阅读说明：本技术 一种充填竖管降速增阻装置 (Filling standpipe deceleration resistance-increasing device ) 是由 吴学民 汪成明 马波 张斌 吴静轩 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种充填竖管降速增阻装置,包括阻尼器、发电机、基准流量传感器、控制流量传感器、发电机励磁系统和充填竖管,阻尼器通过法兰连接于充填竖管上,阻尼器的轴伸与发电机相连接,基准流量传感器连接于充填管道入料口附近的管道上,控制流量传感器连接于阻尼器入料口上部附近的管道上,基准流量传感器和控制流量传感器通过电缆与发电机励磁系统相连接,发电机励磁系统与发电机通过电缆相连接。该装置可以将充填竖管中充填料浆自由落体所产生的重力势能消减,通过这种增阻降速减磨技术措施有效的减缓和消除料浆高位势能产生的动能对管道的直接冲蚀和磨砺,有效延长管道寿命,还可利用该势能进行发电,实现充填料浆势能的能源化利用。(The invention relates to a filling vertical pipe speed reduction and resistance increase device which comprises a damper, a generator, a reference flow sensor, a control flow sensor, a generator excitation system and a filling vertical pipe, wherein the damper is connected to the filling vertical pipe through a flange, the shaft extension of the damper is connected with the generator, the reference flow sensor is connected to a pipeline near a feeding port of a filling pipeline, the control flow sensor is connected to a pipeline near the upper part of the feeding port of the damper, the reference flow sensor and the control flow sensor are connected with the generator excitation system through cables, and the generator excitation system is connected with the generator through cables. The device can reduce the gravitational potential energy generated by the free falling of the filling slurry in the filling vertical pipe, effectively slow down and eliminate the direct erosion and grinding of the kinetic energy generated by the high potential energy of the slurry on the pipeline through the technical measures of resistance increasing, speed reducing and grinding, effectively prolong the service life of the pipeline, and also can utilize the potential energy to generate electricity, thereby realizing the energy utilization of the potential energy of the filling slurry.)

一种充填竖管降速增阻装置

技术领域

本发明涉及矿山充填采矿技术领域，具体为一种充填竖管降速增阻装置。

背景技术

在矿山充填工程领域，一般将充填站建设在地面，充填料浆通过充填竖井和采场巷道布设的充填管道输送至采空区。由于充填料浆是由具有磨砺性的尾矿以及破碎废石构成，在输送过程中会对充填管道产生磨蚀而失效。尤其是在自地面到充填采空区的竖直管道中，充填料浆在管道中由于自由落体运动会对管道产生高速冲击磨蚀造成管道破裂。由于充填竖井建设及管路敷设难度大，建设周期长，工程造价高昂，充填竖管寿命短的问题成为人们亟待解决的重大技术难题。随着矿山资源开采的不断扩展，深部金属矿的开采所必须采用的深井充填使得该技术难题显得更为严重。为解决该问题，业界采取了储砂池降压系统、管道折返式减压、阻尼节流孔减压、滚动球阀门和比例流动控制阀减压、孔状节流管、安全隔膜减压、缓冲盒弯头减压多种不同方式的减压增阻减磨措施，以求延长充填管道的寿命周期，但由于受限于各种条件，迄今尚没有一种普适性的方法能够有效的解决上述技术难题，而且减压增阻效果也不可控，更遑论充填料浆势能的能源化利用。

本发明采用一种机电装置来解决上述技术难题，该技术具有显著的优越特性：对各种不同类型和浓度的充填料浆具有普适性；针对不同安装位置产生的势能可以通过调控实现管道的满管流状态，通过增阻降速的技术方法消除自由落体运动造成的高速冲蚀对管道内壁的磨损；充填料浆所产生的势能还可以通过发电的方式回收利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种充填竖管增阻降速消能装置，通过降低充填竖管中充填料浆的流速和位能的技术方式，解决充填竖管受充填料浆所产生的高速冲蚀造成快速磨损破裂的技术难题，延长管道寿命，实现充填料浆的稳定输送。

