CN85105331A - 一种直叶片立轴风力机 - Google Patents

Abstract

一种直叶片立轴风力机。是关于以风作工作流体的垂直轴风力机。采用在风轮主叶内侧设置导流副叶，形成特殊流场；采用机械限速传动装置与活动主副叶连锁动作，自动限速；采用上、下臂斜向拉撑及一个能分散风轮偏心弯曲应力到立柱上的平面轴承，使风机中轴断面尺寸减小30-40％。该风机，能将风能转化成机械能或电能，能自启动，限速灵敏可靠，操作简便，能孤立运行，无振动，气动效率高，工作风速范围宽，整机轻，材质要求低，造价低。

Description

一种直叶片立轴风力机。

本发明是关于以风作为工作流体的具有与风向成直角的旋转轴线的风力机。

现有的风力机，主要分水平轴型与立轴型。立轴风力机较之于水平轴风力机有着不受风向限制，没有陀螺力矩，传动装置及发电装置靠近地面、安装维修方便等优点。但由于立轴风力机在运行中其叶片的气流攻角是随着方位角及叶尖速比 (RW)/(V) 的变化而变化，叶片容易失速，所以立轴风力机启动力矩小，气动效率低，同时由于过速控制未解决好，所以存在振动和大风下限速困难的现象。为了克服以上缺点，人们往往采用根据不同方位角及时调整叶片气流攻角的办法来实现提高自启动能力、气动效率，和解决过速控制问题。例：美国Rockwell Znternational公司的Rocky Flats试验场的Giromiy型立轴风机是采用电子计算机控制系统自动调节叶片，改变气流攻角。使自启动性能、气动效率有所提高，并能解决过速控制问题。但这类型风机结构复杂，成本高，适用性差。

也有采用改变风轮扫风面积的办法来实现过速控制的。例“可变几何形立轴风机”（发表于1976年9月在英国剑桥圣约翰大学召开的一个国际风能系统座谈会上）。该机叶片是铰接在一根横担上的直叶片，上部用联结绳和中心弹簧相连，高风速下使叶片向外倾斜，从而减小风轮迎风面积。该类型风机仍未解决自启动问题，并在大风下过速控制仍会失灵。

本发明的目的是提供一种能自动启动、自动调节主副叶二叶片攻角实现过速控制的，没有振动的、气动效率高、工作风速范围宽。制造成本低，操作简单可靠，适于弧立运行、适于边远地区使用的风力机。

附图一，为本发明风力机的总装图。

附图二，为主副叶的相对位置的俯视图。

附图三，为叶片构造图。

附图四，为一剖面图，主要表示机械限速传动装置。

本发明提供的风力机如图1所示，包括二对以上主副叶片（1）（2）;n对与主副叶的对数相同的支撑主副叶的上下支撑叶臂（7、8、9）（11）;一个把上支撑叶臂（7、8、9）连接于中轴（21）上的上法兰盘（12）;一个连接下支撑叶臂（11）并座落在平面轴承（24）上，再与中轴固定连接的下法兰盘（25）;一个承托上述下法兰盘（25）的能使风轮的偏心弯曲应力传到立柱上再通过立柱拉索进而分散传到地锚上的平面轴承（24）;二个使中轴（21）能作相对于立柱转动的径向轴承（22）;一组与主副叶（1）（2）共同完成过速控制的机械限速传动装置（14）。

所述主副叶片，是指在现有技术的原叶片-主叶内径前方设置一导流叶片-副叶，即不采用现有使用的及时变桨的办法来改变气流的攻角，从而提高气动效率及自启动能力，而是利用主副叶形成一个特殊流场来实现，即在某一方位角时，副叶起导流作用，使气流经副叶整流后，以有利的攻角流向主叶，而在另一方位角时，副叶起挠流作用，减缓气流，也可造成叶片内外的流速差，达到提高升力的目的。主副叶对数最好是三对，按120°均布，主副叶的相对位置如图2所示，二叶半径差为1.2～1.4倍的副叶弦长，副叶的尾端点（a）与主叶弦长最厚处（b）的连线和主叶弦长最厚处（b）与叶片运动园周的园心（O）的连线成20°-35°的夹角。叶型为修正的NAC    A00××型，本实施侧为NAC    A0018。主副叶长度可以一样，但最好的是在不影响气动效率的情况下，使副叶略短于主叶、可避免叶片二端变形。叶片的制作，如图3所示，是由金属合金材料（38）与木条（39）用销钉（40）固定，作叶片的叶梁。二叶梁间用几根横木条为叶肋，连成一个叶片骨架，外面再用三合板成型（41），并外包玻璃钢（42），最后再喷涂油漆，以防玻璃钢老化。其中，金属合金材料可为铝合金，玻璃钢可用聚脂玻璃钢。为了与叶臂连接，如图1、图4所示在每片主副叶上下部都有固定在叶片外面的连接板（3）（4），为了与机械限速传动装置相连，如图1、图4所示在每片副叶中部装有拉索箍（6）。

