qiáng)，使得有利于除去所述懸浮物質(zhì)顆粒的離心力作用在所述懸浮物質(zhì)顆粒上。由于對(duì)所述漩渦發(fā)生裝置產(chǎn)生的與主流動(dòng)垂直的流動(dòng)分量的大小的要求比較低，可以將所述漩渦發(fā)生裝置處的壓力損失保持最小。為了防止在具有不同橫截面面積的流動(dòng)通道的區(qū)段之間的過渡處發(fā)生湍流，有利的是，在具有基本恒定橫截面的兩個(gè)區(qū)段之間，所述管狀元件具有縮減區(qū)段，在該縮減區(qū)段中，所述管狀元件具有在主流動(dòng)的方向上逐漸減小的橫截面面積。為了避免在水流中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，有利的是，所述管狀元件在圍繞所述插入元件的末端區(qū)段的縮減區(qū)段中變窄，使得所述流動(dòng)通道的橫截面面積保持基本上恒定。有利地，流動(dòng)的橫截面面積在偏轉(zhuǎn)區(qū)段的方向上略微減小，這確保了與內(nèi)部元件的流動(dòng)分離僅僅發(fā)生在插入元件的末端處，這進(jìn)一步降低了能量損失。研究已經(jīng)表明，如果在所述縮減區(qū)段中，所述管狀元件基本根據(jù)n次多項(xiàng)式，優(yōu)選根據(jù)5次多項(xiàng)式變窄，則水流可以沒有氣穴現(xiàn)象地以低的壓力損失被引導(dǎo)通過所述縮減區(qū)段。在所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的在結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單有利的設(shè)計(jì)來說，如果所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有至少六個(gè)優(yōu)選八個(gè)葉片則是有利的。所述葉片優(yōu)選以規(guī)則的間隔布置在所述插入元件的表面上，以便使水流在所述流動(dòng)通道的整個(gè)橫截面上均勻地偏轉(zhuǎn)。為了確保層狀流動(dòng)(或在更大流動(dòng)速度的情況下是湍流)沿著所述葉片被引導(dǎo)流動(dòng)，如果所述葉片至少部分地彎曲則是有利的。令人驚奇的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果所述葉片根據(jù)n次貝塞爾曲線，優(yōu)選根據(jù)三次貝塞爾曲線彎曲，則將極大地降低沿著具有所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中間偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力損失。有利地，所述葉片的中線可以具體地適應(yīng)于給定條件，因?yàn)闉樗鲐惾麪柷€預(yù)定對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。為了激發(fā)與所述主流動(dòng)方向垂直的流動(dòng)分量，如果所述葉片產(chǎn)生大約至少60°的偏轉(zhuǎn)角優(yōu)選在65°和73°之間的偏轉(zhuǎn)角的偏轉(zhuǎn)，則是有利的。為了可以盡可能多地從所述水流除去所述懸浮物質(zhì)顆粒，如果所述分離裝置具有至少一個(gè)鄰接所述管狀元件的漏斗狀分離元件，則是有利的，所述漏斗狀分離元件具有連接至所述流動(dòng)通道的分離通道。為了減少在除去所述懸浮物質(zhì)顆粒時(shí)湍流的發(fā)生，如果所述分離通道的縱向軸線相對(duì)于所述主流動(dòng)方向以30°到70°的角，更優(yōu)選地以45°到55°的角基本上布置在所述管狀元件的切平面內(nèi)，則是有利的。通過切向除去，極大地消除了所述分離裝置對(duì)所述加壓水管線中的流動(dòng)的破壞性影響。實(shí)踐上已經(jīng)證明，如果所 述分離通道相對(duì)于所述主流動(dòng)方向或所述管狀元件的縱向軸線以具體為近似50°的角扭曲地布置在所述切平面中，則是特別有利的。為了能夠可靠地將所述懸浮物質(zhì)顆粒除去到所述分離通道中，如果在所述流動(dòng)通道中設(shè)置基本從所述流動(dòng)通道的中間延伸至所述分離通道的至少一個(gè)導(dǎo)向翼或?qū)蚯?，則是有利的。