CN112377367A - 冷却塔的多动力混合驱动机构及其自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却塔的多动力混合驱动机构，其包括螺旋形风力叶片、风机、水轮机；所述的螺旋形风力叶片、风机、水轮机，三者传动轴的轴心线均处在同一条垂线上；所述的螺旋形风力叶片和水轮机输出的机械能，叠加后同时输出给风机，驱动风机工作。本发明还公开的所述驱动机构的自动控制方法，其包括如下步骤：(1)设置PLC控制器、温度传感器、转速传感器；(2)在PLC控制器内置水温T与风机功率P变化量对照函数，并根据该函数自动运算、调整电动发电机的工作状态及输出/输入功率，使风机与水轮机、螺旋形风叶、电动发电机的功率自动保持动态平衡：ΔT_水温∝ΔP_风机ΔP_风机＝ΔP_风叶+P_水轮机±ΔP_{电动发电机}；使水能、风能得到最佳利用。

Description

冷却塔的多动力混合驱动机构及其自动控制方法

本申请是分案申请，原申请的申请号是201610885092.5，申请日为2016年10月10日，发明名称为“冷却塔的多动力混合驱动机构及其自动控制方法”。

技术领域

本发明涉及中央空调节能和清洁能源利用技术领域，尤其涉及一种冷却塔的多动力混合驱动机构及其自动控制方法。

背景技术

冷却塔是中央空调系统的重要组成部分，它的作用是使在中央空调系统中不断循环的冷却水得到冷却，从而达到规定的温度要求。传统的冷却塔驱动风机的方式有电机直接驱动或者电机通过减速机构后驱动、水轮机驱动以及电机与水轮机混合驱动等驱动方式。

在实际应用中，为了保证冷却水系统中的冷却水循环流量要求，电机驱动的冷却塔所匹配水泵的实际扬程，一般高于冷却塔实际所需要的扬程30％以上，造成了富余扬程的浪费。

目前也有使用水轮机驱动或电机与水轮机混合驱动的冷却塔回收水泵扬程部分富余能量作为风机的驱动力的设计，如中国发明专利申请201310191720.6公开的一种有辅助电机的节能型冷却塔，为了保证系统控温的恒定性，使冷却水达到规定的降温要求，仍需依靠电机作为辅助驱动力，以确保风机有足够的驱动力。

目前，也有使用风力作为混合驱动力的冷却塔，如中国发明专利申请201510720908.4公开的一种垂直轴风力转动机与电机结合驱动的冷却塔，其采用了螺旋形风叶与备用电机结合驱动的结构及控制方法。

上述两种结构及方法，均需要设置和使用备用电机和齿轮变速装置，以保证在风能或水能不足的情况下，使用电机保证风机的转速足够，实践中主要消耗的还是电能，其整体结构较为复杂且节能效果受到一定的限制，在实际运行中的维护维修成本上升较多。

由于中央空调的冷却塔，一般都是设置在高层建筑的顶部，或其他位置开阔的位置，这些地方均是外部通风效果好、自然界风能较丰富的地方。因此，对于水能及风能最大限度回收和叠加利用，就成为降低冷却塔综合能耗的关键因素之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种节能冷却塔的多动力混合驱动机构，省去传统的备用电机、齿轮变速装置，简化整体结构、提升传动效率，并使运行中的维护维修成本降低；使用水轮机回收富余的水能，使用螺旋形风叶捕获风能，并整体上优先使用水能、风能，使其主要消耗的是回收的富余水能、风能等清洁能源，从而提高设备综合节能效果。

本发明要解决的技术问题之一在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种节能冷却塔的多动力混合驱动机构，采用新型传动结构，使各段传动轴的轴心处于同一垂直线上，且直接联接，传动效率高、整体结构大幅简化；通过变速轴承增大螺旋形风叶主轴输出的转速，使其转速在多数情况下均高于水轮机输出的转速，从而使螺旋形风叶输出的扭矩、水轮机输出的扭矩，叠加后输出给风机，使二者都得到充分的利用。

本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种上述多动力混合驱动机构的自动控制方法，将富余水能、风能直接转换为机械能，并能够根据风能的大小自动调节其输出的转速，使其在多数情况下输出的转速大于水轮机输出的转速，使二者的机械能能够得到有效的叠加，然后整体输出给风机，解决因风能不稳定、传统方式下风能利用率低的问题。

作为本发明的改进，本发明还提供一种综合利用水能、风能和电能的冷却塔驱动机构，增设一电动发电机，使其以风力和水轮机驱动为主，在风力足够大的时候利用电动发电机发电并储存起来，并在风能+水能不足的时候补充驱动风机，降低系统整体上对于电能的能耗，提高对于清洁能源的利用效率。

