专利名称：水力与电力混合驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水力与电力混合驱动装置，尤其是一种广泛应用于各种水力驱动装置的输出端，起到自动调节电力辅助做功，稳定系统工况的水力与电力混合驱动装置。
背景技术：
目前很多运行系统内的流体都有一定的压力，在很多情况下，这部分压力没有被利用，如果能够充分利用流体本身的余压，利用水力驱动装置驱动设备运行，则可以很大程度上减少电耗，达到节能减排降低生产成本的目的。但 是在实际运行中，负荷等各种因素的变化导致流体压力发生改变，水力驱动设备的输出功率不稳定，造成系统运行不稳定，长期如此对系统设备会造成损坏，且很多情况下设备无法运行在设计工况，无法实现预期的要求。以利用冷却水处理废热的机械通风冷却塔为例。冷却塔风机是循环水系统的核心设备，就循环水设备治理情况看，无论是从设备的数目、维修工作量、耗电量等哪个方面来讲，冷却塔风机都占有很大比重。风机台数占车间设备总量的57%，维修工时占总量的60%，电耗占总量的22%。传统的冷却塔多采用电机驱动的风机输送空气，存在运行费用高、噪声大等缺点。流体在进入冷却塔之前本身存在一定的余压，如果能够充分利用这部分余压，则可以很大程度上减少电耗，达到节能减排降低生产成本的目的。如石化行业因工艺需要有不少来自高塔的冷却水，有余压可利用。利用这部分水位落差推动水轮机做功进而带动风机，就可以省去电机，节省电耗；再如旋转喷雾冷却塔，是靠水压的反冲作用带动风机旋转，也不需要电机。以上都是利用水力直接驱动设备做功，无需电机从而减少系统电耗的实例。但是在实际运行中，由于用户负荷的变化以及气候变化，冷却塔的负载一直在变化。运行工况的不稳定，水压、流量等的变化，导致风机运行不稳定，长期如此对风机等设备会造成损坏，且很多情况下无法获得所需风量，无法实现冷却要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明是要提供一种水力与电力混合驱动装置，该装置加工安装简便，运行可控；将单纯的水力驱动改造为水电混合驱动，充分利用具有一定压力的水流冲刷或喷射所得动力带动负载，使用清洁可再生的水能代替部分电能，并将节能降耗技术应用到生产实际中，既保证了冷却流程能够正常进行，又减少了 CO2的排放。为实现本发明的目的，采用的技术方案如下
一种水力与电力混合驱动装置，由调节机构、水力驱动装置、电机驱动装置、光电开关组成，其特点是调节机构包括一根竖立主轴、三根调节支杆、三根弹簧、三个实心球以及一个锥形摩擦从动轮，调节支杆的一端与竖立主轴顶端采用活动式支点连接，另一端与实心球固定连接，中部通过弹簧连接锥形摩擦从动轮，锥形摩擦从动轮与竖立主轴通过花键传动连接，并沿竖立主轴上下滑动；电机驱动装置输出轴上固定一锥形摩擦主动轮，并与调节机构上的锥形摩擦从动轮构成摩擦轮组，监测摩擦从动轮位置的光电开关位于竖立主轴两侦牝用于自动调节电机驱动装置的启停，水力驱动装置的转轴与调节机构竖立主轴连接。水力驱动装置的转轴为水平轴，通过锥形摩擦轮组与调节机构的竖立主轴连接。当水压下降，水力驱动装置转速下降，调节机构的锥形摩擦从动轮下降与电机驱动装置的锥形摩擦主动轮接触，光电开关启动电机驱动装置。竖立主轴上的花键上部直径略大于下部直径，用于水压增大时锥形摩擦从动轮向上移动的限位。实心球固定在调节支杆末端,调节支杆随竖立主轴转动时带动实心球一起转动，实心球旋转半径随转速变化，使调节支杆和竖立主轴之间的 夹角变动，实现锥形摩擦从动轮的上下移动。本发明的有益效果是
