CN101956653B - 叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机。它包括控制系统、行星齿轮箱、定轴齿轮箱、传动轴、主支撑、上下悬臂梁、轴承座、轴承、叶片、垂直轴、塔架等；垂直轴通过轴承和轴承座与塔架连接，将主支撑套装在垂直轴和轴承座的外面，使主支撑中部与垂直轴中部连接，主支撑顶端和垂直轴的轴头与行星齿轮箱底部连接，控制系统通过轴承座与行星齿轮箱顶部连接，上悬臂梁的根部和端部分别与行星齿轮箱侧面和定轴齿轮箱侧面连接，下悬臂梁的根部和端部分别与主支撑下端和轴承座连接，传动轴的两端分别与行星齿轮箱和定轴齿轮箱连接，叶片分别与定轴齿轮箱和轴承座连接，使功率输出保持在额定功率值附近。

Description

叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及风力发电机组的风力机，特别是一种叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机。

背景技术

垂直轴风力机和水平轴风力机都同属于将风能转换为机械功的动力机械。但它的技术不成熟，利用风能的效率低于水平轴风力机。

现有垂直轴风力机的技术经历了不用调向装置就能接受来自任何方向的风，但由于多数风力机的叶片与风轮之间是固定连接的关系，它们之间不能作相对运动，叶片安装角无法随风向和风速而变化，所以任何方向来的风接受的都不多，近年来逐步转变为通过微机控制各种叶片转动装置，使叶片安装角随风向而变化、叶片几何攻角跟随叶片安装角的变化而随风向变化，使风力机始终处于产生最大旋转力矩的状态，减低了启动风速，提高了风能利用率，但叶片转动装置需要一套微机控制的辅助机械设备驱动，是一种使用外助力的方法，结构复杂，制造成本高，运行的可靠性低。

由于现有垂直轴风力机没有叶片安装角随风速而变化的核心技术，当风速持续增加超过额定风速时，不能用改变叶片安装角的方法降低风轮的能量捕获，无法调节风轮的旋转速度。当风速超过工作风速范围不能制动停车，导致风力机零部件过早损坏失效、风力发电机组的发电机超出额定功率发热烧毁，减少使用寿命。

相似技术以申请号为200910071705.1的专利，其名称为“变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机”的发明专利具有代表性，其叶片攻角变化是通过风向仪联接控制器，控制以蓄电池组为电源的直流电机，再以直流电机为动力驱动多重同步带机实现的。叶片攻角只能根据风向仪测得的风向信号随风向而变化，与风速的变化无关。当风速超过额定风速，无法调节风轮的旋转速度，风速超过工作风速范围时不能制动停车，导致风力机大幅度超过额定功率值，使风力发电机组的发电机超出额定功率发热烧毁。此外，叶片转动装置是采用具有弹性的“同步带”来传递运动和力，较大型风力机采用后不能保持瞬时传动比恒定，可靠性不高，风力发电机组的发电成本高。

在现有垂直轴风力机的结构中存在有不合理之处，特别在于：固定风轮的轴肩与轴颈之间的非配合过渡轴段“轴身”位于风轮的底部，在风力的作用下垂直轴的轴身会受到很大的弯曲应力。垂直轴是垂直轴风力机不可缺少的必要零部件，出于发电成本的角度考虑，不可能采用无限加大垂直轴直径尺寸的方法来解决这一技术问题，导致目前小功率垂直轴风力机占多数，这是垂直轴风力机不能向大功率化机型发展的主要原因之一。较大型弯叶片达里厄风力机在解决风轮轴身受弯曲应力的技术问题上具有代表性，是在风轮垂直轴的轴头通过联接零部件与地面之间安装拉索，这种解决技术问题的方法增加了发电成本和占地空间。此外，这种风力机不能自行启动，需借助外助力启动，叶片安装角不能随风向而变化，更不能随风速而变化。

发明内容

本发明的目的在于大幅度提高垂直轴风力机利用风能的效率，提供一种垂直轴的轴身免受弯曲应力、叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机。

