CN201215065Y - 基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，由垂直轴、叶片架、摆锤机构、叶片、双层凸轮、齿轮齿条机构等组成。叶片在凸轮圆周上均匀分布3对(或4对)，采用双层凸轮的上、下两个不同导轨，在不同风速时分别控制其承受风力的面积。在正常工作风速时，叶片由下导轨控制其朝向，使其在一个半圆内始终以宽大的面积承受风的推力，而在另一个半圆内以窄小的流线体减小风的推力，推动垂直轴输出转矩。当风速超过正常风速时，由于摆锤机构作用，叶片架上升，叶片由上导轨控制其朝向，使其在两半圆上均以窄小的流线体面积迎风，减小了大风的影响，保护设备安全。本机不需专用的立柱，就可直接驱动在地面的工作机器。

Description

基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机

技术领域

本专利技术属于机电一体化领域，涉及风力利用的新能源技术，其产品能广泛应用自然界可再生能源——风力驱动各类机器进行发电、提水灌溉等。

背景技术

社会经济的发展对能源需求越来越大，矿物能源日益紧张，风力作为一种不污染环境的可再生能源，在发电、提水灌溉等领域的利用日益受到重视，获得广泛应用。目前应用比较成熟的风力机大部分均为水平轴，通常需要高大的立柱支撑风叶，使其体积庞大，安装空间受环境的影响，而且其动力常常要通过机构转换成垂直轴的才能用于驱动工作机。在风力超过正常风速如暴风等特别大的风时，往往会产生危险。为解决这些问题就使水平轴的风力机机构复杂、能量虚耗、造价提高、安装困难，降低了风能的利用率，不利于安全生产，限制了其应用范围。为了克服水平轴风力机的不足，本专利设计人在“一种新型垂直轴风力机装置”的专利申请(申请号为200810070949.3)中提出采用导轨控制叶片转角的垂直轴风力机，可以克服上述动力要转换成垂直轴及需要高大立柱的问题，并使安装方便，但不能防大风危害。本专利在200810070949.3专利申请的基础上，采用双层凸轮和摆锤机构的垂直轴风力机可以解决上述问题。

发明内容

本专利所述的风力机由垂直轴(5)、与垂直轴滑键联结的叶片架(8)、与垂直轴和叶片架固定联结的摆锤机构(1)、可随风向摆动的双层凸轮(6)、自身可受控转动的叶片(2)、齿轮齿条座(3)、齿条(4)，弹簧(7)、风向标(9)组成。通过双层凸轮的上、下两个不同导轨对可绕自身轴线转动的叶片方向的控制，保证在正常风速时，叶片推动垂直轴转动做功，在风速大于正常风速时，叶片受力较小使垂直轴不至于高速旋转，能保护相关设备的安全。

本专利技术主要通过采用双层凸轮的上、下两个不同导轨在不同风速时，分别控制承受风力的叶片朝向，使在正常风速下风力机能通过垂直轴输出转矩，而在风力超速时又能避免风力机超速远转。当风速在风力机允许的工作范围内时，在双层凸轮的下凸轮控制下，如图2所示，在同向风力作用下，分别分布在两半圆的叶片具有最大差异的不同受力面积，右半圆的约一半叶片呈径向分布，以尽可能宽大的面积对着风吹来的方向，以产生最大的切向推动力，而径向力基本相互抵消。左半圆的一半叶片以窄小的流线形面积对着风吹来的方向，产生尽可能小的切向推动力，径向力很小并基本相互抵消。由于正反方向的切向推动力差异很大，其切向的推动力可以产生转矩以直接推动垂直轴旋转，进而带动工作机(如发电机)做功。在右半圆最后30度叶片要做180度附加转动，因为此处位于风力产生转矩的死点附近，对风力产生的转矩影响不大。