本发明巧妙地将水力与电力驱动装置联系在了一起，用于当水力不足时的电力辅助驱动。适用于任何形式的水力驱动装置。根据系统水压变化自动调节启停电机，该方式具有监测的实时性和调节的及时性。并且由于弹簧的作用，给电机提供了一定缓冲的时间，避免造成电机频繁启停和空载。本发明既充分利用了系统余压，节约了能源，又根据工况变化适时辅以电力，保证了系统的安全稳定运行。
图I是本发明应用于旋转喷雾装置时的结构示意 图2是调节机构立体示意 图3是调节机构在水力单独驱动时的示意 图4是调节机构在水电混合驱动时的不意 图5是水力驱动装置主视 图6是图5的俯视 图7是本发明应用于水力驱动装置时水力输出功率和风机输出功率与转速关系曲线图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。本发明根据水力驱动装置的作用效果自动调节启停电机，以保证系统和设备稳定安全运行。本发明适用于任何形式的水力驱动装置。在系统工况发生变化，单靠水力驱动作用无法满足要求时自动启动电机辅助做功。如图I所示，本发明的水力与电力混合驱动装置，由调节机构10、电机驱动装置11，水力驱动装置12和光电开关7组成。如图2，3，4所示，调节机构10包括一根竖立主轴I、三根调节支杆2、三根弹簧3、三个实心球4以及一个锥形摩擦从动轮5。调节支杆两端分别与竖立主轴I和实心球4连接，中部则和锥形摩擦从动轮5由弹簧3连接，锥形摩擦从动轮5与竖立主轴I之间靠花键传动，且锥形摩擦从动轮5能在竖立主轴上上下滑动。转速变化时实心球4的旋转半径发生改变，调节机构10整体沿竖立主轴上下移动(如图3、4所示)。电机驱动装置11输出轴上固定一锥形摩擦主动轮6,与调节机构10上的锥形摩擦从动轮5构成摩擦轮组。通过锥形摩擦从动轮5的上下滑动实现与锥形摩擦主动轮6的接触和脱离。电机驱动装置11的启停靠监测摩擦从动轮位置的光电开关7控制。整个装置结构简单，适用范围广泛。调节支杆2的一端与竖立主轴I顶端采用活动式支点连接，另一端与实心球4固定连接，中部某一位置则由弹簧3和锥形摩擦从动轮5连接。竖立主轴I转动时带动整个调节机构一起转动，且调节支杆2与竖立主轴I之间的夹角随着转速的变化而变化。锥形摩擦从动轮5与竖立主轴I靠花键传动，且该轮能在竖立主轴上上下滑动。竖立主轴I花键上部的直径稍大，以防止水压不断增大时摩擦从动轮5向上移动过多而对系统和装置带来不利影响。并且花键长度应能保证在系统压力达到设计压力前摩擦从动轮5能够一直向上移动。弹簧3的两端分别连接着锥形摩擦轮从动轮5和调节支杆2，且均为活动式支点连接。当调节支杆2与竖立主轴I的夹角发生变化时，弹簧3与调节 支杆2之间的夹角以及弹簧3与竖立主轴I之间的夹角都会随之改变。实心球4固定在调节支杆2末端,调节支杆2随竖立主轴I转动时将带动实心球4 一起转动。当转速发生变化时实心球4所受离心力发生变化，旋转半径发生变化，反过来又改变了调节支杆2和竖立主轴I之间的夹角，调节支杆I拉伸弹簧3，实现锥形摩擦从动轮5的上下移动。锥形摩擦主动轮6位于锥形摩擦从动轮5下方某一适当位置。电机驱动装置的转速应稍稍小于系统设计转速，并且在该转速下锥形摩擦从动轮5与锥形摩擦主动轮6不会脱离，以避免在系统压力恢复到设计压力前造成电机驱动装置11的频繁启停。