全文摘要
本发明公开了一种数控化虹吸节能离心泵装置，包括离心泵、进口管、伸缩出口管、旋转密封圈、光电流速传感器以及角速度传感器，进口管的一端与离心泵进口端连接，进口管的另一端伸入水池，离心泵通过旋转密封圈与伸缩出口管连接，离心泵由电机带动旋转并通过内设的角速度传感器实时监测离心泵叶轮状态，伸缩出口管设有光电流速传感器实时监测离心泵出口流速大小，且角速度传感器和光电流速传感器及时反馈离心泵的运行状态。本发明避免安装水下底阀，将装置安装在水池上方，使得运行、检修十分方便，避免水下零件腐蚀带来的损失。本发明运用数控化技术能让工作人员实时了解泵的运行状态，根据环境做出调整，并使排水泵适应多流量工况的工作条件。
主设计要求
1.一种数控化虹吸节能离心泵装置，包括离心泵、进口管、伸缩出口管、旋转密封圈、光电流速传感器以及角速度传感器，其特征在于，所述进口管的一端与所述离心泵进口端连接，所述进口管的另一端伸入水池，所述离心泵通过所述旋转密封圈与所述伸缩出口管连接，所述离心泵由电机带动旋转并通过内设的角速度传感器实时监测离心泵叶轮状态，所述伸缩出口管设有一个光电流速传感器，用于实时监测离心泵出口流速的大小，且角速度传感器和光电流速传感器及时反馈离心泵的运行状态,还包括第一信号发射器、第一信号接收器、执行器和计算机，所述第一信号发射器、所述第一信号接收器、所述执行器设置在离心泵上，所述计算机包括第二信号发射器、第二信号接收器和信号处理器，所述离心泵获取水池液面高度的环境信息及通过离心泵的流量和离心泵叶轮转速的内部信息，并通过第一信号发射器传递给第二信号接收器，通过信号处理器生成操作指令，并通过第二信号发射器将操作指令传输给第一信号接收器，再由执行器执行操作指令,所述离心泵进入稳定虹吸排水状态后，所述执行器控制伸缩出口管伸长，在不满足离心泵排水或者排水结束的情况下，执行器控制伸缩出口管缩短并向上旋转直至使其处于竖直状态，以准备进入下一次排水响应。
设计方案
1.一种数控化虹吸节能离心泵装置，包括离心泵、进口管、伸缩出口管、旋转密封圈、光 电流速传感器以及角速度传感器，其特征在于，所述进口管的一端与所述离心泵进口端连 接，所述进口管的另一端伸入水池，所述离心泵通过所述旋转密封圈与所述伸缩出口管连 接，所述离心泵由电机带动旋转并通过内设的角速度传感器实时监测离心泵叶轮状态，所 述伸缩出口管设有一个光电流速传感器，用于实时监测离心泵出口流速的大小，且角速度 传感器和光电流速传感器及时反馈离心泵的运行状态。
2.根据权利要求1所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述离心泵的进口 端处设置有一个进口位置传感器，所述进口位置传感器测量水池液面到离心泵进口的距 离。
3.根据权利要求1所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述离心泵出口端 处的伸缩出口管中设置有一个出口位置传感器，所述出口位置传感器测量伸缩出口管中液 面高度。
4.根据权利要求1所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述角速度传感器 测量离心泵叶轮是否转动，其状态信息包括有角速度或者无角速度。
5.根据权利要求1所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述光电流速传感 器测量离心泵出口端流速大小，进而得到离心泵流量大小。
6.根据权利要求2所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述进口位置传感 器测量水池液面到离心泵进口的距离，其状态信息包括以下之一：
出口管与水池液面的距离小于等于h1<\/sub>，出口管与水池液面的距离在h1<\/sub>和h3<\/sub>之间，出口管 与水池液面的距离大于等于h 3<\/sub>，其中h1<\/sub>为离心泵入口和水池液面距离，h3<\/sub>为伸缩管伸长的长 度。
7.根据权利要求3所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述出口位置传感 器测量可伸缩管中液面高度，其状态信息包括以下之一：