为达到上述目的，本发明由控制系统、闭式齿轮传动系统和必要零部件构成。控制系统包括：风向标1支、限位柱一对、直齿圆柱齿轮一对、由连杆和叶片构成的调速叶片一对、太阳大齿轮1个、右旋圆柱扭簧1个、控制箱1个、轴承座1个、控制立轴1根、调速立轴1根、轴承6口；闭式齿轮传动系统是由风轮中各个叶片传动分路构成的，包括：行星齿轮箱1个、定轴齿轮箱、水平传动轴、大小齿轮、轴承；必要零部件包括：垂直轴1根、垂直轴承座1个、钢桁架或钢管构成的主支撑1个、钢桁架或钢管构成的上下悬臂梁、有立轴的叶片、叶片轴承座、轴承及塔架；控制系统中的太阳大齿轮和闭式齿轮传动系统中所有的大小齿轮均为轴间夹角等于90°的标准直齿圆锥齿轮、控制系统中的太阳大齿轮和闭式齿轮传动系统中的所有大齿轮的齿数是小齿轮齿数的2倍。

本发明的特征是：

风向标指向杆的中部与控制箱的底部连接，风向标指向杆的轴线与沿控制箱长度方向的几何中心线平行。

控制立轴中上部的2个轴颈和调速立轴中上部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承与控制箱为一体的沿箱内底部长度方向的前后轴承座连接、这2根立轴中上部的轴头分别与一对直齿圆柱齿轮连接，并将一对直齿圆柱齿轮在控制箱内齿合、位于控制箱上方的控制立轴的轴头和调速立轴的轴头分别与一对调速叶片的连杆端部连接。

一对限位柱位于控制箱的顶部沿风向标的指向，分别与控制立轴的右边和调速立轴的左边连接。

调速立轴的下部位于控制箱底部的下方，将右旋圆柱扭簧套在调速立轴的外面，扭簧的上端部与控制箱的底部连接、扭簧的下端部与调速立轴的下端部连接，同时调节扭簧的扭力，使扭簧的初始扭力通过调速立轴和一对直齿圆柱齿轮同步地传递到一对左右分开的调速叶片，在扭簧初始扭力的作用下，一对调速叶片的连杆分别紧靠在左右两侧的限位柱上，一对调速叶片的连杆轴线相互平行，调速叶片的连杆轴线与风向标指向杆的轴线垂直。

控制立轴下部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承与轴承座连接、轴承座的底部与行星齿轮箱的顶部连接、控制立轴下部的轴头与太阳大齿轮连接。

垂直轴中部和下部的轴颈通过必要零部件中的轴承与垂直轴承座的上部和下部连接、垂直轴承座的底部与塔架的顶部连接。

主支撑中部以下部位的内部尺寸大于垂直轴承座的外部尺寸，将主支撑套装在垂直轴和垂直轴承座的外面，垂直轴承座中部的轴肩与主支撑的中部连接、垂直轴的轴头顶端和主支撑的顶端分别与行星齿轮箱的底部中心位置和边缘位置连接。

垂直轴中部的轴颈和中部的轴肩之间的非配合过渡轴段是垂直轴的“轴身”，轴身位于沿风轮高度尺寸的1/2处，这里是风轮几何尺寸的中心，也是风轮的压力中心点，垂直来流的空气动力作用在这个点的力矩为0(在不考虑空气动力作用在控制系统的因素下)，所以垂直轴的轴身受弯曲应力也为0。

上悬臂梁的根部和端部分别与行星齿轮箱的侧面和定轴齿轮箱的侧面连接。

下悬臂梁的根部和端部分别与主支撑的下端侧面和叶片轴承座的侧面连接。

水平传动轴两端的轴颈分别通过闭式齿轮传动系统中的轴承与行星齿轮箱侧面和定轴齿轮箱侧面连接，在行星齿轮箱内的水平传动轴的轴头与行星大齿轮连接，同时将行星大齿轮与太阳大齿轮在行星齿轮箱内齿合，在定轴齿轮箱内的水平传动轴的轴头与小齿轮连接。

叶片立轴上端的轴颈通过闭式齿轮传动系统中的轴承与定轴齿轮箱底部连接、叶片立轴上端的轴头与定轴齿轮箱内的大齿轮连接、叶片立轴下端的轴颈通过必要零部件中的轴承与叶片轴承座连接。

