CN210769138U - 一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，包括设于轨道圆盘座上的主轴和主轴承重套，若干叶片通过环形机架设于主轴上，叶片的风叶轴通过叶片偏转机构设于主轴上，叶片偏转机构包括设于主轴上的主轴槽轮，与叶片连接的风叶轴通过方轮设于主轴槽轮中，方轮上设有若干方轮轮齿，方轮沿主轴槽轮旋转，槽轮与方轮轮齿在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转90度，使得风叶机架旋转时风叶轴连同叶片自动偏转传动。本实用新型能够最大限度的利用风能，风压面积大、力臂长、转矩大、转速可控、机械强度好，可以供空气压缩、发电、抽水等作动能。

Description

一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置

技术领域

本实用新型涉及一种风力装置，尤其是一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置。

背景技术

风能开发利用风能，直接关系到气象学、空气动力学、力学、机械设计与制造、机械工程及自动化和材料科学等综合性技术。寻求不同类别的单元结构和风能转换技术系统，还必须掌握与连续变化和极端变化的风力相统筹，这是开发利用风能转化成机械能功率的基本技术。虽然风能转换技术得到了巨大的发展，但风能的利用率均不高不理想。最成功的是抽水和风电，就抽水，量大其利用率低；就风电，选址条件严、造价高、占地多、稳定并网技术难。如何考虑综合技术全面统筹，开发出风能利用率更高，选址条件简单、造价低、占地少，制造安装及维护简易的风能机是目前急需解决的问题。这样的风能机能够作用于抽水蓄能、抽水灌溉；压缩空气蓄能、压缩空气发动机；便于就近就地利用风能，多一种策划，多款式多方法制作风力机是目的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，克服现有风力机三叶片扫掠旋转的单一性，更好地利用风能，提高风能利用率。

理论上计算风能的大小也就是计算气流的动能公式。风能的利用主要是将它的动能转化为其他形式的能，因此计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能，在单位时间内流过垂直于风速截面积S(m²)的风能，即风功率：W＝1/2ρv³S。

式中，W为风能，单位为kg·m²·s^-3，即为W，ρ为空气密度，单位kg/m³； v为风速，单位m/s。

上述公式是常用的风功率公式。而风力工程上，则又习惯称为风能公式。可以看出风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用；如风速大1倍，风能可大8倍。

基于上述原理，我们基于“在单位时间内流过垂直于风速截面积S(m²)的风能”，这一关键点，就是垂直于气流方向的平面所受到的压力，计算气流所具有的动能，在单位时间内流过垂直于风速截面积S(米²)的风能，即叶面垂直受风效果佳。

利用对称风叶叶尖一端迎来风偏转，另一端叶尖随去风偏转；使对称风叶一侧垂直受风受压，另一侧风叶平顺风向返回，两叶片压差最大。即实现叶片在最小风压和最短时间顺风向偏转90度，最终提出一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置。

本实用新型的技术方案具体如下：

一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，包括设于轨道圆盘座上的主轴和主轴承重套，若干叶片通过环形机架设于主轴上，叶片的风叶轴通过叶片偏转机构设于主轴上，叶片偏转机构包括设于主轴上的主轴槽轮，与叶片连接的风叶轴通过方轮设于主轴槽轮中，方轮上设有若干方轮轮齿，方轮沿主轴槽轮旋转，槽轮与方轮轮齿在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转90度，使得风叶机架旋转时风叶轴连同叶片自动偏转传动。