因而，所述導(dǎo)向翼有助于除去所述懸浮物質(zhì)顆粒，因?yàn)橥ㄟ^激發(fā)出的垂直流動(dòng)方向而徑向向外集中的所述懸浮物質(zhì)顆粒被弓丨導(dǎo)到所述分離通道內(nèi)。為了保持對(duì)水流的阻力最小，由此保持由于湍流等引起的損失最小，如果所述導(dǎo)向翼或?qū)蚯娴那驶旧蠈?duì)應(yīng)于漩起的懸浮顆粒的速度矢量，則是有利的。為了確保在比較短的管區(qū)段中除去所述懸浮物質(zhì)顆粒，如果所述管狀元件具有至少兩個(gè)在直徑上相對(duì)的縱向狹縫，由此每個(gè)狹縫與分離元件的分離通道相連，則是有利的。當(dāng)然，根據(jù)所述加壓水管線的給定條件(諸如流動(dòng)速度、直徑等)，還可以設(shè)想在所述管狀元件中設(shè)置多于兩個(gè)的縱向狹縫，每個(gè)縱向狹縫都分配有一個(gè)分離元件，借助于所述分離元件除去所述懸浮物質(zhì)顆粒。在背景技術(shù)中闡述的類型的方法中，帶有懸浮物質(zhì)顆粒的水流被被動(dòng)地偏轉(zhuǎn)向與主流動(dòng)方向垂直的方向上，從而激發(fā)出水流的垂直于所述主流動(dòng)方向延伸的流動(dòng)分量，并且從加壓水管線除去由于離心力而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒。通過根據(jù)本發(fā)明的方法，因而可以獲得與通過根據(jù)本發(fā)明的呈現(xiàn)軸向旋流器形式的裝置相同的優(yōu)點(diǎn)，從而避免對(duì)上述實(shí)施方式的重復(fù)引用。


下面將借助于附圖中示出的實(shí)施方式的優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，然而，本發(fā)明并不限于這些附圖。具體地說，在附圖中圖I示出了其中設(shè)置有用于除去加壓管線中的懸浮物質(zhì)顆粒的裝置的水力發(fā)電廠的示意圖；圖2示出了根據(jù)圖I的裝置的管狀元件的縱向剖視圖，該管狀元件形成了流動(dòng)通道；圖3示出了在位于布置在流動(dòng)通道中的插入元件的設(shè)置有用于使懸浮物質(zhì)顆粒產(chǎn)生漩渦的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的區(qū)域中貫穿根據(jù)圖2的管狀元件的剖視圖；圖4示出了所述裝置的立體圖，該裝置在偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的區(qū)域中被部分地剖開；圖5示出了示意圖，其中可看見設(shè)置在插入本體上的偏轉(zhuǎn)葉片的輪廓；圖6示出了根據(jù)圖2至圖4中任意一幅圖的管狀元件的末端區(qū)段的細(xì)節(jié)圖，為此該末端區(qū)段具有用于除去通過離心力作用而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒的分離裝置；
圖7示出了根據(jù)圖6的管狀元件的末端區(qū)段的視圖；圖8示出了根據(jù)圖6和圖7的末端區(qū)段的立體圖；圖9至圖11示出了根據(jù)圖6至圖8的分離元件的側(cè)視圖、俯視圖和立體圖；圖12示出了所述末端區(qū)段的分離段的立體圖，其中設(shè)置了兩個(gè)縱向狹縫，所述縱向狹縫用于連接至分離元件的分離通道；圖13示出了末端區(qū)段的末 端段的側(cè)視圖，為此在組裝狀態(tài)下，插入在分離段內(nèi)的末端區(qū)段的自由端部具有用于漩渦水流的導(dǎo)向翼；圖14示出了根據(jù)圖13的末端段的立體圖；圖15和圖16均示出了末端區(qū)段的另選實(shí)施方式的視圖，其中分離通道的縱向軸線在管狀元件的切平面內(nèi)相對(duì)于主流動(dòng)方向傾斜；圖17示出了根據(jù)圖15和圖16的末端區(qū)段的分離段；以及圖18示出了根據(jù)圖15和圖16的末端區(qū)段23的末端段。
