CN104533718B - 全向变桨垂直轴轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全向变桨垂直轴轮机，本发明的技术特征是：直翼叶片均匀安装在盒式转盘的边缘、扭转控制轴确定推进方向，转动空心转轴，盒式转盘带动直翼叶片旋转，滑轴的一端沿控制轨道滑动，滑轴的另一端沿径向轨道做往复性运动，带动直翼叶片摆动，通过设计控制轨道的大小和形状，精确控制直翼叶片旋转到不同位置的摆角，使这个摆角等于或接近于该处流场的最佳攻角，本轮机的平均螺距比≥0.83π，因此可取代螺旋桨，远远超过德国J.M.Voith公司0.788π的国际先进水平，由于转速更慢，所以可轻松实现静音推进和立体推进，又因结构简单可轻松实现大型化制造，是船舶、潜艇、飞机、水电、风电等装置所需轮机的又一重要选择对象。

Description

全向变桨垂直轴轮机

技术领域：

本发明涉及一种全向变桨垂直轴轮机的直翼叶片控制装置。

技术背景：

当前水平轴轮机广泛应用于船舶、飞机、水电、风电等诸多领域。垂直轴轮机1921年由德国人申请第一个专利，至今已近百年，却始终没有成为该领域的主要产品，但自身却有极强的可操作性，尤其是变桨式垂直轴轮机，可以在发动机不变速的条件下产生任意方向的推力，制约这一技术发展的瓶颈是复杂的变桨机构，德国J.M.Voith公司生产的VSP垂直轴摆线推进器采用的是六杆曲柄连杆的变桨机构，其最大螺距比为0.788π，最大偏心率为0.788，是目前唯一的成熟产品，由于结构复杂造价极高，虽有优良的性能，但是60年来也只有在欧洲应用于拖船、猎潜舰、扫雷艇、海上平台等各种特殊船舶，美国军方研制的摆线式推进器采用的是凸轮连杆变桨机构，在偏心距过大时转轴容易卡死，而被淘汰，韩国Hwang等人设计的四杆机构，由于效率低而未获得推广。最近我国公示的申请号为201410136099.8的专利，技术中所述的叉形引导杆端部沿相交叉的两圈导轨平稳滑动，其实这很难做到，即使做到了，由于两圈导轨的尺寸比动轮盘略大，叉形引导杆的端部的滑动速度比垂直翼的运动速度快，致使导轨和叉形引导杆端部剧烈磨损，导致该装置的寿命不会太长。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种简单的由摆臂、丁字形连杆和轨道控制式全向垂直轴轮机。本发明采用如下技术方案：

一种全向变桨垂直轴轮机主要部件包括：控制轴、控制盘、控制轨道、盒式转盘、空心转轴、安装轴孔、径向轨道、安装轴、直翼叶片、摆臂、摆轴、丁字形连杆、滑轴、密封盖、控制轴孔、安装轴孔等。其技术方案是：控制轴上固定有较小控制盘，控制盘上设有控制轨道，盒式转盘中心有空心转轴，边缘均匀分布若干个安装轴孔，中部设有相同数量的径向轨道；安装轴的两端或一端固定有直翼叶片，安装轴的中段固定有摆臂，摆臂的另一端装有摆轴；丁字形连杆的一端有一段固定的滑轴，丁字形连杆的另一端与摆轴相连；密封盖的中心设有控制轴孔，边缘均匀分布若干个安装轴孔。控制轴穿过空心转轴，若干个直翼叶片的安装轴安装在对应安装轴孔上，滑轴的两端分别嵌入径向轨道和控制轨道中，密封盖盖在盒式转盘上，安装轴孔与直翼叶片的安装轴同轴，将控制盘、控制轨道、径向轨道、安装轴、摆臂、丁字形连杆夹在中间，密封盖边缘的螺丝杆将密封盖和盒式转盘固连为一整体。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.采用的丁字形连杆和轨道控制式变桨机构比六杆曲柄连杆的变桨机构要简单很多，可靠性和对桨叶摆动控制的精度更高，寿命更长。

2.制造成本比六杆曲柄连杆的变桨机构低很多。

3.平均螺距比大于0.83π，平均偏心率大于0.83，远远超过0.788的国际先进水平，效率高于水平轴轮机。

4.质量轻，直径大，不但可做水下推进器，飞机推进器，若用于风电和水电取代水平轴轮机其制造成本和运营成本会大大降低。

本发明若作为水下推进器使用时，扭转控制轴确定推进方向，转动空心转轴，盒式转盘带动直翼叶片旋转，滑轴的一端沿控制轨道滑动，驱动滑轴的另一端沿径向轨道做往复性运动，通过丁字形连杆和摆轴驱动摆臂摆动，带动直翼叶片摆动，这样直翼叶片在绕空心轴公转的同时还绕自身的安装轴摆动，通过设计控制轨道的形状能精确控制直翼叶片旋转到不同的位置时有不同的摆角，在保证装置平稳运转的条件下，使这个摆角等于或接近于在流场中的最佳攻角，达到提高推进效率之目的。若要改变推进方向，只需转动控制轴一相应的角度，实现全向推进或船舶的无舵推进。

