CN105041574A - 一种配备风能转换系统的汽压动力机 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电的技术领域，为了能广泛、高效地转换利用已知自然能源，进而提供了一种配备风能转换系统的汽压动力机，本发明提供了一种配备风能转换系统的汽压动力机，所述汽压动力机是通过叠合三叶轴旋转，使节速器和节速阀联合作用，实现对汽压动力机输入风量的自控，使工作机组能稳定匀速运转，系统的稳定性高。所述汽压动力机可采用风能、太阳能、液压能等自然能源作为输入能源，其转化利用达到80%以上，且密封效果好，解决了汽轮机、水轮机能量泄漏大的缺陷。

Description

一种配备风能转换系统的汽压动力机

技术领域

本发明属于风力发电的技术领域，具体涉及一种配备风能转换系统的汽压动力机。

背景技术

随着社会的进步和发展，人们对能源的需求也与日俱增，而传统的煤、油、汽等资源为不可再生能源，已日渐匮乏，新能源的开发虽然是一个美好的发展方向，但在实际运用中，仍是燃煤、燃油和燃气等传统能源占主要地位。而我国是一个人口大国，也是能源消耗大国，更是一个能源进口大国，节能减排已成为重要的国策，如果在不影响工业、农业、交通运输业以及人们的日常生活情况下，能使能源消耗减半，那将具有巨大的经济意义和重要的战略意义。为了达到此目的，研制新型发动机，挖掘已知能源的使用潜力，提高能源的利用率，是一个积极而有效的措施。

在现有的发动机种类中，活塞连杆发动机占主流地位，是所有内燃机的通用结构形式，虽然其结构和性能不断改进完善，但仍存在一个无法改变的缺陷，即能量利用率低。

活塞连杆机构是将活塞的往复运动转换为曲轴旋转运动的机构，在做功的这一过程中，燃烧热膨胀对活塞顶部的推力严格来说是一个变力，为了论述简便可作为一个平均恒力。在做功过程中，活塞的输出功等于平均恒力和行程的乘积，即W=F.S，这一过程中，曲柄旋转了180°，活塞的行程等于曲轴的旋转角弧度，即S=θ=π，如果不存在能量的损失，F.S=T.θ，因S=θ，力与转矩相等F=T，则将力转变为转矩的过程是按正弦规律变化的，F.Sinθ=T。活塞在行程过程的上止点、下止点转矩均为零，在行程中点的转矩最大为F，曲轴在旋转180°的过程中，其转矩由小到大、从大到小的变化，取其平均输出功为最大转矩和最小转矩的二分之一，即T=F/2，由此可知曲轴的输出功为活塞输出功的50%。无论活塞连杆发动机如何先进，其转换性质无法改变，能量利用率始终不会超过50%。

汽轮机是在非密封状态下工作的，靠高压蒸汽流对涡轮产生的侧推力而旋转，涡轮转轴的输出功只是高压蒸汽流能量利用的一部分，因此，涡轮机的能量转换率不如活塞连杆发动机。

对于水力发电厂的水轮机，反击式水轮机的转轮靠水流的反冲力产生的转矩旋转，反冲出去的水流所具有的动能就是损失的能量，因此，水轮机同样存在能量泄漏大，能量转换率低的缺陷。

在能量转换机械中，电动机的能量转换率高达90%，其原因是：一是电磁力靠空间传递，不存在实物连接所产生的机械损失；二是作用于转子的电磁力是纯切向力，不存在力的分解损失，只有10%左右的电能转换为热能消耗，其余均转换为机械能。汽压动力机的发明理念吸取了电动机能量转换率高的特点，放弃了传递能量损失大的连杆机构，改变了汽轮机，水轮机能量泄漏大的缺陷，这就是汽压动力机的发明创新点。

发明内容

本发明为了能广泛、高效地转换利用已知自然能源，进而提供了一种配备风能转换系统的汽压动力机。

本发明采用如下技术方案：

一种配备风能转换系统的汽压动力机，包括通过管路依次连接的风车、空气压缩机、高压罐组、低压驱动罐和汽压动力机，汽压动力机的输出端连接工作机组，高压罐组和低压驱动罐之间的管路为高压管道，汽压动力机和低压驱动罐之间的管路为低压管道，所述与低压驱动罐连接的高压管道处设有气压自动控制阀，低压管道上设有节速阀。

