CN1020299C - 负压式筒形桨风力机 - Google Patents

Abstract

一种负压式筒形桨风力机，筒形桨叶的中空气流通道的内壁，或内壁与筒形桨支承管轴的外形构成收缩扩散的气流通道，并将空气透平布置在缩扩的交接截面上，风轮因马格努斯效应转动产生负压并驱动透平，形成一种利用负压动能为主的风力机。使筒形桨转动的叶片可绕其轴转动。这使筒形桨的转向转速均可调节。使之适应风在不同时间及高度的变化，以求风力机运转平稳及输出较大。

Description

本发明涉及一种风能利用装置，特别涉及一种负压式筒形桨风力机。

日本专利JP56-60870A公布了一种改进了的筒形桨风力机的设计方案，其特点是筒形桨内设中空的气流通道，通道的进出口附近设置一些以一定角度固结在筒形桨与转动轴之间的辐条。风轮在转动时在筒形桨气流通道产生负压，气流流经这些幅条时使筒形桨绕自己的对称轴转动。这样风轮在马格努斯效应的作用下不停地转动。但这个方案仍有可改进的地方;（1）使筒形桨转动的幅条因角度固定，所以筒形桨的转向固定，转速在一定的范围内正比于流经筒形桨气流通道的空气流速，但不能调节。（2）风力机吸收的是筒形桨绕水平及绕自己的对称轴线转动所产生的机械能。

本发明的目的是在JP56-60870的基础上，作进一步的改进。提出一种以利用筒形桨产生的负压能量为主的，全程调节的筒形桨风力机，试图造出运转平稳的高效筒形桨风力机。

本发明是这样实现的，置有环形端翼板[1]的筒形桨的气流通道内壁或内壁与筒形桨支承管轴[9]的外形构成一条收缩扩散的气流通道。筒形桨由支撑轴[7]固定在由轮毂[14]支承的筒形桨支承管轴[9]上，并使筒形桨的进气口与轮毂之间有足够的空间。以外力使筒形桨所组成的风轮转动。筒形桨的气流通道便形成负压，大量的空气经光顺的喇叭形开口进入气流通道，驱动了设置在气流通道上的叶片[8]及空气透平[5]。筒形桨在叶片[8]的驱动下转动，并与自然来风形成马格努斯效应，风轮就开始靠风力转动。叶片[8]可浇自己的对称轴转动，可以用改变叶片[8]攻角来调节筒形桨的自转速度及转向。以及风力机有较大的输出或运转平稳。空气透平[5]则不断吸收流过筒 形桨气流通道气流能量，由轮毂[14]外伸管或筒形桨支承管轴[9]所支承的空气透平转轴[11]经轮毂[14]内的园锥齿轮系统[12]将转矩传到发电机或其它耗能机构。

本发明更好的方案是：对称设置两个筒形桨组成的风力机，两筒形桨的进气口被T型管轮毂[14]及各自的筒形桨支承管轴[9]支承离开足够的距离。筒形桨[3]的气流通道两端采取喇叭型的开口。将带筒形桨自转的叶片[8]安装在筒形桨支撑轴[7]上。叶片[8]的前缘置一配重[23]，后缘靠近筒形桨支承管轴[9]处由一固定在筒形桨支承管轴[9]上的弹簧片[24]牵引，在自然来风的风速较低时，这一弹簧片[24]使叶片[8]的攻角处于最大位置，以利于起动及低速风况。当风轮超过额定转速时，由于叶片[8]的配重[23]离心力矩。叶片[8]的气动俯仰力矩和弹簧的反弹力矩的共同作用下，使叶片[8]产生绕筒形桨支撑轴[7]转动，使攻角减少，阻力增大，调低筒形桨的自转，从而降低了风轮的转速，空气透平[5]设置在气流通道的收缩段[6]与扩散段[2]的交接截面上，吸收那里高速气流的能量，通过由T型管轮毂[14]或筒形桨支承管轴[9]以滚动轴承支承的空气透平转轴[11]，经T型管轮毂[14]内的一圆锥齿轮系统[12]，将转矩传到与发电机[19]联接的水平转轴[17]。其中水平转轴由支座[16]以滚动轴承支承的水平管轴[18]用滚动轴承支的。本方案的筒形桨的一些主要尺寸是这样确定的：以筒形桨[3]气流通道进出口处的最大圆的直径的0.1～0.3作为过度圆弧的曲率直径构成喇叭进出口。收缩段[6]的中心角为20°～50°，长度等于收缩、扩散交接截面圆直径。压缩扩散交接截面共为风轮的扫掠面积1/50～1/100。筒形桨出进喇叭口之间的距离为扫掠圆的半径的0.7～0.8。依本发明制造的负压式筒形桨风力机有如下的优点：

1、气流通道短而直，使沿程和局部能量损失减少到最小。

2、筒形桨的气流通道能提供足够大的流通面积。

3、在收缩、扩散交接截面处的气流速度相对于自然风速得到两次加速，其好处是：a、获得的功率增加;b、只要合理设计空气透平[5]的周速比及圆锥齿轮的速比，则可省掉一个昂贵增速齿轮箱。

