CN214035940U - 一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统，水平轴旋转体包括旋转单元；旋转单元包括筒体(4)、转轴(1)和设置在筒体内壁外壁的多片叶片(3)；转轴位于筒体的轴心处，筒体的外形为圆台形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。该聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统，采用三维结构的水平轴旋转体，使水平轴始终平行于流体(风能水能)传递方向，筒体内外壁上的多叶片以三维纵深的结构最大化地聚集流体能量。本实用新型能高效聚集风能或水能，且结构简单，易于实施。

Description

一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统

技术领域

本实用新型涉及一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统。

背景技术

风力发电设备是将风能转换为机械能、机械能再带动发电机转子旋转最终输出交流电或直流电的电力设备；风力发电机一般包括风轮(叶轮)、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等构件。

目前，风能(水能)发电装置，其原理都是将作直线运动的风能(水能)转变为转轴上叶片作圆周运动带动中心轴旋转而发电，

现有风电场中的三浆叶式风机，三片浆叶几乎处在同一空间平面上(也可称为X.Y轴结构)，这种二维结构的浅纵深形式的风力发电装置，存在着风能(水能)利用率极低，以及制造与维护成本高等诸多问题。

风能计算公式：

E＝(P.t.S.V³)/2；

P为空气密度，单位为千克/立方米；

t为时间，单位为秒；

S为截面面积，单位为平方米；

V为风速，单位为m/s；

上式中，在P,t,V为一定范围的小波动值时，为聚集更多流体能量，当面积 S增大时，风机旋转叶片受到的流体正压力增大。因此，大型风电场中的风机至多只能有三片桨叶

故此，本实用新型提供一种三维结构(也可称为X.Y.Z轴结构)的大纵深结构聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统。

实用新型内容：

根据能量公式：E＝mv²/2

当流体流速v为定值时，随着m值的增大，E值成正比而增大。而m值与流体的比重和体积正相关。

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统，该聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统采用独特的三维聚集结构，这种三维结构的能源{风能水能}聚集装置在单位时间内可以最大化地聚集到流体的动能(与mv²对应),能显著提高流体能源{风能水能}的聚集效率。

实用新型的技术解决方案如下：

一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；

旋转单元包括筒体、转轴(1)和设置在筒体内壁、外壁上的多片叶片(3)；转轴位于旋转筒体的轴心处；

筒体为前端尺寸大于后端尺寸的筒体(4)，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径；筒体的前端与后端内部相连通；转轴通过多个连接件(2)与筒体的内壁连接。

外叶片是斜平板或曲面形外叶片，参见图1-4，以及图11；

连接件为内叶片，内叶片为直板、斜板或曲面内叶片。具体的，内叶片的一端固接于转轴，另一端与筒体内壁固接。

筒体前端的外直径与筒体后端的外直径的比例范围为1.3～2∶1。比例也可以更大，如2～10：1。

外叶片是斜平板或曲面形外叶片。参见图1-4，以及图11。

外叶片轴向后段的径向平均高度大于叶片前段的平均高度，外叶片为弧形叶片。

外叶片为帆面；所述帆面的弦线与筒体轴线的夹角范围为5度～30度。

优选的外叶片的几何形状为近似帆面弧形，帆面弧形的弦线与旋转筒体轴线相交夹角取值5度～30度，外叶片形状为帆面弧形，可以使流体沿轴向对叶片的压力分解为沿筒体旋转方向的分力，如图10，外叶片与筒体的交接线的前后两个端点为M和N，MN的连接线为直线，即弦线，a为弦线与轴线的夹角。

外叶片的轴向长度大于筒体的长度。最大化地聚集利用风能或水能。

旋转单元为单个或多个，旋转单元为多个时，多个旋转单元通过转轴直接对接或联轴器串联。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，其特征在于，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

旋转体由轴承座及轴承支撑。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转系统，包括聚集装置，聚集装置与能量存储或转换装置相连；能量存储或转换装置可以是发电机，水泵，电池等；

聚集装置为前述的用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置。

有益效果：

本实用新型的聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置和系统，其核心在于沿旋转筒体轴向上纵深布置聚集风能或水能的叶片，具有以下特点：

(1)旋转体具有前大后小的独特结构

利用伯努利原理，由于旋转筒体(内部轴向空心)的前端口截面积大于后端口的截面积，流体通过旋转体的压力产生变化，在内叶片受力作用下，从而能提高旋转体的转速，增加能量转换效率。

将原有在流体能量场中的一个截面利用流体能量(原有的桨叶风机只是通过3个叶片获取能量场中的一个截面的能量)转换成纵向一个区域(依托旋转体的纵向结构，整个纵向区域接收流体能量，且叶片个数可以设置为大于3个)均聚集利用能量。

(2)内外双层叶片结构

采用旋转筒体内外双层叶片结构，流体同时从旋转体外部叶片和内部叶片流过。

(3)叶片沿旋转筒体轴线后端面积更大，可以最大化地聚集到流体能量场中的能量。

采用这种结构，能最大可能地增大叶片与流体的接触面积，根据风能计算公式可知，可以提高能量的转换和利用效率。

(4)分段累积，串联输出

采用多个旋转体串联成为一个聚集风能的风能收集组，相比单个旋转体能进一步利用风能。

(5)外叶片和连接件优先采用曲面(优选帆面)

使得整个旋转体的所受到的流体正压力最小化，能保障风机的安全性的同时，能增加风机的发电效率。

总之，这种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统易于实施，能显著的提高风能或水能的聚集效率。

