CN1328499C - 多旋翼风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个旋翼的风力发电机。本发明的风力发电机可以减少与风力相关的产生于旋翼上的负荷和阻力，以获得高效率的旋转能，并可以根据风压的不同，柔性地吸收作用在旋翼上的冲击。该风力发电机包括：多个旋翼，其旋转半径彼此不同，并可根据风向独立旋转。本发明的风力发电机可以防止由与风力相关的在整体上被拉长的旋翼上产生的负荷和阻尼导致的旋转能的抵消。并且，通过加速器罩提高风速，并使风作用在旋翼上以获得高效率的旋转能。进一步，本发明可以弹性地吸收作用在旋翼上的冲击及支撑旋翼，使得旋翼可以根据风的强度逐渐旋转，以防止由于疾风而造成的风力发电机的损坏。此外，本发明的风力发电机可以提高风力发电机的发电效率并改善稳定性及运转的可靠性。

Description

多旋翼风力发电机
技术领域
本发明涉及具有多个旋翼的风力发电设备，更具体地，涉及一种多旋翼风力发电机，它可以减少与风力相关的产生于旋翼上的负荷和阻力，以获得高效率的旋转能，并可以根据风压的不同，灵活地吸收作用在旋翼上的冲击。
背景技术
一般地，发电机可以分为利用水位差的水力发电机，利用燃料燃烧获得电能的热力发电机，利用原子核裂变获得电能的核电站和利用风力的风力发电机。要正确使用发电机发电，应该考虑季节和地理条件的影响。
在上述发电机中，风力发电机是利用自然界的风力发电，与其它发电机不同，其优势在于安装费用低廉，并且可以家庭或乡村为单位独立发电。一种普通风力发电机如图13所示。
如图13所示，普通风力发电机100包括可以在风力作用下转动的旋翼101，可以将从旋翼101获得的旋转力转变为电能的发电机103以及用于支撑发电机103和旋翼101的塔架104。
旋翼101从旋转轴102悬伸较长距离。当旋翼101在风力吹动下旋转时，旋翼101的后侧承受一个很大的阻力或负荷，因此旋翼101的旋转力会被抵消。这就导致风能利用率降低。
也就是说，风吹向一个旋翼101时分为三个方向a，b和c，分别对应于三个点r1，r2和r3，很明显，如果旋转半径不同，则旋转能就不同。更具体地，旋翼101越长，这种变化就会越大，旋翼长度越接近点r3时，作用在其后部的阻力就会越大。因此，这种结构会抵消很大部分的旋转能。
此外，普通机没有将风力集中吹向旋翼101的装置，因此不能有效利用风能。例如，当由于风暴或疾风引起的一股强风吹来时，旋翼101会由于超限旋转而过载，进而导致风力发电机故障频发。
发明内容
为了解决上述问题而提出本发明，所以本发明的目的是提供一种包括多个旋翼的风力发电机，这些旋翼具有各自不同的旋转半径，并可以根据风向独立旋转。本发明的风力发电机可以防止由整体上被拉长的旋翼上由于风力作用而产生的负荷和阻尼导致的旋转能的抵消。并且，通过加速器罩提高风的速度，并使风作用在旋翼上以获得高效率的旋转能。进一步，本发明可以弹性地吸收作用在旋翼上的冲击及支撑旋翼，使旋翼可以根据风的强度逐渐旋转，以防止由于疾风而造成的风力发电机的损坏。此外，本发明的风力发电机可以提高风力发电机的发电效率并改善稳定性及运转的可靠性。
根据本发明的一个方面，提供一种风力发电机，其包括：多个旋翼11a，12a，13a，和14a，每个旋翼直径范围各不相同，每个旋翼11a至14a都包括多个翼片16及分别与翼片16连接的翼幅15；第一和第四级旋转轴1 