CN201212448Y - 盘式风能叶轮 - Google Patents

Abstract

盘式风能叶轮，是可再生能源利用范畴的风能采集装置，用于风力发电或者提供机械动力。为了增加它的输出扭矩，该叶轮最大限度地增加了分布在最大半径处的叶片面积，为此，在它的旋转轴中段上沿轴向分别固定两组数量相同、均匀排列但处于不同角度的旋臂，在每根旋臂的外端通过一只与叶轮旋转轴平行的支杆，共同固定一个处于两组旋臂中间位置的叶片固定环，在叶片固定环上安装与旋臂总数相同的叶片，在每根旋臂的上段都分别通过套筒转轴安装一只扇形舵面，并通过链齿传动机构分别与每只叶片的转轴相连接，链齿传动机构的转速传动比为2∶1。工作时，全部叶片、以及扇形舵面可以通过各自的转轴分别旋转，同时全部舵面和叶片也一起围绕叶轮的旋转轴旋转。

Description

盘式风能叶轮

技术领域

本实用新型涉及一种风能叶轮，主要用于风力发电或提供机械动力。

背景技术

目前，广泛利用风能的装置是螺旋桨型风能叶轮(简称桨轮)，它的旋转轴线与风向平行，利用风力推动桨轮上的数只桨叶使桨轮旋转，然后通过桨轮的旋转轴对外输出扭矩，在此过程中，叶片沿桨轮径向的各部分所产生的旋转力矩是不同的：距旋转轴的距离越远，力臂就越长，单位面积的叶片所产生的旋转力矩就越大，而相反，距旋转轴的距离越近，单位面积叶片所产生的旋转力矩就越小。但是，由于结构的制约，桨轮分布在最大半径处的叶片面积通常都很小，因此，提高桨轮的输出扭矩仍有很大的潜力。另外，桨轮还要为风速和风向两套调整装置提供一定的能源，才能正常工作，这必然增大了它的建造和使用成本。

发明内容

为了克服桨轮分布在最大半径处的叶片面积很小，以及需要为适应风向、风速的变化而设置耗能调整装置的不足，本实用新型的目的是提供一种风能叶轮，它不仅可以尽可能多地增加分布在叶轮最大半径处的叶片面积，而且也不必设置上述需要消耗能源的两套调整装置。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是：

该叶轮(以下简称盘轮)的旋转轴与地面平行，它的两端通过两只轴承安装在两副八字形支架的上端，八字形支架的下端则固定在地面或载体上；在旋转轴的中段沿轴向分别固定两组数量相同的旋臂，每组的旋臂都分别沿径向呈放射状均匀排列，但两组旋臂沿径向不处于相同的角度，即从旋转轴的轴向看两组旋臂，后组的每一根旋臂，都处于前组两根相邻旋臂的正中间位置；在每根旋臂的外远端，与一只与盘轮旋转轴平行的支杆一端固定在一起，所有支杆的另一端，共同固定一个处于两组旋臂中间位置的叶片固定环，在叶片固定环上的每一个支杆交界处旁，都通过轴承安装一只叶片，因此，在叶片固定环上的叶片数量与全部两组旋臂的数量相同，每只叶片的转轴中心线，均与盘轮的旋转轴垂直；在每根旋臂的上段都分别通过套筒转轴安装一只扇形舵面，在每只扇形舵面的套筒转轴的外端，都通过链齿传动机构分别与每只叶片转轴指向盘轮旋转轴的一端啮合，链齿传动机构的转速传动比为2:1，即扇形舵面如果旋转180度，则叶片只旋转90度。该盘轮的结构不仅使全部叶片、以及每只旋臂上的扇形舵面可以通过各自的转轴分别旋转，同时全部舵面和叶片也一起围绕盘轮的旋转轴旋转。

叶片转轴的中心线将叶片分为面积相等、形状相同的两部分，因此，对叶片转轴而言，无论风从哪个方向吹叶片，叶片都不会产生明显的、围绕其转轴转动的力矩。而扇形舵面则全部处于其套筒转轴的一侧，它的面积与叶片面积之比约为1:1，只要风向与扇形舵面存在一个角度，舵面即会在空气动力的作用下，通过套筒转轴围绕旋臂转动，直至舵面两面的空气压力差为零；综上所述，在风力的作用下，只会出现扇形舵面通过链齿传动机构带动叶片转动、而不可能出现叶片通过链齿传动机构、反过来带动扇形舵面转动的现象。

