CN102192089A - 一种风力致热系统限速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力致热系统限速装置，其特征在于：它包括一搅拌桶，内装油液，桶内底部安装有静摩擦片、轴承和弹簧座；桶盖上安装轴承；一扭杆轴，穿设在两轴承之间，上端与风轮轴连接，外侧下半部通过花键套设一套管，套管的底端与弹簧座之间压设一弹簧；套管的外侧下端部位安装有动摩擦片，中间部位安装有搅拌叶片，套管顶部具有不等高的截面；扭杆轴上径向安装一销轴，销轴的原始位置处于套管不等高截面的低点位置，且低点位置至不等高截面的最高点位置之间的距离大于动、静摩擦片之间的最大间隙。本发明由于使用弹簧钢制作的扭杆轴作为风轮转矩传递元件，带动其上连接的叶片搅拌，同时可以迫使动、静摩擦片接触，不仅降低风轮的转速，而且可将热传递到油液中。

Description

一种风力致热系统限速装置

技术领域

本发明涉及风力机设备，特别是关于一种风力致热系统限速装置。

背景技术

由于化石能源的有限性以及使用它们所造成的环境污染等问题，使得可再生能源的利用倍受人们的青睐。风力资源丰富、分布广泛、清洁、无污染的优点成为可再生能源中的佼佼者，特别是它的推广使用符合国家的能源政策和环保政策，具有很好的发展前景。但目前广泛应用的风力发电不仅技术要求高、结构复杂、制造成本高，对风品质的要求也较高，且转化效率相对较低。在实际能源的应用中，很多情况下仅需要低品位的热能，如浴池供热、蔬菜大棚供暖、边远地区房屋取暖等，使用风能直接转化成热能即可满足要求，其设备结构简单、制造成本低，运行费用少，维护维修也简单，因此它的应用在很多场合具有较好的前景。但风能的利用目前仍存在一定的问题，如当风速很大时，可能会造成“飞车”现象，即风速的不断提高造成风轮转速越来越大，进而失去控制，最终导致风轮出现事故。例如2008年2月，丹麦东部地区一个风力发电机的风轮在工作中失去控制，发生爆炸，据报道是由于叶尖速度达到了300m/s，致使叶片变形与塔筒撞击造成的。特别是对于风力致热来说，要求制造成本低，结构简单，不可能安装复杂的速度控制装置，这就要求系统中要有在风速超出额定值情况下能自动产生足够阻尼力的简易装置，确保风轮的正常工作。基于以上考虑，设计一套风力致热系统限速装置就显得尤为重要。

与本发明属于相同技术领域且接近的两个专利内容简介如下：

1、“一种带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮”，如图1所示，它包括风轮轴1，以及设置在风轮轴上的升力型叶片2，在风轮轴顶部上还设置一套限速装置，限速装置包括圆筒3、阻尼叶片4、阻尼叶片连杆5、偏移导向板6、弹簧7、滚轮8，在离心力的作用下，阻尼叶片连杆5发生偏移，并产生阻尼作用，从而限制风轮转速的增加。转速越高，阻尼叶片偏转越大，产生的阻尼力矩越大，从而有效限制高风速下的转速增加，使风轮在高风速下继续高效运行，并保护了风轮的过载运行。

