CN104018989A - 立轴式的流体能量转换装置以及流体能量转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立轴式的流体能量转换装置以及流体能量转换方法，所述流体能量转换装置包括：支撑部件，包括位于底部的基座、固定在基座上的垂直支架以及与垂直支架垂直设置的横梁；立轴，垂直设置于横梁和所述基座之间；上翅叶和下翅叶，分别设置于立轴的上下端，上翅叶和下翅叶绕立轴可转动；柔性叶片，由柔性材料制成，通过圆形或者弧形的刚性部件固定在上翅叶和下翅叶之间。通过本发明实施例，可以对流体能量进行自适应调节，降低流体能量装置的启动力矩且防止流体能量过大时损坏装置。

Description

立轴式的流体能量转换装置以及流体能量转换方法

技术领域

本发明涉及一种能量转换技术领域，尤其涉及一种立轴式的流体能量转换装置以及流体能量转换方法。

背景技术

流体能量（例如风能、水能等）作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在化石能源紧缺的时代，有着重大的意义。以风能为例，对于风能等的利用已经历经数千年，从最初的帆船和风车到现在日益成熟的风力机，人们总在不断的探索研究能更好更充分利用风能的装置。

现如今的风力机主要有水平轴和垂直轴两种。水平轴风力机的技术水平已经日益成熟，广泛地应用于风力发电。垂直轴风力机虽然较水平轴风力机更早的出现，由于缺乏成熟全面的理论基础和技术手段，并没有能得到充分的发展，但这种风力机具有水平轴风力机所不具有的独特优。

首先垂直轴风力机结构简单，安装方便，维护也较为简单，而水平轴风力机造价较高，技术复杂，维护更为困难；其次由于风向的变化，水平轴风力机需要特有的对风装置，而垂直轴风机可自适应风向的变化；此外水平轴风力机的叶片大多采用合成材料，要承受周期性的交变载荷，容易损坏，还造成较大的噪声；垂直轴风力机的叶片承受的一恒定载荷，疲劳寿命更长，所以对于垂直轴风力机的研究依然有很大的前景。

不过，发明人发现：目前的风力机在风力较大时容易损坏，而在风力较小时又不容易启动，缺乏一种自适应的机制。

发明内容

本发明提供一种立轴式的流体能量转换装置以及流体能量转换方法，目的在于对流体能量进行自适应调节，降低流体能量转换装置的启动力矩且防止流体能量过大时损坏转换装置。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种立轴式的流体能量转换装置，所述流体能量转换装置包括：

支撑部件，包括位于底部的基座、固定在所述基座上的垂直支架以及与所述垂直支架垂直设置的横梁；

立轴，垂直设置于所述横梁和所述基座之间；

上翅叶和下翅叶，分别设置于所述立轴的上下端，所述上翅叶和所述下翅叶绕所述立轴可转动；

柔性叶片，由柔性材料制成，通过圆形或者弧形的刚性部件固定在所述上翅叶和所述下翅叶之间。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述上翅叶和所述下翅叶各为三个，所述三个上翅叶通过上法兰盘设置在所述立轴的上端，且所述三个上翅叶之间以120°均匀分布；

所述三个下翅叶通过下法兰盘设置在所述立轴的下端，且所述三个下翅叶之间以120°均匀分布。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述上翅叶和所述下翅叶之间具有一定的角度。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述下翅叶被设置为沿着所述立轴上下可移动。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述柔性叶片通过多个具有相同弧度的固定部件来支撑。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述流体能量转换装置还包括：

滑套，与所述下翅叶固定设置，所述下翅叶通过所述滑套沿着所述立轴上下可移动；

卡圈，设置于所述立轴上，通过所述卡圈限制所述下翅叶在所述立轴上的轴向运动范围。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述立轴包括：

实心立轴，位于所述立轴的上半部分；

花键轴，位于所述立轴的下半部分，所述实心立轴的轴径大于所述花键轴的轴径。

根据本发明实施例的又一个方面，提供一种流体能量转换方法，使用如上所述的立轴式的流体能量转换装置，所述流体能量转换方法包括：

所述立轴式的流体能量转换装置中的柔性叶片在受到流体的压力时产生变形，

通过所述柔性叶片的变形来调节接受到的流体能量。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述流体能量转换方法还包括：

