CN103899486B - 轨道控制式垂直轴轮机 - Google Patents

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徐文华
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Abstract

本发明涉及的是一种轨道控制式垂直轴轮机。包括动轮盘、传动轴、垂直翼，垂直翼通过轴承安装在动轮盘上，传动轴与动轮盘通过传动机构相连，还包括两圈导轨且两圈导轨之间存在两个交叉点，垂直翼上相连叉形导引杆，所述叉形导引杆包括与垂直翼相连的翼型转轴、连接于翼型转轴上的平行导引杆和垂直导引杆，平行导引杆和垂直导引杆的端部嵌入导轨中能够沿导轨平稳滑动。本发明通过布置固定的导轨或者导轨轮盘，引导翼型的转动，实现最优化运动，可以提高推进器的推进效率，提高风机或者水轮机的能量采集效率。

Description

轨道控制式垂直轴轮机
技术领域
本发明涉及的是一种垂直轴轮机叶片的控制结构。
背景技术
垂直轴轮机可根据应用需要设计为推进器、风力发电机与水轮机等换能机械装置。垂直轴轮机的叶片的运动优化是实现高能效的核心技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高能效、受来流方向影响较小的轨道控制式垂直轴轮机。
本发明的目的是这样实现的：
包括动轮盘、传动轴、垂直翼，垂直翼通过轴承安装在动轮盘上，传动轴与动轮盘通过传动机构相连，还包括两圈导轨且两圈导轨之间存在两个交叉点，垂直翼上相连叉形导引杆，所述叉形导引杆包括与垂直翼相连的翼型转轴、连接于翼型转轴上的平行导引杆和垂直导引杆，平行导引杆和垂直导引杆的端部嵌入导轨中能够沿导轨平稳滑动。
本发明还可以包括：
1、平行导引杆和垂直导引杆的端部装有轴承。
2、还包括导轨轮盘，两圈导轨固定在导轨轮盘上。
3、所述传动机构为两个分别固定在传动轴与动轮盘上的相互啮合的锥齿轮。
4、3-5个垂直翼均匀分布于动轮盘的圆周上。
本发明为轨道控制式垂直轴轮机，通过引入一种经过轨迹优化的导轨轮盘或者单纯的轨道结构，配合叉形连接结构引导垂直翼(叶片)的转动，实现优化的推进或发电的目的。
1)导轨结构固定在导轨轮盘上,用于引导垂直翼的转动。垂直翼随动轮盘旋转(类比于公转)，由与其相连的叉形导引结构引导，顺着导轨轮盘上的轨道运动，可控制垂直翼自身的转动(类比于自转)。
2)叉形连接结构，可以是垂直两叉结构，也可以三叉或四叉形结构。这里以垂直两叉形结构为例说明。结合图2a-图2b，垂直叉形结构包括平行导引杆(与叶片弦长方向垂直)和垂直导引杆(垂直于平行导引杆)。图3给出了能量采集模式下垂直翼在垂直叉形结构(垂直/平行导引杆)引导下工作的示意图，动轮盘为顺时针旋转。以图3动轮盘中心处的坐标为参考，令垂直翼通过图示左端位置时t＝0，垂直翼与X轴正向的夹角为θ(t)，可以通过轨道对垂直翼的转动运动进行控制。例如可采用正弦形式的转动运动θ(t)＝θ0sinωt，θ0为夹角幅值，ω为轮盘转动角速度，t为时间。通过设置好的轨道分时段、分区间方法对垂直翼进行引导。如图3所示，在AB、CD段叶片的自转由垂直轨道f主导，BC、DA段叶片的自转由平行轨道g主导，仅仅在AB、BC、CD、DA的顺延交界区域采用双轨道导引，控制来流与叶片的夹角。图4b为图4a给出了(双轨)轨道轮盘的示意图，实线部分为设置的轨道，虚线部分为未参与实际导引的导引杆轨迹。
此发明作为风力发电机时，一般采用叶片朝上的布置方案，需要将图1倒置来看，叶片在上，轮盘在下。考虑结构物的大型化，可以用支架结构代替旋转轮盘，轨道轮盘可简化为轨道支架。此发明作为陆基风力发电风机，其装置结构便于安装与维护，便于发电机的总体布局，且当风向发生小范围变化时，发电效率受影响较小。作为水电站的水轮机装置，其可以很方便的安装在水道的侧壁上，方便安装维护。作为推进器的设计方案时，如果将动轮盘结构设计为可转动结构，可调节推进力的方向，可替代舵机的功能。
本发明通过布置固定的导轨或者导轨轮盘，引导翼型的转动，实现最优化运动，可以提高推进器的推进效率，提高风机或者水轮机的能量采集效率。
如果设计为推进器，通过导轨轮盘自身的旋转可以起到调整推进力方向的作用，进而替代舵机，完成推进与操纵作业。在风能与潮流能开发利用方面，基于导轨控制的风机或者水轮机可是适应来流在一定范围内的变化，减小来流方向变化对能量采集效率的影响。
附图说明
图1为轨道控制式垂直轴轮机总体示意图。
图2a为叉形连接结构示意图。
图2b为图2a的俯视图。
图3为能量采集运动模式及对应叉形连接构件位置示意图。
图4a为导轨轮盘轨道示意图。
图4b为图4a的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
如图1所示，轨道(轮盘)控制式垂直轴轮机装置包括垂直翼(叶片)1、导轨轮盘2、动轮盘3、锥齿轮4、传动轴5、导轨6、叉形导引杆(垂直/平行导引杆)7。
结合图2a-图2b，叉形导引杆包括与垂直翼相连的翼型转轴10、连接于翼型转轴上的平行导引杆8和垂直导引杆9。
传动轴5通过锥齿轮4与动轮盘3连接。叶片1通过轴承固定在动轮盘3上，可绕自身转轴转动。与叶片1相连的的垂直/平行叉形导引杆7嵌入导轨6内，导引杆端部装有轴承，能够沿导轨6平稳滑动。导轨6固定安装在导轨轮盘2上。
轮机整体可根据需要安排3-5个叶片，实现轮机的平稳运行。
当装置作为发电装置使用时，工作过程如下：
如图1、3、4所示，叶片1的运行轨迹由导轨6所确定。当流体流动时，叶片1受到的水动力推动轮盘转动，同时，叶片1上的垂直/平行叉形导引杆7沿导轨6(即图3轨道f、轨道g)平稳滑动，其中A、B、C、D为主控轨道交替区域，AB、CD段由垂直轨道f主导，BC、DA段由平行轨道g主导。以此控制叶片与来流攻角θ，使流体不断推动装置转动。动轮盘3通过锥齿轮4将能量传递给传动轴5，带动发电机发电。
当装置作为推进装置使用时，工作过程如下：
如图1、3、4所示，发动机连接于传动轴5，通过锥齿轮4带动动轮盘3转动，叶片1随之绕动轮盘中心转动，同时叶片1上的垂直和平行轨道导引杆7沿导轨6平稳滑动，AB、CD段由垂直轨道G1主导，BC、DA段由平行轨道G2主导。叶片与水作用，不断产生推力，达到推进目的。