2、“风力发电机的限速机构”，图2是它的一个实施例示意图，风力机包括垂直型转轴80及风轮，风轮包括与垂直型转轴80垂直安装的旋转支架81、可水平活动地安装在旋转支架81上的风叶83；该风力机的限速机构包括用以将风叶83沿旋转支架81向远离垂直型转轴80方向移动的推拉装置，以及在离心力的作用下将风叶83沿旋转支架81向垂直型转轴80方向移动的重锤86；所述推拉装置如为拉簧84，重锤86通过拉绳88并经由设置在垂直型转轴80上的转向滑轮89与风叶83联系在一起。风轮静止时，风叶83在拉簧84的作用下靠近旋转支架81的外侧端部，风轮的力矩为最大；当风力增强时，风轮转速加快，离心力使重锤86向旋转支架81的外侧端部移动，并通过拉绳88和转向滑轮89拖动风叶83向旋转支架81的内侧移动，从而使风轮的力矩缩短。在负载不变的情况下，由于力矩减小，风轮的转速随之下降，使得风叶83在拉簧84的作用下可重新向旋转支架81的外侧端部移动，周而复始完成自动调节和控制风轮转速的功能。从上述实施例可知，该装置是用以调节主风叶受风面积或用以调节风叶的力矩从而控制风轮转速的限速装置，利用风力、离心力、重力或弹力等自然特性在强风情况下为风力机减速。

以上两个限速装置的专利都是基于增大空气的阻力来减速的，均用于风力发电，而且只适用于垂直轴的风轮，使用上受到了一定限制；另外，作为限速装置消耗的风能没有得到利用。

发明内容

为解决风能利用，同时又能保证风力系统不超速的问题，本发明旨在提供一种使用在风力致热系统上的限速装置，其能够极大地将制动消耗的风能转变为热能，同时又能保证风力系统不发生故障。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种风力致热系统限速装置，其特征在于：它包括一搅拌桶，内装具有一定粘度、抗泡沫性、抗氧化性、耐热性好和粘度受温度影响较小的油液，搅拌桶的内底部设置一底座，底座上外侧部位安装有静摩擦片，中间部位安装有第一组轴承，第一组轴承上方安装有弹簧座；搅拌桶的顶部盖设一桶盖，桶盖上中间部位安装一与第一组轴承对应的第二组轴承；一扭杆轴，穿设在两组所述轴承之间，所述扭杆轴的上端通过联轴器与风轮轴连接，所述扭杆轴外面通过花键套设一套管，所述花键设置在扭杆轴的下半部，所述套管的底端与所述弹簧座之间压缩设置一弹簧；所述套管的外侧下端部位安装有与静摩擦片对应的动摩擦片，中间部位安装有搅拌叶片；所述套管的顶部具有不等高的截面；所述扭杆轴上径向安装一销轴，所述销轴的原始位置处于套管不等高截面的低点位置，并且所述低点位置至不等高截面的最高点位置之间的距离大于所述动、静摩擦片之间的最大间隙；所述扭杆轴为弹簧钢制作的圆柱形扭杆，所述套管为具有一定刚度和硬度的钢制管。

所述套管顶部的不等高截面为中间低，向两侧逐渐升高的圆弧形截面。

所述套管顶部的不等高截面为从一侧逐渐向另一侧升高的圆弧形截面。

所述静摩擦片在所述底座外侧设置一圈，或设置几块。

所述套管的外侧下端部位安装有一连接盘，所述动摩擦片安装在连接盘上，且所述动摩擦片为一圈，或是几块。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于使用弹簧钢制作的圆柱形扭杆轴作为风轮转矩传递元件，带动其上通过花键连接的套管一起旋转，套管上装有叶片，在油液中搅拌，可以通过油液的阻力降低部分风轮的转速，并且将风能转化为热能。2、套管上端面为不等高截面，扭杆轴上装有径向销轴，位于套管的上方低截面处，由于扭杆轴为弹簧钢，轴向具有刚性，径向具有弹性，套管采用具有较好的刚度和硬度的钢制材料制作，在轴向、径向都不具有变形特性。因此扭杆轴在传递转矩时会发生径向扭转变形，扭杆轴上的销轴会跟着一起扭转，销轴的转动就会碰触套管上的高截面点，迫使套管沿轴向下移。在套管的下方设置摩擦片装置，当有风时，套管向下移动时，风速达到一定值使扭杆轴的转速达到额定值时，动、静摩擦片接触，伴随着扭杆轴的转动产生摩擦，从而降低扭杆轴的转速，也就是降低了风轮的转速，同时将摩擦热传递到油液中，提高了风能利用效率。3、在扭杆轴底部和套管之间设置压缩弹簧，使扭杆变形较小时，套管在轴向位移也较小，始终保持上位状态，摩擦片不接触；当扭杆轴转速升高至超过额定转速时，套管向下移动量较大，消除动、静摩擦片间隙，产生摩擦消耗动能。4、本发明结构简单，所有零部件均为常用件，纯属机械式触动，无需另外添加能源装置，因此整个结构和动作过程都是绿色环保的。本发明不但可以避免风轮过速旋转造成的危害，还可以将风能转变为热能存储在油液中。

