CN104912739A - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本垂直轴风力发电机，通过一个广集风源的偏流集风罩与导流斜板将风轮叶片之背风面一侧的阻力完全屏蔽掉，且把该阻力转变为动力，更兼风轮叶片的捉风能力強与喉管效应，故极大地强化气流对风轮推力的刚性、力度与速度，即极大地強化了对风能利用的效率和对低速风源利用的能力；对称的并联风轮可以倍增装机容量；翼形升力板风速自控装置可以防止高速气流对设备的电力破坏，同时又极大地加大了对高速风源利用的跨度。

Description

一种垂直轴风力发电机

(一)技术领域

一种风力发电机，特别是其风轮之转轴是垂直状态的风力发电机，它可以高效地利用风、或类似的流体(如：江、河流水或海洋流中的水体......等等)来为人们发电。

(二)背景技术

目前的垂直轴风力发电机，是利用风轮叶片之凹心的迎风面的捉风能力大于其凸起的背风面所受到的阻力而产生的压力差来推动风轮转动并带动发电机组来发电的。这种形式的风力发电机，由于其叶片之凸起的背风面仍然会在其风向的投影面上承受有气体的阻力，故而对叶片之凹心面所捕获到的风能的消耗仍然是很大的；另外，由于为了减少风轮之叶片背风面的阻力，其风轮之叶片又都是被制成了“弯刀柳叶”式的窄条形状，因此又大大地削弱了叶片的捉风能力，亦即极大地限制了它的装机容量。

本发明的目的在于：提供一种新型的垂直轴风力发电机，它可以全面地克服现有之垂直轴风力发电机的上述不足——即彻底地解除掉风轮叶片之背风面一侧的阻力并将该阻力转化为动力；同时又强化了风轮之叶片与整机的捉风能力，从而可以更为有效地利用风能和提高装机容量。

(三)发明内容

本发明的目的可以这样地来实现：在一个具有一定高度与足够稳定性的钢制或砼建(钢筋混凝土建筑)平台的中心处，穿过平台固定着一段的垂直的套管。在该套管上段的外侧通过一个推力向心滑动轴承套装着一个圆筒形托套，在该托套的上面水平地固焊着一块具有一定刚性的偏流集风罩的下面板。该偏流集风罩之下面板的水平外形近似于一个“标枪头”的形状——亦即一个近似于“凸”字的底边再与一个以该底边为底边的等腰三角形对接后所组成的外围形状，且定义标枪头的尖端为偏流集风罩的正前方。该推力向心滑动轴承的轴心线在偏流集风罩之下面板的对称中心面内，并通过套管上端的外螺纹、一个平垫和锁紧螺母来控制着偏流集风罩下面板的轴向窜动。该偏流集风罩下面板与托套一起可以围绕着套管自由地做水平转动。在该套管的内部通过于其上、下两端背朝背配置的二个推力向心轴承又支承着一个贯穿的带有轴肩的立轴。在该立轴的轴肩上通过一个平键套装着一个圆柱形的风轮，同时，通过立轴上端的外螺纹与一个平垫和锁紧螺母控制着风轮的轴向窜动。——所谓的圆柱形风轮：是指该风轮之每一个叶片的上、下两端各与其上端或下端呈水平形态的圆环形端板密接，每个叶片的内边又都与其同一轴毂密接，且每一个叶片的水平截面又都具有同一方向的弯曲弧度——(并确定其凹心的一面为迎风面)；从而在任何两个相邻的叶片之间又都形成了一个垂直的近似于三棱体形的盲头收风料斗；风轮的外围轮廓呈圆柱形。风轮的下端面与偏流集风罩之下面板的上表面应具有一定的间隙。偏流集风罩下面板的轴后宽度应适当地大于风轮的直径；而其轴后长度应略大于风轮的半径；偏流集风罩之下面板的轴前宽度应当较大地大于风轮的直径——以便于广集风源；而其轴前长度则应当大于风轮的半径与偏流集风罩的吃风深度之和。在偏流集风罩下面板之左、右侧边的上面，沿着左、右二侧边通过螺栓和螺母分别固定着一块垂直的、如形相符的、具有一定刚性、且相互对称的偏流集风罩的左、右边板；而在该左、右边板的上面又通过螺栓和螺母固定着一块水平的、具有一定刚性、而其外围形状和尺寸与偏流集风罩之下面板的外围完全一样的偏流集风罩的上面板，并且该上面板的下表面与风轮的上端面亦应具有适当间隙。于此，偏流集风罩的上、下面板、左、右边板便共同组成了一个完整的偏流集风罩，并且在该偏流集风罩之正面投影的方向上于其前、后两端各自形成一个矩形开口；而在其前矩形开口的最前端，尚有两个相对于其纵向对称中心面左、右对称的斜向开口。在偏流集风罩的前矩形开口内，于风轮叶片的背风面一侧——(在本案中，设定其背风面一侧是在立轴的左边)有一块上下垂直的导流斜板，该导流斜板的左边顺着偏流集风罩左边板的内表面向后顺滑过一段距离之后与之较为平顺地密接；而其右边则是从前向后同时又从左向右一直延伸到风轮的前沿并又向右略微越过风轮的轴心线；而其上、下两边则是分别地与偏流集风罩上面板的下表面和偏流集风罩下面板的上表面密接。在偏流集风罩后端之对称中心面处，于上面板的上面和下面板的下面顺着对称中心面的方向各自紧固着一段具有一定刚性与一定长度的尾杆，在该二尾杆的远端固定着一块具有一定面积的、其垂直投影呈(γ)字形的垂直尾翼——尾翼的垂直投影之所以制成(γ)字形是为了强化它的舵转能力。立轴的下端通过离合器与一个变速箱→发电机组顺序联接。其中，变速箱和发电机组都可以直接或通过支架与平台相对固定。而发电机组的输出电缆可以直接通入地面接收站。如此，便形成了一个基本的垂直轴风力发电机：如有来风，在垂直尾翼的舵转作用下，偏流集风罩的前矩形开口便会对准来风，大量的流动性气体便会涌入到偏流集风罩的前矩形开口内，但是，由于导流斜板的导引作用，会把进入该矩形开口之左半部分的气体导引到右边——亦即把本要冲向风轮叶片之背风面一侧的气流导入到了风轮之叶片的迎风面一侧；又由于气流的喉管效应，会使得风轮之叶片的迎风面一侧受到的推力更大、速度更快；而此时风轮之叶片的背风面一侧则几乎是在静态的气体中转动。亦即，本装置不但能夠最大程度地解除掉风轮叶片之背风面一侧所要承负的阻力，同时又可以把该阻力转变为助力。转动的风轮通过立轴→离合器→变速箱→发电机组便可进行发电。

