CN2591263Y - 立轴升力型直翼活翅风力机 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种改进的新型立轴升力型直翼活翅风力机，可有效地解决充分利用风能并使风力机得以普及应用的问题，其实现的技术方案是，对现有立轴直翼风力机进行结构上的改进，即在主翼叶片上装活翅和在横臂内以水平轴高速叶片设计法为指导，结合试验设出适量级的直翼活翅，又采用双层风轮，又兼用畜力、燃油力及电力配套器具可使其改进后的风力机结构是，立轴上有稳定拉索，横臂装在立轴上，立轴下部有支架及活销离合键，立轴装在变速箱上，立轴上部有横臂端部的长叶片和横臂中间有适量级的直翼活翅构成每层有两对称叶的上下双层风轮，并用新工艺、新结构选UPVC水管材制叶片，叶片表面又经耐磨耐光滑处理，其结构独特新颖，安装维修方便，寿命长，成本低，风能利用率高，易普及应用推广，经济社会效益显著。

Description

立轴升力型直翼活翅风力机

(一)技术领域

本实用新型是涉及一种利用风力的机械装置，特别是一种利用风力的立轴升力型直翼活翅风力机。

(二)背景技术

目前国内外多研制和使用水平轴风力机，却忽视了“立轴升力型直翼风力机”，在克服它传统的技术缺陷后，不但比原机型而且比水平轴风力机有更大的发展优势。如它的叶片直形横断面相同，这比水平轴叶片根大，梢小带扭曲要易制，价低。它的叶片在机臂上有双支点，比水平轴叶片只有一个安装点，要弯矩小，不易变形。它不用对风向机构就能用任意上风向的风力。它比水平轴又易利用紊流风力。它的中转轴能把风能集中传到地面，它的发电机、变速箱等能安装在地面上，比水平轴装在空中要易安装检修，易提高使用的安全可靠性。它比水平轴又易兼用牲畜力、柴油力和大电力，能互补风力和大电力的不足。它的高转速又能增加中心轴的稳定性，这也利于使用的安全可靠性和又利于抗暴风破坏等。这些都是它优于水平轴风力机的优势。但是，原立轴机型的发展使用却远不如水平轴风力机。这是因原立轴机型的传统技术，存在着很难起动，很难利用4级以下低速风力，又很难利用7级以上的高速风力，这使它的风能利用效率比水平轴低，它又不能大幅度廉价。这使它的发展和使用受到了很大的限制。据“新能源刊”有关报导，在全球风电场中，绝大多数是水平轴风力机。而立轴风力机却不到5％，且多集中在加拿大。它的离网小型，在国内外也很少使用。

(三)本实用新型内容

针对以上情况为使风力造福人类，本实用新型为解决难起动效率低的问题，特设制了有活翅的“立轴升力型直翼活翅风力机”。在主叶横臂内，一般设1至2级的直翼活翅，并适当的控制叶片运行攻角，再加上双层风轮，每轮2对称叶片，如图1、图6所示，即能易起动，易控制转速，易得到高效率。此机型可广泛用于风力发电。若用于屋顶为小型和微型它为一层轮，每轮3叶片。它若为并网大型，风轮仍为两层，每层2对称叶片。此两种机架均不考虑兼用畜力、油力。若将此活翅直接设在主叶片的中部，如图7所示，它可易起动，它能够低转速大扭矩，它最适合风力直接提水，它单轮4叶片却优于了水平轮单轮多叶片提水的效率。本创新机型又用外热软化，内模具成型新工艺、新构造和新高科技材料UPVC水管材制叶片，叶表面经耐磨、耐光滑处理，它可开发得到的翼型弦长，风轮直径，风轮面积和额定功率，如附表1所示。加上活销键离合去载新构造抗暴风保护措施，使本实用新型达到了大幅度廉价和耐用的目的。实用的中小机型又通过经济的兼用畜、油、电三力的方案，开发利用牲畜力、油力、弥补风力、电力的不足，又提高了使用性和使用价值。它若用于大农田蓄水灌溉，深浅水源均可用。好水源4力配合，能保蓄水池常年有水，既能搞节水灌溉，又能发展水产业和牲畜业，既利用户致富，又利生态、环保和可持续性发展。本实用技术若用于大型立轴直翼并网发电机型，它比水平轴要易制价低，它能弥补我国目前并网大型风力机，靠国外专利国产化，进程慢，品种少和价高的缺陷。综上所述，改进后的风力机结构有叶片、活翅、立轴、横臂变速箱及辅助件构成，横臂装在中心轴上，横臂端部和中间装有活轴叶片及活翅，立轴装在变速箱上，其活翅采用防锈金属板，由翅身及翅尾和拉链构成，活翅经活轴合页装在叶前部的金属管上，本实用新型其结构新颖独特，易安装维修，成本低，风能利用率高，叶片易起动，可全方位利用风力，抗暴风，坚实、寿命长，市场广阔，具有巨大的经济和社会效益。