因此，本发明还提供了以水能驱动为最优先级、以风能为次优先级、以电能为普通级的能源消耗的驱动机构和自动控制方法，可以优先利用及动态调整回收的富余水能、风能，降低系统整体上对于外部电能的消耗，提高对于水能、风能的综合利用效率，并且保证冷却塔的运行效果。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，包括：

一设置在所述多动力混合的节能冷却塔驱动机构上端用于捕获风能并将其转换成机械能驱动所述风机的螺旋形风力叶片；

一把冷却塔内部的空气抽到外部、使冷却塔内形成负压并降温的风机；

一回收冷却塔水泵所提供水流压力富余能量、并将其转换成机械能驱动所述风机的水轮机；

所述的螺旋形风力叶片、风机、水轮机，三者传动轴的轴心线均处在同一条垂线上；

所述的螺旋形风力叶片和水轮机输出的机械能，叠加后同时输出给风机，驱动风机工作。

所述的传动轴包括螺旋形风力叶片主轴和风机主轴两段，其中所述的螺旋形风力叶片主轴上段穿设在螺旋形风力叶片上，其下段通过一超越离合器与所述的风机主轴的上段联接；所述的风机主轴下段穿设在水轮机及风机内。

所述的螺旋形风力叶片与风力叶片主轴之间设有变速轴承，该变速轴承设有内圈、中圈和外圈，且该变速轴承的中圈固定在轴承座上；外圈与所述的风力叶片联接，内圈与所述的风力叶片主轴联接，以增大风力叶片主轴对外输出机械能时的转速，使其输出的转速在多数情况下高于风机主轴的转速，从而使该扭矩能够与水轮机输出的扭矩进行叠加后，再一起输出驱动风机运行。

所述水轮机包括一内部空心的涡形机壳，一设置在所述机壳内部并固定在所述风机主轴下端的叶轮；所述机壳的上表面中心位置开设由一轴孔，所述风机主轴的下段穿过所述轴孔伸进所述机壳的内腔，并与所述的叶轮连接；所述机壳上开设有与所述内腔相通的切向进水口，所述机壳下表面中心位置开设有与所述内腔相通的轴向出水口，水流经由进水口流入、出水口流出，并驱动叶轮旋转，进而驱动风机主轴旋转。

在所述风机的机壳上表面的中心位置，固定设有第一轴座，所述第一轴座上开设一轴向通孔，所述风机主轴穿过所述通孔伸进所述机壳内腔。在所述通孔的上部和下部分别布置一个上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承；所述通孔的上端固定一上端盖，通孔大的下端固定一下端盖，轴承夹在端盖和所述风机主轴的轴肩之间，使所述风机主轴安装在轴座上。

作为本发明的改进，所述的驱动机构还包括一电动发电机及与其配合使用的储能装置，对所述风力叶片和所述水轮机叠加后输出给风机的驱动力调节：当所述风机和所述水轮机的动力达不到所需动态工况时，该电动发电机作为电动机输出动力辅助驱动风机；当所述风机和所述水轮机的动力超过所需动态工况时，电动发电机作为发电机把多余的能量收集并储存于储能装置中。

所述的驱动机构，还包括一设置于所述螺旋形风叶主轴上的垂直轴风力发电机减速装置，其用于检测该螺旋形风叶转速并且当螺旋形风叶转速超过预定的所需动态转速时，对所述螺旋形风力叶片进行减速，直到螺旋形风叶转速不高于所需动态转速时停止减速，以避免电动发电机发电时转速过快造成发电机损坏。

前述多动力混合的节能冷却塔驱动机构的自动控制方法，其包括如下步骤：

(1)设置一PLC控制器，并在所述的冷却塔内设置感知水温的温度传感器，在所述的螺旋形风力叶片主轴和风机主轴上分别设置转速传感器，并使各传感器与所述的PLC控制器连接；

(2)在所述的PLC控制器内置水温T与风机功率P变化量对照函数，并根据该函数自动运算、调整电动发电机的工作状态及输出/输入功率，使风机与水轮机、螺旋形风叶、电动发电机的功率自动保持动态平衡：

