CN85201691U - 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％。

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、适于孤立运行、适于边远地区使用的风力机。

附图1，为本实用新型风力机局部装配图。

附图2，为主副叶的相对位置的俯视示意图。

附图3，为叶片构造图。

附图4，为表示机械限速传动装置的剖面图。

附图4－1，为机械限速传动装置中一组的工作示意图。

其中，1－主叶片，2－副叶片，3－主叶连接板，4－副叶连接板，5－连杆，6－拉索箍，7－拉条，8－支撑件，9－支撑件，10－牵引钢索，11－下叶臂，12－上法兰盘，13－飞锤吊杆，14－机械限速传动装置，15－螺帽，16－飞锤，17－螺帽，18－弹簧装置，19－飞锤钢索，20－锤杆中部的环，21－旋转轴，22－径向轴承，23－轴承座，24－平面轴承，25－下法兰盘，26－轴套，28－钢管，29－回位拉簧板，30－回位拉簧挂耳板，31－回位拉簧，32－叶臂正前方端点，33－叶臂丁字形分枝端，34－飞锤拉簧，35－飞锤拉簧挂耳板，36－滑轮，37－滑道板，38－叶片的金属筋板，39－木条，40－销钉，41－三合板，42－玻璃钢。

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〕。主、副叶间有一套连接机构，能使全部主、副叶片同时发生连锁扭动；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〕连接于旋转轴〔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，再与旋转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〕；二个使旋转轴〔21〕能作相对于立柱转动的径向轴承〔22〕；一组与主、副叶〔1〕〔2〕及其连接机构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－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〕与叶片运动圆周的圆心〔O〕的连线成20°——35°的夹角。叶型为修正的NAC    AOO××型，本实施例为NAC    AOO18。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，是由金属筋板〔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，金属筋板的材料可为铝合金，玻璃钢可用聚脂玻璃钢、主、副叶片分别通过主叶连接板〔3〕和副叶连接板〔4〕与叶臂连接，这种连接板固定在叶片外面，在每片叶片的上、下部各有一块，每对主、副叶的上部的主、副叶连接板和下部主、副叶连接板分别由连杆〔5〕按如下相连：连杆〔5〕的一端与副叶连接板〔4〕的尾部枢接，另一端与主叶连接板〔3〕前半部的一点枢接，并均采用轴承枢接，为了使主、副叶与机械限速传动装置相连，每片副叶中部装有拉索箍〔6〕，再用一牵引钢索〔10〕把拉索箍头部与机械限速传动装置相连。以上所述的主、副叶连接板〔3〕〔4〕、连杆〔5〕、拉索箍〔6〕及牵引钢索〔10〕即构成了主、副叶间的连接机构，在机械限速传动装置的动作下，能使全部主、副叶片同时发生连锁扭动。

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分枝端点可分别与主叶连接板〔3〕和副叶连接板〔4〕枢连，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一点枢连，叶臂丁字形分枝端〔33〕与副叶连接板靠近叶片尾部处枢连，最好都有轴承枢连。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、副叶连接板的枢连与上述上叶臂与主、副叶连接板的枢连相同。

下法兰盘〔25〕如图1所示安装在一个平面轴承〔24〕上，并与旋转轴〔21〕固定连接，使之随旋转轴转动。

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，和一个套在风轮旋转轴上可转动的弹簧装置〔18〕。该装置的主体是一个内径大于旋转轴并套在旋转轴上的钢管〔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〕一端固定于焊在旋转轴上的回位拉簧挂耳板〔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〕长度的积则构成弹簧装置〔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〕用飞锤钢索〔19〕与飞锤吊杆〔19〕相连，飞锤〔16〕就垂挂在飞锤吊杆下面。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，飞锤〔16〕即向外飞离，拉动飞锤吊杆〔19〕向外摆动，再通过飞锤钢索〔19〕和滑轮〔36〕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〕的前半部一点用连杆〔5〕枢接，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所示实线位置。

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，是通过圆钢制成的飞锤吊杆〔13〕垂挂在上法兰盘焊有的一个轴套内〔26〕，飞锤吊杆中部焊有一个环〔20〕，从弹簧装置〔18〕中的滑轮〔36〕引出的飞锤钢索〔19〕在此连接，飞锤吊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，降低了风轮偏心扁矩的力臂，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 (16)

