CN105749436A - 一种高空逃生的缓降方法和高空逃生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高空逃生的缓降方法及采用该缓降方法的高空逃生装置，该方法利用设置的转子叶轮和定子叶轮在油液中相对高速旋转时产生的反向阻尼力矩来抑制转子叶轮的转速，该装置主要由缓降器、救生绳、固定装置组成，缓降器包括定子叶轮、转子叶轮、壳体、轴，定子叶轮与转子叶轮为呈相对放置且能够相对转动的两个相对面上分别安装有前倾斜叶片的圆盘结构，定子叶轮和壳体固定密封连接并组成内部充满油液的密闭空间，转子叶轮置于密闭空间内并能够通过轴相对定子叶轮和壳体转动，救生绳的一端连接在轴上，一端连接使用者或救生设备，该方法安全可靠，装置结构简单，安全牢固，操作方便，适用范围广。

Description

一种高空逃生的缓降方法和高空逃生装置

技术领域

本发明涉及高空紧急逃生领域，特别是一种高空逃生的缓降方法和采用该方法的高空逃生装置。

背景技术

目前，在城市中高层及超高层建筑越来越多，一旦发生火灾、地震等灾害，人们被大火困在房内无法脱身时，就只能等待消防人员前来救援，这样，使受困人员的生命安全受到了极大的威胁，针对上述问题，人们研制了许多逃生方法和逃生工具，现有技术中高空逃生装置很多，但存在以下问题：1、结构复杂，体积笨重，制造成本高，难以得到推广应用；2、操作困难，被困人员在面临灾难这种紧急情况下难以操作；3、不具备自动回位功能，即使具备回位功能，也需要高处被困人员来操作进行返高，无法适应在多人需要逃生情况下的使用；4、安装复杂，对使用场地的结构要求比较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，而提供一种安全可靠、使用方便的高空逃生缓降方法，以及一种采用该方法的结构简单、便携小巧、安装使用方便、适用范围广、使用者在下降过程中无需动手操作就能安全逃生，而且能够自动回收重复利用的高空逃生装置。

本发明通过下述技术方案来实现：

一种用于高空逃生的缓降方法，其特征在于，设置一个定子叶轮和一个带有输出轴的转子叶轮，利用转子叶轮和定子叶轮在液体中相对高速旋转时产生的反向阻尼力矩来抑制转子叶轮的转速。

进一步，所述转子叶轮高速旋转时带动液体绕轴旋转并甩向所述定子叶轮，对定子叶轮产生冲击作用，将转子叶轮作用于液体的动量矩传递到定子叶轮上，同时，所述定子叶轮对液体产生一个反向作用的动量矩，对旋转的所述转子叶轮将产生所述的反向阻尼力矩，阻碍转子叶轮的转动，所述反向阻尼力矩的大小为：

T_B＝λ_Bρω_B ²D⁵

公式中，T_B表示液体作用于定子叶轮的反向阻尼力矩(kg·m),λ_B表示旋转时转子叶轮的力矩系数(min²/m),ρ表示液体的密度(kg/m³),ω_B表示转子叶轮转动的角速度(rad/s)，D表示转子叶轮循环圆的有效直径(m)。该缓降方法的优点是简单可靠，根据使用对象的不同，可以预设不同的尺寸以满足不同的使用要求。

一种采用前述缓降方法的高空逃生装置，主要由缓降器、救生绳和固定装置组成，所述缓降器包括定子叶轮、转子叶轮、壳体、轴承、轴，定子叶轮与转子叶轮均包括圆盘结构，该两个圆盘结构呈相对放置且能够相对转动，所述两个圆盘结构的相对面上分别安装有环绕圆盘轴线的前倾斜叶片，叶片骨面倾斜方向与转子叶轮和定子叶轮的相对转向相同，叶片的根部与顶部分别与定子叶轮和转子叶轮的圆盘结构上设置的内凸缘和外凸缘相接，定子叶轮的外凸缘和壳体固定密封连接并围合成密闭空间，所述密闭空间内充满液体，转子叶轮的内凸缘与轴固定连接，轴的两端通过轴承固定安装在定子叶轮的内凸缘和壳体的中心并各伸出一段伸出段，转子叶轮置于所述密闭空间内并能够通过轴相对定子叶轮和壳体转动，所述救生绳的一端连接在轴上，一端连接使用者或救生设备，所述固定装置连接定子叶轮或者壳体，用于固定所述高空逃生装置；该结构的优点是结构简单、使用方便、使用者在下降过程中无需动手操作就能安全逃生。