附图说明

图1是现有技术一的结构示意图；

图2是现有技术二的结构示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明中套管的结构示意图；

图5是本发明扭杆轴、套管和销轴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图3所示，本发明限速装置的主要结构如下：一搅拌桶1，内装具有一定粘度、抗泡沫性、抗氧化性、耐热性较好和粘度受温度影响较小的油液，搅拌桶的内底部有一凸起的底座2，底座2的边缘部位安置有静摩擦片3(静摩擦片可以是一圈，也可以是几块)，底座的中间部位安装第一组轴承4(一般为圆锥滚子轴承)，轴承4上安放一弹簧座5。一扭杆轴6，穿过桶底部的第一组轴承4和弹簧座5，以及桶上部的桶盖7上的第二组轴承8，扭杆轴6上端穿出桶盖7后通过联轴器与风轮轴连接。

在扭杆轴6底部套设一弹簧9；在扭杆轴6的上部径向安装一销轴10。在弹簧9和销轴10之间的部分，扭杆轴6通过花键连接一套管11，弹簧9压缩地设置在弹簧座5与套管11之间。套管11的外侧靠中间部位安装有叶片12，靠下端部位安装有动摩擦片连接盘13，连接盘13上安装有轴向具有一定弹性的动摩擦片14(动摩擦片14也可以是一圈，或是几块)；动摩擦片14与静摩擦片3上、下对应布置。如图4所示，套管11的上端面具有不等高截面15；销轴10安装在不等高截面的低点位置，如图5所示，并且销轴10的原始位置至不等高截面的顶点位置之间的距离大于动、静摩擦片之间的最大间隙。

扭杆轴6为弹簧钢制作的圆柱形扭杆，在轴向具有较好的刚性，径向具有较好的弹性；套管11使用具有较好的刚度和硬度的钢制材料，它在轴向和径向都具有较好的刚性。因此当扭杆轴6顶部通过联轴器与风轮轴相连接传递转矩时，套管11一同随扭杆轴6旋转，扭杆轴6在阻力作用下外花键上部会发生扭转变形，销轴10会随着转过一定角度，将会通过不等高截面推动套管11向下位移，当风速达到额定值时，销轴10旋转到套管11的高截面位置，套管11向下移动距离加大，就会带动动摩擦片14接触静摩擦片3，伴随着扭杆轴6的转动产生摩擦。因此在本发明设置的结构中，因销轴10沿径向扭转导致的套管11轴向移动距离应能保证大于动、静摩擦片之间的最大间隙，这样才能使套管11的轴向位移带来摩擦片的摩擦耗能，因此套管11的顶部不等高截面高、低点之间的距离差应该足够大，大于动、静摩擦片之间的最大间隙。

