CN102348890A - 垂直轴风轮机 - Google Patents

Abstract

一种轮机头，包括：一可转动件；多个层叠桨叶，每个桨叶都包括一表面，桨叶可旋转地安装于可转动件上，以使得每个桨叶都能够相对可转动件从一第一位置转动至一第二位置，该第一位置与该第二位置间的夹角小于180度；其中，每个桨叶都围绕一轴可旋转地安装于可转动件上，该轴位于这样的靠近桨叶的中心的位置，即如果一力从垂直于该表面的方向施加于轮叶上，则施加于该轴的一侧的该表面的部分上的力与施加于该轴的另一侧的该表面的部分上的力之差足以驱动桨叶从该第一位置旋转至该第二位置。

Description

垂直轴风轮机

本发明涉及一种垂直轴风轮机。本发明适用于发电。

风轮机已经被越来越多地用于将风力转化成电力。风轮机可以是水平轴轮机或垂直轴轮机，水平轴轮机需要直接面向风向以最好的实现轮机的旋转；而垂直轴轮机的优势在于无论风向如何都会旋转。本发明就涉及这样一种用于发电的垂着轴风轮机。

此前公开的关于垂直轴风轮机的文件是FR2494781。该篇文档描述了一种具有三条水平径向臂的垂直轴风轮机。在每条臂的端部装有一垂直轮叶。这些轮叶能够枢转且它们的旋转运动有一个极限。垂直轮叶的枢转点靠近轮叶的一端。轮叶的枢转运动允许轮叶根据风向自主定向。这种自主定位是通过转动运动的极限进行限制的。由于转动的这种限制，在轮机的部分旋进进程中，轮叶会提供一捕捉风的表面。在另一部分进程中，轮叶进行自主定向，将枢转点设置在轮叶的一端意味着在此点能够在轮叶上产生最大的旋转力。本申请的发明人发现，对于此种风轮机来说，产生如此大的旋转力会有不良效果。这样大的旋转力会在轮叶达到旋转极限时对径向臂产生很大的冲击，这就使得必须对臂和轮叶进行加固，这样会增加重量和降低效率。

US2003/0235498公开了另一种垂直轴风轮机。该文档说明了拖拽型垂直轴风力发电机以及提升型风力发电机的区别。拖拽型垂直轴风力发电机使用诸如FR2494781中描述的平板作为捕捉风的轮叶。而提升型风力发电机则使用气翼(aerofoil)作为轮叶。US2003/0235498教导了从使用平板的拖拽型垂直轴风力发电机向使用气翼的提升型风力发电机的演进。该文档描述了在该种提升型风力发电机中的气翼的配置。其谈到需要对气翼进行平衡以使得其枢转点位于压力或提升力的平均中点。此外，提升型风力发电机需要相对复杂的轮叶形式，因此会导致也轮叶重量和成本的增加。

因此，需要提供一种简单但高效的垂直轴风轮机以解决前文提到的一个或多个问题。

本发明的一个方面提供了一种轮机头，其包括一可转动件；多个层叠桨叶，每个桨叶都包括一表面，桨叶可旋转地安装于可转动件上，以使得每个桨叶都能够相对可转动件从一第一位置转动至一第二位置，该第一位置与该第二位置间的夹角小于180度；其中，每个桨叶都围绕一轴可旋转地安装于可转动件上，该轴位于这样的靠近桨叶的中心的位置，即如果一力从垂直于该表面的方向施加于轮叶上，则施加于该轴的一侧的该表面的部分上的力与施加于该轴的另一侧的该表面的部分上的力之差足以驱动桨叶从该第一位置旋转至该第二位置。

该桨叶的位于该轴的一侧的该表面的部分的表面积可以大于位于该轴的另一侧的该表面的部分的表面积。

每个桨叶都可以是可旋转地安装于一介于该桨叶的中心和距离桨叶的端部四分之一桨叶长度的点之间的一个点上。每个桨叶都可以是安装于距离该桨叶中心六分之一的桨叶长度的点上。