进一步地，方轮旋转面呈弧面，方轮轮齿设于方轮四角顶端，方轮齿轮一端呈斜面，主轴槽轮与方轮形状配合，主轴槽轮前沿设有方轮轮齿限位部，使得方轮偏转一定角度后被限位。

进一步地，传动机构箱沿主轴旋转，风叶轴和叶片偏转机构对称设于箱内。

进一步地，槽轮与方轮是相互配合的双齿和双槽球面型、槽齿球面型、伞型齿轮型或齿槽型机构。

进一步地，风叶机架旋转的同时风叶轴自动偏转，方轮及其轮齿与主轴槽轮的结合面是球面形，球面半径值相互匹配。

进一步地，风叶旋转过程中，各对称风叶轴的叶尖迎来风，另一端叶尖随去风时，旋转机架在旋转弧角30度/360度内，风叶轴偏转90度。

进一步地，主轴作为垂直轴或水平轴安装，垂直轴安装风叶轴为2对轴或3 对；水平轴安装时，风叶轴为4对轴或6对。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供风能转换成机械能输出的风力机。在固定的钢构轨道圆盘座上安装风叶机架旋转盘，钢构轨道和旋转盘轮轱组成风叶机架旋转转盘。钢构轨道圆盘中心安装主轴承重套和主轴；主轴是风力机的中心轴，以稳定轴心及承重。主轴中部外圈是钢构机架安装风叶及轴。内圈是沿主轴旋转的机构箱，箱内装对称风叶轴的方轮及轮齿、主轴槽轮及轮齿。箱连接机架构成风叶旋转与风叶轴偏转传动机构。利用风压在单位时间内流过垂直于风叶叶面积的风能而做功。本实用新型槽轮轮齿与方轮轮齿在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转 90度，最大限度的利用风能，风压面积大、力臂长、转矩大、转速可控、机械强度好，可以供空气压缩、发电、抽水等作动能。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型带风叶轴的叶片的结构示意图；

图4是本实用新型的偏转传动机构的结构示意图；

图5是本实用新型的主轴轮槽的结构示意图；

图6是本实用新型的主轴轮槽的A-A的结构示意图；

图7是本实用新型的主轴轮槽的主视图；

图8是本实用新型的方轮的结构示意图；

图9是本实用新型的方轮的侧视图；

图10是本实用新型的垂直轴安装的具体应用实例；

图11是本实用新型的水平轴安装的具体应用实例；

其中：1-节点轴；2-风叶机架；3-钢构轨道圆盘座；4-偏转传动机构箱；5-环形机架；6-叶片；6.1-风叶轴；7-风向；8-主轴底座套；9-传动机构箱；10-主轴槽轮；11-方轮；12-方轮齿轮；13-风叶轴槽；14-风向标；15-偏转弧角；16-限位轮齿；17-方轮偏转槽；18-塔头风向转盘。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本实用新型一部分实例，而不是全部的实例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，包括设于钢构轨道圆盘座3的主轴和主轴承重套，若干叶片6通过环形机架5设于主轴上，叶片6的风叶轴6.1通过叶片偏转机构设于主轴上，叶片偏转机构包括设于主轴上的主轴槽轮10，与叶片连接的风叶轴6.1通过方轮11设于主轴槽轮10中。方轮11上设有4个方轮轮齿12，方轮沿主轴槽轮10旋转，槽轮10与方轮轮齿 12在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转90度，使得风叶机架旋转时风叶轴连同叶片自动偏转传动。

本实施例的叶片6发生偏转的俯视图如图2所示，叶片的结构如图3所示。

如图5、6、7、8、9所示，方轮11旋转面呈弧面，方轮轮齿12设于方轮 11四角顶端，方轮齿轮12一端呈斜面，主轴槽轮10与方轮11形状配合，主轴槽轮前沿设有与方轮齿轮12和方轮11形状配合的方轮偏转槽，方轮偏转槽前端设有弧形限位齿轮16，使得方轮沿方轮偏转槽17偏转一定角度后被弧形限位齿轮16限位。

如图4所示，主轴依次穿过相互连接的钢构轨道圆盘座3、主轴底座套8、输出齿轮偏转传动机构箱4，输出齿轮偏转传动机构箱4沿主轴旋转，风叶轴6.1 和叶片偏转机构对称设于箱内。主轴槽轮10设有风叶轴槽13。主轴顶部设有风向标14。节点轴1穿过主轴。

