CN1009569B - 摆翼式立轴风力机 - Google Patents

Abstract

一种摆翼式立轴风力机，主要由翼片、横杠、立轴、缆绳、万向节和传动机构等所组成。翼片竖在横杠末端立杆上，能自动偏摆一个小角度，在迎风面时向外偏，背风面时向内偏，从而得到较好的攻角，改善了启动性能和效率，用离心力调节偏摆角，能保持恒速。遇特大风时，能使翼尖开锁，自动停车，安全渡过大风。采用单个小功率风力机的组合办法可构成各种规格的大功率风力发电机，具有结构简单、重量轻、成本低、安全可靠、易启动、效率高等优点。

Description

本发明涉及一种摆翼式立轴风力机。

发明人1976年发明的，并于1984获英（GB2    082    260）美（US4    435    124）、法（EP0046    370）等国专利的摆翼式立轴风力机，其主要特点是，其翼片为机翼型，具有一个前缘和一个后缘，以可以绕一垂线轴转动的方式安装在立轴顶端的横杠末端，翼片的转动中心比气动压力中心更靠近翼片的前缘，当翼片转至上风方向时，翼片前缘自动径向向外偏摆，当翼片转至下风方向时，翼片前缘自动径向向内偏摆，横杠末端设有调节机构，用以调节翼片偏摆角度，从而调节风力机的转速。这种风力机虽能满足可靠耐用，效率高、能调速、能抗大风、易启动，不用人操作等优点，但还有不够完善之处，不易达到高可靠、低成本的要求。

本发明的任务在于制造一种更可靠的，成本更低的，经济效益更好的摆翼式立轴风力机。

本发明的摆翼式立轴风力机，其翼片为机翼型，具有一个前缘和一个后缘，以可绕一垂线轴转动的方式装在立轴顶端的横杠末端，翼片的转动中心比气动压力中心更靠近翼片的前缘，当翼片转至上风方向，翼片前缘自动径向向外偏摆，当翼片转至下风方向，翼片前缘自动径向向内偏摆，横杠末端设有调节机构，用以调节翼片的偏摆角度，从而调节风力机的转速，该风力机的立轴支承在支承结构中，其特征是翼片由翼片本体与翼尖组成，翼尖可绕一垂直轴线相对翼片本体转动，翼尖的气动力作用中心与该垂直轴线也是偏离的，正常工作时，翼尖与翼片本体借助于锁定装置锁定为一体，遇强风时，翼尖在气动力作用下可相对翼片本体转动成为扰流片，该调节机构由设置在横杠末端内用固定在横杠内的弹簧拉住的具有V形缺口的滑块，和固定在翼片本体中部的偏摆件组成。该偏摆件的末端有一挡杆伸在滑块的V形缺口内，翼片的偏摆角大小取决 于挡杆伸入V形缺口的深度。

本发明的摆翼式立轴风力机在原理、结构都有重大改进。改变了原专利的翼片及偏摆和顺桨机构设计，原翼片分三段，中段偏摆，上、下段顺桨。偏摆和顺桨是并列平行的两个轴心线，结构复杂，且因翼片厚度限制，使结构强度不易保证。现取消顺桨功能，其翼片由前、后缘和翼肋所构成的翼片本体与翼尖组成，翼片直接用销轴连接在横杠末端，翼尖可绕一垂直轴线相对翼片本体转动，翼尖的气动力作用中心与该垂直轴线是偏离的，正常工作时，翼尖与翼片本体借助于锁定装置锁定为一整体，遇强风时，翼尖在气动力的作用下，能相对翼片本体转动而自动脱开，成为扰流片，产生阻力，使风力机停转，安全渡过强风。

在横杠末端内装有限速机构，它由在横杠末端内用弹簧拉住的具有V形缺口的滑块，和固定在翼片中部的偏摆件组成。偏摆件末端有一挡杆伸进滑块的V形缺口内。翼片带动偏摆件左右偏摆时，因挡杆受滑块V形缺口限制，使翼片和偏摆件都只能绕垂直轴偏转一个小角度。风力机转动时，V形缺口滑块受离心力作用向外滑动，但受弹簧的拉力作用而停止在一定位置，滑块位置越向外，挡杆越伸进V形缺口，翼片和偏摆件的偏转角越小，翼片的出力也越小。当风速变大或负载减少，风力机会增加转速。这将使滑块位置外移，但由于上述作用使翼片出力减少，因此风力机转速不会增加。正确设计V形缺口和弹簧能使风力机基本保持恒速。