ΔT_水温∝ΔP_风机

ΔP_风机＝ΔP_风叶+P_水轮机±ΔP_{电动发电机}

式中，风机的功率：ΔP_风机＝风机相对调整的功率；

风叶的功率：

水轮机的功率：P_水轮机＝P_n*η_t＝水轮机功率；

电动发电机的功率：P_{电动发电机}＝U_iI_icosθ＝-U_oI_ocosθ；

其中，ρ为流体密度；v为风速；A为风叶有效面积；P_n为水流出力；η_t为水轮机效率；U_i为输入电压；U_o为输出电压；I_i为输入电流；I_o为输出电流；cosθ为功率因素；

水轮机的功率为持续、稳定输出的功率。

(3)PLC控制系统，根据ΔP_风机、各转速传感器测得的风力叶片主轴的数据n1、风机主轴转速数据n2、及水轮机转速数据n3，以及下列公式，控制风机主轴转速Δn与电动发电机的工作模式及转速变量Δn_{电动发电机}：

Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机±Δn_{电动发电机}

当Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机不工作；

当Δn_风机≤Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为电动机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶+Δn_{电动发电机}；

当Δn_风机≥Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为发电机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶-Δn_{电动发电机}；

其中，电动发电机作为电动机运行时为+，作为发电机时为-。

本发明在所述螺旋形风叶与其传动轴的连接处，设置有变速轴承，起到对螺旋形风叶与传动轴旋转的支承、变速和传递扭矩作用，其体积小、传动损耗小、便于维护；避免采用体积大、传动损耗大的变速齿轮组。具体可以是上下端各设置一个变速轴承，也可以仅在下端设置一个变速轴承，而上端使用普通轴承。所述变速轴承，当变速轴承外圈与所述螺旋形风叶连接并接受螺旋形风叶输入的转矩，变速轴承内圈与所述传动轴连接并向传动轴输出转矩时，传动轴将获得比较大的加速效果，使得所获风能得到有效利用。

本发明提供的方案，在同一个垂直轴线上，设置两段传动轴、提供了两处动力源，并通过超越离合器该将上述两处动力最终叠加后输出至风机以驱动扇叶。在实际运行过程中，由于水轮机运行速度较为稳定、但是转速较低，所以，经过变速轴承加速后的叶片捕获的风能，可以通过其传动轴较高的转速，将风力叶片所产生的动力输出至风机驱动扇叶；同时，在自动控制系统的控制下，有可以将转速控制在设定的范围内，使整个结构得以正常工作。

所述双向超越离合器，当螺旋形风力叶片转动时可驱动其主轴带动风机主轴运转；当螺旋形风力叶片在微风、无风条件下转速较低或无法转动时，可使风机主轴和螺旋形风叶主轴分离，风机可以正常运转对螺旋形风力叶片不会有作用力；此时螺旋形风叶主轴也没有动力输出给风机主轴。

螺旋形风力叶片在外部风速大于5m/s(4级风)时，再加上冷却塔自身排出的风能(一般风速为8m/s，5级风)，在变速轴承的作用下，使其主轴以高于螺旋形风力叶片的转速转动，且也高于风机主轴的转速，此时螺旋形风力叶片转速升至与风机转速相等或大于风机主轴的转速，在超越离合器的作用下，螺旋形风叶主轴和风机主轴啮合，螺旋形风叶主轴向风机主轴输出动力。

所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，其中，在所述第一轴座上方适当的位置，在所述风机主轴上固定一带轮。在所述带轮上方的适当位置，所述风机通过键连接的方式固定在所述风机主轴上。所述风机主轴以法兰方式与螺栓拧紧联接双向超越离合器。

在适当的位置布置起固定轴件作用的第二固定支架，在所述第二固定支架上固定第二轴座；所述第二轴座上开设一轴向通孔，所述螺旋形风力叶片的主轴穿过所述通孔；在所述通孔的上部和下部分别布置一个上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承；所述通孔的上端固定一上端盖，通孔大的下端固定一下端盖，轴承夹在端盖和风机主轴的轴肩之间，使所述螺旋形风力叶片安装在所述第二轴座上。

其中，所述螺旋形风叶主轴以键连接的方式联接双向超越离合器。

所述螺旋形风力叶片在风力的带动下作旋转运动，通过变速轴承把动力传递给所述风力叶片主轴，转速增大后再输出给风机主轴，使所述风机作持续旋转运动。

在一般的中央空调的循环水系统中，在循环水流量达到要求的情况下，提供动力的水泵所提供的扬程一般会比冷却塔所需要的实际扬程大30％以上。在一般的冷却塔中，多出的这部分能量会白白浪费掉。本发明中的水轮机可以把这部分能量转换成为风机转动的动力，为风机的正常运转提供一部分动力，从而实现泵水扬程过高多出的能量的回收。循环水提供动力之后，从轴向出水口流出水轮机再流到布水器去喷洒。

