CN111749834A - 一种可发电的控制阀及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可发电的控制阀及使用方法，解决了现有技术中控制阀仅能通过太阳能供电，而出现供电不足的问题，具有能够将阀体产生的机械能和风能转化为电能的有益效果，具体方案如下：一种可发电的控制阀，包括阀体和执行机构，阀体具有进口和出口，在阀体流入流道内安装有第一叶轮，第一叶轮通过第一轴进行安装，第一轴穿过阀体且第一轴与发电装置连接，在阀体外侧设有第二叶轮，第二叶轮通过第二轴与所述的发电装置连接，发电装置与执行机构连接。

Description

一种可发电的控制阀及使用方法
技术领域
本发明涉及控制阀技术领域，尤其是一种可发电的控制阀及使用方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
控制阀广泛应用于各种流体控制场合，如西气东输工程、南水北调工程、以及国际间的石油、天然气输送等。具有自动控制功能的控制阀的执行机构类型主要有电动驱动、气动驱动、电液驱动，维持这类控制阀正常工作的前提条件是需源源不断向其提供电能。但是，在某些区域，控制阀所处区域远离电网，为控制阀额外布设电缆成本太高。目前，对于此种情况下的控制阀，发明人发现，主要通过太阳能发电解决。然而，有些特殊区域的雨季漫长，太阳能无法正常为控制阀提供足够的电能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可发电的控制阀，能够利用阀内的流体为执行机构供电，从而辅助太阳能向控制阀进行供电。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种可发电的控制阀，包括阀体和执行机构，阀体具有进口和出口，在阀体流入流道内安装有第一叶轮，第一叶轮通过第一轴进行安装，第一轴穿过阀体且第一轴与发电装置连接，在阀体外侧设有第二叶轮，第二叶轮与所述的发电装置连接，发电装置与执行机构连接。
现有技术中执行机构通过太阳能供电，以驱动控制阀的通断，通过第一叶轮安装于阀体内，在流体经过第一叶轮时，通过发电装置产生电能，并用于对执行机构供电，辅助太阳能供电；通过第二叶轮，相当于利用风能，即使控制阀内无流体通过时也能够通过风能发电，风能和水能相互配合，保证对控制阀的供电。
其中，第一主动轮、第一从动轮、第二主动轮和第二从动轮为传动机构，用于发电装置与第一叶轮、第二叶轮的连接。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述第二叶轮通过第二轴与所述发电装置连接，两个所述的从动轮共同通过第三轴与所述的发电装置连接，使得两个主动轮同时顺时针转动时力矩叠加，提高电能储存效果。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述第一轴与第一主动轮连接，所述第二轴与第二主动轮连接，第一主动轮带动第一从动轮的运动，第二主动轮带动第二从动轮的运动，两个从动轮均为内棘轮机构，这样当两个从动轮在转向不一致时，能够保持相互独立，互不影响。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述第一叶轮安装于所述阀体流入流道的末端。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述流入流道为流线型，降低流体流阻，使流速变化平缓，流入流道在所述第一叶轮设置处呈喇叭口状，且第一叶轮所在位置为流入流道截面积最小处，这样第一叶轮位置处流体流速最大，从而增大水轮转矩，提高发电效率；
为保证第一叶轮处的流体流速，阀体进口所在位置为流入流道截面积最大处，且流入流道截面积最大处的截面积与截面积最小处的截面积之比大于2。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述流入流道纵向剖面的两侧分别通过抛物线+椭圆拟合而成。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述第一叶轮包括多个叶片，叶片为鲸鱼仿生叶片，每一叶片与所述第一轴连接一侧的宽度大于叶片另一侧的宽度，鲸鱼具有流线型形体，游动时靠尾鳍上下摆动产生推力，水动力性能较好，鲸鱼仿生叶片能有效减小流体对其产生的阻力，保证流体对其产生的推力，有利于提高发电效率。