进一步，该高空逃生装置还包括一个回位弹簧，回位弹簧的两端分别连接在定子叶轮和轴上，用于使偏转的轴回复到初始位置，该结构的优点是当使用者救生绳上安全解除后，救生绳可在回位弹簧的作用下重新缠绕回去，可保证本装置重复使用，该回位弹簧使用卷簧，该结构的优点是方便安装。

进一步，该高空逃生装置还包括一个绳架，绳架安装在所述轴的伸出段上，救生绳缠绕在绳架上，该结构的好处是更方便救生绳的收放，且能够使救生绳更安全稳定地固定在该救生装置上，以免发生救生绳滑落的危险。

进一步，该高空逃生装置在轴与定子叶轮的内凸缘、壳体的接触部位还设置有油封，该结构的好处是防止液体外泄，保持该装置的使用稳定性。

进一步，该高空逃生装置的定子叶轮或者壳体上的固定装置为吊钩，吊钩结构简单，适用范围广，可以便携地将本逃生装置固定在阳台、窗台、钢管等各种建筑结构上，对使用场地的要求低，适用范围广。

进一步，所述叶片骨面与所述轴之间夹角的范围为20度至50度。

进一步，所述缓降器的密闭空间内充满的所述液体为油液，油液的粘度比较高，能够提高本高空逃生装置的使用效果。

使用时，通过吊钩将本装置固定，人与救生绳相固定，接着，人从窗台或阳台上可通过自身重力下降，救生绳带动缓降器的转子叶轮高速旋转，转子叶轮高速旋转时带动液体绕轴旋转，同时，液体沿叶片内循环圆旋转运动，甩向定子叶轮。液体甩向定子叶轮时对定子叶轮叶片产生冲击作用，同时，固定的定子叶轮叶片也对液体产生一个反向作用，对旋转的转子叶轮将产生反向阻尼力矩，阻碍转子叶轮的转动，从而实现对下降中人体的减速作用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明方法采用涡流损耗原理，利用装置内设置的转子叶轮和定子叶轮在液体中相对高速旋转时产生的反向阻尼力矩来控制高空逃生装置的下降速度，即控制使用者的下降速度，保障使用者的安全逃生，且本发明在对于某种基型基础上的高空逃生装置进行放大或者缩小设计的时候，可以精确计算制动扭矩。

本发明装置没有复杂的机械结构、电路***和控制***，整个装置简单紧凑，安全牢固，操作简单，装置上的吊钩可以安装在阳台、窗台、钢管、窗户等各种建筑结构上，对使用场地要求低，适用范围广，装置上的回复弹簧能够在使用完毕后自动快速地将装置回复到初始状态，方便在紧急情况下多人连续使用。

附图说明

图1是本发明一种高空逃生装置的结构示意图；

图2是本发明一种高空逃生装置的剖视图；

图3是本发明一种高空逃生装置中定子叶轮的结构示意图；

图4是本发明一种高空逃生装置中转子叶轮的结构示意图；

具体实施方式

如图1-4所示，一种高空逃生装置，主要由缓降器、救生绳7和吊钩9组成，缓降器包括定子叶轮1、转子叶轮2、壳体3、轴承5、轴8，定子叶轮1与转子叶轮2均包括圆盘结构，该两个圆盘结构呈相对放置且能够相对转动，两个圆盘结构的相对面上分别安装有环绕圆盘轴线的前倾斜叶片4，叶片骨面6倾斜方向与转子叶轮2和定子叶轮1的相对转向相同，叶片骨面6与轴8之间夹角的范围为20度至50度，叶片4的根部与顶部分别与定子叶轮1和转子叶轮2的圆盘结构上设置的内凸缘和外凸缘相接，定子叶轮1的外凸缘和壳体3固定密封连接并围合成密闭空间，密闭空间内充满油液，转子叶轮2的内凸缘与轴8固定连接，轴8的两端通过轴承5固定安装在定子叶轮1的内凸缘和壳体3的中心并各伸出一段伸出段，伸出段上设置有绳架11，救生绳7安装在绳架11上，转子叶轮2置于密闭空间内并能够通过轴8相对定子叶轮1和壳体3转动，轴8与定子叶轮1的内凸缘、壳体3的接触部位还安装有防止油液外泄的油封12，救生绳7的一端连接在轴8上，一端连接使用者或救生设备，固定装置连接定子叶轮1或者壳体3，用于固定高空逃生装置；高空逃生装置还包括一个回位弹簧10，回位弹簧10的两端分别连接在定子叶轮1和轴8上，用于使偏转的轴8回复到初始位置，回位弹簧10使用的是卷簧。

