CN101949355B - 垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风力机，它包括转动部件、多个叶片组，转动部件具有一转动轴线及自其转动轴线向外呈放射状延伸的多个支架，支架成对地设置且每对支架分别处于转动轴线的相对两侧，各叶片组安装在相应的支架上，且多个叶片组位于各支架的同一侧。叶片的根部与支架相转动连接，相对两个支架上的叶片之间连接牵引装置并分别通过该牵引装置给彼此施加牵拉力。叶片正面受到气流冲击时在两侧受压的情况下展开而封闭在叶片架上，使叶片几乎完全接受风力，当叶片背面受到气流冲击时，由于没有任何阻挡，叶片会在风力作用下被抬起，故顺风侧的叶片会封闭，逆风侧的叶片会达到与气流相平行的位置，可使转动部件产生较大的扭矩，达到接近完全接收风力的目的。

Description

垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种风力发动机，特别涉及一种垂直轴风力发动机。

背景技术

风力发动机(简称为风力机)依据其风轮结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类，即水平轴风力机和垂直轴风力机。

水平轴风力机主要由塔架、转动部件、机头以及风轮等组成，风轮由多个叶片组成，风轮安装在机头上，机头通过转动部件与塔架相转动连接，组成风轮的叶片一般为窄而长的涡轮形叶片，当自然风吹向形叶时，叶片得到一个与气流方向垂直的动力，此动力推动风轮旋转，称为有效动力，叶片同时也受到一部分与气流方向平行的力，这种力为阻力，由塔架承受，这种力称为有害动力。阻力是风轮的正面压力，为了降低阻力的破坏度，设计者通常需要将叶片做的尽量窄，以免在遭遇狂风时塔柱和叶片被吹坏，但这样会影响风力机的效率。水平轴风力机的风轮通常要造得尽量高大、坚固，以得到更强的有效动力，同时弥补效率和抗风性的不足，但这使得风力机的造价过高。

垂直轴风力机目前也逐渐被广泛利用，主要由塔架、转动部件及风轮等组成，其风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，按照风向和风轮旋转轴来区分叶片，位于旋转轴左侧的叶片顺着自然风运转，即利用空气流过叶片产生的阻力驱动而转动，位于旋转轴右侧的叶片则会逆着自然风运转，叶片固定在一连接于转动部件的支架上，叶片可以设计为曲面形，左侧叶片的凹面部分接收的风力阻值大于右侧叶片的凸面部分接收的风力阻值，理论上，有效动力＝左侧叶片阻力-右侧叶片阻力，有害动力＝左侧叶片阻力+右侧叶片阻力-有效动力，由这些公式可以看出，垂直轴风力机对风力的利用效率较低，而抗风能力也较差。

本领域有些技术人员也因意欲克服上述的缺点而作出了一些发明，例如有一种垂直轴风力发动机，其主体框架是由主转轴、自主转轴向外辐射延伸形成的若干个叶片组支架构成的，叶片组由多个固定平行的叶片组成，叶片与主转轴相平行地设置。叶片组支架上有一转轴，该转轴上方的齿轮与主转轴上的齿轮通过传动链条来联系，且主转轴上的齿轮齿数小于叶片组上方的齿轮齿数，通过齿轮传动使叶片组转动，从而回避逆风，以提高动力，但同时也消耗了部分有效动力，因此该装置实际上并未达到高效利用风能的目的。另外，要在逆风侧使叶片组平行于自然风向，必须在特定风向下才能实现，假如改变风向，就需要涉及到的所有辅助部件来发挥作用，辅助部件包括控制马达、闭环控制器、风标、编码器、风速计、流速计、齿轮传动机构等。这种风力机造价很高，且结构复杂，故障率很高，相应地增加了日常使用成本。

