本發(fā)明涉及一種防水錘的差壓空氣罐和設(shè)計(jì)方法，是一種水工設(shè)施，是一種管道輸水的安全防護(hù)設(shè)施和設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

空氣罐又稱為蓄壓器，是泵站常用的控制水力瞬變、保證工程安全的設(shè)備之一，它的主要作用是在停電和停泵過程中：1）避免管道中水壓降至大氣壓以下；2）限制管道水壓的最大值；3）限制水泵的反向飛逸轉(zhuǎn)速。

空氣罐一般安裝在靠近水泵位置處，它是一個(gè)充滿流體的密閉容器，上部為空氣，下部為水，見圖1。它的工作原理概述如下：當(dāng)水泵失去傳動(dòng)或突然停止后，水泵轉(zhuǎn)速下降，流量減小，管路壓力降低。此時(shí)，空氣罐內(nèi)的壓力大于連接點(diǎn)壓力。罐內(nèi)的壓縮空氣膨脹，并迫使下層水體流出空氣罐，進(jìn)入管道，維持流水的動(dòng)量。由此，管路的壓力可維持在飽和蒸汽壓力之上，防止壓力下降過大以致出現(xiàn)液柱分離。當(dāng)水流流速降低至某一數(shù)值時(shí)，止回閥開始關(guān)閉。隨著止回閥的關(guān)閉，管路的壓力增加。當(dāng)連接點(diǎn)壓力大于空氣罐壓力時(shí)，管道內(nèi)的水進(jìn)入空氣罐?？諝夤薜囊何簧?，氣體體積減??；這就避免了管路產(chǎn)生過高的壓力。通過在系統(tǒng)中引入空氣罐，降低了管路的流速變化率，削減了高壓，并且避免了液柱分離。在設(shè)計(jì)空氣罐時(shí)，為了防止管道中產(chǎn)生過低的壓力，水流從罐內(nèi)流出盡可能自由，而流入水量則被限制以減小空氣罐體積，通俗來講，水流出空氣罐容易，流入空氣罐相對(duì)較難?？卓谌肓骱统隽鞔嬖谒^損失差異，一般采用2.5:1作為孔口入流和出流存在水頭損失差異之比。這個(gè)自然的差異還不足以達(dá)到減小空氣罐或最優(yōu)保護(hù)的目的。因此，傳統(tǒng)的空氣罐通過差動(dòng)孔口與管道連接的，以增加空氣罐入流和出流之間的阻力之比，以圖達(dá)到減小空氣罐和優(yōu)化保護(hù)的目的。差動(dòng)孔口為一錐形孔，錐形孔的錐角指向管道方向。這樣，水流由空氣罐進(jìn)入管道容易，由管道進(jìn)入空氣罐困難。但它的不足也是很明顯的，進(jìn)出流的阻力系數(shù)難以調(diào)整，使其數(shù)值及比例達(dá)到最優(yōu)，同一空氣罐的防護(hù)效果達(dá)到最佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了防水錘的差壓空氣罐和設(shè)計(jì)方法。所述的空氣罐在進(jìn)出口處采用差壓控制閥，增加進(jìn)出流量的差異，并設(shè)計(jì)中通過調(diào)整差壓控制閥進(jìn)出流量的差異，達(dá)到減小空氣罐或最優(yōu)保護(hù)的目的。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種防水錘的差壓空氣罐，包括：安裝在水泵出水管上的連接段，所述的連接段的另一端與豎直安裝的罐體連接，所述的連接段上設(shè)有差壓控制閥，所述的差壓控制閥具有兩個(gè)開啟方向相反的單向開啟閥瓣：出流閥瓣和入流閥瓣，出流閥瓣的過流面積大于入流閥瓣的過流面積。

進(jìn)一步的，所述的差壓控制閥是升降式差壓控制閥。

進(jìn)一步的，所述的差壓控制閥是旋啟式差壓控制閥。

一種上述空氣罐的設(shè)計(jì)方法，所述方法的步驟如下：

初選阻力系數(shù)的步驟：泵站過渡過程分析，初步擬定空氣罐體積和出流與入流的阻力系數(shù)ξ1和ξ2，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；

調(diào)整阻力系數(shù)的步驟：根據(jù)泵站過渡過程分析，獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的壓力、流速和水位波動(dòng)的信息，以防護(hù)效果最優(yōu)為目標(biāo)，通過壓力、流速和水位波動(dòng)的對(duì)比，對(duì)阻力系數(shù)ξ1和ξ2進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和數(shù)值計(jì)算，選取最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2；