具體實(shí)施例方式圖I示意性示出了水力發(fā)電廠I，通過該水力發(fā)電廠I以傳統(tǒng)方式將水力能轉(zhuǎn)換成電。水力發(fā)電廠2與加壓水管線3相連接，該加壓水管線被從水庫供水，水以高勢(shì)能水平保持在該水庫中，由此在實(shí)施方式的所示實(shí)施例中，所述加壓水管線3具有兩個(gè)區(qū)段3’、3”，這兩個(gè)區(qū)段具有不同傾斜率。該加壓水管線3可以直接連接至水庫的水，或者如圖I中示意性所示，與傳統(tǒng)的除沙沉降盆4連接，所述除沙沉降盆4用于除去諸如砂粒、沙子顆粒等之類的更粗糙的固體。當(dāng)水庫的水閘或關(guān)閉元件被打開時(shí)，水經(jīng)由加壓水管線3向下流動(dòng)，并且根據(jù)落差h而獲得流動(dòng)能量，然后可以利用該流動(dòng)能量操作設(shè)置在水力發(fā)電廠中的渦輪機(jī)。不利的是，即使在經(jīng)過除沙沉降盆之后，特別是如果省略這種除沙沉降盆，則加壓水管線3中的水流也會(huì)攜帶大量沉積物或懸浮物質(zhì)顆粒，即諸如冰川淤泥、精細(xì)沙子顆粒等固體物質(zhì)，這些物質(zhì)對(duì)水力發(fā)電廠2的旋轉(zhuǎn)部件造成巨大磨損。為了在水流到達(dá)水力發(fā)電廠2的易受磨損部件之前從水流中除去懸浮物質(zhì)顆粒，根據(jù)本發(fā)明，在加壓水管線3中布置用于除去懸浮物質(zhì)顆粒，特別是精細(xì)和超精細(xì)顆粒的裝置。在圖I中僅示意性示出的裝置5具有管狀元件6,該管狀元件6在其入口側(cè)和出口側(cè)連接至所述加壓水管線。加壓水管線3中的每個(gè)附加裝置都必然增加水流的流動(dòng)阻力，該流動(dòng)阻力導(dǎo)致加壓水管線3中的壓力損失或可用落差h降低。為了在水流過該裝置的同時(shí)保持在加壓水管線3中發(fā)生的壓力損失最小，裝置5或管狀元件6設(shè)置在加壓水管線3的具有比較小的傾斜率的區(qū)段3’中。因而，在區(qū)段3’中僅僅克服小的落差h。流動(dòng)能量的主要部分因而將在隨后的區(qū)段3”中獲得，在該區(qū)段3”中，水流涵蓋到水力發(fā)電廠2的落差h的大部分。研究表明，即使加壓水管線3的其中布置有用于除去懸浮物質(zhì)顆粒的裝置5的區(qū)段3’僅具有在0. 1%和0. 5%之間的傾斜率，通過根據(jù)本發(fā)明的裝置也能夠以小的壓力損失非常有效地除去懸浮物質(zhì)顆粒的大部分。圖2示出了貫穿用于從水力發(fā)電廠I的加壓水管線3除去懸浮物質(zhì)顆粒的裝置5的管狀元件6的縱向截面。在管狀元件6內(nèi)有流動(dòng)通道7，在該流動(dòng)通道7對(duì)水進(jìn)行引導(dǎo)。具有相對(duì)高含量的懸浮物質(zhì)顆粒的水流經(jīng)由入口 8吸入流動(dòng)通道7中，該流動(dòng)通道7的縱向范圍確定在圖2中以箭頭表示的水流的主流動(dòng)方向9。在進(jìn)入裝置5時(shí)，懸浮物質(zhì)顆粒通常均勻地分布在水流的橫截面區(qū)域上。在出口 10處，具有低比例的懸浮物質(zhì)顆粒的水流被排走，該水流然后可以被供給至水力發(fā)電廠2。在流動(dòng)通道7中，就呈現(xiàn)軸向旋流器形式的裝置5的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，設(shè)置了靜止的被動(dòng)漩渦產(chǎn)生裝置11，通過該漩渦產(chǎn)生裝置11激發(fā)出與水流的主流動(dòng)方向9垂直的流動(dòng)分量，即水流圍繞流動(dòng)通道7的中軸線12產(chǎn)生漩渦。漩起的懸浮物質(zhì)顆粒受到與中軸線12垂直的徑向向外指向的離心力。由于離心力的作用，在懸浮物質(zhì)顆粒的徑向分布上存在濃度梯度，由此隨著距離中軸線12的距離增加，在流動(dòng)通道7中懸浮物質(zhì)顆粒變得越濃。水流的沿著管狀元件6流動(dòng)的具有高含量的懸浮物質(zhì)顆粒的部分流動(dòng)通過分離裝置13而從流動(dòng)通道7中除去。作為漩渦產(chǎn)生裝置11，設(shè)置插入元件14，該插入元件14布置在流動(dòng)通道7中。在插入元件14的表面上設(shè)置偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15，通過該偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15，沿著該偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的水流被與主流動(dòng)方向9垂直地偏轉(zhuǎn)。水流以及包含在其中的懸浮物質(zhì)顆粒的漩渦在沒有可移動(dòng)分量特別是旋轉(zhuǎn)分量的情況下產(chǎn)生。偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15的外部形狀產(chǎn)生與主流動(dòng)方向9垂直的流動(dòng)路徑，從而在經(jīng)過插入元件12之后，除了在主流動(dòng)方向9上的流動(dòng)分量之外，水流還具有與所述主流動(dòng)方向9上的流動(dòng)分量垂直的流動(dòng)分量。
