專利名稱：水力與電力混合驅動裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水力與電力混合驅動裝置，尤其是一種廣泛應用于各種水力驅動裝置的輸出端，起到自動調節(jié)電力輔助做功，穩(wěn)定系統(tǒng)工況的水力與電力混合驅動裝置。
背景技術：
目前很多運行系統(tǒng)內的流體都有一定的壓力，在很多情況下，這部分壓力沒有被利用，如果能夠充分利用流體本身的余壓，利用水力驅動裝置驅動設備運行，則可以很大程度上減少電耗，達到節(jié)能減排降低生產成本的目的。但是在實際運行中，負荷等各種因素的變化導致流體壓力發(fā)生改變，水力驅動設備的輸出功率不穩(wěn)定，造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，長期 如此對系統(tǒng)設備會造成損壞，且很多情況下設備無法運行在設計工況，無法實現預期的要求。以利用冷卻水處理廢熱的機械通風冷卻塔為例。冷卻塔風機是循環(huán)水系統(tǒng)的核心設備，就循環(huán)水設備治理情況看，無論是從設備的數目、維修工作量、耗電量等哪個方面來講，冷卻塔風機都占有很大比重。風機臺數占車間設備總量的57%，維修工時占總量的60%，電耗占總量的22%。傳統(tǒng)的冷卻塔多采用電機驅動的風機輸送空氣，存在運行費用高、噪聲大等缺點。流體在進入冷卻塔之前本身存在一定的余壓，如石化行業(yè)因工藝需要有不少來自高塔的冷卻水，有余壓可利用。利用這部分水位落差推動水輪機做功進而帶動風機，就可以省去電機，節(jié)省電耗；再如旋轉噴霧冷卻塔，是靠水壓的反沖作用帶動風機旋轉，也不需要電機。以上都是利用水力直接驅動設備做功，無需電機從而減少系統(tǒng)電耗的實例。但是在實際運行中，由于用戶負荷的變化以及氣候變化，冷卻塔的負載一直在變化。運行工況的不穩(wěn)定，水壓、流量等的變化，導致風機運行不穩(wěn)定，長期如此對風機等設備會造成損壞，且很多情況下無法獲得所需風量，無法實現冷卻要求。
發(fā)明內容為了解決上述問題，本實用新型是要提供一種水力與電力混合驅動裝置，該裝置加工安裝簡便，運行可控；將單純的水力驅動改造為水電混合驅動，充分利用具有一定壓力的水流沖刷或噴射所得動力帶動負載，使用清潔可再生的水能代替部分電能，并將節(jié)能降耗技術應用到生產實際中，既保證了冷卻流程能夠正常進行，又減少了 CO2的排放。為實現本實用新型的目的，采用的技術方案如下一種水力與電力混合驅動裝置，由調節(jié)機構、水力驅動裝置、電機驅動裝置、光電開關組成，其特點是調節(jié)機構包括一根豎立主軸、三根調節(jié)支桿、三根彈簧、三個實心球以及一個錐形摩擦從動輪，調節(jié)支桿的一端與豎立主軸頂端采用活動式支點連接，另一端與實心球固定連接，中部通過彈簧連接錐形摩擦從動輪，錐形摩擦從動輪與豎立主軸通過花鍵傳動連接，并沿豎立主軸上下滑動；電機驅動裝置輸出軸上固定一錐形摩擦主動輪，并與調節(jié)機構上的錐形摩擦從動輪構成摩擦輪組，監(jiān)測摩擦從動輪位置的光電開關位于豎立主軸兩側，用于自動調節(jié)電機驅動裝置的啟停，水力驅動裝置的轉軸與調節(jié)機構豎立主軸連接。水力驅動裝置的轉軸為水平軸，通過錐形摩擦輪組轉成豎立軸后與調節(jié)機構的豎立主軸連接。當水壓下降，水力驅動裝置轉速下降，調節(jié)機構的錐形摩擦從動輪下降與電機驅動裝置的錐形摩擦主動輪接觸，光電開關啟動電機驅動裝置。豎立主軸上的花鍵上部直徑略大于下部直徑，用于水壓增大時錐形摩擦從動輪向上移動的限位。