发明内容

为克服上述缺点，本发明目的是提供一种垂直轴风力机，其可以在低成本的前提下提高风能利用效率和抗风性能。

本发明的技术方案是：一种垂直轴风力机，它包括可转动地安装于一支撑部件的转动部件、多个叶片组，转动部件具有一转动轴线，且该转动部件具有多个自其转动轴线向外呈放射状延伸的支架，各叶片组连接于支架。支架成对地设置且每对支架分别处于转动轴线的相对两侧，多个叶片组位于各支架的同一侧，每个叶片组包括至少一个叶片，叶片具有正面、背面、根部和自由端，叶片的根部与支架相转动连接，叶片的自由端或者位于自由端与根部之间的一部分转动连接至一可复位的牵引装置，相对两个支架上的叶片与同一牵引装置相连接且两个支架上的叶片分别通过该牵引装置给彼此施加牵拉力，在每对支架上的叶片组和牵引装置平衡的状态下叶片相对于转动轴线倾斜且叶片的自由端所处的位置都处于根部所处位置的下侧。各支架上具有横杆，横杆处于叶片的背面一侧并在叶片正面受到冲力时对叶片自由端的背面提供阻挡力。以任一角度为观测方向，按转动部件的转动轴线将分处于一对支架上的叶片组分为左侧叶片组和右侧叶片组，当自然风吹向左侧叶片组的叶片正面时，受叶片背面的横杆阻挡，叶片全部关闭，即叶片的正面几乎完全受风压，而右侧叶片组的叶片背面受到风力冲击正面无阻挡，同时，左侧叶片组通过牵引装置给右侧叶片组施加拉力，故右侧叶片组中的叶片即使在风力很弱的情况下也会达到几乎水平的位置，使得右侧叶片组上受到的阻力几乎为零，这可使转动部件产生较大的扭矩，达到接近完全接收风力的目的，有效动力得到提高，有害动力则大大降低。而当遭遇狂风天气时，可以通过牵引装置牵拉叶片，使得所有叶片都打开，以避免整个装置遭破坏。

进一步地，牵引装置包括分别与各个支架上的一组叶片相转动连接的伸拉杆、连接于对应于每对支架的伸拉杆之间的拉绳，拉绳被一托盘所支撑。当左侧叶片组在风力作用下关闭时，叶片会带着与其相连接的伸拉杆移动，因而通过拉绳牵拉对侧的叶片组上连接的伸拉杆移动，从而对右侧的叶片朝水平方向变化起到助推作用。

托盘可以通过一顶升装置控制而升降移动，顶升装置可以包括用于顶升或下拉托盘的顶拉杆、控制顶拉杆移动的丝杠和螺母组合、驱动丝杠转动的电机。电机驱动丝杠转动，使得螺母带着顶拉杆移动，从而实现自动控制托盘移动，拉绳因此随之移动，在狂风天气里，可通过这种方式使得叶片在拉绳的牵拉下到达水平位置，以避免设备遭破坏，而在正常使用时，如果因拉绳过长而导致左、右侧的叶片无法分别达到闭合、水平打开的理想状态，也可以通过控制托盘移动的方式来进一步张紧。

更进一步地，顶拉杆上可以连接一点动装置，在该点动装置的上侧和下侧分别都有一控制电机的行程开关，在点动装置触动行程开关时，电机停止运转。为了防止顶拉杆移动过度，通过行程开关来控制其停机。

优选地，在托盘的两侧分别有一用于走拉绳的第一滑轮，第一滑轮安装在支架上。拉绳经过第一滑轮移动，可在低摩擦的前提下被导向。

优选地，各支架上在叶片组的上方安装有用于走拉绳的第二滑轮。第二滑轮对拉绳起到轨道作用，且与拉绳之间的摩擦较低。

进一步地，各叶片分别具有一叶片转轴线，叶片相对支架可绕自身的叶片转轴线转动，叶片转轴线垂直于转动部件的转动轴线。当自然风吹到叶片的背面时，叶片绕叶片转轴线转动可达到气流方向位置，以减少无效动力和有害动力的产生。

更进一步地，每个叶片组可以包括多个叶片，每个叶片组的多个叶片的叶片转轴线相互平行。这样的话，同一叶片组上的叶片在背面受风时可被同步抬起。

优选地，叶片可以为平板形状，当然，也可采用弧形的叶片，而当叶片被抬起时，平板形的叶片能达到平行于风向的状态。

优选地，叶片具有分列于横向两端的外侧端和内侧端，叶片与牵引装置相连接的部位处于叶片的外侧端的中部。此处的中部包含外侧端的中心位置及周围区域，并不是特定指叶片外侧端的中点。牵引装置连接至叶片外侧端的中部有利于顺风侧和逆风侧的叶片以及牵引装置保持平衡和联动，且结构也比较容易成形。

与现有技术相比，本发明的优点是：由于打开的叶片受到的风压几乎为零，故闭合叶片所受的风力可被近乎完全地转化为有效动能，该风力机对风力的有效利用率得到提高。而由于处于相对两侧的叶片组会通过牵引装置相互作用，故如果在弱风条件下，顺风侧的叶片在风力和重力作用下被关闭时，逆风侧的叶片也会被风力和牵引力的双重作用下被抬起而达到水平位置，从而在弱风情况下也能充分高效地利用风力。

附图说明

附图1为根据本发明实施的一种风力机的应用图；

附图2为图1所示风力机的风轮部分的俯视图；

附图3为图2所示结构转过一个角度后的俯视图；

附图4为按照本发明实施的一种风力机的应用示意图；

附图5为按照本发明实施的一种风力机的应用立体图。

其中：10、风力机；11、转动部件；111、叶片支撑框体；112、叶片架转轴；113、叶片架；12、塔架；13、叶片组；130、叶片；21、拉绳；22、伸拉杆；23、转动连接点；24、弹簧；30、托盘；31、顶拉杆；311、点动装置；32、；行程开关；33、丝杠螺母组合；34、电机；41、第一滑轮；42、第二滑轮；。