本实施例槽轮与方轮是相互配合的双齿和双槽球面型，如图6、8所示，当然还可以是槽齿球面型、伞型齿轮型或齿槽型机构。

如图5所示，风叶机架2旋转的同时风叶轴6.1自动偏转，方轮11及其轮齿12与主轴槽轮10的结合面是球面形，球面半径值相互匹配。

在固定的钢构轨道圆盘座3上安装转盘式风叶机架2，钢构轨道圆盘座3支撑着转盘式风叶机架2的重量和复杂作用力。钢构轨道圆盘3中心安装主轴承重套和主轴，主轴是风叶机架旋转盘的轴心兼风向标轴。风叶偏转机构是风叶轴依风向标定位于主抽，而主轴槽轮与风叶轴方轮沿槽轮旋转，槽轮轮齿与方轮轮齿在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转90度，使得风叶机架旋转时风叶轴连同叶片自动偏转传动。

传动机构箱沿主轴旋转，箱内装有对称风叶轴、方轮及轮齿、主轴、槽轮及轮齿等构成风叶机架旋转与风叶轴偏转传动。

主轴槽轮与风叶轴方轮沿槽轮旋转，槽轮轮齿与方轮及轮齿在旋转中齿合作用使风叶轴间歇性地自动对称偏转90度，即风叶机架旋转的同时风叶轴自动偏转。方轮及轮齿和槽轮及轮齿结合面必须是球面形，球面半径值应互配。

风叶旋转转动中各对称风叶轴的叶尖迎来风，另一端叶尖随去风时旋转机架在旋转弧角30度/360度内偏转90度。主轴可垂直轴和水平轴安装，垂直轴安装风叶轴为2对轴或3对(即4叶片或6叶片)。水平装时，风叶轴为4对轴或6对 (即8叶片或12叶片)。

本实施例首先从基座起，在固定的钢构轨道圆盘座3上安装转盘式风叶机架 2，如图1所示，下盘的轨道和上盘的风叶机架旋转盘联接成风叶机架旋转转盘。

作为其中一个实施方式，风叶机架2的下部是钢构轨道圆盘座与地面铁塔塔顶直接连接，如图10所示，构成塔顶承重架，承重架可做成半球型或圆柱型机舱，密闭机舱用于装设主轴基座及配件；上部是风叶机架旋转转盘，旋转盘安装风叶、风叶轴、主轴及配件、偏转传动机构箱等组成风叶机架旋转盘；整个风叶机架旋转盘的自重及稳定运转，依托定位中心主轴，固定的钢构轨道圆盘座的承重和支撑。

塔头的下部接连塔架，塔架可选用水泥杆、水泥砼柱、管杆、钢管塔、铁塔、地基基础等。

固定的钢构轨道圆盘座中心安装主轴承重套和主轴，主轴承重套可低于轨道水平面以下设置安装，更好地稳定轴心及承重。主轴承重套是稳定主轴及承重主轴重量部件，主轴又是偏转传动机构的轴心，主轴中部安装转动专用槽轮及轮齿、主轴顶部装有风向标、随风向调向转动。

风叶机架旋转传动和风叶轴偏转转动原理是：主轴槽轮与风叶轴方轮沿槽轮旋转，槽轮(主动轮)轮齿与方轮(从动轮)轮齿在旋转传动中齿合作用使风叶轴间歇性地自动对称偏转90度，构成机架旋转时风叶轴自动偏转，如图5所示，即为偏转传动机构箱；最终偏转传动机构箱与风叶机架旋转转盘连接成一个整体，如图1所示。

如图4所示，偏转传动机构箱下部设置风力机输出机械能的是齿轮。在主轴承重套与风叶机架旋转转盘轮轱间，预留机舱用于安装联接风力机输出齿轮的荷载设备，安装防止风叶机架旋转转盘反转的棘轮机构，也可安装其它配套设施。