在本發(fā)明的實(shí)施方式的所示實(shí)施例中，插入元件14具有三個(gè)區(qū)段或部分16、17、18，這三個(gè)區(qū)段或部分在組裝狀態(tài)下被剛性地連接至彼此。面向入口 8的末端區(qū)段16和面向出口 10的末端區(qū)段17朝向它們的自由端部橫截面均變窄，有利地，插入元件14的近似流線型的通常為橢圓體形的形狀僅表現(xiàn)出非常低的流動(dòng)阻力。在末端區(qū)段16、17之間，具有基本上圓柱形的橫截面恒定的中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段18。在中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段18的表面上，具有若干個(gè)(在所示實(shí)施例的情況下為八個(gè))呈現(xiàn)葉片19形式的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。具有葉片19的中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段18的徑向范圍對(duì)應(yīng)于管狀元件6的內(nèi)徑，從而強(qiáng)制所有水流經(jīng)過葉片19。如從根據(jù)圖3的剖視圖和/或根據(jù)圖4的立體圖可看到的，葉片19以規(guī)則的角度距離設(shè)置在偏轉(zhuǎn)區(qū)段18的表面上。為了使沿著葉片19的流動(dòng)最優(yōu)化，所述葉片具有弧形曲率。圖5示意性示出了借助于計(jì)算機(jī)模擬修改的葉片19的橫截面輪廓。該輪廓的中線20根據(jù)三次貝塞爾曲線彎曲。從中線20開始，借助于貝塞爾支承點(diǎn)21，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)22，以在流動(dòng)特性方面使葉片19的側(cè)邊緣/側(cè)表面的曲率最優(yōu)化。圖示的葉片輪廓使水流產(chǎn)生相對(duì)于主流動(dòng)方向9測(cè)量的大約65°的偏轉(zhuǎn)角的偏轉(zhuǎn)。由于在壓力裝置的區(qū)段3’中的水流的相對(duì)低的流動(dòng)速度，作用在懸浮物質(zhì)顆粒上的離心力也相對(duì)較低，為了增加由偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15產(chǎn)生的漩渦，管狀元件16具有橫截面不同的兩個(gè)區(qū)段7’、7”。容納插入元件14的面向入口 8的末端區(qū)段15或中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段18的第一區(qū)段7’具有比第二區(qū)段7”大的橫截面面積，分離裝置13設(shè)置在該第二區(qū)段7”中。在測(cè)試模型中，區(qū)段V中的近似44cm的直徑和區(qū)段7”中的近似22cm的直徑被證明是有利的。在真實(shí)發(fā)電廠中使用的尺寸當(dāng)然可以超過這些尺寸。區(qū)段7’、7”的橫截面面積的比大約為2: I。元件6的優(yōu)選總長(zhǎng)度至少為3到4m，由此在這種情況下插入元件具有近似Im的長(zhǎng)度。在第一區(qū)段7’中，通過偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)15激發(fā)出垂直流動(dòng)分量，根據(jù)角動(dòng)量守恒原理，直徑的減少導(dǎo)致與主流動(dòng)方向9垂直的流體流的速度相應(yīng)地增加。在不同橫截面面積的區(qū)段7’、7”之間的過度區(qū)發(fā)生在流動(dòng)通道7的管狀元件6的縮減區(qū)段7”’中，該縮減區(qū)段7”’在主流動(dòng)方向上毗鄰插入元件14的偏轉(zhuǎn)區(qū)段18。管狀元件6的橫截面從區(qū)段7’的橫截面開始朝向區(qū)段7”的減小的橫截面在縮減區(qū)段V”中連續(xù)地減小。