如上所述的一种可发电的控制阀，所述发电装置还与蓄电机构连接，发电装置还与监控设备连接，用于对监控设备进行供电。
第二方面，本发明还提供了一种可发电的控制阀的使用方法，流体通过阀体进口进入流入通道，流体经过第一叶轮所在位置时驱动第一叶轮转动，第一叶轮带动第一轴转动，第二叶轮带动第二轴转动，第一叶轮和第二叶轮进而通过发电装置将机械能和风能转化为电能，并向执行机构供电。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过第一叶轮安装于阀体内，在流体经过第一叶轮时，推动第一叶轮转动，并由第一轴和传动机构与发电装置连接，通过发电装置产生电能，将第一叶轮的机械能转化为电能，并用于对执行机构供电，辅助太阳能供电，满足控制阀的用电需求。
2)本发明通过第二叶轮设于阀体的外侧，第二叶轮通过风力转动，并通过第二轴和传动机构与发电装置连接，这样风能和水能相互配合，保证对控制阀的供电。
3)本发明通过将流入流道设置为流线型，降低流体流阻，使流速变化平缓，流入流道在第一叶轮设置处呈喇叭口状，且第一叶轮所在位置为流入流道截面积最小处，这样第一叶轮位置处流体流速最大，从而增大水轮转矩，提高发电效率。
4)本发明通过将第一叶轮中的叶片设置为鲸鱼仿生叶片，能有效减小流体对其产生的阻力，保证流体对其产生的推力，有利于进一步提高发电效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种可发电的控制阀的结构原理图。
图2是本发明根据一个或多个实施方式的传动机构示意图。
图3是本发明根据一个或多个实施方式的第一叶轮形态演变图。
图4是本发明根据一个或多个实施方式的第一叶轮叶素分布图。
图5是本发明根据一个或多个实施方式的第一叶轮的俯视图。
图6是本发明根据一个或多个实施方式的流入流道的剖视图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1、执行机构，2、阀体，3、第一叶轮，4、流入流道，5、轴承、6、第一从动轮，7、第二从动轮，8、第一主动轮,9、第二主动轮，10、第一链条，11、第二链条，12、第一圆锥齿轮，13、发电机，14、电容元件，15、第二圆锥齿轮，16、第二叶轮。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术部分控制阀因远离电网，只能通过太阳能发电的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可发电的控制阀。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1和图2所示，一种可发电的控制阀，包括阀体2和执行机构，阀体2具有进口和出口，在阀体2流入流道4内安装有第一叶轮3，第一叶轮3通过第一轴进行安装，第一轴穿过阀体2且第一轴与发电装置连接，发电装置与执行机构连接；第二叶轮16布置于阀体2的外侧，且第二叶轮16通过第二轴与发电装置连接。
原理解释如下：第一叶轮3和第二叶轮16各自为叶轮，叶轮平均分布有多个叶片，当叶轮处于流场之中时，水或者风作用在叶片的力会分解出垂直于中心轴的推力，从而驱动叶片旋转收集水能或者风能。叶片带动中心轴旋转，通过传动机构带动发电机转子旋转，产生电能。
传动机构连接叶轮与发电装置，将叶轮的机械能传递给发电装置，本实施例中，发电装置为发电机。
需要解释的是，本实施例中第一叶轮3安装于控制阀内，控制阀内可流通流体，流体可为水，控制阀的阀杆通过执行机构如电机进行驱动，控制阀包括阀体2，阀体2具有进口和出口，阀体2在阀座处安装第一叶轮3，本实施例将第一叶轮3通过第一轴安装于流入流道4的末端，对流入流道和阀体做了适应调整，其他结构均可采用现有构造，且从阀体进口到阀座处为流入流道，从阀座至阀体出口为流出流道。
