CN112628068A - 叶片反转式流体驱动传动系统及相关产品 - Google Patents

Abstract

面对日益严重的生态环境危机，开发清洁能源显得尤为重要，相关的研究工作潜力巨大，意义非凡。叶片反转式流体驱动传动系统及相关产品，涉及清洁能源开发与环境保护领域。叶片反转式流体驱动传动系统，即创造性地利用流体力学原理实现风能、水能高效发电的驱动传动系统等。而叶片反转式流体驱动传动系统及相关产品的发现则凝聚了本人多年的探索和研究，从而实现风能水能等的巧妙利用，大大提高功效。

Description

叶片反转式流体驱动传动系统及相关产品

技术领域：

本发明涉及清洁能源的开发与环境保护领域，主要针对风能、水能发电的驱动传动系统以及相关的其它应用。

背景技术：

伴随着人类的进步，流体力学经历了漫长曲折的发展过程。以物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论，古希腊的阿基米德奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。

直到18世纪，牛顿提出牛顿粘性定律假设，使流体力学又取得理论上的突破。

接着，欧拉方程和伯努利方程的建立，标志着流体动力学作为一个分支学科建立，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。

1845年创立的纳维-斯托克斯方程，它是流体动力学的理论基础。

20世纪初，机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。飞机的出现，又极大地促进了空气动力学的发展。

发明内容：

叶片反转式流体驱动传动系统

一、叶片反转式流体驱动传动系统就是经设计带有固定轴的驱动体其外侧叶片，在运动流体的作用下，并通过齿轮传动及偏航系统控制，使其受力角度依次变化，从而实现几个叶片连续交递受力、推动着驱动体围绕着固定轴不停地旋转。(见附图1、2、3及附图说明)

二、叶片反转式流体驱动传动系统具有偏航控制功能：其特征是通过方向感应器将感应信号传给接触器、电源，以此控制着电机倒、顺运转，再传动偏航齿轮，从而使驱动体随着流体运动方向发生改变时而改变，实现最佳工作状态。(见附图1、2、3及附图说明)

三、叶片反转式流体驱动传动系统的自转叶片的设计：驱动体在运动流体作用下自身旋转的同时通过齿轮传动来控制叶片变化的角度，为了减少驱动体因变化叶片角度所产生的工作阻力，叶片可设计成能在运动流体的作用下产生助力自转形式的叶片，及在运动流体的作用下叶片的同面两边受力不等造成叶片受力自转。让叶片在运动流体的作用下相对于驱体产生反方向自转，但设计所产生的作用力不能过大，主要还是要考虑叶片及整个驱体运动的最佳受力。(见附图1、2、3及附图说明)

叶片反转式流体驱动传动系统的相关产品设计

一、风力发电驱动的设计：

风电是没有公害的能源之一，而且它取之不尽、用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海、岛屿、草原、牧场、山区、高原等地带，因地制宜地利用风电非常适合，大有可为。我国的风电事业发展很快，沿途经常会看到高高耸立、旋转不停的风轮，尤其是那三个上下翻转的大叶片，不由得让人叹为观止。

面对雄伟壮观的风电装置，心生赞叹之余，细细琢磨，慢慢也其中发现许多不足，其不足之处体现在以下几个方面，具体分析如下：

装置要想获得大的电能，就必须加大叶片的规格；而叶片越长，风叶尾端相对于旋转圆心的距离就越大，导致其工作时叶片尾端与旋转圆心速度反差就越大；这样，在相等风速风力作用下，叶片头尾端都不能最有效地受力做功，尤其是大叶片尾端在启动叶片时发挥的作用非常大，而在正常运行状态下的作用非常小，甚至起反作用，因为尾端的速度过快，这时的风速对它已形成不了作用力。由此造成目前的风电装置存在设计制造难度大、成本高、效率低等问题。而利用叶片反转式流体驱动传动系统设计制造成的垂直轴形式的风力发电驱动将从根本上解决这些问题。

叶片反转式流体驱动传动系统通过对叶片的几种设计形成了新的垂直轴风力发电的驱动，分别是阴阳式的、复合式的、和船氓式的三种。(见附图13、14、15)

阴阳式的，即运用轻质金属(铝合金)薄板把叶片两面的两边制作成带龙骨形成对应两个面，在风力作用下不带龙骨对应的两个边(面)作用力相对较小，因而这时的叶片会发生自转，配合风力发电驱动运转。(见附图4、5、6)

复合式的，即运用现有平衡轴风力发电机的大叶片类似材料，或者是泡沫与金属薄板夹心材料设计制作成正反面对应边带坡圆及上下封板出边形式，在风力作用下带坡圆这边(面)及上下出边相对少的这边作用力相对较小，因而这时的叶片会发生自转，配合风力发电驱动运转。(见附图7、8、9)