在本发明的实施例中对立轴结构也作了改进。原专利采用钢架作立轴，与传动机构的立轴固结，而传动机构底座用铰链固定于地面，本发明改用钢管作立轴，顶端和横杠用销钉联结，下端用万向节和传动机构联结，而传动机构底座固定于地面。万向节使传动机构稳定不动，不致因立轴晃动而带动其摇晃，且便于带动地面机器。当立轴较高时，为增强细长钢管的抗弯刚度，根据需要，在钢管上可装上数个带轴承的支承套，并用另一端固定于地面的钢缆拉住，以保证钢管不被压弯，这可以增加风力机的高度，提高风力机效能。

在本发明的实施例中，翼片本体由前、后梁和翼肋构成，可以采用竹材及其联结方法，制成竹桁架，其重量轻、从而减轻了整机重量，降低了成本。

按照本发明，还可将单个小功率风力机组合起来，构成大、中、小各种功率的组合风力发电机，其组合方法是：将一个小功率风力机倒立与另一个功率风力机上、下对称地安装在桁杆末端上，构成一对组合风力机，其功率为单个小功率风力机的二倍。多个桁杆安装在钢缆扎住的钢管桅杆上，可构成中、大功率组合风力发电机。

本发明由于作了上述几点重大改进，因此比原专利可靠性高，成本低。经济效益好，实用价值大。

下面结合附图对本发明的摆翼式立轴风力机作更详细的说明，其中

附图1    本发明的摆翼式立轴风力机总体结构示意图;

附图2    本发明的摆翼式立轴风力机的工作原理图;

附图3    翼尖作用原理图;

附图4    翼片的偏摆和限速机构示意图;

附图5    翼尖的自动开锁和偏转机构示意图;

附图6    竹材翼肋、翼梁结构图;

附图7    横杠立轴结构图;

附图8    两个风力机的组合;

附图9    大功率风力机的组合;

附图10    另一种大功率风力机的组合。

附图1表示本发明的摆翼式立轴风力机总体结构。它具有二个翼片（1），翼片数可是一个或更多。翼片装在横杠（2）的本端，能绕垂轴aa偏摆一个小角度（＜30°）。翼尖（7）在工作时与翼片锁住，避大风时能自动暂时脱开。横杠（2）连接立轴（3）的上端。立轴（3）下端用万向节（6）和传动机构（5）联结，其底座固定于地面，而上端通过支承套（35），用一端固定于地面的缆绳（4）拉住。立轴（3）用钢管制成，立轴（3）钢管上可根据需要装上若干个带轴承的支承套（28），用钢绳（4）拉住，以保证其钢性。

下面再结合附图2，叙述其工作原理。由上向下看风力机，O是立轴（3）的旋转轴心，ω是风力机转速，r是风力机的旋转半径，W是风速，P是两个翼片的支点，就是翼片偏摆中心线aa（见附图1）穿过纸片的两点。当翼片转到上风时由于翼片摆动轴的支点P，在气动压力中心C    P之前，翼片前缘向外偏摆被a挡在δ角，这时，相对流速是V，得迎角α，因此产生升力L，阻力D，合力为R，则有效转动风力机的推力是F。而翼片转到下风时，风速已降至W′，而风向相对翼片已易位， 这时，翼片前缘向内偏摆被α′挡在δ′角，相应地又产生推力F′。适当设置偏摆角δ、δ′。能得到最佳范围的角α、α′增加有效推力F、F′。这就是摆翼式立轴风力机所以起动容易，效率高的原因。偏摆角δ和δ′用简单的离心机构控制（见附图4）。在正常工作时能控制转速不超过限额。当风速达到危险程度时，翼尖自动脱开，风力机停转，详见附图3。

附图3示翼尖的作用原理，其左图示正常工作时，翼尖（7）和翼片（1）锁住，二者成一整体，这时的作用原理已在上节说明，结果产生的推力F推动风力机转动。在风速增大到危险程度时，翼尖（7）自动脱开，这时的作用原理见右图。翼尖（7）的支点在p，翼尖（7）的气动压力中心c、p′，在支点之前，当风速过大时，所产生的气动力使翼尖（7）脱开，偏转到右图所示位置，开锁机构如附图5。这时翼片（1）有效面积减小，所以升力由L降至L1，阻力由D降至D1，所产生的有效推力由F减到F1，这时翼尖（7）的攻角为α″，接近90°，所以其升力接近零，但阻力D″很大，阻力D″产生的负推力为F2，方向与F相反。只要选取足够的翼尖面积，就可以使翼尖的负推力F2大于翼片的推力F1，从而使风力机减速，直到停转。