本发明还包括这样一些特征：

1、叶片翼型采用双凸形几何轴对称图案，相同的2个尖端分别为翼的前缘和翼的后缘。

2、叶片的结构采用等截面叶片。

3、叶片立轴的轴线均穿过叶片翼型的压力中心点。

4、风轮是单叶片、双叶片、三叶片组成。

5、控制系统的圆柱扭簧采用平面涡卷弹簧替换时，将平面涡卷弹簧的设置位置改变在控制箱内调速立轴的齿轮上方，使平面涡卷弹簧的内圈端部与调速立轴连接，外圈端部与控制箱内侧面连接，平面涡卷弹簧的安装方向为顺时针方向。

风力机在工作以前依据风向标的指向，将叶片安装角调解到风轮产生最大的旋转力矩的状态。风力机在工作时接受到空气的动力后，风向标风尾叶片产生旋转力矩带动控制箱和太阳大齿轮一起旋转，当风向标的指向偏离风向约30°时，风轮就产生较大的旋转力矩逐渐启动。因为叶片立轴的轴线均穿过叶片翼型的压力中心点，风力相对于叶片立轴产生的力矩为0，所以，组成风轮的各个叶片传动分路产生的摩擦合力加上空气绕各个叶片运动产生的摩擦合力小于风向标风尾叶片产生的旋转力矩。在这种二力不平衡的状态下，行星齿轮箱内的各个行星大齿轮均受太阳大齿轮的约束，分别随着风轮的逐渐启动绕太阳大齿轮公转。各个行星大齿轮又分别通过各自的叶片传动分路，将随太阳大齿轮公转时的旋转力矩和旋转的方向传递给有立轴的叶片。叶片在风轮上下悬臂梁的端部随风轮旋转，旋转时，叶片转速等于风轮转速1/2，叶片的旋转方向与风轮的旋转方向相反，叶片每随风轮旋转1周圈，叶片翼的前缘和翼的后缘平稳地交换1次位置。风轮每旋转10°，叶片的安装角就减少5°，就这样叶片随着风向标逐渐对准风向、随着风轮的逐渐启动、随着有确定规律地调解叶片安装角的角度，使风轮的旋转力矩从风轮逐渐启动时的较大达到最大，当风速增加到额定风速时，风力机输出额定功率，此时叶片安装角随风向而变化。

当风速增加超过额定风速以后，风力作用在一对调速叶片的合力大于扭簧的初始扭力，一对调速叶片逐渐离开限位柱并同步地向风向标风尾叶片的方向运动，每运动30°，各个叶片在一周圈各个原来位置的叶片安装角就增加15°，叶片在风轮旋转的90°位置附近出现负转矩现象，因此降低了风轮的能量捕获，使风轮转速不会持续加快，使功率输出保持在额定功率值附近，此时叶片安装角随风速而变化。

当风速持续增加，一对调速叶片继续逐渐同步地向风向标风尾叶片的方向运动。当风速超过工作风速范围时，一对调速叶片的连杆轴线与风向标指向杆的轴线平行，叶片在一周圈各个位置的叶片安装角在增加15°的基础上再增加30°，使叶片在逆风0°到180°位置的叶片安装角和叶片在顺风180°到360°位置的叶片安装角均对称相同，叶片产生的旋转力矩的大小也均相同，但叶片产生的旋转力矩的方向均都相反。在二力平衡，二力方向相反的状态下，风轮停止转动，制动停车。因此有效防止了风力机零部件过早损坏失效、风力发电机组的发电机发热烧毁。待风速减少到工作风速范围的最大风速以后，风轮逐渐自动启动旋转，重复上述运动过程。

本发明的有益效果是：

1、本风力机在不用微机控制、不用一整套辅助机械设备驱动的情况下，就能使叶片安装角随风向而变化。这项技术与背景技术相比，大幅度降低了风力机的制造成本和风力发电机组的发电成本。