参考图1所示，当流体从控制阀的进口流入时，通过流入流道4和流出流道流动，驱动第一叶轮3的叶片转动，第一叶轮叶片带动与其相连接的第一轴转动，将流体的动能转化为机械能，为了实现发电，第一轴穿过阀体，且与阀体之间通过轴承5配合。同样，第二叶轮16叶片在受到风的驱动力时，也会带动与其相连接的第二轴转动，第一轴和第二轴相互平行，第二轴长度长于第一轴的长度，第二轴通过一对啮合的第二圆锥齿轮15将水平轴转动转换为竖直轴转动，将风能转化为机械能。
进一步，为了保证在第一轴转动状态下，阀体内部的流体不外泄，同时阀体2外部的污染物不进入阀体2内部，使用旋转轴唇形密封圈对其密封，旋转轴唇形密封圈密封性能好、结构简单、易于安装拆卸。当控制阀在低速低压工况时，旋转轴唇形密封圈可选用橡胶作为主材料；当控制阀在高速高压工况时，可选用橡胶和改性PTFE(聚四氟乙烯)材料组合提高密封性能，将旋转轴唇形密封圈安装于轴承5部位，与第一轴产生相对运动。
另外，为了方便整体的安装，第二从动轮7相对于第一从动轮6靠近第一圆锥齿轮12设置。
其中，传动机构包括通过第一链条10连接的第一主动轮和第一从动轮、通过第二链条11连接的第二主动轮和第二从动轮，第一轴和第二轴分别带动同其相连接的第一主动轮8和第二主动轮9转动，进而带动相应从动轮的各自运动。
参考图2所示，第一主动轮8通过第一轴与第一叶轮3相连接，第二主动轮9通过第二轴与第二叶轮16相连接，两个主动轮通过链条传动分别带动第一从动轮6和第二从动轮7转动，从动轮为内啮合棘轮机构，可保证两个从动轮在转向不一致时保持相对独立，圆锥齿轮可以改变传动方向，两个从动轮共同与第三轴连接，使得两个主动轮同时顺时针转动时力矩叠加。
当第一主动轮8顺时针转动，第二主动轮9不转动时，第一主动轮8带动第一从动轮6外轮顺时针转动，从而带动第一从动轮内轮转动。第一从动轮6内轮通过第三轴带动第二从动轮7内轮转动，由于内棘轮的单向传动作用，第二从动轮7的内轮不会带动外轮转动，避免其带动第二叶轮16转动成为负载；同理，当第二主动轮9顺时针转动，第一主动轮8不转动时亦然；当两个主动轮同时顺时针转动时，力矩叠加；当主动轮逆时针转动时，从动轮处于空转状态。
两个从动轮通过第三轴端部与一对啮合的第一圆锥齿轮12相连接，将竖直轴转动转换为水平轴转动，第一圆锥齿轮12通过第四轴与发电机13的转子相连接，将机械能转化为电能。发电机13的供电线路一路与控制阀的执行机构1连接，保证执行机构供电需求；另一路与蓄电机构连接，蓄电机构包括电容元件14，储存电能，可以为外部用电器供电。
鲸鱼具有流线型形体，可以减少在水中游动时的阻力，水动力性能较好。本发明将鲸鱼流线型生物结构特征拟合到仿生叶片上，参考图3所示，提取鲸鱼轮廓曲线进行形态推演重构，轮廓0为叶片总体外轮廓，轮廓1-14为叶片叶素(叶素是指将叶片沿展向分成的许多微段)轮廓，叶片按照叶素从前到后逐渐变小、尾部逐渐放平、与水平面夹角逐渐变大的规律积叠而成，模仿鲸鱼摆尾游动的状态。
参考图5所示，第一叶轮3由三个叶片环形阵列设置于转轴，第一轴转向与流体流向垂直。每一叶片与第一轴连接一侧的宽度大于叶片另一侧的宽度，这样叶片靠近第一轴的部分即叶片的前端部分受力面积较大，是产生升力的主要部位，升力使得第一叶轮绕第一轴旋转，叶片仿鲸鱼尾部摆动的弯曲结构可使叶片具有较高的升力系数。
图4为叶片叶素的具体分布示意图。叶片从靠近转轴的一端起至另一端，叶素的长度逐渐减小，叶素的长度即为叶片长度，第n段叶素长度为第n-1段叶素长度的70％-95％，n大于等于2，具体地，叶素分为14段，从叶片的内侧起，叶素1-4长度较大，每一个叶素与上一个叶素长度比值大于95％，叶素5-14长度逐渐缩小，每一个叶素与上一个叶素长度比值为75％-85％，叶素5和叶素4长度比值为85％-90％；而且，叶片从靠近转轴的一端起至另一端，叶素相对于水平线的夹角逐步递增。
参考图6所示，阀体进口至第一叶轮3之间的流入流道设计成流线型，流线型流入流道转折处平缓过渡，可以降低流体流阻，使流速变化平缓，增加流通能力。第一叶轮3处流入流道4呈喇叭口状，第一叶轮3处于流入流道截面积最小的位置，根据连续性方程S1v1＝S2v2，第一叶轮3处流体流速最大，从而增大第一叶轮3转矩，提高发电效率。这样阀体进口4-3为流入流道4截面积最大处，截面积为S1，第一叶轮所在位置4-4为流入流道4截面积最小处，截面积为S2，S1/S2≈2.7。