每个桨叶的表面可以均呈凹形轮廓。每个桨叶都可以包括一桨叶框以及一桨叶罩，该桨叶框形成桨叶的外缘，而该桨叶罩形成桨叶的表面。该桨叶罩可以包括一柔性材料。

该第一位置和第二位置间的夹角可以在七十五度至一百零五度之间。

该轮机头可进一步包括一第一止动装置，其中，该第一止动装置限制桨叶转动的角度。可选的是，该轮机头还可进一步包括一第二止动装置，其中，该第二止动装置进一步限制桨叶转动的角度。其中所述止动装置是一从该可转动件延伸出的突起；一在一固定点以及桨叶上的一点之间的系绳，或该可转动件的一部分，或是其他可以限制桨叶转动的其他适当的装置。

该止动装置可将桨叶的转动角度限制在在七十五度至约一百零五度之间。优选的是是，桨叶的转动角度被限制在九十度，在该角度，该第一位置与本体共面，而该第二位置与该本体正交。

还还为该轮机头提供了针对每个桨叶的吸震器以尽可能的减小桨叶与止动装置接触时的碰撞。

当该第一止动装置和第二止动装置包括一从该可转动件延伸出的突起或该可转动件的一部分时，该吸震器可以是一位于突起上的由弹性材料制成的表面，该可转动件的部分或者桨叶的部分与该突起或该可转动件的部分相接触。

可替换的是，当该第一止动装置和第二止动装置包括一在一固定点以及可转动件上的一点之间的系绳时，该吸震器包括由弹性材料制成的该系绳。

该弹性材料可以是橡胶或橡胶的合成等同物。

可替换的是，其中该吸震器可包括一位于桨叶或可转动件上的弹性弹簧机构。

可选的是，轮机头还包括将桨叶在其旋转中的一点固定的装置。该可转动件可以包括多个轮机轮叶，且每一个轮机轮叶上至少安装多个桨叶中的至少一个桨叶。固定桨叶的装置可以包括将桨叶固定在与轮叶垂直的位置的装置，或将桨叶保持在与轮叶共面的方向上的装置，或将桨叶在任意方向固定的装置。

桨叶可以安装在一沿桨叶宽度的不对称的点上，或在一点上以至于桨叶在安装点一侧的部分的表面积大于桨叶的延伸至安装点另一侧的部分的表面积。

优选的是，桨叶可由以下材料之一制成：刚性的塑料材料、帆布、碳纤维或金属。金属可以例如是钢或铝。

桨叶的一端还可以是平面状或包括匙状在内的形状。

该轮机轮叶可以包括一细长部以及一设置在细长部一端的框部，桨叶安装于该框部内。可替换的是，该轮机轮叶可以包括一对臂，桨叶上的一点安装于一个臂上，而另一点安装于另一臂上。

本发明的另一方面提供了一种用于前述垂直轴风轮机的轮机头。

本发明的另一方面提供了一种垂直轴风轮机，其包括一可转动地安装于一支撑件上的轮机头，该轮机头具有如上所述的结构。

该垂直轴风轮机可进一步包括一制动装置以对轮机头相对支撑件的旋转的转速进行限制。这可以防止轮机头绕支撑件转动过快而损伤垂直轴风轮机上的零件。

本发明的其他方面将通过下面结合附图的的针对具体个实施例描述对本领域的一般技术人员变得显而易见。

图1是一种垂直轴风轮机的侧视图。

图2是该垂直轴风轮机的俯瞰图。

图3是将图2中的垂直轴风轮机旋转30度后的俯瞰图。

图4是将图2中的垂直轴风轮机旋转45度后的俯瞰图。

图5是将图2中的垂直轴风轮机旋转60度后的俯瞰图。

图6是将图2中的垂直轴风轮机旋转90度后的俯瞰图。

图7至9示出了各种可替换的桨叶、臂以及安装件的配置。

图10是一种包括图7中的可替换的桨叶和臂的配置的垂直轴风轮机侧视图。

图11是一种包括桨叶框以及罩的垂直轴风轮机的臂的端部的侧视图。

图12是另一种包括桨叶框以及罩的垂直轴风轮机的臂的端部的侧视图。

图1、2示出了一种风轮机10，其包括一轮机头11以及一支撑部16。轮机头11包括一可旋转地安装于支撑件16上的可转动件12，该可转动件包括四个臂14。每个臂14都在远离支撑件16的臂14的端部分别设置桨叶18、20、22、24。桨叶18、20、22、24连接于臂14的安装点26上，且桨叶18、20、22、24可绕各自的安装点枢转。每个桨叶18、20、22、24的枢转轴可以是基本垂直的朝向。