2、本风力机在叶片安装角随风向而变化的基础上，还能随风速而变化，这项技术是现有垂直轴风力机所没有的核心技术。由于叶片安装角能随风向和风速而变化，叶片几何攻角也跟随叶片安装角的变化随风向和风速而变化，能有效降低启动风速、扩大工作风速范围、调节风轮旋转速度，使输出功率保持在额定功率值附近，超过工作风速范围时能制动停车，因此大幅度提高了垂直轴风力机利用风能的效率。

3、将垂直轴的“轴身”位置从风轮的底部改进设置为沿风轮高度尺寸1/2处的压力中心点，使原来“轴身”受很大弯曲应力降为0，因此垂直轴的轴头与地面之间不用安装拉索，有利于垂直轴风力机向大功率化机型发展。

4、上下悬臂梁、水平传动轴、定轴齿轮箱、叶片轴承座在随风轮旋转时，能产生飞轮效应，有贮存和释放风轮周期变化的力矩功能。上下悬臂梁能使叶片远离垂直轴，减少风轮扫掠时叶片之间产生的紊流干扰，降低实度损失，进一步提高了利用风能的效率。

5、叶片采用双凸形轴对称等截面叶片，钢度大，抗弯曲应力强，运行阻力小。

6、传动系统采用闭式齿轮传动机构，抗恶劣天气能力强、使用零部件数目少、机构紧凑、瞬时传动比恒定。本机在工作时传动的功率很小，齿轮的圆周速度最大不超过12m/s，工作可靠，延长了使用寿命。

附图说明

图1是本发明双叶片风轮钢桁架式机构运动主视示意图。

图2是本发明额定风速和额定风速以下时，控制系统的俯视示意图。

图3是额定风速和额定风速以下时，单叶片风轮每旋转30°，一周圈各个位置的叶片安装角随风向而变化的效果示意图，其中29是悬臂梁、30是叶片。

图4是本发明额定风速以上一对调速叶片向风向标风尾叶片的方向运动30°时，控制系统的俯视示意图。

图5是额定风速以上一对调速叶片向风向标风尾叶片的方向运动30°时，单叶片风轮每旋转30°，一周圈各个位置的叶片安装角随风向而变化的效果示意图，其中29是悬臂梁、30是叶片。

图6是本发明工作风速范围以上一对调速叶片的连杆轴线与风向标指向杆的轴线平行时，控制系统的主视示意图。

图7是工作风速范围以上一对调速叶片的连杆轴线与风向标指向杆的轴线平行时，单叶片风轮每旋转30°，一周圈各个位置的叶片安装角随风速而变化的效果示意图，其中29是悬臂梁、30是叶片。

具体实施方式

下面对照附图详细描述各个零部件与风力机整体机构的关系：

对照图1、图6，风向标1指向杆的中部与控制箱4的底部连接、风向标1指向杆的轴线与沿控制箱4长度方向的几何中心线平行。

控制立轴10中上部的2个轴颈和调速立轴8中上部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承13、14、15、16与控制箱4为一体的沿箱内底部长度方向的前后轴承座连接，这2根立轴10、8中上部的轴头分别与一对直齿圆柱齿轮12、11连接，并将一对直齿圆柱齿轮12、11在控制箱4内齿合，位于控制箱4上方的控制立轴10的轴头和调速立轴8的轴头分别与一对调速叶片2、3的连杆端部连接。

一对限位柱7、9位于控制箱4的顶部沿风向标的指向分别与控制立轴10的右边和调速立轴8的左边连接。

调速立轴8的下部位于控制箱4底部的下方，将右旋圆柱扭簧17套在调速立轴8的外面，扭簧17的上端部与控制箱4的底部连接，扭簧17的下端部与调速立轴8的下端部连接，同时调节扭簧17的扭力，使扭簧17的初始扭力通过调速立轴8和一对直齿圆柱齿轮12、11同步地传递到一对左右分开的调速叶片2、3，在扭簧17初始扭力的作用下，一对调速叶片2、3的连杆分别紧靠在左右两侧的限位柱7、9上，一对调速叶片2、3的连杆轴线相互平行，调速叶片2、3的连杆轴线与风向标1指向杆的轴线垂直。