使用时，通过吊钩将本装置固定，人与救生绳7相固定，接着，人从窗台或阳台上可通过自身重力下降，救生绳7带动缓降器的转子叶轮2高速旋转，转子叶轮2高速旋转时带动油液绕轴旋转，同时，油液沿叶片4内循环圆旋转运动，甩向定子叶轮1。油液甩向定子叶轮1时对定子叶轮1的叶片4产生冲击作用，同时，固定的定子叶轮1的叶片4也对油液产生一个反向作用，对旋转的转子叶轮2将产生反向阻尼力矩，阻碍转子叶轮2的转动，从而实现对下降中人体的减速作用。

其中反向阻尼力矩可通过下面的推导过程得到：

油液在旋转转子叶轮2中的流动是一种复合运动：由相对于转子叶轮2的流动(相对运动)和随着转子叶轮2一起绕着旋轴线的转动(牵连运动)组合而成。

按照矢量加法定理可知，油液质点在转子叶轮2上某一点的绝对速度v，是相对速度w和牵连速度u的矢量和，亦即：

v＝w+u(1)

便于分析和计算起见，将绝对速度分解为相互垂直的两个分速度，即：

v＝v_m+v_u(2)

其中v_m——轴面分速，绝对速度在轴面上的投影，与轴面流线相切；

v_u——圆周分速，绝对速度在圆周方向上的投影，与轴面分速相垂直。

转子叶轮2叶片间中央旋转曲面上任意一个油液质点的牵连速度和轴面分速度可由下式求得：

$u=r\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}Rn}{60}---\left(3\right)$

$v_m=\frac{Q}{A_m}---\left(4\right)$

公式中r——该油液质点到旋轴线的半径(m)；

ω——转子叶轮2的回转角速度，(rad/s)；

n——转子叶轮2的转速，(r/min)；

Q——通过转子叶轮2的流道的循环流量(m³/s)；

A_m——通过该点并垂直于轴面分速的过流断面面积(m²)

R——转子叶轮2的半径(m)；

于是，根据速度矢量图可知：

v_u＝u-v_mctg(π-β)＝u+v_mctgβ＝ωr+v_mctgβ(5)

其中β为相对速度w和牵连速度u的夹角。

根据动量矩定理：作用于控制体上的外力矩与单位时间内通过控制面净流入的动量矩之和等于单位时间内控制体中流体动量矩的增量。

对于缓降器，取转子叶轮2中的工作油液作为控制体，即可得转子叶轮2作用于油液的扭矩：

其中：

T——转子叶轮2作用于油液的扭矩(kg.m)；

t——单位时间(s)；

r——流体微元的位置矢量(m)；

v——流体微元的速度矢量(m/s)；

dV——流体微元的体积(m³)；

dA——流体微元的表面积(m²)；

V——控制体的体积(m³)；

A——控制体的表面积(m²)；

ρ——流体密度(kg/m³)。

由于上式用矢量表示，将其改写成代数形式：

$\begin{array}{c}T=\underset{i}{\overset{o}{\∫}}\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{r\ρv}}_u\right)A_{m}dr+({\mathrm{\ρ}}_o{v}_{uo}{v}_{mo}{r}_o{A}_{mo}-{\mathrm{\ρ}}_i{v}_{ui}{v}_{mi}{r}_i{A}_{mi})\\ =\underset{i}{\overset{o}{\∫}}\frac{\∂}{\∂t}\[r\mathrm{\ρ}(\mathrm{\ω}r+v_{m}ctg\mathrm{\β})\]A_{m}dr+\[{\mathrm{\ρ}}_o({\mathrm{\ωr}}_o+v_{mo}{\mathrm{ctg\β}}_o)v_{mo}{r}_o{A}_{mo}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i({\mathrm{\ωr}}_i+v_{mi}{\mathrm{ctg\β}}_i)v_{mi}{r}_i{A}_{mi}\]\\ =\mathrm{\ρ}\underset{i}{\overset{o}{\∫}}\[r({\mathrm{\ω}}^{\′}r+v_m^{\′}ctg\mathrm{\β})\]A_{m}dr+\[{\mathrm{\ρ}}_o({\mathrm{\ωr}}_o+v_{mo}{\mathrm{ctg\β}}_o)v_{mo}{r}_o{A}_{mo}\\ -{\mathrm{\ρ}}_i({\mathrm{\ωr}}_i+v_{mi}{\mathrm{ctg\β}}_i)v_{mi}{r}_i{A}_{mi}\]\end{array}---\left(7\right)$

