CN1488036A - 高压水泵 - Google Patents

Abstract

一种用于在燃气涡轮的进气流中供给喷雾用的高压水的高压水泵，具有：至少一个含有活塞的液压油缸，所述的活塞固定在以液压油缸延伸的活塞杆上并在液压油缸内形成位于其相对两侧的第一和第二液压腔室；用于在高压下交替地对上述两液压腔室有选择地供油同时又从另一个相对的液压腔室排油以使上述活塞杆往复移动的液压油泵和电磁阀；和至少一个水缸，该水缸具有：一个缸体和一个在缸内固定在上述活塞杆上随之移动的活塞，该活塞在水缸内形成至少一个位于其与上述活塞杆相对的一侧的流体腔室；和多个与上述流体腔室呈流体连通的止回阀，用于在水缸内的活塞受液压油缸驱动而沿扩大上述流体腔室之容积并在高压下压迫流体腔室的水的方向移动时使水从水源流入流体腔室，并在水缸内的活塞受液压油缸驱动而沿减小上述流体腔室之容积的方向移动时截断供入腔室的水流。

Description

高压水泵

技术领域

本发明总的涉及产生加压水的装置和方法，具体地涉及一种对蒸发冷却装置尤其是对用于冷却燃气涡轮发电机的进气空气的所谓的喷雾管嘴供给高压水的高压水泵。

背景技术

现有的用于蒸发冷却器的喷雾系统采用曲轴驱动的往复移动的活塞或齿轮式水泵来产生高压水(1500-3000磅/英寸²)，高压水由公知的那种位于燃气涡轮的进气流中的喷雾管嘴进行雾化以冷却进气流。要求高压水达到所需的小液滴尺寸以保证液滴在它们进入涡轮进口之前完全汽化。

在燃气涡轮的喷雾系统中，通常使用消电离的水以防止无机矿物污染涡轮零件及下游设施，因此所有的涂层部件(包括泵)都必须由不锈钢和专用密封材料制成。这类装置需要每周维修一次。另外，只有少数厂家生产可靠的高压消电离水泵。由于制造上述这类泵的材料性质特殊且供应有限，故这种泵十分昂贵。

另外，采用现有技术的泵送系统时，为了控制体积要采用减压阀来使水再返回泵内，这就会使水发热而降低其汽化效率并增大泵的磨损。

对于大型系统，为了改变水的量，需用几个泵，而且不立即使用的水要从泵的压力侧再循环回到泵的入口。采用几个泵来产生所需的高压水量再加上控制机构会进一步提高水温，因为驱动泵的一些能量会不可避免地进入水中。因此，水温将很快升高到湿球管温度以上，这就进一步降低水的冷却效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种为用于对蒸发冷却燃气涡轮发电机的进气流用的雾化喷嘴提供恒定的高压水流的新型而独特的方法和装置。

按照本发明的一个方面，一个液压泵系统具有一个可提供高压油流的可变冲程的轴流式活塞泵(或其他可变容量的泵)以驱动一个或多个液压油缸，该液压油缸又驱动一个或多个水缸内的活塞对水加压并将该增压的水供给喷嘴或者说喷雾管嘴。

上述的水缸可以是单作动式或双作动式的，它产生的水压为0-10000磅/英寸²，最佳范围是1000-5000磅/英寸²。

本发明的优点是，当水流量从零变化到最大值时，本系统可保持基本恒定的水压范围。而且，液压泵所消耗的动力直接随泵的输出功率而改变。

本发明的另一个优点是，在全流量情况下液压水泵系统的效率等于或高于现有技术的装置，而在流量较小时，该效率更高。

本发明的又一个优点是，分级不要求有多路液压系统和控制装置。一个大型液压系统的输出功率可分成要求的多级。辅助系统可用作一种富余措施。

本发明能够采用要求多级来改变喷入气流中的水量，从理论上讲，所用的级数不限。可使用阀的装置形成多级，这些级可以提供润湿性的粗调节。液压泵的输出功率可在一个预定范围内加以改变以调节所输送的水量。这可以通过基于大气中的湿球管温度与干球管温度之间的差异的毫安培输出量由可编程逻辑控制器(PLC)来控制。

