基于曝气原理的风能水质改善装置＊

李宗雨，潘菲，李璐



基于曝气原理的风能水质改善装置＊

李宗雨，潘菲，李璐

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

随着社会经济的发展，水质问题日益受到人们的关注，部分城市内河、景观湖等流动性较差的水体存在严重的污染问题。对此，设计了一种基于曝气原理的风能水质改善装置，利用风力提水技术结合跌水曝气、人工水力循环技术实现低能耗改善水质。无极调速装置和偏心调速装置保证装置适用于不同的风速风向，保证装置运行效率；新型进出水口改善跌水曝气与水力循环方式，提高水质改善效果。

低流动水体；风力提水；曝气；改善水质

1 作品背景及意义

近年来，地表水体尤其是静止或流动性差的水体比如城市内河、城市景观湖等，由于汇入污染物总量远远超过水环境容量，许多中小河流水体污染严重，如图1所示，湖泊水体富营养化加剧。发臭、浑浊、水质不达标是国内很多景观湖和城市河道的现状。同时，国内污水处理厂、水产养殖池塘均存在水体富营养化严重等问题。

图1 河流水体污染情况

为改善上述场所的水质，国内大部分地区采用曝气方法对水体进行处理。现有的曝气装置存在建设成本高、动力消耗大、维护成本高等缺点。因此减少动力消耗、提高充氧效率、降低建设成本不仅是人工曝气系统广泛推广应用的前提，也是我国曝气系统急需做出改善的方面。对此，本作品设计了一种基于曝气原理的风能水质改善装置。

2 作品方案设计

本作品利用风力提水技术实现跌水曝气与水力循环，达到改善水质的目的。无极调速装置通过电动推杆改变不同风速下活塞泵的行程，适应不同大小的风速；偏心调速装置保证装置适用于不同的风向，避免装置因侧风过强导致装置损坏，保证装置正常运行；新型进水口可以同时吸进深度不同的水体，促进不同水体的流动，改善水体的流动性；出水口的设计提高了水体与空气的接触面积，增加了水体的溶氧量；控制系统利用风速传感器等实现装置的自动化，可控制性强。

3 作品结构设计

3.1 风力提水机的设计

目前市场上的风力提水装置大部分利用风能发电，进而带动水泵进行抽水工作。为减少能量相互转化时的损耗、简化装置复杂程度，本项目计划设计机械结构利用自然的风资源直接带动水泵来完成提水作业，装置主要由扇叶、无级调速机构、固定架及水泵组成。其中，扇叶连接曲轴带动上连杆上下移动。上连杆带动无级调速机构绕定点摆动，进而带动连接在活塞上的下连杆进行抽水作业。其中活塞泵上设有进出水连接口，连接本项目所设计的新型进出水口。

3.1.1 无级调速机构的设计

传统多叶轮活塞泵风力提水机，风轮与活塞泵的扭矩特性差异较大，风轮轴输出扭矩与转速的二次方成正比，但活塞泵扭矩与转速无关，因此风轮与水泵不能在一个风速区间内高效匹配，而只能选择一个工作点实现良好匹配，造成传统的定行程风力提水机设计的风速难以确定。设计风速高，机组启动困难；设计风速低，系统运行效率低，能量输出少。同时其只有在设计好的风速段下才有较高的工作效率，无法做到对风能的充分利用。因此本项目计划采用无级调速的机构设计，通过改变水泵活塞的行程改善装置的工作效率。无级调速机构如图2所示。

叶片2在风力作用下带动曲轴1旋转，进而带动上连杆3进行上下移动。上连杆3上下移动时将带动一端固定在固定架7上的摇臂进行上下摆动，进而利用泵杆6带动抽水活塞进行风力提水。当滑块5在摇臂4的滑槽中位置不同时，抽水活塞的行程将发生改变。低风速时，滑块5位于摇臂4的滑槽左侧，抽水活塞的行程减小；高风速时，滑块5位于滑槽右侧，抽水活塞行程增大。