当水压下降，转速下降，锥形摩擦从动轮5下降与锥形摩擦主动轮6接触并靠光电开关7启动电机；水压回升到一定程度时，拉伸弹簧使摩擦从动轮5上升脱离摩擦主动轮6，电机驱动装置停止工作。一般情况下，调节机构10处于图3所示状态。此时水压不低于设计压力，锥形摩擦从动轮5与锥形摩擦主动轮6脱离，电机驱动装置11不工作，负载驱动力全部由水力提供。当水压低于设计压力，转速降低，不足以给负载提供足够的驱动力。锥形摩擦轮从动5高度下降，压紧锥形摩擦主动轮6，触发光电开关，电机驱动装置11启动，如图4所示。主轴转速慢慢提高，在最初的一段时间里，随着实心球4高度的上升，弹簧3先伸长，锥形摩擦从动轮5仍然与锥形摩擦主动轮6接触。一旦水压回升到一定程度，立即脱离，电机驱动装置11随即停止工作。调节机构10又回到图3所示状态。如图5，6所示，水力驱动装置12包括水轮机、旋转喷雾等靠水压驱动的非特定装置。下面以旋转喷雾装置为例进行理论计算和说明。水流喷出喷头时会产生反冲力推动喷头旋转，进而带动与喷头同轴的风机转动。靠水力驱动风机，不需要电机，而且充分利用了水流的余压，因此比普通电机驱动风机节能。但是系统水压并不稳定，当水压低于设计水压，不足以给风机提供足够的转速，风量就无法满足。为此，可以考虑辅助电机，将单纯的水力驱动变成水力与电力混合驱动。根据能量守恒，当不辅助电机时，水流余压的输出功率与主轴的转速成二次抛物线关系，如图7中的两条抛物线。随着主轴转速的提高，水力输出功率先增大后减小，有一个最大值？_，对应的转速为水力驱动装置的最佳转速Ipt。即在该转速下，水力装置提供给主轴的动力最大。水流余压得到最充分的利用。偏离该转速，水流余压就没有得到最充分的利用，而是过多地转换成了管内水流和喷头的动能。为了最充分利用水流余压来驱动风机，就要使水力驱动装置的工作点在最佳转速处。由于对于一个已知的风机，其对空气的输出功率与风机的转速正相关，为三次方关系。可大致画出风机输出功率与其转速的关系曲线，如图7中的三条曲线。水力驱动装置的曲线与风机曲线的交点即为工作点。风机的输出功率相当于对主轴的阻力，而水力驱动装置输出功率是动力。只有当阻力等于动力时，系统才达到平衡。系统水压一定时水力驱动装置的曲线是一定的，那么就需要选择合适的风机。当水流量为68m3/h时，如果风机曲线为曲线1，那么工作点转速就会大于最佳转速，导致余压不能得到充分利用；如果风机曲线是曲线3，工作点转速就会小于最佳转速，余压也会有一部分浪费；如果为曲线2，工作点刚好为最佳转速点，余压得到最充分的利用，没有浪费。当风机曲线为曲线2时，水流量为68m3/h，工作点在A点，水力驱动装置提供给主轴最大动力Pa，某一时刻，水压突然降低，流量降低到50m3/h。此时水力驱动装置曲线发生变化，而风机曲线没有变仍然是曲线2。起初风机转速还是Ipt，风机对主轴的阻力没 有变，仍为PA，但此时动力却减少到B点对应的PB。阻力大于动力，风机主轴转速开始降低。直到稳定在点新的工作点Al。此时水力输出功率为Pai小于设计功率Pa，转速小于设计转速n_，风机无法达到设计风量。这是未辅助电机的情况。当采用水力与电力混合驱动装置，阻力大于动力时，转速开始下降。摩擦从动轮下降与摩擦主动轮接触，启动电机，带动主轴转速升高到十分接近设计转速Ipt的某一转速nd。此时水力驱动装置的工作点在Bb点，输出功率为PBb，小于Pa也小于此流量下的最大输出功率，即水流余压没有得到充分利用，有一部分的浪费；风机的工作点为C点，虽然仍然小于设计转速，但选用风机时对风量进行了放大，C点的风量依然能满足要求；电机输出功率为风机与水力输出功率的差值Pc-PBb。当水压慢慢回升，水流量增大，水力输出功率不断增加，电机输出功率不断减小，但转速不变，一旦当水力输出功率超过风机输出功率，曲线又恢复成流量为68m3/h下的曲线，摩擦从动轮脱离，电机停止工作，转速增加到n_，工作点再次稳定在A点。