本实施例的风力机设计转速为17-20转/分钟，该转速适应弱风速易起动，其时间差也适合风叶轴偏转耗时。风叶轴中心线过主轴中心线成对称安装，风叶机架旋转盘在转动过程中，有一对称风叶轴的一端叶尖迎来风、另一端叶尖随去风(风阻最小时)即在旋转转动弧角30度/360度内自动偏转90度。风叶偏转时间需更快或更慢，偏转弧角更小或更大，可以调整方轮和槽轮两轮直经比例值，可调可控。

偏转传动机构箱，箱内腔装润滑油，设置完整的润滑油系统。风叶轴为特厚壁管，管心是各节点轴承座润滑油的油道，所有润滑连接点对外设置油封，确保概无油迹，按现有技术进行即可。

本实施例的转速调控可用现有成熟的调控技术和调速机构，依风力机用途选用。调控采样直接采自风力机机架实际旋转转数，安装在钢构轨道圆盘座与风叶机架旋转转盘轮轱的机舱内。本实施例的机架顶部必须设置避雷针和地下埋设接地线。

本具体实施方式还有许多详细要点。由于机组安装在荒山野岭、大坡高山、海岛山丘等劲风地带，受无规律的气旋和风力影响；杂乱变向变负荷等。自然环境千变万化，受极端风向和风力冲击，加之常年受酷暑严寒和极端温差的影响。风力机安装在野外耐受极端气象与温差一旦故障，维护困难。故对其可靠性、耐用性、耐腐性等要求较高，基于这些因素其技术措施应从严考虑。

安装在铁塔(以铁塔为例，下同)顶部与风力机的钢构轨道圆盘座连接固定。风力机架和铁塔构成总重量，铁塔和基础是设计重点之一，要具备抗极端风力风偏、抗压、抗拉、抗上拨力、抗震动等。

固定的钢构轨道圆盘座、钢构的风叶机架旋转转盘、主轴及偏转传动机构箱、风叶轴这几个主要部件全部采用国标标准精细设计精细加工，构件最好统一为该系列标准件。材质要求强度高硬度好、耐冲击韧性好的。风叶及风叶轴选轻质耐磨韧性好的。

整个风叶机架设计制作时应减少风阻和噪声，采用圆型或椭圆型管材。机架内外圆圈可制作成圆形或六边形旋转，风叶机架旋转转盘的撑杆和拉杆设三角型结构，必要时管材全部采用直管、椭圆形、标准件、三角形构件。材质要求强度高、韧性好、耐腐蚀、耐冲击的轻质管材。

主轴及偏转传动机构箱与风叶机架旋转转盘外圈间预留做机舱，用于安装联接输出齿轮的机构或其它附件，还可装设风叶机架旋转盘防反转的棘轮机构、调速机构、刹车机构等。用于风力发电在铁塔顶与钢构轨道圆盘座之间预留机舱，将发电机及全部配件置于此机舱内。对冬夏温差较大地区，要配置适当的加热或冷却装置。

为了获得最大的风能功率，一对风叶轴的半径最大可做到9米，风叶轴是厚壁管拔稍尖。风叶旋转机架设内外圈，两个支节点承受风叶轴轴向受力和横向受力，支节点设轴承座。材质采用强度高、韧性好、耐磨耐冲击的轻质特厚臂管材。风叶叶片设内外两片，内片约2米长1米宽，外片约3米长1.5米宽(或按0.618 计算)。风叶材质采用塑胶中的PP材质，其特点是质量轻、有较高的弯曲疲劳寿命、冲击不易碎裂、可修复性强、一次性成形、耐酸耐碱、耐磨耐压、有弹性、性价比好。叶片制作时内置弹性细钢絲，双面设S型凸凹小槽，以增加风阻和平面强度。

为了主动调控风力机转速，风叶叶片的厚度在额定转速和额定风压时不得折弯变形。超过额定风速和风压，叶片开始折弯变形，超的越大折弯变形越大，叶片即成C字形以减小垂直受风面，起到主动调速的目的。