为了避免因风速过高而引起高电压对设备造成损害，可以在偏流集风罩的前端配置上一套“翼形升力板风速自控装置”。该翼形升力板风速自控装置的结构如下：在偏流集风罩之左、右边板的前半部位之适当的位置上(——该位置应当在导流斜板之左边的前面)，贯穿性地固定着上、下两根水平的圆筒形导管，该二导管都应处在同一个与偏流集风罩之对称中心面垂直的垂面内，且又有一定的上下间距；在每一导管之左、右两半部分内，又都各自装配着一根可以在导管内自由地作轴向滑动的圆柱形轴棒，并且左边的上、下两根轴棒的外端同时固定在一块翼形升力板的内侧平面之偏后一些的位置上；该翼形升力板是一块具有一定宽度、一定厚度与一定垂直长度的垂直板件，它的水平截面呈内平外凸——即如同飞机机翼横断面的形状，且圆厚的垂直一边朝前——可称该翼形升力板为左翼形升力板；而在右边的上、下两根轴棒的外端也同时固定在一块与左翼形升力板的大小、形状和位置完全对称的右翼形升力板的内侧平面上；在左、右翼形升力板之内侧平面的前半部分之适当位置，又都各自固定着一个可以铰接连杆的耳座——可分别地称之为左外耳座和右外耳座；在偏流集风罩的前端之左、右两个斜向的开口内各自配有一个翻转门——可分别地称之为左翻转门和右翻转门；所谓的翻转门是指该门的门体是一块矩形板件，该门的门轴上下垂直地套装在偏流集风罩的上、下面板之间，其门体可以各自在左、右两个斜向的开口内自由地翻转，而在该二翻转门的轴后部分同时向外旋转到最大角度时，该二翻转门的门体可以把偏流集风罩的前矩形开口关闭；在左、右二翻转门门体内侧的轴后之适当位置上，对称地各自固定着一个带圆孔的耳板——可分别地称之为左耳板和右耳板，通过左、右耳板上的圆孔挂拉着一根拉簧；在左、右二翻转门门体外侧的后半部位之适当位置上，也对称性地各自固定着一个可以铰接连杆的耳座——可分别地称之为左内耳座和右内耳座，并且左外耳座与左内耳座、右内耳座、右外耳座都处在同一高度的水平面内——其具体高度应接近于偏流集风罩前矩形开口的中间水平面。用等长的左、右连杆并配以通用的圆柱销和开口销分别地将左外耳座与左内耳座、右内耳座与右外耳座进行铰接。便完成了一套“翼形升力板风速自控装置”。其中，左、右连杆的长度应当是：在无风的情况下，拉簧可以把左、右翼形升力板之间的间距拉到最小，与此同时，左、右翻转门的门体又都正好与偏流集风罩的对称中心面平行。

本“翼形升力板风速自控装置”的工作原理在于：利用了机翼的升力在其他各相关因素都相对固定不变的情况下其大小与风速的平方成正比这一特性——(机翼升力＝1/2X空气密度X速度平方X机翼面积X机翼的升力系数)，也就是讲，翼形升力板的升力会因风速的快慢变化而陡然增大或陡然减小。即：在风速较低时，翼形升力板的升力会很小，各翻转门门体的后半部分在拉簧的牵拉作用下会全部打开，以便于偏流集风罩全面地喝风——即充分地利用风源；然而当风速增加到设计风速时，翼形升力板新增的升力会大于拉簧因变形而出现的拉力与翻转门门体后半部分因风升速而新增的阻力之和，亦即翼形升力板的新增升力会克服该二新增阻力而将左、右翻转门门体的后半部分拉向外旋，从而缩少偏流集风罩的受风通道，亦即限制了风轮转速的提升。所谓的设计风速是指具体的风力发电机所能承受的最大风速，其具体数值可依据该机的抗电压能力、偏流集风罩的喝风能力、喉管部位的增速效力、变速箱的变速比、拉簧的拉力、各翼形升力板的升力能力以及它们对各翻转门门体后半部分的力学作用关系......等诸因素统筹协调来确定。

另外，在设计中通过调整尾杆的长度、尾翼的重量......等各相关因素，可以让支承偏流集风罩的推力向心滑动轴承的轴心线于前后方向上也尽量地接近整个装置的重心。

偏流集风罩前矩形开口的前端之所以设置出二个左、右对称的斜口，其目的在于：在翻转门敞开时它们不会影响偏流集风罩之前矩形开口的喝风；而在翻转门关闭时，则有利于高速气体的分流。