权利要求
1.一种水力与电力混合驱动装置，由调节机构(10)、水力驱动装置(12)、电机驱动装置(11)、光电开关(7)组成，其特征在于所述调节机构(10)包括一根竖立主轴(I)、三根调节支杆(2)、三根弹簧(3)、三个实心球(4)以及一个锥形摩擦从动轮(5)，调节支杆(2)的一端与竖立主轴(I)顶端采用活动式支点连接，另一端与实心球(4)固定连接，中部通过弹簧(3 )连接锥形摩擦从动轮(5 )，锥形摩擦从动轮(5 )与竖立主轴(I)通过花键传动连接，并可沿竖立主轴(I)上下滑动；电机驱动装置(11)输出轴上固定一锥形摩擦主动轮(6)，并与调节机构(10)上的锥形摩擦从动轮(5)构成摩擦轮组,监测摩擦从动轮(5)位置的光电开关(7)置于竖立主轴(I)两侧，用于自动调节电机驱动装置(11)的启停，水力驱动装置(12)的转轴与调节机构竖立主轴(I)连接。
2.根据权利要求I所述的水力与电力混合驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置(11)的输出轴为水平轴，通过锥形摩擦轮组与调节机构(10)的竖立主轴(I)连接。
3.根据权利要求I所述的水力与电力混合驱动装置，其特征在于当水压下降，水力驱动装置(12 )转速下降，所述调节机构(10 )的锥形摩擦从动轮(5 )下降与电机驱动装置(11)的锥形摩擦主动轮(6 )接触，光电开关(7 )启动电机驱动装置(11)。
4.根据权利要求I所述的水力与电力混合驱动装置，其特征在于所述竖立主轴(I)上的花键上部直径略大于下部直径，用于水压增大时锥形摩擦从动轮(5 )向上移动的限位。
5.根据权利要求I所述的水力与电力混合驱动装置，其特征在于所述实心球(4)固定在调节支杆(2)末端,调节支杆(2)随竖立主轴(I)转动时带动实心球(4) 一起转动,实心球(4)旋转半径随转速变化，使调节支杆(2)和竖立主轴(I)之间的夹角变动，实现锥形摩擦从动轮(5)的上下移动。
全文摘要
本发明涉及一种水力与电力混合驱动装置，调节机构包括竖立主轴、调节支杆、弹簧、实心球以及锥形摩擦从动轮，调节支杆一端与竖立主轴顶端采用活动式支点连接，另一端与实心球固定连接，中部通过弹簧连接锥形摩擦从动轮，锥形摩擦从动轮与竖立主轴通过花键传动连接，并沿竖立主轴上下滑动；电机驱动装置输出轴上固定一锥形摩擦主动轮，与调节机构上的锥形摩擦从动轮构成摩擦轮组，监测摩擦从动轮位置的光电开关置于主轴两侧，水力驱动装置的转轴与调节机构竖立主轴连接。本发明将水力与电力驱动装置联系在了一起，用于当水力不足时的电力辅助驱动。既充分利用了系统余压，节约了能源，又根据工况变化适时辅以电力，保证了系统的安全稳定运行。
文档编号G05G5/06GK102722216SQ20121021656
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者公彦良, 刘婧楠, 刘跃, 叶军, 叶舟, 吴英健, 姬翔宇, 朱佩菁, 李坤隆, 李志斌, 章立新, 胡斌, 许鹤华, 陈永保, 马红玉 申请人:上海理工大学, 上海电力学院