CN108019315A - 一种垂直轴叶片转动的风力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶片转动的垂直轴风力装置。包括基础柱、立轴、转动架、叶片、叶片转动机构、安全机构和方向控制机构。立轴固定在基础柱上，转动架由叶片支架和转架轴管构成，转架轴管套装在立轴外侧，叶片中心线处有叶片轴，叶片轴与叶片轮联接，方向轮安装在立轴上，叶片轮与方向轮之间通过定传动比传动件联接，转动方向相同传动比为1∶2，转架轴管带动工作部。本传动结构确定了叶片方向在任意位置平面延长线相交于叶片绕立轴的转动轨迹圆上P点，其叶片自转角度θ是立轴转角β的1/2。其受力特点决定了除逆风侧P点一点外，可以全方位有效利用风力。本发明依据叶片转动的特点提出了柔片叶和S形叶设计，其空气动力性有较大提高。

Description

一种垂直轴叶片转动的风力装置
技术领域
本发明涉及垂直轴风力装置，特别是垂直轴叶片转动的风力装置。属于风力装置。
背景技术
对于垂直轴风力装置人们注意到叶片顺风侧应增加受风面积，逆风侧应减少受风面积。在专利文献“垂直轴风力发电系统的风车装置及控制叶片方法”(CN101364300B)中记载了通过引导槽控制叶片角度实现顺风侧受风面积大逆风侧受风面积小从而提高风能利用率的方法。然而，通过引导槽控制叶片端部两点的方法控制角度不够准确，在有些位置滑块的运动方向与槽的切向接近或重合，叶片角度会有较大的浮动量。叶片角度的控制在风力装置中特别重要，是影响风力装置性能的重要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于垂直轴风力装置的能够准确控制风机叶片角度使之实现顺风侧受风面积大，逆风侧受风面积小阻力小改善空气动力性能，从而提高风能利用率，并且具有结构简单适合推广应用的风力装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：叶片转动的风力装置，包括基础柱、立轴、转动架、叶片、叶片转动机构、风向控制机构、安全机构和工作部，其特征在于立轴固定安装在基础柱上，转动架是由上下两个轮辐状的叶片支架和连接叶片支架的转架轴管构成，转架轴管套装在立轴外侧，所述的叶片的上下边竖向对称线处设置有叶片轴，上下叶片轴与上下叶片支架联接，所述的叶片转动机构包括叶片轮和方向轮，安装在叶片支架端部的叶片轴与叶片轮联接，方向轮套装在立轴上，叶片轮与方向轮之间通过定传动比传动件或介轮组联接，叶片轮与方向轮转动方向相同传动比为1∶2，所述的风向控制机构为风向舵与套装在立轴上的方向轮呈周向固定联接，所述的安全机构包括风速仪、信号接收器和安全机构执行组件，安全机构执行组件为电磁离合器与安装在叶片上的信号接收器有导线连接，叶片轴通过电磁离合器与叶片联接，转动架的转架轴管通过变速传动件与工作部联接。
所述的叶片可以是平板叶或柔片叶或S形叶或由条状板组成的条板叶。柔片叶为柔性片材材料制成，柔片叶边缘的孔通过弹簧与边框联接。S形叶断面为中心对称的S形，其凹面深度小于叶片弦长的15％。所述的条板叶是由N个横向条板组成。条板两端设置有转角轴与边框上的孔配合。
板条叶的安全机构为条板叶两端设置有与边框上的孔配合的转角轴其一侧轴安装转角机构，该转角机构为安装在转角轴上的转角齿轮，各个转角齿轮与边框内的转角齿条啮合，转角齿条的一端与行程机构连接。转角机构也可以为安装在转角轴上的转角柄，各个转角柄与边框内的转角拉杆连接，转角拉杆的一端与行程机构连接。所述的行程机构可以是电磁铁、电动机带动的曲柄连杆或电动推杆，所述的行程机构与信号接收器有导线连接。
叶片安装方法安装时各个叶片平面投影延长线相交于叶片轴绕立轴转动的轨迹圆上的P点，风向舵的安装方向为风向舵平面投影线垂直于立轴投影与叶片轴绕立轴的转动的轨迹圆上的与各个叶片平面投影延长线相交的P点的连线。