實心球固定在調節(jié)支桿末端,調節(jié)支桿隨豎立主軸轉動時帶動實心球一起轉動，實心球旋轉半徑隨轉速變化，使調節(jié)支桿和豎立主軸之間的夾角變動，實現錐形摩擦從動輪的上下移動。本實用新型的有益效果是本實用新型巧妙地將水力與電力驅動裝置聯系在了一起，用于當水力不足時的電力輔助驅動。適用于任何形式的水力驅動裝置。根據系統(tǒng)水壓變化自動調節(jié)啟停電機，該方式具有監(jiān)測的實時性和調節(jié)的及時性。并且由于彈簧的作用，給電機提供了一定緩沖的時間，避免造成電機頻繁啟停和空載。本實用新型既充分利用了系統(tǒng)余壓，節(jié)約了能源，又根據工況變化適時輔以電力，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖I是本實用新型應用于旋轉噴霧裝置時的結構示意圖；圖2是調節(jié)機構立體示意圖；圖3是調節(jié)機構在水力單獨驅動時的示意圖；圖4是調節(jié)機構在水電混合驅動時的示意圖；圖5是水力驅動裝置主視圖；圖6是圖5的俯視圖；圖7是本發(fā)明應用于水力驅動裝置時水力輸出功率和風機輸出功率與轉速關系曲線圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步的說明。本實用新型根據水力驅動裝置的作用效果自動調節(jié)啟停電機，以保證系統(tǒng)和設備穩(wěn)定安全運行。適用于任何形式的水力驅動裝置。在系統(tǒng)工況發(fā)生變化，單靠水力驅動作用無法滿足要求時自動啟動電機輔助做功。如圖I所示，本實用新型的水力與電力混合驅動裝置，由調節(jié)機構10、電機驅動裝置11，水力驅動裝置12和光電開關7組成。如圖2，3，4所示，調節(jié)機構10包括一根豎立主軸I、三根調節(jié)支桿2、三根彈簧3、三個實心球4以及一個錐形摩擦從動輪5。調節(jié)支桿兩端分別與豎立主軸I和實心球4連接，中部則和錐形摩擦從動輪5由彈簧3連接，錐形摩擦從動輪5與豎立主軸I之間靠花鍵傳動，且錐形摩擦從動輪5能在豎立主軸上上下滑動。轉速變化時實心球4的旋轉半徑發(fā)生改變，調節(jié)機構10整體沿豎立主軸上下移動(如圖3、4所示)。電機驅動裝置11輸出軸上固定一錐形摩擦主動輪6,與調節(jié)機構10上的錐形摩擦從動輪5構成摩擦輪組。通過錐形摩擦從動輪5的上下滑動實現與錐形摩擦主動輪6的接觸和脫離。電機驅動裝置11的啟停靠監(jiān)測摩擦從動輪位置的光電開關7控制。整個裝置結構簡單，適用范圍廣泛。調節(jié)支桿2的一端與豎立主軸I頂端采用活動式支點連接，另一端與實心球4固定連接，中部某一位置則由彈簧3和錐形摩擦從動輪5連接。豎立主軸I轉動時帶動整個調節(jié)機構一起轉動，且調節(jié)支桿2與豎立主軸I之間的夾角隨著轉速的變化而變化。錐形摩擦從動輪5與豎立主軸I靠花鍵傳動，且該輪能在豎立主軸上上下滑動。豎立主軸I花鍵上部的直徑稍大，以防止水壓不斷增大時摩擦從動輪5向上移動過多而對系統(tǒng)和裝置帶來不利影響。并且花鍵長度應能保證在系統(tǒng)壓力達到設計壓力前摩擦從動輪5能夠一直向上移動。彈簧3的兩端分別連接著錐形摩擦輪從動輪5和調節(jié)支桿2，且均為活動式支點連接。當調節(jié)支桿2與豎立主軸I的夾角發(fā)生變化時，彈簧3與調節(jié) 支桿2之間的夾角以及彈簧3與豎立主軸I之間的夾角都會隨之改變。實心球4固定在調節(jié)支桿2末端，調節(jié)支桿2隨豎立主軸I轉動時將帶動實心球4 一起轉動。當轉速發(fā)生變化時實心球4所受離心力發(fā)生變化，旋轉半徑發(fā)生變化，反過來又改變了調節(jié)支桿2和豎立主軸I之間的夾角，調節(jié)支桿I拉伸彈簧3，實現錐形摩擦從動輪5的上下移動。錐形摩擦主動輪6位于錐形摩擦從動輪5下方某一適當位置。