計(jì)算閥門開度的步驟：通過ξ1和ξ2分別計(jì)算出流閥瓣和入流閥瓣開啟的高度h1、h2和過流通道直徑d01、d02；

調(diào)整空氣罐體積的步驟：使用選出的最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2，調(diào)整空氣罐的體積，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析壓力、流速和水位，獲得空氣罐的最優(yōu)體積。

進(jìn)一步的，所述的空氣罐所使用的差壓控制閥是升降式差壓控制閥，差壓控制閥的兩個(gè)閥瓣開度h的計(jì)算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明采用差壓控制閥調(diào)整空氣罐出流和入流的阻力系數(shù)，通過調(diào)整獲得兩者最優(yōu)的匹配值，以使同一體積、初始?xì)怏w體積的空氣罐，獲得最優(yōu)的防護(hù)效果，或者在獲得滿足安全生產(chǎn)的前提下，所需求的空氣罐體積最小，降低空氣罐的制造費(fèi)用，節(jié)約成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述空氣罐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述的差壓控制閥出水閥瓣打開的示意圖；

圖3是本發(fā)明的實(shí)施例一所述的差壓控制閥入水閥瓣打開的示意圖；

圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三所述的旋啟式差壓控制閥出水閥瓣打開的示意圖；

圖5是本發(fā)明的實(shí)施例三所述的旋啟式差壓控制閥入水閥瓣打開的示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種防水錘的差壓空氣罐，如圖1所示。本實(shí)施例包括：安裝在水泵1出水管2上的連接段3，所述的連接段的另一端與豎直安裝的罐體4連接，所述的連接段上設(shè)有差壓控制閥，所述的差壓控制閥具有兩個(gè)開啟方向相反的單向開啟閥瓣：出流閥瓣501和入流閥瓣502，出流閥瓣的過流面積大于入流閥瓣的過流面積。

本實(shí)施例所述的空氣罐安裝在水泵的出水管道上，圖1中的箭頭b表示水泵出水管的水流方向。多數(shù)情況下，水泵出水口一般設(shè)置逆止閥2（見圖1），在逆止閥的下游設(shè)置一段與出水管交叉的連接段，連接段與豎直的空氣罐連接?？諝夤奘秦Q直安裝的密封罐，上半部分充有空氣，下半部分充滿水。

差壓控制閥是一個(gè)可雙向開啟的閥門，它由兩塊閥瓣組成，其閥瓣面積分別為a1和a2，a1>a2。圖2給出了空氣罐內(nèi)水流向管道的情況。此時(shí)，差壓控制閥的大閥瓣在水流的作用下開啟，而小閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，水由大閥瓣對(duì)應(yīng)的流道通過（圖2中箭頭c表示的方向），過流面積為a1。圖3給出了管道內(nèi)水流向空氣罐的情況。此時(shí)，差壓控制閥的大閥瓣在水流的作用下關(guān)閉，小閥瓣處于開啟狀態(tài)，水由小閥瓣所對(duì)應(yīng)的流道通過（圖3中箭頭d表示的方向），過流面積為a2。通過改變a1和a2的大小及差壓控制閥的開度，就可以調(diào)整空氣罐出流與入流的阻力系數(shù)ξ1和ξ2。

這樣，在進(jìn)行泵站過渡過程分析時(shí)，就可以對(duì)不同的空氣罐出流與入流的阻力系數(shù)ξ1和ξ2進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過調(diào)整獲得兩者最優(yōu)的匹配值，以使同一體積、初始?xì)怏w體積的空氣罐，獲得最優(yōu)的防護(hù)效果，或者在獲得滿足安全生產(chǎn)的前提下，所需求的空氣罐體積最小，節(jié)約成本。而之前傳統(tǒng)的空氣罐，由于無法根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整空氣罐出流與入流的阻力系數(shù)ξ1和ξ2，也就難以達(dá)到最優(yōu)的防護(hù)效果。

通過過渡過程計(jì)算確定阻力系數(shù)ξ1和ξ2的最優(yōu)匹配值后，可按照下式進(jìn)行初步估算兩個(gè)閥門的開度h。

式中：，。其中，h為閥瓣開啟的高度，d0為過流通道的直徑。

差壓控制閥可以是升降式，所謂升降式是指閥瓣在導(dǎo)軌（桿）的作用下做直線運(yùn)動(dòng)，垂直上升或下降。

差壓控制閥也可以是旋啟式，所謂旋啟式是指閥瓣類似于平開門，一端有鉸鏈連接在閥體上，另一端繞鉸鏈回轉(zhuǎn)中心做圓弧運(yùn)動(dòng)。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于差壓控制閥的細(xì)化。本實(shí)施例所述的差壓控制閥是升降式差壓控制閥。