当风力很大，超出风力机工作允许的风速范围时，风力机转速很高，带动摆锤机构高速旋转，使重锤由于离心力向外摆动，进而带动叶片架向上升起。如图3所示，此时，在双层凸轮上凸轮导轨的控制下，两半圆的叶片均以窄小的流线形面积对着风吹来的方向，只不过右半圆以尖头朝前，左半圆以圆头朝前，产生的切向推动力均不大。而在右半圆的开始的30度和最后的30度时，叶片要做180度的附加转动，此时会产生一定的切向推动力，推动叶片架和垂直轴继续旋转，但转速已大大减小，不至于危及相关设备的安全。

为了控制叶片的转角，凸轮导轨的设计至关重要。为了在不同的风速时分别对叶片进行控制，本专利采用了上、下两层结构的双层凸轮，凸轮的导轨为与垂直轴平行的柱面，如图4所示。在凸轮导轨的设计中，首先必需保证导轨有一个固定的轴线与风向平行，本专利通过在凸轮上加装风向标，使导轨横截面的一个轴线随风向而摆动，保持与风向基本平行。

如图6所示，在下导轨，设竖轴为与风向平行的方向，其与导轨横截面有一交点B，从该点开始绕逆时针方向转360度，将下导轨曲线分成三段，其中一段为圆弧，二段为阿基米德螺线，各段导轨曲线间用平滑曲线连接。设B点与凸轮旋转中心的距离为R，按逆时针方向转过150度，其距离仍然为R，这一段导轨曲线为圆弧。再按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd；继续按逆时针方向转过180度，其距离又变为R；这二段导轨曲线均为阿基米德螺线。其中R为导轨面到凸轮旋转中心(与垂直轴同轴)的基本中心距，d为与叶片下部固定连接的齿轮分度圆直径。第一段导轨可使叶片绕垂直轴转动时其对称面(即叶片横截面的长轴)沿导轨径向分布，以尽可能宽大的侧面承受风力，并有利于产生切向力，而径向力可基本抵消，切向力则产生推动垂直轴转动的有效转矩；第二段导轨可使叶片在绕垂直轴逆时针转动30度的同时，其本身有一个另外的附加逆时针转动180度，使叶片最后以扁长流线形对称面与风向平行，这一段叶片基本上位于风力产生转矩的死点附近，对于风力产生的转矩影响不大。；第三段导轨可使叶片在绕垂直轴逆时针转动180度的同时，其本身有一个另外的附加同步顺时针180度转动，使其对称面始终保持与风向平行，这时风力产生的阻力矩最小。由于叶片在第一段时产生的有效转矩大大地大于其在第三段时产生的阻力矩，推动垂直轴作逆时针的持续转动，使本风力机能够产生有效的转矩，不需要通过机构变换转轴的方向，就可以直接推动载荷(工作机)做功。上述导轨曲线产生逆时针方向的转矩，如果需要产生顺时针方向的转矩，可以按照前述原理，将导轨曲线反方向布置即可。

如图5所示，在上导轨，设竖轴(与下导轨竖轴在同一纵剖面)与导轨横截面交点为B’，从该点开始绕逆时针方向转360度，将上导轨曲线在圆周上分成四段阿基米德螺线，各段曲线间用平滑曲线连接。B’点与凸轮旋转中心的距离与下导轨的一样为R，按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd(1-1/6)；再按逆时针方向转过120度，其距离变为R+πd(1-5/6)；继续按逆时针方向转过30度，其距离又变为R+πd；再接着按逆时针方向转过180度，其距离又变为了R(即回到了B’点)。这四段导轨曲线均为阿基米德螺线，其中R、d与下导轨的一样。第一段导轨使叶片在绕垂直轴逆时针转动的同时，其本身有一个另外的附加逆时针转动150度，，使其对称面(即叶片横截面的长轴)与风向平行，尖头朝前。因此处位于风力产生转矩的死点附近，风力产生的转矩不大。第二段导轨使叶片在绕垂直轴逆时针转动120度的同时，其本身有一个另外的附加同步顺时针120度转动，使叶片保持以尖头朝前的扁长流线形对称面与风向平行，这时叶片受力很小，产生的转矩也不大。；第三段导轨使叶片在绕垂直轴逆时针转动30度的同时，其本身有一个另外的附加逆时针转动180度，使其对称面转到与风向平行，但圆头朝前，此处也位于风力产生转矩的死点附近，风力产生的转矩也不大。第四段导轨使叶片在绕垂直轴逆时针转动180度的同时，其本身有一个另外的附加同步顺时针180度转动，使其对称面始终保持与风向平行，圆头朝前，这时风力产生的阻力矩最小。叶片整个圆周上产生的综合推力矩继续推动垂直轴旋转，但推力矩已减少很多，垂直轴的转速已大大减小，仍然可以带动设备工作，不会危及设备安全。