本发明的另一个技术目的是，对充填料浆的势能通过发电机实现势能与电能的转换输出，实现能源的有效利用。

理想的充填管道系统是满管流，合理稳定的满管流流速不会产生高速流的剧烈冲蚀现象，可以保证料流对管道磨蚀的均匀性，有效地保证管道的寿命周期。而事实上，当充填系统开始工作时，进入充填管道的充填料浆为满管流，而当充填料浆在管道中下向输送时，则表现为自由落体运动，随着位差的不断增大，充填料浆在重力加速度的作用下其流速不断增高，表现为非满管流，高速下落的充填料浆会对充填管道的内壁产生高速冲蚀作用，严重降低了充填管道的使用寿命。

本发明解决上述技术问题和实现上述技术目的的方案如下：一种充填竖管降速增阻装置，包括阻尼器、发电机、流量传感器组件、发电机励磁系统和充填竖管，所述阻尼器通过法兰连接于所述充填竖管上，所述阻尼器的轴伸通过联轴器与所述发电机的输入轴相连接，所述流量传感器组件连接于所述充填竖管上，所述流量传感器组件通过电缆与所述发电机励磁系统相连接，所述发电机励磁系统与所述发电机通过电缆相连接。

本发明的有益效果是：该装置可以将充填竖管中充填料浆自由落体所产生的重力势能消减，有效的减缓和消除料浆高位势能产生的动能对管道的直接冲蚀和磨砺，不但可对充填管道实现增阻降速减磨作用，还可利用该势能进行发电，所发电力并入充填系统供配电网中消纳，降低充填系统能耗，从而实现充填料浆势能的能源化利用。本发明还具有结构简单、成本低、空间占位小、安装维护方便和可操作性强的优点。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下配置和完善。

进一步，所述阻尼器，是一种承接流体的冲击能量而转换成旋转动能的装置，所述阻尼器包括设有进料口和出料口的壳体、叶轮、叶轮转轴和轴系零件，所述叶轮通过叶轮转轴和轴系零件安装于所述壳体的空腔内，所述叶轮转轴的一端伸出至所述壳体外并通过联轴器与所述发电机的输入轴相连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：充填料浆通过竖直管道作用在阻尼器的叶轮上，使充填料浆由于高位差所形成的势能转换为驱动叶轮旋转的动能，该动能通过阻尼器的轴实现外部输出。

进一步，所述发电机励磁系统包括励磁调节模块、励磁功率模块、电流传感器、电压传感器和智能控制模块，所述智能控制模块、所述励磁调节模块、励磁功率模块和所述发电机依次通过电缆相连接，所述流量传感器组件通过电缆与所述智能控制模块相连接，所述电流传感器和所述电压传感器设置于所述发电机的输出线路上并通过电缆分别与所述励磁调节模块相连接。

进一步，所述流量传感器组件包括基准流量传感器和控制流量传感器，所述基准流量传感器连接于所述充填竖管入料口处的管道上并用于检测所述充填竖管的满管流流量，所述控制流量传感器连接于所述阻尼器的入料口上部的管道上并用于检测所述阻尼器的入料口处的进料流量，所述智能控制模块通过所述满管流流量和所述进料流量的差值，判定所述充填竖管中是否为满管流，并以此作为所述发电机励磁系统调控发电机转速的依据。

所述智能控制模块是本发明一种充填竖管增阻降速消能装置的信息接收和控制指挥中枢，其作用是接收流量传感器传来的管道状态信息并进行分析运算，同时发出控制指令，通过发电机励磁系统调节发电机的转速。

