CN101230837B - 一臂多叶垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一臂多叶垂直轴风力机，它包括风叶、风叶转轴、风机转轴、叶臂和风叶摆动限位机构，其中，风叶摆动限位机构由挡块和摆角限位块组成，叶臂是一端连接在风机转轴上，另一端以风机转轴为圆心径向悬臂伸出，在每一个叶臂上安装有两片或两片以上的风叶，每片风叶均通过竖向连接在叶臂上的风叶转轴而铰接在叶臂上，并由风叶摆动限位机构限制每片风叶的摆动角度。本发明的风力机用多片小尺寸风叶来代替一臂单叶的大尺寸风叶，可以更好地利用风能，提高风力机的效率。

Description

一臂多叶垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机，具体是指一种用多片小尺寸风叶来代替一臂单叶的大尺寸风叶、更好地利用风能、提高效率的一臂多叶垂直轴风力机。

背景技术

风力机是由风轮在风力的驱动下旋转从而将风能转化成动能的设备，常用于大中小型风力发电系统中。垂直轴风力机是现有风力机常见的类型之一，中国发明专利申请200710029767.7公开了一种叶片可摆动的垂直轴风力机，它包括风叶、风叶转轴、用于输出动力的风机转轴和安装在风机转轴上且可与风机转轴同步转动的风叶架，其中，风叶架是一个由上、下成对设置的至少三对叶臂和一对环形框架组成的以风机转轴为圆心的用于安装风叶的环形支架，每对叶臂均以风机转轴为圆心沿径向向外伸展，其外端与环形框架相连，其中心部竖向安装风机转轴，使风机在水平面上旋转，风叶则通过风叶转轴安装在风叶架之环形框架上，并沿风叶架的圆周均布，在环形框架上还安装有限定风叶摆动角度的摆角限位机构，它由挡块和限位块组成，其中，挡块位于风叶转轴与风机转轴之间的连线上，限位块则位于与挡块相对的风叶的另一边。风力机在任意水平风力的作用下，均能顺着风力方向，以风机转轴为界划分迎风区和逆风区两个区域，在所述两区域的风叶分别处于迎风和逆风两个相反作用的状态，使风叶在迎风区承受风能驱动风机转轴转动，风叶靠摆角限位机构限制其摆动的角度，迎风时叶片被风力吹动而摆动，直至靠在挡块上形成迎风面；当风叶随风叶架旋转到逆风区时，在风力的作用下摆靠到摆角限位块处，逐渐离开摆角限位块直至与风向平行，使风阻减至最小。其基本结构是风叶架上以风机转轴为圆心的安装风叶的同一转角径向上只安装一个风叶，即为单向单叶结构。其不足之处是：当风叶运行至逆风方向时，风力机虽然可以通过摆动风叶的角度来减少迎风面积，以降低逆风阻力，但由于其采用的是单向单叶结构，且通常因为要提高风力机的功率而将单片风叶的尺寸做得尽可能地大，导致风叶摆动的惯性也很大，因此，会造成风叶因惯性大而难以将风叶摆动到合适的角度，使得风叶仍须克服逆风阻力而消耗一定的能量，导致降低风力机的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用多片小尺寸风叶来代替一臂单叶的大尺寸风叶、更好地利用风能、提高效率的一臂多叶垂直轴风力机。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一臂多叶垂直轴风力机，它包括风叶、风叶转轴、风机转轴、叶臂和风叶摆动限位机构，其中，风叶摆动限位机构由挡块和摆角限位块组成，其特征在于：叶臂是一端连接在风机转轴上，另一端以风机转轴为圆心径向悬臂伸出，在每一个叶臂上安装有两片或两片以上的风叶，每片风叶均通过竖向连接在叶臂上的风叶转轴而铰接在叶臂上，并由风叶摆动限位机构限制每片风叶的摆动角度。