電機驅動裝置的轉速應稍稍小于系統(tǒng)設計轉速，并且在該轉速下錐形摩擦從動輪5與錐形摩擦主動輪6不會脫離，以避免在系統(tǒng)壓力恢復到設計壓力前造成電機驅動裝置11的頻繁啟停。當水壓下降，轉速下降，錐形摩擦從動輪5下降與錐形摩擦主動輪6接觸并靠光電開關7啟動電機；水壓回升到一定程度時，拉伸彈簧使摩擦從動輪5上升脫離摩擦主動輪6，電機驅動裝置停止工作。一般情況下，調節(jié)機構10處于圖3所示狀態(tài)。此時水壓不低于設計壓力，錐形摩擦從動輪5與錐形摩擦主動輪6脫離，電機驅動裝置11不工作，負載驅動力全部由水力提供。當水壓低于設計壓力，轉速降低，不足以給負載提供足夠的驅動力。錐形摩擦輪從動5高度下降，壓緊錐形摩擦主動輪6，觸發(fā)光電開關，電機驅動裝置11啟動，如圖4所示。主軸轉速慢慢提高，在最初的一段時間里，隨著實心球4高度的上升，彈簧3先伸長，錐形摩擦從動輪5仍然與錐形摩擦主動輪6接觸。一旦水壓回升到一定程度，立即脫離，電機驅動裝置11隨即停止工作。調節(jié)機構10又回到圖3所示狀態(tài)。如圖5，6所示，水力驅動裝置12包括水輪機、旋轉噴霧等靠水壓驅動的非特定裝置。下面以旋轉噴霧裝置為例進行理論計算和說明。水流噴出噴頭時會產生反沖力推動噴頭旋轉，進而帶動與噴頭同軸的風機轉動?？克︱寗语L機，不需要電機，而且充分利用了水流的余壓，因此比普通電機驅動風機節(jié)能。但是系統(tǒng)水壓并不穩(wěn)定，當水壓低于設計水壓，不足以給風機提供足夠的轉速，風量就無法滿足。為此，可以考慮輔助電機，將單純的水力驅動變成水力與電力混合驅動。根據能量守恒，當不輔助電機時，水流余壓的輸出功率與主軸的轉速成二次拋物線關系，如圖7中的兩條拋物線。隨著主軸轉速的提高，水力輸出功率先增大后減小，有一個最大值Pmax，對應的轉速為水力驅動裝置的最佳轉速。即在該轉速下，水力裝置提供給主軸的動力最大。水流余壓得到最充分的利用。偏離該轉速，水流余壓就沒有得到最充分的利用，而是過多地轉換成了管內水流和噴頭的動能。為了最充分利用水流余壓來驅動風機，就要使水力驅動裝置的工作點在最佳轉速處。由于對于一個已知的風機，其對空氣的輸出功率與風機的轉速正相關，為三次方關系?？纱笾庐嫵鲲L機輸出功率與其轉速的關系曲線，如圖7中的三條曲線。水力驅動裝置的曲線與風機曲線的交點即為工作點。風機的輸出功率相當于對主軸的阻力，而水力驅動裝置輸出功率是動力。只有當阻力等于動力時，系統(tǒng)才達到平衡。系統(tǒng)水壓一定時水力驅動裝置的曲線是一定的，那么就需要選擇合適的風機。當水流量為68m3/h時，如果風機曲線為曲線1，那么工作點轉速就會大于最佳轉速，導致余壓不能得到充分利用；如果風機曲線是曲線3，工作點轉速就會小于最佳轉速，余壓也會有一部分浪費；如果為曲線2，工作點剛好為最佳轉速點，余壓得到最充分的利用，沒有浪費。當風機曲線為曲線2時，水流量為68m3/h，工作點在A點，水力驅動裝置提供給主軸最大動力Pa，某一時刻，水壓突然降低，流量降低到50m3/h。此時水力驅動裝置曲線 發(fā)生變化，而風機曲線沒有變仍然是曲線2。起初風機轉速還是η_，風機對主軸的阻力沒有變，仍為Pa，但此時動力卻減少到B點對應的ΡΒ。阻力大于動力，風機主軸轉速開始降低。直到穩(wěn)定在點新的工作點Al。此時水力輸出功率為Pai小于設計功率Pa，轉速小于設計轉速η_，風機無法達到設計風量。這是未輔助電機的情況。當采用水力與電力混合驅動裝置，阻力大于動力時，轉速開始下降。摩擦從動輪下降與摩擦主動輪接觸，啟動電機，帶動主軸轉速升高到十分接近設計轉速η_的某一轉速nd。此時水力驅動裝置的工作點在Bb點，輸出功率為PBb，小于Pa也小于此流量下的最大輸出功率，即水流余壓沒有得到充分利用，有一部分的浪費；風機的工作點為C點，雖然仍然小于設計轉速，但選用風機時對風量進行了放大，C點的風量依然能滿足要求；電機輸出功率為風機與水力輸出功率的差值Pc-PBb。當水壓慢慢回升，水流量增大，水力輸出功率不斷增加，電機輸出功率不斷減小，但轉速不變，一旦當水力輸出功率超過風機輸出功率，曲線又恢復成流量為68m3/h下的曲線，摩擦從動輪脫離，電機停止工作，轉速增加到η_，工作點再次穩(wěn)定在A點。
