CN2921351Y - 双转臂式风能叶轮 - Google Patents

Abstract

双转臂式风能叶轮，是可再生能源利用范畴的风能采集装置，用于风力发电以及提供机械动力，为了降低叶轮的安装高度，以及自动适应在不同风向和风速的环境中工作，该叶轮的旋转轴与地面垂直并分为上下两段，下段通过两只轴承安装在底座中。在上段通过两组轴承安装两根处于水平状态、互相垂直但不相交的上、下转臂，每根转臂两侧的外段都固定一只叶片，每只叶片都被相关转臂的中心线分为面积大小不等的两部分，同转臂上的两只叶片的叶面互相垂直，且被相应的限动臂限制翻动角度为90度。工作时，全部4只叶片一起围绕旋转轴旋转，而两只同转臂上的叶片则在风力的作用下，交替操纵对方使其对向来风，以产生旋转力矩。

Description

双转臂式风能叶轮

所属技术领域

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(为便于区别，简称桨轮，以下同)，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。由于桨轮的旋转面必须正对风向才能获得较多的风能，所以需要把桨轮安装在一个大于桨轮半径的支架上，才能正常旋转，但是这必然给直接传输动能(不通过电能转化过程)、以及日常的维护和修理带来了诸多的不便。另外，桨轮叶片需运用调整“桨距”的方法，达到在不同风速的情况下都能高效率运转的目的；桨轮还需要再增加一套风向感应和伺服系统，以便根据风向的变化，让桨轮的旋转面始终对正风向，否则，在风向发生较大的变化时，即导致桨轮的效率大幅度下降以至于停止转动；桨轮不仅需要增加上述两套调整装置，而且还要为这两套调整装置提供一定的能源，使它的建造和维持费用高昂。

发明内容

为了克服桨轮需要安置在较高的支架上，以及需要为适应风向和风速的变化而设置两套调整装置的不足，本实用新型的目的是提供一种风能叶轮，它不仅可以安装在距地面不到1米的高度上，而且也不需要设置上述的两套调整装置。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是：

叶轮的旋转轴与地面垂直，并分为上下两段，下段通过2个轴承固定在底座中，旋转轴的上段为筒状，用来安装上、下两根转臂，每根转臂分别通过两个轴承安装在旋转轴的上段，它们的中心线互相垂直，且都与旋转轴的中心线垂直并相交。每根转臂被旋转轴分为长度相等的两侧外段，每侧的外段上固定一只叶片，每只叶片被旋臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，且同一根转臂上的两只叶片的叶面互相垂直；4只叶片的面积和形状相同，在安装4只叶片时必需保证：上转臂的两只叶片面积较大的部分只能向下转动，而下转臂的两只叶片面积较大的部分只能向上转动。在旋转轴的上段还固定4根限动臂，分别限制两只同轴叶片围绕转臂的最大转动角度为90度，每根限动臂的顶端都安装一只空气式缓冲器，以减缓叶片与限动臂之间的碰撞强度，此外，限动臂还用于传送叶片产生的近一半的旋转力矩。综上所述，同一根转臂上的两只叶片可以通过该转臂同步转动90度，全部4只叶片也可以同时围绕叶轮的旋转轴一起旋转。

无论多大直径的转臂式风能叶轮，都可以安置在离地面不到1米的高度上正常运转，它对不同的风速和风向有自动的适应能力，不存在调整“桨距”或对正风向的问题，只要是在通常的风速范围内，无论是来自那个方向的风，都可以推动该叶轮自动进入正常的旋转状态。

本实用新型的有益效果是其支架高度可以建的很低，不仅缩短了动能输出的传送距离，以及方便日常的维护和修理，还完全省去了为适应风向和风速的变化而设置的两套调整装置，减少了建造和维持运转的费用。