图4是翼片的偏摆和限速机构示意图。

图中左边是翼片的示意图。它有前、后翼梁和一些翼肋作为构架，蒙布，涂涂布油和油漆。图中（47）和（46）是前、后翼梁。（45）是翼肋。图的右边是拆开了的横杠末端、偏摆及限速机构。图中（8）为横杠末端，其外端有上、下二个轴承孔（20）。横杠是空心的，其内部有可滑动的具V形缺口（44）的滑块（19），用弹簧（21）拉住。弹簧（21）固定于横杠（8）内。轴承孔（20）插有一短轴（16）。短轴同时穿过偏摆（14）的二个中心孔（42），使偏摆（14）能在横杠末端绕垂线轴偏转。偏摆（14）的中心孔（42）前装有一个挡杆（43），穿过滑块（19）的V形缺口（44）。偏摆（14）左右偏转时，挡杆（43）受V形缺口（44）的限制，只能偏摆一个小角度。偏摆（14）固定在翼梁（46）、（47）中部，因此翼片能随偏摆（14）绕垂线轴偏转一个小角度。风力机转动时，滑块（19）受离心力作用向外滑，但受弹簧（21）的拉力而停止在一定位置。因此滑块（19）的位置取决于风力机转速，转速大，离心力大，滑块越向外伸。这时挡住挡杆（43）的V形缺口（44）变窄，使偏摆角变小。翼片的偏摆角也因此变小，这改变翼片的迎角，使气动效力降低，风力机就不会再增速。适当选择开口（44）的角度和弹簧（21）的刚度等，可以使风力机在风速增大时基本保持恒速，不会超速。

附图5示翼尖的自动开锁和偏转机构。左下图是翼片的正视图，左中图是其附视图。左上图是翼尖向一侧偏转后的附视图。右图是放大了的自动开锁销钉。图中（1）是翼片，（7）是翼尖，见左下图，翼片（1）外端固定一短轴（9），而翼尖（7）套在短轴（9）上，可绕（9）偏转。翼尖前缘有台阶（10），并用自动开锁销钉（38）与翼片锁住，正常工作时，翼片（1）和翼尖（7）锁住。遇特大风时，翼尖（7）被风吹开，向一侧偏转，由于台阶（10）使翼尖偏转约90°而停住，如左上图所示。见右图，自动开锁销钉有一活动销（17），外端呈圆锥形（41）顶部有一钢珠（42）。翼尖（7）有一锥形孔（18）和活动销（17）的圆锥配合，锥形孔（18）二侧是斜面（23）。活动销（17）下有弹簧（24）顶住，一起装在锁壳（22）中，而锁壳（22）固定于翼片（1）的端面（11）内。翼尖（7）锁住时，如右图所示。由于圆锥角很小，必须有很大横向推力才能克服弹簧（24）的推力，压进活动销（17），从而使翼片脱开。脱开后再进锁时，由于斜面（23）斜角很大，斜面（23）接触的只是钢珠（42）的顶部，只要很小的力就将活动销（17）压进。适当选择上述角度和弹簧（24）的刚度，可以使这种弹簧锁在风速到达极限设计风速时自动开锁，使翼尖偏转，阻止风力机旋转。而在大风过去后，很小的风也能使翼尖自动滑进锁定位置。

附图6竹材翼肋结构图。风力机翼片要求越轻越好，因它是决定整机的结构，重量，成本及效益的一个重因素。30年代制飞机机翼用木桁架加蒙布的结构，轻而牢固，可以借鉴。竹材轻，强度好，加工方便，经处理能长年不变质，我国资源丰富，对受力不太大的构件，是理想的桁架材料。但在桁架制作中，竹材末端的联接很困难，所以一直未见风力机桨叶采用竹材桁架结构。本发明的联接方法，解决了这个问题。图中所示是一个翼肋，翼梁结构相同。桁架由竹材（25）联结而成。竹材（25）末端有缺口（12）用金属片（26）扣住，用线（27）扎紧，也可用胶或其他方法固定金属片（26）。这种联结强度接近竹材强度，由竹制桁架制成的翼肋和翼梁，外加蒙布或纸加涂料制成的翼片，重量轻，不到实心铝翼 片重量的四十分之一。