安装点位于桨叶18、24的长度上以至于桨叶18、24的一端与安装点间的距离要大于桨叶18、24的另一端与安装点间的距离。在本实施例的轮机头11中，当臂14以及桨叶18、24共面时，桨叶的延伸于安装点与支撑件16之间的部分的长度要大于桨叶延伸超过臂14的末端的部分的长度。桨叶的延伸于安装点与支撑件16之间的部分的长度与桨叶延伸超过臂14的末端的部分的长度的差是这样选择的，即能够使得轮机头以高效的方式运转。下面将对该长度之差的配置作具体说明。

在可转动件上可旋转地安装桨叶意味着当桨叶受到第一方向上的气流的作用时，桨叶会因桨叶以连接可转动件的位置为分界的各面受到不均衡的力而绕安装点旋转，以至于桨叶会趋向于与受力的方向相平行，除非桨叶绕安装点的旋转受到其他装置的限制。这意味着桨叶会因气流对桨叶的作用而在第一位置与第二位置之间运动。便利的设置是，在第一位置，桨叶基本在可转动件的转动轴的径向方向。便利的设置是，在第二位置，桨叶基本在可转动件的转动轴的切线方向。便利的设置是，如果可转动件以第一种转动方式转动(顺时针或逆时针)，则桨叶会在该种转动方式下在运动到第二位置时受约束停止，而在相反的转动方式下则会在运动到第一位置时受约束停止。在此种配置中，桨叶可以受到作用于其上的具有与可转动件的转动轴相垂直的运动方向分量的气流的影响而作以下运动：

1、当桨叶位于可转动件的转动轴的上游位置时，可使其选定第一位置，并且由于其被限制不会再向远离第二位置的方向运动，其可对可转动件施加一转矩直至其到达一转动轴的下游位置。

2、当桨叶位于可转动件的转动轴的下游位置时，可使其向第二位置运动，并且由于其被限制不会再向远离第一位置的方向运动，其可对可转动件施加一转矩直至其到达一大致与气流方向平行的位置。

3、随着桨叶继续向可转动件的转动轴的上游位置运动，可使其朝第一位置运动，保持基本与气流平行，并且由于其基本与气流平行，其在此周期部分基本对可转动件没有转矩作用。优选的是，第一位置和第二位置分开110度至70度的角度，最优选的是，绕桨叶安装点运动时分开约90度的角度。优选的是，桨叶均已相似的方式安装。

下面将参照图2至6描述轮机头11在有风时的运动方式。当风向如图2所示时，一力将作用于与风向垂直的桨叶20上。

由于桨叶20从安装点26延伸至支撑件16的部分的长度大于桨叶延长超过臂14的末端的部分的长度，桨叶20经受的合力是一逆时针方向的以安装点26为轴的旋转力。这样，桨叶的绕安装点的转动就被与桨叶20部分重叠的臂14阻止了。

而由于风对桨叶20和臂14的作用所产生的绕支撑件16的合力是绕支撑件16的顺时针旋转力。

与风向呈90度的桨叶24由于风的作用会绕安装点26作顺时针转动。这是由于桨叶24的延伸于安装点26和支撑件16之间的部分的长度大于桨叶24延伸超过臂14的末端的部分的长度。因此，作用在延伸于安装点26和支撑件16之间的桨叶部分的力要大于作用于超过臂末端的桨叶部分的力，从而桨叶会顺时针转动。

提供了一个止动件28以防止桨叶24转动超过九十度。轮叶24转动至与风向平行的位置意味着风此时对桨叶的作用力最小。这样，风作用于桨叶24和与其关联的臂的绕支撑件的逆时针旋转力的大小要小于桨叶20以及其关联的臂所施加的顺时针旋转力的大小。