控制立轴10下部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承18、19与轴承座5连接，轴承座5的底部与行星齿轮箱20的顶部连接，控制立轴10下部的轴头与太阳大齿轮6连接。

垂直轴31中部和下部的轴颈通过必要零部件中的轴承32、33与垂直轴承座37的上部和下部连接，垂直轴承座37的底部与塔架38的顶部连接。

主支撑36中部以下部位的内部尺寸大于垂直轴承座37的外部尺寸，将主支撑36套装在垂直轴31和垂直轴承座37的外面，垂直轴31中部的轴肩与主支撑36的中部连接，垂直轴31的轴头顶端和主支撑36的顶端分别与行星齿轮箱20的底部中心位置和边缘位置连接。

垂直轴中部的轴颈和中部的轴肩之间的非配合过渡轴段是垂直轴的“轴身”，轴身位于沿风轮高度尺寸的1/2处，这里是风轮几何尺寸的中心，也是风轮的压力中心点，垂直来流的空气动力作用在这个点的力矩为0(在不考虑空气动力作用在控制系统的因素下)，所以垂直轴的“轴身”受弯曲应力也为0。

上悬臂梁29的根部和端部分别与行星齿轮箱20的侧面和定轴齿轮箱21的侧面连接。

下悬臂梁35的根部和端部分别与主支撑36的下端侧面和叶片轴承座39的侧面连接。

水平传动轴28两端的轴颈分别通过闭式齿轮传动系统中的轴承25、27与行星齿轮箱20的侧面和定轴齿轮箱21的侧面连接，在行星齿轮箱20内的水平传动轴28的轴头与行星大齿轮22连接，同时将行星大齿轮22与太阳大齿轮6在行星齿轮箱20内齿合，在定轴齿轮箱21内的水平传动轴28的轴头与小齿轮23连接。

叶片30立轴上端的轴颈通过闭式齿轮传动系统中的轴承26与定轴齿轮箱21的底部连接、叶片30立轴上端的轴头与定轴齿轮箱内的大齿轮24连接、叶片30立轴下端的轴颈通过必要零部件中的轴承34与叶片轴承座39连接。

从本机的整体机构看出：叶片转速等于风轮转速1/2，叶片的旋转方向与风轮的旋转方向相反。

以下描述叶片安装角随风向和风速而变化的运动机理：

本风力机在工作前，要按照图3的效果示意图，将叶片安装角调节到风轮能产生最大旋转力矩的状态。为确切说明叶片安装角随风向和风速的变化状况，以垂直来流的风向为参考系，将空气垂直流过风轮的垂直轴线后与风轮直径相交的点，确定为风轮旋转的起始点0°及360°位置。将垂直轴风力机风轮的叶片安装角定义为：叶片的翼型几何弦与垂直来流的风向所夹的角度。

对照图3能看出，按风的来向，叶片30所在的位置是0°及360°位置，将0°位置的叶片安装角确定为45°，将在30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°位置的叶片安装角分别依次确定为30°、15°、±0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、±90°、75°、60°、45°。此确定的叶片安装角就是图3所示中的单叶片风轮每旋转30°，一周圈各个位置的叶片安装角的角度。在工作前双叶片风轮要对照图3，将在0°位置叶片的叶片安装角调节为45°、将在180°位置叶片的叶片安装角调节为-45°。三叶片风轮要对照图3，将在0°位置叶片的叶片安装角调节为45°、将在120°位置叶片的叶片安装角调节为-15°、将在240°位置叶片的叶片安装角调节为-75°。

对照图3能看出，0°位置的叶片安装角为45°，叶片产生有效的升力旋转力矩，旋转的方向为右手螺旋规则的顺时针方向；90°位置的叶片安装角为±0°，叶片顺桨，升力为0，产生的阻力最小；180°位置的叶片安装角为-45°，叶片产生有效的升力旋转力矩，旋转的方向为顺时针方向；270°位置的叶片安装角为±90°，叶片产生最大的阻力旋转力矩，旋转的方向为顺时针方向；综合一周圈各个位置的叶片安装角能看出，工作前单叶片、双叶片和三叶片风轮，只要对照图3调节好叶片安装角，风轮接受到空气动力后就能产生最大的旋转力矩，并按顺时针方向旋转。

