CN102874940A - 风力直驱循环曝气设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力直驱循环曝气设备，包括竖向传力轴，在竖向传力轴由上至下依次安装有风轮，小齿轮装换装置，动力连接系统，产气囊，大齿轮转换装置、固定块、微曝气头和推流叶轮，产气囊在动力连接系统的作用下向底部输送空气，该设备在风力作用下风轮旋转，将风能转化为动能，经过竖向传力轴向搅动涡轮和产气囊完成空气的输送，完成向底部输送空气，在搅动涡轮作用下浅层水流横向扩撒，与表层水体对流交换，实现大面积水体扰动。结构简单布置紧凑，操作方便，节省能源，适用于湖泊，水塘水质改善。

Description

风力直驱循环曝气设备

技术领域

本发明涉及环境工程科学领域的一种设备，具体的说是一种风力直驱循环曝气设备。 

背景技术

随着我国工农业生产的发展，水体污染问题日趋严重，水体中的溶解氧（DO）的含量下降，造成了许多环境问题。水体中的DO含量是衡量水体水质状况的一个重要指标，水中DO是维持水生生态平衡和有机物进行分解的条件。DO含量不足将直接威胁到水中生物的生长；若DO耗尽，则水中有机物将在厌氧条件下产生分解，使水质发臭。水体中的DO主要来源于水和气之间的物理作用过程，亦即大气复氧。然而，众多学者在研究高速水流通过泄水建筑物的时候如闸，堰等水流的强烈紊动和掺气会使水体的溶解氧量有明显的提高，有时候甚至出现超饱和现象。随着人们对气泡复氧的深入研究，各类气泡曝气技术应用在环境工程中。如臭氧曝气，空压机曝气等各式各样的设备，现有的充氧设备共同特点： 

（1）搅动水体，如中国专利申请“一种垂直轴风力曝气机”（公告号CN102225810A）借助表面叶片拨动水体增加水气接触面积，增加水体溶解氧向下层水体扩散。 

（2）将水分散为小水滴，喷入气相，增大气水接触面积，提高溶解溶解氧含量。如中国专利申请“气压水汽自控曝气机”。 

（3）负压吸气，令气泡分散为微气泡压入水中。如“风力水体充氧机”中国专利申请（授权公告号CN 2501877Y），充分利用微气泡在水体中的溶解原理增大水体溶解氧含量。 

一些传统的增氧方式有，水泵远距离抽送复氧，大型风轮搅动复氧，水 流跌坎阶梯流等设备。近年来随着环境科学技术的不断发展，越来越多的充氧设备被应用在实践中，如，武汉科技大学经过四年的努力，研发的“太阳能湖水净化技术及设备”并在武汉市部分湖泊应用，“一种风光互补曝气充氧机的控制保护装置”在实践中效果很好。众多曝气充氧设备或多或少存在一些缺陷或不足，主要是： 

（1）曝气不充分。旨在依靠风力实现水体表层曝气，未能考虑底部水体的对流交换充氧，未能改变深层水体总溶解氧含量。 

（2）充氧面积小。目前众多工艺设备仅考虑设备作用范围之内水体的复氧量，未能满足大面积水体复氧和水体上下层循环。 

（3）能耗大，操作复杂。一些设备依靠外在电力，柴油发电机等外在能源，忽视了自然资源风能，装置基本结构复杂不易操作。还有采用一些设备风电互补的方式，不仅投资大而且操作极其复杂。 

（4）效果不佳，不易管理。依靠表层曝气，忽略深层水体，在本质上不可能达到改善水体，净化水质的目的。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种多功能的风力直驱循环曝气设备。 

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案： 

一种风力直驱循环曝气设备，其特征在于，包括竖向传力轴，在竖向传力轴由上至下依次安装有风轮，小齿轮转换装置、动力连接系统、产气囊、浮伐系统、大齿轮转换装置和固定块，其中，小齿轮转换装置外端有与动力连接系统连接的N字形钢条，大齿轮转换装置包括齿轮箱，齿轮箱中有主齿轮和副齿轮，主齿轮与副齿轮相啮合，主齿轮与竖向传力轴相连接，副齿轮与横向传力轴连接，在横向传力轴两端，安装有一对叶片方向相反的推流叶轮，齿轮箱表面安装微曝气头。 

本发明的风力直驱循环曝气设备，与目前开发和使用的同类设备相比， 具有以下多方面的创新和优点： 

（1）曝气充分。通过产气囊将空气压入底部缺氧态水体，旋转的推流叶轮将大气泡破碎，均匀分布气泡与水体接触，充分增加汽水接触面积，提高曝气效果。 

（2）浅层水体充氧接触面积大。通过风轮将浅层水体向表层水体流动的相反方向搅动。充分考虑风力的影响，通过方向相反安装的推流叶轮，将底部上升的汽水混合水体向表层水体相反方向推流，增加未饱和水体与表层饱和水体的充分接触。 