此可称之为第一种垂直轴风力发电机。

本发明的目的还可以这样地来实现：在一个具有一定高度、一定强度、足够刚性与稳定性的垂直钢制圆锥管形塔杆的上端，紧固着一个与塔杆的上端配套的锥孔圆柱套，在该锥孔圆柱套的上面固焊着一根垂直的带有轴肩的管状立轴——可称之为主轴。在该主轴的轴肩上面套装着一个推力向心滑动轴承，在该轴承的上面通过一个圆筒形托套支承着一个具有一定刚性的偏流集风罩。该偏流集风罩如同在第一种垂直轴风力发电机中所描述的偏流集风罩一样：也是由偏流集风罩之上、下面板与左、右边板共同组成。二者的结构形式、外部形状、前后方向的定义完全一样，这里不复赘述。(另外，本偏流集风罩后端所配置的尾翼以及支承该偏流集风罩之推力向心滑动轴承的轴心线相对于整个装置之重心所处的位置也与在第一种垂直轴风力发电机中所描述的完全一样，这里亦将不复再述)。所不同的是：在该偏流集风罩之上、下面板之间的主轴上还套装有一个导流助力芯套，该导流助力芯套的水平截面近似一个倒等腰三角形——即其轴前部分类似如一个仿垂体前端的轴截面，而其轴后部分又近似于一个燕尾的形状，导流助力芯套的上、下端面可以分别地与偏流集风罩上面板的下表面、下面板的上表面紧密靠接，其对称中心面与偏流集风罩之对称中心面重合，整个导流助力芯套可以随着偏流集风罩一起围绕着主轴自由地做水平转动。在主轴的左、右两侧(跨过导流助力芯套)之适当的距离对称地各自通过偏流集风罩的上、下面板、轴承座和轴承等配件支承着一个立轴，可分别地称之为左立轴和右立轴。在左、右立轴的中间部位——即偏流集风罩的上、下面板之间，尚各自通过平键套装着一个具有一定高度与一定直径、且又相互对称的圆柱形风轮——可分别地称之为左风轮和右风轮——(风轮的具体结构形式与第一种垂直轴风力发电机中的圆柱形风轮一样，不复赘述)。而所谓的对称：是指它们的叶片之迎风面一侧都在二个风轮的中间部位。同时，各风轮的上、下端面又都分别与偏流集风罩上面板的下表面和偏流集风罩下面板的上表面具有一定间隙。偏流集风罩之上、下面板的轴后宽度应略大于左、右风轮的外廓；其轴后长度可略大于风轮的半径；而其轴前的宽度可依据安装条件与塔杆的设计能力尽可能地加大，以便于广集风源；其轴前长度则应当大于风轮的半径与偏流集风罩的吃风深度之和。导流助力芯套的轴后长度可略大于风轮的半径，而其左、右的两个侧表面于其前后方向上尚应具有一定的与左、右风轮之内廓相配合的弧度、并又各自与左、右风轮的内廓具有一定的间距，以便于气流顺畅地通过，同时又在气流从前向后越过风轮的轴心线之后继续帮助气流比较刚性地来推动风轮。在该偏流集风罩上面板之对应于主轴的地方尚有一个圆孔，在该圆孔内镶有一个轴瓦套，在该轴瓦套与主轴之间配有一个倒装的推力向心滑动轴承，通过主轴的外螺纹、一个平垫和锁紧螺母控制着整个偏流集风罩的上、下窜动。在偏流集风罩上面板的上面，左、右立轴之上端分别通过左、右离合器→左、右变速箱→左、右发电机组顺序联接——其中，各离合器、变速箱和发电机组均应左、右对称并直接或通过支架与偏流集风罩的上面板相对固定。在偏流集风罩的前矩形开口内有二块垂直的导流斜板(——可分别地称之为左导流斜板和右导流斜板)，其中左导流斜板的结构与固定形式如同第一种垂直轴风力发电机中的导流斜板一样，而右导流斜板则与该左导流斜板对称。如此，便形成了又一种基本的垂直轴风力发电机。如有来风，在垂直尾翼的舵转作用下，偏流集风罩的前矩形开口便会对准来风，导流助力芯套也会正顺着来风，大量的流动性气体便会涌入到偏流集风罩的前矩形开口内，但是，由于左、右导流斜板的导引作用，会将气流分别地从其左、右两边都导引到其中间的通道，亦即把本要冲向左、右风轮之叶片背风面一侧的气流全部都导入到了左、右风轮之叶片的迎风面一侧，从而加大了气流对风轮的推力与速度；而此间左、右风轮之背风面一侧的叶片则又几乎是在静态的气体中转动。亦即，本装置既能够最大程度地解除掉风轮叶片之背风面一侧的阻力，同时又将该阻力转化成了助力，从而可以极大地提高风轮的转速和扭矩，并可以降低对启动风速的要求。导流助力芯套的作用是：避免气流与圆柱形主轴的正面相撞，从而避免产生涡流和不必要的阻力；同时，又可以在左、右风轮之间产生气流的喉管效应；又由于导流助力芯套与偏流集风罩的共同作用，会使得气流对风轮叶片的作用性质较之与被裸露的风轮更其有刚性；而导流助力芯套的轴后部分，会使得气流对风轮叶片的刚性作用时间持续得更长——这些结构都有利于对气流的进一步增速和进一步地加大对低速风源利用的跨度。左、右风轮的并联配置，可以倍增装机容量和降低制造成本。左、右风轮通过左、右立轴→左、右离合器→左、右变速箱带动左、右发电机组发电。左、右发电机组的输出电缆的正、负极可以分别地与安装在主轴上端的电极滑环中的两个动片电连接，而电极滑环中的两个定环则分别与穿行在塔杆与主轴之中心孔内的两根地面接收电缆的上端电连接。