使用时，由于本发明采用的一臂多叶结构，将传统的单向单叶的风叶结构做成二片或者多片小尺寸的多叶结构，即将现有技术的大尺寸单片风叶改为小尺寸的多片风叶组合，总体迎风面积基本不变，但却大大减小了单片风叶的摆动惯性。风力机在任一水平风向的风吹动下均可运转，如图8所示，风叶在迎风区(图示A区)被风力吹动而摆动，直至靠在挡块上形成迎风面，这时单个叶臂上的二片或数片的小风叶可相当于一片大风叶，承接风能的能力不会因每片风叶的尺寸减小而降低，从而推动风力机转动，这个状态一直持续到该叶臂进入逆风区为止。而处于逆风区(图示B区)的叶片在最初进入逆风区时，因风力的推动摆靠到摆角限位块处，使风叶的方向与顺风区的风叶方向类似，亦有利于风力机的转动；随着叶臂的转动和风力的作用，进入逆风区的风叶会逐渐离开摆角限位块直至与风向平行，使风阻减至最小。再加上每片风叶因风叶的惯性减小而能迅速转动到最小迎风面的角度上，因此，能更好地更充分地利用风能，明显地提高风力机的效率，使风力机在很小的风力作用下就能被推动并不断地转动。

本发明所述的风叶形状不限，可以是各种几何形状或者无规则形状，但优选矩形叶片形状，且竖向尺寸大于等于横向尺寸，有利于使风叶惯性进一步降低。

本发明还可以作进一步改进：为提高叶臂的强度和稳定性，可在叶臂的悬臂部增设至少一个环形框架构成风叶架；还可以是由上、下二层的叶臂和环形框架组成立体的环形支架，上、下对应的叶臂称为一对叶臂，风叶通过风叶转轴而竖向铰接在一对叶臂之间的空间处。

本发明所述的风叶架还可以制成板状结构，即叶臂与环形框架合为一个平板，风叶架的此种结构适合于小型的风力机，它具有比前述风叶架更好的强度和稳定性。

本发明中成对设置的叶臂可采用直臂结构，安装在同一对叶臂之间的多片风叶之间呈直线排列。

本发明中成对设置的叶臂也可采用弯折臂结构，每一条叶臂均具有一个或一个以上的折角α，每一个折角的两组成线上分别安装有至少一片风叶，所述叶臂上的折角在120°～180°之间。其优点是能使处在迎风区的风叶具有更好的兜风效果，更有利于风能的利用。

本发明中成对设置的叶臂还可采用弧形臂结构，作用与弯折臂结构相似，不但具有比直臂结构更好的兜风效果，而且还会比弯折臂有更好的结构强度。

本发明中，对应于每个风叶设置一摆动限位机构，所述的摆动限位机构由挡块和摆角限位块组成，其中，挡块在叶臂上，同一条叶臂上针对二片或者多片风叶设置的多块挡块均设置在叶臂的同一侧，摆角限位块则可安装在风叶转轴上，或可安装在叶臂上，并相对于挡块位于风叶的另一侧，以便使风叶的摆动角度γ在80°～170°之间的范围内。

本发明还可以作如下改进：所述的风叶架为两个或两个以上的多个，多个风叶架自上而下排列在风机转轴上。风叶架采用多架结构，有利于在同等功率情况下减小风叶架外廓及风叶尺寸，提高转速和受风面积。

所述的风叶架为两个，位于上部的风叶架为上风叶架，位于下部的风叶架为下风叶架，上风叶架和下风叶架在水平面上的投影可以重合，也可以具有错位夹角。其中，当上风叶架和下风叶架在水平面上的投影具有错位夹角时，风力机具有更好的转动效果。

与现有技术相比，本发明的风力机采用一臂多叶结构，在每一个叶臂上设置多个风叶来代替现有技术中单一的大尺寸风叶，使每片风叶尺寸变小，而单一叶臂上的受风面积则基本保持不变，不但承接风能的能力不会因每片风叶的尺寸减小而降低，而且还能有效地减小风叶摆动时的惯性；如果采用弯折或者弧形叶臂，使相邻的靠在挡块处的风叶之间具有一定的夹角α，则能使风叶在进入迎风区叶臂与风向的夹角达到90°之前的具有比直臂结构的叶臂更大的迎风面积，从而进一步利用风能，提高风力机的效率；另外，风叶尺寸变小也给风力机的制造、安装、运输和维护带来很大的便利。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例一的整体透视结构示意图；