本发明优先使用风能和水轮机转换的动力作为风机的驱动力。

根据室外风力的大小不同时，在PLC控制下的电动发电机可扮演不同的角色，当水轮机和螺旋形风力叶片共同提供的动力不能满足风机的所需动态转速时，电动发电机作为电动机补偿部分动力，使风机达到所需动态转速。当水轮机和螺旋形风力叶片共同提供的动力能够满足风机的所需动态转速且动力余量足够大时，电动发电机作为发电机把动力余量转换成电能输出并储存于蓄电池中。

本多动力混合的节能冷却塔驱动机构通过水轮机回收水泵的富余能量和通过螺旋形风力叶片收集室外的风能并将它们转换成风机运转的动力，从而使电动发电机的能耗降低，甚至使之发电，提高了能量的利用效率。体现了节能、经济的特点，在今天越来越注重绿色环保的社会，本发明具有良好的使用价值和广泛的应用前景。并具有以下有益效果：

1.能耗低。本驱动机构为多动力混合型驱动机构，螺旋形风力叶片、水轮机、电动发电机共同驱动风机运转，电动发电机作为一个备用部件电能消耗相对较少。

2.能量利用效率高。水泵在确保循环水流量的情况下，把水提高之后的富余能量通过水轮机驱动风机运转，使能量得到多级利用，提高了能量利用效率。

3.环保。螺旋形风力叶片收集室外风能驱动风机运转，风能作为一种可再生能源，对环境友好无污染。

4.自动化程度高。本发明提供的控制系统，通过PLC控制三种动力源，并能够使其实现自动平衡，实现电动发电机的工作状态转换和输出功率控制，在确保冷却塔运转正常的情况下，最大限度的利用清洁能源、节约外部输入的电能，提供系统总体的节能效果。

5.维护成本低。由于本发明提供的驱动机构，采用了同轴心线设计，采用了体积小、传动效率高且损耗小、故障率低的变速轴承、双向超越离合器等精密传动部件，使整体体积减少，传动效率提高，运行故障降低，维护维修成本低。

附图说明

图1是本发明的整体外形结构图。

图2是本发明实施例的驱动机构局部结构图。

图3是本发明实施例中的水轮机结构示意图。

图4是本发明实施例的第一、第二轴座与轴的配合示意图。

图5是本发明实施例的垂直轴风力发电机减速装置进行减速时的局部放大图。

图6是本发明实施例的全剖结构示意图。

其中，各部的标号表示如下：1、水轮机 2、电动发电机 3、螺旋形风力叶片 4、风机5、风机主轴 6、机壳 7、叶轮 8、第一轴座 9、大带轮 10、小带轮 11、第二轴座 12、皮带13、双向超越离合器 14、垂直轴风力发电机减速装置 15、水轮机进水口 16、水轮机出水口17、螺旋形风叶主轴；18、变速轴承；21、顶部轴承。

A、轴座 B、上圆锥滚子轴承 C、下圆锥滚子轴承 D、上轴承端盖 E、下轴承端盖 F、传动轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1至图6所示，本发明实施例的一种冷却塔的多动力混合驱动机构，包括：一设置在所述多动力混合的节能冷却塔驱动机构上端用于捕获风能并将其转换成机械能驱动所述风机的螺旋形风力叶片3；

一把冷却塔内部的空气抽到外部、使冷却塔内形成负压并降温的风机4；

一回收冷却塔水泵所提供水流压力富余能量、并将其转换成机械能驱动所述风机的水轮机1；

所述的螺旋形风力叶片3、风机4、水轮机1，三者传动轴的轴心线均处在同一条垂线上；

所述的螺旋形风力叶片3和水轮机1输出的机械能，叠加后同时输出给风机4，驱动风机4工作。

本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图2和图6所示，所述的传动轴包括螺旋形风力叶片主轴17和风机主轴5两段，其中所述的螺旋形风力叶片主轴17上段穿设在螺旋形风力叶片3上，其下段通过一超越离合器13与所述的风机主轴17的上段联接；所述的风机主轴下段穿设在水轮机1及风机4内。

如图3所示，本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，其中，所述水轮机1还包括：

一内部空心的涡形机壳6，一设置在所述机壳内部并固定在所述风机主轴5下端的叶轮7；所述机壳6的上表面中心位置开设由一轴向通孔，所述风机主轴5的下段穿过所述轴孔伸进所述机壳6的内腔，并与所述的叶轮7连接；所述机壳6上开设有与所述内腔相通的切向进水口15，所述机壳下表面中心位置开设有与所述内腔相通的轴向出水口16，水流经由进水口15流入、出水口16流出，并驱动叶轮7旋转，进而驱动风机主轴5旋转。