桨叶18和22以及他们相关联的臂是与风向平行的，因此，不会施加绕支撑件的旋转力。这样，各臂和桨叶的顺时针转动就使得轮机头11经受一总的顺时针的旋转力。

图3示出了当轮机头10顺时针转动了约30度后，其上的桨叶18、20、22、24的位置。在此位置，风向桨叶18施加一力。基于与图2中描述的关于桨叶20的原理，桨叶18绕安装点26的转动也会被臂14的与桨叶24的延伸于安装点26与支撑件之间的部分相接触的部分阻止。据此，桨叶18和与其相关联的臂14将经受绕支撑件16的顺时针的旋转力。

桨叶20仍经受一绕安装点26的逆时针力的作用，但基于针对图2所描述的原理，桨叶20的转动被臂14阻止。这样，基于图2描述的针对桨叶20的原理，桨叶20和与其关联的臂14经受的绕支撑件16的顺时针的旋转力。

随着轮机头11从图2中的位置向图3中的位置运动的过程中，桨叶22绕安装点26顺时针转动。这是因为桨叶22的从安装点26向支撑件16延伸的部分的表面积大于桨叶22延伸超过臂14的末端的部分的表面积。这样，桨叶22的从安装点26向外延伸的较长的部分就比从安装点26向外延伸的较短的部分的受力大。这样，桨叶22经受的合力就是顺时针的，从而桨叶22会绕安装点26顺时针转动。

如上具体叙述的那样，桨叶22的从安装点26向外延伸的较长的部分比从安装点26向外延伸的较短的部分的受力大。然而，较大的力与较小的力的差异能够使得桨叶22绕安装点26顺时针旋转就足够了。因此，安装点26的位置应尽可能的接近桨叶的中点同时又能够提供转动桨叶22所需的力的差异。安装点26在桨叶22的长度上的位置将依赖于：例如，在可旋转支撑点处需要克服的摩擦力。理想状态下，安装点位于不小于距离桨叶22的端点1/4的桨叶长度的位置。

在一种示例性的配置中，每个轮叶都是600mm长，600mm宽。旋转安装点位于距离桨叶中心线100mm的位置上，或距离桨叶边缘200mm的位置上。在这样的配置中，可转动的安装点与桨叶的中心线的距离是桨叶长度的六分之一。这样的配置可提供足够的力以将桨叶从一个位置驱动至另一个位置，而同时避免在运动速度下产生大的冲击。桨叶的中心线是参照桨叶暴露于气流的面积确定的，而不是参照桨叶的质量确定的。

桨叶22在风力的作用下的顺时针旋转由一止动件28限制。止动件是由臂14延伸出的一个面形成的。可从图3看出，该止动件会防止桨叶22继续运动，即便桨叶还在经受风力作用下的顺时针作用力的驱动。优选的是，桨叶及与其相关联的臂的形状需要使得施加于桨叶22上的顺时针力大于施加于臂14上的逆时针力。这样，桨叶22及其关联的臂14的经受的总的力是顺时针的。通过尽可能减小桨叶22在从图2所示的位置向图3所示的位置运动的过程中经受的旋转力，可减小桨叶到达止动件28时受到的冲击。这种减小的冲击可以使得轮机头11的转动更平稳。这种减小的冲击还可以减小桨叶22由于转动速度过快而损坏的可能。实际上，已经观察到，当轮机头11达到运行转速时，桨叶22在做前述旋转时不会与止动件28发生碰撞，或仅会与止动件发生轻微的碰撞。参照图2、3，这可以解释为当桨叶22转动时，止动件28会向远离桨叶22的方向运动。这样，增加桨叶需要转动的距离就可以使桨叶22在到达图6所示的位置前不与止动件28发生接触。