附图说明

图1为连接件为直板的旋转体侧视图；

图2为连接件为斜板的旋转体侧视图；

图3为连接件筒体和外叶片的主视图；

图4为聚集水能、风能的装置的结构示意图(外叶片为曲面)；

图5为聚集水能、风能的装置的结构示意图(外叶片为直板)；

图6为多个旋转体串联的结构示意图；

图7为旋转体侧视图(外叶片后段高度大于前段高度)；

图8为旋转体主视图(外叶片后段高度大于前段高度，未示出转轴)；

图9为旋转体主视图(外叶片后段高度大于前段高度，未示出转轴，外叶片为板状)

图10为弦线与轴线位置关系示意图；

图11为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10 片)；

图12为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10 片)；

图13为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10 片)；

图14为旋转体的前端结构示意图(外叶片10片，连接件即内叶片10片)；

图15为旋转体的侧视图(外叶片10片，连接件即内叶片10片)。

标号说明：1-转轴，2-连接件，3-外叶片，4-筒体，5-后端口，6-轴承座，7- 外叶片与筒体交接线，8-轴线，9-弦线，图中箭头方向为风场方向，即风向。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：

旋转体以及风能水能收集装置(内外叶片均为帆面)

本实施为优选实施例；

旋转体以及风能水能收集装置(外叶片为弧形叶片，具体为帆面，旋转体内部的连接件为弧形叶片的情况，连接件的弧形叶片也为帆面)

如图11-15，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；

旋转单元包括筒体、转轴和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；

筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。

外叶片弧面，具体为帆面；连接件为弧形内叶片；外叶片和内叶片均为 10片。

筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2(具体为弧形内叶片，又称为帆面内叶片)与筒体的内壁连接。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

旋转体由轴承座及轴承支撑。

实施例2：

旋转体以及收集装置(旋转体内部的连接件为直板的情况)

如图1,图3-5，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；

旋转单元包括筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；

筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。

外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图1，3,4；

筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2与筒体的内壁连接。

连接件为直板，直板是指连接平板与轴线平行，参见图1。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

旋转体由轴承座及轴承支撑。

实施例3：

旋转体以及收集装置(旋转体内部的连接件为斜板的情况)

如图2-5，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；

旋转单元包括旋转筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；

筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。

外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图1，3,4；

筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2与筒体的内壁连接。

连接件为斜直板，斜板是指连接平板与轴线具有一个非零的夹角；参见图 2；作用就是流体穿过筒体内部时，也能在内叶片上产生转矩；

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

旋转体由轴承座及轴承支撑。

实施例4：

旋转体以及聚集装置(外叶片为长叶片)

如图7-11，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；

旋转单元包括筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；

筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。

外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图7或8；

筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2(即内叶片，斜板，或弧形内叶片)与筒体的内壁连接。

连接件可以是直板，直板是指连接平板与轴线平行；也可以是斜板，斜板是指连接平板与轴线具有一个非零的夹角；作用就是流体穿过筒体内部时，也能在内叶片上产生转矩；因此，连接平板优选斜板，或者弧形内叶片。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

旋转体由轴承座及轴承支撑。

特点在于：外叶片后段的平均高度大于叶片前段的平均高度，即外叶片为宽叶片。这样，虽然筒体后端小，但是叶片后端更高，这样，外叶片的受风面积显著增大，可以有效增加风能的聚集效率。

具体的，相对于实施例3，本实施例中，外叶片的轴向长度大于外筒体轴向的长度。这样可以进一步增加外叶片的受风面积，从而保障尽可能高的风能或水能的利用率；参见图9。

实施例5：

多个旋转单元串联(级联)；

聚集水能、风能的水平轴旋转体，旋转单元为多个，由多个旋转单元通过转轴直接对接或联轴器串联而成。

一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；

参见图6，旋转体由2个或多个轴承座及轴承支撑。单个的旋转体参见实施例1-4。

实施例6：

一种用于集聚水能、风能的水平轴旋转系统，包括聚集装置，聚集装置与能量存储或转换装置相连；能量存储或转换装置可以是发电机，水泵，电池等；

聚集装置为前述的实施例1-5的用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置。

Claims (9)

1.一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

包括旋转单元；旋转单元包括筒体、转轴(1)和设置在筒体外壁的多片外叶片(3)；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；

筒体为前端尺寸大于后端尺寸的筒体(4)，筒体的前端与后端内部相连通；转轴通过多个连接件(2)与筒体的内壁连接。

2.根据权利要求1所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

连接件为内叶片，内叶片为直板、斜板或曲面内叶片。

3.根据权利要求1所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

筒体前端的外直径与筒体后端的外直径的比例范围为1.3～2:1。

4.根据权利要求1所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

外叶片是斜平板或曲面形外叶片。

5.根据权利要求4所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

外叶片轴向后段的平均径向高度大于叶片前段的平均高度，外叶片为弧形叶片。

6.根据权利要求4所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

外叶片为帆面；所述帆面的弦线与筒体轴线的夹角范围为5度～30度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的聚集水能、风能的水平轴旋转体，其特征在于:

旋转单元为单个或多个，旋转单元为多个时，多个旋转单元通过转轴直接对接或联轴器串联。

8.一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，其特征在于:

包括轴承座、轴承与权利要求1-7任一项所述的旋转体；旋转体由轴承座及轴承支撑。

9.一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转系统，其特征在于，包括聚集装置，聚集装置与能量存储或转换装置相连；

聚集装置为权利要求8所述的用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置。

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