CN101260862B - 一种通过对叶片方向进行控制的垂直轴风力机装置 - Google Patents

Abstract

一种通过对叶片方向进行控制的垂直轴风力机装置，由垂直轴、叶片架、叶片、导轨、齿轮齿条机构等组成。通过对叶片转角的控制，保证叶片始终能够在一个半圆内以宽大的面积承受风的推力，而在另一个半圆内以窄小的流线体减小风的推力，使叶片在风的作用下既能够产生推动垂直轴转动的推动力，绕垂直轴转动，其本身又能够根据受力需要绕自己的轴线转动。当叶片分布合理(如均匀分布3对或4对时)，在一定的风速作用下，即可产生推力差以形成直接推动垂直轴转动的工作扭矩。该装置的转矩输出不需改变方向即可驱动工作机，能有效提高风力机的效率，简单实用。

Description

一种通过对叶片方向进行控制的垂直轴风力机装置

技术领域

本专利技术属于机电一体化领域，涉及风力利用技术，能应用自然界可再生能源——风力为人类发电、提水灌溉、驱动各类旋转工作机。

背景技术

随着社会经济的发展，能源越来越紧张，风力作为一种不污染环境的可再生能源，在发电等领域日益受到重视，获得广泛应用。目前应用比较成熟的风力机大部分均为水平轴，受环境的影响，其动力常常要通过机构转换成垂直轴的才能用于驱动工作机，使机构复杂、能量消耗、造价提高、安装困难，降低了风能的利用率，限制了其应用范围。

发明内容

本专利技术通过对叶片方向的控制，始终保持分布在两半圆的叶片具有不同的受力面积，一半的叶片以尽可能宽大的面积对着风吹来的方向，并产生最大的切向推动力，径向力基本相互抵消；而另一半的叶片以窄小的流线形面积对着风吹来的方向，产生尽可能小的切向推动力，并使其差异最大。在同向风力作用下，其切向的推动力可以产生转矩以直接推动垂直轴旋转，带动工作机(如发电机)做功。

叶片(2)的横截面形状为扁长的流线形，以利于通过改变不同分布位置叶片承受风力的面积来改变叶片所受到风的推力，有利于产生最大的切向力。其下部固定着同轴齿轮，由齿条(4)推动，可以绕自身的轴线作附加的转动。这样，叶片在风力的推动下，可带动叶片架(6)和垂直轴(1)绕垂直轴中心转动做功，同时根据产生最大切向力的需要绕自身轴线自转。齿条受凸轮(5)的导轨和弹簧(7)的共同作用沿凸轮径向做往复远动，驱动叶片自转。为了减小摩擦，齿条的顶端装有单列向心球轴承(9)以滚代滑。

为了产生最大的切向力，凸轮导轨的设计至关重要。首先必需保证导轨有一个固定的轴线与风向平行，本专利通过在凸轮上加装风向标，使导轨的一个轴线随风向摆动，使之与风向基本平行。如图2所示，设竖轴为与风向平行的方向，其与导轨的交点为B，从B开始绕逆时针方向转360度，将导轨分成三段曲线，其中二段为阿基米德螺线，一段为圆弧。从导轨横截面看，由正对着风向的导轨面上的一点(即竖轴与导轨的交点)，其与凸轮旋转中心的距离为R；按逆时针方向转过150度，其距离仍然为R，这一段导轨曲线为圆弧。再按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd；继续按逆时针方向转过180度，其距离又变为R；这二段导轨曲线均为阿基米德螺线。其中R为导轨面到凸轮旋转中心(与垂直轴同轴)的原始中心距，d为叶片下部固定连接的齿轮分度圆直径。第一段导轨可使叶片绕垂直轴转动时其对称面(即导轨横截面的长轴)沿导轨径向分布，以尽可能宽大的侧面承受风力，并有利于产生切向力，切向力则产生推动垂直轴转动的有效转矩；第二段导轨可使叶片在绕垂直轴逆时针转动的同时，另外附加逆时针转动180度，使叶片以扁长流线形对称面与风向平行，这时叶片基本上位于风力产生转矩的死点附近，对于风力产生的转矩影响不大。；第三段导轨可使叶片在绕垂直轴逆时针转动180度的同时，另外附加顺时针转动180度，使其对称面始终保持与风向平行，这时风力产生的阻力矩最小。各段导轨间用平滑曲线连接。由于叶片在第一段时产生的有效转矩大大地大于其在第三段时产生的阻力矩，推动垂直轴作逆时针的持续转动，使本风力机能够产生有效的转矩，不需要通过机构变换转轴的方向，就可以直接推动载荷(工作机)做功。上述导轨曲线产生逆时针方向的转矩，如果需要产生顺时针方向的转矩，可以按照前述原理，将导轨曲线反方向就能实现。

