CN103016263A - 侧矩叶片垂直轴流体能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧矩叶片垂直轴流体能装置，包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片设置在叶片轴端部的一侧，设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角这种流体能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的流体能量都能够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所受到的动力最大，这种垂直轴流体能利用装置具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点。

Description

侧矩叶片垂直轴流体能装置

技术领域

本发明涉及一种流体能利用装置，特别是一种侧矩叶片垂直轴流体能装置，适合作为风能利用、海洋能发电及其它动力装置。

背景技术

在现有能源结构中，有很大一部分是取自于自然界的能源，如太阳能、地热能、风能等，例如在风能利用方面，长期以来，人们设计了多种形式和结构的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向与位置的不同，又可分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机，目前应用最多还是水平轴风力发电机，水平轴水力发电机有它的优点，如水平轴风力发电机组已经完全达到工业化生产，配套生产与运营经验全面，但垂直轴风力发电机具有结构体积小、无方向性要求、维修方便等特点，垂直风力发电机还具有安全、高效、噪声低、成本低、维护方便等优势。目前的绝大部分垂直轴发电机为固定迎风角的叶片结构，这种结构有效力矩较小，并且还可能在特定条件存在负力矩，降低了整体效率，所以影响了这种类型发电装置的推广和应用，所以目前垂直轴发电机还有一些不足和缺点有待改善。

同时，海洋中所蕴藏的能量更为巨大，在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转化为动能，同时，也有有潮流能量，潮汐能的利用方式主要是发电，潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。这样的话，就要修建储水水库，就有大量的土建工程以及运行以后的维护工作，所以，目前这种能量利用方式还有很大的改善空间。

而对于风能和海洋能，都可以看成是一个流体能量利用的问题，在具备一定条件的基础上，应当具有一种基本工作形式或结构，可以将此类的能量利用或挖掘出来。

发明内容

本发明目的就是提供一种启动力矩小、效率高、应用范围广的垂直轴流体能利用装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术解决方案：一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；叶片设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行转换；两种状态对于流体阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

进一步的，所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间，最优选为90度。

进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为90度。

进一步的，所述限位装置由静限位块与动限位块组成，静限位块与动限位块位于同一平面内，并分别装配于轴承架和叶片轴上。

进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

进一步的，所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上。

另外，还有一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的一端设置有叶片；叶片设置在叶片轴端部的一侧，与轴承装配，以形成一侧的驱动力矩；叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线的，叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体能的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行切换；两种状态对于流体阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

另外，一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的中心与动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；叶片设置在叶片轴端部的一侧，，以形成一侧的驱动力矩；设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体能的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行切换；两种状态对于流体阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴，在动力轴轴上方向上至少具有二个或以上的工作面，并具有同步结构。

进一步的，在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件,叶片轴力矩平衡部件设置在叶片轴重力力矩较小一侧。。

本发明效果和特点体现在以下：

这种流体能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的流体能量都能够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所受到的动力最大，叶片始终处于做正功的状态，形成正扭矩，它能够最大程度地迎着风向或水流流向，克服现有机械的叶片在某些位置处做负功的状态，提高流体能利用率。这种垂直轴流体能利用装置具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点。

附图说明

图1是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的外观示意图。

图2是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的正视图。

图3是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的俯视图。

图4是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的侧视图。

图5是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的轴承架结构正视图。

图6是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的限位装置俯视图。

图7是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的限位装置效果图。

图8是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的限位装置正视图。

图9是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例二（上叶片式）效果示意图。

图10是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例二（上叶片式）正视图。

图11是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例三（半叶片轴式结构）俯视图。

图12是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例三（半叶片轴式结构）正视图。

图13是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例四（多工作面式）正视图。

图14是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置的实施例四（多工作面式）效果图。

图15是本发明提出的侧矩叶片垂直轴流体能装置叶片轴力矩平衡部件示意图。

图中说明：

1为动力轴；

2为发电机；

3为叶片；

4为叶片轴；

5为轴承架

51为轴承；

52为静限位块；

53为动限位块；

6为叶片轴力矩平衡部件。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉并且具有高效率的流体能量收集方法及装置，因此，对现有技术中所涉及的技术方案进行了改进与提高。例如，在现有的垂直轴风力发电装置中，叶片的角度是固定不变的，这样，随着叶片的可能会受到负力矩。为了避免这种情况的发生，在本实施例中采用改进和优化的技术方案。 

实施例一：

这是一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,基本结构至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，以及由动力轴带动的发电装置发电机2，由图1、图2中可以看出，在本说明所提及的装置中，没有涉及一些其它的辅助部件，如垂直流体能装置的支架等，因对发明实质内容没有影响，因而没有做过多的描述。