所述的汽压动力机包括机体以及通过轴承、前轴承盖和后轴承盖安装于机体内的叠合三叶旋转轴，叠合三叶旋转轴包括主轴和若干三叶轮，各三叶轮均匀的交错安装于主轴上，主轴的一端连接有节速器，节速器通过油管与节速阀连接，主轴的另一端作为输出端与工作机组连接；

所述机体上开有进气窗口和排气窗口，进气窗口通过进气窗盖外接进气管，进气管与低压管道连接，排气窗口通过排气窗盖外接排气管。

所述三叶轮的数量不少于三个，且三叶轮之间设有间隔盘，靠近主轴（65）两端的三叶轮外端面设有密封盘。

所述三叶轮的叶片最大直径处外缘开有沿轴线方向的通长密封槽。

所述密封盘和间隔盘的外缘均开有密封环槽，密封环槽内安装密封件。

所述的机体内壁设有通长的衬套，衬套上开有若干进气口和排气口。

所述的节速器包括离心旋转机构、推力轴承、轴承座以及由活塞和油杯组成的伸缩机构，活塞上绕接有回位弹簧，油杯与油管连接，推力轴承安装于轴承座上，推力轴承径向方向通过卡爪固定；

所述的离心旋转机构包括主动盘以及对称安装于主动盘上的两组飞锤机构，飞锤机构通过销轴与主动盘的一端面铰接，飞锤机构包括压爪和飞锤，压爪朝向主动盘圆心安装，飞锤背离主动盘圆心安装，主动盘的另一端面与主轴连接；

所述推力轴承的两个端面分别与活塞和压爪接触。

所述的节速器外围设有罩体和盖板。

所述高压罐组内的压力是低压驱动罐内压力的整数倍。

本发明具有如下有益效果：

1、该系统可以将不稳定的、不可控的气流等自然能源所具有的动能转换为稳定的、可控的势能并进行大量储存供给汽压动力机，再输出供给工作机组使用，有利于对自然能的开发利用；

2、节速器和节速阀的联合作用，可以实现对汽压动力机输入气量气压的自控，使工作机组能稳定匀速运转，系统的稳定性高；

3、汽压动力机对风能等自然能源的转化利用达到80%以上，与传统的活塞连杆发动相比，收集利用自然能源的效果更佳，产出比值高，且汽压动力机的密封效果好，解决了汽轮机、水轮机能量泄漏大的缺陷；

4、本发明所述的汽压动力机可采用风能、太阳能、液压能等自然能源作为输入能源，使用范围广；

5、将燃气、甲醇等燃料设备与汽压动力机整合，可用于车、船等移动设备，结构紧凑，运送使用方便；

6、该系统的制作方式和操作方式简单，为自动控制，人工投入少，投资成本低，尤其利于在风能等资源充足的偏僻地区推广使用。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2、3、4分别为汽压动力机（5）的主视图、俯视图、侧视图；

图5、图5a为图2的局部剖视图；

图6、图6a为图4的局部剖视图；

图7为衬套（62）的结构示意图；

图8为三叶轮（63）和主轴（65）的组装示意图；

图9、9a为三叶轮（63）的主视图和侧视图；

图10为间隔盘（69）的结构示意图；

图11为密封盘（68）的结构示意图；

图12为进气窗盖和排气窗盖的主视图；

图13为进气窗盖和排气窗盖的侧视图；

图14为低压驱动罐（4）和汽压动力机（5）的局部连接示意图；

图15为节速器（52）的结构示意图；

图中：1-风车、2-空气压缩机、3-高压罐组、4-低压驱动罐（恒压罐）、5-汽压动力机、6-工作机组、7-高压管道、8-节速阀、9-低压管道、10-气压自动控制阀；