图2是本发明实施例一的结构示意主视图；

图3是本发明实施例一的俯视图；

图4是本发明实施例二的整体透视结构示意图；

图5是本发明实施例二的结构示意主视图；

图6是本发明实施例二的俯视图；

图7是本发明实施例三的结构示意主视图；

图8是本发明实施例三的结构示意俯视图；

图9是本发明实施例四的结构示意俯视图；

图10是本发明实施例五的结构示意主视图；

图11是本发明实施例五的结构示意俯视图；

图12是本发明实施例六的整体透视结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图3所示的一臂多叶垂直轴风力机是本发明的实施例之一，它包括风叶1、风叶转轴6、用于输出动力的风机转轴7、安装在风机转轴7上且可与风机转轴7同步转动的风叶架，风叶架为以风机转轴7为圆心的等分设置的五对径向叶臂3、3′和两个环形框架4、4′组成的具有立体式环形支架，叶臂3、3′的一端安装在风机转轴7上，另一端以风机转轴为圆心径向悬臂伸出并与环形框架4、4′相连，叶臂3、3′采用弯折臂结构，每一条叶臂均具有两个弯折部3a、3b，两个弯折部3a、3b之间具有的折角即叶臂的折角α为170°。

风叶1为竖向尺寸大于横向尺寸的矩形叶片结构，每个风叶1均与一风叶转轴6固定连接，做成一个整体叶片单元结构，风叶转轴6竖向设置在叶臂3、3′之间，其两端分别通过轴承8铰接在叶臂3、3′上，从而使风叶1通过风叶转轴6竖向铰接在风叶架上，叶臂的每一个弯折部3a、3b上均安装有一片风叶，即在每一对叶臂3、3′之间设置有两片风叶1，由此构成该风力机共包含10片风叶和10根风叶转轴。

本实施例中的摆动限位机构由挡块2和摆角限位块5组成，在叶臂3上对应其上的每一片风叶1均安装有挡块2，同一条叶臂3上的两块挡块2位于叶臂的右侧，摆角限位块5用于限定风叶1从挡块2向自由空间摆动最大角度γ，它安装在叶臂的端头，向下凸出，使风叶1实际上位于摆角限位块5和挡块2之间，本实施例中的γ为120°。

实施例二

本发明一臂多叶垂直轴风力机的实施例二如图4至图6所示，和实施例一不同的是，本实施例中的风叶架为五对径向叶臂3、3′和三个环形框架4、4′、4″组成的支架结构，每一条叶臂均具有两个折角α1、α2和三个弯折部31、32、33，其中，折角α1、α2分别为165和160°，叶臂3每一个弯折部31、32、33上均对应安装有一片风叶1，即在成对设置的一对叶臂之间安装有三片风叶，相应的位于一对叶臂之间的风叶转轴6也为三根，并竖向固接在叶臂上，与风叶架构成一个整体结构，风叶则铰接在风叶转轴上，本实施例的风力机共包含15片风叶和15根风叶转轴，在每一条叶臂3上对应每三片风叶1均安装有挡块2，所述挡块2均位于叶臂的同一侧，而摆角限位块5则可安装在风叶转轴上，并相对于挡块2位于风叶1的另一侧，由于风叶1可绕风叶转轴6摆动，因此，风叶1可以从挡块2处向自由空间摆动，直至风叶碰到风叶转轴6上设置的摆角限位块5为止，从而使风叶的摆动角度限制在γ角度的范围内，本实施例的γ为160°。

实施例三

本发明一臂多叶垂直轴风力机的实施例三如图7至图8所示，和实施例一不同的是，本实施例中的风叶架为两个风叶架构成的支架结构，两个风叶架自上而下排列在风机转轴7上，位于上部的风叶架为上风叶架，位于下部的风叶架为下风叶架，上风叶架和下风叶架在水平面上的投影相重合，安装在上风叶架的叶臂上的风叶和安装在下风叶架的叶臂上的风叶的投影面也相重合。