所述上下支撑叶臂如图1所示，分别为向上斜撑和向下斜拉式的，这样二叶臂在轴上的支点距离缩短，因而使风轮的偏心弯曲应力的力臂缩短。上叶臂为组合臂，如图1所示，由根部分开固定在上法兰盘上的二根支撑件（8）（9）（如翼形钢管）与由轴顶端引出的一根拉条（7）（如扁钢拉条）组成三角锥形或由一根支撑件（如翼形钢管）与拉条组成平面三角形，其锥形或三角形顶端有二个端点可分别与主副叶的连接板（3）（4）铰连，其连接方式，如图4所示，叶臂正前方的端点（32）与主叶连接板的后半部铰连，叶臂丁字形分枝端（33）与副叶连接板靠近，叶片尾部处铰连，最好都有轴承铰连。如图1、图4所示，下叶臂（11）为单臂式，由拉撑件（如翼形钢管）组成，根部连接于下法兰盘上（25），臂端与主副叶连接板的铰连与上述上叶臂与主副叶连接板的铰连相同。

下法兰盘（25）如图1所示安装在一个平面轴承（24）上，并与中轴（21）固定连接，使之随中轴转动。

平面轴承（24）如图1所示座落在立柱的轴承座（23）上。

所述机械限速传动装置，如图1、4所示，包括对应于主副叶对数相同的飞锤（16），（本实施例为三个）。和一个套在风轮中轴上可转动的弹簧装置（18）。该装置的主体是一个内径大于中轴的钢管（28），管壁上焊有与飞锤数相对应的（3块）回位拉簧板（29）、飞锤拉簧挂耳板（35）、滑道板（37）。回位拉簧（31）一端固定于焊在中轴上的回位拉簧挂耳（30）上，另一端与回位拉簧板（29）相连，此回位拉簧（31）的拉力与回位拉簧板（29）的长度积则构成弹簧装置（18）扭动的反力矩。飞锤拉簧（34）一端固定在飞锤拉簧挂耳板（35）上，另一端通过滑轮（36）与飞锤（16）相连。当风速增大至超过额定值时，飞锤的离心力也超过额定值时，可拉伸飞锤拉簧（34）并使滑轮（36）在滑道板上（37）向外滑动一个距离，由于滑轮的尾端还通过牵引钢索（10）与副叶中部的拉索箍（6）的头部相连，所以滑轮在滑道板（37）上滚动的距离与副叶离心力的积构成了使弹簧装置（18）扭动的正力矩，当正力矩大于反力矩时，副叶（2）头部向外扭动至图4虚线位置，并通过牵引钢索（10）拉动弹簧装置（18）逆时针扭动一个角度，又由于副叶上、下部连接板（4）的尾部与主叶上下部的连接板（3）的头部用连杆（5）铰接，所以当副叶头部向外扭动至图4虚线位置时，主叶（1）头部向里转动一个角度至图4的虚线位置处，这样使主副叶呈关闭形，而达到限速目的，当风速减小时，飞锤离心力减小，飞锤拉簧（34）拉动滑轮（36）在滑道板（37）上向里滚动，即正力矩之力臂逐渐减小，当此正力矩小于回位拉簧（31）的反力力矩时，回位拉簧（31）使弹簧装置（18）作顺时针扭动，风轮副叶（2）通过拉索箍（6）、牵引钢索（10）被拉回到正常工作位置，又通过主副叶上、下部叶片连接（3）（4）的连杆（5）作用，使主叶也回到正常工作位置。如图4所示，主副叶连接板（3）（4）的连杆（5）铰连位置，最好是副叶连接板（4）的最尾端与主叶连接板（3）的前半部一点。

上述所述滑道板（37），如图4所示，在滑轮行程的后半部有一上翘的锥度斜面，对主副叶的关闭动作有缓冲作用，可避免震动。在此滑道板的末端设有阻挡件（例：焊上金属块），以防止滑轮飞出。

所述飞锤，如图1、图4所示，是通过园钢制成的锤杆（13）垂挂在上法兰盘焊有的一个轴套内（26），锤杆中部焊有一个环（20），从弹簧装置（18）中的滑轮（36）引出的飞锤钢索（19）在此连接，锤杆下部有一段外螺纹，（图1所示）飞锤与此螺纹连接，并可在此段螺纹上作上下移动，以调节限速范围，再以上下螺帽（15）（17）固定之。

本发明有如下优点①主副叶片造成特殊流场，提高了自启动能力和气动效率，②采用合理的限速机构，限速方法简单灵敏。限速性能可靠，在大风速下仍能工作，因而增加了工作风速范围，提高了风能利用系数，同时消除了振动。③本机叶片采用双支点支撑，而且副叶中部还加有牵引钢索，构成三支点，所以增加了叶片抗弯能力，又由于限速可靠、灵敏，所以可采用强度较低，价格低廉的聚脂玻璃钢作叶片的外包材料。④本机采用斜向支撑叶臂，降低了风轮偏心弯矩的力臂，即降低了中轴必须承受的风轮偏心弯曲应力。本机还采用了平面轴承使风轮的偏心弯曲应力传到立柱上再通过立柱拉索进而分散传到地锚上。由此二点，使本发明的风机主轴的断面尺寸可以减小30～40%。