另外，本机型的风速自控装置，也如同第一种垂直轴风力发电机中的情况一般模样，这里也不再赘述。

此可称之为第二种垂直轴风力发电机。

本发明的优点在于：1.偏流集风罩的前矩形开口面积较大，便于广集风源。2.偏流集风罩的外壳与其前矩形开口内的导流斜板可以完全屏蔽掉风轮叶片之背风面一侧所要承受到的阻力，从而极大地减少了对风轮叶片迎风面一侧所捕获到的能量的消耗。3.偏流集风罩之前矩形开口内的导流斜板将本要冲向风轮叶片之背风面一侧的气流导入到了风轮之叶片的迎风面一侧，可谓是真正地变阻力为动力。4.由于本风轮之叶片的迎风面面积较之与现有的“弯刀柳叶”形叶片的迎风面面积大大地增大，其气流之前进的前方又是盲闭的料斗形状，故而其捕捉风能的能力大大地提高。5.由于偏流集风罩与导流助力芯套的喉管效应，可以使得气流对风轮之叶片的推动力量更具有刚性、速度更快，同时又可以大大地降低对启动风速的要求；而翼形升力板的配置又可以极大地扩大对高速风源的利用——即本风力发电机从风速的高、低两个方向上都扩大了对风能利用的跨度——从而避免了目前的一些风力发电机之低风速难以启动而高风速又难以利用的尴尬局面。6.本装置所采用的圆柱形风轮，方便于加大风轮的直径与轴向长度，又兼可以并联使用，故而，有利于增大装机容量和降低制造成本。7.上述诸方面的优长，共同造就了本风力发电机的一个最为突出的优点——对风能的利用充分、高效。8.翼形升力板风速自控装置较之与现有的一些风速调控机构制做简易、成本更低廉、性能更可靠。9.本风力发电机结构简单、制作容易、安装方便、性能稳定可靠、便于维修、造价低廉。10.本风力发电机可以利用具有一定高度、坚固与平整的楼房房顶为平台来装配和实施发电，同时，又可以利用其楼下的房间作为变电室、营、管、维修室和员工的生活与休息场所，因此，可以改变那种由极高成本制成的塔杆仅仅起着单一支撑作用浪费状况，即，其综合经济效益好，尤其是适合于离岛和边远山地、荒漠等风电场的使用——这也是现有的桨叶式风力发电机所不可能做到的。11.本风力发电机的用途广泛：它不但可以用于各种富有风源的场所——如：山颠、荒漠、滨海、岛礁、船、艇、楼顶......的风力发电，还可以在稍事改装之后由浮桶悬浮、锚缆定位来利用江、河流水和海洋流进行发电；或者再与一个海水淡化装置共建，为面积较小的岛礁居民或官兵提供淡水资源；而以第一种基本的垂直轴风力发电机与潜艇结合，则无论潜艇是在航行(顺航时只需要艇身与水体之间具有一定的速度差)或停止状态，都可以利用任何方向的海洋流来发电并为潜艇充电，从而可以大大地延长潜艇的潜伏时间；而以本水下发电的形式所提供的电力能源，或可制成一种可以长时间执行任务的无人小型潜行器或其他军用船、艇；或可在富有海洋流的水域设置固定的水下监听、监测矩阵；或者为远离陆基的深海试验室提供电力能源。12.本风发电机在空中的整体形象近似于一个全蝎的形状，并且在任何时候它们都会排列得规整划一，故而，如果真正地列装之后或许也会成为一道不差的风景线。

(四)附图说明

图1是第一种垂直轴风力发电机的正面投影的局部剖视示意图.

图2是图1中A-A剖面的投影示意图.

图3是图1中B-B剖面的投影示意图(旋转).

图4是图3中C-C剖面的局部剖面示意图.

图5是第二种垂直轴风力发电机的正面投影的局部剖视示意图.

图6是图5中D-D剖面的局部剖面投影示意图.

图7是图5中E-E剖面的投影示意图(旋转).

图8是图7中F-F剖面的局部剖面示意图.