叶片安装方法安装时各S形叶弦线投影的延长线相交于叶片轴绕立轴的转动的轨迹圆上的P点，风向舵的安装方向为风向舵平面投影线垂直于立轴与叶片轴绕立轴的转动的轨迹圆上的P点的连线，S形叶在P点与立轴对称位置时转动半径的外端的凹向与风向舵的方向一致。
所述的叶片转动的风力装置可以在上下叶片轴的延长叶片轴上安装加长叶片，加长叶片平面与叶片平面一致。
所述的转动架的转架轴管通过变速传动件联接的工作部可以是发电机、水泵、粉碎机。
本发明所解决的准确控制垂直轴风力装置叶片角度是转动架上的叶片是通过叶片转动机构实现叶片既有绕立轴的公转同时也有叶片绕叶片轴的自转，并以特定的叶片方向和转动规律运行。所谓的叶片特定的方向就是各个叶片的平面投影延长线相交于叶片轴绕立轴转动的轨迹圆上的P点，风向始终垂直于立轴至P点的连线，即实现了叶片在P点处与风向平行受风面积最小阻力最小，在与P点对称的转动180度点叶片与风向垂直受风面积最大。其特定的转动规律就是叶片绕立轴转动360度，叶片自转180度，即在绕立轴转动任意角度β，其叶片自转角度θ是绕立轴转角β的1/2。除逆风侧P点一点外，叶片在其余各个位置受到的风力都存在推动叶片转动的分力F，这个分力在多数转角的情况下还要超过顺风侧即绕立轴转动180度点的位置。叶片轴在任意点的风速要大于叶片转动的线速度，二者的合成速度V与叶片转动方向的夹角δ大于叶片转角θ，就必然产生了叶片方向与合成速度V之间的迎角α，这个迎角α在小角度范围内有较大的升力系数而阻力系数不大。这一特点决定了叶片受力在绕立轴转动的大范围包括逆风侧都存在推动叶片转动的分力F。叶片受力又是与速度的平方成正比的，逆风侧及90度以上位置的合成速度都大于顺风侧180度点位置的合成速度，所以在上述范围会出现比180度点位置更大的推动叶片转动的力F。在背风侧的180度至360度之间上述是道理同样适用，只不过相当于风力二次利用，风速会有所减小。因此本发明除P点一点外可以全方位有效利用风力。风向控制机构是通过风向舵控制套装在立轴上的方向轮的角度，即风向舵随风向改变角度时，带动方向轮及立轴至叶片轴轨迹圆上的P点的连线改变相同角度，即仍然保持顺风侧叶片与风向垂直，逆风侧叶片与风向平行的角度关系。同时方向轮不传递动力，方向舵有较小的力即可以带动，这也是这种风力装置最简单的风向控制方法。本发明又依据本发明叶片转动的特点提出了柔片叶和S形叶结构，有利于改善叶片的空气动力性能。由于转速低，不产生噪声。本发明的叶片两端支撑方式在结构上有利于采用普通材料和通过增加叶片弦长方法获得较多风能。
本发明设置了安全机构，在风速较大时电磁离合器接收风速仪发出的风速信号切断叶片与转动架的联接，可以即时使叶片处于自由转动状态，即叶片平面自动选择风阻力最小的角度呈与风向一致的方向，避免了风力装置遇到大风时普遍容易发生设备损坏事故的情形。条板叶片在风速高时通过安全机构控制使各条板处于与风向平行状态，保护设备安全。
附图说明
图1叶片转动的风力装置示意图；
图2叶片受力示意图；
图3转动架上端结构图；
图4转动架下端结构图；
图5叶片轮与叶片安装结构图；
图6叶片绕立轴转动的方向位置关系示意图；
图7柔片叶各个位置示意图；
图8S形叶各个位置示意图；
图9柔性叶与边框联接示意图：
图10条板叶结构及齿轮齿条转角机构示意图；
图11条板叶齿轮齿条转角机构侧面示意图；
图12条板叶转角柄拉杆转角机构示意图；
图13安装加长叶片的风力装置示意图；
图14图13 B部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。