如图1至图4所示，叶片轴4水平横向设置，叶片轴4的中心与动力轴1或动力轴1的延长线垂直相交，这样的设置可以使效率最高，避免偏心力矩的产生，在叶片轴4的两端设置有叶片3，并且是固定设置的，叶片3是受风力或水力的主要部件，如图2和图3所示，风向或液体的流动方向如附图3中箭头所示，叶片3设置在叶片轴4端部的一侧，而不是偏心设置，这样，不但可以形成完全一侧的驱动力矩，避免在叶片轴4的两侧分别作用大小不同的力矩以产生抵消，而且在状态切换时更加容易和方便。

为了使能够充分利用能量和方便自动切换，使设在同一叶片轴4两端的叶片3不在同一平面内，使两个叶片3之间具有夹角；如图1、2、3所示，在同一叶片轴4两端的叶片3之间的夹角可为60-120度之间，最优选为90度，在本实施例中就是采用90度夹角。

图4是显示的侧视图，也可以看出这样的效果。

叶片轴4通过连接结构与动力轴1进行装配，这个连接结构为轴承架5，如图1-4和图5所示，在轴承架内具有轴承51，可以对叶片轴4进行装配固定，同时，因为是轴承装置，所以叶片轴4还可以旋转，也就是说，叶片轴4和叶片3可以旋转。

叶片3与叶片轴4可以旋转，但是，如果没有限制的旋转是无法实现发明目的的，因为，如果没有限位的话，叶片3与叶片轴4就无法在受到流体动力最大时保证叶片3的稳定性及受力最大，也就是说，在流体方向的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直于流体流动方向，受力截面积最大，而在同一轴上、在流体反方向的叶片3受到的阻力最小，即叶片3平面平行于流体流动方向，受力截面积最小，因而，叶片轴4或叶片3必须具有限位装置，可以限定叶片3及叶片轴4旋转的角度。

限位装置是这样来设置的：所述限位装置由静限位块52与动限位块53组成，静限位块52与动限位块53位于同一平面内，如图6、7、8所示，静限位块52与动限位块53并分别装配于轴承架5和叶片轴4上，这样，在受到力时，叶片轴4及叶片3可以随力矩旋转并有所限制。

为了达到预期的目的，所述的限位装置静限位块52与动限位块53并分别装配于轴承架5和叶片轴4上，如图6、7、8所示，其中静限位块52呈现半圆状，固定在轴承架5上，而动限位块53为四分这一圆状，固定在叶片轴4上，这样，在两者之间就有四分之一圆的空间可以转动，大约为90角，因此，所限定叶片3在绕叶片轴4转动的角度为60-120度之间，最优选为90度。

另外，本装置是由一个叶片轴4和两端的叶片3组成一个叶片组，这种叶片组在一个完整圆周内只能够产生非连续或不稳定的作用力，如果需要产生连续的较为稳定的作用力，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴1旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴1垂直的工作面，因此，在本实施例中是由两组叶片组构成了一个工作面。

上面，已经介绍了本发明的基本结构，下面来说明一下基本的工作过程，在上述装置的基础上，以及在风能或水力的作用下，叶片轴4以及叶片3是可以转动的，并分别会稳定在两个状态，也就是具有两个稳定状态，即叶片3分别是垂直或水平的状态，也可以这样表示，在同一叶片轴4上两端的两个叶片3分别是两个工作状态：阻力状态和动力状态，可以结构图3以及图2、图4来进一步说明，在图3中，标示出了四个位置，分别是A、B、C、D四个位置，A/B为动力状态，C/D为阻力状态，或B/C是动力状态，D/A为阻力状态，这两者的不同需要看位置A的叶片3是否翻转。把位置A作为来风面，或是来水面，也就是正视图图2的一面，在动力轴4转动的不同的角度或不同位置时，四个叶片3及叶片轴4在流体的作用下，以及限位装置静限位块52、动限位块53的作用下，在阻力状态、动力状态两种状态之间进行转换，两种状态对于流体阻力分别是最大和最小，而形成的动力也就分别是最小和最大。更具体的说，在流体方向B位置的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直于流体流动方向，受力截面积也最大；而在同一轴上、在流体反方向的D位置叶片3受到的阻力最小，即叶片3平面平行于流体流动动方向，受力截面积也最小，而在位置A和C，由于叶片3截面与流体流向平行，不会产生动力，同时阻力也最小，也就是说，这时在动力轴4上的两个叶片3都没有出力，同时阻力也更小，但是在转过这个位置之后，处在原来位置C的叶片3继续旋转时会受到来自于流体方向的阻力，迫使此位置的叶片3由垂直方向转换为水平位置，这样，就会带动同一动力轴4另外轴的叶片3发生转动，也就是原来位置A的叶片发生转动，由原来的水平方向转变为垂直方向，并且其截面逐渐与流体方向垂直，且面积逐渐变大，直到到达位置B，此时，受力的动力状态，而在同一动力轴4另一端的叶片3为水平状态，受到的阻力最小，这种状态一直稳定到位置C，这样经过180度的旋转就完成了一个基本的工作状态的切换。在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