(五)具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示：在一根具有一定高度与足够坚固的垂直塔杆1的上端，通过四个支杆2稳固地支撑着一块水平的具有足够刚性的圆环形台面板3。在该台面板3的中央通过其圆孔固焊着一段垂直的圆筒形套管34；在套管34的外面，通过一个推力向心滑动轴承35支承着一个圆筒形托套36；在托套36的上端之外侧又水平地固焊着一个偏流集风罩的下面板4，该下面板4应当具有一定的刚性，而它的水平外形如同一个标枪头的形状，并且托套36应结合在下面板4的对称中心面上——(兹定义标枪头的尖端为偏流集风罩的前方)。在套管34的上端通过其外螺纹与平垫50和锁紧螺母49控制着托套36的轴向窜动；偏流集风罩下面板4与托套36可以围绕着轴承35自由地做水平转动。在套管34内，通过于其上、下两端背朝背配置的两个推力向心轴承51和52支撑着一个贯穿的带有轴肩的立轴31，并且通过立轴31下端附近的外螺纹与平垫33和锁紧螺母32调控推力向心轴承51和52的工作间隙；在立轴31的轴肩上通过平键67联接着一个圆柱形的风轮43——(以该风轮之上端板的标号43兼代)——(所谓的圆柱形风轮是指：该风轮43之每一个叶片44的上端均与其呈水平形态的圆环形上端板43密接，而其下端又均与其呈水平形态的圆环形下端板48密接，每一个叶片44的内边又都与其同一个轴毂40密接，而每一个叶片44的水平截面又都具有同一方向的弯曲弧度——并确定其凹心的一面为迎风面，从而在任何两个相邻的叶片之间又都形成了一个垂直的近似于一个三棱体形的盲头收风料斗，风轮43的外围轮廓呈圆柱形)——并通过立轴31上端的外螺纹与平垫41、锁紧螺母42控制风轮43的轴向窜动。偏流集风罩下面板4的轴后宽度应略大于风轮43的直径，而其轴后长度则应适当地大于风轮43的半径；该下面板4的轴前宽度应当较大地大于风轮43的直径——以便于广集风源，而其轴前长度则应当大于风轮43的半径与偏流集风罩的吃风深度之和。在偏流集风罩之下面板4的上面，于其左、右两边通过螺栓7和螺母8各自垂直地固定着一块如形相符的、具有一定刚性而又相互对称的左边板6和右边板20。在左边板6和右边板20的上边通过螺栓7和螺母8又紧固着一块水平的、其外形与偏流集风罩之下面板4的外形完全一样的偏流集风罩的上面板14。并且应当保证在下面板4的上表面与风轮43之下端板48之间、上面板14之下表面与风轮43之上端板43之间都具有适当的间隙。在偏流集风罩之下面板4、左边板6、右边板20和上面板14所共同组成的前矩形开口内，于风轮43之叶片的背风面一侧(在本机中，定义该背风面一侧是在立轴31的左边)的前面有一块垂直的导流斜板39，该导流斜板39的前边与左边板6的内表面平顺地密接，而其后边则是从前向后、同时又从左向右一直延伸到风轮43的前沿并又向右略微越过风轮43的轴心线，导流斜板39的前边、上边和下边可以分别地由螺钉38紧固在左边板6、上面板14和下面板4的内表面上。在偏流集风罩后端的对称中心面A-A处，于上面板14的上面和下面板4的下面，各自顺着对称中心面A-A的方向通过螺栓71和螺母72紧固着一段具有一定刚性与一定长度的尾杆——即上尾杆45和下尾杆47；在上尾杆45和下尾杆47的远端又对称性地固焊着一块具有一定面积、其垂直投影呈“γ”字形的垂直尾翼46。而立轴31的下端又通过离合器53与变速箱54→发电机55顺序联接。如此，便形成了一个基本的垂直轴风力发电机。其中，变速箱54和发电机55可以通过支杆2相对固定，发电机55的输出电缆56可以经塔杆1的中心孔直接引入到地面接收站。如有来风，在尾翼46的舵转作用下，偏流集风罩的前矩形开口便会对准来风，大量的流动性气体便会涌入到偏流集风罩的前矩形开口内；但是，由于导流斜板39的导引作用会把进入该矩形开口内左半部分的气流导引到右边——亦即把本要冲向风轮43之叶片的背风面一侧的气流导入到了风轮43之叶片的迎风面一侧；又由于气流的喉管效应，会使得风轮43之叶片的迎风面一侧所受到的推力更大、速度更快；而此时风轮43之叶片的背风面一侧则又几乎是在静态的气体中转动。亦即，本装置不但最大程度解除掉了风轮叶片之背风面一侧所要承负的阻力，同时还把该阻力变成了助力；转动的风轮43通过立轴31→离合器53→变速箱54→发电机55便可以进行发电，电流经输出电缆56进入地面接收站。