在用于改善燃气涡轮作业的喷雾蒸发冷却系统中，喷入气流中的水量必须精确地调节，以便获得最佳的效率。首先，要测量大气温度、湿度和气压，第二，要按公知的方法计算在所测温度和压力下空气的饱和水含量。大气湿度与饱和湿度之差便是可汽化进入气流中的最大水量，因此，设定的水流量必须尽可能接近这个值，以便获得最佳冷却效果从而最大限度地提高涡轮的输出功率。另外，还可向气流中加入额外的水以便对涡轮提供中间冷却。在每种情况下，都要经过实验来确定要添加的准确水量，并加以严格控制。

本发明的液压系统本来是一种可变容积的装置。因此，可通过简单选定要开动的喷嘴数目和水缸所供给的出口压力来设定水流速度。但是，本发明系统可通过调节水压来精调水的流量，这一点可通过采用标准的压力控制技术(例如，液压油管道上的比例流量控制器，泵速控制，或减压控制等)来调节液压压力而容易达到。另外，采用了液压油泵，不仅可靠性和耐久性得以明显改善，而且部件的成本也显著降低。

按照本发明的一种用于对冷却燃气涡轮发电机的进气流用的喷雾管嘴或者说雾化喷嘴供给高压水的高压水泵具有一个带有活塞和连杆的第一液压油缸，连杆的第一端固定在活塞的一侧上，其第二端伸出油缸之外。上述液压油缸具有一个与电磁阀的第一孔口流体连通的位于油缸第一端附近的第一孔口和一个与电磁阀的第二孔口流体连通的位于油缸之第二端附近的第二孔口。上述的电磁阀与液压油泵的高压管道和上述液压油泵的回油管道流体连通。按照本发明这一方面的水泵还具有一个带有活塞的第一水缸。所述的活塞的一侧与上述连杆的第二端相连接，该连杆的第二端通过水缸的第一端上的开口进入水缸内。在一个实施例中，水缸是一种带有位于其第一端附近的第一孔口的单作动气缸，上述第一孔口与允许低压水进入水缸内的第一止回阀流体连通。反向作用的第二止回阀与第二孔口相连接，以便活塞将水压出第二孔口外并进入高压水管道。在另一个实施例中，水缸是双作动气缸，它能够在合理设置的止回阀的控制下从相对的两端交替地泵送水流。

按照本发明的另一方面，上述高压水泵还具有多对的一起工作的液压油缸和水缸。

附图说明

图1是本发明的液压水泵系统的第一实施例的简图；

图2是本发明的液压水泵系统的第二实施例的简图；

图3是本发明的液压水泵系统的第三实施例的简图；和

图4是本发明的应用冷却液压储油器中的储油的冷却/循环泵的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明的高压泵10的第一实施例，它是下面所述每个其他

实施例的基础。

高压泵10具有一个普通的液压油泵12，该油泵12接收或抽入来自液压储油器14的液压油并在高压下将液压油泵送至液压控制阀(最好是两通电磁阀)18上的第一孔口16，上述液压油通过控制阀18及其第二孔口或者说回油口20返回到储油器14。

高压泵10还具有一个由带有一个设置在其内部的活塞24的缸体组成的液压油缸22。上述活塞24的一侧25以任何普通方式固定到连杆或者说活塞杆28的一端26，上述连杆或者说活塞杆28伸出缸体22的端部29之外。

液压油泵12可以是普通结构的，油泵12具有合适的过滤机构和控制机构。以产生压力为500-300磅/英寸2的高压油通过其供油管道13。

缸体22具有孔口30和32，用以根据电磁阀18的动作接收和/或排出来自活塞24之两侧的腔室34、36的液压油。

电磁阀18根据活塞24的冲程或者说位置将液压油从孔口16导引至液压油缸22之各端的孔口30、32。就是说，当活塞24到达冲程之端部时(例如图1所示那样)，电磁阀18便致动而使孔口16与孔口38相连接，这就使高压油流至腔室34而向右驱动活塞24和连杆28。当高压油流入腔室34时，腔室34内的液压油便由于活塞的推进而流过孔口30而到达电磁阀18上的孔口40，并通过电磁阀的孔口20返回到液压储油器14。当活塞24到达其冲程的右边端点(以虚线示出)时，电磁阀18便致动而使其孔口16与40相连接并使孔口20与38相连接，从而使流入和流出油缸22的油流反向。控制阀18根据活塞24的位置的操作按本专业技术人员任何普通方式来进行，例如通过电子定时装置、合适的电子传感器或可编程逻辑控制器(PLC)来进行。