这样，在附图所示的轮机中，各桨叶可绕一共有的主轴16旋转，且每个桨叶可以绕各自的第二轴26旋转。而各第二轴也会随轮机头11的旋转而绕主轴16旋转。通过适当设置轴26的位置以使得当各桨叶绕各轴26旋转时施加于桨叶上的绕轴的力基本上的平衡的，那么，相比各力高度不平衡的情况而言，力将很小、且桨叶会更慢的并且不那么有力的绕轴转动。由于转动的相对较慢，轮机头将在轮叶碰到其端部止动件或其他限位装置前先转动，而结果是端部止动件与桨叶在快要碰到时，其和与其接近的桨叶的部位是同向运动的，从而可以减少两者的相互碰撞。同样，由于转动并不那么有力，在碰撞时的碰撞力也相对较小。桨叶24是经受绕安装点26的顺时针旋转力作用的。其原因与图2中针对桨叶24的描述相同。桨叶24会绕安装点26枢转直至基本没有外力施加于其上，即，直至如图3所示，桨叶24与风的方向平行。

由于施加于轮机头11的绕支撑件的总顺时针旋转力大于逆时针旋转力，轮机头11会继续绕支撑件16顺时针转动。

当轮机头运动45度后，如图4所示，风继续向桨叶18、20及其关联的臂14施加顺时针旋转力，并且，原理跟参照图3的描述一样。

桨叶22继续经受一总的顺时针力。如参照图2所描述的那样，桨叶22的顺时针运动会被止动件28阻止，且桨叶22及与其相关联的臂整体将经受一顺时针旋转力。桨叶24继续沿逆时针方向转动以保持与风向相平行。如参照图2所描述的那样，这是由于轮叶24收到风产生的离得作用。

这样，由于施加于轮机头11上的绕支撑件的顺时针旋转力大于逆时针旋转力，轮机头11会一直沿顺时针方向绕支撑件转动。

当轮机头11转动了60度后，如图5所示，风继续向桨叶18、20以及其关联的臂施加顺时针旋转力，正如参照图3的所描述的那样。

桨叶22继续经受顺时针力的作用。桨叶22的顺时针旋转被止动件28阻止，从而基于图3中针对桨叶22所描述的原理那样，桨叶22及其相关联的臂14会一同绕支撑件作顺时针运动。如图3中针对桨叶24所描述的原理那样，作用在桨叶24上的风力会继续使得桨叶24沿逆时针方向运动以保持在与风向平行的方向上。

这样，施加于轮机头11上的顺时针旋转力就大于逆时针旋转力，轮机头11继而会绕支撑件16作顺时针方向转动。

当轮机头转动了90度后，至图6所示的位置，桨叶18位于桨叶20在图2中所示的位置，而桨叶20位于图2中的桨叶22的位置，桨叶22位于图2中的桨叶24的位置，桨叶24位于图2中的桨叶18的位置。这样，可以看到，图6中施加于桨叶18、20、22、24的力与图2中施加于桨叶20、22、24、18的力相同。这样，轮机头11会连续经受绕支撑件的顺时针力的作用。

轮机头11可以以任何适当的方式连接于一发电设备。可以使用任何的利用转动发电的设备。例如，轮机头可以连接至一驱动轴，驱动轴的转动可产生电能。

本领域的一般技术人员应该知道，风轮机可以具有任意数量的桨叶。有益的是，风轮机至少有三片桨叶。这样的配置可以实现风轮机的自启动。此外，可以仅对少数的臂提供可枢转的桨叶20。最优选的是，轮机仅有三片桨叶，且进行等距分布。

为了实现最高效，风轮机的转动质量，尤其是臂和桨叶的质量，应该尽可能的小。这使得轮机更容易在微风的情况下启动、降低桨叶碰撞止动件时的冲击、减小结构上的离心效应(不然，就需要对结构进行加固以解决高风速)，以及允许轮机在风速不恒定的情况下更高效的转换能量，因此，轮机头需要对风速的变换灵敏响应并作加、减速以最好的将风能转换为轮机头上的力矩。在此种配置下，风轮机适合在大于5ms-1或大于10ms 1的风速下，最好是在接近5ms-1的风速下产生驱动发电系统所需的力矩。在此种配置下，风轮机能够在5ms-1的风速下产生3至4Nm的力矩。对此种风轮机的测试显示，其尤其适用于在弱风下进行发电。