为了避免因风速过高而引起高电压对设备的损害，可以在偏流集罩的前端配置上一套“翼形升力板风速自控装置”。该翼形升力板风速自控装置的具体结构如下：于导流斜板39的前边之前适当位置，在同一个与偏流集风罩之对称中心面A-A垂直的垂面内有二根水平的、相互平行、具有一定的间距、且具有一定等长的圆筒形导管——即上导管13和下导管21，它们横向贯穿着偏流集风罩的左边板6和右边板20，并且用通用螺母12分别于左右方向上对称地紧固在左边板6和右边板20的上面；在上导管13的左半部分和右半部分的内腔中，分别各有一段可以自由地做轴向滑动的圆柱形轴棒——即左上轴棒66和右上轴棒61，在下导管21的左半部分和右半部分的内腔中，也分别各有一段可以自由地做轴向滑动的圆柱形轴棒——即左下轴棒9和右下轴棒19，且左上轴棒66和左下轴棒9的外端同时地都固定在一块垂直的左翼形升力板10的内表平面之偏后一点的部位上——该左翼形升力板是一块具有一定宽度、一定厚度与一定长度的垂直板件，它的水平截面呈内平外凸——如同飞机机翼横断面的形状，且圆厚的垂直一边朝前；而右上轴棒61和右下轴棒19的外端又同时都固定在一块与左翼形升力板10完全对称的右翼形升力板18的内表平面上。在偏流集风罩的前端，于偏流集风罩之对称中心面A-A的两侧之适当距离处，各有一个套装在上面板14与下面板4之间的矩形板翻转门——即由左转轴64联结的左门体65和右转轴63联结的右门体62，在左门体65和右门体62与下面板4之间均由通用平垫37支垫起一定的间隙，各门体均可以在偏流集风罩的上面板14与下面板4之间自由地转动；而在左门体65和右门体62同时向外翻转到最大角度时，可以把偏流集风罩的前矩形开口关闭。在左翼形升力板10之内表平面的前半部位固定着一个可以铰接连杆的左外耳座11，同样在右翼形升力板18的内表平面上与左外耳座11对称地固定着一个右外耳座17；在左门体65外表面的后半部位固定着一个左内耳座24，同样在右门体62的外表面上与左内耳座24对称地固定着一个右内耳座16，且左外耳座11、右外耳座17、左内耳座24和右内耳座16都同处在偏流集风罩之前矩形开口的水平中间平面内。用左连杆5与通用的圆柱销15和开口销23将左外耳座11和左内耳座24铰接，则左门体65便可以与左翼形升力板10联动；用与左连杆5等长的右连杆22与通用的圆柱销15和开口销23将右外耳座17和右内耳座16铰接，则右门体62也可以与右翼形升力板18联动。在左门体65的内表面之轴后不远处水平的固定着一个带有一个圆孔的左耳板70，而在右门体62的内表面上与左耳板70对称地固定着一个右耳板68，在左耳板70和右耳板68的圆孔内挂有一根拉簧69。并且应当做到在无风时挂上拉簧69之后，左翼形升力板10与右翼形升力板18之间的左右间距最短，而此时左门体65与右门体62又正好同时都平行于偏流集风罩的对称中心平面A-A。如此，便形成了一个完整的“翼形升力板风速自控装置”。在风速较低时，左、右翼形升力板10和18几乎没有升力，在拉簧69的作用下左门体65和右门体62都会基本地平行于平面A-A，偏流集风罩的前矩形开口可以大开——即可以大量地喝风以充分地利用风源；而当风速接近设计风速的时候，左、右翼形升力板10和18的侧向升力会陡然增加——其陡增量会大于拉簧69因变形而出现的拉力与左、右门体65和62之轴后部分因风升速而新增的阻力之和，左翼形升力板10在导管13与21和左上轴棒66与左下轴棒9的导制作用下会向左平动，在左外耳座11、左连杆5、左内耳座24的共同连动下，便会将左翻转门体65的轴后部分拉向外转；而与此同时，右翼形升力板18在导管13与21和右上轴棒61与右下轴棒19的导制作用下会向右平动，在右外耳座17、右连杆22、右内耳座16的共同连动下，会把右翻转门体62的轴后部分拉向外转。如此，便减少了偏流集风罩的进风通道——亦即限制了风轮43转速的提升。如若风力变小，左、右翼形升力板10和18的侧向升力会急剧下降，在拉簧69的作用下，左、右翻转门体65和62的轴后部分会同时向内转动——亦即加大了偏流集风罩的进风通道，从而有利于维持风轮43的转速不变——即达到风速自控的目的。

所谓的设计风速，是指具体的风力发电机所能承受的最大风速。其具体数值可依据该机的抗电压能力、偏流集风罩的喝风能力、喉管部位的增速效力、变速箱54的变速比、拉簧69的拉力、左、右翼形升力板10和18的升力能力以及它们对左、右翻转门体65和62后半部分的力学作用关系......等诸因素统筹来确定。

另外，在设计中通过调整尾杆45和47的长度、尾翼46的重量......等相关因素，可以让支承偏流集风罩的推力向心滑动轴承35的轴心线于前后方向上尽量地接近整个装置的重心。

偏流集风罩之前矩形开口的前端之所以设置出二个左、右对称的斜口，其目的在于：在左、右翻转门体65和62敞开时它不会影响偏流集风罩的喝风；而在左、右翻转门体65和62关闭时，则有利于高速气体的分流。