1和14，每个旋转轴分别与旋翼11a至14a当中的一个相连接，并以适当的方式保持相互之间的预设距离；第二和第三级旋转轴12和13，每个旋转轴中分别装有可转动的第一和第四级旋转轴11和14，并分别与旋翼11a至14a当中的一个相连接；第一和第二级加速器罩20和21，每个加速器罩分别安装在第一和第四级旋转轴11和14上，用于加速并引导风向至相应的翼片16；支撑装置30，其分别安装在旋翼11a和14a上，根据风压的变化弹性支撑相应的翼片16；安全装置，其与每一个支撑装置30的一部分相连，当有骤风时可以调节每个翼片16的角度，以防止风力对每个翼片16的作用超限；传动装置50，其通过一系列齿轮与第一至第四级旋转轴11至14连接以改变其转速比；发电机60，通过与传动装置50的一部分啮合的轴61接收传动装置50传递的旋转能，以产生电能；传动箱50a，用于容纳传动装置50，发电机60的轴61可转动地穿过传动箱50a伸入其中；以及机架70，用于支撑传动箱50a的底部，并在预设位置安装发电机60。
此中，优选地，第一和第二级加速器罩20和21包括具有锥面的环形管23，它们组合成一个圆锥体结构，将风分别引导至旋翼11a和14a。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。在附图中：
图1是表示本发明风力发电机的透视图；
图2是表示本发明风力发电机的分解透视图；
图3是表示图2的局部展开图；
图4是表示本发明风力发电机的传动装置；
图5是表示本发明风力发电机的安全装置的结构；
图6a和6b是表示图5中A-A截面的剖视图，说明转子的工作原理；
图7是表示本发明风力发电机一个旋翼的局部展开透视图；
图8是表示图7中B-B截面的剖视图；
图9a和9b是表示本发明翼片支撑装置工作原理的剖视图；
图10是表示本发明第一级加速器罩的一种模型的透视图；
图11是表示本发明风力发电机模型的透视图；
图12是表示本发明风力发电机运行的透视图；及
图13是表示一种普通风力发电机的透视图；
<视图中主要部件代号说明>
11：第一级旋转轴            11a：第一级旋翼
12：第二级旋转轴            12a：第二级旋翼
13：第三级旋转轴            13a：第三级旋翼
14：第四级旋转轴            14a：第四级旋翼
15：翼幅                    15a：加长片
16：翼片                    20：第一级加速器罩
21：第二级加速器罩          22：支撑元件
23：环形管                  30：翼片支撑装置
31：支撑片                  32：安装管
34：铰链                    35：活动杆
36：活动片                  37：第一级弹簧
38：第二级弹簧              40：固定元件
41：钢丝活动元件            42：钢丝
43：连接器钢丝              44：转子
45：转子箱                  47：弹性元件
48：铰接轴                  50：传动装置
50a：传动箱                 51：第一级主动齿轮
52：第二级主动齿轮          53：第三级主动齿轮
54：第四级主动齿轮          55：第一级可转动从动齿轮
56：第二级可转动从动齿轮    57：第三级可转动从动齿轮
58：第四级可转动从动齿轮    59：从动轴
60：发电机                  61：轴
62：斜齿轮                  70：机架
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实例。