从液压油缸22伸出的活塞杆28的端部42进入水缸46的一端44，水缸46内具有一个活塞47，该活塞47的第一侧面48与活塞杆28的端部42相连接。水缸46设置成其中心线与液压油缸22中心线在一直线上，液压油缸与水缸的活塞位于各液压缸与水缸内的大致相同的位置。因此，水缸46内的活塞47从一端至另一端的冲程大致与液压油缸22内的活塞24的冲程相同。这样，当液压油缸22的活塞24位于其第一端(如图1所示)时，水缸46的活塞47也位于其相应的第一端。

水缸46的另一端或者说第二端50具有一个设置在其上的第一孔口52，用于接收从低压水源通过供水管道54来的水，当由于活塞24从其虚线位置(图1)移动至其实线位置而被拉离端部50时，水缸46的活塞便将水抽入腔室56内。或者或附加地，上述的水也可通过水源提供的压力进入进水口。

水缸46的端部50具有第二孔口58，当活塞24从其图1所示实线位置移至其虚线位置时，由于活塞47通过上述的第二孔口58将水推出腔室56之外并推入排水管道60，故从水缸46的腔室56喷出高压水。

供水管道54和排水管道60分别具有普通结构并分别设置在相应管道内的单向止回阀62、64，以便根据由于活塞47移动而形成的腔室56内的压力来控制流入和流出腔室56的水流。上述的单向止回阀设置成这样：与第一孔口52相连接的止回阀62只在腔室56的压力低于管道54的压力和低于阀的设定致动压力时才让水流入腔室56内，而与第二孔口58相连接的止回阀64只在腔室56的压力高于阀的致动压力时才让水流出腔室56外。

当然，本专业技术人员会明白，设置在水缸46之端部50上的单一孔口也可用于使水流入或流出腔室。在这种结构中，单一孔口与带有止回阀的第一管道相连接，而所述的止回阀仅让水从水管道直接流入孔口。上述孔口也可与带有止回阀的第二(高压)管道相连接，而这一止回阀只让高压水从上述孔口流入高压管道。

因此，水泵10的工作如下：为了验证的目的，将按初始状态来说明水泵10，此时。液压油缸和水缸的活塞24、47分别处于液压油缸22和水缸46的第一端，如图1所示。在此状态下，腔室36内充满液压流体，而水缸的腔室56内充满水。

如上所述，液压油缸22和水缸46的长度大致相等，并且具有大致相同的冲程，在整个冲程中，两个活塞处于大致相同的位置。

在这个起动位置上，使电磁阀18致动而将孔口16与38连通，这就可从液压油泵12对液压油缸22的腔室34供给高压油。当高压油充满腔室34时，便迫使活塞24被推向液压油缸22的另一端或者说第二端，从而迫使高压油从腔室36通过孔口30流出第二端外。电磁阀18导引被压出腔室36的返回油从孔口40流至孔口20，再流回液压储油器14。

这样，活塞24的移动便使水缸46的活塞47沿同一方向移离端部44，因为连杆28连接着两个活塞，因此，处在水缸46的活塞47与第二端部50之间的腔室56内的水被迫在高压下通过止回阀64流出孔口58。

然后可将上述高压水导引至任何所需部位。例如，可通过高压水管道60将高压水导引至歧管而通过喷雾管嘴或者说喷嘴61排出，对燃气涡轮提供冷却和加湿的水的微滴。

所选用的喷嘴通常要能将水雾化成直径尽可能小(不超过25μm)的液滴。液压油缸22和水缸46的直径选择成这两直径之比可使水缸46提供所需压力的水，以便用上述喷嘴获得所需的雾化特性。采用商业供应的喷嘴时，就意味着水缸46应产生压力为1500-4000磅/英寸2的高压水。