具体实施方式

参见图1所示的实施例，与现有的垂直轴风力机相似，图中所示的结构主要由塔架12、转动部件11、叶片组13构成，而本发明的叶片组13的构成和安装方式与现有技术存在很大的区别。转动部件11通过叶片架转轴112回转支承于塔架12，将塔架12安装在地面上的话，叶片架转轴112的轴心线即相对地面垂直。本文中所谓的垂直轴是针对流体的流动方向来说的，如果将风力机按照图1所示的那样实施安装的话，叶片架转轴112的轴心线即垂直于地面或气流方向。

见图1-3所示的实施例，转动部件11具有多个自叶片架转轴112的轴心线呈放射状地向外延伸的叶片架113，叶片组13即连接于叶片架113上，并且，所有的叶片组13分别处于对应叶片架113的同一侧，如：按顺时针方向看的话，每组叶片组13都处于叶片架113的后侧，就像图2-3所示的那样。

每个叶片组13应包括至少一个叶片，而在图1所示的实施例中，每个叶片组13有多个叶片130，这些叶片130按纵向排列，但也可按照其他方式排列，而叶片130自身最好是横向设置的。叶片130具有正面、背面、根部和自由端，这几个部分都是根据描述需要而定义的，正面即指顺风侧的叶片130的对着风向的面，也就是对应于图1中处于叶片架转轴112左侧的叶片130的呈现在纸面上的面；背面即指的与正面相反侧的面；根部是指与叶片架113相连接的部分；自由端则指的与根部相对的侧端。

叶片架113成对地设置且每对叶片架113分别处于叶片架转轴112的相对两侧，在图1-5所示的实施例中，叶片架113有两对，但这只是为了图示方便，实际数量不限于此。叶片130的根部与叶片架113相转动连接，在无风状态下，叶片130的自由端会在重力作用下自然下垂而处于根部之下。在两相对叶片架113上的叶片130之间连接可复位的牵引装置，两侧的叶片130分别通过该牵引装置给彼此施加牵拉力，该牵引装置应使得叶片130相对于叶片架转轴112的轴心线倾斜，且应保证在平衡状态下叶片130的自由端所处的位置都处于根部所处位置的下侧。在1和图4所示的实施例中，叶片130外侧端的大致中部连接至牵引装置，当然也可以是其他位置，如自由端或叶片内外两侧端等等，但连接于叶片外侧端更有利于两侧的叶片保持平衡。

每个叶片130可以分别具有独立的叶片转轴线，较为理想的方式是：每个叶片130的叶片转轴线都垂直于叶片架转轴112的轴心线，就像各图所反映的实施例一样；更为理想的方式是：每个叶片组13中的所有叶片130的叶片转轴线相互平行。

叶片架113上设有叶片支撑框体111，叶片支撑框体111可以与叶片架113一体构造，即：叶片架113可以为框架式结构。叶片支撑框体111处于叶片130的背面一侧，当叶片130的正面受到流体冲击时，叶片支撑框体111即对叶片130的背面提供阻挡力。以气流为例，见图2-4所示，各图中的一排箭头W即代表自然风，当风朝叶片130的正面吹时，叶片130的背面会迅速倚靠在叶片支撑框体111上，这会使叶片130的正面接受风力全压，与此相反，当叶片130的背面受压时，叶片130就会被气流抬起而打开，理论上与气流方向相平行的部分即感受零压。图1所示即为一种理想位置，自然风朝向纸面，叶片架转轴112左侧(即顺风侧)的叶片130正面受风压，左侧的叶片组13上产生风力全压，而叶片架转轴112右侧(即逆风侧)的叶片则被风抬起，右侧的叶片组上产生的风压几乎为零，这使得转动部件11上产生更大的扭矩，可达到近乎完全接收风力的目的，使有效动力增加；而由于叶片架转轴112右侧的叶片被抬起，使得整体负载减轻，故左侧的叶片130因风压而关闭在叶片支撑框体111上后会快速旋转，可以避开超重压风的破坏性袭击，而右侧的叶片接收的风压几乎为零，故也可避开风的袭击，因此，即使遭遇狂风，由于左、右侧叶片都可躲避袭击，也能保持良好的抗风性。

上述的叶片支撑框体111由于起支撑作用的主要为其横杆部分，故也可以为杆式构造，不一定要为框式封闭结构。

而在上述的顺风侧叶片封闭逆风侧叶片被抬起的过程中，左侧的叶片130会通过牵引装置带动右侧叶片，从而对右侧叶片的抬起提供辅助作用。当风量非常弱时，仅靠风力可能无法抬起右侧的叶片130，此时这种辅助作用就显得尤为重要。