实施例1：参看图1、图3、图4、图5和图6所示的叶片转动的风力装置由基础柱1、立轴2、转动架、叶片3或32、叶片转动机构、安全机构和方向机构构成。立轴2安装固定在基础柱1上，转动架是由上下两个轮辐状的叶片支架4和连接叶片支架4的转架轴管5构成。叶片数量增加输出扭矩增大，但转速会随之下降。叶片3可以是平板叶34或柔性片材材料制成的柔片叶31或S形叶32或由条状板组成的条板叶33，S形叶32断面为中心对称的S形，其凹面深度小于叶片弦长的15％，条板叶33是由N个横向条板组成。叶片3的上下边竖向对称线处设置有叶片轴8，上下叶片轴8与对应的上下叶片支架4联接，叶片转动机构包括叶片轮9和方向轮10，安装在叶片支架4端部的叶片轴8与叶片轮9联接，方向轮10套装在立轴2上，叶片轮9与方向轮10之间通过定传动比传动件或介轮组联接，即通过链、同步带或齿轮组联接，要求叶片轮9与方向轮10转动方向相同，其传动比为1∶2。所述的风向控制机构为风向舵12与套装在立轴2上的方向轮10呈周向固定联接，即风向舵12随风向改变角度时，带动方向轮10改变相同角度，同时立轴2至叶片轴8轨迹圆上的P点的连线也改变了相同的角度，即风向仍然垂直于上述的连线，叶片的延长线仍然通过P点。方向轮10不传递动力，方向舵12有较小的力即可以带动，这也是这种风力装置最简单的风向控制方法。安全机构包括风速仪14、信号接收器15和安全机构执行组件，安全机构执行组件为电磁离合器16与安装在叶片3上的信号接收器15有导线连接，叶片轴8通过电磁离合器16与叶片3联接。转动架的转架轴管5通过变速传动件与工作部11联接。参看图5，叶片3架端部结构图，由于叶片面积比较大，风阻力很容易造成零部件破坏，所以安全机构特别重要。安全机构包括风速仪14、信号接收器15、电磁离合器16，叶片轴8与叶片3套装配合，叶片轮9通过电磁离合器16与叶片3联接的。当风速达到某设定值，风速仪14会发出信号，信号接收器15会启动电磁离合器16使叶片3与叶片轴8呈空套状态。这时叶片3呈产生阻力最小的顺桨状态，就不会发生破坏设备的问题。当风速小于设定值，电磁离合器16又使叶片3与叶片轴8结合，叶片3恢复正常运转。参看图6，显示叶片转动装置的叶片3的安装方法：各个叶片3安装时要求叶片3平面投影的延长线相交于叶片轴8即是叶片3绕立轴2的转动的轨迹圆上的P点。风向舵12的安装方向为风向舵12垂直于立轴2与叶片轴8即是叶片3绕立轴2的转动的轨迹圆上的P点的联线。
实施例2：如图7、图9显示的叶片3为柔性叶31的叶片运动方式。柔性叶31的边缘设置的孔311通过弹簧312与边框6联接。在风力的作用下柔性叶31会产生小的弯曲变形，其变形量可以通过拉紧柔片叶31的与侧向框架6挂接的弹簧312来调节。这种变形恰恰能够较好地改变叶片的空气动力性能，尤其在逆风侧小迎角的情况下作用是明显的。柔性叶31的另一个特点是，叶片通过逆风侧的P点后能够在风力作用下迅速改变凹向。
实施例3：结合图8显示S形叶32，S形叶32的凹面在转动半径的外端，可以充分利用风的阻力，但是要考虑到在逆风侧小迎角情况下的性能凹下深度不能太大，深度不超过叶片弦长的15％为宜。S形叶32的特点是，叶片转动一周S形叶片自转180度，中心对称的凹面刚好转过来。安装时要注意各S形叶32弦线投影的延长线相交于叶片轴绕立轴2的转动的轨迹圆上的P点，风向舵12的安装方向为风向舵12平面投影线垂直于立轴2与叶片轴8绕立轴2的转动的轨迹圆上的P点的连线，S形叶32在P点与立轴2对称位置时S形的凹面在转动半径的外端，其凹向并与风向舵12的方向一致。
实施例4：参看附图10、图11、图12所述的条板叶33是由N个横向条板组成。条板叶33两侧端有转角轴331，与边框6上的孔配合。这种结构的安全结构是转角轴331其一侧轴安装转角机构，该转角机构为安装在转角轴331上的转角齿轮332，各个转角齿轮332与边框6内的转角齿条333啮合，转角齿条333的一端与行程机构连接，所述的行程机构334可以是电磁铁、电动机带动的曲柄连杆或电动推杆，所述的行程机构与信号接收器15有导线连接。上述的齿轮齿条机构也可以由转角机构代替，转角机构是为安装在转角轴331上的转角柄335，各个转角柄335与边框6内的转角拉杆336连接，转角拉杆336的一端与上述的行程机构连接。
