一种高流速液体活塞系统

1.本发明属于液力机械领域，具体涉及一种高流速液体活塞系统。


背景技术：

2.在液压动力系统工作的过程中，系统管道流速较慢，同时流量较大，进而造成系统工作慢，同时对水池底部冲击较大，造成设备寿命降低。


技术实现要素：

3.针对这一问题，本发明提出了一种高流速液体活塞系统，可以在对流速要求较高的系统中使用，加快系统工作速度，平稳系统流量，同时减少水流对水池底部的冲击。
4.一种高流速液体活塞系统，包括水泵、水轮机、电动机、发电机、第一和第二水池、第一和第二液体主管道、第一和第二液压缸、第一和第二可逆式动力设备；与所述水泵连接的电动机、与所述水轮机连接的发电机均与外部电网相连；第一可逆动力设备通过第一液压缸的活塞杆连接第一液压缸的活塞，第二可逆动力设备通过第二液压缸的活塞杆连接第二液压缸的活塞；第一液压缸与第二液压缸的一端均与第一液体主管道相连，另一端均与第二液体主管道相连；水泵连接第一液体主管道与第一水池，水轮机连接第二液体主管道与第二水池；其特征在于：系统运行时通过调速控制策略，控制水泵工作使第一水池进入第一液体主管道的水流速变快，控制水轮机使第二液体主管道进入第二水池的水流速变慢，实现动能回收；通过阀门控制策略使进入和流出第一和第二液压缸的水量保持稳定；使用稳流控制策略对第一和第二可逆式动力设备发出运动指令，使其以时间交错的方式运行，第一和第二液压缸启停与换向的时间相互交错，使第一和第二液压缸内流出的液体在汇入第二水池侧第二主管道后的流量相互补偿并实现平稳，由第二主管道流入第二水池的总流量保持稳定。
5.优选地，调速控制策略的具体实现方式为采取管道流量检测形式对水泵和水轮机发出导叶开合度与水轮机控制阀的指令。
6.优选地，稳流控制策略的具体实现方式为采取正弦波的非线性补偿控制形式对第一和第二可逆式动力设备发出速度指令。
7.可选地，系统中的水轮机与水泵可同轴连接，则系统无需外加电源与发电机，水轮机动能回收后直接转化成机械能传递给水泵。
8.可选地，水泵和水轮机均为可逆式水泵水轮机，且同轴连接。
9.可选地，第一和第二水池均配备与其连接的水泵和水轮机。
10.优选地，第一和第二液压缸为并联的两组或多组液压缸。
11.进一步优选地，每组液压缸为多个子液压缸同杆串联组成。
12.可选地，可逆式水泵水轮机包括轴流式水泵水轮机、混流式水泵水轮机或斜流式水泵水轮机。
13.可选地，可逆式动力设备包括气动缸、电动缸、直线电机、曲柄连杆机构或额外的
液压驱动系统。
14.本发明的有益效果在于：
15.1.本发明通过引入水泵，使得原活塞系统中的水流快速流动，减少了液压传动机构原本工作所需能量，显著加快了液体活塞系统工作速度。同时，水泵可以使系统动能不变的情况下，系统需要产生的势能变小，使能够回收的动能变多，并有望进一步提高动能占比提高能量利用率。
16.2.本发明通过引入水轮机，使得进入水池中的水动能被有效利用，实现了动能回收，增加了系统能量利用率，减少电能损耗，同时使水进入水池时动能大大减少，防止水进入水池时产生涡流破坏水池及周围管道。水泵和水轮机的双作用，使得水池到液压传动机构管道中水流量可控，减少了对管道系统的破坏，延长了系统寿命。
17.3.本发明通过引入两路液压缸，有利于减少水力设备发电和抽水过程中各管道内的水头损耗，降低使用成本，延长设备使用寿命；管道液流的稳定互补使系统水池出水管道的压强变化可调，从而避免溢流阀的使用，降低水能损耗，提高系统整体的运行效率。
附图说明
18.图1为本发明第一实施例的一种高流速液体活塞系统结构示意图；
19.图2为本发明第一实施例中水泵和水轮机采用pid调速控制策略的结构图；
20.图3为本发明第一实施例中的完全补偿交错稳流策略的正弦波速度控制曲线图；
21.图4为本发明第二实施例的一种高流速液体活塞系统结构示意图；
22.图5为本发明第三实施例的一种高流速液体活塞系统结构示意图。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
