TW201315896A - 曲柄式風車葉片自動安全控制裝置 - Google Patents

Abstract

一種水平軸風車中之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，此設計係利用葉片之曲柄構造，於旋轉中因「形狀慣性」作用使葉片曲柄往後偏移，依風速強弱產生不同的離心效應並改變曲柄上葉片的迎風角度，減低所承受風壓以維持一安全定速的旋轉，進而自動保護風車結構。

Description

曲柄式風車葉片自動安全控制裝置

本創作係一種水平軸式風力發電機強風自動保護裝置，特別是一種利用葉片的曲柄慣性，來產生離心偏移而改變迎風角度、減少承受風壓的設計。

風力發電機其葉片構件均有一定規格匹配，各個部位零組件也都因應額定風速、功率容量而做適當的規劃，不可能忽略成本和發電效能而無限制的提高葉片動件的結構強度，因此如何以輕巧有效能的葉片，面對強風又能安全無虞，實在是一大課題。

對葉片而言通常旋轉的離心崩裂是比靜態的迎風吹襲更具破壞性，因此傳統的風車保護模式都應用電磁煞車來減低其轉速，但相對的必需額外加入控制電路，消耗能源且最大的缺點為煞車若過於頻繁、持久時易損毀內部磁場線圈！也另有與本創作雷同的葉片自動調整迎風角度之設計，但使用多支彈簧分別獨立控制，其機械構造都過於繁複又無耐候和穩定性。

本發明的主要創意在於風車葉片的曲柄結構，高速旋轉時利用其「形狀慣性」產生離心偏移而改變葉片攻角(attack angle)，可以減少承受風壓達到非耗能自我機構上的保護裝置。

緣是，解決問題之技術特點為：提供一種曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中係包含有一輪轂(又稱曲柄式安全控制器)、底座有至少三個環狀對稱排列的葉片支撐套管分別固定住對應的至少三支風車葉片。葉片的軸部與呈S形之葉片曲柄連結，穿進支撐套管而定位於輪轂底座(S形向上)，而在曲柄末端接合一片矩形的曲柄勾板，成為風車葉片改變迎風角度時之連動構件。

輪轂中間設一中心支軸，頂端有公螺牙可以旋轉鎖住蛋形的輪轂殼蓋，在殼蓋鎖上之前從支軸先穿入推壓勾板墊片，次置入彈簧，最後再套入推壓彈簧墊片，所有零件與中心支軸結合後輪轂內部的彈簧已預加部份壓縮應力。管狀的中心支軸通過輪轂底座後，突出一小段稱為軸心插槽，利用側壁的連結螺栓固定住發電機主軸，帶動旋轉而發電。

此設計直接利用葉片曲柄的慣性特質，產生離心偏移來做機構上的自我保護，在輪轂內只使用單一強力彈簧，可確保所有葉片變換角度的統一性，乃構造簡單，製作容易也最確實可靠的一種安全裝置。

當風吹向水平軸式發電機的輪轂A時，風車葉片9緩緩旋轉(設為順時鐘方向)，若風速逐漸的增強，軸桿呈S形的葉片曲柄10由於「形狀慣性」因素，有往後傾偃的趨勢，這也就是離心偏移，而葉片支撐套管6有如一個活動支點，葉片曲柄10在它的框束下產生旋轉並改變葉片的迎風角度，此時連動的曲柄勾板11彎曲翹起。三組(含以上)葉片的勾板同時頂住推壓勾板墊片5前移，因輪轂殼蓋1緊鎖在中心支軸2時，已利用推壓彈簧墊片3壓縮彈簧4形成一股張力推擠推壓勾板墊片5在先，所以三片(含以上)的曲柄勾板11因強風旋轉而往前彎曲翹起的力量與推壓勾板墊片5往後推擠的反力達臻平衡，使風車葉片9自動維持一安全角度，不會隨強風吹襲而加速旋轉，達到機構上自我保護的作用。反之，若風速減弱風車旋轉變慢，曲柄勾板11彎曲翹起的力道小於推壓勾板墊片5之反向推擠，這時葉片將自動回復到原先的角度。