对照图3还能看出风轮在0°位置的叶片安装角为45°，风轮旋转到90°位置时，叶片安装角为±0°，叶片安装角和0°位置的叶片安装角相比减少了45°；风轮旋转到180°位置时，叶片安装角为-45°，叶片安装角和90°位置的叶片安装角相比也减少了45°；风轮旋转到270°位置时，叶片安装角为±90°，叶片安装角和180°位置的叶片安装角相比又减少了45°；风轮旋转到360°位置及0°位置时，叶片安装角又为45°，因而完成了一个以90°为周期的循环。很明显，叶片安装角的变化角度等于风轮旋转角度1/2，这一规律关系和本发明风力机基本功能所达到的“叶片转速等于风轮转速1/2”的规律关系相同，所以只要在风力机工作前对照图3和上述调节叶片安装角的方法，将叶片安装角调节到风轮能产生最大旋转力矩的状态，加之本风力机在工作时叶片的旋转方向为逆时针方向，叶片安装角就会自动同步地达到图3的状态。

本风力机在工作时接受到空气的动力后，风向标风尾叶片产生旋转力矩带动控制箱和太阳大齿轮一起旋转，当风向标的指向偏离风向约30°时，风轮就能产生较大的旋转力矩，逐渐启动。由于叶片立轴的轴线均穿过叶片翼型的压力中心点，风力相对于叶片立轴产生的力矩为0，所以组成风轮的各个叶片传动分路产生的摩擦合力加上空气绕各个叶片运动产生的摩擦合力小于风向标风尾叶片产生的旋转力矩，由于二力不平衡，行星齿轮箱内的各个行星大齿轮均受太阳大齿轮的约束，分别随着风轮的启动绕太阳大齿轮公转。各个行星大齿轮又分别通过各自的叶片传动分路，将随太阳大齿轮公转时的旋转力矩和旋转的方向传递给有立轴的叶片，叶片能在风轮上下悬臂梁的端部随风轮旋转，风轮每旋转10°，叶片安装角就减少5°，就这样，叶片随着风向标逐渐对准风向、随着风轮逐渐启动、随着有规律地调节叶片安装角的角度，能使风轮的旋转力矩从风轮逐渐启动时的较大达到最大，所以叶片就在这种同步运动关系的基础上连续不断地随风轮旋转起来。

对照图2、图1、图6，额定风速以下时，风力作用在一对调速叶片2、3产生的合力小于扭簧17的初始扭力，一对调速叶片2、3没有运动，一对调速叶片2、3的连杆紧靠在限位柱7、9上，此时叶片在一周圈各个位置的叶片安装角与图3相同，叶片安装角随风向而变化。

当风速等于额定风速时，风力作用在一对调速叶片2、3产生的合力等于扭簧17的初始扭力，由于二力平衡，一对调速叶片2、3的连杆仍然靠在限位柱7、9上，叶片在一周圈各个位置的叶片安装角仍与图3相同，此时风力机输出额定功率，叶片安装角仍随风向而变化。

对照图4，当风速逐渐增加超过额定风速时，风力作用在一对调速叶片2、3产生的合力大于扭簧17的初始扭力，一对调速叶片2、3的连杆分别逐渐同步地离开限位柱7、9，向风向标1风尾叶片的方向运动，每运动30°，风轮中的各个叶片在一周圈各个原来位置的叶片安装角就逐渐同步地增加15°，此时能看出叶片安装角随着风速的增加而变化，变化的效果如图5所示。图5中0°位置的叶片安装角为60°，在30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°位置的叶片安装角分别依次为45°、30°、15°、±0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、±90°、75°、60°。从图5中能看出，叶片在逆风90°位置附近出现了负转矩的现象，特别是90°位置的叶片安装角为15°，叶片没有顺桨，叶片产生的升力矩的方向是沿90°位置的角平分线平行于垂直轴的轴线，不能产生旋转力矩，叶片产生的阻力矩的方向为逆时针方向，与风轮旋转的方向相反，因此以90°位置为中心的叶片有效降低了风轮的能量捕获，有效限制了风轮旋转速度持续增高，使风力机的输出功率保持在额定功率值附近。