24.图1为本发明第一实施例的一种高流速液体活塞系统结构示意图。该液体活塞系统包括：水泵a、水轮机b、电动机c、发电机d、水池p1、水池p2、液体主管道(l1)和(l2)、管道与液压缸间的阀门、液压传动机构液压缸h1和液压缸h2、可逆式动力设备m1和m2，其中，与水泵连接的电动机c、与水轮机连接的发电机d均与外部电网相连；可逆式动力设备m1通过液压缸h1的活塞杆连接液压缸h1的活塞，可逆式动力设备m2通过液压缸h2的活塞杆连接液压缸h2的活塞；液压缸h1与液压缸h2的一端均与水池p1侧液体主管道l1相连，另一端均与水池p2侧液体主管道l2相连；水泵a连接水池p1侧液体主管道l1与水池p1，水轮机b连接水池p2侧液体主管道l2与水池p2。运行时通过调速控制策略控制水泵a工作使水池p1进入液体主管道l1的水流速变快，控制水轮机工作使主管道l2进入水池p2的水流速变慢，实现动能回收。通过阀门控制策略使进入和流出液压缸的水量保持稳定；使用稳流控制策略对各可逆式动力设备发出运动指令，使各可逆式动力设备以时间交错的方式运行，两个液压缸启停与换向的时间相互交错，两个液压缸内流出的液体在汇入p2水池侧主管道l2后的流量相互补偿并实现平稳，由主管道l2流入水池p2的总流量保持稳定。
25.工作过程中，水泵和水轮机采用pid调速控制策略控制出水量与进水量，具体方法为通过检测管道水流量控制导叶开合程度与水轮机控制阀。设x(t)为管道实际水流量，x0为管道水流量预设值。设e(t)为管道水流量误差，e(t)＝x(t)-x0，y(t)为水泵和水轮机导
叶开合度和转速，y(t)越大，导叶开合度越大，转速越快，y(t)在连续时域下表达式为：
[0026][0027]
其中，y(t)表示控制变量，k
p
、ki、kd分别表示比例增益、微分增益、积分增益。k
p
调节可减小系统稳态误差，提高系统的控制精度，使作用速度加快；调节ki可减小系统阻尼，缓和对动态过程的不利影响；kd能表征输入信号的变化趋势，产生早期修正信号。
[0028]
频域表达式为：
[0029][0030]
控制结构如图2所示。在本实施例中，并联有两路液压缸，分别是第一液压缸h1与第二液压缸h2，且两路液压缸都为单个子液压缸，因此同样用第一液压缸h1与第二液压缸h2表示。
[0031]
在工作过程中，第一可逆式动力设备m1和第二可逆式动力设备m2发出运动指令，水泵a和水轮机b与可逆式动力设备配合运行，维持两水池流入与流出的总流量一致，构成稳流量网络，以实现多路液压缸的交错运行，管道流量稳定互补。
[0032]
设液压缸h1和h2的运行横截面积分别为sa和sb，则两组液压缸的速度表达式分别为：
[0033][0034][0035]
在完全交错稳流控制策略的运行过程中，如图3所示，采取正弦波形的控制形式对第一可逆式动力设备m1和第二可逆式动力设备m2发出运动指令，驱动设备依照运动指令带动两路液压缸(第一液压缸h1与第二液压缸h2)中的活塞杆运行；两路液压缸的两根活塞杆依照速度指令运动，两根活塞杆的速度相互配合，使得由液压缸流入主管道l2的液流叠加后起到削峰填谷的效果，形成稳定的液流；通过控制主管道l2的出/入水量抑制不平稳液流可以避免工程应用中管道液流不能完全恒定的问题。具体的，第一液压缸h1与第二液压缸h2中两根活塞杆交错运动，两根活塞杆的速度相互配合，由第一液压缸管道l2和第二液压缸管道l2汇入水池p2侧主管道l2的液流叠加后起到削峰填谷的效果，形成速度恒定的液流。
[0036]
在工作过程中，各阀门通过控制策略相互配合，使进入液压缸h1与h2中的水流量保持稳定，使液压缸内压强便于控制。
[0037]
发电的具体工作过程为：
[0038]
假设初始时液压缸h1和液压缸h2中充满水，所有阀门全部处于关闭状态，起始时液压缸h1中的活塞在活塞腔的最左端，液压缸h2中的活塞在活塞腔的中间，当水从水池p1侧管道流至液压缸时，首先打开阀门f1、f4、f5、f8，两液压缸活塞均向右运动，液压缸h1活塞运动至中间，液压缸h2活塞运动至最右端，关闭阀门f5、f8，打开阀门f6、f7，液压缸h2活塞开始向左运动，当液压缸h1活塞运动至最右端，液压缸h2活塞运动至中间时，关闭阀门f1、f4，打开阀门f2、f3，液压缸h1活塞开向左运动，当液压缸h1活塞运动至中间，液压缸h2