牵引装置可以参照图4所示的实施例，包括分别与相对两侧的一组叶片相转动连接的伸拉杆22、用于使伸拉杆22复位的弹簧24、连接于两相对的伸拉杆22之间的拉绳21，伸拉杆22在叶片130的转动连接点23与叶片相连，拉绳23被一托盘30所支撑，通过托盘30的移动可使拉绳23根据需要调整张紧度。托盘30与拉绳21之间可以无连接点，也可以作转动连接，而拉绳21应能在转动连接点上来回移动。

在图4所示的实施例中，托盘30被一顶升装置控制而可升降移动，顶升装置包括用于顶升或下拉托盘30的顶拉杆31、控制顶拉杆31移动的丝杠和螺母组合33、驱动丝杠转动的电机34。电机34可以安装在转动部件11上，而图4中所示的安装在叶片架转轴112处是一种优选的方式。

顶拉杆31上连接有一点动装置311，在该点动装置311的上侧和下侧分别都有一控制电机34的行程开关32，在点动装置311触动行程开关32时，电机34停止运转。为了防止顶拉杆31移动过度，通过行程开关来控制其停机，此技巧为常用技术，在此不进一步描述。

在托盘30的两侧分别有一用于走拉绳21的第一滑轮41，第一滑轮41可以安装在叶片架113上。而叶片架113上在叶片组13的上方安装有用于走拉绳21的第二滑轮42。滑轮的设置，既能提供导向、支撑作用，又能减小摩擦。

叶片130可以如图4-5所示的那样为薄片状，叶片130的下侧端可以随重力自然下垂，而在正面受风压时，叶片130可以迅速在叶片支撑框体111上关闭，在背面被气流冲击时，叶片130可以迅速被抬起而感受近乎零压。叶片130可以为平板形构造，当然也可以为弧形构造，而平板形的叶片130能更好地平行于气流方向。

叶片130可以由刚性材料制成，也可以由柔性材料制成，而刚性材料的抗拉抗风性更好，更容易与伸拉杆22作连接。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直轴风力机，它包括

可转动地安装于一支撑部件的转动部件，该转动部件具有一转动轴线，且该转动部件具有多个自其转动轴线向外呈放射状延伸的支架；

多个叶片组，各叶片组连接于所述支架；

其特征在于：所述支架成对地设置且每对支架分别处于转动轴线的相对两侧，多个叶片组位于各支架的同一侧，每个叶片组包括至少一个叶片，叶片具有正面、背面、根部和自由端，叶片的根部与支架相转动连接，叶片的自由端或者位于自由端与根部之间的一部分转动连接至一可复位的牵引装置，相对两个支架上的叶片与同一牵引装置相连接且两个支架上的叶片分别通过该牵引装置给彼此施加牵拉力，在每对支架上的叶片组和牵引装置平衡的状态下叶片相对于转动轴线倾斜且叶片的自由端所处的位置都处于根部所处位置的下侧，各支架上具有横杆，所述横杆处于叶片的背面一侧并在叶片正面受到冲力时对叶片自由端的背面提供阻挡力。

2.根据权利要求1所述的风力机，其中，所述牵引装置包括分别与各个支架上的一组叶片相转动连接的伸拉杆、用于使伸拉杆复位的弹簧、连接于对应于每对支架的伸拉杆之间的拉绳，所述拉绳被一托盘所支撑。

3.根据权利要求2所述的风力机，其中，所述托盘被一顶升装置控制而可升降移动，所述顶升装置包括用于顶升或下拉托盘的顶拉杆、控制顶拉杆移动的丝杠和螺母组合、驱动丝杠转动的电机。

4.根据权利要求3所述的风力机，其中，所述顶拉杆上连接有一点动装置，在该点动装置的上侧和下侧分别都有一控制电机的行程开关，在点动装置触动行程开关时，电机停止运转。

5.根据权利要求2-4之一所述的风力机，其中，在托盘的两侧分别有一用于走拉绳的第一滑轮，所述第一滑轮安装在支架上。

6.根据权利要求2-4之一所述的风力机，其中，各支架上在叶片组的上方安装有用于走拉绳的第二滑轮。

7.根据权利要求1-4之一所述的风力机，其中，各叶片分别具有一叶片转轴线，叶片相对支架可绕自身的叶片转轴线转动，所述叶片转轴线垂直于转动部件的转动轴线。

8.根据权利要求7所述的风力机，其中，每个叶片组包括多个叶片，每个叶片组的多个叶片的叶片转轴线相互平行。

9.根据权利要求1-4之一所述的风力机，其中，叶片为平板形状。

10.根据权利要求1-4之一所述的风力机，其中，叶片具有分列于横向两端的外侧端和内侧端，叶片与牵引装置相连接的部位处于叶片的外侧端的中部。

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