根据所述流体的压力来调整所述立轴式的流体能量转换装置中的上翅叶和下翅叶之间的角度。

根据本发明实施例的另一个方面，其中，所述流体能量转换方法还包括：

根据所述流体的压力和所述立轴式的流体能量转换装置中的下翅叶的配重，所述下翅叶沿着所述立轴式的流体能量转换装置中的立轴上下移动。

本发明实施例的有益效果在于：通过柔性叶片的自适应变形，可以对流体能量进行自适应调节，降低流体能量装置的启动力矩且防止流体能量过大时损坏装置。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，来表示实施本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的范围不受此限制。相反，本发明包括落入所附权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

参照以下附图，将更好地理解本发明的许多方面。附图中的组成部分不一定按比例绘制，重点在于清楚地例示出本发明的原理。为了便于例示和描述本发明的一些部分，可以将附图中的对应部分在尺寸上放大，例如，放大得相对于其他部分比在根据本发明实际制成的示例性设备中的要大。在本发明的一个图或实施方式中示出的部件和特征可以与一个或更多个其它图或实施方式中示出的部件和特征相结合。此外，在附图中，相同的标号在全部图中都标示对应的部分，并且可以用来标示一个以上实施方式中的相同或类似部分。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，例示了本发明的优选实施方式，并与文字说明一起用来解释本发明的原理，其中对于相同的要素，始终用相同的附图标记来表示。

在附图中：

图1是本发明实施例的立轴式的流体能量转换装置的一示意图；

图2是本发明实施例的支撑部件的一示意图；

图3是图2中A处的放大示意图；

图4是本发明实施例的上下法兰盘的一示意图；

图5是图2中B处的放大示意图；

图6是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的一示意图；

图7是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的另一示意图；

图8是本发明实施例的立轴式的流体能量转换装置的另一示意图；

图9是本发明实施例的立轴的一示意图；

图10是本发明实施例的花键轴的一示意图；

图11是本发明实施例的滑套的一示意图；

图12是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的另一示意图；

图13是本发明实施例的流体能量转换方法的一流程图。

具体实施方式

针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征使用。

应当强调的是，术语“包括”当在本说明书中使用时用来指所述特征、要件、步骤或组成部分的存在，但不排除一个或更多个其它特征、要件、步骤、组成部分或它们的组合的存在或增加。

实施例1

本发明实施例提供一种立轴式的流体能量转换装置。图1是本发明实施例的立轴式的流体能量转换装置的一示意图，如图1所示，该立轴式的流体能量转换装置100包括：

支撑部件101，该支撑部件101包括位于底部的基座、固定在基座上的垂直支架以及与垂直支架垂直设置的横梁；

立轴102，垂直设置于横梁和基座之间；

上翅叶103和下翅叶104，分别设置于立轴102的上下端，上翅叶103和下翅叶104绕立轴102可转动；

柔性叶片105，由柔性材料制成，通过圆形或者弧形的刚性部件固定在上翅叶103和下翅叶104之间。

在本实施例中，流体可以为风力，也可以为水流、潮汐等。但本发明不限于此，可以根据实际情况确定具体的流体类型。

图2是本发明实施例的支撑部件的一示意图，如图2所示，支撑部件101可以由位于底部的基座201和垂直支架202以及横梁203组成。其中基座201置于地面，用于支撑整个装置，保持其稳定性；而垂直支架202以及横梁203材质均可以为槽钢，垂直支架固定在基座201之上，而横梁203与垂直支架202始终保持90度，可以通过螺栓（例如6个）相连。

在本实施例中，如图1所示，上翅叶103和下翅叶104可以各为三个。其中，三个上翅叶103可以通过一个上法兰盘设置在立轴102的上端，且三个上翅叶103之间以120°均匀分布；三个下翅叶104通过一个下法兰盘设置在立轴102的下端，且三个下翅叶104之间以120°均匀分布。