上述技术方案的原理如下：

当充填系统开始工作时，进入充填管道的充填料浆为满管流，其流量可以在基准流量传感器上得到显示和信号输出。而充填料浆在充填管道内部继续下向输送时，由于在重力加速度的作用下料浆的流速不断增高，当充填料浆抵达阻尼器入口部时则表现为不满管流状态，由于流量传感器只能检测满管流状态的流量状态信号，故不满管流时控制流量传感器不能输出管道中的流量信号。本发明的设置的智能控制模块通过接收基准流量传感器和控制流量传感器的流量状态电信号并进行比较，来判定自充填管道入口至阻尼器入口之间管道内的流动状况：当控制流量传感器测得的流量数值低于基准流量传感器的流量数值或不显示数值时，表明充填竖管呈现不满管流；当控制流量传感器测得的流量数值等于基准流量传感器的流量数值时，表明充填竖管中的料浆无自由落体造成的非满管流现象而呈现满管流。当智能控制模块接收到基准流量传感器和控制流量传感器的流量状态电信号并判定充填竖管中为非满管流状态后，则经模/数转换和逻辑运算发出指令信号通过发电机励磁系统来调节励磁量，通过励磁量的改变，使发电机的输出功率发生变化，进而降低发电机的转速，同时带动阻尼器的叶轮降低转速起到的增阻作用，实现调整充填管道充满度的技术目的，直至实现满管流输送。

采用上述进一步方案的有益效果是：由基准流量传感器、控制流量传感器和发电机励磁系统构成的闭环检控系统可以实时检测充填管道中充填料浆的流动状态，并实时动态调整阻尼器中叶轮的转速，实现增大流动阻力和降低料浆流速作用，从而达到减缓和消除料浆高位势能产生的高流速对充填管道冲蚀的目的。

进一步，所述一种充填竖管降速增阻装置的阻尼器本体可采用蜗壳状的进出口错开结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：阻尼器入料口偏离叶轮的旋转中心，可使进入本体的充填料浆冲击叶轮的一侧产生旋转角动量，进而产生旋转运动，实现势能转化为动能。

进一步，所述一种充填竖管降速增阻装置的阻尼器还可采用阻尼器入料口及叶轮与充填管道中心对中的筒状结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：阻尼器入料口对中于叶轮的旋转中心，可使进入阻尼器本体的充填料浆直接冲击叶轮，由于叶轮具有偏转角，因而会产生使之旋转的角动量，进而产生旋转运动，实现势能转化为动能。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例一阻尼器与发电机的结构示图；

图4为本发明实施例一叶轮的正向结构示图；

图5为本发明实施例一叶轮的侧向剖面结构示图；

图6为本发明实施例二阻尼器的结构示图；

图7为本发明发电机励磁系统原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、阻尼器，101、壳体，102、叶轮，103、叶轮转轴，2、联轴器，3、发电机，4、基准流量传感器，5、控制流量传感器，6、智能控制模块，7、励磁调节模块，8、励磁功率模块，9、电流传感器，10、电压传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1、图3-图5所示，一种充填竖管降速增阻装置，包括阻尼器1、联轴器2和发电机3，所述阻尼器1通过法兰或其它连接方式连接于充填竖管上，所述阻尼器1的转轴通过联轴器2与所述发电机3的输入轴相连接。

作为本实施例的进一步方案，还包括基准流量传感器4、控制流量传感器5和具有智能控制模块6的发电机励磁系统，所述基准流量传感器4固定设置于充填管道入料口处并用于检测该入料口处的满管流流量，所述控制流量传感器5固定设置于所述阻尼器1的进料口处并检测该进料口处的进料流量，所述基准流量传感器4和所述控制流量传感器5均与所述智能控制模块6电连接并将检测到的流量状态信号传输到所述智能控制模块6，所述发电机励磁系统与所述发电机3电连接。所述智能控制模块6根据接收到的流量状态信号经模/数转换和逻辑运算发出指令信号，通过发电机励磁系统来调节励磁量，实现调节所述发电机3的输入转轴的转速。

需要说明的是，所述基准流量传感器4和控制流量传感器5是结构和工作原理完全相同的两个流量传感器，由于采集流量信号的位置不同，本说明书定义为两种名称。流量传感器为现有技术，本领域技术人员可以根据实际工况和精度需求选用相应型号的流量传感器，其具体结构和工作原理并非本申请所要保护的技术方案，为了表述简洁，在此不再赘述。