附图7为横杠立轴结构图，左图是整体图，横杠（2）为一整根钢管，在中央与立轴（3）的顶端用销钉（30）联接，详见右二图。横杠（2）的中心塞进一芯块（29）。立轴顶端的短轴（31）伸进芯块（29）和横杠（2）的中心，用销钉（30）销住，芯块（29）的作用是消除销钉（30）的弯矩，使其只受剪力。短轴（31）由一个径向滚动轴承（33）和一个轴向滚动轴承（32）支承。二个轴承装在支承套（35）内。短轴（31）用销钉将立轴（3）销住。见左图。钢缆（4）的拉力引起的支承套（35）的向下轴向压力通过支承套（35）的内缘压在径向滚动轴承（33）的外圈上，通过后者压在其下的一个垫圈上。该垫圈内孔大于滚动轴承（33）的内圈的外径，因此不会妨碍内圈的转动。该垫圈压在轴向滚动轴承（32）的上面，通过该轴承（32）压在立轴的顶端。

立轴既是转轴又是支架。和原专利不同，本发明不是用钢架作立轴，而是采用钢管作立轴，使整个结构简单，重量轻。立轴顶伸进支承套（35）内，用三根钢缆（4）将支承套（35）扎住在地面钢缆椿上。钢管立轴，既可采用整体结构，也可采用分段结构，当立轴较高时，采用分段结构比较适宜。立轴越高，风速越大，对风力机越有利，但立轴越高，则立轴钢管细长，很容易压弯。为了保证很高立轴的结构稳定性。可用只有径向轴承的支承套（28），装在立轴腰部也用缆绳拉住，采用分段结构的立轴时，用专门设计的联轴节（34）联结立轴的各钢管，联轴节（34）为一套管，用销钉和立轴（3）销住。两个联轴节之间的分段立轴钢管长度不宜过长，否则不便于运输。此外，为使皮带盘或其他轴功率输出机构不致因立轴晃动而摇摆，和原专利不同，在立轴下端装有万向节（6），这样避免了传动机构底座的晃动。这一万向节（6）还可以使立轴连同翼片放倒在地面上，大大便利风力机的吊装和维护。同时解除了立轴和传动轴两者同轴线的要求。传动机构固定地面，也方便了地面机器的连接。

附图8示两个风力机的组合，右图示部件的组装。左图为组装后风力机转动时的示意图，图中（50）为一平面三角架，一套齿轮箱和发电机部件（49）装在平面三角架（50）中，一台风力机（48）用万向节连接齿轮箱（49）上面的万向节，另一台同样的风力机（51）倒过来和齿轮箱（49）下面的万向节连接。二台风力机各用三根短钢缆和平面三角架（5）扎紧，这样组合的风力发电机的功率是一台风力发电机的二倍。

附图9为大功率风力发电机的组合。图中有六套如图8所示的组合风力机（53）安装在六根桁杆（52）末端，每三根桁杆的内端一起连接在桅杆（55）上，六根桁杆形成二层相同的结构，用十五根钢缆扎成整体。此外，用三根钢缆将最上面的三根桁杆（52）的末端同桅杆顶端扎紧，还有六根钢缆（54）将下面桁杆的末端和地面扎住。这种用钢缆扎牢的桅杆，桁杆构架较角铁塔架轻而经济。如小风力机的间距不小于其直径的七倍，背风面的小风力机的功率很少受迎风面小风力机的影响，这种构架也很透风，所以由十二台小风力机组合的风力机的功率接近12倍。只要再增加桁杆层次，还可以连续增大组合风力机的功率。由于桅杆和钢缆地基占地很小而构架高且透风，对地面的农、牧作业和低建筑影响很小。由许多单个小功率风力机组合成大功率风力发电机的最大好处，在于可大量生产同样的单个小功率风力机。使风力机的制造成本大幅度的降低。