为了使盘轮在风力的作用下连续平稳地转动，在每只扇形舵面靠近叶轮旋转轴的一边，分别安装一只舵尾小翼，该小翼的面积为扇形舵面面积的1/12。小翼平面与相应扇形舵面的平面之间相差15度，两平面之间的折线与套筒转轴的中心线垂直；为了消除扇形舵面安装在其套筒转轴一侧对旋转产生的不利影响，在每个扇形舵面的前缘处固定一只配重，使套筒转轴两侧的重力矩达到平衡。另外，全部叶片与扇形舵面按以下顺序安装：当盘轮的旋转面与地平线垂直、全部扇形舵面的配重都指向反时针方向(面对盘轮的旋转面正视，即盘轮将具有的旋转方向)时，全部叶片的平面与扇形舵面的平面平行。

本实用新型的有益效果是，尽可能多地增大了分布在盘轮最大半径处的叶片面积，从而与相同直径的传统螺旋桨式风能叶轮相比较，可以明显增加叶轮输出的扭矩；另外，它将传统桨轮以转动旋转面对正风向的做法，改为用风力通过扇形舵面转动叶片对正风向最佳角度的做法，来适应风向的变动，并不需要为此提供额外的能源；再有，由于盘轮的转速很低，叶片很短，与相同直径的传统桨轮叶片相比，径向各部分的平均线速度相差较小，因此叶片并无必要做成变矩形的叶面，只要是在通常的风速范围内，无论是来自那个方向的风，都可以推动它自动进入正常的旋转状态，减少了维持运转的费用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是盘式风能叶轮的正视图。

图2是盘式风能叶轮的侧视图。

图3是扇形舵面的侧视图。

图4是扇形舵面的后视图。

图5是扇形舵面的顶视图。

图6是一组链齿传动机构的示意图。

图中1.八字形支架，2.叶片轴杆，3.盘轮旋转轴，4.旋臂I，5.旋臂II，6.扇形舵面，7.舵尾小翼，8.配重，9.支杆，10.叶片固定环，11.叶片，12.发电机，13.风向箭头，14.盘轮旋转方向箭头，15.大齿轮，16.小齿轮，17.链条，18.钢索，19.扇形舵面的前缘。

具体实施方法

在图1中，八字形支架(1)的上端通过轴承安装盘轮旋转轴，旋臂I(4)和旋臂II(5)分成两组，呈放射状均匀地分布在盘轮旋转轴的中段上，后组的每一根旋臂I(4)，都处于前组两根相邻旋臂II(5)的正中间位置；在每根旋臂的上段通过套筒转轴安装一只扇形舵面(6)，在每个扇形舵面的前缘(19)处固定一个配重(8)；在每根旋臂的外远端、通过一只与盘轮旋转轴平行的支杆(9)，共同固定一个处于两组旋臂中间位置的叶片固定环(10)，在每一个支杆与叶片固定环交界处的叶片固定环上，都分别通过轴承安装一只叶片(11)，因此在叶片固定环上的叶片总数量与全部两组旋臂的数量相同，本实用新型的两组旋臂数量为12根(每组各6根)，叶片为12只，扇形舵面也是12个。

在图2中，盘轮旋转轴(3)的两端分别通过轴承安装在两副八字形支架(1)的上端，旋臂I(4)和旋臂II(5)分为两组沿轴向分别固定在盘轮旋转轴的中段上，每根旋臂的上段通过套筒转轴安装一只扇形舵面(6)，在每个扇形舵面的前缘(19)处固定一个配重(8)；在每根旋臂的外远端，都与一只与盘轮旋转轴平行的支杆(9)一端固定在一起，在每根支杆的另一端，则共同固定一个处于两组旋臂中间位置的叶片固定环(10)，在每一个支杆与叶片固定环交界处旁的叶片固定环上，都分别通过轴承安装一只叶片(11)，所有叶片的叶面与来风方向(13)呈45度角；为了增强盘轮的抗风能力，在盘轮旋转轴的两端与叶片固定环的支杆交界处之间，安装有12根钢索(18)；在本实用新型的两副八字形支架的上端，分别固定两台发电机(12)，由盘轮旋转轴的两端分别传动。

当风向(13)从左侧正面吹向盘轮时，12只扇形舵面全被风力吹到盘轮旋转面的右侧，12只配重(8)均指向左侧的来风方向，12只叶片(11)与风向的夹角为45度，且倾斜方向一致，此时盘轮的工作形式与桨轮相同。