1、一种直叶片垂直轴(立轴)式风力机，该风力机在输出轴(立轴)周围呈环形安装有若干枚可调节气流攻角的立式直叶片，此直叶片由输出轴上、下二端径向伸出的支撑杆支撑，其特征在于：

a、有一个具有二对以上立式直叶主、副叶片的风轮；

b、有一套连接主、副叶的连接机构；

c、有一个与连接机构相连的机械限速传动装置；

d、有拉撑主、副叶的上、下叶臂；

e、有一个承托在下叶臂法兰盘下的平面轴承。

2、如权利要求1所述风力机，其特征在于风轮的主叶〔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〕与叶片运动圆周的圆心〔O〕的连线成20°～35°夹角。

3、如权利要求1所述风力机，其特征在于风轮的主叶和副叶均为活动叶片。

4、如权利要求1所述风力机，其特征在于风轮的主、副叶对数以三对为佳，按120°均布。

5、如权利要求1所述风力机，其特征在于上、下叶臂为斜向拉撑式，下叶臂〔11〕为斜拉式单臂，上叶臂〔7、8、9〕为斜撑式组合臂。

6、如权利要求5所述风力机，其特征在于上叶臂的组合臂由一根以上支撑件〔8〕〔9〕与一根拉条〔7〕组成。

7、如权利要求1或5所述风力机，其特征在于上、下叶臂前分为二个分枝端，一端设有安装主叶连接板〔3〕的孔〔32〕，另一端设有安装副叶连接板〔4〕的孔〔33〕。

8、如权利要求1所述风力机，其特征在于连接机构由主叶连接板〔3〕、副叶连接板〔4〕、连杆〔5〕拉索箍〔6〕、牵引钢索〔10〕所组成。

9、如权利要求8所述风力机，其特征在于主叶连接板〔3〕被安装在主叶〔1〕上，共有上、下二块；副叶连接板被安装在副叶〔2〕上，共有上下二块；上、下二对主、副叶连接板分别由连杆〔5〕相连；拉索箍〔6〕被安装在副叶中部。

10、如权利要求8或9的风力机，其特征在于连接机构作如下连接：

（1）主、副叶连接板〔3〕〔4〕分别与叶臂前端二分枝端上的孔〔32〕〔33〕枢连；

（2）主叶连接板前半部的一点与副叶连接板尾部用连杆〔5〕枢连；

（3）副叶中部拉索箍的头部用牵引钢索与机械限速传动装置相连。

11、如权利要求1所述风力机，其特征在于机械限速传动装置有一个与连接机构中牵引钢索相连的弹簧装置〔18〕和若干个与主、副叶对数相同数的垂挂在飞锤吊杆上的飞锤〔16〕。

12、如权利要求11所述风力机，其特征在于弹簧装置内

（1）有一个套在旋转轴上的钢管〔28〕，管壁与轴有一定间隙；

（2）在钢管〔28〕外壁焊有回位拉簧板〔29〕、飞锤拉簧挂耳板〔35〕、和滑道板〔37〕；

（3）有焊在旋转轴上的回位拉簧挂耳板〔30〕；

（4）有回位拉簧，其一端与回位拉簧挂耳板〔30〕相连，另一端与回位拉簧板〔29〕相连；

（5）有飞锤拉簧，其一端固定在飞锤拉簧挂耳板〔35〕上，另一端通过滑轮〔36〕用飞锤钢索〔19〕与飞锤吊杆〔13〕相连；

（6）上述滑轮〔36〕与飞锤拉簧〔34〕、飞锤钢索〔19〕、牵引钢索〔10〕相连；

（7）上述的回位拉簧板、回位拉簧挂耳板、回位拉簧、飞锤拉簧挂耳板、滑道板、飞锤拉簧、滑轮、飞锤钢索、飞锤吊杆、牵引钢索的数目与主、副叶对数相对应。

13、如权利要求12所述风力机，其特征在于弹簧装置内的滑道板上有一个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11所述风力机，其特征在于机械限速传动装置中的飞锤吊杆一端枢接在上叶臂法兰盘上，另一端装有飞锤，垂挂向下。

15、如权利要求11或14所述风力机，其特征在于，飞锤吊杆安装飞锤的一端有调节飞锤上、下移动的另部件，如：螺纹、螺帽类。

16、如权利要求1所述风力机，其特征在于风轮的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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