插入元件14面對(duì)所述出口的末端區(qū)段17位于縮減區(qū)段7”’中，其中在包圍插入元件14的末端區(qū)段17的縮減區(qū)段7”’中的管狀元件6以使得流動(dòng)通道7的沒有插入元件14的橫截面面積基本保持恒定的方式變窄。由此，如通過模擬所示的那樣，能夠防止出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。如在圖2中可看出的，流動(dòng)通道7的沒有插入元件14的橫截面區(qū)域在縮減區(qū)段7”’中在主流動(dòng)方向9上流為加寬，這允許橫截面極大減少的區(qū)段7”中的水流的過度最佳，而不會(huì)有任何相關(guān)的湍流。管狀元件6在縮減區(qū)段7”’中的輪廓符合五次多項(xiàng)式。用于從流動(dòng)通道7中除去漩起的懸浮物質(zhì)顆粒的分離裝置13在管狀元件6的單獨(dú)末端區(qū)段23中設(shè)置在流動(dòng)通道7的區(qū)段7”中，該末端區(qū)段23在組裝狀態(tài)下剛性地連接至管狀元件6的其他部分。圖6至圖8均示出了末端區(qū)段23的視圖。根據(jù)這些視圖，該分離裝置13具有鄰接管狀元件6的兩個(gè)漏斗狀或軸狀的分離元件24，所述分離元件24在外部緊固至末端區(qū) 段23的分離段25，如圖12所示。在每個(gè)分離元件24內(nèi)都有連接至流動(dòng)通道7的分離通道26。更具體地，如圖7中所示，分離元件24相切地鄰接末端區(qū)段23的分離段25，由此在圖I至圖14中所示的實(shí)施方式的實(shí)施例中，分離通道25的縱向軸線26’與主流動(dòng)方向9垂直地布置。這樣，可以與主流動(dòng)通道9基本垂直地進(jìn)行懸浮物質(zhì)顆粒的除去，由此與在主流動(dòng)方向9上分離相比，可以實(shí)現(xiàn)效率提高。圖9至圖11均示出了分離元件24的詳細(xì)視圖。分離元件24的側(cè)壁27均具有根據(jù)管狀元件6的外曲率彎曲的支撐表面27’，在組裝狀態(tài)下該支撐表面27’鄰接分離段25。在分離元件24的前部上，有除去連接部28，通過該除去連接部28可以除去/處理懸浮物質(zhì)顆粒-水混合物。該除去連接部28具有能夠與對(duì)應(yīng)的除去管線(未在圖中示出)連接的外螺紋。如在圖10中可以看到的，分離元件24的上壁29在除去連接部28的方向上變窄。圖12示出了末端區(qū)段23的分離段25，該分離段25具有兩個(gè)基本上偏移180°彼此相對(duì)布置的兩個(gè)縱向狹縫，所述縱向狹縫在組裝狀態(tài)下均布置在分離元件24的分離通道26上?？梢酝ㄟ^改變縱向狹縫30的尺寸，更具體地改變狹縫寬度而簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)懸浮物質(zhì)顆粒-水混合物的數(shù)量。鄰接分離段25，末端區(qū)段23具有末端段31，在圖13和圖14中分別以側(cè)視圖和立體圖示出了該末端段31。在末端區(qū)段23的組裝狀態(tài)下，末端段31的背離出口 10的自由端部31’被推入分離元件25內(nèi)并剛性地保持在分離段25上，如圖6中可以看到的那樣。端部31的自由端部31’具有兩個(gè)導(dǎo)向翼31”，所述兩個(gè)導(dǎo)向翼31”基本上從流通通道7的中部延伸至分離本體24的縱向狹縫30或分離通道26。導(dǎo)向翼31”的曲率基本上對(duì)應(yīng)于漩起的懸浮物質(zhì)顆粒的速度矢量，這允許以低流動(dòng)能量損失有利地引導(dǎo)水流。在末端區(qū)段23的組裝狀態(tài)下，與鄰接導(dǎo)向邊緣32的縱向狹縫30的邊緣33 —樣，導(dǎo)向翼31”的導(dǎo)向邊緣32是傾斜的(參見圖12)，以便便于除去懸浮物質(zhì)顆粒。在圖15至圖18中，示出了末端區(qū)段23的實(shí)施方式的特別優(yōu)選的形式。如特別在圖16和16中可以看出，分離通道26的基本上在管狀元件6的切平面內(nèi)延伸的縱向軸線26’相對(duì)于主流動(dòng)方向9以大約50°的角布置，由此，可以實(shí)現(xiàn)非常有效地除去懸浮物質(zhì)顆粒。另外，在軸狀的分離元件24和比較長(zhǎng)的除去連接部28之間，設(shè)置了連接件34，該連接件34在縱向方向上變窄，并且基本與分離元件24連續(xù)。這樣，可以極大地改善從分離元件24到除去連接部28的過過渡部的流動(dòng)條件。