进一步地，所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图2和图4所示，在所述机壳6的上表面的中心位置固定第一轴座8，所述第一轴座8上开设一轴向通孔，所述风机主轴5穿过通孔伸进所述机壳6内腔。在通孔的上部和下部分别布置一个上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承。通孔的上端固定一上端盖，通孔的下端固定一下端盖，轴承夹在端盖和所述风机主轴5的轴肩之间，使所述风机主轴5安装在所述第一轴座8上。

较佳的，本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图4所示，在所述第一轴座8上方适当的位置，在所述风机主轴5上固定一带轮9。在所述带轮9上方的适当位置，所述风机4通过键连接的方式固定在所述风机主轴5上。在所述风机主轴5的上端，所述风机主轴5以法兰方式与螺栓拧紧联接双向超越离合器13。

进一步地，作为本发明的改进，所述的驱动机构还包括一电动发电机2及与其配合使用的储能装置，对所述风力叶片3和所述水轮机1叠加后输出给风机4的驱动力调节：当所述风机4和所述水轮机1的动力达不到所需动态工况时，该电动发电机2作为电动机输出动力辅助驱动风机4；当所述风机4和所述水轮机1的动力超过所需动态工况时，电动发电机2作为发电机把多余的能量收集并储存于储能装置中。

进一步地，本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图2所示，所述电动发电机2固定在固定支架(图中未标出)上并使所述电动发电机2的转轴垂直布置，在所述电动发电机2相应的位置上以键连接的方式固定一带轮10，并使所述带轮10和固定在所述风机主轴5上的带轮9处于同一水平面上，通过皮带12把两个带轮联接起来。其中，所述电动发电机2转轴上的带轮为小带轮10，所述风机主轴5上的带轮为大带轮9。

进一步地，本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图2和图4表示，在适当的位置布置起固定轴件作用的第二固定支架(图中未标出)，在所述第二固定支架上固定第二轴座11；

较佳地，如图4所示，本发明实施例所述第二轴座11上开设一轴向通孔，所述螺旋形风力叶片3的主轴穿过通孔。在通孔的上部和下部分别布置一个上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承；

较佳地，通孔的上端固定一上端盖，通孔大的下端固定一下端盖，轴承夹在端盖和风机主轴5的轴肩之间，使所述螺旋形风力叶片3安装在所述第二轴座11上。

进一步地，本发明实施例所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图1所示，所述螺旋形风叶主轴17以键连接的方式联接双向超越离合器13。

所述双向超越离合器13，当螺旋形风力叶片3转动时可驱动风机4运转；当螺旋形风力叶片3在无风条件下无法转动时，风机主轴5和螺旋形风叶主轴17分离，风机4可以正常运转对螺旋形风力叶片3不会有作用力；风机4可以以高于螺旋形风力叶片3的转速独立转动，直至螺旋形风力叶片3转速升至与风机4转速相等，螺旋形风叶主轴17和风机主轴5再次接合。

通过所述双向超越离合器13把螺旋形风叶主轴17和风机主轴5连接起来，并实现风叶主轴17可带动风机主轴5转动，而风机主轴5不会带动风叶主轴17转动的目的，从而避免产生机械能的浪费。

进一步地，所述的多动力混合的节能冷却塔驱动机构，如图6所示，本发明在所述螺旋形风叶3与其传动轴17的连接处，设置有变速轴承18，(可以是上下端各设置一个，也可以仅在下端设置一个，上端使用普通轴承21)起到对螺旋形风叶3与传动轴17旋转的支承、变速和传递扭矩作用，其体积小、传动损耗小、便于维护；避免采用体积大、传动损耗大的变速齿轮组。所述变速轴承，当变速轴承18外圈与所述螺旋形风叶3连接并接受螺旋形风叶3输入的转矩，变速轴承18内圈与所述传动轴17连接并向传动轴输出转矩时，传动轴17将获得比较大的加速效果，使其输出的转速在多数情况下高于风机主轴5的转速，从而使该扭矩能够与水轮机1输出的扭矩进行叠加后，再一起输出驱动风机4运行，使得所获风能得到有效利用。