(四)附图说明

图1为本实用新型立体结构主视图。

图2为图3中B-B横剖面视图。

图3为主翼叶片纵向结构图(有活翅时用作提水，无活翅时用作发电)。

图4为C-C处叶片活翅闭合时横断面图。

图5为图3中C-C处叶片活翅张开横断面图。

图6为图1中A-A向截面仰视运行状态图。

图7为本实用新型风力机提水立体结构图。

(五)具体实施方式原理和设计方法

以下结合附图对实用新型的具体实施方式作详细说明。

由图1所示，本实用新型是在立轴42上经轴承拉索架36装有稳定拉索37，横臂33装在立轴42上，在横臂33下部立轴上有离合螺栓固定盘24，中心转轴稳定轴承25，是装在下支架32上，在中转轴42的下部有活销离合键26，42立轴下端装在变速箱38上，变速箱38的输出轴上装有离合盘24和发电机39，变速箱38固定在工作台30上面的长方体钢架内。横臂33端部装有长叶片1，横臂33两壁间装有适量级的短叶片35，短叶片35上，经安装孔(3)内的活轴合页17装有与短叶片35相应大的活翅2，构成每轮有两对称叶的上、下双层风轮。所说长叶片1和短叶片35在内结构上基本相同，只是在尺寸大小和合页、拉链的多少与安装点结构、攻角上的不同。其提水风力机长叶片纵向结构由图3所示，图2为叶片横断面图。由图2、图3给出，长叶片1和短叶片35是由优质UPVC水管制成的升力型直翼，在外壳43内装有受力板，受力板由金属管4和金属管5与两管间的泡桐板11经元钉13固定构成，其头部填有轻型粘结材料10，尾部填有轻型散状的填充料14，轻型粘结材料10可用泡桐锯末、白灰及乳胶制成，填充料14可用泡桐锯术，珍珠岩末及白灰等构成；长叶片活翅与短叶片活翅的结构，形式相同，所不同的是尺寸和合页、拉链个数不同。下边结合图3详细说明叶片及活翅的结构安装情况。

由图3给出，长叶片1有纵向活轴节8及叶片自转轴承9，长叶片1经安装孔45与轴承9内的叶联横臂活轴头41与横臂33相连，并由螺栓7固定，横臂33上装有拉伸弹簧23，拉伸弹簧23上装有控叶尾外偏角拉链21，拉链21另端装在叶片上的拉链安装孔22内，活轴头41处有叶尾内偏角止动爪31，叶片端部和在叶外壳43的所有外口处，均有密封防水粘结料12，叶片外有附加片15及拉链存储腔44(如图4所示)，拉伸弹簧23外有护罩34；所说的活翅2是由翅身19、翅尾18与其相连的拉链20构成。活翅2头部牢固(中部胶粘，周边锡焊)装配在金属活轴合页17上，活轴合页17的另半页牢焊在叶片内转轴的金属管4上，通过合页活轴安装联接。拉链20另一端经活翅拉链安装孔6固定在叶片内部的螺栓16上(见图4、图5所示)。防水粘结密封料12是由环氧树脂胶加水泥和玻利钢构成。

为了充分发挥该实用新的效用，在变速箱38上面的立轴42上装有畜力工作杠27，发电机39转轴外端上装有带轮40。上述结构可分别用作畜力和柴油机带动，该机在作风力抽水时，只需将变速箱改为水车28即可，若兼用油、电力来带动水车28的转轴上装有带轮29再加过桥轮即可。如图7所示。