在具体实施时，装置共装有上下各3个（一共6个）翅叶，且上下均以120度均布。翅叶采用特殊材料加工而成，除了质量较轻，可以使该装置在较小的流体压力下准确平稳启动外，还要有很好的刚性，不因为在运行过程中受到叶片的拉力，而轻易发生弯曲和变形，影响整个装置的稳定性和准确性。本发明不限于此，例如还可以使用更多或者更少的翅叶，可根据实际情况确定具体的结构。

图3是图2中A处的放大示意图，如图3所示，立轴102的顶部轴头可以与球轴承301相连，且轴承架302与横梁203通过均匀分布在轴承架302上的螺栓（例如4个）固定连接。立轴102的上部可以有一个法兰盘303，该上法兰盘303通过螺钉304与上翅叶103连接固定。立轴102的下部可以有一个法兰盘（图中未示出）。

图4是本发明实施例的法兰盘的一示意图，如图4所示，在法兰盘上分别匀布着三组圆孔，每组圆孔可以有三个。并且，上法兰盘303通过这些圆孔和螺钉304与上翅叶103连接固定；下法兰盘通过这些圆孔和螺钉与下翅叶104连接固定。

图5是图2中B处的放大示意图，如图5所示，立轴102的下部可与圆锥轴承501相连，圆锥轴承501和轴承盖与轴承座502固定，轴承盖与轴承座502通过均匀分布的螺钉（例如4个）固定连接，而轴承座502又通过螺栓与钢板503固定在基座201上。而立轴102的下端轴头可与发电机等设备连接，将流体能量转化为机械能或是电能。

在本实施例中，上翅叶和下翅叶之间设置有柔性叶片（例如设置有3个柔性叶片）。柔性叶片的主体为柔性材料，叶片顶部和底部通过刚性的圆环或圆弧固定在上下翅叶之间。

在本实施例中，柔性叶片可通过多个具有相同弧度的固定部件来支撑。如图1所示，柔性叶片沿着轴向与多个（例如10个）具有相同弧度的圆环固定，用来支撑叶片，避免叶片在迎风时随意扭转弯曲，在一定程度上限制了周向上叶片的变形，从而更好地获取风能。

以风力为例，柔性叶片在风力的作用下可以发生变形。图6是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的一示意图，图7是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的另一示意图。

如图6和7所示，当风从某一方向吹过来，迎风的柔性叶片的凹面正好对着来流，从而在风力的作用下会从凹面向外变形；而相邻的背风的柔性叶片，在风力作用下，从凸面向里发生一定的变形；另外一个柔性叶片没有直接的迎风和背风，但从迎风叶片和背风叶片之间依旧会有风穿过，致使该柔性叶片从侧面发生一定的扭曲变形。但由于迎风叶片和背风叶片的受力面积存在差异，所以会产生一定的阻力差，在阻力矩的作用下，会发生旋转，从而可以输出能量。当风速达到一定程度时，叶片会发生很大的变形。

在本实施例中，上翅叶103和下翅叶104之间还可以具有一定的角度。图8是本发明实施例的立轴式的流体能量转换装置的另一示意图，如图8所示，可以调节柔性叶片的安装角度。例如，上翅叶保持原有位置不动，但下翅叶可发生位置的改变，相对上翅叶可以有15度、30度、45度、60度的角度变化，从而可以在一定的流体（例如风速和风向）下，通过角度的调整，改变叶片的安装位置来获得最佳的安装角度和最佳的受力方向，尽可能最大限度地获取流体能量。

在本实施例中，下翅叶104还可以被设置为沿着立轴102可上下移动。可能使得下翅叶104沿轴102向向上运动，以此减小柔性叶片的迎风面积。

在具体实施时，流体能量转换装置还可以包括：滑套和卡圈。其中，滑套与下翅叶104固定设置，下翅叶104通过滑套沿着立轴102可上下移动；卡圈设置于立轴102上，通过卡圈限制下翅叶104在立轴102上的轴向运动范围。

图9是本发明实施例的立轴的一示意图，如图9所示，立轴102可以包括：

实心立轴901，位于立轴的上半部分；

花键轴902，位于立轴的下半部分，实心立轴901的轴径大于花键轴902的轴径。

如图9所示，花键轴902与实心立轴901连接时候，可以通过对实心立轴901做头扩孔，再将花键轴902插入，通过螺母903固定连接。如图9所示，在花键轴902上还套有一定距离的滑套904，滑套904的底部与下法兰盘固定。