主轴及偏转传动机构箱的箱体是间歇性槽轮及轮齿和风叶轴方轮和轮齿构成的传动机构，它承受来自风能的作用力和齿槽偏转传动的作用力，箱体的壁厚和支承结构要求高，钢材质量需足够的刚性和韧性。其加强筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向应力求相向一致，设计时减震，防噪，装配均需考虑。

风叶偏转时偏转转矩不大。因风叶轴和风叶材质轻加之风叶受风面积小，功率损耗也少，偏转的动力也小。偏转传动机构全部另部件均属机械结构件要求精度高，设计应按国家标准及规程规范执行，确保精确加工，便于装配。

本实施例若用小功率风力机应采用垂直轴安装，用常规风向标，优点是能自然地对准风向，不需特殊控制。但是风向标的尾舵面积和尾舵距风向标转动轴的距离应大于相关规定。若用中、大功率风力机，则不适合装设普通型风向标。采用垂直轴或水平轴安装的，建议选用优质的电动机驱动的风向跟踪系统，有关风向跟踪系统或偏航调节系统其技术和产品均较成熟，可依风力机用途选用外援技术与外购器材。

偏转传动机构箱的箱内留有的空间，一是预留方轮及轮齿转动的空间，二是装设润滑油的腔和油道。安装加油和放油阀，在油腔上部装油位观测计，设完整的润滑油系统。高海拔地区冬天应加注低温润滑油；风叶轴为特厚壁管，管心是各节点轴承座润滑的油道，所有润滑连接点对外设置油封，确保概无油迹。

风力机转换成机械能输出后的调控调速，除前述主动调控外均系被动调控。调控采样直接采自风力机机架实际旋转转数，安装在钢构轨道圆盘座与风叶机架旋转转盘轮轱之间机舱内。

垂直轴安装时避雷针直接安装在风向标杆的顶部，具体高度按避雷针针尖保护角计算确定；水平轴安装时避雷针直接装在双旋转支架的中心顶部，如图 11所示，具体高度按针尖保护角计算确定；风力机无论用什么塔型，避雷针及其外壳与机架必须设专用接地线与地上预埋接线联接，预埋接地线的接地电阻值应按当地实测土壤电阻率按国标规定计算确定。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：包括设于轨道圆盘座上的主轴和主轴承重套，若干叶片通过环形机架设于主轴上，叶片的风叶轴通过叶片偏转机构设于主轴上，叶片偏转机构包括设于主轴上的主轴槽轮，与叶片连接的风叶轴通过方轮设于主轴槽轮中，方轮上设有若干方轮轮齿，方轮沿主轴槽轮旋转，槽轮与方轮轮齿在旋转过程中因齿合作用即间歇性地自动对称偏转90度，使得风叶机架旋转时风叶轴连同叶片自动偏转传动。

2.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：方轮旋转面呈弧面，方轮轮齿设于方轮四角顶端，方轮齿轮一端呈斜面，主轴槽轮与方轮形状配合，主轴槽轮前沿设有方轮轮齿限位部，使得方轮偏转一定角度后被限位。

3.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：传动机构箱沿主轴旋转，风叶轴和叶片偏转机构对称设于箱内。

4.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：槽轮与方轮是相互配合的双齿和双槽球面型、槽齿球面型、伞型齿轮型或齿槽型机构。

5.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：风叶机架旋转的同时风叶轴自动偏转，方轮及其轮齿与主轴槽轮的结合面是球面形，球面半径值相互匹配。

6.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：风叶旋转过程中，各对称风叶轴的叶尖迎来风，另一端叶尖随去风时，旋转机架在旋转弧角30度/360度内，风叶轴偏转90度。

7.根据权利要求1所述的风叶偏转叶面垂直受风转速可控风力装置，其特征在于：主轴作为垂直轴或水平轴安装，垂直轴安装风叶轴为2对轴或3对；水平轴安装时，风叶轴为4对轴或6对。

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