本实用新型的工作情况、原理和设计方法如下：因本实用新型最大创新在于是在升力直翼叶片中和横壁间设有活翅，活翅不但有和直翼叶片相同曲面的翅身，而且还有和翅身相反曲面的翅尾，如图6所示(图中箭头为风向)，当它运行在风向的前半周时，由于风力对翅尾的作用，使活翅逐渐张开，到顺风向的半周切点处A时，张开度达到最高值，它扩大的迎风面积要为直翼身同长断面积的10倍以上，如图5所示。所以它有效的得到了扩大的风阻力的推进。当它运行到风向的后半周时，由于风力对活翅整体的作用面改变，和翅尾反曲面的升力作用，使活翅逐渐合闭，到了逆风向的近切点处C时，活翅完全合闭。因翅尾的反曲面，接近叶片转动圆周的轨迹线，故这时风对它的运行阻力及乎消失。而此时翅身又成了原升力翼型，又产生了向前转动的升力，故它能易起动。由4叶片样机可知，它在2级风力下树叶动它就能起动、转动。而且它的转动径、翅身位置、面积，又可灵活的调整，而得到不同的实用效果，这使阻力形叶片所不能达到的，这正是活翅的绝对优势。

而在主叶片横臂间设适量级的直翼活翅，为什么能获高效率，能赶上水平轴风力发电机的效率呢？都共知水平轴风力发电机，已被大量推广应用，其主要原因是它的风能转换效率高，它效率高的主因是水平轴高速叶片采用升力翼型，叶根部型大、弦长、攻角大，叶梢部逐渐型小、攻角小，叶根对叶梢部都能产生推进转动力，故能使叶片高转速。而风力机的功率又与风轮转速的立方成正比，即风轮的转速决定风轮的效率。而转速的明显标志是高速性系数又叫周速比。而若将主叶与横臂视为叶片整体，在横臂间若以水平轴高速叶片设计方法为指导，结合试制，求出适量级的直翼活翅，就能得到高效率的周速比。如椐有关资料显示：立轴升力翼型的周速比约为5时，它的效率标志—风能利用系数Cp值，可达0.43，而此数值又是水平轴风力机的Cp目前最高值。而高效率水平轴风力机的起动，风速约为3米/秒，停车风速约18-25米/秒。而此机型的主叶横臂间设装适量级的直翼活翅，也能达到这些目的，故它的效率能赶上水平轴风力机。

而又是如何设计出这样的适量级呢？根据高速叶片每点周速比值的计算公式，在主叶横臂上每点周速比值＝(此点横臂半径÷主叶横臂半径)×主叶周速比。椐简测活翅张开时，在任何处它的周速比均为1。而1量级的直翼活翅，若设在主叶臂半径的1/5处，由上式可计主叶的周速比为5。这即主叶的周速比达不到5时，活翅就能张开和合闭产生推进力。而此处直翼活翅翼型的弦长攻角，可用水平轴高速叶片的图解法，结合试制精确求得。而活翅设在主叶臂半径的1/5处，作用臂和起动扭矩是较小的，这只能适合较小的负荷和额定功率，对于大的荷载功率，可设2量级的直翼活翅，若把2量级的直翼活翅设在主叶臂半径的3/5处，如图1、图6所示。此处翅半径扩大了2倍，它就比1级有了较大的起动扭矩。而此处直翼活翅翼型弦长的求法，仍同于前1级，如直径φ75mm的UPVC水管的翼型弦长为0.114m，用此法就能求得1量级的翼型弦长为0.155m，2量级翼型弦长为0.134m，1级的攻角为30度。而2级的攻角求法就不同了。因由上周速比关系式计，此2级处的周速比为3时，主叶的周速比才能为5。而2级的直翼活翅周速比大于1时，活翅就要合闭，而活翅合闭又成为升力型，它的翼型比主叶大，它就能产生比主叶大的升力推进主叶转动，而此处活翅的周速比要达到3，一是靠它本身的升力，二要靠它运行阻力小，而2级的活翅只有在直翼攻角小，偏角为0的情况下，活翅尾才能在运行圆周线上，风阻力才能最小，才能使它快速达到周速比为3，产生推主叶转动力。而以上适量级直翼活翅的求法，也适用于其它弦长的升力同型直翼。而在大风力下超出额定功率时，横臂间的直翼活翅，又能降转速调转速。这是因为在大风力下，活翅能全运程合闭，使转速加快。当风速加大叶片周速比大时，叶片上的离心力又与(风速×周速比)2成正比，即风速与周速比加大，离心力显著增加。而升力型直翼叶片的新构造，却能利用超出额定转速的离心力，减转速调转速。如图3中的4、8、9、41构件，能使叶尾部比叶头部有偏大的转矩，而且叶片能绕转轴4钢管灵活转动，当它运行在风方的前半周如图6的C、D、A点时，叶尾部因风力产生的偏大转矩，使叶尾向风轮中心偏转，它的内偏转角度，受制动爪21控制。当它转到风向的后半周，如图6的A、B、C点时，因风力作用面的改变，叶尾要远离轮心向外偏转。向外的偏角又受拉链21控制，而拉链的内端连接在拉伸弹簧23上。而外偏角值要以叶片产生最佳攻角为准。而当叶转速产生的离心力，超过额定功率时，弹簧23设计它开始伸长，这能使叶片外偏角加大，攻角加大。据有关资料指出：此翼型攻角15度最佳，20度达升力最高值，超出20度就要失去升力，这时的周速比要回降为1。输出功率也明显降小。其中弹簧伸长量产生的外偏角，降小的功率，若与使用要求不吻合时，还可设拉链在叶上相连接处的力臂为调节杆进行调节。这样本机型在9级大风力下调出可用的功率是可行的。如果暴风超出了可用功率，人工可锤击活销键26的弯臂，使键敏捷扳出，这就去掉了工作荷载，这时风轮的高转速又能增加中心转轴的稳定性，这又利于抗暴风破坏保护全机。这是水平轴风力机所不能及的。而高转速和高效率适合于风力发电。基于以上原因，它用风力发电的效率可赶上水平轴风力机。