活塞运动至最左端时，关闭阀门f6、f7，打开阀门f5、f8，液压缸h1活塞运动至最左端，液压缸h2活塞运动至中间，完成一个周期。此过程中，水泵和水轮机工作，加速系统水流速，同时两液压缸配合运行，使进入水池h2侧管道(l2)水流量保持稳定，同时使可逆式动力设备m1和m2发电量平稳。过程结束后，水池p1中水压强降低，水的势能转化成电能。
[0039]
发电工作过程中阀门具体开关时刻表为：
[0040][0041]
发电过程中，具体能量转化过程为：假设最初水池p1中水的速度为0，压强为p1，经过水泵a抽出进入管道时速度为v1，则单位体积水的势能为p1，动能为控制阀门开合，令进入液压缸其中一侧侧水压升高，水推动活塞运动，即p2＝p
1-pm，打开水池p2侧阀门，令水进入水池p2侧管道，由于管道横截面积减小，水速度变回v1，则水进入水池b时势能为p2，动能为水轮机b工作，回收水的动能，则进入水池p2的水势能为p2，动能为0，此时水池内的水压强降低，实现发电及动能回收。
[0042]
储能的具体工作过程为：
[0043]
假设初始时液压缸h1和液压缸h2中充满水，所有阀门全部处于关闭状态，起始时液压缸h1中的活塞在活塞腔的最左端，液压缸h2中的活塞在活塞腔的中间，首先打开阀门f1、f5、f8，同时可逆式动力设备运行，使两液压缸活塞向右运动，增大两液压缸活塞右侧压强，当液压缸a活塞运动至中间，液压缸h2活塞运动至最右端时，关闭阀门f5、f8，打开阀门f4、f6，m2开始驱动液压缸h2活塞向左运动，当液压缸h1活塞运动至最右端，液压缸h2活塞运动至中间时，关闭阀门f1、f4，打开阀门f2、f7，m1开始驱动液压缸h1向左运动，当液压缸h1活塞运动至中间，液压缸h2活塞运动至最左端时，关闭阀门f6、f7，打开阀门f3、f5，m2开始驱动液压缸h2活塞向右运动，液压缸h1活塞运动至最左端，液压缸h2活塞运动至中间，完成一个周期。此过程中，水泵和水轮机工作，加速系统水流速，同时两液压缸配合运行，使进入水池p2侧管道(l2)水流量保持稳定。过程结束后，水池p2中水压强升高，电能转化为水的势能。
[0044]
储能过程中阀门具体开关时刻表为：
[0045][0046]
储能过程中，具体能量转化过程为：假设最初水池p1中水的速度为0，压强为p1，经过水泵a抽出进入管道时速度为v1，则单位体积水的势能为p1，动能为不计水在管道中的能量损耗，进入液压缸前动能与势能不变，进入液压缸后由于液压缸横截面积增大，水流速度变小，水的部分动能转化为势能，此时动力设备推动活塞运动，使液压缸内部活塞其中一侧压强增大，即p2＝p1 pm，打开水池p2侧阀门，令水进入水池p2侧管道，由于管道横截面积减小，水速度变回v1，则水进入水池p2时势能为p2，动能为水轮机b工作，回收水的动能，则进入水池p2的水势能为p2，动能为0，此时水池内的水压强升高，实现储能及动能回收。
[0047]
在本发明的第二实施例中，将水轮机与水泵同轴连接，无需外加电源与发电机，可使系统一体化运作，水轮机动能回收后直接转化成机械能传递给水泵运作，如图4所示，未描述部分与第一实施例相同。
[0048]
本发明第二实施例中的液体活塞系统包括：两个水池p1和p2、同轴相连的水泵a和水轮机b、电动机c、液压传动机构液压缸h1和液压缸h2、可逆式动力设备m1和m2，其中，液压缸h1的一端与水池p1侧主管道(l1)相连，另一端与水池p2侧主管道(l2)相连，液压缸h2的一端与水池p1侧主管道(l1)相连，另一端与水池p2侧主管道(l2)相连；水泵连接水池p1侧主管道与水池p1，水轮机连接水池p2侧主管道与水池p2。
[0049]
具体工作过程为：
[0050]
水由水池p1流经水池p1侧管道分成两路进入第一液压缸h1和第二液压缸h2，与此同时，控制第一液压缸h1和第二液压缸h2中的运行速度相匹配，并行的第一液压缸水池p2侧管道与第二液压缸水池p2侧管道的液流汇合后在水池p2侧主管道中达到平稳，最终流入水池p2，水泵a和水轮机b加速整个过程。
[0051]
在第三实施例中，可以使用可逆式水泵水轮机分别替换实施例二中的水泵和水轮机，且两者同轴连接，可使系统工作过程逆向进行。可逆式水泵水轮机如轴流式水泵水轮机、混流式水泵水轮机或斜流式水泵水轮机等，如图5所示，使用的是轴流式水泵水轮机，未描述部分与实施例1相同。