图1是表示本发明风力发电机的透视图，图2是表示本发明风力发电机的分解透视图，图3是表示图2的局部展开图，图4是表示本发明风力发电机的传动装置，图5是表示本发明风力发电机安全装置的结构，图6a和6b是表示图5中A-A截面的剖视图，说明转子的工作原理，图7是表示本发明风力发电机一个旋翼的局部展开透视图，图8是表示图7中B-B截面的剖视图，图9a和9b是表示本发明翼片支撑装置工作原理的剖视图，图10是表示本发明第一级加速器罩一种模型的透视图，图11是表示本发明风力发电机模型的透视图，及图12是表示本发明风力发电机运行的透视图。
如图中所示，本发明的风力发电机包括具有不同回转半径的四个旋翼11a，12a，13a，和14a，每个旋翼11a至14a都包括多个翼片16及分别与翼片16连接的多个翼幅15。第一和第四级旋转轴11和14分别与相应的旋翼11a至14a当中的一个相连接，并以适当的方式保持相互之间的预设距离。第二和第三级旋转轴12和13各自可旋转地装有第一和第四级旋转轴11和14中的一个，并与旋翼11a至14a中之一连接。第一和第二级加速器罩20和21分别安装在第一和第四级旋转轴11和14上，以加速并引导风向至相应的翼片16。翼片支撑装置30分别安装在旋翼11a和14a上，根据风压的变化弹性支撑相应的翼片16。安全装置与每一个支撑装置30的一部分相连，当有骤风时可以调节每个翼片16的角度，以防止风力对翼片16的作用超限。传动装置50通过一系列齿轮与第一至第四级旋转轴11至14连接以改变其转速。发电机60通过与传动装置50的一部分啮合的轴61接收传动装置50传递的旋转能，以产生电能。传动装置50装在传动箱50a内，并且发电机60的轴61可旋转地在传动箱50a内延伸。机架70用于支撑传动箱50a的底部，并在预设位置安装发电机60。
第一至第四级旋转轴11至14支撑在轴承B上，同时，第一级旋转轴11可转动地安装在第二级旋转轴12中，第四级旋转轴14可转动地安装在第三级旋转轴13中。
第一和第二级加速器罩20和21中的每个都由锥形环形管23组成一个圆锥形结构，以加速和引导风力分别吹向第一和第二级旋翼11a和12a上及第三和第四级旋翼13a和14a上的翼片16。环形管23固定在圆锥形支撑元件22上。
换言之，第一级加速器罩20将加速后的风吹向具有不同回转半径的旋翼11a和12a，而第二级加速器罩21将加速后的风吹向旋翼13a和14a以获得有效的旋转能。
翼片支撑装置30包括一个管形的安装管32，这样，每个翼幅15均可可转动地插在里面，活动杆35通过铰链34与可以从每个翼幅15的一部分延长的加长片15a连接，第一和第二级弹簧37和38套装在活动杆35上以吸收作用在每个翼幅15上的冲击，安装在活动杆35上的活动片36位于第一和第二级弹簧37和38之间，并通过钢丝42与安全装置的一部分连接。
此外，活动杆35的一端固定在支撑片31上，支撑片31固定在另一个安装管32上。
翼片支撑装置30根据风压的变化弹性支撑转动的翼片16，以有效利用风能。
第一和第二级弹簧37和38的直径彼此不同。正常情况下风速较低时，第一级弹簧37支撑每一个安装在翼幅15上的翼片16的转动。当风速增加时，比如由于风暴，安全装置会拉动与活动板连接的钢丝42，这样，第二级弹簧38被压缩，第一级弹簧37被拉长，以便以足够的弹性力支撑每个翼片16的转动。
用于拉动钢丝42的安全装置包括多个中空的安装元件40，其用于安装连接在活动板36上的钢丝42及第一至第四级旋转轴11至14和轴61，多个活动元件41在固定元件40中可以上/下移动，并用于固定插入固定元件40中的钢丝42的尾端，多个转子44通过钢丝42与活动元件41的底部连接，其相互之间通过弹性元件47连接，并围绕轴61布置，高速旋转时在离心力作用下做放射状运动，转子箱45围绕轴61布置用于安装多个转子44，并通过铰接轴48与转子44连接，连接器钢丝43在转子44的带动下，用于使多个活动元件41同步运动。