1—曲轴；2—叶片；3—上连杆；4—摇臂；5—滑块；6—泵杆；7—固定架。

无级调速机构中滑块5的位置依靠电动推杆进行控制。控制系统对风速大小进行检测，在不同风速时控制液压锁定改变滑块5位置。

3.1.2 偏心式调速机构

当风速突然增大较多时，风轮有可能在短时间内超速，对装置造成一定的危害。采用调速系统可有效减少叶片上的作用力，其可有效保护风力机的结构、延长装置使用寿命，同时，其还可以用来限制功率，拓宽风力提水机对风速的利用范围。

本项目采用偏心式调速机构，即风轮机的主轴与风轮机机舱座下部垂直转轴不相交。当风轮机在额定风速下运转时，风轮由于风的作用所受到的正面压力对机舱座下垂直轴有一个力矩的作用，但由于风轮尾舵的定向与平衡作用，风轮旋转平面仍处于迎风位置。当风向不变，风速增大时，由于风压面产生的对风轮的压力增强，其对垂直轴的力矩也随着增大，风轮产生偏侧。当风轮偏侧后，由于风轮叶片旋转面处于非迎风位置，风轮机的功率及转速均减小。当风速非常高时，风轮机叶片的旋转面将旋转90°，处于与风向平行的位置，即处于停的状态。

3.2 装置进出水口的设计

3.2.1 进出水口设计目的

进水口的设计促进水体进行人工水力循环，出水口改善跌水曝气的效果。将人工水力循环技术与跌水曝气技术有机结合，一方面，强制循环造成的流动促使水体表面更新，增加了紊动，从而改进了氧的传递和扩散，促进了水面复氧，提高了跌水曝气充氧效率；另一方面，经过跌水复氧后的水体，在水力循环作用下不断地交换、稀释，使水体自净能力得以提高。因此两者的有机结合可以相互促进彼此的效果，提升装置对水体的除污净化效果。

3.2.2 进水口的设计

进水口为具有一定高度差的小进水口螺旋排列而成。不同深度的水从不同的小进水口流进后汇聚进总进水口，总进水口连接于水泵。通过该进水口可有效促进不同深度水体进行流动，最大限度地促进了人工水力循环效果。

3.2.3 出水口的设计

该装置主要曝气方式为跌水曝气。经风力提水作用后将水提升至一定的高度后经过出水口以一定的动能跌落进湖水内。为了增大跌水曝气时的溶氧效果，需要增大水体与空气的接触面积。在正常的水幕跌水条件下，跌水曝气的总传质系数·值（溶氧能力）随跌水宽度变宽而增大，说明跌水曝气的·值随着跌水宽度的变大增加的绝对值越来越小，因此，尽可能增大跌水宽度有利于增强跌水曝气的效果。本装置所设计的出水口为成环状排列的鸭嘴形出水口，通过控制出水口的宽度进而控制跌水宽度。

3.3 控制系统的设计

控制器主要由风速检测单元、继电器模块、液压锁模块和主控单元MCU组成。其中风速检测单元采用RS-FS-NO1三杯型风速传感器，其能够在满足误差要求下，保证足够灵敏度，并将测得风速数据传送至主控单元；继电器模块包括电磁阀和电磁开关，用于保证有无风时不同工作模式的切换；电动推杆用以改变柱塞泵的行程，保证无级调速机构的使用。

4 作品创新之处

作品创新之处主要为：①将风力提水技术与跌水曝气、人工水力循环技术有机结合，降低曝气能耗的同时提高水体处理的效率；②采用无级调速的风力提水装置，最大可能地利用了风能；③进出水口的优化设计提高了人工水力循环及跌水曝气的作用效果。

5 作品应用前景

随着社会的发展，我国更加注重改善生态环境。风能曝气水体改善装置不仅可以广泛应用于改善城市内河及城市景观湖等流动缓慢的水体，也可以用于我国污水处理厂进行污水处理。其中我国相关部门规定污水处理厂对污水进行处理时必须利用曝气装置对水体进行处理。此外，我国有大量的水产养殖池塘，均需要利用曝气装置进行水质处理。

2095－6835（2019）05－0084－02

TK89

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.084

国家大学生创新创业训练计划（编号：201810497049）

〔编辑：严丽琴〕