此可称之为第一种垂直轴风力发电机。

如图5、图6、图7、图8所示：在一个垂直的具有一定高度、强度与刚性的圆锥管形塔杆101的上端，有一个其下端的内圆锥孔能与塔杆101的上端紧密套装的锥孔圆柱套141，在该锥孔圆柱套141的上面固焊着一根垂直的带有轴肩的管状立轴142——可称之为主轴142，在主轴142之轴肩的上面套装着一个推力向心滑动轴承143，在该轴承143的上面，通过一个圆筒形托套144支承着一个水平的具有一定刚性的其外形如同一个标枪头形状的偏流集风罩的下面板145——(该下面板145是通过其对称中心面D-D处的一个圆孔与托套144固焊在一起的，它们可以围绕着轴承143自由地做水平旋转，且定义其标槍头的尖端为偏流集风罩的前方)；在主轴142的上面于偏流集风罩之下面板145的上面还套装着一个导流助力芯套155，该芯套155的水平投影近似于一个倒三角形——即其轴前部分如同一个仿垂体前端的轴剖面，而其轴后部分则近似如一个燕尾的形状。该导流助力芯套155通过圆柱销162与下面板145水平定位并可以随着下面板145一起围绕着主轴142旋转。在偏流集风罩之下面板145的上面，于其左、右两边各自通过螺栓102和螺母103紧固着一块如形相符、相互对称且具有一定刚性的边板——可分别称之为左边板104和右边板125。在主轴142之左、右两边(跨过导流助力芯套155)之适当位置对称地各有一个立轴：可分别称之为左立轴106和右立轴117。其中右立轴117的下端是由下轴承座130、下推力向心轴承128、推力罩129、调整螺钉132和背紧螺母131共同支承，而轴承座130又是通过螺钉127紧固在下面板145的上面；在右立轴117之轴肩的上面通过平键171还套装着一个圆柱形风轮121(以该风轮之上端板的标号121兼代)——可称之为右风轮121，该右风轮121也是由上圆环形端板121、下圆环形端板126、轴毂122、叶片123共同组成——(其具体组成形式与第一种垂直轴风力发电机中的风轮43同，这里不复赘述)。在左、右边板104和125的上面，套着主轴142、左立轴106和右立轴117又有一块水平的、具有一定刚性的偏流集风罩的上面板147，该上面板147的外形尺寸与下面板145的外形尺寸完全一样，并通过螺栓102和螺母103分别地与左边板104和右边板125紧固，如此，便形成了一个其前、后两端都具有一个矩形开口的偏流集风罩。在上面板147的上面，于主轴142之对应处有一个圆孔，在该圆孔内镶有一个轴瓦套148，在该轴瓦套148与主轴142之间有一个倒装的推力向心滑动轴承149，在轴承149的上面又有一个平垫150，并通过主轴142上部的外螺纹与锁紧螺母151控制着偏流集风罩的轴向窜动；而在上面板147的上面，于右立轴117之上端的对应处也有一个圆孔，并通过镶在该圆孔内的上轴承座118、上推力向心轴承119控制着右立轴117的上端，其中上轴承座118可以通过螺钉120紧固在上面板147的上面。垫套133与调整螺钉132可以控制右风轮121的轴向位置和调整上、下推力向心轴承119与128的工作间隙，而背紧螺母131则是在上述间隙调整好后将调整螺钉132锁紧，以防止其松动。在右立轴117的上端，通过右离合器116顺序地联接右变速箱115和右发电机组114，而右发电机组114的输出电缆113和136则分别地与固定在主轴142上端的电极滑环153中的上动环112和下动环111电连接，其中右变速箱115和右发电机组114可以直接或通过支架与偏流集风罩的上面板147固定。左立轴106的具体结构尺寸、安装形式、安装位置及其上面的设备配置与右立轴117完全一样，在这里不复再述：只不过是左风轮134(以左风轮之上端板的标号134兼代)应当与右风轮121对称——且它们的叶片之迎风面一侧都在其中间部位，左变速箱108应当与右变速箱115对称，左发电机组109应当与右发电机组114对称，而左发中机组109的输出电缆110和135则应当与右发电机组114的输出电缆113和136摘其同性电极而并联。而电极滑环153内的二个正、负定环则是分别与经过塔杆101与主轴142之内孔与地面变电站连通的电缆152和154的上端电连接。其中，偏流集风罩之上面板147的下表面和下面板145的上表面之间的间距可以等于导流助力芯套155的垂直高度，但是应略大于左、右风轮134和121的垂直高度，以便于左、右风轮134和121的上、下两端都有一定的自由空隙。在偏流集风罩前矩形开口内部的左边，有一块垂直的导流斜板105——可称之为左导流斜板105，该左导流斜板105的前边可以由螺钉146平顺地紧固在偏流集风罩之左边板104的内表面上，而它的后边则是从前向后、同时又从左向右一直延伸至左风轮134的前沿并又向右略微越过左风轮134的轴心线，左导流斜板105的上、下两边可以分别地由螺钉146紧固在偏流集风罩之上面板147的下表面和下面板145的上表面上；而在偏流集风罩前矩形开口内部的右边，又有一块与左导流斜板105对称的右导流斜板124。在偏流集风罩后端之对称中心面D-D处，顺着对称中心面D-D，在其上面板147的上面和下面板145的下面分别通过螺栓181和螺母182紧固着一个具有一定长度与一定刚性的上尾杆156和下尾杆158，而在上尾杆156和下尾杆158的远端又固焊着一个其垂直投影呈”γ“字形的垂直尾翼157。锥孔圆柱套141与塔杆101的上端套紧后可以由螺栓159、平垫160与螺母161栓紧。如此，便形成了第二种基本的垂直轴风力发电机：如有来风，在尾翼157的舵转作用下，整个装置便会围绕着主轴142旋转并使偏流集风罩的前矩形开口对准来风，大量的流动性气体便会涌入到该偏流集风罩内，然而，在左、右导流斜板105和124的导引作用下，会将本要冲向左、右风轮134和121之叶片背风面一侧的气流都导入到左、右风轮134和121的中间部位——即左、右风轮134和121之叶片的迎风面一侧，从而可以极大地强化气流对左、右风轮134和121的推力和速度，同时又可以使左、右风轮134和121之背风面一侧的叶片都几乎是在静态的气体中转动——可谓真正地变阻力为动力。而左、右风轮134和121的对称并联使用，可以倍增装机容量和降低制造成本。左、右风轮134和121通过左、右立轴106和117→左、右离合器107和116→左、右变速箱108和115→左、右发电机组109和114进行发电，电流经发电机组的输出电缆(110与113)和(135与136)→电极滑环153→地面接收电缆152与154引入到变电室。

导流芯套155的设置，是为了避免气流与主轴142的正面相撞，从而避免产生涡流和不必要的阻力，同时，又有利于产生气流的喉管效应和有利于强化气流对左、右风轮134和121的刚性作用。

为了避免因风速过高而引起高电压对设备的伤害，可以在偏流集风罩的前端配置一套“翼形升力板风速自控装置”——该翼形升力板风速自控装置与在第一种垂直轴风力发电机中所描述的翼形升力板风速自控装置的结构形式和装配方式均是一般的模样，这里不复赘述。

另外，通过调整上、下尾杆156和158的长度与“γ，”形尾翼157的重量，可以使主轴142的支承点，尽量地接近于整个装置的重心。

此可称之为第二种垂直轴风力发电机。

Claims (4)