进一步地，如图2和图5所示，所述的驱动机构，还包括一设置于所述螺旋形风叶主轴17上的垂直轴风力发电机减速装置14，其用于检测该螺旋形风叶3转速并且当螺旋形风叶3转速超过预定的所需动态转速时，对所述螺旋形风力叶片3进行减速，直到螺旋形风叶3转速不高于所需动态转速时停止减速，以避免电动发电机2发电时转速过快造成发电机损坏。

本发明还提供了以水能驱动为最优先级、以风能为次优先级、以电能为普通级的能源消耗的驱动机构和自动控制方法，可以优先利用及动态调整回收的富余水能、风能，降低系统整体上对于外部电能的消耗，提高对于水能、风能的综合利用效率，并且保证冷却塔的运行效果。

前述多动力混合的节能冷却塔驱动机构的自动控制方法，其包括如下步骤：

(1)设置一PLC控制器，并在所述的冷却塔内设置感知水温的温度传感器，在所述的螺旋形风力叶片主轴和风机主轴上分别设置转速传感器，并使各传感器与所述的PLC控制器连接；

(2)在所述的PLC控制器内置水温T与风机功率P变化量对照函数，并根据该函数自动运算、调整电动发电机的工作状态及输出/输入功率，使风机与水轮机、螺旋形风叶、电动发电机的功率自动保持动态平衡：

ΔT_水温∝ΔP_风机

ΔP_风机＝ΔP_风叶+P_水轮机±ΔP_{电动发电机}

式中，风机的功率：ΔP_风机＝风机相对调整的功率；

风叶的功率：

水轮机的功率：P_水轮机＝P_n*η_t＝水轮机功率；

电动发电机的功率：P_{电动发电机}＝U_iI_icosθ＝-U_oI_ocosθ；

其中，ρ为流体密度；v为风速；A为风叶有效面积；P_n为水流出力；η_t为水轮机效率；U_i为输入电压；U_o为出电压；I_i为输入电流；I_o为输出电流；cosθ为功率因素；

水轮机的功率为持续、稳定输出的功率。

(3)PLC控制系统，根据ΔP_风机、各转速传感器测得的风力叶片主轴的数据n1、风机主轴转速数据n2、及水轮机转速数据n3，以及下列公式，控制风机主轴转速Δn与电动发电机的工作模式及转速变量Δn_{电动发电机}：

Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机±Δn_{电动发电机}

当Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机不工作；

当Δn_风机≤Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为电动机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶+Δn_{电动发电机}；

当Δn_风机≥Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为发电机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶-Δn_{电动发电机}。

其中，电动发电机作为电动机运行时为+，作为发电机时为-。

本发明实施例的多动力混合的节能冷却塔驱动机构的工作原理是：本发明驱动机构主要是以螺旋形风叶3和水轮机1所提供的动力驱动风机4的运转，在此二者叠加输出后功率不足时，再辅以备用电动发电机2；当风速过低，风机4转速低于其所需的动态工作转速时，备用电动发电机2可作为电机工作辅助驱动风机4运转，使其转速满足冷却塔正常工作所需；当风速足够高，能量足以维持风机4正常工作并有富余时，电动发电机2可作为发电机使用富余能量发电并储存于蓄电池中；当风速过高，电动发电机2转速过快时，垂直轴风力发电机减速装置14通过增加风阻的方式降低螺旋形风叶3转速，使电动发电机2转速降低到正常工作范围，避免造成电动发电机2的损坏。

水轮机1正常运转产生的富余能量可通过叶轮7输入到风机主轴5上，风机主轴5再把机械能传递到风机4上并驱动风机4运转。

螺旋形风叶3具有较大的受风面积，在极低的风速下也能启动运转，并且工作时无需对风，任一方向的风都可使其转动，具有较高的风能利用率。

当螺旋形风叶3受风启动时，螺旋形风叶3把扭矩通过变速轴承18和普通轴承21传递到螺旋形风叶主轴17上，由于变速轴承的工作特性，安装于变速轴承内圈上的风叶主轴17将获得较大的加速作用，以高于风叶3转速的速度转动，使得风叶主轴17的转速在较低风速下也能高于风机主轴5转速并通过双向超越离合器13带动风机主轴5转动，从而风机4更容易达到所需动态转速，风能得到有效利用。

当风机4在风叶3和水轮机1的驱动下仍然达不到所需动态转速时，PLC控制器将控制电动发电机2作为电机补偿输出，使风机达到所需的动态转速。

当风机4在风叶3和水轮机1的驱动下达到所需动态转速并且有能量富余时，PLC控制器将控制电动发电机2作为发电机收集并把这部分能量储存于蓄电池；当风速过大，电动发电机2超过所需动态转速时，垂直轴风力发电机减速装置14以增大风阻的方式降低风叶3转速，从而控制电动发电机2转速不高于所需动态转速，避免电动发电机2损坏。