其中，用下标o代表距离旋轴线为o的油液质点的对应参数；用下标i代表距离旋轴线为o的油液质点的对应参数；用上标'代表各参数的瞬态值。

根据油液在封闭管路中流动的连续性可知：

v_mi＝v_mo＝v_mA_mi＝A_mo＝A_mρ_i＝ρ_o＝ρ

于是(7)就可以进一步简化得到转子叶轮2与工作油液相互作用的扭矩表达式：

$T={\mathrm{\ρA}}_m\underset{i}{\overset{o}{\∫}}({\mathrm{\ω}}^{\′}r+v_m^{\′}ctg\mathrm{\β})rdr+{\mathrm{\ρA}}_m{v}_m\[({\mathrm{\ωr}}_o+v_m{\mathrm{ctg\β}}_o)r_o-({\mathrm{\ωr}}_i+v_m{\mathrm{ctg\β}}_i)r_i\]---\left(8\right)$

我们可以看到，转子叶轮2扭矩表达式由两部分构成，积分项构成了瞬态部分，当缓降器达到稳定工作状态时，ω′＝0，v′_m＝0，于是瞬态项的值为零。因此，稳态的扭矩表达式可写作：

T＝ρA_mv_m[(ωr_o+v_mctgβ_o)r_o-(ωr_i+v_mctgβ_i)r_i](9)

在液力传动中，主要用表征惯性力和粘性力之间比值的流体运动准则数——雷诺数Re来保证动力相似性。雷诺数Re的表达式通常为某一线性尺寸和特性速度的乘积与油液运动粘性系数的比值。在液力传动机械中，以有效直径D为线性尺寸，取ω_B·D(或者n_B·D)作为特性速度，所以：

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ω}}_B\·D^2}{\mathrm{\ν}}---\left(10\right)$

公式中：ω_B——缓降器转子叶轮2(转子)角速度，(1/s)；

D——缓降器有效直径，(m)；

ν——工作油运动粘性系数，(m²/s)；

为醒目起见，用上标M、S分别表示模型与实物，用下标B表示转子叶轮2的各参数，1B和2B分别表示转子叶轮2各参数在1时刻和2时刻对应的值。以转子叶轮2出口为例，由于运动相似，则：

$\frac{v_{m2B}^M}{v_{m2B}^S}=\frac{u_{2B}^M}{u_{2B}^S}=\frac{{\left(R_{2B}{\mathrm{\ω}}_B\right)}^M}{{\left(R_{2B}{\mathrm{\ω}}_B\right)}^S}=\frac{{\left({\mathrm{\α}}_{R2B}{\mathrm{D\ω}}_B\right)}^M}{{\left({\mathrm{\α}}_{R2B}{\mathrm{D\ω}}_B\right)}^S}---\left(11\right)$

公式中α_R为转子叶轮2相应点上半径与有效直径D之比值，

由于流道几何相似，则(α_R2BDω_B)^M＝(α_R2BDω_B)^S；

所以循环流量之比：

$\frac{Q^M}{Q^S}=\frac{{\left(v_{m2B}{A}_{m2B}\right)}^M}{{\left(v_{m2B}{A}_{m2B}\right)}^S}=\frac{{\left(v_{m2B}{\mathrm{\α}}_{R2B}{D}^2\right)}^M}{{\left(v_{m2B}{\mathrm{\α}}_{R2B}{D}^2\right)}^S}=\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_B{D}^3\right)}^M}{{\left({\mathrm{\ω}}_B{D}^3\right)}^S}---\left(12\right)$

考虑缓降器的稳定工作状态，由式(9)：

T＝ρ_ov_uov_mor_oA_mo-ρ_iv_uiv_mir_iA_mi

＝ρ(v_uor_oQ-v_uir_iQ)＝ρQ(v_uor_o-v_uir_i)

(13)

对于转子叶轮2出口：

$\frac{{T_B}^M}{{T_B}^S}=\frac{{\[\mathrm{\ρ}Q(v_{u2B}{R}_{2B}-v_{u1B}{R}_{1B})\]}^M}{{\[\mathrm{\ρ}Q(v_{u2B}{R}_{2B}-v_{u1B}{R}_{1B})\]}^S}---\left(14\right)$

将式(11)、(12)代入上式，并化简可得：

$\frac{{T_B}^M}{{T_B}^S}=\frac{{\left({{\mathrm{\ρ\ω}}_B}^2{D}^5\right)}^M}{{\left({{\mathrm{\ρ\ω}}_B}^2{D}^5\right)}^S}---\left(15\right)$

令为转子叶轮2扭矩无因次系数，于是：

T_B＝λ_Bρω_B ²D⁵(16)