而活翅直接设在主翼的中部，又为什么能低转速大扭矩用于风力提水呢？而它发电和提水在使用上为什么又能超过水轴风力机呢？它低转速大扭矩的原因是：活翅张开受力属阻力型叶片，这在小风力下周速比值小于1时，能充分发挥作用。而在大风力下，转速升高，周速比＞1时，离心力加大。它同样能用以上构件使周速比＜1。活翅直接装在主叶上，它有了最大的转动臂，故它有了低转速大扭矩，这正符合了提水的使用要求。而水平轴风力提水需设多个低速叶片材行，而本机型只需4叶片就行，这又是优于水平轴风力机之处。而它中、小功率机型，用风力发电提水，均能兼用牲畜力、燃油力以弥补风力和电力的不足，这又是水平轴所不能及的，故它在使用上又超过了水平轴风力机。它叶片制作技术和选材的创新，又使它在制作和廉价上，大大优于了水平轴风力机，故此机型具有了比水平轴风力机的五大发展优势：

(1)它能比水平轴风力机节省材料，且易取材，易大批量生产。

(2)它比水平轴风力机易制作，且设备简单，易搞新型的多、快、好省的社会化大生产，易利用农村廉价劳力，易适合今天的乡镇企业合作发展生产。

(3)它比水平轴风力机发电、易兼用农用柴油机车和牲畜力发电，它弥补了风力机发电无风时无电，在作物生产季节战胜干旱灾害使用受限的大弱点，再加上以上的优势这使此技术产生的此新机型，能突破传统风力机只能在少数风力丰富区使用，又能向我国74％以上的有利用风力资源的田野推进，它有效的扩大了风力机的使用地区。

(4)降低风电成本造价，是目前全球风力机所迫切急需的问题。而此新型立轴风力机，从用材料到制作，从小型到大型均存在有比水平轴风力机能降低风电成本造价的因素。

(5)它比水平轴风力机易制作大型直翼，因水平轴风力机叶片，根部大、稍部小、县有曲率，制作大叶片，设备复杂，成本高。而此技术很容易的用优质UPVC水管制得直翼叶片，而此技术的进一步发展完善对于传统的大直翼叶片的发展生产同能有用。这对发展我国并网型风力发电机组也同能有用。在新能源—1999.21(11)-34-37.3.12中指出我国“并网型风力机发电机组国产化进程太慢投入太少，特别是叶片和控制技术，要加大开发研制力度。”国家若能以此技术为参考，加大投入和开发研制力度，也定能使我国在并网型风能开发利用方面，由已落后于世界发展水平的弱国变为强国。也定能使大规模开发风能资源为人类造福的时代快速到来。这对于落实党的十六大精神，贯彻“三个代表”与时俱进，全面建设小康社会，不断解放和发展农村生产力，提高农业综合生产能力和可持续发展能力，定有重要义意。