如图7所示，作为本实施例的进一步方案，所述发电机励磁系统还包括励磁调节模块7和励磁功率模块8。

所述基准流量传感器4和控制流量传感器5测得的流量信号可以通过智能控制模块6进行比较，当控制流量传感器5测得的流量数值低于基准流量传感器4的流量数值或不显示数值时，表明充填竖管呈现不满管流；当控制流量传感器5测得的流量数值等于基准流量传感器4的流量数值时，表明充填管道中的料浆无自由落体造成的非满管流现象而呈现满管流。当智能控制模块6测得充填管道中为非满管流时，则发出指令信号通过降低发电机3的转速并带动阻尼器1的叶轮102降低转速来调整充填管道充满度，直至实现满管流输送。

所述基准流量传感器4和控制流量传感器5通过信号电缆把检测信号输入所述智能控制模块6，智能控制模块6将从基准流量传感器4和控制流量传感器5得到的实时流量电信号，经模/数转换和逻辑运算，即比较两个流量值的大小，发出指令给励磁调节模块7调节励磁量。具体的，在发电机3的输出端电路上还设置有电流传感器9和电压传感器10，励磁调节模块7接收智能控制模块6传来的调节指令和发电机输出端的电流传感器9和电压传感器10的反馈信号，完成按智能控制模块6的要求设定发电机3的输出功率值，励磁调节模块7的输出信号，经励磁功率模块8放大并输出到发电机3，据此控制发电机3励磁电流的值。该励磁电流的改变，改变了发电机3的输出功率，也就改变了发电机3从上述阻尼器1吸收的功率，也就改变了阻尼器3吸收的动能，从而达到了减缓和消除料浆高位势能的目的。

其中，所述励磁功率模块8可以理解为放大器，励磁功率模块8的作用就是按照励磁调节模块7的要求，输出一个励磁电流给发电机3的励磁回路。

其中，所述励磁调节模块7，是依据智能控制模块6发出的调控指令和发电机的输出端反馈信号，实时调节、控制功率单元的输出。发电机3的输出端反馈信号包括电压、电流，实时动态反馈到励磁调节模块7，维持发电机3输出的稳定。而流量差值信号则决定发电机3输出的大小，在本实施例中流量差值信号的大小通过所述基准流量传感器4和控制流量传感器5实时、动态采集。

需要说明的是现有技术中的发电机通常都具有发电机励磁系统，发电机励磁系统可以根据检测到的电路信号实时调节发电机的发电功率，所述电路信号包括电流和电压信号，也可以为其他传感器检测到的电信号，所述控制方法属于现有技术，在此不再赘述，本领域技术人员也可以采用其他现有技术实现。

作为本实施例的进一步方案，所述阻尼器1，是一种承接流体的冲击能量而转换成旋转动能的装置，所述阻尼器1包括设有进料口和出料口的壳体101、叶轮102、叶轮转轴103和轴系零件，所述叶轮102通过叶轮转轴103和轴系零件安装于所述壳体101的空腔内，所述叶轮转轴103的一端伸出至所述壳体101外并通过联轴器2与所述发电机3的输入轴相连接。

具体的，所述轴系零件包括轴承和键等用于固定叶轮转轴103和叶轮102的零件。所述叶轮102通过键固定于所述叶轮转轴103上且设置于所述壳体101内，所述叶轮转轴103的一端通过轴承与所述壳体101转动连接并伸出至所述壳体101外。

作为本实施例的进一步方案，所述壳体101为圆柱形，所述进料口沿所述壳体101的切向设置，所述叶轮转轴103与所述壳体101同轴设置。

作为本实施例的进一步方案，所述出料口与所述叶轮转轴103同轴设置。

如图1所示，所述进料口位于圆柱形所述壳体101的一侧并沿切向开设，排料口位于圆柱形所述壳体101的圆形端壁上，朝向叶轮转轴103的端部开设。

所述阻尼器1采用了如图1所示类似渣浆泵的蜗壳结构，进料口切向布置于阻尼器1的本体中心，排料口与所述叶轮转轴103同轴设置，进入阻尼器1的充填料浆会使叶轮102受料浆的冲击产生角动量，进而通过叶轮转轴103输出动能。