附图10为另一种大功率风力机的组合，左图为塔架结构示意图，塔架用3根钢管（56）作立柱，和多根水平三角形钢管架（57）的顶点联接，组成隔成多层的三角塔架。三角形钢管架（57）的每个顶点用钢缆（58）扎紧。每一层的中间装一台小风力机，（为清晰计，右图中只绘出一小风力机的立轴（59））。塔架隔层越多，装的小风力机越多，功率也越大。右图为小风力机安装示意图。与前述小风力机不同，其横杠（60）固定在立轴（59）的中央。立轴（59）上下两端都接万向节（61）。万向节（61）接短轴（63）短轴（63）穿过滚动轴承（62），滚动轴承（62）装在三角形钢管架（57）的中央。为了减免立轴（59）中心因升力引起的弯矩，用四根钢缆（64）将立轴（59）的顶点和横杠（60）的外端拉住。见左图，塔架底层较高，底层中央的立轴（65）也较长，该立轴也用万向节（61）和地面的传动机构（66）联接，可带动发电机或其它机器设备。上层的风力机是通过下面各层的立轴将功率集中到地面的传动机构（66）的。传动机构和发电机等都在地面，是这种塔架的优点。在地面的较大功率的传动机构能直接带动地面的农机或水泵等，免除了发电机和电动机，节省投资，也是一个优点。这种塔架可逐层组装，不需要起动吊车，便利了偏僻地区的组装，也是一个优点。

由上述可见，本发明，结构简单，重量轻，成 本低，安全可靠，易启动，效率高，能抗特大风速，不致吹坏，具有较大的实用价值，采用几台小功率风力机的组合方法，构成大功率的风力发电机，更可大幅度地降低成本，更具有较大的实用价值。能广泛用于我国牧区、边疆、海岛、山区等，也能广泛用于世界各地缺电或无电而有风的广大地区。

Claims (8)

1、一种摆翼式立轴风力机，其翼片为机翼型，具有一个前缘和一个后缘，可以绕一垂线轴转动的方式装在立轴顶端的横杠末端，翼片的转动中心比气动压力中心更靠近翼片的前缘，当翼片转至上风方向，翼片前缘自动径向向外偏摆，当翼片转至下风方向，翼片前缘自动径向向内偏摆，横杠末端设有调节机构，用以调节翼片的偏摆角度，从而调节风力机的转速，该风力机的立轴支承在支承结构中，其特征是翼片由翼片本体与翼尖组成，翼尖可绕一垂直轴线相对翼片本体转动，翼尖的气动力作用中心与该垂直轴线也是偏离的，正常工作时，翼尖与翼片本体借助于锁定装置锁定为一体，遇强风时，翼尖在气动力作用下可相对翼片本体转动成为扰流片，该调节机构由设置在横杠末端(8)内用固定在横杠内的弹簧(21)拉住的具有V形缺口(44)的滑块(19)和固定在翼片本体中部的偏摆件组成，该偏摆件(14)的末端有一挡杆(43)伸在滑块(19)的V形缺口(44)内，翼片的偏摆角大小取决于挡杆(43)伸入V形缺口(44)的深度。

2、根据权利要求1所述的风力机，其特征在于立轴（3）用钢管制成，可采用整体结构或分段结构，采用分段结构时，分段与分段之间用套管联轴节（34）联接，立轴管上装有轴承的支承管（35）、（28），且用一端固定于地面的缆绳（4）拉住，立轴的下端用万向节（6）与固定于地面的传动机构（5）相连。

3、根据权利要求1所述的风力机，其特征在于横杠（2）用整根钢管制成用芯块（29）、短轴（31）和销钉（30）和立轴（3）相联接。

4、根据权利要求1或2或3所述的风力机其特征在于翼尖与翼片本体的锁定装置是一种自动开锁机构，在翼片（1）和翼尖（7）之间有弹簧顶住的具有圆锥侧面及球顶部的活动销（17），在翼尖（7）根部有台阶（10）和斜面（23）。

5、根据权利要求1或2或3所述的风力机，其特征在于翼片本体由竹制桁架制成的翼肋和翼梁构成。

6、根据权利要求4所述的风力机，其特征在于翼片本体由竹制桁架制成的翼肋和翼梁构成。

7、一种组合式摆翼式立轴风力机，其特征是它具有由桅杆（55）种多个桁杆（52）构成的塔架，桁行（52）的端部固定有一个平面三角架（5），该平面三角架（5）上下两端对称地安装了一台权利要求1所述的风力机，从而组合成大功率风力机。

8、一种组合式摆翼式立轴风力机，其特征是它具有三角形塔架和多层水平三角形钢管架（57），每层水平三角形钢管架（57）中央设有用轴承（62）支承的短轴（63），多台权利要求1所述的风力机，其立轴通过万向联轴节与上述短轴串联成大功率风力机。

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