当液压油缸22的活塞24到达液压油缸22的另一端(即图1的虚线所需的冲程终端)时，电磁阀18便由上面所述的PLC致动而导引高压油从液压油泵12通过阀的孔口40流至油缸22的孔口30，并进入腔室36，这就迫使活塞24回移至液压油缸第一端的实线所示位置，从而迫使水缸46内的活塞47回移至水缸的第一端(如图1所示的)位置。这样，腔室34内的油便通过孔口32、38和20返回到储油器14，而来自管道54的水便在压力低于前一步骤中活塞沿相反方向移动而泵出的水的压力下通过止回阀62抽入水缸46的腔室56内，与此同时，止回阀64关闭而防止压力侧的水进入水缸46的腔室56内。

在本发明的第二实施例中(见示意图2)，并排设置两台上述的液压水泵10a、10b，两水泵相同部件用相同的标号表示。在本实施例中，一台水泵10a的液压油缸22a和水缸46a的活塞24a、47a沿与另一台水泵10b的液压油缸22b和水缸46b的活塞24b、47b相反的方向移动。因此，如图2所示，当水泵10a的活塞24a、47a位于各相应的液压油缸或水缸的对应于图1实线所示位置的第一端时，水泵10b的活塞24b、47b便位于相应的液压油缸或水缸的第二端或者说相对端。

虽然在原则上讲上述系统使用相位相差180°并且总是沿相反方向移动的活塞47a、47b可以满意地工作(如图2所示)，但是，上述活塞最好安装成(或通过位于向液压油缸22和水缸46供给液压流体的管道中的PLC和合适的压力控制装置控制成)只有轻微异相，以便使来自一个或两个活塞的水总是不断供给到歧管82，从而避免歧管中水压降低，而这种情况在两个活塞精确地同时变换移动方向时是可能发生的。

在本实施例中，采用单一的液压油泵12和储油器14对泵10a和10b传给高压油和接收回油。高压油通过管道81从油泵12送至与水泵10a和10b相连接的两个电磁阀18a和18b，回油则通过管道80从电磁阀18a和18b返回。电磁阀18a和18b设置成可控制两组液压缸和水缸有相位差，因此，一个泵10a或10b将操纵其相关的水缸46a和46b对相关的出水管道60a和60b供给高压水，而另一个泵则沿相反方向(稍有异相地)工作，从供水管道54将水抽入其相关水缸的腔室56内，如图2所示，在供水管道54内设置一个低压水开关或者说传感器79以监控供水管道的压力。采用上述传感器79可保证供水压力足够地高以避免在水被抽入水缸时，进口供水管道内发生空穴现象。

出水管道60a和60b相连接而成为向蒸发冷却喷雾管嘴供给高压水的单一输出管道或者说歧管82，该管道内设置一个高压水开关或者说传感器85用于监控供水管道的压力和水缸的输出量，以防止出现过压状态。在一个优选实施例中，上述传感器可以是一种用于监控输出水压的线性压力传感器，它还可向PLC提供这种信息然后以一种方式控制供入液压油缸的油使管道82内的压力保持在所需的恒定值。这就可从所有的泵流出一种恒定而平稳的高压水流。

在本发明的第三实施例(见图3)中，与上述的第二实施例相似，也设置两台水泵10a、10b(图中相同部件也用相同标号表示)。但是，在本实施例中，水缸46a、46b是两端封闭的双作动水缸，因此，它们的活塞47a、47b分别在相对两侧形成两个水腔室56a、84a和56b、84b，另外，不像图1所示那样在水缸的一端设置孔口50、58，而是在各水缸的相对两端设置分别与腔室56、84相连通的独立孔口86、88。每个上述孔口由管道89、90通过止回阀64与高压水管道60a、60b相连接，这两管道也连接在一起而导引高压水通过歧管80流至喷雾管嘴。上述孔口86、88也通过位于连接管道89、90的歧管92中的止回阀62与低压供水管道54相连接，这就可使水只从低压管道流至水缸内，并且只让从水缸流出的水流入高压水管道内。