51-油管、52-节速器、53-前轴承盖、54-进气窗口、55-机体、56-后轴承盖、57-进气窗盖、58-进气管、59-排气管、60-排气窗盖、61-排气窗口、62-衬套、63-三叶轮、64-轴承、65-主轴、66-进气口、67-排气口、68-密封盘、69-间隔盘、70-轴孔、71-密封槽、72-密封环槽；

101-盖板、102-油杯、103-活塞、104-回位弹簧、105-罩体、106-主动盘、107-卡爪、108-推力轴承、109-压爪、110-轴承座、111-飞锤。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示的配备风能转换系统的汽压动力机，包括通过管路依次连接的风车1、空气压缩机2、高压罐组3、低压驱动罐4和汽压动力机5，汽压动力机5的输出端连接工作机组6，高压罐组3和低压驱动罐4之间的管路为高压管道7，汽压动力机5和低压驱动罐4之间的管路为低压管道9，所述与低压驱动罐4连接的高压管道7处设有气压自动控制阀10，低压管道9上设有节速阀8。

风车1与空气压缩机2是由齿轮机构相连，风力推动齿轮机构旋转，齿轮机构带动空气压缩机2工作，使压缩空气由管道注入高压罐组3。

高压罐组3主要起两方面作用：一是能量的储存；二是均衡的作用。因风力不固定，往往会一阵大一阵小，由齿轮机构带动空气压缩机的空气压缩量也是一阵大一阵小的，而这不稳定的气流注入高压罐组内后，高压罐内的气压值体现的是总体时间的空气压缩量，与某个时间点的空气压缩量的大小无关。当某高压罐内气压达到规定数值时，关闭相应的充气阀门再打开另外一个高压罐的充气阀门充气，从而将不稳定的空气动能转化为稳定的势能储存起来，达到“储存”和“均衡”的目的。

低压驱动罐4（恒压罐）的容量和气压值均比高压罐组3小很多，高压罐组3内气体压力P_g是低压驱动罐4内气体压力P_d的整数倍，即P_g=nP_d。低压驱动罐4的输入端与高压罐组3通过高压管道7连接，在高压管道7与低压驱动罐4的连接处安装有气压自动控制阀10，该阀门受低压驱动罐4内气压的控制，起恒压作用。

由图2、3、4所示的三视图和图5、5a、6、6a所示的剖视图可知，所述的汽压动力机5包括机体55以及通过轴承64、前轴承盖53和后轴承盖56安装于机体55内的叠合三叶旋转轴，叠合三叶旋转轴包括主轴65和若干三叶轮63，各三叶轮63均匀的交错安装于主轴65上，主轴65的一端连接有节速器52，节速器52通过油管51与节速阀8连接，主轴65的另一端作为输出端与工作机组6连接。

所述机体55上开有进气窗口54和排气窗口61，进气窗口54通过进气窗盖57外接进气管58，进气管58与低压管道9连接，排气窗口61通过排气窗盖60外接排气管59。进气窗盖和排气窗盖的结构如图12、13所示，其连接端倾斜设计，时其能与机体紧密配合连接。

三叶轮63的数量不少于三个，相互之间等角度交错安装，交错角度为120°/n（n为三叶轮的数量），各三叶轮交错安装后可使机体内的气量均匀，工作平稳，同时减少了噪音。三叶轮的结构如图9、9a所示，在三叶轮63的叶片最大直径处外缘开有沿轴线方向的通长密封槽71，在密封槽71内安装密封件后，密封件与衬套62接触密封。

如图10、11所示，三叶轮63之间设置的间隔盘69起间隔密封气量的作用，间隔盘69和靠近主轴65两端的密封盘68的外缘均开有密封环槽72，在密封环槽内安装密封件与衬套62接触密封，能有效防止机体内气量的泄漏。

如图7所示，机体55内壁设有通长的衬套62，衬套62上开有若干进气口66和排气口67，进气口66和排气口67的开口尺寸小于机体55上的进气窗口54和排气窗口61的开口尺寸，可有效降低对三叶轮密封槽71内的密封件的磨损。

如图15所示，所述的节速器52包括离心旋转机构、推力轴承108、轴承座110以及由活塞103和油杯102组成的伸缩机构，活塞103上绕接有回位弹簧104，油杯102与油管51连接，推力轴承108安装于轴承座110上，推力轴承108径向方向通过卡爪107固定。