在一般的中央空调的循环水系统中，在循环水流量达到要求的情况下，提供动力的水泵所提供的扬程一般会比冷却塔所需要的实际扬程大很多。在一般的冷却塔中，多出的这部分能量会白白浪费掉。本发明中的水轮机可以把这部分能量转换成为风机转动的动力，为风机的正常运转提供一部分动力，从而实现泵水扬程过高多出的能量的回收。循环水提供动力之后，从轴向出水口流出水轮机再流到布水器去喷洒。

本发明优先使用风能和水轮机转换的能量作为风机的驱动力。当室外风力的大小不同时，电动发电机可扮演不同的角色，当水轮机和螺旋形风力叶片共同提供的动力不能满足风机的所需动态转速时，电动发电机作为电动机补偿部分动力，使风机达到所需动态转速。当水轮机和螺旋形风力叶片共同提供的动力能够满足风机的所需动态转速且动力余量足够大时，电动发电机作为发电机把动力余量转换成电能输出并储存于蓄电池中。

综合上述，本多动力混合的节能冷却塔驱动机构通过水轮机回收水泵的富余能量和通过螺旋形风力叶片收集室外的风能并将它们转换成风机运转的动力，从而使电动发电机的能耗降低，甚至使之发电，提高了能量的利用效率。

体现了节能、经济的特点，在今天越来越注重绿色环保的社会，本发明具有良好的使用价值和广泛的应用前景。

一种多动力混合的节能冷却塔驱动机构，主要包括水轮机、电动发电机、螺旋形风力叶片、风机和其他相关部件组成。在冷却塔中，水泵实际扬程比实际所需扬程高出的那部分能量就可以通过水轮机驱动风机运转，使得这部分能量得到利用。另外，螺旋形风力叶片可以收集室外的风能并作为动力驱动风机运转。来自于电机以外的这两部分的能量占据较大的份额，所以本冷却塔能量消耗低，是一种相对节能的冷却塔。电动发电机作为一个备用部件，在螺旋形风力叶片和水轮机同时工作而动力依然不足时，电动发电机就作为电动机辅助驱动风机转动，使风机达到所需转速要求；在螺旋形风力叶片和水轮机同时工作而动力过剩时，电动发电机就作为一个发电机被驱动发电。通过以上的驱动方式，冷却塔能量利用效率高，损耗低，体现了能量利用的经济性，利用了环保的风能作为驱动力之一，符合节能环保的理念。所以本冷却塔具有广泛的市场价值。

本发明实施例的冷却塔，具有如下效果：

一、能耗低。本驱动机构为多动力混合型驱动机构，螺旋形风力叶片、水轮机、电动发电机共同驱动风机运转，电动发电机作为一个备用部件电能消耗相对较少。

二、能量利用效率高。水泵在确保循环水流量的情况下，把水提高之后的富余能量通过水轮机驱动风机运转，使能量得到多级利用，提高了能量利用效率。

三、环保。螺旋形风力叶片收集室外风能驱动风机运转，风能作为一种可再生能源，对环境友好无污染。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，包括：

一设置在所述多动力混合的节能冷却塔驱动机构上端用于捕获风能并将其转换成机械能驱动所述风机的螺旋形风力叶片；

一把冷却塔内部的空气抽到外部、使冷却塔内形成负压并降温的风机；

一回收冷却塔水泵所提供水流压力富余能量、并将其转换成机械能驱动所述风机的水轮机；

所述的螺旋形风力叶片、风机、水轮机，三者传动轴的轴心线均处在同一条垂线上；

所述的螺旋形风力叶片和水轮机输出的机械能，叠加后同时输出给风机，驱动风机工作。

2.根据权利要求1所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，所述的传动轴包括螺旋形风力叶片主轴和风机主轴两段，其中所述的螺旋形风力叶片主轴上段穿设在螺旋形风力叶片上，其下段通过一超越离合器与所述的风机主轴的上段联接；所述的风机主轴下段穿设在水轮机及风机内。

3.根据权利要求2所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，所述的螺旋形风力叶片与风力叶片主轴之间设有变速轴承，该变速轴承设有内圈、中圈和外圈，且该变速轴承的中圈固定在轴承座上；外圈与所述的风力叶片联接，内圈与所述的风力叶片主轴联接，以增大风力叶片主轴对外输出机械能时的转速，使其输出的转速在多数情况下高于风机主轴的转速，从而使该扭矩能够与水轮机输出的扭矩进行叠加后，再一起输出驱动风机运行。