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是双转臂式风能叶轮侧视图。

图2是旋转轴上段拆除顶盖后的俯视图。

图3是双转臂式风能叶轮俯视图。

图中1.叶片a，2.叶片b，3.叶片c，4.叶片d，5.底座，6.旋转轴上段，7.旋转轴顶盖，8.旋转轴下段，9.旋转轴轴承，10.转臂轴承，11.限动臂a，12.限动臂b，13.限动臂c，14.限动臂d，15.空气缓冲器，16.风向箭头，17.上转臂，18.下转臂，19.旋转方向箭头。

具体实施方法

在图1中，双转臂式风能叶轮的旋转轴分为旋转轴上段(6)和下段(8)，上段的顶端安装有顶盖(7)，可以拆卸，下段通过两只轴承(9)安装在底座(5)之中。上、下两根转臂(图中被遮挡)的中段分别通过各自的两只轴承(10)安装在旋转轴上段，它们的中心线互相垂直，且与旋转轴的中心线垂直并相交。叶片a(1)和c(3)固定在上转臂(17)的两侧外段，它们的叶面互相垂直，叶片a和c被上转臂中心线分为面积不等的两部分，其面积大的部分只能在上转臂以下的空间内转动。叶片b(2)和d(4)固定在下转臂(18)两侧外段，它们的叶面互相垂直，叶片b和d被下转臂中心线分为面积不等的两部分，其面积大的部分只能在下转臂以上的空间内转动。空气缓冲器(15)固定在限动臂d(图中被遮挡)的外端，当叶片d(4)从图中的位置顺时针转动90度时，其面积大的部分即被固定着空气缓冲器(15)的限动臂d限动。4只叶片不仅可以分别通过相应的转臂转动90度，同时也可以一起围绕叶轮的旋转轴旋转，如果该叶轮用于发电，则发电机可以安置在底座内。

在图2中，上转臂(17)通过两只轴承(10)安装在旋转轴上段(6)的上部，下转臂(18)通过两只轴承(10)安装在旋转轴上段的下部，它们的中心线互相垂直但不相交，但都与旋转轴的中心线垂直并相交。，

在图3中，限动臂a(11)和限动臂c(13)固定在旋转轴上段(6)的下部，而限动臂b(12)和限动臂d(14)固定在旋转轴上段的上部。另外，固定在上转臂两侧外段的叶片a(1)和c(3)叶面互相垂直，叶片a被限动臂a限动并处于与地面垂直的位置，该空气缓冲器(15)的活塞杆被压缩至活塞筒内。固定在下转臂两侧外段的叶片b(2)和d(4)叶面互相垂直，叶片b被限动臂b限动并处于与地面垂直的位置，该空气缓冲器(15)的活塞杆被压缩至活塞筒内。限动臂c的大部分被叶片c遮挡，限动臂d的外端固定着空气缓冲器(15)，它的活塞杆处于伸出位置。

当风(16)从右向左开始吹向双转臂式风能叶轮时，4只叶片和叶轮的运动情况如下：

<1>叶轮转角为0度时(还未开始转动)的下转臂两只叶片d(4)和b(2)：此时叶片d处在D方向的位置，无论该叶片的叶面与地面平行、垂直、还是在它所能处的任何角度上，只要风力足够大，由于叶片面积较大部分的舵面效应，该叶片的叶面将被吹至处于水平位置(从D方位向旋转轴看为反时针方向转动)，空气阻力最小，与此同时通过下转臂(18)带动处在B方向的叶片b顺时针方向转动(从B方位向旋转轴看)，使其叶面处于与地面垂直的位置，叶片b面积较大的部分与限动臂b(12)接触而停止转动，于是该叶片正面对向来风，叶片前的空气压力升高，产生推动叶轮转动的旋转力矩，该力矩通过下转臂和限动臂b共同传递给旋转轴上段(6)，叶轮即开始转动，此刻叶片b产生的旋转力矩最大，随着叶轮的继续转动，叶片b的迎风面积逐渐变小，产生的旋转力矩也随之逐步减小。