權利要求1.一種水力與電力混合驅動裝置，由調節(jié)機構(10)、水力驅動裝置(12)、電機驅動裝置(11)、光電開關(7)組成，其特征在于所述調節(jié)機構(10)包括一根豎立主軸(I)、三根調節(jié)支桿(2)、三根彈簧(3)、三個實心球(4)以及一個錐形摩擦從動輪(5)，調節(jié)支桿(2)的一端與豎立主軸(I)頂端采用活動式支點連接，另一端與實心球(4)固定連接，中部通過彈簧(3 )連接錐形摩擦從動輪(5 )，錐形摩擦從動輪(5 )與豎立主軸(I)通過花鍵傳動連接，并可沿豎立主軸(I)上下滑動；電機驅動裝置(11)輸出軸上固定一錐形摩擦主動輪(6)，并與調節(jié)機構(10)上的錐形摩擦從動輪(5)構成摩擦輪組,監(jiān)測摩擦從動輪(5)位置的光電開關(7 )位于豎立主軸(I)兩側，用于自動調節(jié)電機驅動裝置(11)的啟停，水力驅動裝置(12 )的轉軸與調節(jié)機構豎立主軸(I)連接。
2.根據權利要求I所述的水力與電力混合驅動裝置，其特征在于所述電機驅動裝置(11)的轉軸為水平軸，通過錐形摩擦輪組與調節(jié)機構(10)的豎立主軸(I)連接。
3.根據權利要求I所述的水力與電力混合驅動裝置，其特征在于當水壓下降，水力驅動裝置(12 )轉速下降，所述調節(jié)機構(10 )的錐形摩擦從動輪(5 )下降與電機驅動裝置(11)的錐形摩擦主動輪(6 )接觸，光電開關(7 )啟動電機驅動裝置(11)。
4.根據權利要求I所述的水力與電力混合驅動裝置，其特征在于所述豎立主軸(I)上的花鍵上部直徑略大于下部直徑，用于水壓增大時錐形摩擦從動輪(5 )向上移動的限位。
5.根據權利要求I所述的水力與電力混合驅動裝置，其特征在于所述實心球(4)固定在調節(jié)支桿(2)末端,調節(jié)支桿(2)隨豎立主軸(I)轉動時帶動實心球(4) 一起轉動,實心球(4)旋轉半徑隨轉速變化，使調節(jié)支桿(2)和豎立主軸(I)之間的夾角變動，實現錐形摩擦從動輪(5)的上下移動。
專利摘要本實用新型涉及一種水力與電力混合驅動裝置，調節(jié)機構包括豎立主軸、調節(jié)支桿、彈簧、實心球以及錐形摩擦從動輪，調節(jié)支桿一端與豎立主軸頂端采用活動式支點連接，另一端與實心球固定連接，中部通過彈簧連接錐形摩擦從動輪，錐形摩擦從動輪與豎立主軸通過花鍵傳動連接，并沿豎立主軸上下滑動；電機驅動裝置輸出軸上固定一錐形摩擦主動輪，與調節(jié)機構上的錐形摩擦從動輪構成摩擦輪組，監(jiān)測摩擦從動輪位置的光電開關置于主軸兩側，水力驅動裝置的轉軸與調節(jié)機構豎立主軸連接。本實用新型將水力與電力驅動裝置聯系起來，用于當水力不足時的電力輔助驅動。既充分利用了系統(tǒng)余壓，節(jié)約了能源，又根據工況變化適時輔以電力，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
文檔編號G05G5/06GK202649864SQ201220306249
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2012年6月28日
發(fā)明者馬紅玉, 章立新, 葉舟, 李志斌, 葉軍, 公彥良, 劉婧楠, 姬翔宇, 李坤隆, 劉躍, 胡斌, 許鶴華, 吳英健, 陳永保, 朱佩菁 申請人:上海理工大學, 上海電力學院