图10是本发明实施例的花键轴的一示意图，如图10所示，在花键轴902上可以开有一定长度的三角键槽1001，且每个截面上的键槽呈120度均匀分布。小圆球1102可在该键槽1001上滑动。

图11是本发明实施例的滑套的一示意图，其中图A示出了滑套沿水平方向的横截面，图B示出了滑套沿垂直方向的横截面。如图11所示，在滑套904的上下开有两组圆孔，每组圆孔有3个圆孔1101（总共6个圆孔）。

由此，如图10所示，可以通过螺钉以及圆孔1101将小圆球1102压紧在花键轴902的键槽1001上，使得滑套904灵活地沿立轴102上下移动。

图12是风力机在一定风速作用下叶片发生一定变形的另一示意图。如图12所示，在叶片发生较大变形时，使得下法兰盘随着滑套沿着立轴向上运动，从而减小叶片的迎风面积，避免长期在大风中运行，装置发生故障或损坏。

而在风速减小之后，又可以通过自身重量恢复到原位置，增大叶片的迎风面积，尽可能获取风能。同时在实心立轴和花键轴之间装有卡圈，用来限制下翅叶在轴向运动的最大位置，从而避免上下翅叶距离过于接近，使叶片处于闭合状态，影响装置的正常运行。

在本实施例中，可以通过下翅叶的配重（例如自身重量）来决定在多大的风速下，下翅叶会沿着轴向向上运动，此外，还可以通过对下法兰盘增加配重，以此来改变临界风速。

由上述实施例可知，该立轴式的流体能量转换装置既可用于风资源缺乏区域或风速较小的情况，有效的保证风力机顺利启动及正常运转，同时也适用在高风速条件下，通过改变叶片迎风面积，保持装置的安全性和稳定性。此外，该装置也可应用于其他流体中，如水流，潮汐。

由上述实施例可知，本发明相对于传统意义上的立轴式风力机有着其独特的特点：采用了更易于变形的柔性材料。叶片采用圆弧槽状，在叶片上下端采用圆弧状的刚性材料与支架固定，沿着立轴的轴向方向，等距离用弹性较小的圆弧状部件（例如毂）与柔性叶片相连接。流体经过叶片表面后，叶片发生自适应变形，从而使叶片获得最佳的驱动力，适应更广泛风速条件。叶片上所加装的毂，在一定程度上限制叶片的随意变形，能更好地吸收风能。除此之外装置无需专门的对风装置，能够适应风向的无规则变化。

并且，本发明采用的是一种自适应变形装置，使得在某些风速下能够自我调节。在风速较大的时候能够通过一定的变形减小叶片的迎风面积，从而减小驱动力和驱动力矩。当风速降低的时候又可以将叶片成展开状，达到最大的迎风面积，从而获得更多的风能。

与传统的垂直轴风力机不同的是，传统的垂直轴风力机启动力矩较大，需要更大的制动力矩，故大多采用一级或二级刹车机构进行。而本发明通过在旋转轴上加装滑套，使得与叶片固定的下翅叶既具有轴向运动的能力，还能在风速变化的情况下，依靠叶片的变形发生轴向运动，这为垂直轴风力机的制动和保护装置的稳定性提出了一种新的思路和方法。

本发明不仅具有传统的垂直轴风力机的优点，能够在低风速下启动，启动力矩好，使用与低风速和风资源比较匮乏的地区。同时在某些高风速下也能通过自适应调节叶片迎风面积，从而减小阻力，防止机构的损坏，保持稳定的运行。因此该装置在无论在风资源缺乏或风资源丰富的区域均可以有很好的应用。