支撑件可以是任意一种现有的支撑件。例如，支撑件可以是一用于在其上安装可转动件的立柱。

本领域一般技术人员应该理解，桨叶可以是任意适当的形状，以使得风作用于桨叶上后能够使其绕臂上的支撑件转动。此外，参照前述关于安装位置的描述，桨叶在臂上的安装点可以是任何适当的位置，只要当桨叶的方向与风向相垂直，则风作用于桨叶的从安装点向一端延伸的部分的力大于作用于桨叶从安装点向另一侧延伸的部分的力。

可能的桨叶、臂的形状以及安装配置可参照图7至9以及11至12的描绘。在图7中，臂14包括一从支撑件(未示出)延伸出的细长部30以及一框部32。桨叶34包括一平面板材，该平面板材通过两个安装点36安装于框部32内，且桨叶34能够绕两安装点枢转。安装点36距离框部32的一端的距离比距离另一端的距离近，以至于当有风吹过时，施加于安装点36一端的力比施加于另一端32的大，从而使得桨叶34转动直至与止动件38、40相接触。

在图7中，桨叶与框部32的最接近细长部30的端部重叠以限制桨叶34的运动。此外，安装点具有多个伸出部40，伸出部防止桨叶相对框部32所在的平面转动超过九十度。可选的是，可将多个伸出部40进行连接以形成一延伸于安装点36之间的单一止动件。

尽管图7描绘的安装点36设置在远离细长部30超过一半的框部32长度的位置上，但本领域一般技术人员应该知道，安装点36可以设置在距离细长部任意长度的位置上，只要能在有风的情况下使得桨叶34转动即可。另外，止动件38和40可以位于任何所适当的位置，桨叶34可以与框部32在任何适当的位置重叠，伸出部可以从框部34的任意位置伸出。

在图8中，臂包两个臂42，且桨叶44分别在每个臂46上都具有安装点46。安装点46可以更靠近桨叶44的其中一端以至于当有风吹进或吹出，桨叶44在安装点46一面的受力要大于另一面从而使得桨叶44转动直至其与止动件相接触。在此处，臂可以形成第一止动件和伸长部，如参照图7的描述可以形成第二止动件。

图9描绘了一种可选的桨叶形状，其安装在如图8所描绘的双臂配置15之间。

图10描绘了图7中的桨叶形状以及的臂配置安装于一垂直轴风轮机上。

图11示出了一安装在臂70上的桨叶56。臂的两端呈两分叉结构，该两分叉结构具有延伸至桨叶的上点和下点的动板柱52，54。桨叶通过轴承46安装至动板柱。桨叶包括框57以及一片外沿连接于框57的柔性不渗透材料58。框57的上、下边缘呈直线且相互品行。而框57的侧边呈弧形。

在可替换的配置中，每个臂都包括一个安装于臂上方的桨叶以及一安装于臂下方的桨叶。这种双桨叶配置使得轮机的表面积加倍却没有增加臂的数量。这种配置还允许桨叶的数量加倍并且不会产生后续的桨叶互相遮挡的问题，而桨叶遮挡是在臂的单面安装多个桨叶时会产生的问题。图12示出了这样的一种类似图11中的桨叶和臂的设计。结构60包括臂71，臂71的上方和下方各安装有一个桨叶62、64。

如前面已经讨论过的，且参照前面关于安装位置的讨论，桨叶的安装点可以是任何适当的位置只要当浆叶与风向垂直时，施加于桨叶向安装点一侧延伸的部分上的力大于施加于桨叶向另一侧延伸的部分上的力即可。