附图说明

图1为本风力机主视图，表示风力机正常安装时的结构示意。

图2为正常工作状态下叶片在圆周上分布示意图，表示在正常工作风速，叶片绕垂直轴转动时，在下导轨和齿轮齿条机构共同作用下，在不同位置的叶片朝向。

图3为暴风状态下叶片在圆周上分布示意图，表示当风速大于风力机允许的工作范围，叶片绕垂直轴转动时，在上导轨和齿轮齿条机构共同作用下，在不同位置的叶片朝向。

图4为双层凸轮的正面示意图，表示双层凸轮的导轨及风向标的结构示意。

图5为双层凸轮的俯视图，表示上导轨及风向标的结构示意。

图6为双层凸轮下导轨的局部剖视图。

图7为叶片组件图，表示叶片及其轴上齿轮的结构示意。

图8为叶片的横截面示意图。

图9为叶片组件下部齿轮示意图。

图10为齿条组件图，表示齿条和其顶端连接的单列向心球轴承的结构示意。

具体实施方式

本专利设计的风力机叶片要满足既能够推动垂直轴转动(从远动学讲即公转)，其本身又能够在导轨和齿轮齿条机构的作用下绕自身轴线作必要的转动(即自转)，还要有利于产生尽可能大的转矩，因此将叶片的横截面形状设计成为扁长的流线形，其下部固定着同轴齿轮。齿条和齿轮在齿条齿轮座内啮合，在凸轮导轨曲线的控制下，齿条受凸轮导轨和弹簧的共同作用沿凸轮径向做往复远动，驱动叶片按风力机工作要求自转，使其在宽面迎风时产生尽可能大的推力，叶片转到其对称面与风向平行时以窄小的流线形迎风产生尽可能小的推力。叶片可采用玻璃钢材料制成，表面磨光以减小阻力。

齿条的顶端装有单列向心球轴承，以滚代滑减小摩擦。齿轮、齿条可采用金属直接压铸成型(或工程塑料注塑成型)，以减少机械加工量。它们安装在齿轮齿条座中，齿轮齿条座固定在叶片架上，叶片架通过滑键与垂直轴连接，叶片的推力通过叶片架推动垂直轴旋转。

叶片可在圆周方向上均匀地分布3对(根据需要也可以均布4对)。为了使叶片宽面从垂直于风向的方向往平行于风向的方向转动，或从平行于风向的方向往垂直于风向的方向转动时，尽可能减小对有效转矩产生的不利影响，凸轮导轨曲线的上升部分均安排在凸轮导轨曲线竖轴附近的30度范围内，即风力产生转矩的死点附近。为了在不同风速时控制叶片的角度，凸轮设计成两层不同导轨曲面，两层之间用平滑曲面连接。两层凸轮曲面之间的最大中心距相差为5πd/6，与凸轮导轨的基本中心矩相比很小，加之齿条顶端轴承的远动轨迹为升角很小的螺旋线，不会影响齿条顶端轴承在导轨上的远动。为了使凸轮导轨的竖轴跟随风的方向，在凸轮上固定连接一个风向标，保持导轨的竖轴基本跟随风向摆动，使两半圆分布的叶片保持不同的分工，这样可直接产生最大限度的垂直轴转动扭矩，不必通过相关机构改变扭矩的方向即可驱动相关设备工作。