1.一种垂直轴风力发电机，它是在一个具有一定高度与足够强度的砼建或钢制的台面板(3)的中央，贯穿性地固定着一段垂直的圆筒形套管(34)；在该套管(34)内孔的两端通过背朝背配置的两个推力向心轴承(51)和(52)支承着一个贯通的立轴(31)，在该套管(34)的外面通过一个推力向心滑动轴承(35)、托套(36)支承着一个由偏流集风罩的下面板(4)、左边板(6)、右边板(20)和上面板(14)所共同组成的、可以自由地做水平旋转的偏流集风罩；在该偏流集风罩内，于立轴(31)的上面通过平键(67)还套装着一个圆柱形的风轮(43)，且该风轮(43)之轴右侧的叶片为凹心的迎风面；而其轴之左侧的叶片为凸起的背风面；在风轮(43)的左前方配有一个导流斜板(39)；在立轴(31)的下端通过离合器(53)与变速箱(54)→发电机组(55)顺序联接；在偏流集风罩后端的对称中心面(A-A)处通过螺栓(71)和螺母(72)紧固着一个由上、下尾杆(45)和(47)支撑的其垂直投影呈“Y”字形的垂直尾翼(46)；而在该偏流集风罩的前端又配置了一套“翼形升力板风速自控装置”。其特征在于：由下面板(4)、左边板(6)、右边板(20)和上面板(14)所共同组成的偏流集风罩有着一个广集风源的喝风口，而通过偏流集风罩和导流斜板(39)可以将风轮(43)之背风面一侧的叶片屏蔽在相对静态的气体之中，且将本要冲向风轮(43)之叶片背风面一侧的气流导入到了风轮(43)之叶片的迎风面一侧，同时又为气流提速创造了喉管条件。

2.一种垂直轴风力发电机，它是在一个具有一定高度的、稳固的圆锥管形的塔杆(101)的上端配有一个与之配套的锥孔圆柱套(141)，在该锥孔圆柱套(141)的上端固焊着一根垂直的带有轴肩的管状主轴(142)，在主轴(142)之轴肩的上面通过推力向心滑动轴承(143)、托套(144)水平地支承着一个由偏流集风罩之下面板(145)、左边板(104)、右边板(125)和上面板(147)所共同组成的、可以自由地做水平旋转的偏流集风罩；在该偏流集风罩内，在主轴(142)的上面还套装着一个导流助力芯套(155)，该导流助力芯套(155)通过圆柱销(162)与偏流集罩的下面板(145)水平定位；在偏流集风罩上面板(147)之对应于主轴(142)处尚有一个圆孔，在该圆孔内镶有一个轴瓦套(148)，在主轴(142)与轴瓦套(148)之间倒装着的推力向心滑动轴承(149)，又通过平垫(150)、锁紧螺母(151)与主轴(142)上的外螺纹控制着偏流集风罩的轴向窜动；在主轴(142)的顶端配有一套电极滑环(153)；在偏流风罩内，于主轴(142)的左、右两侧之适当的位置，尚对称地配置有二个相互对称的圆柱形风轮——即左风轮(134)和右风轮(121)，且该二风轮叶片的迎风面一侧都在其中间部位；左、右风轮(134)和(121)由通用的平键(171)分别与左立轴(106)和右立轴(117)配接，其中右立轴(117)贯穿了偏流集风罩的上面板(147)和下面板(145)，并分别地由上轴承座(118)、上推力向心轴承(119)、螺钉(120)、垫套(133)和下轴承座(130)、下推力向心轴承(128)、推力罩(129)、调整螺栓(132)、背紧螺母(131)、螺钉(127)控制着右立轴(117)的上、下两端，同时又调控着右风轮(121)的轴向位置与上、下推力向心轴承(119)和(128)的工作间隙，在右立轴(117)的上端，又通过右离合器(116)与右变速箱(115)→右发电机组(114)顺序联接；左立轴(106)的具体结构尺寸、安装形式、安装位置及其上面的设备配置与右立轴(117)完全对称；左、右发电机组(109)和(114)的正极输出电缆(135)和(136)同时与电极滑环(153)的下动片(111)电连接，而它们的负极输出电缆(110)和(113)则是同时与电极滑环(153)的上动片(112)电连接；电极滑环(153)的正、负定片則是分别与经塔杆(101)与主轴(142)之内孔而引进的地面接收电缆(152)和(154)的上端电连接；在偏流集风罩的前矩形开口内，于左、右风轮(134)和(121)的前面尚各有的一块垂直的、相互对称的导流斜板——即左导流斜板(105)和右导流斜板(124)；而在偏流集风罩的后端之上、下面板(147)和(145)的对称中心面(D-D)处通过螺栓(181)和螺母(182)尚紧固着由上、下尾杆(156)和(158)所共同支撑的垂直尾翼(157)；而在偏流集风罩的前端还配置了一套“翼形升力板风速自控装置”；在塔杆(101)的上端与锥孔圆柱套(141)套紧之后，可以由螺栓(159)、平垫(160)、螺母(161)栓紧。其特征在于：在偏流集风罩内，于主轴(142)的左、右两边对称地配置有二个相互对称的圆柱形风轮——即左风轮(134)和右风轮(121)，且它们之叶片的迎风面一侧都在它们的中间部位，而它们之叶片的背风面一侧的前方又都各自配有一块垂直的、相互对称的导流斜板——即左导流斜板(105)或右导流斜板(124)。

3.如权利要求2所述的垂直轴风力发电机，其特征在于：在主轴(142)的上面还装有一个导流助力芯套(155)。

4.如权利要求1或2或3所述的垂直轴风力发电机，其特征在于：在其偏流集风罩的前端尚配有一套“翼形升力板风速自控装置”。