附图说明

图1为本风力机主视图，表示风力机正常安装时的结构示意。

图2为叶片在圆周上分布示意图，表示叶片绕垂直轴转动时，在导轨和齿轮齿条机构共同作用下，在不同位置的叶片朝向。

图3为导轨及风向标的正面结构示意图。

图4为导轨及风向标的俯视结构示意图。

图5为叶片组件图，表示叶片及其轴上齿轮的结构示意。

图6为叶片的横截面示意图。

图7为叶片轴下部齿轮的结构示意图。

图8为齿条组件图，表示齿条和其顶端连接的单列向心球轴承的结构示意。

具体实施方式

本专利设计的风力机叶片要满足既能够推动垂直轴转动(从远动学即公转)，其本身又能够在齿轮齿条机构的作用下绕自身轴线作必要的转动(即自转)，还要有利于产生尽可能大的转矩，因此设计成扁长的流线形。在宽面迎风时产生尽可能大的推力，转过90度以窄的流线形迎风时产生尽可能小的推力。叶片可采用玻璃钢材料制成，表面磨光以减小阻力。齿轮齿条可采用金属(或工程塑料)直接压铸成型，以减少机械加工量。它们可安装在齿轮齿条座(3)中，齿轮齿条座固定在叶片架上，叶片架固定在垂直轴上，叶片的推力通过叶片架推动垂直轴旋转。叶片可在圆周方向上均匀地分布3对(根据需要也可以均布4对)，导轨方向的布置可使叶片宽面从垂直于风向的方向往平行于风向的方向转动，或从平行于风向的方向往垂直于风向的方向转动时，均安排在风力产生转矩的死点附近，尽可能减小对有效转矩产生不利的影响。为了使凸轮导轨的竖轴跟随风的方向，在凸轮上固定连接一个风向标(8)，保持导轨的竖轴基本跟随风向，使两半圆分布的叶片保持不同的分工，这样可直接产生最大限度的垂直轴转动扭矩，不必通过相关机构改变扭矩的方向，在一定风速时即可驱动相关设备工作，机构简化、安装方便、造价适宜、便于推广。

Claims (2)

1.一种通过对叶片方向进行控制的垂直轴风力机装置，其特征在于该装置由垂直转动的垂直轴(1)，固接在垂直轴上的叶片架(6)，自身可按需要转动的叶片(2)，固定在叶片架上的齿轮齿条座(3)，安装在齿轮齿条座内的齿条(4)，可随风向摆动的凸轮(5)，弹簧(7)，固定在凸轮上的风向标(8)及装在齿条顶端的单列向心球轴承(9)组成，通过始终保持分布在以风向为轴线的两半圆上叶片具有不同的受力面积，使其差异最大，在同向风作用下产生转矩直接推动垂直轴旋转；叶片横截面为扁长的流线形，叶片轴的下部固定着一个齿轮，由齿条推动，齿条受凸轮导轨和弹簧共同作用沿凸轮径向做往复运动，驱动叶片自转；凸轮的导轨由二段阿基米德螺线和一段圆弧组成的，设以风向作为导轨横截面的竖轴，其与导轨下面交点到凸轮旋转中心的距离为R，导轨曲线按逆时针方向转过150度，其距离仍然为R，这一段导轨曲线为圆弧，再按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd，继续按逆时针方向转过180度，其距离又变为R，这二段导轨曲线均为阿基米德螺线，其中d为叶片下部固定连接的齿轮分度圆直径，各段导轨间用平滑曲线连接，上述导轨曲线产生逆时针方向的转矩，如果需要顺时针方向转矩，只要将导轨曲线反过来就能实现；凸轮上固定着所述风向标，可绕着垂直轴摆动，随时调整导轨横截面竖轴使其与风向保持平行。

2.如权利要求1所述的一种通过对叶片方向进行控制的垂直轴风力机装置，其特征在于叶片在绕垂直轴圆周上均匀分布3至4对。

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