船帆式的，即运用金属圆管制作成叶片外框，用帆布(伞布)填空并固定在合金圆管对应两侧边，在风力作用下，固定在合金圆管对应两伤边这边(面)作用力相对较小，因而这时的叶片会发生自转，配合风力发电驱动运转。(见附图10、11、12)

这一项新技术将颠覆现有风电设计理念，堪称更加科学高效的风电驱动系统，其优势具体体现在：

1.结构巧、效率高、造型美、占地面积小、成本低、制作容易、对鸟类零危害等特点，特别是以高效率改变当前风电投入高、回本慢的难题。

2.非常适合多重组发电。可依据地理位置和常年的风向，设计排列成组成行及叠加式等，以此锁住一定的能量，更有效地提高发电效率。

3.“叶片”设计呈多祥化。该技术结构依据相关的空气力学原理，对“叶片”的设计具有高度的兼容性：除了现有常规的复合材料外，本人探索以多种材料制作“叶片”，诸如：碳纤维、轻质合金、以及金属配合薄板、帆布、伞布等；外形设计也作了许多尝试，如：船帆式、阴阳式等，其根本目的是减少叶片重量，兜住更多的风能，增加流动空气对叶片的推力。

4.所设计的此风力发电驱动规格越大、相对工作时转动速度越低，即风电驱动的叶片到旋转圆心距离越大，风电驱动的转速越小。这祥，整体安全稳定性也越高，因此就非常适合制造较大型的风电，从而能够获得更大的电能。

(二)自然水流发电驱动的设计

水流作用下运用叶片反转式流体驱动传动系统也可以设计制造发电驱动。和风力发电驱动的区别在于一个是气态的、一个是液态的。但与常规的水力发电驱动有着本质的区别。常规的水力发电都是先把水行起来，以增加水位高低落差取得一定量的势能，以此冲击水轮机进行驱动发电；常规的水力发电站的建设施工的成本非常大，对地理环境要求特别高，且对周边自然环境和人文环境也造成不同程度的破坏。

和风电驱动一样，运用反转叶片式流体驱动传动系统设计制造的水力发电驱动，是在自然水流的作用下即可发电。其主婓特点是选择有利地形使可：内地遍布的大江大河，都可因地制宜地、十分便利地用来开发利用。

选择有利地形进行围堰，建造凹槽出水加速口，把以上设计的叶片反转式流体驱动传动装置按叶片的水平形式设计置于出水加速口的底部，偏航系统(齿轮)方向固定为凹槽水流的倾斜方向，整体工作状态以低于发电驱动体旋转半径的水流水位设定，随着水的流动推动着叶片，使得这种新型的水力发电驱动运转工作。(见附图16)

(三)大赴潮沙发电驱动的设计

潮沙具有规律性强、能量巨大等特点，相较于核电和热电，其发电具有很大的优势：潮汐发电具有不间断，且无公害、开发范围广阔等特点。只要具备一定条件下的海岸线，通过设计就可以得到取之不尽、用之不竭的新能源。如山东乳山，地坪条件十分优越。从地图看，大乳山滨海旅游度假区的两边，几乎就是两个天然的潮沙发电站.只需用很少的围海投入，基本不用破坏现有自然环境，就可建设两个大型潮沙发电站。

先把海围成两个相邻、面积相差不大的两个区域，在相邻公用围海堤坝上建造出凹漕海水加速门。用来安装新设计的发电驱动装置，再在两边的两个区域分别设计一个增水口和一个排水口。当海洋落潮时，海洋水位线等于增水区水位线时，增水口自动打开进行补水；当海洋落潮时，海洋水位线等于增水区水位线时，关闭增水口；当海水水位线低于落水区水位线时，自动打开落水口进行排水；当海洋水位线等于落水区水位线时，落水口自动关闭。潮起潮落，循环往复，如此确保使得机组不停地运转。

把以上设计的叶片反转式流体驱动传动装置按叶片的水平形式设计置于出水加速口的底部，偏航系统 (齿轮)方向固定为凹漕水流的倾斜方向，使整体工作状态以低于发电驱动体旋转半径的水流水位设定，随着海水流动推动着叶片，使得新的水力发电驱动运转工作。(见附图16)

附图说明：

一、图1为叶片反转式流体驱动传动系统的立体框架图。4个叶片框架交差90度连接为一体，构成驱动体，中间部分为固定轴，叶片在运动流体的作用力下，通过齿轮传动及偏航系统控制、变化叶片在运动流体中的受力角度、使得几个叶片连续交递受力推动着驱动体围绕着固定轴不停地旋转，从而实现最有效的利用。