当围绕轴61的转子箱45由于疾风导致高速旋转时，转子44在离心力作用下向外缘做放射状运动，通过钢丝42，连接器钢丝43及活动元件41拉动支撑装置30中的活动片36。
优选地，转子44用重金属制造，使得转子44仅当转子箱45高速旋转时，才径向向外运动。
传动装置50包括：多个具有不同直径的主动齿轮51，52，53和54，其分别安装在独立旋转的第一级至第四级旋转轴11至14上；多个可旋转的从动齿轮55，56，57和58，其分别与多个主动齿轮51至54啮合；与从动齿轮55至58连接的从动轴59；以及斜齿轮62，用于将从动轴59的旋转能传输给轴61。
传动装置50将按各自速率旋转的主动齿轮51至54的旋转能传输给轴61，使发电机60能够发电。
下面解释具有上述结构的本发明的运行及效果，第一级加速器罩20将通过其中的风加速后再对加速后的风进行分配。
也就是说，从任意方向吹来的风，经过横截面逐渐减小构成圆锥形结构的环形管23时被加速，然后分为两个方向被引导至第一级和第二级旋翼11a和12a的翼片16上。
在这里，第一级加速器罩20与第一级和第二级旋翼11a和12a按照从第一级加速器罩20至第二级旋翼组件12a的顺序形成一个三角形的结构，以便使风集中吹向第一级和第二级旋翼11a和12a的翼片16以获得最大的旋转能。
风经过第一级和第二级旋翼11a和12a减速后，被引向第二级加速器罩21，与经过第一级加速器罩20的过程相同，风被重新加速。
风经过第二级加速器罩21加速后，集中吹向第三级和第四级旋翼13a和14a的翼片16。
第一级旋转轴11穿过第二级旋转轴12延伸，第四级旋转轴14穿过第三级旋转轴13延伸，这样，第一级至第四级旋转轴11至14就可以通过分别装在其上具有不同回转半径的第一级至第四级旋翼11a至14a独立旋转。
第一级至第四级旋转轴11至14的旋转以预设的减速比递变，第一级至第四级主动齿轮51至54分别装在第一级至第四级旋转轴11至14上，第一级至第四级从动齿轮55至58分别与第一级至第四级主动齿轮51至54啮合。
按上述关系连接的齿轮，以预设的减速比将独立旋转的第一级至第四级旋转轴11至14的旋转能输出，通过安装在从动轴59和轴61之间的斜齿轮62驱动发电机60发电。
由于对于本领域的技术人员来说，在第一级至第四级旋转轴11至14上安装多个轴承B，使旋转平稳，以及将发电机60发出的电能传输到附近的一个电站或向独立的充电装置进行充电都是很容易实施或执行的，所以在此省略对其详细描述。
第一级至第四级旋翼11a至14a在高速强风如风暴的作用下其转速将会增加，此时，风会对迎风方向的翼片16造成冲击。
支撑装置30可以根据冲击强度弹性吸收作用在翼片16上的冲击。更具体地，支撑装置30弹性支撑翼片16，使翼片16在与风向平行的方向逐渐转动以最大限度利用风能。当风压突然增加时，比如由于一股气流，安全装置可以灵活地调节翼片16的角度。
参照图7至9b详细说明支撑装置30的工作原理。当风速增加时，与翼片16连接的翼幅15作横向运动。
之后，铰接在翼幅15中加长片15a上的活动杆35也相应地横向移动，此时，套装在活动杆35上的第一级弹簧37通过铰接点34被压缩和回退，以便弹性吸收翼片16和翼幅15的运动。
因为第二级弹簧38螺旋直径较大，重量比第一级弹簧37重，变形度较小，并且第一级弹簧37是由第二级弹簧38及活动片36支撑，所以在这种情况下，仅通过第一级弹簧37的弹性运动初步吸收作用于翼片16上的冲击。
当有强风如风暴集中作用于翼片16上时，安全装置会启动。参见图5至9b说明其原理，当风速快速增加时，第一级至第四级旋翼11a至14a将高速旋转，这样，旋转能被传输到传动装置50及轴61使转子箱45高速转动。
当转子箱45高速转动时，其中的转子44将相对于铰接轴48径向向外运动，同时拉动与转子44连接的钢丝42。