（3）结构简单，造价低。充分考虑自然能源风力，通过风轮积聚动能，带动竖向传力轴，从而搅动水体，不仅节省资源，而且环保。装置构造简单，操作容易，不需人为高频率的察看。 

(4）结构紧凑，便于安装。适用于一些湖泊，景观湖河道等，不仅外观漂亮，而且容易装饰成湖泊的美化构筑物，材料要求低，便于组装携带。 

（5）充分利用自然能源。将风能转化为动能用于推动水流。 

（6）气泡复氧效果好。将空气输送到底部，旋转的推流叶轮将大气泡破碎，均匀分布到周围水体，汽水接触面积大，富氧率高。 

附图说明

图1是本发明的风力直驱循环充氧设备结构示意图。 

图2是大齿轮转换装置的结构示意图； 

图3是产气囊的结构示意图； 

图4是动力连接系统示意图。 

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种风力直驱循环充氧设备的结构，包括竖向传力轴10，在竖向传力轴10由上至下依次安装有风轮1，小齿轮转换装 置2，动力连接系统3，产气囊4，浮伐系统5，大齿轮转换装置6，推流涡轮7，固定块8，横向传力轴9，其中，大齿轮转换装置6包括齿轮箱64，齿轮箱64中有主齿轮61和副齿轮62，主齿轮61与竖向传力轴10相连接，副齿轮62与横向传力轴9连接，在横向传力轴9两端，安装有一对叶片方向相反的推流涡轮7，该推流涡轮7与横向传力轴9之间采用螺纹连接，齿轮箱64表面安装微曝气头65。 

本实施例中，风轮1由均匀分布的三组叶片组成，叶片采用流线型设计，可根据实际需求确定叶片的大小及弯曲度，用固定盘12固定在竖向传力轴10上。 

参见图2，大齿轮转换装置6包括齿轮箱64，在齿轮箱64中有主齿轮61和副齿轮62，主齿轮61和副齿轮62啮合，副齿轮62两侧通过连接轴承63与横向传力轴9相连接。主齿轮61凭借固定于齿轮箱64上下表面的传力轴10固定在箱体内。副齿轮62凭借固定于齿轮箱64左右两侧的横向传力轴9固定在齿轮箱64内，齿轮箱64外表面安装有微曝气头65。 

参见图3，产气囊4包括有内外两层橡胶（31，32），在产气囊4上有吸气阀和出气阀，吸气阀和出气阀均依靠内外压差设计。 

两层橡胶囊（31，32）外形相似，且外橡胶囊31与内橡胶囊32密封连接，外橡胶囊31与内橡胶囊32之间形成空腔，内橡胶囊32顶部内侧连接轴承33；传力轴10穿过轴承33，产气囊4在动力连接系统4的作用下实现伸缩，在动力连接系统5压缩过程中，吸气阀中由弹簧连接的钢球35压缩钢片36密封吸气口，出气阀在气压的作用下钢片压缩弹簧连接的钢球，将出气口打开，将橡胶囊31内的气体输送出去。在动力连接系统3的拉伸过程中，橡胶囊31内的压强远小于外界压强，在压差作用下吸气阀内钢片36在压力作用下挤压弹簧连接的钢球35将吸气口打开使得外界气体顺利进入橡胶囊31内，此时在出气阀内输气管内的压强远大于橡胶囊内的压强，在弹簧连接的钢球作用下将挤压钢片将出气口关闭，防止输气管内的气体回 流到橡胶囊内。轴承34连接在内外橡胶囊（31、32）底部，起固定作用，最底层的固定板37固定橡胶囊整体部分，固定板37的中心连接有轴承。 

参见图4，动力连接系统3上部的连接杆43连接小齿轮转换装置2外端的N字型钢条，在小齿轮转换装置2旋转的时候,连接在外端的N字型钢条做圆周运动，在运动过程中,动力连接系统3驱动连接杆43上下运动，传力轴10穿过轴承41，轴承41两端连接固定板42，固定板42末端向下连接摇摆板44的中心轴连器，摇摆板44的两端分别连接连接杆（43，45）。 

该风力直驱循环充氧设备的工作原理是： 

在风力作用下，风轮1顺时针旋转，带动竖向传力轴10顺时针旋转，在竖向传力轴10的带动下，小齿轮转换装置2同方向旋转，且带动连接在外端的N字形钢条作圆周运动，在运动过程中，动力连接系统3带动连杆上下运动，且拉伸产气囊4伸缩，将空气挤压到传力轴10内。由于齿轮箱6中的主齿轮61位于竖向传力轴10外径上并与竖向传力轴10相连接，也同时随竖向传力轴10顺时针转动，主齿轮61与副齿轮62啮合，带动横向传力轴7转动，推流叶轮7转动将水体从左到右推动，形成浅层水体的横向循环流动，大大增加了缺氧状态水体与饱和水体的混合，促进缺氧状态水体溶解氧含量增加。竖向传力轴10连接小齿轮转换装置2并随之顺时针旋转的同时，在动力连接系统3的作用下拉升产气囊4，将空气压入竖向传力轴10内。微曝气头65将气体均匀分布在底部的水体中，增大未饱和水体与饱和水体的接触面积，从而增大水体的溶解氧速率。 