开发高科技UPVC水管材制叶片的翼型弦长、风轮直径、高度及风能功率附表(1)

UPVC水管材直径(mm)	翼型(NACA0015)弦线长(mm)	立轴风轮直径(m)	一层风轮高度(m)	第二层轮高度(m)	立轴风轮总高(m)	风轮总有效面积(m2)	额定风速(五级风)		备注
										8米/秒功率(KW)	10米/秒功率(KW)
							φ75	116				4.6	2		2	9.2	0.87	1.7	单轮型有样机
φ75	116	4.6	4		4	18.4			1.73	3.34	单轮型有叶片
							φ75	116				4.6	4	3.5	7.5	34.5	3.24	8.33	双轮型
φ110	170	6.8	4		4	27.2			2.56	5	单轮型制有叶片
							φ110	170				6.8	6	5	11	74.8	7.03	13.74	双轮型
φ110	170	6.8	6		6	40.8			3.84	7.5	单轮型
							φ160	247				9.88	6		6	59.28	5.58	10.89	单轮型
φ160	247	9.88	8		8	79.04			7.43	14.51	单轮型
							φ160	247				9.88	8	8	16	158.04	14.87	29.04	双轮型
φ200	304	12.6	8		8	97.28			9.15	17.87	单轮型
							φ200	304				12.6	10	10	20	243.2	22.87	44.67	双轮型
φ250	386	15.4	12		12	184.8			16.22	31.68	单轮型
							φ250	386				15.4	12	12	24	369.6	34.76	67.90	双轮型

                                  制表日期：2002年11月

Claims (5)

1、一种立轴升力型直翼活翅风力机，是在立轴(42)上经轴承拉索架(36)装有稳定拉索(37)，横臂(33)装在立轴(42)上，在横臂(33)下部立轴上装有螺栓固定盘(24)，由中心转轴稳定轴承(25)装在支架(32)上，立轴(42)下设活销离合键(26)，立轴下端装在变速箱(38)上，变速箱(38)的输出轴上装有离合器(24)和发电机(39)，变速箱(38)固定在工作台(30)上的长方体钢架内，其特征在于横臂(33)端部装有长叶片(1)，横臂(33)两臂间装有横截面比长叶片(1)依位而大的短叶片(35)，短叶片(35)上经安装孔(3)内的活轴合页(17)装有与短叶片(35)相应大的活翅(2)，构成每轮有两对称叶的上下双层风轮。

2、根据权利要求1所述的立轴升力型直翼活翅风力机，其特征在于所说的长叶片(1)和短叶片(35)的外壳，(43)内装有受力板结构，受力板有金属管(4)和金属管(5)与两管间的泡桐板(11)经元钉(13)固定构成，其头部填有轻型粘结硬化材料(10)，尾部填有轻型散状的填充料(14)。

3、根据权利要求1所述的立轴升力型直翼活翅风力机，其特征在于所说的长叶片(1)内有纵向活轴节(8)及叶片自转承(9)，长叶片(1)经轴承(9)内的叶联横臂活轴头(41)与横臂(33)相连接，并由螺栓(7)固定，横臂(33)上装有拉伸弹簧(23)，拉伸弹簧(23)上装有控叶尾外偏角拉链(21)，拉链(21)装在长叶片(1)上的拉链安装孔(22)内，横臂活轴头(41)处有叶尾内偏角止动爪(31)，叶片端部和在叶外壳(43)的外口处均设有密封防水粘结料(12)，叶片外有附加片(15)及拉链存储腔(44)。

4、根据权利要求1所述的立轴升力型直翼活翅风力机，其特征在于所说的活翅(2)是由翅身(19)、翅尾(18)与其相连的拉链(20)构成，活翅(2)头部周牢装在金属活轴合页(17)上，活轴合页(17)的另半页牢焊在叶片内转轴的金属管(4)上，通过活轴安装、联接，拉链(20)另一端经活翅拉链安装孔(6)固定在叶片(1)内的翅拉链连结螺栓(16)上。

5、根据权利要求1所述的立轴升力型直翼活翅风力机，其特征在于所说的变速箱(38)上面的立轴(42)上装有畜力工作杠(27)，发电机(39)转轴外端上装有带轮(40)。

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