对照图6，当风速逐渐持续增加，一对调速叶片2、3继续逐渐同步地向风向标1风尾叶片的方向运动，每运动10°，风轮中的各个叶片在一周圈各个位置的叶片安装角就逐渐同步地增加5°。当风速超过工作风速范围时，一对调速叶片2、3逐渐同步地向风向标1风尾叶片的方向运动30°的基础上再运动60°，此时一对调速叶片2、3的连杆轴线与风向标1指向杆的轴线平行，控制系统达到图6所示状态。

对照图7，当风速持续增加，超过工作风速范围时，叶片安装角在一周圈各个位置随风速而变化的效果如图7所示。0°位置叶片的叶片安装角为±90°，在30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°位置叶片的叶片安装角分别依次为75°、60°、45°、30°、15°、±0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、±90°。从图7明显看出：叶片在逆风0°到180°位置的叶片安装角和叶片在顺风180°到360°位置的叶片安装角均对称相同，叶片在逆风半周圈和叶片在顺风半周圈产生的旋转力矩的大小也均相同，但叶片在逆风半周圈和叶片在顺风半周圈产生的旋转力矩的方向均都相反，在二力平衡、二力的方向相反的状态下，风轮停止转动，制动停车。因此有效防止了风力机的零部件过早损坏失效、有效防止了风力发电机组的发电机发热烧毁。当风速减少到工作风速范围的最大风速以后，风轮自动启动重复上述运动过程。

本发明的技术要点：

1、风向标风尾叶片产生的旋转力矩适当大于组成风轮的各个叶片传动分路的摩擦合力加上空气绕各个叶片运动产生的摩擦合力，以风向标能带动控制系统旋转对准风向为宜。

2、一对调速叶片由连杆和叶片构成，调速叶片3的叶片面积和连杆的长度尺寸适当的比调速叶片2减少，以风向标对准风向为宜。

3、扭簧的初始扭力大于风向标风尾叶片产生的旋转力矩，防止叶片安装角调节滞后。

4、当风速等于额定风速时，扭簧的初始扭力等于风力作用在一对调速叶片的合力。

5、当风速大于工作风速范围时，风力作用在一对调速叶片的合力使扭簧扭转90°角(在一对调速叶片几何尺寸确定的条件因素下)，在扭簧扭转90°角范围内，扭簧的扭力越大，风力机的工作风速范围越大。

6、单叶片组成的风轮需在相对于叶片对面的角平分线位置加装配重体。

Claims (6)