如图1所示的机构为本专利设计的风力机示意图。图中(2)为叶片，它是直接承受风力的零件。(6)是双层凸轮，其下导轨是正常工作状态下控制叶片朝向(此时叶片朝向如图2所示)，以产生尽可能大的切向推力矩，带动叶片架和垂直轴转动，输出转矩；上导轨是风速过大时控制叶片朝向(此时叶片朝向如图3所示)，以防止叶片带动垂直轴超速转动；其下部还固定风向标(9)，双层凸轮活套在垂直轴上，可绕着垂直轴摆动，使导轨横截面竖轴与风向保持平行。(1)是摆锤机构，它的下端与叶片架固定连接，它的作用是当风速过大时，摆锤快速转动靠离心力带动叶片架上浮，使齿条顶部与上导轨接触，由上导轨控制叶片朝向，减小风力产生的转矩，保护相关设备的安全。(8)是叶片架，叶片组件、齿轮齿条座均安装在它上面，它与垂直轴通过滑键传递动力，上端又与摆锤机构的上端固定连接。(5)是垂直轴，它既是动力向下传递的零件，又是整个风力机安装在基础上的支撑件，其上端还装着摆锤机构。

Claims (6)

1、基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于该机由垂直轴(5)、与垂直轴滑键联结的叶片架(8)、与垂直轴和叶片架分别固定联结的摆锤机构(1)、可随风向摆动的双层凸轮(6)、自身可受控转动的叶片(2)、齿轮齿条座(3)、齿条(4)，弹簧(7)、风向标(9)组成，叶片由双层凸轮的上、下导轨分别控制其本身的朝向以适用不同的风速，由下导轨控制时，叶片在一个半圆位置上以大面积承受风力，在另一个半圆位置上以小面积承受风力；由下导轨控制时，叶片在两半圆均以小面积承受风力。

2、如权利要求1所述的基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于双层凸轮由上、下两个导轨曲面组合而成，导轨曲面为与垂直轴平行的柱面；下导轨横截面由一段圆弧和二段阿基米德螺线组成，以风向作为导轨横截面的竖轴，其与导轨前交点到凸轮旋转中心的距离为R，导轨曲线按逆时针方向转过150度，其距离仍然为R，这一段导轨曲线为圆弧，再按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd，继续按逆时针方向转过180度，其距离又变为R，这二段导轨曲线均为阿基米德螺线，其中d为与叶片下部固定连接的齿轮分度圆直径，各段导轨曲线间用平滑曲线连接；上导轨横截面由四段阿基米德螺线组成，其竖轴(与下导轨竖轴在同一纵剖面)与导轨前交点到凸轮旋转中心的距离也为R，导轨曲线按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd(1-1/6)，再按逆时针方向转过120度，其距离变为R+πd(1-5/6)，继续按逆时针方向转过30度，其距离变为R+πd，再接着按逆时针方向转过180度，其距离又变为R，各段导轨曲线间用平滑曲线连接，其中R、d为与下导轨的相同；导轨曲线也可以按顺时针方向旋转产生，上、下导轨之间以平滑的曲面连接。

3、如权利要求1所述的基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于垂直轴的上端固定一套摆锤机构，摆锤机构的下端与叶片架固定连接，叶片架通过滑键与垂直轴连接，叶片架既能带动垂直轴转动，又能沿着轴上、下滑动。

4、如权利要求1所述的基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于叶片横截面为对称的扁长流线形，转轴下部固定着一个齿轮，叶片在垂直轴的圆周上可均匀分布3对或4对。

5、如权利要求1所述的基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于双层凸轮上固定着风向标，可绕着垂直轴摆动。

6、如权利要求1所述的基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机，其特征在于齿条顶端固定着单列向心球轴承，弹簧推动齿条使其顶端始终保持与导轨面接触。

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