实施例5：参考图13、图14所述的垂直轴叶片转动的风力装置还可以在叶片的上下端安装加长叶片7，即在上下叶片轴8的延长叶片轴81上安装加长叶片7，该加长叶片7平面与叶片3平面一致。这样可以增加风机扫掠面积和增加展弦比，从而提高风机性能。
参看图2和图6说明本发明的实质性特点和显著的技术进步。所述的风向控制机构为风向舵12与套装在立轴2上的方向轮10呈固定角度联接，风向舵12的方向决定风向轮10的方向，即决定了叶片3在逆风侧P点位置是与方向平行的，在顺风侧180度位置叶片3平面是与风向垂直的。在有风的情况下叶片3受力带动带动上下轮辐状叶片支架4及转动架转动。这时风向不变与风向舵12联接的方向轮10不转动，在定传动比传动件的作用下，叶片轮9做自转。由于上述的特定的传动比关系，方向轮10确定叶片3的方向和转动规律。叶片3的方向就是它的平面延长线相交于叶片轴8绕立轴2的转动的轨迹圆上的P点，其运转规律就是叶片3绕立轴2转动360度，叶片3自己转动180度。而且在绕立轴转动的任意角度β，其叶片自转角度θ是绕立轴转角β的1/2，即叶片3永远处于β角角分线上。除逆风侧P点一点外，叶片在其余各个位置的受到风力都存在推动转动架转动的分力F，这个分力F在多数转角的情况下还要超过顺风侧即绕立轴转动180度点的位置。情况是这样的：叶片轴8在任意点的风速要大于叶片3转动的线速度，风速与叶片转动线速度的合成速度V与叶片转动方向的夹角δ大于叶片转角θ，就必然产生了叶片方向与合成速度V之间的迎角α，这个迎角α在小角度范围内有较大的升力系数而阻力系数却不大。这一特点决定了叶片的受力在立轴转动的大范围包括逆风侧都存在推动叶片转动的分力F。叶片受力又是与速度的平方成正比的，逆风侧及90度以上位置的合成速度都大于顺风侧180度点位置的合成速度，所以会在上述范围出现比180度点位置更大的推动叶片转动的力F。在背风侧的180度至360度之间上述是道理同样适用，只不过相当于风力二次利用，风速会有所减小。因此本发明除P点一点外可以全方位有效利用风力。该风力装置的风向控制机构为风向舵12与套装在立轴2上的方向轮10呈周向固定联接，即风向舵12随风向改变角度时，带动方向轮10及立轴2至叶片轴轨迹圆上的P点的连线改变相同角度，即仍然保持顺风侧叶片与风向垂直，逆风侧叶片与风向平行的角度关系。同时方向轮10不传递动力，方向舵12有较小的力即可以带动，这也是这种风力装置最简单的风向控制方法。本发明依据叶片转动的特点提出了柔片叶和S形叶设计，对改善其空气动力性能有较大作用。由于叶片3转动的线速度小于风速，该装置不会产生噪声。本发明的叶片两端支撑方式在结构上有利于采用普通材料和通过增加叶片弦长方法获得较多风能，制造简单有利于推广应用。

Claims (8)

1.一种垂直轴叶片转动的风力装置，包括基础柱(1)、立轴(2)、转动架、叶片(3)、叶片转动机构、风向控制机构、安全机构和工作部(11)，其特征在于立轴(2)固定安装在基础柱(1)上，转动架是由上下两个轮辐状的叶片支架(4)和连接叶片支架(4)的转架轴管(5)构成，转架轴管(5)套装在立轴(2)外侧，所述的叶片(3)的上下边竖向对称线处设置有叶片轴(8)，上下叶片轴(8)与对应的上下叶片支架4联接，所述的叶片转动机构包括叶片轮(9)和方向轮(10)，安装在叶片支架(4)端部的叶片轴(8)与叶片轮(9)联接，方向轮(10)套装在立轴(2)上，叶片轮(9)与方向轮(10)之间通过定传动比传动件或介轮组联接，叶片轮(9)与方向轮(10)转动方向相同传动比为1∶2，所述的风向控制机构为风向舵(12)与套装在立轴(2)上的方向轮(10)呈周向固定联接，所述的安全机构包括风速仪(14)、信号接收器(15)和安全机构执行组件，安全机构执行组件为电磁离合器(16)与安装在叶片(3)上的信号接收器(15)有导线连接，叶片轴(8)通过电磁离合器(16)与叶片(3)联接，转动架的转架轴管(5)通过变速传动件与工作部(11)联接。