实施例2

本发明实施例还提供一种流体能量转换方法，使用如实施例1所述的立轴式的流体能量转换装置。

图13是本发明实施例的流体能量转换方法的一流程图，如图13所示所述流体能量转换方法包括：

步骤1301，立轴式的流体能量转换装置中的柔性叶片在受到流体的压力时产生变形；

步骤1302，通过柔性叶片的变形来调节接收到的流体能量。

在具体实施时，流体能量转换方法还可以包括：通过流体的压力来调整立轴式的流体能量转换装置中的上翅叶和下翅叶之间的角度。

在具体实施时，流体能量转换方法还可以包括：通过流体的压力和立轴式的流体能量转换装置中的下翅叶的配重，使得下翅叶沿着立轴式的流体能量转换装置中的立轴上下移动。

由上述实施例可知，通过柔性叶片的自适应变形，可以对流体能量进行自适应调节，降低流体能量装置的启动力矩且防止流体能量过大时损坏装置。

以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

在此公开了本发明的特定实施方式。本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明在其他环境下具有其他应用。实际上，还存在许多实施方式和实现。所附权利要求绝非为了将本发明的范围限制为上述具体实施方式。另外，任意对于“用于……的装置”的引用都是为了描绘要素和权利要求的装置加功能的阐释，而任意未具体使用“用于……的装置”的引用的要素都不希望被理解为装置加功能的元件，即使该权利要求包括了“装置”的用词。

尽管已经针对特定优选实施方式或多个实施方式示出并描述了本发明，但是显然，本领域技术人员在阅读和理解说明书和附图时可以想到等同的修改例和变型例。尤其是对于由上述要素（部件、组件、装置、组成等）执行的各种功能，除非另外指出，希望用于描述这些要素的术语（包括“装置”的引用）对应于执行所述要素的具体功能的任意要素（即，功能等效），即使该要素在结构上不同于在本发明的所例示的示例性实施方式或多个实施方式中执行该功能的公开结构。另外，尽管以上已经针对几个例示的实施方式中的仅一个或更多个描述了本发明的具体特征，但是可以根据需要以及从对任意给定或具体应用有利的方面考虑，将这种特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征相结合。

Claims (10)

1.一种立轴式的流体能量转换装置，其特征在于，所述流体能量转换装置包括：

支撑部件，包括位于底部的基座、固定在所述基座上的垂直支架以及与所述垂直支架垂直设置的横梁；

立轴，垂直设置于所述横梁和所述基座之间；

上翅叶和下翅叶，分别设置于所述立轴的上下端，所述上翅叶和所述下翅叶绕所述立轴可转动；

柔性叶片，由柔性材料制成，通过圆形或者弧形的刚性部件固定在所述上翅叶和所述下翅叶之间。

2.根据权利要求1所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述上翅叶和所述下翅叶各为三个，所述三个上翅叶通过上法兰盘设置在所述立轴的上端，且所述三个上翅叶之间以120°均匀分布；

所述三个下翅叶通过下法兰盘设置在所述立轴的下端，且所述三个下翅叶之间以120°均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述上翅叶和所述下翅叶之间具有一定的角度。

4.根据权利要求1或2所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述下翅叶被设置为沿着所述立轴上下可移动。

5.根据权利要求1或2所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述柔性叶片通过多个具有相同弧度的固定部件来支撑。

6.根据权利要求4所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述流体能量转换装置还包括：

滑套，与所述下翅叶固定设置，所述下翅叶通过所述滑套沿着所述立轴上下可移动；

卡圈，设置于所述立轴上，通过所述卡圈限制所述下翅叶在所述立轴上的轴向运动范围。

7.根据权利要求6所述的流体能量转换装置，其特征在于，所述立轴包括：

实心立轴，位于所述立轴的上半部分；

花键轴，位于所述立轴的下半部分，所述实心立轴的轴径大于所述花键轴的轴径。

8.一种流体能量转换方法，使用如权利要求1至7任一项所述的立轴式的流体能量转换装置，其特征在于，所述流体能量转换方法包括：

所述立轴式的流体能量转换装置中的柔性叶片在受到流体的压力时产生变形，

通过所述柔性叶片的变形来调节接受到的流体能量。

9.根据权利要求8所述的流体能量转换方法，其特征在于，所述流体能量转换方法还包括：

根据所述流体的压力来调整所述立轴式的流体能量转换装置中的上翅叶和下翅叶之间的角度。

10.根据权利要求8所述的流体能量转换方法，其特征在于，所述流体能量转换方法还包括：

根据所述流体的压力和所述立轴式的流体能量转换装置中的下翅叶的配重，所述下翅叶沿着所述立轴式的流体能量转换装置中的立轴上下移动。