<2>叶轮转角为90度方位时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)：此时叶片b处在C方向的位置，在相对气流(叶片在转动时所对应的气流，该气流的方向是风向与旋转相反方向的合方向)的作用下，由于叶片面积较大部分的舵面效应，该叶片的叶面将被吹至处于水平位置(称为“翻转”，从C方位向旋转轴看为反时针方向转动)，与此同时通过下转臂(18)带动处在A方向的叶片d使其叶面顺时针方向翻转(从A方位向旋转轴看)处于与地面垂直的位置，叶片d面积较大的部分与限动臂d(14)接触而停止转动，此时由于两只叶片的叶面都与风向基本平行，产生的风向空气阻力很小，并且都不产生旋转力矩；但是，由于两叶片在围绕同轴翻转时，会受到惯性和翻转空气的阻碍，在该两只叶片的整个90度翻转过程的时间段中，叶轮约旋转了20度(例如在A点，叶轮的转角范围约为-10A+10度)。随着叶轮从90度继续再旋转180度，由于叶片b一直处于水平位置，所以产生的空气阻力仍旧很小，而叶片d与地面垂直，其迎风面积经历了一个由0逐渐增大、再逐步减小的过程，它产生的旋转力矩也从0开始逐步增大、然后逐步减小。

<3>叶轮转角为270度时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)：此时两只叶片的工作情况与<2>所描述的状况相同，只不过两叶片互相调换了位置。

<4>叶轮转角为360度时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)：此时两只叶片所处的位置与图1所示状况相同，只不过叶轮是处于连续的旋转状态，而两只叶片则互相调换了位置并处于连续的工作状态：即叶片d与地面垂直并产生旋转力矩，叶片b处于水平位置且空气阻力很小。

<5>叶轮转角为0-360度时的上转臂两只叶片c(3)和a(1)：该两只叶片的工作情况与<2>-<3>-<4>-<1>所描述的状况相同，只不过该两只叶片围绕上转臂的翻转方向，与下转臂上两只叶片d(4)和b(2)的翻转方向相反，并且叶片a是被限动臂a(11)限动，叶片c是被限动臂c(13)限动。

综上所述，无论风从哪个方向吹向叶轮，它都可以连续不断地朝着一个方向旋转，经初步计算，一种大型4叶片双转臂式风能叶轮在7级风力环境中的有关数据如下表：

叶轮直径	单只叶片面积(M2)	转速(转/分)	输出扭矩(NM/转/分)和适用
				10	21.75	10	(10，965/10/1)风力发电，边远村镇、海岛用电，以及对抽水灌溉、地下建筑、隧道或高大建筑物的通风扇提供动力等

长度单位：米M，力单位：牛顿N

Claims (3)

1，一种双转臂式风能叶轮，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：旋转轴与地面垂直，分为上段(6)和下段(8)两段，下段通过两只轴承(9)安装在底座(5)中，在上段通过两组轴承(10)安装两根互相垂直但不相交的转臂(17)和(18)，两根转臂的中心线都与旋转轴的中心线垂直，在每根转臂的两侧外段上都分别固定一只叶片，在旋转轴的上段还固定4根限动臂a(11)、c(13)、b(12)和d(14)，每根限动臂的外端都固定一只空气式缓冲器(15)。

2，根据权利要求1所述的双转臂式风能叶轮，其特征是：上转臂(17)的两侧外段分别固定叶片a(1)和c(3)，它们的叶面互相垂直，每只叶片都被上转臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，在旋转轴上段(6)的下部固定两跟限动臂a(11)和c(13)，叶片a的面积大的部分向下翻转时与限动臂a接触，叶片c的面积大的部分向下翻转时与限动臂c接触。

3，根据权利要求1所述的双转臂式风能叶轮，其特征是：下转臂(18)的两侧外段分别固定叶片b(2)和d(4)，它们的叶面互相垂直，每只叶片都被下转臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，在旋转轴上段(6)的上部固定两跟限动臂b(12)和d(14)，叶片b的面积大的部分向上翻转时与限动臂b接触，叶片d的面积大的部分向上翻转时与限动臂d接触。

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