2.根据权利要求1所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于所述的叶片(3)为平板叶(34)或柔片叶(31)或S形叶(32)或由条状板组成的条板叶(33)，所述的柔片叶(31)为柔性片材材料制成，柔片叶(31)边缘的孔(311)通过弹簧(312)与边框(6)联接，所述的S形叶(32)断面为中心对称的S形，其凹面深度小于叶片弦长的15％，所述的条板叶(33)是由N个横向条板组成，条板两端设置有转角轴(331)与边框(6)上的孔配合。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于板条叶(33)的安全机构为条板叶(33)两端设置有与边框(6)上的孔配合的转角轴(331)其一侧轴安装转角机构，该转角机构为安装在转角轴(331)上的转角齿轮(332)，各个转角齿轮(332)与边框(6)内的转角齿条(333)啮合，转角齿条(333)的一端与行程机构连接，所述的行程机构(334)可以是电磁铁或电动机带动的曲柄连杆或电动推杆，所述的行程机构与信号接收器(15)有导线连接。
4.根据权利要求1或2所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于条板叶(33)的安全机构为条板叶(33)两端设置有与边框(6)上的孔配合的转角轴(331)其一侧轴安装转角机构，该转角机构为安装在转角轴(331)上的转角柄(335)，各个转角柄(335)与边框(6)内的转角拉杆(336)连接，转角拉杆(336)的一端与行程机构连接，所述的行程机构(334)可以是电磁铁、电动机带动的曲柄连杆或电动推杆，所述的行程机构与信号接收器(15)有导线连接。
5.根据权利要求1所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于所述的叶片安装方法，安装时各个叶片(3)平面投影延长线相交于叶片轴(8)绕立轴(2)转动的轨迹圆上的P点，风向舵(12)的安装方向为风向舵(12)平面投影线垂直于立轴(2)与叶片轴(8)绕立轴(2)的转动的轨迹圆上的与各个叶片(3)投影延长线相交的P点的连线。
6.根据权利要求1或2或5所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于所述的叶片安装方法各S形叶(32)安装时各S形叶(32)弦线投影的延长线相交于叶片轴(8)绕立轴(2)的转动的轨迹圆上的P点，风向舵(12)的安装方向为风向舵(12)平面投影线垂直于立轴(2)与叶片轴(8)绕立轴(2)的转动的轨迹圆上的与各个叶片投影延长线相交的P点的连线，S形叶(32)在P点与立轴(2)对称位置时在转动半径外端的凹向与风向舵(12)的方向一致。
7.根据权利要求1或2或5所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于在上下叶片轴(8)的延长叶片轴(81)上安装加长叶片(7)，加长叶片(7)平面与叶片(3)平面一致。
8.根据权利要求1所述的垂直轴叶片转动的风力装置，其特征在于所述的转动架的转架轴管(5)通过变速传动件联接的工作部(11)可以是发电机、水泵、粉碎机。
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