也可以这样表述：在图3中，在位置A时，风力或水力流向叶片3，这时无论叶片3是垂直状态或水平状态，都不会产生力矩，但只是一个瞬间；在位置B时，叶片3的平面在限位装置的作用下，为垂直向下状态，在迎风面上面积最大，所受到的动力最大，所以称之为动力状态时动力最大；而在同一根叶片轴4的另一端D位置的叶片，因为与另一端成90度设置，所以此时呈现水平状态，并且为迎风（水）面，此时迎风（水）面的面积最小，所以阻力最小，所以称之为阻力状态时阻力最小；在位置C时，也是一个临界状态，也同一叶片轴上另一端叶片3的状态类似，在转过临界点的附近或瞬时，在此位置上的叶片3会受到风（水）力的阻力，形成一个翻转力矩，叶片3就由原来的动力状态转变为阻力状态，同时，在叶片轴4另一端的叶片就变成了动力状态，此时，也是由于静限位52与动限位块53的作用，转动了90度，而动力轴1转到了位置A、B时呈现为动力状态，这个状态一直持续到位置C点，直至叶片3翻转，大约为二分之一圆周在做功。这样，在风（水）力的作用下，在两种状态的不断切换中，工作面对动力轴形成了持续不断的旋转力矩。

在本实施例中，所述的叶片轴4具有限位装置，所限定叶片3转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态，由图1-4可以得到。

实施例二：

基本结构与原理与上述相同，不同在于，所述的叶片3、叶片轴4至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态，如图9、图10所示，这种情况，叶片3在叶片轴4的上方，这样所利用的风能更加充分，效率更加一些。

实施例三：

这是一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，与前一实施基本相同，不同之处在于：叶片轴4的一端的延长线与动力轴1的延长线垂直相交，如图11、图12所示，也就是说，叶片轴4是不穿过动力轴1的轴线及延长线的，在叶片轴4的一端设置有叶片3；叶片3设置在叶片轴4端部的一侧，与轴承51装配，以形成一侧的驱动力矩；由一个叶片轴4和一端的叶片3组成一个叶片组，至少具有三组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面。

实施例四：

另外，一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，与前一实施基本相同，不同之处在于：在动力轴1轴向方向上至少具有二个或以上的工作面，并具有同步结构，这样的效率更高，风能或水能的利用率更高，效果更好。

进一步的，同步结构为连杆。

另外，上述几个实施例的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片3、叶片轴4、轴承51、轴承架5、动力轴1等部件之上，也可以达到同样的效果和目的,因此，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，是十分具有必要的。

另外，在上述实施例中，由于在叶片轴4上的叶片3是安装在叶片轴4的一侧的，即在90度范围内，这样会使受力不均，特别是受重力影响容易下垂，会使受力和运行不稳定，为了改善这个不良影响，在叶片轴4上设置有叶片轴力矩平衡部件6,叶片轴力矩平衡部件6是设置在叶片轴4上并与叶片3相对的另一侧，或重力力矩较小一侧，来平衡叶片3的重量，如图15所示，叶片轴力矩平衡部件6的形状可以为条状、棒状、重锤等其中一种或多种，也可以叶片3自身，通过尺寸、密度的改变来调整。

因此，这种垂直轴流体能利用装置具有结构简单、启动风力小、效率高、易于维护的特点。

上述的实施例不仅是一种风力发电机或海洋能潮汐动力机，更可以是一风力或水力动力装置，可以是流体能水泵、流体能气泵、流体能磨机等各种动力装置。

虽然这里只说明了本发明的部份优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (10)

1.一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于:

叶片轴水平设置，叶片轴的中心与动力轻或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；

叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；

设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；

叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；

由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组；

叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行转换；

在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

2.根据权利要求1所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间，最优选为90度。

3.根据权利要求1所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为60-120度之间，最优选为90度。

4.根据权利要求3所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述限位装置由静限位块与动限位块组成，静限位块与动限位块位于同一平面内，并分别装配于轴承架和叶片轴上。

5.根据权利要求3所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

6.根据权利要求1所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

7.根据权利要求1所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置,其特征在于：所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上。

8.一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于:

叶片轴水平设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的一端设置有叶片；

叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，与轴承装配，以形成一侧的驱动力矩；

叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线的；

叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；

由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的

叶片组；

叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行切换；

在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

9.一种侧矩叶片垂直轴流体能装置,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于:

叶片轴水平设置，叶片轴的中心与动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；

叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；

设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；

叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；

由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的

叶片组；

叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行切换；

在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴；

在动力轴轴上方向上至少具有二个或以上的工作面，并具有同步结构。

10.如权利要求1、8、9所述的侧矩叶片垂直轴流体能装置，其特征在于：在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件,叶片轴力矩平衡部件设置在叶片轴重力力矩较小一侧。

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