二、图2为图1的叶片运行俯视图。展示了叶片在运动流体的作用下，旋转至图中不同位置时，其叶片在偏航系统齿轮传动作用下发生的旋转角度的变化，图中中心箭头所指方向为流体的运动方向，即叶片反转式流体驱动传动系统的偏航方向。当运动流体按图中箭头方向运动时，A点和B点位于流体运动方向成90度轴线上。A点叶片这时的角度及其所在的位置所受到的作用力最大，而B点叶片这时的角度及其所受到的作用力则最小。从B点到圆心成约45度夹角的G点开始、叶片及驱体开始按顺时针方向受力做功，随着驱体及叶片角度的逐步增大，受力也逐步增大。到C点、E点、A点时受力最大；同理，到H点、D点、 F点受力逐步变小。从F点到B点、G点基本等于逆向运转，正好这时的叶片角度基本上都是侧向运动流体方向的，逆向的作用力表现为最小。因而在运动流体的作用下叶片推动作驱动体可以顺时针方向不停地旋转。

三、图3为图1垂直方向的结构原理剖面图。图中①为叶片，连接③的齿轮，受到④的传动齿轮控制；⑤为偏航齿轮(上下为一体的)，其下的小齿轮控制传动齿轮④；⑥为连接蜗轮蜗杆减速电机驱动的偏航齿轮，控制着偏航齿轮⑤；⑨为电源；⑧方向感应器和接触器，控制蜗轮蜗杆减速电机⑦；⑩为固定轴。

当叶片及偏航系统(⑥⑦⑧⑨)设计安装为图2所示角度位置时(也就是成品状态下)，这时的叶片反转式流体驱动传动系统为最佳工作状态。

结合上述说明，从图2可以看出：叶片在运动流体的作用下，当从A位置随着驱体旋转到B位置时，驱动体旋转了180度，而同时的叶片角度变化为90度；也就是说，驱体旋转一圈360度，同时的叶片角度逆向旋转半圈180度，便可以实现驱体在运动流体的作用下旋转。如果驱动体安装时的叶片到达A、B 两个位置其角度方向相反时，则驱动体按逆时针方向旋转，这时的叶片转动角度则按顺时针方向旋转。

由电源、风向感应器和接触器、蜗轮蜗杆电机驱动着偏航齿轮，并控制着每个叶片；随着驱动体在运动流体运动方向发生改变时而改变为最佳工作状态方向，也叫叶片反转式流体驱动传动系统的偏航控制方向。

四、图4为阴阳式叶片立面图。图5为正面图，图6为图5 AB方向的剖面图。①为金属薄板叶片，②为叶片中心轴，③为金属薄板叶片龙骨。图中看出见到龙骨这边在风力作用下受力更大，因而使得叶片受力逆时针旋转，如果设计反方向旋转则叶片上下倒置。反转式流体驱动传动系统的阴阳式叶片设计形成了新的垂直轴风力发电驱动。图13为阴阳式叶片垂直轴风力发电驱动立面图。

五、图7为复合式叶片立面图。图8为正面图，图9为图8 AB方向的剖面图，①为叶片的上下出边，②为叶片中心轴，③为复合材料叶片。图中看出，叶片逆时针旋转时，两个边缘和上下出边起到助推作用，正面带圆边和上下出边小的这一侧，在风力作用下相对受力较小，因而使得叶片受力产生逆时针自转，如果设计反方向旋转则叶片上下倒置。反转式流体驱动传动系统的复合式叶片设计形成了新的垂直轴风力发电驱动。图14为复合式叶片垂直轴风力发电驱动立面图。

六、图10为船帆式叶片立面图。图11为正面图，图12为图11AB方向的剖面图，①为帆布叶体，②为上下和两边的金属边框，③为叶片中心轴。图中看出叶片凹陷进去这一侧在风力作用下相对受力更大，因而使得叶片受力逆时针旋转，如果设计反方向旋转则叶片上下倒置。反转式流体驱动传动系统的船帆式叶片设计形成了新的垂直轴风力发电驱动。图15为船帆式叶片垂直轴风力发电驱动立面图。

七、图16为叶片反转式流体驱动传动系统，应用于水力发电驱动装置的结构原理剖面图(凹型糟堤坝剖面图)。图中A为控制叶片两端圆形结构发电驱动体，B为叶片，C为加速齿轮发电机，D为海床(河床)，E为混凝土凹型糟孤形糟底。F为混凝土带凹型糟堤坝。由于凹型糟堤坝两侧的水位高低落差，增水区的水经过孤形糟底坡度自由落体运动加速后，推动叶片驱动着加速齿轮发电机而发电。其主要特点是转速慢，但推力大，和一般大型水力发电有所不同。