可选的是，桨叶可以是这样安装的，即其可以绕一基本水平的轴枢转。以这种方式安装的桨叶在一风能够被导向进入桨叶表面的位置和一风被导向横穿桨叶表面的位置间旋转。

还可以为桨叶提供偏置装置以促进桨叶回到这样的位置，即桨叶表面处于风能够被导向进入桨叶表面的位置。

每个桨叶都是层叠形式的。每个桨叶可以因此是片状，还可选的具有加强框和加强肋等特征。多数传统的桨叶都包括一框以及连接于其上的片状的材料。桨叶可以是平面的或是基本呈平面的。桨叶优选是非气翼形。桨叶可以基本是平的或平面的。在此种配置中，浆叶的两边是共面的，且转轴相互平行或基本平行。此外，桨叶可以是任何适当的形状只要能够实现前述功能即可。附图中没有示出的桨叶的适当形状包括在安装点的一侧具有匙状部以增加作用于该侧的力。桨叶可以是刚性的或柔性的，可以用各种适当的材料制成。示例性材料包括：塑料、帆布、碳纤维或金属。所述金属材料例如可以是铝或钢。

有益的是，桨叶可以通过一桨叶框以及一罩构建而成。罩包括帆布、如尼龙格等针织材料，以及其他柔性材料。这样，桨叶的表面在有力施加于其上时能发生形变，从而呈凹形。桨叶这种凹形可以更好的捕捉风。进一步的，罩可以由相对廉价的材料制成。这还提供了这样的便利性，即可将罩做成如风况恶劣，例如在暴风条件下，则自动松开。可随后替换罩，而轮机整体不会受到恶劣条件的损害。

这样，在一种实施例中，一个或多个桨叶包括一外围结构，其定义了一个框，框内有开口，一片柔性材料覆盖开口且与框相连接。柔性材料优选是不渗透的材料以使风能作用于其上。在这种方式中，当有风作用于柔性材料上时，柔性材料会变为非平面形，例如弯入开口中。这种非平面形可以通过捕捉风及/或作为风帆来提高效率。该种结构的一种简单的实现方法是用撑杆围成一框，框内有开口，将柔性材料用粘合剂、钉或其他固定装置固定在框上。

止动件28、36、46可以是如图2至6所示的臂14的延伸部上形成的一个面。可替换的是，还可以使用图7、8所中描述的任意形式的止动件。本领域一般技术人员应该知道其他限制桨叶运动的适当的装置也是可以使用的。例如，可能的止动件包括将桨叶连接至一固定点的系绳。

此外，止动件可以不将桨叶的转动限制于90度，而可以是随着反向旋转力的减小而增大。这一角度可以是小于180度的角度。

可选的是，每个桨叶的安装点可以是一弹簧机构以防止桨叶的突然运动影响桨叶和臂的旋转运动。可替换的是，可将止动件28配置为阻止桨叶突然运动而影响桨叶和臂的旋转运动。例如，止动件28可以用诸如橡胶等弹性材料制成。

可选的是，可以为垂直轴风轮机提供离心离合设备。该设备可以包括一将桨叶固定于一位置以使其可以为轮机头绕支撑件的转动减速的装置。还可以使用任何将桨叶固定于该位置的设备。可替换的是，该设备可以包括制动装置以向轮机头施加一制动力以为其减速。还可以使用任何适用于对轮机头相对支撑件的旋转运动进行减速的装置。

可在轮叶上的一点经受的离心力大于一阈值时启动该设备。可替换的是，在轮机头的转速大于一阈值时启动该设备。当该设备是用于固定桨叶的装置，且转速或离心力大于一阈值时，该设备即可使得一个桨叶停下，此后，如果离心力第二次大于设备的一个阈值时，则该设备可以使得第二桨叶固定。

优选的是，如果离心力或转速降至第二阈值以下时，则将桨叶从固定位置释放或减小制动力。

轮机可以耦合于一力矩消耗器，例如，一发电机或一水泵，或耦合于其他将轮机的转动运动转换为其他形式的运动的机构，例如往复运动机构。

提供这样一种设备是有用的，由于其可防止轮机头的转速增至可能会损伤一个或多个轮叶、轮机头本身、支撑件，或通过轮机头的转动产生电能的装置的点。

Claims (28)

1.一种轮机头，包括：

一可转动件；

多个层叠桨叶，每个桨叶都包括一表面，桨叶可旋转地安装于可转动件上，以使得每个桨叶都能够相对可转动件从一第一位置转动至一第二位置，该第一位置与该第二位置间的夹角小于180度；