伸缩出口管中液面高度小于等于h2<\/sub>，伸缩出口管中液面高度大于h2<\/sub>，其中h2<\/sub>为出口管中 液面高度。
8.根据权利要求1所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：还包括第一信号发 射器、第一信号接收器、执行器和计算机，所述第一信号发射器、所述第一信号接收器、所述 执行器设置在离心泵端，所述计算机包括第二信号发射器、第二信号接收器和信号处理器， 所述离心泵获取水池液面高度的环境信息及通过离心泵的流量和离心泵叶轮转速的内部 信息，并通过第一信号发射器传递给第二信号接收器，通过信号处理生成操作指令，并通过 第二信号发射器将操作指令传输给第一信号接收器，再由执行器执行操作指令。
9.根据权利要求8所述的数控化虹吸节能离心泵装置，其特征在于：所述离心泵进入稳 定虹吸排水状态后，所述执行器控制伸缩出口管伸长，在不满足离心泵排水或者排水结束 的情况下，执行器控制伸缩出口管缩短并向上旋转直至使其处于竖直状态，以准备进入下 一次排水响应。
设计说明书
技术领域
本发明涉及环保设备技术领域，具体涉及一种数控化节能虹吸泵装置。
背景技术
随着现今计算机的普及，使用计算机对日常生活中一些常见机器进行数控的例子 也越来越多，计算机数控能使人对机器的操作不受地点的控制，使人对机器操控更加方便， 实现人与机器之间的交互。
虹吸现象的实质是因为液体压强和大气压强而产生的。根据帕斯卡定律p＝ρgh， 只要保证进口管液体压强小于出口管液体压强，液体就能因为气压差自动向出口管流动。 离心泵进入虹吸状态后，进口侧压强为p 入口侧<\/sub>＝p大气<\/sub>-ρgh1<\/sub>，出口侧压强为p出口侧<\/sub>＝p大气<\/sub>-ρgh2<\/sub>。在 大气压和液体压强的共同作用下，水由进口侧向出口侧流动，但是必须保证h 2<\/sub>大于h1<\/sub>，不然 虹吸现象无法进行。
以前的排水泵一般都是在水下安装底阀，其存在的问题是：离心泵的底阀在水下 易腐蚀，带来不必要的经济损失；水下底阀的存在大大增加了检修时的难度。
目前关于在泵中应用虹吸原理的设计研究有很多，其侧重点和方向也有很大不 同：例如取消底阀，安装辅助虹吸桶；安装负压罐，靠罐内负压实现虹吸现象等等。通过安装 辅助虹吸桶，虽然也能够使泵进入虹吸现象，达到节能排水的目的，但是在泵进行虹吸排水 之前，需要人工操作在虹吸桶中灌水来创造一个促进虹吸现象的条件。在水池液面以上安 装负压罐能够避免水下底阀带来的不便，罐中高负压的存在能够使离心泵快速进入虹吸补 水的工况，保证了供水的可靠性，但是负压罐的设立需要在泵运行前在罐中建立一个良好 的高负压条件，而且必须保证罐体的绝对密封性，每次对罐体的检修，都需要重新设立负压 条件，条件较为苛刻。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数控化虹吸节能离心泵装置，将 虹吸原理应用到排水离心泵上，在综合考虑排水量、排水效率和消耗功多方面因素的情况 下，利用数控化技术自动选择最优排水方案，以达到节能高效的目的。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种数控化虹吸节能离心泵装置，包括离心泵、进口管、伸缩出口管、旋转密封圈、 光电流速传感器以及角速度传感器，其特征在于，所述进口管的一端与所述离心泵进口端 连接，所述进口管的另一端伸入水池，所述离心泵通过所述旋转密封圈与所述伸缩出口管 连接，所述离心泵由电机带动旋转并通过内设的角速度传感器实时监测离心泵叶轮状态， 所述伸缩出口管设有一个光电流速传感器，用于实时监测离心泵出口流速的大小，且角速 度传感器和光电流速传感器及时反馈离心泵的运行状态。
上述技术方案中，所述离心泵的进口端处设置有一个进口位置传感器，所述进口 位置传感器测量水池液面到离心泵进口的距离。
上述技术方案中，所述离心泵出口端处的伸缩出口管中设置有一个出口位置传感 器，所述出口位置传感器测量伸缩出口管中液面高度。
上述技术方案中，所述角速度传感器测量离心泵叶轮是否转动，其状态信息包括 有角速度或者无角速度。
上述技术方案中，所述光电流速传感器测量离心泵出口端流速大小，进而得到离 心泵流量大小。