1.一种叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，它由控制系统、闭式齿轮传动系统和必要零部件构成；控制系统包括：风向标1支、限位柱一对、直齿圆柱齿轮一对、由连杆和叶片构成的调速叶片一对、太阳大齿轮1个、右旋圆柱扭簧1个、控制箱1个、轴承座1个、控制立轴1根、调速立轴1根、轴承6口；闭式齿轮传动系统是由风轮中各个叶片传动分路构成的，包括：行星齿轮箱1个、定轴齿轮箱、水平传动轴、大小齿轮、轴承；必要零部件包括：垂直轴1根、垂直轴承座1个、钢桁架或钢管构成的主支撑1个、钢桁架或钢管构成的上下悬臂梁、有立轴的叶片、叶片轴承座、轴承及塔架；控制系统中的太阳大齿轮和闭式齿轮传动系统中所有的大小齿轮均为轴间夹角等于90°的标准直齿圆锥齿轮，控制系统中的太阳大齿轮和闭式齿轮传动系统中的所有大齿轮的齿数是小齿轮齿数的2倍；其特征是：风向标(1)指向杆的中部与控制箱(4)的底部连接，风向标(1)指向杆的轴线与沿控制箱(4)长度方向的几何中心线平行；控制立轴(10)中上部的2个轴颈和调速立轴(8)中上部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承(13、14、15、16)与控制箱(4)为一体的沿箱内底部长度方向的前后轴承座连接、这2根立轴(10、8)中上部的轴头分别与一对直齿圆柱齿轮(12、11)连接，并将一对直齿圆柱齿轮(12、11)在控制箱(4)内齿合、位于控制箱(4)上方的控制立轴(10)的轴头和调速立轴(8)的轴头分别与一对调速叶片(2、3)的连杆端部连接；一对限位柱(7、9)位于控制箱(4)的顶部，沿风向标的指向分别与控制立轴(10)的右边和调速立轴(8)的左边连接；调速立轴(8)的下部位于控制箱(4)底部的下方，将右旋圆柱扭簧(17)套在调速立轴(8)的外面，扭簧(17)的上端部与控制箱(4)的底部连接、扭簧(17)的下端部与调速立轴(8)的下端部连接，同时调节扭簧(17)的扭力，使扭簧(17)的初始扭力通过调速立轴(8)和一对直齿圆柱齿轮(12、11)同步地传递到一对左右分开的调速叶片(2、3)，在扭簧(17)初始扭力的作用下，一对调速叶片(2、3)的连杆分别紧靠在左右两侧的限位柱(7、9)上，一对调速叶片(2、3)的连杆轴线相互平行，调速叶片(2、3)的连杆轴线与风向标(1)指向杆的轴线垂直；控制立轴(10)下部的2个轴颈分别通过控制系统中的轴承(18、19)与轴承座(5)连接、轴承座(5)的底部与行星齿轮箱(20)的顶部连接、控制立轴(10)下部的轴头与太阳大齿轮(6)连接；垂直轴(31)中部和下部的轴颈通过必要零部件中的轴承(32、33)与垂直轴承座(37)的上部和下部连接、垂直轴承座(37)的底部与塔架(38)的顶部连接；主支撑(36)中部以下部位的内部尺寸大于垂直轴承座(37)的外部尺寸，将主支撑(36)套装在垂直轴(31)和垂直轴承座(37)的外面，垂直轴(31)中部的轴肩与主支撑(36)的中部连接、垂直轴(31)的轴头顶端和主支撑(36)的顶端分别与行星齿轮箱(20)的底部中心位置和边缘位置连接；上悬臂梁(29)的根部和端部分别与行星齿轮箱(20)的侧面和定轴齿轮箱(21)的侧面连接；下悬臂梁(35)的根部和端部分别与主支撑(36)的下端侧面和叶片轴承座(39)的侧面连接；水平传动轴(28)两端的轴颈分别通过闭式齿轮传动系统中的轴承(25、27)与行星齿轮箱(20)的侧面和定轴齿轮箱(21)的侧面连接、在行星齿轮箱(20)内的水平传动轴(28)的轴头与行星大齿轮(22)连接，同时将行星大齿轮(22)与太阳大齿轮(6)在行星齿轮箱(20)内齿合、在定轴齿轮箱(21)内的水平传动轴(28)的轴头与小齿轮(23)连接；叶片(30)立轴上端的轴颈通过闭式齿轮传动系统中的轴承(26)与定轴齿轮箱(21)的底部连接、叶片(30)立轴上端的轴头与定轴齿轮箱内的大齿轮(24)连接、叶片(30)立轴下端的轴颈通过必要零件中的轴承(34)与叶片轴承座(39)连接；叶片转速等于风轮转速1/2，叶片的旋转方向与风轮的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，其特征是：叶片的翼型采用双凸形几何轴对称图案，相同的2个尖端分别为翼的前缘和翼的后缘。

3.根据权利要求1所述的叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，其特征是：叶片的结构采用等截面叶片。

4.根据权利要求1所述的叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，其特征是：叶片立轴的轴线均穿过叶片翼型的压力中心点。

5.根据权利要求1所述的叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，其特征是：风轮是单叶片、双叶片、三叶片组成。

6.根据权利要求1所述的叶片安装角随风向和风速而变化的垂直轴风力机，其特征是：控制系统的圆柱扭簧采用平面涡卷弹簧替换时，将平面涡卷弹簧的设置位置改变在控制箱内调速立轴的齿轮上方，使平面涡卷弹簧的内圈端部与调速立轴连接，外圈端部与控制箱内侧面连接，平面涡卷弹簧的安装方向为顺时针方向。

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