上述套管11的不等高截面可以为从一侧逐渐升高的圆弧形截面，也可以为中间低，向两端逐渐升高的圆弧形截面，总之只要是具有不同高度的截面就可以。

上述扭杆轴6上的外花键设置在轴的下半部分，这样才能保证扭杆轴6的上部无花键的部分发生扭转变形，下部有花键的部分传递转矩。

本发明工作过程是：

风轮轴将风轮产生的转矩通过联轴器传递给扭杆轴6，经过扭杆轴6上的外花键将转矩传递给套管11上的内花键，继而带动套管11转动，套管11带动叶片12旋转搅拌油液，叶片12在搅拌油液的过程中受到来自于油液的阻力，且转速上升，阻力会急速升高，通过叶片12与油液以及油液分子之间的相对摩擦运动将机械能转化为热能。由于扭杆轴6是弹簧钢制成的，当风轮转动时，在油液阻力的作用下，扭杆轴6会发生扭转变形，并带动销轴10在径向转动，由于套管11上端为不等高的截面，在销轴10的作用下，套管11和扭杆轴6会发生轴向相对位移，又因为扭杆轴6在轴向是刚性的，套管11就会在压力作用下克服弹簧9的阻力沿着扭杆轴6向下移动。当风速较小时，扭杆轴6转速较慢，扭杆轴6产生的扭转变形较小，销轴10的径向移动量较小，套管11的轴向移动也较小，动、静摩擦片之间不会产生摩擦。当风速较大使扭杆轴6达到额定转速时，扭杆轴6在较大的动力和阻力的作用下，其受力部分会发生较大的扭转变形，带动销轴10转过较大的角度，套管11就会有较大的位移，使动摩擦片14和静摩擦片3之间接触产生摩擦，其摩擦产生的热量被油液吸收。风轮转速越大，扭杆轴6变形也会越大，通过套管11传递的压力也会越大，动摩擦片14和静摩擦片3之间产生的摩擦阻力越大，这样较大风速的风能也能够得到利用，并且限制了风轮转速的增加，防止了风轮的飞车现象。当风轮转速降低后，叶片12所受的阻力迅速下降，扭杆轴6扭转的角度减小，所传递的转矩下降，销轴10逐渐回位，套管11在弹簧9的作用下复位，动摩擦片14和静摩擦片3分离，不产生摩擦。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种风力致热系统限速装置，其特征在于：它包括一搅拌桶，内装具有一定粘度、抗泡沫性、抗氧化性、耐热性好和粘度受温度影响较小的油液，搅拌桶的内底部设置一底座，底座上外侧部位安装有静摩擦片，中间部位安装有第一组轴承，第一组轴承上方安装有弹簧座；搅拌桶的顶部盖设一桶盖，桶盖上中间部位安装一与第一组轴承对应的第二组轴承；

一扭杆轴，穿设在两组所述轴承之间，所述扭杆轴的上端通过联轴器与风轮轴连接，所述扭杆轴外面通过花键套设一套管，所述花键设置在扭杆轴的下半部，所述套管的底端与所述弹簧座之间压缩设置一弹簧；所述套管的外侧下端部位安装有与静摩擦片对应的动摩擦片，中间部位安装有搅拌叶片；所述套管的顶部具有不等高的截面；所述扭杆轴上径向安装一销轴，所述销轴的原始位置处于套管不等高截面的低点位置，并且所述低点位置至不等高截面的最高点位置之间的距离大于所述动、静摩擦片之间的最大间隙；

所述扭杆轴为弹簧钢制作的圆柱形扭杆，所述套管为具有一定刚度和硬度的钢制管。

2.如权利要求1所述的一种风力致热系统限速装置，其特征在于：所述套管顶部的不等高截面为中间低，向两侧逐渐升高的圆弧形截面。

3.如权利要求1所述的一种风力致热系统限速装置，其特征在于：所述套管顶部的不等高截面为从一侧逐渐向另一侧升高的圆弧形截面。

4.如权利要求1或2或3所述的一种风力致热系统限速装置，其特征在于：所述静摩擦片在所述底座外侧设置一圈，或设置几块。

5.如权利要求1或2或3所述的一种风力致热系统限速装置，其特征在于：所述套管的外侧下端部位安装有一连接盘，所述动摩擦片安装在连接盘上，所述动摩擦片为一圈，或是几块。

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