实施例四

本发明一臂多叶垂直轴风力机的实施例四如图9所示，和实施例三不同的是，本实施例中上风叶架和下风叶架在水平面上的投影不相重合，两者具有错位夹角β，安装在上风叶架的叶臂上的风叶和安装在下风叶架的叶臂上的风叶的投影面也具有错位夹角β。

实施例五

本发明一臂多叶垂直轴风力机的实施例五如图10和图11所示，与前述实施例不同的是，在本实施例中，叶臂3为直臂，且为单层结构，它的一端连接在风机转轴7上，另一端以风机转轴7为圆心径向悬臂伸出，在每一个叶臂3上安装有两片的风叶1，每片风叶1均在中部通过竖向连接在叶臂3上的风叶转轴6而铰接在叶臂上，并由风叶摆动限位机构限制每片风叶1的摆动角度，所述风叶摆动限位机构中的挡块可省略，叶臂3本身就具有挡块限位的功能了。

实施例六

本发明一臂多叶垂直轴风力机的实施例六如图12所示，与实施例一不同的是，在本实施例中，所述的由上、下两层叶臂与环形框架构成立体式风叶架为合为上、下两圆板状结构，由风叶转轴6连接两圆板构成风叶架，风叶1铰接在风叶转轴6上。风叶摆动限位机构中的挡块2和摆角限位块5设置在风叶架的圆板上并均向架内空间凸起，且图示的在风叶架的圆板上虚拟线(双点划线)显示的是叶臂的轨迹，挡块2仍沿该叶臂轨迹设置，摆角限位块5则安装在风叶相对于挡块2的另一侧，使风叶1夹在挡块2和摆角限位块5之间。

以上实施例仅用于阐述本发明，而本发明的保护范围并非仅仅局限于以上实施例，比如所述单一叶臂上设置的风叶数量可根据风力机的大小来设定，对于大的风力机而言，单一叶臂上设置的风叶数量可以是多达10至数十个。所述技术领域的普通技术人员依据本发明公开的内容，均可实现本发明的目的。

Claims (9)

1.一臂多叶垂直轴风力机，它包括风叶、风叶转轴、风机转轴、叶臂和风叶摆动限位机构，其中，叶臂是一端连接在风机转轴上，另一端以风机转轴为圆心径向悬臂伸出，所述风叶摆动限位机构由挡块和摆角限位块组成，其特征在于：在每一个叶臂上安装有两片或两片以上的风叶，每片风叶均通过竖向连接在叶臂上的风叶转轴而铰接在叶臂上，对应于每片风叶均设置有所述的风叶摆动限位机构，以限制每片风叶的摆动角度，所述风叶摆动限位机构中的挡块设置在叶臂上，同一条叶臂上针对二片或者多片风叶设置的多块挡块均设置在叶臂的同一侧，摆角限位块安装在风叶转轴上或者安装在叶臂上，并相对于挡块位于风叶的另一侧，以便使风叶的摆动角度γ限制在80°～170°之间的范围内。

2.根据权利要求1所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：在所述叶臂的悬臂部增设至少一个环形框架构成风叶架。

3.根据权利要求2所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述的风叶架是由上、下二层的叶臂和环形框架组成立体的环形支架，上、下对应的叶臂称为一对叶臂，风叶通过风叶转轴而竖向铰接在一对叶臂之间的空间处。

4.根据权利要求2所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述的风叶架为板状结构，即叶臂与环形框架合为一个平板。

5.根据权利要求2所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述成对设置的叶臂为直臂结构，安装在同一对叶臂之间的多片风叶之间呈直线排列。

6.根据权利要求2所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述成对设置的叶臂为弯折臂结构，每一条叶臂均具有一个或一个以上的折角α，每一个折角的两组成线上分别安装有至少一片风叶，所述叶臂上的折角在120°～180°之间。

7.根据权利要求2所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述成对设置的叶臂为弧形臂结构。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述的风叶架为两个或两个以上的多个，多个风叶架自上而下排列在风机转轴上。

9.根据权利要求8所述的一臂多叶垂直轴风力机，其特征在于：所述的风叶架为两个，位于上部的风叶架为上风叶架，位于下部的风叶架为下风叶架，上风叶架和下风叶架在水平面上的投影相重合，或者两者具有错位夹角。

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