Claims (9)

1.一种轨道控制式垂直轴轮机，包括动轮盘、传动轴、垂直翼，垂直翼通过轴承安装在动轮盘上，传动轴与动轮盘通过传动机构相连，其特征是：还包括两圈导轨且两圈导轨之间存在两个交叉点，垂直翼上相连叉形导引杆，所述叉形导引杆包括与垂直翼相连的翼型转轴、连接于翼型转轴上的平行导引杆和垂直导引杆，平行导引杆和垂直导引杆的端部嵌入导轨中能够沿导轨平稳滑动。
2.根据权利要求1所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：平行导引杆和垂直导引杆的端部装有轴承。
3.根据权利要求1或2所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：还包括导轨轮盘，两圈导轨固定在导轨轮盘上。
4.根据权利要求1或2所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：所述传动机构为两个分别固定在传动轴与动轮盘上的相互啮合的锥齿轮。
5.根据权利要求3所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：所述传动机构为两个分别固定在传动轴与动轮盘上的相互啮合的锥齿轮。
6.根据权利要求1或2所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：3-5个垂直翼均匀分布于动轮盘的圆周上。
7.根据权利要求3所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：3-5个垂直翼均匀分布于动轮盘的圆周上。
8.根据权利要求4所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：3-5个垂直翼均匀分布于动轮盘的圆周上。
9.根据权利要求5所述的轨道控制式垂直轴轮机，其特征是：3-5个垂直翼均匀分布于动轮盘的圆周上。
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