所述的离心旋转机构包括主动盘106以及对称安装于主动盘106上的两组飞锤机构，飞锤机构通过销轴与主动盘106的一端面铰接，飞锤机构包括压爪109和飞锤111，压爪109和飞锤111为一体结构，压爪109朝向主动盘106圆心安装，飞锤111背离主动盘106圆心安装，主动盘106的另一端面与主轴65连接；所述推力轴承108的两个端面分别与活塞103和压爪109接触。

为了防尘和防止漏油，在节速器52外围设有罩体105和盖板101。

本发明的具体工作过程为：

根据工作机组6的需要，换算得出汽压动力机5所需的输入气体压力，即低压驱动罐4（恒压罐）的理论压力值Pd，进而知高压罐组3内的储存气压Pg=nPd，n为大于等于2的整数。

首先，通过风车1、空气压缩机2将自然风压缩收集储存于高压罐组3内，高压罐组3内的压力为Pg，再分存至恒压罐4内，恒压罐4内的压力为Pd；

然后将低压驱动罐4（恒压罐）内的气体通过低压管道9、进气管58经进气窗口54输入至汽压动力机5的机体55内，带动主轴65和三叶轮63旋转，从而带动与主轴65输出端连接的工作机组6工作。

随着气体的不断输入，主轴65的转速会增加，为了给工作机组6提供稳定的动能，使工作机组匀速工作，因此需要节速器52与节速阀8配合稳定汽压动力机5的输入气量，其具体原理为：随着气体的输入，主轴65的转速增加，则与主轴65连接的主动盘106转速也增加，飞锤111因其离心力加大绕销轴旋转，使压爪109上翘推动推力轴承108压缩活塞103，在活塞103的作用下，油杯102内的油经油管51进入节速阀8压缩其弹簧使节速阀8的齿轮开度减小（齿轮的常开角度为最大值），则汽压动力机5的输入风量减小，主轴65的转速回降使飞锤111和压爪109重新处于平衡位置，活塞103也在回位弹簧104的作用下复位，则节速阀8的齿轮重新处于常开角度，稳定汽压动力机5的输入风量。通过节速器52与节速阀8的配合使汽压动力机5得到一个恒压稳定气流，以稳定转速带动工作机组运转。

该系统工作过程中，随着时间的延续，低压驱动罐4内的气压值会降低，这时，低压驱动罐4上的气压自动控制阀10就会自动打开，使高压罐内的气流进入低压驱动罐4内以补充所消耗的气体，则低压驱动罐4内的气压值有升高，达到规定值后气压自动控制阀10自动关闭，完成补给恒压过程。

这样，虽然汽压动力机在不停地消耗压缩空气，但在气压自动控制阀的调节作用下，高压罐不停地向低压罐补充所耗气体，使低压驱动罐的气压值保持在一个规定范围内；同时联同节速器、节速阀供气量的调节作用，使汽压动力机得到一个恒压稳定的气流带动工作机组稳定转动工作。当某高压罐的气压值与低压驱动罐的气压值相等时，关闭该高压罐的放气阀门，打开另一个高压罐与低压驱动罐的连通阀门接替工作，使在该系统高压罐组的作用下能持续运转。

本发明是将压缩空气、水蒸气、燃烧膨胀汽体、液体等在机体空间内产生的压力直接转变为转矩，相当于将活塞直接安装在动力输出轴上，由于三叶旋转轴与机体之间采取了全密封，相当于安装了活塞环，既挽回了活塞连杆转换机构的能量损失，又改变了汽轮机、水轮机能量泄漏大的缺陷。

在机体的密闭空间内，能量是靠汽体、液体传递的。作用于三叶旋转轴产生的转矩如同电磁力作用于转子所产生的转矩，其能量转换率高于80%，接近电动机的能量转换率。

本发明中的能源存储设备和汽压动力机是分开固定设置的，因此适用于发电厂或其它特殊场合。

图1所示的转换系统是利用风能，主要用于风力发电厂，本发明所述的汽压动力机还可利用液压能、太阳能等能源。例如，若用于火力发电厂，直接取代原汽轮机，将蒸汽设备由管道、控制阀门与汽压动力机连接即可；若用于水利发电厂，因其设备和原理简单，直接取代原水轮机，在水位差与汽压动力机之间安装管道和控制阀门即可。