综上所述，本发明所提供的风力机具有良好的自启动性能。灵敏的调速性能，限速可靠，没有振动，操作简便，气动效率高，整机重量轻，材质要求低，造价低廉等特点。

Claims (15)

1、一种利用活动叶片达到限速和提高气动效率的直叶片立轴风力机，其特征在于有一个由二对以上主副叶片构成的风轮；有一套使主副叶发生连锁扭动、变角的连接机构；有一个使全部活动主副叶片同时发生连锁扭动的机械限速传动装置，有一个承托下叶臂法兰盘的能分散风轮偏心弯曲应力到立柱上的平面轴承；有与主副叶的对数相同的几对拉撑主副叶的上、下叶臂。

2、如权利要求1所述风轮，其特征在于主叶（1）与副叶（2）的相对位置如下：

①主叶运行半径减副叶运行半径的差为1.2～1.4倍的副叶弦长;

②副叶的尾端点（a）与主叶最厚处（b）的连线和主叶最厚处（b）与叶片运动园周的园心（O）的连线成20°～35°夹角。

3、如权利要求1所述风轮，其特征在于由三对主副叶片按120°均布构成。

4、如权利要求1所述风机的上、下叶臂，其特征在于上、下叶臂正前端均有安装主叶连接板（3）的支点（32），分枝端上均有安装副叶连接板（4）的支点（33）。

5、如权利要求1所述风机的连接机构，其特征在于由主副叶连接板（3）（4）、连杆（5）、副叶拉索箍（6）牵引钢索（10）所组成。

6、如权利要求1所述风机的连接机构，其特征在于主副叶连接板是以上、下叶臂前端支点（32）和分枝端支点（33）为转动中心，又用连杆（5）使主叶头部与副叶尾部相连。

7、如权利要求5、6所述风机的连接机构，其特征在于支点（32）（33）、连杆（5）、拉索箍（6）在主副叶上作如下连接：

①主叶连接板后半部的一点与叶臂支点（32）铰连，前半部的一点与连杆（5）铰连，

②副叶连接板中部（靠近副叶叶片尾部处）与叶臂支点（33）铰连，副叶连接板最尾端与连杆（5）铰连，

③副叶中部拉索箍的头部通过牵引钢索（10）与机械限速传动装置相连。

8、如权利要求7所述的风机连接机构的铰连，其特征在于使用轴承铰连。

9、如权利要求1所述的风机的上下叶臂，其特征在于下叶臂（11）为单臂斜拉式，上叶臂（7、8、9）为组合臂斜撑式。

10、如权利要求9所述风机的组合臂，其特征在于由一根以上支撑件（8）（9）与一根拉条（7）组成。

11、如权利要求1所述风机的机械限速传动装置，其特征在于有与主副叶的对数相同数的飞锤（16）和一个能带动叶片连锁扭动的弹簧装置（18）。

12、如权利要求11所述风机的弹簧装置，其特征在于：

①有一个管内径略大于中轴的钢管（28），

②在钢管外壁焊有回位拉簧板（29）、飞锤拉簧挂耳板（35）、和滑道板（37）。

③有焊在中轴上的回位弹簧挂耳板（30），

④有一端与回位拉簧挂耳（30）相连而另一端与回位拉簧板（29）相连的回位拉簧（31），有一端固定在飞锤拉簧挂耳（35）上而另一端通过滑轮（36）用飞锤钢索（19）与飞锤（16）相连的飞锤拉簧（34），有与飞锤拉簧（34）、飞锤（16）、牵引钢索（10）相连的滑轮（36），有一端与滑轮（36）相连而另一端与副叶中部拉索箍（6）头部相连的牵引钢索（10）。

⑤其中飞锤拉簧挂耳板（35）、滑道板（37）、飞锤拉簧（34）、滑轮（36）、牵引钢索（10）的数目与主副叶的对数相对应。

13、如权利要求12所述风机的弹簧装置的滑道板，其特征在于有一个可使叶片扭动平稳的锥度斜面和一个可防止滑轮（36）飞出的阻挡件。

14、如权利要求1所述机械限速传动装置，其特征在于有一个通过飞锤（16）在飞锤吊杆（13）上下移动而达到调节限速范围的装置。

15、如权利要求1所述风轮，其特征在于叶片由金属合金材料（38）与木条（39）结合作叶梁，用几根横木条作叶肋构成叶片骨架，再用三合板（41）成型，外包聚脂玻璃钢（42），最外面再喷涂以油漆而制成。

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