本发明若作为飞机推进器和风电轮机使用时，因为不需要高标准密封，为了减小重量可将盒式转盘变为柱形轮架，用支架取代密封盖，这样可以将轮机做得很大重量很轻，适应风力发电的要求，当风速过大或过小时可以旋转控制轴可使轮机匀速旋转，发出稳定的电力；作为飞机的推进器使用时，因为本发明可以轻松实现360度转向，所以实现飞机的垂直起降、悬停或沿任意方向运动都不是问题，大大提高了飞机的机动性。

本发明还可以用于洋流发电、河流发电等水电项目，不用建坝造堤。

附图说明：

图1为本发明的三维示意图

图2为本发明去掉密封盖后，盒式转盘内部零件结构三维示意图

图3为本发明盒式转盘和丁字形连杆的三维示意图

图4为本发明直翼叶片的三维示意图

图5为本发明控制轴和控制盘三维示意图；图6密封盖的三维示意图

具体实施方式：

下面结合附图详述本发明：

一种全向变桨垂直轴轮机参见附图1至附图6，图中：控制轴1、控制盘2、控制轨道3、盒式转盘4、空心转轴5、安装轴孔6、径向轨道7、安装轴8、直翼叶片9、摆臂10、摆轴11、丁字形连杆12、滑轴13、密封盖14、控制轴孔15、安装轴孔16，螺丝杆17，本发明的技术特征是：控制轴1上固定有较小控制盘2，控制盘2上设有控制轨道3，盒式转盘4中心有空心转轴5，边缘均匀分布若干个安装轴孔6，中部设有相同数量的径向轨道7；安装轴8的一端或两端固定有直翼叶片9，安装轴8的中段固定有摆臂10，摆臂10的另一端装有摆轴11；丁字形连杆12的一端有一段固定的滑轴13，另一端与摆轴11相连；密封盖14的中心设有控制轴孔15，边缘均匀分布若干个安装轴孔16，控制轴1穿过空心转轴5，若干个直翼叶片9通过安装轴8，安装在对应安装轴孔6上，丁字形连杆12的滑轴13两端分别嵌入径向轨道7和控制轨道3中，密封盖14盖在盒式转盘4上，安装轴孔6、安装轴孔15与安装轴8同轴，并将控制盘2、控制轨道3、径向轨道7、安装轴8、摆臂10和丁字形连杆12夹在中间，密封盖14边缘的一圈螺丝杆17将密封盖14和盒式转盘4固定为一整体。

实施例1

本发明若作为水下推进器使用时，可扭转控制轴1来确定推进方向，驱动空心转轴5旋转，盒式转盘4带动直翼叶片9旋转，滑轴13的一端沿控制轨道3滑动，驱动滑轴13的另一端，沿径向轨道7做往复性运动，通过丁字形连杆12和摆轴11驱动摆臂10摆动，带动直翼叶片9摆动，这样直翼叶片9在绕空心轴5公转的同时还绕自身的安装轴8摆动，通过设计控制轨道3的形状和大小，精确控制直翼叶片9旋转到不同的位置时有不同的摆角，使这个摆角除在0度和180度外的任何其它位置都等于或接近该处流场中的最佳攻角，达到了提高推进效率的目的。若要改变推进方向，只需转动控制轴1一相应的角度，轻松实现船舶的无舵推进。

实施例2

本发明若作为飞机推进器和风电的轮机使用时，因为不需要高标准密封，为了减小重量可将盒式转盘4变为柱形轮架，取消密封盖14，用支架代替这样可以将全向变桨式垂直轴轮机做得很大、重量很轻、完全能适应飞机推进器和风力发电的要求，当风速过大或过小时可以旋转控制轴1使轮机匀速旋转，发出稳定的电力；作为飞机的推进器使用时，因为本发明可以轻松实现360度转向，所以实现飞机的垂直起降、倒行、悬停或沿任意方向运动都不是问题，大大提高了飞机的机动性。

实施例3

本发明还可以用于洋流发电、河流发电等水电项目，不用建坝造堤。

本发明不仅限于上述列举，其结构特征只要包括诸如控制轴、控制盘、卵形轨道、盒式转盘、空心转轴、安装轴孔、径向轨道、直翼叶片、安装轴、摆臂、摆轴、丁字形连杆、滑轴、密封盖，等具体结构特征或者是能实现所述技术方案的等同技术特征，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种全向变桨垂直轴轮机，包括：控制轴、控制盘、控制轨道、盒式转盘、径向轨道、直翼叶片、安装轴、摆臂、摆轴、丁字形连杆、密封盖、控制轴孔、安装轴孔、螺丝杆,其特征在于，控制轴上固定有控制盘，控制盘上设有控制轨道；盒式转盘中心有空心转轴，边缘均匀分布若干个安装轴孔，中部设有与安装轴孔相同数量的径向轨道；安装轴的一端或两端固定有直翼叶片，安装轴的中段固定有摆臂，摆臂的另一端装有摆轴；丁字形连杆的一端有一段固定的滑轴，另一端与摆轴相连；密封盖的中心设有控制轴孔，边缘均匀分布若干个安装轴孔，控制轴穿过空心转轴，若干个直翼叶片通过安装轴安装在对应安装轴孔上，丁字形连杆滑轴的两端分别嵌入径向轨道和控制轨道中，密封盖盖在盒式转盘上，密封盖上的安装轴孔、盒式转盘上的安装轴孔与安装轴同轴，并将控制盘、控制轨道、径向轨道、安装轴、摆臂和丁字形连杆夹在中间，密封盖边缘的一圈螺丝杆将密封盖和盒式转盘固定为一整体。

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