在图6所示坐标系中，流入流道4剖面的两侧分别通过抛物线+椭圆拟合而成。在流入流道第一曲线4-1上依次取8个点C1-C8，C1为控制阀进油口的点，C3C5C7为流入流道曲线曲率变化较为明显处的点，3点确定一条抛物线方程，C1C2C3表示的抛物线和C3C4C5表示的抛物线在点C3处连续，C3C4C5表示的抛物线和C5C6C7表示的抛物线在点C5处连续。喇叭口状流入流道4表示为1/4椭圆，C7C8为该椭圆的顶点，靠近阀座处，C5C6C7表示的抛物线和C7C8表示的椭圆在点C7处连续。
流入流道第二曲线4-2(曲线4-1和曲线4-2同为流道剖面曲线)采用同样的方法表达，D1-D7表示为抛物线，D8D9表示为椭圆，与C7C8表示的椭圆关于阀杆对称，D5D6D7表示的抛物线和D8D9表示的椭圆通过D7D8表示的椭圆平滑过渡连接。流入流道剖面曲线具体方程如表1所示。
表1
Figure BDA0002569195560000071
Figure BDA0002569195560000081
此外，本实施例还公开了一种可发电的控制阀的使用方法，流体通过阀体进口进入流入通道，流体经过第一叶轮所在位置时驱动第一叶轮转动，第一叶轮带动第一轴转动，第二叶轮带动第二轴转动，第一叶轮和第二叶轮进而通过发电装置将机械能和风能转化为电能，并向执行机构供电。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可发电的控制阀，其特征在于，包括阀体和执行机构，阀体具有进口和出口，在阀体流入流道内安装有第一叶轮，第一叶轮通过第一轴进行安装，第一轴穿过阀体且第一轴与发电装置连接，在阀体外侧设有第二叶轮，第二叶轮与所述的发电装置连接，发电装置与执行机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述第二叶轮通过第二轴与所述发电装置连接，两个所述的从动轮共同通过第三轴与所述的发电装置连接。
3.根据权利要求2所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述第一轴与第一主动轮连接，所述第二轴与第二主动轮连接，第一主动轮带动第一从动轮的运动，第二主动轮带动第二从动轮的运动，两个从动轮均为内棘轮机构。
4.根据权利要求1或2所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述第一叶轮安装于所述阀体流入流道的末端。
5.根据权利要求1或2所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述流入流道为流线型，流入流道在所述第一叶轮设置处呈喇叭口状，且第一叶轮所在位置为流入流道截面积最小处。
6.根据权利要求5所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述阀体进口所在位置为流入流道截面积最大处，流入流道截面积最大处的截面积与截面积最小处的截面积之比大于2。
7.根据权利要求1所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述流入流道纵向剖面的两侧分别通过抛物线+椭圆拟合而成。
8.根据权利要求1或2所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述第一叶轮包括多个叶片，叶片为鲸鱼仿生叶片，每一叶片与所述第一轴连接一侧的宽度大于叶片另一侧的宽度。
9.根据权利要求5所述的一种可发电的控制阀，其特征在于，所述发电装置还与蓄电机构连接，发电装置还与监控设备连接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种可发电的控制阀的使用方法，其特征在于，流体通过阀体进口进入流入通道，流体经过第一叶轮所在位置时驱动第一叶轮转动，第一叶轮带动第一轴转动，第二叶轮带动第二轴转动，第一叶轮和第二叶轮进而通过发电装置将机械能和风能转化为电能，并向执行机构供电。
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