具体实施方式

叶片反转式流体驱动传动系统具体实施方式，就是本文上述的风力发电驱动的设计和自然水流发电驱动的设计以及潮汐发电驱动的设计。其它都是按照实际应用而设计的，具体实施方式大多内容已在本文的发明内容及附图说明中包括，以下为补充内容：

对于叶片反转式流体驱动传动系统在实际应用过程中，应按照整体需要及地理环境设计相应尺寸，以及考虑流体运动的速度。其中主要的就是设计几个叶片的问题，无论是设计几个叶片，一定要保持驱体受力运动平衡。本人认为，在自然风力作用下，设计为2至4个叶片较为合理；在自然水流作用下，设计成 4至8个叶片较为合理。其理由是：相同情况下，密度越大的流体，运动时所产生的动能也越大，作用力的连续性也强，具体还要根据运用时的实际情况来设计叶片数量和叶片结构形式。

对于叶片反转式流体驱动传动系统运用于新型重直轴风力发电驱动的叶片设计，本人设计的“船帆式”叶片更适合制造大型风电驱动，其结构是金属边框和大面积帆布(伞布)制作，叶片虽大，重量却很轻，符合本人叶片反转式流体驱动传动系统的设计规格越大在运动流体的作用下旋转速度越慢的特点。

对于叶片反转式流体驱动传动系统运用于水力发电驱动系统的叶片设计，本人建议以平面为主，理由如下：此结构在实际运转工作过程中，叶片基本呈侧向进出水中状态，且水的密度比空气大，运动时产生的推力也非常大，因此设计产生助力自转叶片没有多大意义。另外水力发电驱动在应用过程中，每一个混凝土凹型糟中应设计安装两个对应的水力发电机驱动，这样设计更能增加效益、减少成本。

Claims (9)

1.叶片反转式流体驱动传动系统：其特征是经设计带有固定轴的驱动体其外侧叶片，在运动流体的作用下，并通过齿轮传动及偏航系统控制，使其受力角度依次变化，从而实现几个叶片连续交递受力、推动着驱动体围绕着固定轴不停地旋转。

2.叶片反转式流体驱动传动系统的偏航控制功能：其特征是通过方向感应器将感应信号传给接触器、电源，以此控制着电机倒、顺运转，再传动偏航齿轮，从而使驱动体随着流体运动方向发生改变时而改变，实现最佳工作状态。

3.叶片反转式流体驱动传动系统的自转叶片的设计：为了减少驱动体在运动流体作用下因变化叶片角度而带来的工作阻力，本设计让叶片的同面两边受力不等，造成叶片受力自转，导致叶片在运动流体的作用下相对于驱体产生反方向自转。

4.复合式叶片垂直轴风力发电驱动：即运用现有平衡轴风力发电机大叶片类似的材料，或者是泡沫与金属薄板夹心等轻质复合材料，设计制作成正反面对应边带坡园、上下封板出边形式的叶片，组成反转式流体驱动传动系统的新型垂直轴风力发电驱动。

5.阴阳式叶片垂直轴风力发电驱动；就是运用轻质金属(铝合金)薄板制作成阴阳面叶片，其两面的两边形成对应龙骨面，组成叶片反转式流体驱动传动系统的新型垂直轴风力发电驱动。

6.船帆式叶片垂直轴风力发电驱动；就是运用金属圆管制作成叶片外框，用帆布(伞布)填空并固定在金属圆管对应两侧边成对角形式的，组成叶片反转式流体驱动传动系统的新型垂直轴风力发电驱动。

7.叶片反转式流体驱动传动系统应用于自然水流发电驱动的设计；其特征是针对自然水流选择有利地形进行围堰，建造凹糟出水加速口，把以上设计的反转叶片式流体驱动传动装置按叶片的水平形式设计置于出水加速口的底部，偏航系统(齿轮)方向固定为水流的倾斜方向，整体工作状态以低于发电驱动体旋转半径的水流水位设定，随着水的流动推动着叶片形成新型的水力发电驱动。

8.叶片反转式流体驱动传动系统应用于潮汐发电驱动的设计；其特征是首先把海围成两个相邻、面积相差不大的两个区域，在相邻公用围海堤坝上建造出凹漕海水加速口，再把以上设计的叶片反转式流体驱动传动装置按叶片的水平形式设计置于出水加速口的底部，安装成新设计的发电驱动装置，两边的两个区域分别设计一个增水口和一个排水口，潮起增水、潮落排水、如此循环增水区与落水区形成水位落差，随着水的流动推动着叶片形成新的水力发电驱动。

9.叶片反转式流体驱动传动系统的其它应用。

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