在图3中，舵尾小翼(7)与相应扇形舵面(6)不在一个平面里，它们之间的折线分别与旋臂(4)或(5)的中心线垂直。

在图4中，舵尾小翼(7)的翼面与相应扇形舵面(6)偏差约15度。

在图5中，每个扇形舵面(6)的前缘(19)处固定一只配重(8)。

在图6中，支杆(9)的左端固定在叶片固定环(10)上，在该交界处的叶片固定环上通过轴承安装一只叶片(11)，叶片轴杆(2)的下端固定一只大齿轮(15)；支杆的右端固定在旋臂I(4)的上端，扇形舵面(6)通过套筒转轴安装在旋臂I的上段，扇形舵面的套筒转轴上端固定小齿轮(16)，大齿轮通过链条(17)与小齿轮啮合连接。

如果风向(13)从页面外垂直吹向页面内的盘轮时(参考图2，但此时风向箭头变为

)，扇形舵面将全被风力吹到背风一侧，即全部12个配重(8)都指向或偏向页面外，此时位于盘轮旋转轴(3)水平以上的扇形舵面，通过链齿传动机构使相关的叶片处于纯“立轴轮(即垂直轴轮)”的工作状态，盘轮的旋转方向不变，而位于盘轮旋转轴水平以下的扇形舵面，则通过链齿传动机构使相关的叶片处于与风向平行的状态，以减小空气阻力；同样的理由，不管风向在该风向箭头所在平面的360度范围内怎样变化，只要风向与盘轮的旋转轴垂直，则盘轮就处于纯“立轴轮”的工作状态。

如果风的方向从页面外的垂直方向开始，向四周任何方向偏离45度角吹向盘轮时(参考图2，不包括上述风向与盘轮的旋转轴垂直的情况，)，则扇形舵面带动各自的叶片调整到半桨轮和半立轴轮的工作形式，盘轮的旋转方向不变；如果风从上述45度角继续偏离到90度吹向盘轮时，则扇形舵面带动各自的叶片调整到纯桨轮的工作形式，此时的盘轮工作情况与图1展示的相同，只不过此时风向箭头的方向也应随之改变，而盘轮的旋转方向始终保持不变。

综上所述，如果风从与页面垂直的方向，逐步向四周任何方向偏离至90度吹向页面内的盘轮时(参考图1)，盘轮则经历一个逐步由纯桨轮变为半桨轮和半立轴轮、再变成纯立轴轮工作形式的过程，该过程也可以逆向变化。风从页面内吹向页面外的情况与该过程相同，盘轮的旋转方向也不变，所以，盘轮也属于可以适应3维风向的叶轮装置，无论风从哪个方向吹向盘轮，它都可以连续不断地朝着一个方向旋转，用另一句话说：它的支架是否被固定，并不会影响它的正常旋转，盘轮的旋转轴可以处在任何角度的安装位置上，所以它除了适应在陆地上的各种风向环境里运转外，还特别适合安置在海面的载体上工作。

Claims (3)

1，一种风能叶轮，在一只旋转轴上安装数只叶片，以风力吹动叶片进而推动叶轮旋转，其特征是：叶轮旋转轴(3)的两端通过轴承安装在两副八字形支架(1)的上端，在旋转轴中段的轴杆上沿轴向分别固定两组数量相等的旋臂I(4)和旋臂II(5)，每组的旋臂分别沿叶轮旋转轴径向呈放射状均匀排列，但分别处于两组中任何相邻的两只旋臂，它们在旋转轴的径向上相差半个旋臂间夹角，在每根旋臂的外远端，与一只平行叶轮旋转轴的支杆(9)的一端固定在一起，全部支杆的另一端共同固定一个处于两组旋臂中间位置的叶片固定环(10)，在每一个支杆交界处旁的叶片固定环上，都通过轴承安装一只叶片(11)，每只叶片转轴(2)的中心线均与叶轮的旋转轴中心线垂直，在每根旋臂的外段都分别通过套筒转轴安装一只扇形舵面(6)。

2，根据权利要求1所述的风能叶轮，其特征是：每个扇形舵面(6)的套筒转轴外端，都分别固定一只小齿轮(16)，每只叶片转轴(2)指向叶轮旋转轴(3)的一端，都分别固定一只大齿轮(15)，链条(17)则将大齿轮和小齿轮啮合连接在一起，大齿轮与小齿轮的齿数比为2:1。

3，根据权利要求1所述的风能叶轮，其特征是：在每只扇形舵面(6)靠近叶轮旋转轴(3)的一边，分别安装一只舵尾小翼(7)，该小翼的面积为扇形舵面面积的1/12，小翼平面与相应扇形舵面的平面之间夹角为15度，两平面之间的折线与扇形舵面的套筒转轴中心线垂直，在每个扇形舵面的前缘(19)处固定一只配重(8)。

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