上述技术方案中，所述进口位置传感器测量水池液面到离心泵进口的距离，其状 态信息包括以下之一：
出口管与水池液面的距离小于等于h1<\/sub>，出口管与水池液面的距离在h1<\/sub>和h3<\/sub>之间，出 口管与水池液面的距离大于等于h 3<\/sub>，其中h1<\/sub>为离心泵入口和水池液面距离，h3<\/sub>为伸缩管伸长 的长度。
上述技术方案中，所述出口位置传感器测量可伸缩管中液面高度，其状态信息包 括以下之一：
伸缩出口管中液面高度小于等于h2<\/sub>，伸缩出口管中液面高度大于h2<\/sub>，其中h2<\/sub>为出口 管中液面高度。
上述技术方案中，还包括第一信号发射器、第一信号接收器、执行器和计算机，所 述第一信号发射器、所述第一信号接收器、所述执行器设置在离心泵端，所述计算机包括第 二信号发射器、第二信号接收器和信号处理器，所述离心泵获取水池液面高度的环境信息 及通过离心泵的流量和离心泵叶轮转速的内部信息，并通过第一信号发射器传递给第二信 号接收器，并生成操作指令，通过所述计算机的信号处理器处理信号，并通过第二信号发射 器将操作指令传输给第一信号接收器，再由执行器执行操作指令。
上述技术方案中，所述离心泵进入稳定虹吸排水状态后，所述执行器控制伸缩出 口管伸长，在不满足离心泵排水或者排水结束的情况下，执行器控制伸缩出口管缩短并向 上旋转直至使其处于竖直状态，以准备进入下一次排水响应。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、直接将虹吸现象与离心泵结合，没有负压罐、虹吸桶等辅助性设备，减少了整体 设备的占用空间。
2、没有水下底阀，减少了检修时的难度。
3、采用虹吸排水，减少了泵的工作时间，达到了节能的效果，也增加了泵的使用寿 命。
4、角速度传感器和光电流速传感器能够实时反馈泵的运行状态，方便工作人员实 时掌握泵的工作状态。
5、位置传感器能够检测水位的变化，能够自由设置工作水位高度。
6、数控化技术能够实现计算机端远程操控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其它附图。
图1为发明的结构图；
图2为离心泵端与计算机端信号传输与处理模块示意图；
图3为装置进行虹吸排水前处于准备阶段时的示意图；
图4为装置进行虹吸排水时的运行示意图；
图5为装置进行强化虹吸排水时的运行示意图；
图6为装置进行离心泵自排水时的运行示意图；
图7为数控化出口管未延长时的结构剖视图；
图8为数控化出口管延长时的结构剖视图；
图9为简化的模型示意图；
图中标号说明：1-伸缩出口管，2-出口位置传感器，3-光电流速传感器，4-旋转密 封圈，5-离心泵，6-角速度传感器，7-进口位置传感器，8-进口管，9-水池，10-锥形管下端挡 板，11-锥形管上端挡板。
具体实施方式
为了更加清晰、明白、完整地阐述本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合专 利附图，给出一个具体实施例，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，其并不代表全部 的实施例。尽管在附图中示出了实施例中的虹吸节能离心泵装置的结构及构成的各个方 面，但除非特殊指出，不必按比例给出附图。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设 置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
目前在工业上普遍采用的排水方式主要是采用离心泵直接排水，这样不仅仅会增 加泵的工作运行时间，降低泵的使用寿命，而且达不到节能的效果。经过实验得到，虹吸现 象排水的效率十分高，一旦排水系统启动，进入虹吸排水工况，此时离心泵处于自吸水，不 必消耗电能排水，从而能够达到节能的目的。虹吸现象的实质是因为液体压强和大气压强 而产生的。根据帕斯卡定律p＝ρgh，只要保证进口管液体压强小于出口管液体压强，液体就 能因为压强差由进口管自动向出口管流动。本申请将虹吸原理应用到离心泵出口管，并采 用数控化技术，使离心泵在排水的过程中能够通过虹吸排水，达到节能的目的，而且数控化 技术能够使离心泵实现工况自调节，适应不同排放流量的要求。