公式中，T_B表示转子叶轮2作用于油液的扭矩，也即油液作用于定子叶轮1的反向阻尼力矩(kg·m),λ_B表示旋转时转子叶轮2的力矩系数(min²/m),ρ表示工作油液的密度(kg/m³),ω_B表示转子叶轮2转动的角速度(rad/s)，D表示转子叶轮2循环圆的有效直径(m)。

即缓降器转子叶轮2工作产生的扭矩与工作油液密度的一次方、转子叶轮2转速的平方和循环圆有效直径的五次方成正比。

使用中，该高空逃生装置的转子叶轮2受到的反向阻尼力矩与叶轮转速成二次方增长关系，也即人下降速度增至一定值后，人体重力与缓降器的反向阻尼力矩向平衡，人体下降速度将保持稳定。

因此，对于在某种基型基础上对缓降器进行放大或者缩小设计的时候，可以利用上式计算制动扭矩。

通过计算设计，本装置可保证人体下降速度在安全范围内，保证人体安全缓降至地面。

Claims (10)

1.一种用于高空逃生的缓降方法，其特征在于，设置一个定子叶轮和一个带有输出轴的转子叶轮，利用转子叶轮和定子叶轮在液体中相对高速旋转时产生的反向阻尼力矩来抑制转子叶轮的转速。

2.根据权利要求1所述的用于高空逃生的缓降方法，其特征在于，所述转子叶轮高速旋转时带动液体绕轴旋转并甩向所述定子叶轮，对定子叶轮产生冲击作用，将转子叶轮作用于液体的动量矩传递到定子叶轮上，同时，所述定子叶轮对液体产生一个反向作用的动量矩，对旋转的所述转子叶轮将产生所述的反向阻尼力矩，阻碍转子叶轮的转动，从而抑制转子叶轮的转速。

3.根据权利要求1或2任一所述的用于高空逃生的缓降方法，其特征在于，所述反向阻尼力矩的大小为：

T_B＝λ_Bρω_B ²D⁵

公式中，T_B表示液体作用于定子叶轮的反向阻尼力矩(kg·m),λ_B表示旋转时转子叶轮的力矩系数(min²/m),ρ表示液体的密度(kg/m³),ω_B表示转子叶轮转动的角速度(rad/s)，D表示转子叶轮循环圆的有效直径(m)。

4.一种采用权利要求1所述缓降方法的高空逃生装置，其特征在于，该装置主要由缓降器、救生绳(7)和固定装置组成，所述缓降器包括定子叶轮(1)、转子叶轮(2)、壳体(3)、轴承(5)、轴(8)，定子叶轮(1)与转子叶轮(2)均包括圆盘结构，该两个圆盘结构呈相对放置且能够相对转动，所述两个圆盘结构的相对面上分别安装有环绕圆盘轴线的前倾斜叶片(4)，叶片骨面(6)倾斜方向与转子叶轮(2)和定子叶轮(1)的相对转向相同，叶片(4)的根部与顶部分别与定子叶轮(1)和转子叶轮(2)的圆盘结构上设置的内凸缘和外凸缘相接，定子叶轮(1)的外凸缘和壳体(3)固定密封连接并围合成密闭空间，所述密闭空间内充满液体，转子叶轮(2)的内凸缘与轴(8)固定连接，轴(8)的两端通过轴承(5)固定安装在定子叶轮(1)的内凸缘和壳体(3)的中心并各伸出一段伸出段，转子叶轮(2)置于所述密闭空间内并能够通过轴(8)相对定子叶轮(1)和壳体(3)转动，所述救生绳(7)的一端连接在轴(8)上，一端连接使用者或救生设备，所述固定装置连接定子叶轮(1)或者壳体(3)，用于固定所述高空逃生装置。

5.根据权利要求4所述的高空逃生装置，其特征在于，所述高空逃生装置还包括一个回位弹簧(10)，所述回位弹簧(10)使用卷簧，卷簧的两端分别连接在定子叶轮(1)和轴(8)上，用于使偏转的轴(8)回复到初始位置。

6.根据权利要求4所述的高空逃生装置，其特征在于，所述救生绳(7)安装在所述轴(8)伸出段上设置的绳架(11)上。

7.根据权利要求4所述的高空逃生装置，其特征在于，所述轴(8)与定子叶轮(1)的内凸缘、壳体(3)的接触部位还安装有防止液体外泄的油封(12)。

8.根据权利要求4所述的高空逃生装置，其特征在于，所述固定装置为吊钩(9)。

9.根据权利要求4-8任一所述的高空逃生装置，其特征在于，所述叶片骨面(6)与所述轴(8)之间夹角的范围为20度至50度。

10.根据权利要求4-8任一所述的高空逃生装置，其特征在于，所述缓降器的密闭空间内充满的所述液体为油液。