其中，每个桨叶都围绕一轴可旋转地安装于可转动件上，该轴位于这样的靠近桨叶的中心的位置，即如果一力从垂直于该表面的方向施加于轮叶上，则施加于该轴的一侧的该表面的部分上的力与施加于该轴的另一侧的该表面的部分上的力之差足以驱动桨叶从该第一位置旋转至该第二位置。

2.根据权利要求1所述的轮机头，其中，该桨叶的位于该轴的一侧的该表面的部分的表面积大于位于该轴的另一侧的该表面的部分的表面积。

3.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶都是可旋转地安装于一介于该桨叶的中心和距离桨叶的端部四分之一桨叶长度的点之间的一个点上。

4.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶都是安装于距离该桨叶中心六分之一的桨叶长度的点上。

5.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶的表面均呈凹形轮廓。

6.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶都包括一桨叶框以及一桨叶罩，该桨叶框形成桨叶的外缘，而该桨叶罩形成桨叶的表面。

7.根据权利要求6所述的轮机头，其中，该桨叶罩包括一柔性材料。

8.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，该第一位置和第二位置间的夹角在七十五度至一百零五度之间。

9.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶进一步包括一第一止动装置，其中，该第一止动装置限制桨叶转动的角度。

10.根据权利要求9所述的轮机头，其中，每个桨叶进一步包括一第二止动装置，其中，该第二止动装置进一步限制桨叶转动的角度。

11.根据权利要求9或10所述的轮机头，其中所述止动装置是一从该可转动件延伸出的突起；一在一固定点以及桨叶上的一点之间的系绳，或该可转动件的一部分。

12.根据权利要求9至11中任意一项所述的轮机头，其中，还为该轮机头提供了针对每个桨叶的吸震器以尽可能的减小桨叶与止动装置接触时的碰撞。

13.根据权利要求12所述的轮机头，其中，该第一止动装置和第二止动装置包括一从该可转动件延伸出的突起或该可转动件的一部分，其中，该吸震器包括一位于突起上的由弹性材料制成的表面，该可转动件的部分或者桨叶的部分与该突起或该可转动件的部分相接触。

14.根据权利要求12所述的轮机头，其中，该第一止动装置和第二止动装置包括一在一固定点以及可转动件上的一点之间的系绳，其中，该吸震器包括由弹性材料制成的该系绳。

15.根据权利要求13或14所述的轮机头，其中，该弹性材料是橡胶或橡胶的合成等同物。

16.根据权利要求12至15中任意一项所述的轮机头，其中该吸震器包括一位于桨叶或可转动件上的弹性弹簧机构。

17.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，该轮机头包括将每个桨叶在其旋转中的一点固定的装置。

18.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，该可转动件包括多个轮机轮叶，且每一个轮机轮叶上至少安装多个桨叶中的至少一个桨叶。

19.根据权利要求18所述的轮机头，其中，该轮机轮叶包括一细长部以及一设置在细长部一端的框部，桨叶安装于该框部内。

20.根据权利要求18或19所述的轮机头，其中，该轮机轮叶包括一对臂，桨叶上的一点安装于一个臂上，而另一点安装于另一臂上。

21.根据权利要求18至20中任意一项所述的轮机头，其中，固定各桨叶的装置包括将桨叶固定在与轮叶的方向垂直的方向上的装置。

22.根据权利要求18至20中任意一项所述的轮机头，其中，固定各桨叶的装置包括将桨叶保持在与轮叶的共面的方向上的装置。

23.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，每个桨叶都安装在一沿桨叶宽度的不对称的点上。

24.根据前述任意一项所述的轮机头，其中，桨叶由以下材料之一制成：刚性的塑料材料、帆布、碳纤维或金属。

25.一种垂直轴风轮机，其包括一可转动地安装于一支撑件上的轮机头，该轮机头具有如权利要求1至24中任意一项所述的结构。

26.根据权利要求25所述的垂直轴风轮机，其进一步包括一制动装置以对轮机头相对支撑件的旋转的转速进行限制。

27.一种基本根据本文以及随附的附图的任何组合所描述的轮机头。

28.一种基本根据本文以及随附的附图的任何组合所描述的垂直轴风轮机。

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