本发明的一种数控化虹吸节能离心泵装置，包括离心泵5、进口管8、伸缩出口管1， 进口管8的一端与所述离心泵进口端连接，所述进口管8的另一端伸入水池，离心泵通过所 述旋转密封圈4与所述出口管1连接，所述离心泵5由电机带动旋转并通过内设的角速度传 感器6实时监测离心泵叶轮的转速，伸缩出口管设有一个光电流速传感器，光电流速传感器 实时监测离心泵出口流量的大小并及时反馈离心泵的运行状态。
离心泵的进口端处设置有一个进口位置传感器7，所述进口位置传感器用于测量 水池液面到离心泵进口的距离并传输信号给计算机端进行信号处理，执行器再执行计算机 端传输的操作指令来控制离心泵的开启和关闭。离心泵出口端处设置有一个出口位置传感 器2，所述出口位置传感器测量伸缩出口管中液面位置，并传输信号给计算机端进行信号处 理，执行器再执行计算机端传输的操作指令来控制离心泵的开启和关闭。
本发明的装置工作时，有如下几种情况：
本发明在装置进行虹吸排水前准备阶段，如图3所示。
离心泵出口是一段数控化伸缩出口管1，连接出口管和泵出口的是一个可控旋转 密封圈4。在虹吸排水开始前准备阶段，出口管1是向上竖置，当进口位置传感器7检测到水 池液面与离心泵进口距离到达h 1<\/sub>时，离心泵装置会进入工作状态，出口可伸缩管1长度为h2<\/sub>， 此时必须保证h 2<\/sub>大于h1<\/sub>，才能保证虹吸原理正常进行。虹吸现象的实质是由于在进口和出口 两侧，因为液体压强和大气压强共同作用下存在压强差而产生的一种自吸现象。根据帕斯 卡定律p＝ρgh，只要保证进口管液体压强小于出口管液体压强，液体就能因为气压差自动 向出口管流动。此时离心泵靠近出口进口两侧压强分别为p 入口侧<\/sub>＝p大气<\/sub>-ρgh1<\/sub>和p出口侧<\/sub>＝p大气<\/sub>-ρ gh 2<\/sub>。在大气压和液体压强的共同作用下，水自动从泵进口方向朝泵出口方向移动。当进口 位置传感器检测到水池液面与离心泵进口距离到达h 1<\/sub>时，此时离心泵进入低速运转状态。 出口管水位逐渐上升，当出口管位置传感器2检测到伸缩出口管1中液面位置到达h 2<\/sub>高度 后，执行器控制伸缩出口管1向下旋转，开始进行虹吸排水，如图4所示。
本发明在装置进行虹吸排水运行阶段，如图4所示。此时，离心泵仍需要工作一段 时间，保证虹吸排水现象进入稳定的状态。在这种状态下，满足离心泵进口侧压强大于出口 侧压强，所以保证水流会持续从水池中向外流动。当虹吸排水稳定后，伸缩出口管会延长， 以达到强化虹吸排水的目的，如图5所示。
本发明装置进行强化虹吸排水运行阶段，如图5所示。当装置虹吸排水稳定后，若 采用普通不可伸缩管，那虹吸排水的体积为底面积乘以(h 2<\/sub>-h1<\/sub>)高度差，虹吸排水的速度大 小为(h 2<\/sub>-h1<\/sub>)液面高度差产生的压强对应的虹吸速度。为了增加虹吸排水的速度以及虹吸排 水的体积，出口管采用数控化可伸缩管，当虹吸现象稳定后，出口管延长到h 3<\/sub>，此时，由于进 口和出口的高度差加大，排水速度会增加，其大小为(h 3<\/sub>-h1<\/sub>)液面高度差产生的压强对应的 虹吸速度，而且能够增加虹吸排水的液体体积，所增加的体积为底面积乘以(h 3<\/sub>-h2<\/sub>)的高度 差。当液面高度到达距离排水泵进口h 3<\/sub>时，此时虹吸排水结束，进入离心泵自排水阶段，如 图6所示。
本发明装置进行离心泵自排水运行阶段，如图6所示。当水面和离心泵进口的距离 也达到h 3<\/sub>后，离心泵进口侧与出口侧压力相等，虹吸现象将会停止。当进口位置传感器检测 到水池液面与离心泵进口距离到达h 3<\/sub>时，计算机端通过对信号的处理，形成操作指令，由执 行器代为执行，此时执行器将控制离心泵进入工作状态，消耗电能继续排水。
数控化出口管工作和未工作情况时的结构图，如图7、图8所示。未工作情况下，出 口管如图7所示，锥形管下端挡板10会防止套管进入上级套管，导致装置损坏；工作情况下， 出口管如图8所示，锥形管上端挡板11会与锥形管下端挡板10相交，防止套管脱节损坏，同 时，挡板的存在能够保证各级套管之间的密封性。