圖1表示的一種出水閥瓣在入水閥瓣中間的示意圖，兩個(gè)閥瓣的安裝形式還可以是其他方式，如：兩個(gè)閥瓣并排安裝等。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于差壓控制閥的細(xì)化。本實(shí)施例所述的差壓控制閥是旋啟式差壓控制閥，如圖4、圖5所示。

圖4是出水閥瓣打開，入水閥瓣關(guān)閉的示意圖。圖5是入水閥瓣打開，出水閥瓣關(guān)閉的示意圖。

圖4、圖5表示的一種出水閥瓣在入水閥瓣中間的示意圖，兩個(gè)閥瓣的安裝形式還可以是其他方式，如：兩個(gè)閥瓣并排安裝等。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例一種上述實(shí)施例所述空氣罐的設(shè)計(jì)方法。本實(shí)施例所述方法先根據(jù)泵站過渡過程分析，初步擬定一個(gè)流出和流入空氣罐的阻力系數(shù)ξ1和ξ2，并以此為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，以使同一體積、初始?xì)怏w體積的空氣罐，獲得最優(yōu)的防護(hù)效果，或者在滿足安全生產(chǎn)的前提下，空氣罐體積最小。

本實(shí)施例所述方法的具體步驟如下：

（一）初選阻力系數(shù)的步驟：泵站過渡過程分析，初步擬定空氣罐體積和出流與入流的阻力系數(shù)ξ1和ξ2，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。選擇泵站運(yùn)行的不利工況（突然斷電停泵、突然啟動(dòng)、不同運(yùn)行水位組合等），進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得控制節(jié)點(diǎn)（泵站出口、管道駝峰、空氣罐與管道連接點(diǎn)等）處的壓力、流速的峰值、谷值和衰減時(shí)間以及空氣罐內(nèi)的水位波動(dòng)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（二）調(diào)整阻力系數(shù)的步驟：根據(jù)泵站過渡過程分析，獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的壓力、流速和水位波動(dòng)的信息，以防護(hù)效果最優(yōu)為目標(biāo)，通過壓力、流速和水位波動(dòng)的對(duì)比，對(duì)阻力系數(shù)ξ1和ξ2進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和數(shù)值計(jì)算，選取最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2。調(diào)整ξ1和ξ2的過程：對(duì)步驟（一）中研究的相同工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的壓力、流速、水位波動(dòng)等信息，并與步驟（一）中獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所需實(shí)現(xiàn)的效果是壓力、流速的峰值和谷值小、衰減速度快以及空氣罐水位波動(dòng)小。若調(diào)整后的防護(hù)效果較優(yōu)，則以調(diào)整后的ξ1和ξ2以及計(jì)算的結(jié)果，作為新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。多次調(diào)整ξ1和ξ2，對(duì)比分析壓力、流速、水位等計(jì)算結(jié)果，直到空氣罐的防護(hù)效果最優(yōu)。該ξ1和ξ2即為出流和入流阻力的最優(yōu)匹配值。

（三）計(jì)算閥門開度的步驟：通過選取的最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2分別計(jì)算出流閥瓣和入流閥瓣開啟的高度h1、h2和過流通道直徑d01、d02。

（四）調(diào)整空氣罐體積的步驟：使用選出的最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2，調(diào)整空氣罐的體積，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析壓力、流速和水位，獲得空氣罐的最優(yōu)體積?？諝夤摅w積的調(diào)整：減小空氣罐的體積，由選擇出的最優(yōu)阻力系數(shù)ξ1和ξ2重新進(jìn)行壓力、流速、水位波動(dòng)等工況計(jì)算，并與空氣罐減小之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)其是否滿足要求，如果滿足要求則再次減小空氣罐的體積，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，如果不滿足要求，則認(rèn)為上一次確定的空氣罐體積為最優(yōu)空氣罐體積。

實(shí)施例五：

本實(shí)施例是實(shí)施例四的改進(jìn)，是實(shí)施例四關(guān)于閥瓣開度的計(jì)算方法。本實(shí)施例所述的空氣罐所使用的差壓控制閥是升降式差壓控制閥，差壓控制閥的兩個(gè)閥瓣開度h的計(jì)算公式如下：

ξ1=2.7－β2＋β3

式中：，；

ξ2=2.7－β2＋β3

式中：，。

旋啟式差壓控制閥的開度也可以參考上述公式計(jì)算。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案（比如閥門的形式、閥門的安裝位置、空氣罐的形式、步驟的先后順序等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。