当转子44拉动钢丝42时，轴61及旋转轴11至14上的活动元件41将向下运动以便拉动安装在活动元件41上的活动片36，这样，第二级弹簧38被压缩，同时，第一级弹簧37返回其初始位置的自由状态，如图9b所示。
当第一级弹簧37返回其初始位置时，安全装置将更有效地支撑翼幅15和翼片16。当风速快速增加时，安全装置弹性支撑翼片16，以便使翼片16在与风向平行的方向旋转，从而防止风力发电机在风暴作用下损坏。
当风暴过去，风返回到正常速度时，安全装置将向与上述过程相反的方向运转，使第一级和第二级弹簧37和38返回到其初始位置，如图8所示，第一级弹簧37将重复作弹性运动。
如上所述，本发明的风力发电机，通过第一级和第二级加速器罩20和21使风加速，并将其引导至第一级至第四级旋翼11a至14a的翼片16上，这些旋翼独立转动以减小当风向不一致时相对于风的负荷和阻力，进而实现有效利用旋转能。此外，支撑装置30和安全装置可以根据风压的不同弹性支撑第一级至第四级旋翼11a至14a及支撑翼片16，以使翼片16在平行于风的方向上逐渐转动。因此，本发明可以提高风力发电的效率，并可防止风力发电机的损坏。
尽管已经参照具体的示例性实施方式描述了本发明，但本领域的技术人员在不背离本发明的范围和精神的前提下可以对这些实施方式进行改变或修改。
工业实用性
综上所述，本发明通过加速器罩将风加速，并将其引导至翼片以有效地驱动具有不同回转半径的旋翼旋转。
旋翼根据风的方向独立旋转，可以减小相对于风的负荷和阻力，进而最大限度地获得旋转能，提高发电机的效率。
此外，支撑装置和安全装置弹性支撑旋翼，使其免遭强风如风暴的损坏。具体地，支撑装置和安全装置在风力作用的方向下支撑翼片，以使翼片根据风的强度逐渐转动，而不是在与风力平行的方向上突然转动。这样，本发明就可以有利于最大限度地利用风能。

Claims (2)

1.一种风力发电机，包括：
多个旋翼(11a，12a，13a，和14a)，每个旋翼直径范围各不相同，每个旋翼(11a至14a)都包括多个翼片(16)及分别与翼片(16)连接的多个翼幅(15)；
第一级旋转轴(11)和第四级旋转轴(14)，其中每个旋转轴与旋翼(11a至14a)当中的一个相连接，并以适当的方式保持相互之间的预设距离；
第二级旋转轴(12)和第三级旋转轴(13)，其中每个旋转轴中装有可转动的第一级旋转轴(11)和第四级旋转轴(14)中的一个，并与旋翼(11a至14a)当中的一个相连接；
第一级加速器罩(20)和第二级加速器罩(21)，其中每个加速器罩围绕第一级旋转轴(11)和第四级旋转轴(14)中的一个安装，用于加速并引导风向至相应的翼片(16)；
支撑装置(30)，分别安装在旋翼(11a和14a)上，用于根据风压的变化弹性支撑相应的翼片(16)；
安全装置，其与每一个支撑装置(30)的一部分相连，当有骤风时可以调节每个翼片(16)的角度，以防止风力对每个翼片(16)的作用超限；
传动装置(50)，通过齿轮系与第一级旋转轴(11)至第四级旋转轴(14)连接以改变其转速比；
发电机(60)，通过与传动装置(50)的一部分啮合的轴(61)接收传动装置(50)输出的旋转能，以产生电能；
装有传动装置(50)的传动箱(50a)，发电机(60)的轴(61)可转动地穿过传动箱(50a)延伸；及
机架(70)，用于支撑传动箱(50a)的底部，并在预设位置安装发电机(60)。
2.如权利要求1所述的风力发电机，其中第一级加速器罩(20)和第二级加速器罩(21)中的每一个包括构成圆锥体结构的锥形环形管(23)，用于将风分别引导至旋翼(11a至14a)。
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