在圖17中，示出了末端區(qū)段23的分離段25，該分離段25具有根據(jù)分離通道26的傾斜布置延伸的縱向狹縫30。 圖18示出了末端區(qū)段23的末端段31，該末端段31允許有效地引導(dǎo)沿著分離通道26的方向的流動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用于從水力發(fā)電廠(2)的加壓水管線(3)中的含有懸浮物質(zhì)顆粒的水流中除去懸浮物質(zhì)顆粒特別是精細(xì)和超精細(xì)顆粒的裝置(5)，其特征在于，在所述加壓水管線(3)中設(shè)置有形成流動(dòng)通道(7 )的管狀元件(6 )，其中所述流動(dòng)通道(7 )基本上在所述加壓水管線(3)的軸向方向上延伸，并且在所述流動(dòng)通道(7)中布置靜止的漩渦發(fā)生裝置(11)，該漩渦產(chǎn)生裝置(11)用于激發(fā)所述水流的與主流動(dòng)方向(9 )垂直地流動(dòng)的流動(dòng)分量，并且在流動(dòng)方向上所述漩渦產(chǎn)生裝置(11)之后，設(shè)置有分離裝置(13)，該分離裝置(13)用于除去由于離心力而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述加壓水管線具有至少兩個(gè)具有不同傾斜率的區(qū)段(3’，3”)，其中所述管狀元件(6)設(shè)置在具有比較小的傾斜率的區(qū)段(3’)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，用于帶有所述懸浮物質(zhì)顆粒的水流的入口(8)與基本上清除了所述懸浮物質(zhì)顆粒的水流的出口(10)之間的所述流動(dòng)通道(7)的長(zhǎng)度在5m和25m之間，并且所述入口(8)和所述出口( 10)之間的高度差在Im和15m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，作為所述漩渦產(chǎn)生裝置(11)，設(shè)置優(yōu)選居中地布置在所述管狀元件(6)中的插入元件(14)，在該插入元件(14)的表面上設(shè)置偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(15)，所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(15)用于使沿著偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(15)流動(dòng)的流體流與所述主流動(dòng)方向(9)垂直地偏轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述插入本體(14)具有面向所述入口(8)的末端區(qū)段(16)和面向所述出口( 10)的末端區(qū)段(17)以及具有所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(15)并具有基本上恒定的橫截面的中間偏轉(zhuǎn)區(qū)段(18)，面向所述入口(8)的末端區(qū)段(16)和面向所述出口(10)的末端區(qū)段(17)在橫截面上均朝向所述自由端部逐漸減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述管狀元件(6)具有至少兩個(gè)不同的、橫截面面積基本恒定的區(qū)段(7’，7”)，其中所述區(qū)段(7’，7”)的橫截面面積的比優(yōu)選在2.5:1和I. 5:1之間，更具體地基本為2:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，在具有基本恒定橫截面的兩個(gè)區(qū)段(7’，7 ”)之間，所述管狀元件(6 )具有縮減區(qū)段(7 ”’)，在該縮減區(qū)段(7 )中所述管狀元件(6 )具有在所述主流動(dòng)方向(9)上逐漸減小的橫截面面積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在圍繞所述插入元件(14)的末端區(qū)段(17)的所述縮減區(qū)段(7”’)中，所述管狀元件(6)以使所述流動(dòng)通道(7)的自由橫截面面積保持基本恒定的方式變窄。