如果风轮1随风力逆时针旋转时，各构件旋转方向与顺时针方向刚好相反，但其充氧效果与顺时针相同。 

具体实施步骤： 

（1）风轮1由三个椭圆形叶片组成，叶片选择聚乙烯材料制成，叶片的大小根据下面连接的产气囊4和推流叶轮7的大小设计，叶片流线型设计，聚有升力型叶片的特点，克服了启动难的弱点。叶片顶部和底部分别通过固 定盘12与竖向传力轴10固定，固定盘12的大小根据叶片大小确定，顶端固定盘12与竖向传力轴10顶部焊接 

（2）竖向传力轴10中上部连接小齿轮转换装置2，小齿轮转换装置2随竖向传力轴10旋转，带动连接在小齿轮转换装置2外侧的N字型钢条作圆周运动。 

（3）动力连接装置3下部适当位置连接固定在竖向传力轴10上的产气囊4，产气囊4与竖向传力轴10之间用轴承连接，产气囊4的安装高度根据动力连接装置3的功率大小确定。 

（4）竖向传力轴10中部连接浮伐系统5。浮伐系统5包括泡沫浮体、浮伐轴承和三根等长度固定钢管，其中，浮伐轴承通过固定钢管与泡沫浮体固定在一起。浮伐轴承与竖向传力轴10相连接。 

本实施例中，泡沫浮体51采用聚乙烯材料制作，耐腐蚀，耐光照，密度小等特点。泡沫浮体51形状类似于圆环状，有利于构件在摆动过程中平衡。 

（5）竖向传力轴10中下部与大齿轮转换装置6相连接（图2）。大齿轮转换装置6包括有齿轮箱64，齿轮箱64中有主齿轮61和副齿轮62，竖向传力轴10穿过齿轮箱64上下表面的轴承，与齿轮箱64内的主齿轮61连接，主齿轮61与副齿轮62啮合，主齿轮61依靠竖向传力轴10固定。副齿轮62两侧通过连接轴承63与横向传力轴9连接。 

（6）横向传力轴7两端分别连接推流叶轮7,横向传力轴9的长度可根据实际情况确定，横向传力轴9与推流叶轮7可以用螺纹相连接，便于拆除安装。推流叶轮7的叶片根据推流器的叶片设计原理设计，叶片大小根据实际情况确定，左右两个推流叶轮7的叶片安装方向相反，便于水流向一个方向流动。 

（7）大齿轮装换装置6的齿轮箱64表面安装微曝气头65，微曝气头 65的安装数量根据实际情况确定。 

（8）竖向传力轴10下部连接固定块8，固定块8用铁链与竖向传力轴10下部的轴承连接，铁链长度根据实际情况确定。 

Claims (5)

1.一种风力直驱循环充氧设备，其特征在于，包括竖向传力轴（10），在竖向传力轴（10）由上至下依次安装有风轮（1），小齿轮转换装置（2），动力连接系统（3），产气囊（4），浮伐系统（5），大齿轮转换装置（6）和固定块（8）；其中，小齿轮转换装置（2）外端有与动力连接系统（3）连接的N字形钢条；大齿轮转换装置（6）包括齿轮箱（64），齿轮箱（64）中有主齿轮（61）和副齿轮（62），主齿轮（61）与副齿轮（62）相啮合，主齿轮（61）与竖向传力轴（10）相连接，副齿轮（62）与横向传力轴（9）连接，在横向传力轴（9）两端，安装有一对叶片方向相反的推流叶轮（7），齿轮箱（64）表面安装微曝气头（65）。

2.如权利要求1所述的风力直驱循环曝气设备，其特征在于，所述的风轮（1）由均匀分布的三组叶片组成，用固定盘（12）固定在竖向传力轴（10）上。

3.如权利要求1所述的风力直驱循环充氧设备，其特征在于，所述的竖向传力轴（10）与产气囊（4）之间可拆卸。

4.如权利要求1所述的风力直驱循环曝气设备，其特征在于，所述的产气囊（4）底部有吸气阀和出气阀，吸气阀和出气阀均依靠内外压差设计。

5.如权利要求1所述的风力直驱循环充氧设备，其特征在于，所述的推流涡轮（7）与横向传力轴（9）之间采用螺纹连接。

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