[0052]
本发明第三实施例中的液体活塞系统包括：两个水池p1和p2、同轴相连的水泵水
轮机a和水泵水轮机b、电动机c、液压传动机构液压缸h1和液压缸h2、可逆式动力设备m1和m2，其中，液压缸h1的一端与水池p1侧主管道(l1)相连，另一端与水池p2侧主管道(l2)相连，液压缸h2的一端与水池p1侧主管道(l1)相连，另一端与水池p2侧主管道(l2)相连；水泵连接水池p1侧主管道(l1)与水池p1，水轮机连接水池p2侧主管道(l2)与水池p2。
[0053]
当水由水池p1流向水池p2的具体工作过程为：
[0054]
水由水池p1流经水池p1侧管道分成两路进入第一液压缸h1和第二液压缸h2，水泵水轮机a工作在水泵状态使水加速流动，控制第一液压缸h1和第二液压缸h2中的运行速度相匹配，并行的第一液压缸水池p2侧管道与第二液压缸水池p2侧管道的液流汇合后在水池p2侧主管道中达到平稳，最终流入水池p2的总流量保持稳定，水泵水轮机b工作在水轮机状态，使高速水流减速进入水池p2，减少水的动能，同时回收电能。
[0055]
当水由水池p2流向水池p1的具体工作过程为：
[0056]
水由水池p2流经水池p2侧管道分成两路进入第一液压缸h1和第二液压缸h2，水泵水轮机a工作在水泵状态使水加速流动，控制第一液压缸h1和第二液压缸h2中的运行速度相匹配，并行的第一液压缸水池p1侧管道与第二液压缸水池p2侧管道的液流汇合后在水池p1侧主管道中达到平稳，最终流入水池p1的总流量保持稳定，水泵水轮机a工作在水轮机状态，使高速水流减速进入水池p1，减少水的动能，同时回收电能。
[0057]
为使系统可以逆向运行，另一个优选的实施方案是每侧水池可以同时配备水泵和水轮机。每侧的水泵和水轮机同时与水池连接。
[0058]
在可选的实施例中，水池p1和p2可以是密闭的金属球罐、钢管等高压容器或地下工程，也可以是化工塔等水气同时存储的密闭容器。
[0059]
在本发明中，液压缸实现机械能与水势能之间的转换；液压缸具有上部端口及下部端口，每个液压缸的上部端口分别通过阀门和管道与水泵相连，液压缸的下部端口通过阀门和管道与水轮机相连。
[0060]
动能回收装置使管道内水流速度加快，同时使水进入水池底部时速度变慢，减小了涡流效应对水池底部的影响延长了使用寿命，如本发明实施例中使用的水泵。在本发明中，水泵是指将机械能转换为动能的设备，可选地，其可以是叶流式水泵，此水泵可以使水加速抽出进入液压缸。
[0061]
在本发明中，水通过水轮机产生机械能，水轮机连接发电机产生电能，实现动能回收。可选的是，水轮机可以是轴流式水泵水轮机、混流式水泵水轮机或斜流式水泵水轮机。管道连接在水轮机导叶侧，且为全密封结构，水流经导叶与叶片进入水池。
[0062]
在本发明中，可逆式动力设备是指能够将直线机械能转换成其他能量的设备，可选地，可逆式动力设备可以是压缩空气的气动缸、电动缸、直线电机、曲柄连杆机构或额外的液压驱动系统。
[0063]
在本发明可选的实施例中，两个液压缸也可以是两组液压缸，或者多组液压缸，两组或多组液压缸之间并联。每组液压缸可包括多个子液压缸，多个子液压缸同杆串联组成，此时的液压缸可视为一个可变面积的液压缸；每个子液压缸的截面积可以相同也可以不同，各子液压缸的一端都通过阀门和管道与同一根管道相连，另一端通过阀门和管道与同一根管道相连。当液压缸运动至活塞行程终点时，各子液压缸左右腔与水池连通的状态互换，从而推动液压缸中的活塞向相反行程方向运动，以此实现活塞往复运动。具体工作时，
各经活塞杆串联的子液压缸通过控制各自的阀门来切换子液压缸左右腔与水池的连接状态，以此改变该路液压缸的等效运行截面积，进而使一个水池侧主管道和另一个水池侧主管道的流量在活塞杆运行速度不变的情况下发生改变。
[0064]
在本发明的一个实施例中，取水轮机入水口直径d为1m，出水口直径d为4m，水流量为50m3/s，则动能回收效率可达99.6％。
[0065]
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。