如果用于太阳能发电，可采用供热原理的反作用，其基本过程为：

供热设备程序：集中取能分散利用，锅炉由燃料取得热能，再由载热液体经管道分散输送至众多的散热器使用。

太阳能设备程序：分散取能集中利用，由众多的热转换器分散取得热能，有载热液体经管道集中输送至锅炉利用，其中锅炉由管道与本发明所述的汽压动力机对接。

若使用燃气、甲醇等能源，可制成小型整体移动式汽压动力机，即将燃料设备和汽压动力机整合，使其外形变化，但仍采用本发明所述的汽压动力机原理，此类整合设备可运用于车、船等移动装置中。

本发明中未作特殊说明的结构或部件均为现有技术。

Claims (8)

1.一种配备风能转换系统的汽压动力机，所述的转换系统包括通过管路依次连接的风车（1）、空气压缩机（2）、高压罐组（3）、低压驱动罐（4）和汽压动力机（5），汽压动力机（5）的输出端连接工作机组（6），高压罐组（3）和低压驱动罐（4）之间的管路为高压管道（7），汽压动力机（5）和低压驱动罐（4）之间的管路为低压管道（9），所述与低压驱动罐（4）连接的高压管道（7）处设有气压自动控制阀（10），低压管道（9）上设有节速阀（8），其特征在于：所述的汽压动力机（5）包括机体（55）以及通过轴承（64）、前轴承盖（53）和后轴承盖（56）安装于机体（55）内的叠合三叶旋转轴，叠合三叶旋转轴包括主轴（65）和若干三叶轮（63），各三叶轮（63）均匀的交错安装于主轴（65）上，主轴（65）的一端连接有节速器（52），节速器（52）通过油管（51）与节速阀（8）连接，主轴（65）的另一端作为输出端与工作机组（6）连接；

所述机体（55）上开有进气窗口（54）和排气窗口（61），进气窗口（54）通过进气窗盖（57）外接进气管（58），进气管（58）与低压管道（9）连接，排气窗口（61）通过排气窗盖（60）外接排气管（59）。

2.根据权利要求1所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述三叶轮（63）的数量不少于三个，且三叶轮（63）之间设有间隔盘（69），靠近主轴（65）两端的三叶轮（63）外端面设有密封盘（68）。

3.根据权利要求2所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述三叶轮（63）的叶片最大直径处外缘开有沿轴线方向的通长密封槽（71）。

4.根据权利要求2所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述密封盘（68）和间隔盘（69）的外缘均开有密封环槽（72），密封环槽（72）内安装密封件。

5.根据权利要求1所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述的机体（55）内壁设有通长的衬套（62），衬套（62）上开有若干进气口（66）和排气口（67）。

6.根据权利要求1所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述的节速器（52）包括离心旋转机构、推力轴承（108）、轴承座（110）以及由活塞（103）和油杯（102）组成的伸缩机构，活塞（103）上绕接有回位弹簧（104），油杯（102）与油管（51）连接，推力轴承（108）安装于轴承座（110）上，推力轴承（108）径向方向通过卡爪（107）固定；

所述的离心旋转机构包括主动盘（106）以及对称安装于主动盘（106）上的两组飞锤机构，飞锤机构通过销轴与主动盘（106）的一端面铰接，飞锤机构包括压爪（109）和飞锤（111），压爪（109）朝向主动盘（106）圆心安装，飞锤（111）背离主动盘（106）圆心安装，主动盘（106）的另一端面与主轴（65）连接；

所述推力轴承（108）的两个端面分别与活塞（103）和压爪（109）接触。

7.根据权利要求6所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述的节速器（52）外围设有罩体（105）和盖板（101）。

8.根据权利要求1所述的配备风能转换系统的汽压动力机，其特征在于：所述高压罐组（3）内的压力是低压驱动罐（4）内压力的整数倍。