相应地，在第三实施例中，在每个水缸的两个冲程(即正向和反向冲程)都产生高压水，这样便可产生两倍体积的高压水。

正如本专业技术人员将会明白的那样。上述结构可以按需要做成多重并联，因此可通过添加合适数目的附加泵和/或泵送装置而获得任何特定量的高压水。

除了上面所述的以外，本发明的系统还可用较少的级和在级之间加上非限定调制来非限定地改变喷入气流中的水量，采用带有喷嘴的截流阀可形成上述的级，故可通过控制所用的喷嘴数目进行湿润性的粗调节，而较细的调节则可通过改变液压泵的压力输出从而改变在每一级供给的水量来进行。为此，可采用可编程的逻辑控制器和合适的温度检测器来测定进口空气的湿球管温度和干球管温度间的差异，从而由PLC计算出湿透进口空气所需的水分量，并使用该数据来控制油压或冲程长度或冲程的速度。例如，一旦PLC计算出要供给涡轮的所需的水量，就可选择要操动的级数，该级数至少比所需级数大1级，然后通过线性压力转换器等来监控管道80内的输出水压，并通过比例控制装置来调节供给液压油缸的油压，从而使管道80中的输出水压可形成所需的水流速度。这样，从水泵喷出的水压和水量便可达到预定的值。

上述的按本发明设置的使用几个液压油泵和水泵的系统也可与循环/冷却泵送系统100(见图4)结合使用，从而使返回到储油器的热油得到冷却。为此，采用泵101将储油器14中的油抽出，抽出的油通过蛇形管102，在该管102上有一风扇104使冷空气循环流动，从而使管内的油在通过止回阀10b返回储油器之前得到冷却。另外，图4所示的系统与图3所示的系统相同，但图4示出较多细节，该系统采用两个液压油泵12和三组活塞(图中相同的部件用相同的标号表示)。此外，上述的三组活塞最好彼此呈120°的相位差而工作。

本发明的系统具有许多优点。由于在进、出泵吸水缸的管道中和泵吸水缸本身只装有消电离的水，故在所有高速运转的用标准材料制成的系统中可以采用市场上可购得的可靠的较便宜的液压油泵、储油器和冷却器。本发明的系统对于所有由通过减压阀进行重复循环所造成的热积累具有较大的承受能力。

由于只要求采用商用标准的油压控制方法(减压、泵送速度控制、叶轮式泵、卸荷式泵等)。故本系统的水压控制较为容易。另外，本发明系统能够形成以简单改变液压油缸和水缸内径之比而改善水的雾化状况所需的更高的工作水压。

采用本发明的系统时，可简单地通过监控水缸的冲程速度或冲程时间精确而又低成本地(不采用复杂的流量测量装置)监控水流速度，这一点是重要的，因为必须检测流速以保证雾化喷嘴不堵塞(这会造成水流量减少和雾化效率降低)，或者保证歧管和喷雾头的致密性不损坏，(流速增大至设计值以上则表明有漏泄)。由于泵吸水缸是强制移位装置，故水流量容易测量。在现有技术的装置中，都要通过流量测量装置来测量流量，这种装置的测量值不精确，而且必须采用不易受接触消电离水时的不利影响的材料来制造。在其他的系统中，要调节水泵速度以便保持合适的水压和流量。水泵的磨损及所造成的密封泄漏会造成按泵速计算的流速与实际流速之间的偏差。

最后，按照本发明，水泵系统由于采用连接的水缸与液压油缸而与作动的油完全隔离，并可避免无意中的水污染。

本专业技术人员在仔细研究过本申请书之后将会明白本发明的其他的改变和改型，本发明仅受下列权利要求书规定的内容的限定。

Claims (12)

1.一种高压水泵，用于在燃气涡轮发动机的进气流中提供喷雾用的高压水，所述的水泵包括：至少一个内含活塞的液压油缸，所述活塞固定在活塞杆上，活塞杆从油缸延伸出，活塞在油缸内形成位于其相对两侧的第一和第二液压腔室；一个用于在高压下选择性地供油的装置，该装置交替地对上述液压腔室供油同时又从相对的液压腔室排出油从而使上述活塞杆往复移动；至少一个水缸，该水缸具有一个缸体和一个位于缸体的内部并固定在上述活塞杆上随之移动的活塞，该活塞在水缸内形成至少一个位于其与上述活塞杆相对的一侧的流体腔室；和一个与上述流体腔室呈流体连通的止回阀装置，以便在水缸内的活塞由上述液压油缸推动而沿扩大液压流体腔室的容积并在高压下压迫该流体腔室的水的方向移动时使来自水源的水进入上述腔室，并在水缸内的活塞由液压油缸推动而沿减小上述流体腔室的容积的方向移动时截断供入上述腔室的水流。