作为本实施例的进一步方案，如图4和图5所示，所述叶轮102包括多个沿所述叶轮转轴103圆周方向均匀分布的板状叶片，多个所述板状叶片均沿所述叶轮转轴103的径向延伸。

作为本实施例的进一步方案，所述叶轮转轴103的一端与所述发电机3的输入转轴通过联轴器2连接。

作为本实施例的进一步方案，所述壳体101的内壁具有高耐磨材料层。

作为本实施例的进一步方案，所述叶轮102由高耐磨材料制成。

具体的，所述高耐磨材料可以为陶瓷或碳化硅等。

实施例二

如图2和图6结构图所示，在实施例一的基础上，所述阻尼器1可以改为图6所示的结构：该阻尼器由本体101、叶轮102、轴103和轴系零件所构成。所述本体101为具有一定强度的罐状结构壳体，所述本体101上具有进料口、出料口和轴及轴系零件安装座，所述叶轮102上部具有导流锥和螺旋叶片，所述叶轮102与输出轴103连接。

具体的，所述壳体101为竖直设置的圆柱形，所述进料口位于圆柱形的圆形顶壁，所述出料口位于所述叶轮102的下方。

作为本实施例的进一步方案，所述叶轮102固定于所述叶轮转轴103的上方，所述叶轮转轴103的下端与所述发电机的输入转轴固定连接或传动连接，所述叶轮102的顶部中心处具有锥形的导流部。

作为本实施例的进一步方案，所述叶轮102包括多个沿所述叶轮转轴103圆周方向均匀分布的螺旋叶片，多个所述螺旋叶片的螺旋方向相同。

具体的，所述叶片为扇叶形，如图6所示，多个所述叶片的排布方式类似于蜗轮叶片。

与附图3、附图4和附图5所示的蜗壳状阻尼器及叶轮不同的是，实施例二所采用的阻尼器是利用自上而下的料流冲击叶轮102而使其产生旋转运动，由于叶轮102设有导流锥，可有效的把料流导向叶片部，利用叶轮102上具有螺旋升角的扇形叶片承接料浆的冲击势能并转换成驱动轴旋转的动能，然后通过发电机输出为电能。

图2所示的实施例只是阻尼器1的结构和安装方式有别于图1所示的实施例，但其工作和控制原理则是相同的，即通过充填料浆加载在阻尼器叶轮101上的势能，使其转变为旋转动能，然后通过发电机3转换为电能。故其工作和控制原理在此不再赘述。

需要说明的是，本发明所涉及的阻尼器1实际是浆体类输送泵的反过程应用，故其结构不限于本说明书实施例所描述的两种特定结构形式。为最大程度的承接和利用高位料浆的势能，实际工程中应进一步考虑加大叶轮102的承载面积，同时考虑阻尼器1内腔和叶轮102的减磨及减摩措施。考虑到充填料浆系非牛顿流体的流变特性，阻尼器1的设计和制造应尽可能过渡圆滑顺畅，避免死角，减小因内腔及叶轮死角及突兀过度造成的无功消耗。

综上所述，无论阻尼器1的结构型式如何变化，本发明的技术意图都是通过外设的发电机给予叶轮轴施加反向转矩，通过调节叶轮的转速使充填竖井的管道中的物料保持满管，从而起到降低高流速料浆对充填竖井管道的冲蚀和磨砺作用，进而实现增阻降速减磨的技术目的，因此，凡是采用本发明所阐述的原理以实现增阻降速减磨的技术目的，都属于本发明所保护的范畴。

本发明所述的充填竖管降速增阻装置由于采用上述特殊结构设计，既可减缓和消除充填料桨因自由落体产生的高速流对管道的直接冲蚀和磨砺，也可实现对因位差所产生势能的转换、回收和利用。

本发明通过调整叶轮回转外径与阻尼器本体内腔的间隙，可适应含有小于该间隙粒径的粗骨料输送，因而具有较广泛的适用性。

本发明所涉及的流量传感器、联轴器和发电机系工业常用装置，在此不做具体描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。