本发明中一共用到共四个传感器：分别是离心泵进口位置传感器、离心泵出口位 置传感器、离心泵出口管处光电流速传感器以及离心泵中角速度传感器，以上传感器能生 成信号并反馈给计算机，由计算机生成操作指令。
位置传感器能够实时监测水位变化，并生成信号经由信号发射器传输到计算机 端，计算机端信号处理器通过对信号的处理，生成操作指令，再经由计算机端信号发射器将 信号传输给离心泵端的信号接收器，最后由执行器根据操作指令实现对泵的开启和关闭的 控制实施；角速度传感器能够感知泵的叶片是否转动，以及转动的速度，以此来获知泵是否 正常工作；光电流速传感器能够得到泵出口液体的流速，从而得到实时的流量值，由此可知 离心泵不同工况下流量大小，执行器能够根据操作指令改变泵的工况，以达到符合要求的 排放流量工况。当位置传感器检测到水池液面高度到达h 1<\/sub>而需要离心泵工作时，若角速度 传感器未检测到叶轮工作，则离心泵发生故障，计算机端生成故障警报，有助于维修人员及 时排除险情。
下面是传感器反馈信号组合以及情况说明：
为了更好地说明本实施例中离心泵的工作流程，以及充分展示本发明所述离心泵 装置的节能效果，下面给出具体事例来具体展示在不同工况条件下排水所需的时间以及电 能消耗情况。
本发明以3m×3m×2m的水池为例，h1<\/sub>＝0.3m，h3<\/sub>＝1.7m，以市场常见泵为例，设工作 时间t，排水管半径r＝0.02m，截面积s＝1.26×10 -3<\/sup>m2<\/sup>，额定流量Q＝1.3m3<\/sup>\/h，功率200w。当 用虹吸法进行排水时，根据虹吸流速公式：
其中，v--虹吸管断面平均流速；
g--重力加速度；
H——虹吸管的作用水头(虹吸管进口端水面与出口端水面的高差)；
ζ--虹吸管的局部阻力系数；
λ--虹吸管的沿程阻力系数；
d--虹吸管的内径；
L—作用管长。
其中，沿程阻力系数λ＝0.053，局部阻力系数ζ＝0.1。
引入虹吸流速的前提是在计算过程中将模型简化，忽略泵中及管道中流体的部分 损失，将虹吸现象看作理想化状态进行，因为在装置实施过程中，装置出口有光电流速传感 器可以测量泵出口流体的流速，所以本发明在经济性计算中采用所得的近似值对其进行计 算。
如图9所示，将模型简化，在距离池底0.3m处设立坐标系，在池中取高度h的液面， 液面厚度dh，根据体积建立积分方程：
将已知条件代入，得
求得t＝8451.29s＝2.35h，所以虹吸流量为
情况一：只采用离心泵自排水，为不采用虹吸现象的正常排水情况。
所用时间为：
需要做功为：
情况二：先采用虹吸排水，剩余水用离心泵自排水，为实施例中节能排水工况。
所用时间为：
需要做功为：
情况三：紧急水涝情况，需要同时进行排水，为实施例中紧急排水工况。
所用时间为：
需要做功为：
对比以上三种情况，可以得出：在水池足够深，液面高度差足够大的情况下，虹吸 排水的流量大小与相同粗细排水管下采用离心泵排水的流量大小相比，虹吸排水效率更 高。情况二和情况三对应的是本装置的两种运行工况，即节能排水和紧急排水情况。情况二 比情况一节约了7.34h的排水时间，少做了6976.8kJ的功；情况三比情况一节约了7.8h的排 水时间，少做了5616kJ的功。节能排水的节能效率为82.33％，紧急排水的节能效率为 66.27％。
申请码:申请号:CN201910055653.2 申请日:2019-01-22 公开号:CN109505780A 公开日:2019-03-22 国家:CN 国家/省市:13(河北) 授权编号:CN109505780B 授权时间:20200107 主分类号:F04D15/00 专利分类号:F04D15/00;F04D29/00;F04F10/00 范畴分类:28D; 申请人:燕山大学 第一申请人:燕山大学 申请人地址:066004 河北省秦皇岛市海港区河北大街西段438号 发明人:张静;陈先培;吴亮亮;刘佳伟;祁建鑫 第一发明人:张静 当前权利人:燕山大学 代理人:刘阳 代理机构:11265 代理机构编号:北京挺立专利事务所（普通合伙） 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计
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