4.根据权利要求1所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，所述水轮机包括一内部空心的涡形机壳，一设置在所述机壳内部并固定在所述风机主轴下端的叶轮；所述机壳的上表面中心位置开设由一轴孔，所述风机主轴的下段穿过所述轴孔伸进所述机壳的内腔，并与所述的叶轮连接；所述机壳上开设有与所述内腔相通的切向进水口，所述机壳下表面中心位置开设有与所述内腔相通的轴向出水口，水流经由进水口流入、出水口流出，并驱动叶轮旋转，进而驱动风机主轴旋转。

5.根据权利要求1所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，在所述风机的机壳上表面的中心位置，固定设有第一轴座，所述第一轴座上开设一轴向通孔，所述风机主轴穿过所述通孔伸进所述机壳内腔。在所述通孔的上部和下部分别布置一个上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承；所述通孔的上端固定一上端盖，通孔大的下端固定一下端盖，轴承夹在端盖和所述风机主轴的轴肩之间，使所述风机主轴安装在轴座上。

6.根据权利要求1所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，其还包括一电动发电机及与其配合使用的储能装置，对所述风力叶片和所述水轮机叠加后输出给风机的驱动力调节：当所述风机和所述水轮机的动力达不到所需动态工况时，该电动发电机作为电动机输出动力辅助驱动风机；当所述风机和所述水轮机的动力超过所需动态工况时，电动发电机作为发电机把多余的能量收集并储存于储能装置中。

7.根据权利要求6所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，所述电动发电机固定在固定支架上并使所述电动发电机的转轴垂直布置，在所述电动发电机相应的位置上以键连接的方式固定一带轮，并使所述带轮和固定在所述风机主轴上的带轮处于同一水平面上，通过皮带把两个带轮联接起来；其中，所述电动发电机转轴上的带轮为小带轮，所述风机主轴上的带轮为大带轮。

8.根据权利要求6所述的冷却塔的多动力混合驱动机构，其特征在于，其还包括一设置于所述螺旋形风叶主轴上的垂直轴风力发电机减速装置，其用于检测该螺旋形风叶转速并且当螺旋形风叶转速超过预定的所需动态转速时，对所述螺旋形风力叶片进行减速，直到螺旋形风叶转速不高于所需动态转速时停止减速，以避免电动发电机发电时转速过快造成发电机损坏。

9.根据权利要求1-7之一所述冷却塔的多动力混合驱动机构的自动控制方法，其包括如下步骤：

(1)设置一PLC控制器，并在所述的冷却塔内设置感知水温的温度传感器，在所述的螺旋形风力叶片主轴和风机主轴上分别设置转速传感器，并使各传感器与所述的PLC控制器连接；

(2)在所述的PLC控制器内置水温T与风机功率P变化量对照函数，并根据该函数自动运算、调整电动发电机的工作状态及输出/输入功率，使风机与水轮机、螺旋形风叶、电动发电机的功率自动保持动态平衡：

ΔT_水温∝ΔP_风机

ΔP_风机＝ΔP_风叶+P_水轮机±ΔP_{电动发电机}

式中，风机的功率：ΔP_风机＝风机相对调整的功率；

风叶的功率：

水轮机的功率：P_水轮机＝P_n*η_t＝水轮机功率；

电动发电机的功率：P_{电动发电机}＝U_iI_icosθ＝-U_oI_ocosθ；

其中，ρ为流体密度；v为风速；A为风叶有效面积；P_n为水流出力；η_t为水轮机效率；U_i为输入电压；U_o为输出电压；I_i为输入电流；I_o为输出电流；cosθ为功率因素。

10.根据权利要求9所述的冷却塔的多动力混合驱动机构的自动控制方法，其还包括如下步骤：

(3)PLC控制系统，根据ΔP_风机、各转速传感器测得的风力叶片主轴的数据n_风叶、风机主轴转速数据n_风机、及水轮机转速数据n_水轮机，以及下列公式，控制风机主轴转速Δn与电动发电机的工作模式及电动发电机转速变量Δn_{电动发电机}：

Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机±Δn_{电动发电机}

当Δn_风机＝Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机不工作；

当Δn_风机≤Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为电动机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶+Δn_{电动发电机}；

当Δn_风机≥Δn_风叶+n_水轮机时，电动发电机作为发电机工作，使其达到：Δn_风机＝Δn_风叶-Δn_{电动发电机}

其中，电动发电机作为电动机运行时为+，作为发电机时为-。

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