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在所述縮減區(qū)段(7”’)中，所述管狀元件(6)特別地根據(jù)η次多項(xiàng)式，優(yōu)選根據(jù)五次多項(xiàng)式逐漸變細(xì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置至少六個(gè)優(yōu)選八個(gè)葉片(19)作為所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(15)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述葉片(19)至少部分地具有弧形曲率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述葉片(19)特別地根據(jù)η次優(yōu)選是三次貝塞爾曲線彎曲。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述葉片(19)產(chǎn)生大約至少60°優(yōu)選在65°和73°之間的偏轉(zhuǎn)角的偏轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述分離裝置(13)具有鄰接所述管狀元件(6)的至少一個(gè)漏斗狀分離元件(24)，所述至少一個(gè)漏斗狀分離元件(24)具有連接至所述流動(dòng)通道(7)的分離通道(26)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述分離通道(26)的縱向軸線(26’)相對(duì)于所述主流動(dòng)方向(9)優(yōu)選以30°至70°的角，更具體地以45°至55°的角基本上布置在所述管狀元件(6)的切平面內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，在所述流動(dòng)通道(7)中設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)向翼(31”)，所述至少一個(gè)導(dǎo)向翼(31”)基本上從所述流動(dòng)通道(7)的中部延伸至所述分離通道(26)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向翼(31”)的曲率基本上對(duì)應(yīng)于漩起的懸浮物質(zhì)顆粒的速度矢量。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述管狀元件(6)具有 至少兩個(gè)在直徑上相對(duì)的縱向狹縫(30)，其中每個(gè)縱向狹縫(30)連接至分離元件(24)的分離通道(26)。
19.一種用于從水力發(fā)電廠的加壓水管線(3)中的含有懸浮物質(zhì)顆粒的水流中除去懸浮物質(zhì)顆粒特別是沙子的方法，其特征在于，含有所述懸浮物質(zhì)顆粒的水流被被動(dòng)地偏轉(zhuǎn)向與主流動(dòng)方向(9)垂直的方向，從而激發(fā)所述水流的與所述主流動(dòng)方向(9)垂直的流動(dòng)分量，并且從所述加壓水管線(3)中除去由于離心力而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從水力發(fā)電廠(2)的加壓水管線(3)中的含有懸浮物質(zhì)顆粒的水流中除去懸浮物質(zhì)顆粒特別是精細(xì)和超精細(xì)顆粒的裝置(5)和方法，其中在所述加壓水管線(3)中設(shè)置有形成流動(dòng)通道(7)的管狀元件(6)，其中所述流動(dòng)通道(7)基本上在所述加壓水管線(3)的軸向方向上延伸，并且在所述流動(dòng)通道(7)中布置靜止的漩渦發(fā)生裝置(11)，以產(chǎn)生所述水流的與主流動(dòng)方向(9)垂直的流動(dòng)分量，并且在流動(dòng)方向上所述漩渦產(chǎn)生裝置(11)之后，設(shè)置有分離裝置(13)，該分離裝置(13)用于除去由于離心力作用而被徑向向外攜帶的懸浮物質(zhì)顆粒。
文檔編號(hào)B04C3/00GK102762308SQ201180009451
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者利奧波德·賓德爾, 愛德華·杜亞克, 貝恩德·溫德霍爾茨 申請(qǐng)人:維也納技術(shù)大學(xué)