2.根据权利要求1的高压水泵，其特征在于，上述的用于在高压下供油的装置具有一个液化油泵和一个控制阀，用于交替地对上述液压油缸的相对两腔室供油和排油。

3.根据权利要求1的高压水泵，其特征在于，上述的至少一个液压油缸包含至少两个分别装有活塞的液压油缸，上述的活塞固定在从其相关的液压油缸伸出的独立活塞杆上并在其相对两侧形成第一和第二液压腔室；上述的至少一个水缸包含至少一对分别与上述液压油缸相连接的水缸，每个水缸具有一个缸体和一个固定在其相关液压油缸的活塞杆上并随之移动的活塞。

4.根据权利要求3的高压水泵，其特征在于，上述各水缸内的活塞分别在水缸内形成至少一个位于其与活塞杆相对一侧的腔室，上述的在高压下供油的装置具有可交替地且同时对一个液压油缸的第一腔室和另一液压油缸的第二腔室供给高压油以便使各活塞杆彼此异相地往复移动的控制阀。

5.根据权利要求4的高压水泵，其特征在于，上述的相连接的液压油缸和水缸是同轴线设置的。

6.根据权利要求5的高压水泵，其特征在于，上述的水缸具有两个在其活塞的相对两侧形成的流体腔室，上述的止回阀装置具有多对分别与上述流体腔室呈流体连通的止回阀，用于根据各水缸内活塞的移动情况交替地使水在高压下进入上述腔室或从上述腔室排出。

7.根据权利要求3的高压水泵，其特征在于，上述水缸内的活塞分别在水缸内形成至少一个位于其与活塞杆相对一侧的腔室，上述的在高压下供油的装置具有一个用于控制供油的装置，以便使上述的各液压油缸按预定的相位或速度关系同步地工作。

8.一种用于供给高压水的高压水泵，包括：至少一个带有活塞的液压油缸，上述活塞在上述油缸内形成位于其相对两侧的第一和第二液压腔室；一个可交替地对上述液压腔室在高压下选择性地供油同时又从相对的腔室排油从而使上述活塞往复移动的装置；和至少一个水缸，该水缸具有：一个在该水缸内形成至少一个流体腔室的活塞；一个连接上述的活塞以便同时地移动的机构；和一个与上述流体腔室呈流体连通的止回阀装置，以便在上述水缸内的活塞被液压油缸驱动而沿扩大上述流体腔室的容积并压迫来自上述流体腔室的高压水的方向移动时使来自水源的水进入上述腔室，同时又可在上述水缸内的活塞受液压油缸的驱动而沿减小上述流体腔室的容积方向移动时截断供入腔室的水流。

9.根据权利要求8的水泵，其特征在于，上述的在高压下供油的装置包含对上述液压油缸的相对两腔室交替地供油和排油的液压油泵和控制阀装置。

10.根据权利要求8的水泵，其特征在于，上述的至少一个液压油缸包含至少两个分别内装一个在其两侧形成第一和第二液压腔室的活塞的液压油缸，上述的至少一个水缸包含至少一对分别与上述液压油缸相连接的水缸，该水缸分别具有一个缸体和一个装在其内部的活塞。

11.根据权利要求10的水泵，其特征在于，上述的多个水缸内的活塞分别在水缸内形成至少一个位于其与活塞杆相对的一侧的腔室，上述的在高压下供油的装置具有一个交替地同时对一个液压油缸的第一腔室和另一液压油缸的第二腔室供给高压油从而使各活塞杆彼此异相地往复移动的控制阀装置。

12.根据权利要求10的水泵，其特征在于，上述各水缸内的活塞分别在水缸内形成至少一个位于其与活塞杆相对的一侧的腔室，上述的在高压下供油的装置具有一个控制供油以使上述的各液压油缸按预定的相位关系或速度关系同步地动作的装置。

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