4、各筒形桨之间是互不牵连地各自转动，加上马格努斯效应的特点，使不同的筒形桨可按时间，地点进行调节，可大大减少风轮的气动俯仰力矩对风力机的危害。

5、会减少因采用下风式而产生的塔影效应的危害，因为筒体的直径比塔身大4-6倍。

6、便于系列化生产同一产品。只要更换其空气透平[5]和叶片[8]，就可使它适于不同的风况。

7、适合一般工业部门制造。造价低廉。

图1是合乎发明主题的结构示意图也是供中、大型机组选择的方案。

图2是供中小型机组选择的方案。

实施例一，参考图1，这是供中，大型风力机选择的方案，对称的双筒形桨风轮，下风式，筒形桨[3]取进出口处最大圆的直径的0.2作为过度圆弧直径构成喇叭型进出口，然后经过一个相当于收缩、扩散交接截面直径长度的，中心角为26°的压缩段[6]再进入一个中心角为9°的扩散段[2]。收缩、扩散交接截面积两筒形桨总共为筒形桨叶所扫掠的面积的1/50。进出喇叭口之间的距离为扫掠圆的半径的0.8。筒形桨是铝合金挤压型材造成的桁条式筒身，铝合金薄板或玻璃钢蒙皮。筒形桨是由6根钢管作筒形桨支撑轴[7]同一条高强度钢管作为筒形桨支承管轴[9]焊接在一起，用一推力滚子轴承将筒形桨支承管轴[9]支承在T型管轮毂[14]上，空气透平[5]同空气透平转轴[11]用花键及螺母固定。而空气透平转轴[11]由筒形桨支承管轴[9]的两端用推力球轴承支承且通过T型管轮毂[14]内的一组圆锥齿轮[12]将转矩传到与发电机[19]联接的水平转轴[17]，水平转轴[17]是由支座[16]用滚动轴承支承的水平管轴[18]支承的。另外空气透平转轴[11]在T型管轮毂[14]的那端同一滚动轴承联结，装入一个固定在T型管轮毂[14]内，并与它的迥转中心同心的轴承支座[13]内，然后用一轴承支座压盖[15]以螺钉固定，使空气透平转轴[11]，筒形桨支承管轴[9]以及T型管轮毂[14]相互支承，又可各自转动。起动时，由起动电机[20]通过它与水平管轴[18]联接的起动齿轮组[21]将风轮带动。然后筒形桨 的自转由安装在筒形桨支撑轴[7]上的叶片[8]来调节。开始时，弹簧片[24]将叶片[8]的攻角限制在最大位置。在某一转速下，叶片[8]在叶片前缘的配重[23]的离心力矩，弹簧力反力矩，和叶片[8]的气动俯仰力矩的共同作用下，绕筒形桨支撑轴[7]转动，调到适当的位置，当风力机超过额定转速时，这些力矩的共同作用下，使叶片[8]的攻角减到最小，这时升力下降，阻力增大，起了气动刹车的作用。在风速很大时，两筒桨叶片[8]可相应调节，这样可得不同的转速及转向，以两筒桨升力之差的形式运转，以维持正常的运行。

实施例二：见图2，这是供小型机组选用的方案，筒形桨的几何尺寸，比例及自转的调节原理基本没有变化，考虑安装和维护的方便作如下改动，筒形桨支承管轴[9]缩短成一套短管，用一组推力球轴承安装在空气透平轴[11]的未端，在最末端的那一个轴承的后面装一个超越离合器[25]并由螺母联结在空气透平转轴[11]上。这样筒形桨[3]在空气透平转轴[11]的未端靠叶片[8]调节而自由转动。空气透平转轴[11]以过盈配合或胶接固定空气透平[5]，并与以推力球轴承支承在T型管轮毂[14]的一带法兰的圆锥齿轮[26]联接。带法兰的圆锥齿轮及其对称的另一个，是以一组推力轴承用一长螺栓[27]联接起来，它这样工作的，由一起动装置由水平转轴[17]通过带法兰的圆锥齿轮[26]让空气透平转轴[11]带动超越离合器[25]使筒形桨支承轴[9]及筒形桨[3]转动，并与自然来风形成马氏效应，这样使风轮转动而造成筒形桨[3]气流通道负压，使高速气流驱动叶片[8]及空气透平[5]。空气透平转轴[11]通过带法兰的圆锥齿轮[26]将转矩传到与发电机[19]联接的水平转轴[17]去。

Claims (4)

1、一种负压式筒形桨风力机，它的桨叶是一个两端装有环形端翼板，有中空的气流通道的筒形桨，与装有动力传递及改变方向的传递系统的轮毂有足够的空间，筒形桨是由叶片[8]带动的，本发明的特征在于：

a、筒形桨的气流通道内壁，或内壁与筒形桨支承管轴[9]的外形构成一条收缩扩散的气流通道，

b、气流通道是喇叭形的开口，

c、空气透平安装在气流通道内，

d、使筒形桨叶转动的叶片[8]可绕其对称轴转动。

2、根据权利要求1所述的风力机，本发明的特征在于空气透平[5]安装在筒形桨的气流通道内的收缩扩散的交接截面上。

3、根据权利要求1所述的风力机，本发明的特征在于叶片的前缘装有配重[23]，后缘由固定在筒形桨支承管轴[9]上一块弹簧[24]所牵引。

4、根据权利要求1或权利要求2所述的风力机，本发明的特征在于筒形桨气流通道采取进出口处最大圆的直径0.1～0.3作为过渡圆弧的曲率直径构成喇叭形进出口，收缩段[6]中心角为20°～50°长度等于收缩扩散交接截面的直径，扩散段[2]中心角为8°～15°，收缩扩散交接截面总面积为筒形桨所确定的风轮的掠面积的1/50～1/100，筒形桨进出喇叭口之间的距离为扫掠圆半径的0.7～0.8。

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