風車葉片9可從靜止時的最佳迎風角，隨著旋轉、離心偏移而逐漸改變角度，整個過程都由彈簧4的推擠應力和勾板的反翹力量相互平衡，如果風車葉片9的迎風角度趨零，外在強風推力則幾近消失。

A．．．輪轂

1．．．輪轂殼蓋

2．．．中心支軸

3．．．推壓彈簧墊片

4．．．彈簧

5．．．推壓勾板墊片

6．．．葉片支撐套管

7．．．連結螺栓

8．．．軸心插槽

9．．．風車葉片

10．．．葉片曲柄

11．．．曲柄勾板

12．．．發電機主軸

13．．．發電機本體

14．．．方向尾舵

15．．．活動轉台

16．．．支架

第一圖：曲柄式安全控制器剖立面圖

第二圖：剖平面圖

第三圖：曲柄式葉片圖

第四圖：曲柄式葉片風車外觀透視圖

A．．．輪轂

1．．．輪轂殼蓋

2．．．中心支軸

3．．．推壓彈簧墊片

4．．．彈簧

5．．．推壓勾板墊片

6．．．葉片支撐套管

7．．．連結螺栓

8．．．軸心插槽

9．．．風車葉片

10．．．葉片曲柄

11．．．曲柄勾板

Claims (6)

1. 一種曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其構造包含：輪轂，具有一輪轂殼蓋、轂身底座，和至少三組葉片支撐套管，分設於該轂身之周側；複數支風車葉片，個別具有長形葉身，葉首軸部連結一葉片曲柄，而曲柄末端接合一矩形的曲柄勾板；發電機組，涵蓋發電機本體、風向尾舵、活動轉台及支架。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中輪轂內部尚包含：中心支軸，係空心管體，垂直固定在輪轂正中間，頂端有公螺牙能鎖住輪轂殼蓋，尾端突出於輪轂底座外；葉片支撐套管，為複數支環狀對稱排列而連結在輪轂內底座四周，風車葉片軸部接合之葉片曲柄以S形向上之角度穿入套管；軸心插槽，是為中心支軸末端之延伸，於輪轂底座外之圓心位置，插槽管壁有連結螺栓，用以固定住發電機主軸，帶動旋轉而發電；推壓勾板墊片，係最先套入中心支軸的活動構件，藉由彈簧之推力擠壓曲柄勾板，可與因風車旋轉產生葉片角度偏移而帶動勾板彎曲翹擠的反向力道相互平衡；彈簧，為第二套入中心支軸的活動構件，因事先受預力壓縮，可伸張推擠推壓勾板墊片；推壓彈簧墊片，是第三套入中心支軸的活動構件，受輪轂殼蓋內凸緣之推擠而壓縮彈簧；輪轂殼蓋，頭端內側之母螺牙可以旋轉緊鎖中心支軸，利用殼壁凸緣頂住推壓彈簧墊片。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中每支風車葉片之曲柄呈S形，穿入葉片支撐套管而定位在輪轂周側且可活動旋轉，葉片曲柄突出套管之後，末端接合一矩形曲柄勾板，用以在葉片改變角度時，連動的彎曲翹擠推壓勾板墊片。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中彈簧係單一數量設計，可確保所有葉片變換迎風角的統一性，不會有個別角度的差異。
5. 依據申請專利範圍第2項所述之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中推壓勾板墊片及推壓彈簧墊片為圓形薄板體，中間各開一個與中心支軸同寬之孔徑，而套在其上滑動。
6. 依據申請專利範圍第2項所述之曲柄式風車葉片自動安全控制裝置，其中葉片支撐套管為固定在輪轂底座呈環狀對稱排列的中空管體，可框束住葉片曲柄且是風車葉片改變迎風角的旋轉支點。