專利名稱：一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，兩種主要的垂直軸風(fēng)力機(jī)是Φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)和H型垂直軸風(fēng)力機(jī)。如圖 1所示，在H型垂直軸風(fēng)力機(jī)中，風(fēng)輪包括轉(zhuǎn)軸(1)、葉片(2)以及支架⑶和⑷；其中，每 一個(gè)葉片(2)和轉(zhuǎn)軸(1)之間固定連接一個(gè)支架(3)和一個(gè)支架(4)，而且每一個(gè)葉片(2) 和轉(zhuǎn)軸(1)之間連接的支架(3)與支架(4)相互平行；轉(zhuǎn)軸(1)下端與發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水 機(jī)的傳動(dòng)軸連接，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和風(fēng)能轉(zhuǎn)換。目前的垂直軸風(fēng)力機(jī)一般只具有一層風(fēng)輪，無論是Φ型還是H型垂直軸風(fēng)力機(jī)， 其在運(yùn)行過程中，由于葉片弦線與風(fēng)向的角度(即攻角)是不斷變化的，因此其輸出扭矩在 一個(gè)周期內(nèi)是不斷波動(dòng)的。圖2表示的是某三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的扭矩變化 曲線示意圖；其中，橫坐標(biāo)表示攻角θ (0° <= θ <= 360° )，縱坐標(biāo)表示扭矩系數(shù)Ct ； 如圖2所示，該垂直軸風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)，最大扭矩系數(shù)達(dá)0. 93，而最小扭矩系數(shù)只有 0. 43，兩者相差近2倍關(guān)系。因此，造成輸出功率不穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水機(jī)選配造成困 難；而且扭矩的波動(dòng)會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)(傳動(dòng)軸、軸承等)結(jié)構(gòu)的疲勞，降低使用壽命。如何消除扭矩的波動(dòng)性，確保功率穩(wěn)定輸出，改善傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞程度，是垂直軸風(fēng) 力機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)，可以使垂直軸風(fēng)力機(jī) 的扭矩波動(dòng)更加平緩，有利于功率穩(wěn)定輸出，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞程度。一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪；其中，每一層所述風(fēng)輪包括轉(zhuǎn)軸(1)、葉片(2)以及支架(3)和支架⑷；每一個(gè)所 述葉片(2)和所述轉(zhuǎn)軸(1)之間固定連接一個(gè)所述支架(3)和一個(gè)所述支架(4)，而且每一 個(gè)所述葉片⑵和所述轉(zhuǎn)軸⑴之間連接的所述支架⑶與所述支架⑷相互平行；其中，每一層風(fēng)輪的所有的所述支架(3)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的同一水平面上，而且 每一層風(fēng)輪的所有的所述支架(4)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的另一水平面上；其中，每一層風(fēng)輪的所述轉(zhuǎn)軸(1)重合，而且所述至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪在重 合的轉(zhuǎn)軸(1)的方向上層疊；其中，上層風(fēng)輪的每一個(gè)所述支架(4)穿過重合的轉(zhuǎn)軸(1)，而且分別與下層風(fēng)輪 的一個(gè)所述支架(3)重合，形成所述上層風(fēng)輪和所述下層風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)上的錯(cuò)開
布置；其中，重合的轉(zhuǎn)軸(1)下端與發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水機(jī)的傳動(dòng)軸連接?？蛇x地，每一層所述風(fēng)輪包括的所述葉片(2)的數(shù)量為2個(gè)或3個(gè)或4個(gè)。
可選地，所述葉片(2)為直葉片或彎葉片。可選地，所述支架(3)的表面鋪設(shè)線條型的整流蒙皮?？蛇x地，所述支架(3)的橫截面呈前凹后尖形狀。其中，俯視時(shí)，相鄰的兩個(gè)葉片(2)和所述轉(zhuǎn)軸⑴連接的支架⑶之間的夾角為 β，且β滿足β = 360° /(iXj)；其中，i表示風(fēng)輪的層數(shù)，j表示每個(gè)風(fēng)輪的葉片(2)的數(shù)量。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果本發(fā)明實(shí)施例中，將至少二層風(fēng)輪在轉(zhuǎn)軸的方向上進(jìn)行層疊、錯(cuò)開布置，可以使不 同的輸出扭矩進(jìn)行疊加并作用到轉(zhuǎn)軸上，由于疊加扭矩的扭矩波動(dòng)更加平緩，使得轉(zhuǎn)軸可 以帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出功率，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞程度，提高使用壽命。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所 需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施 例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲 得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有一種H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為某單風(fēng)輪、三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的扭矩變化曲線示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種支架(3)的橫截面示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種具有2層風(fēng)輪、3葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視時(shí)相鄰 的兩個(gè)葉片⑵和轉(zhuǎn)軸⑴連接的支架⑶之間的夾角示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種具有2層風(fēng)輪、2葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視時(shí)相鄰 的兩個(gè)葉片⑵和轉(zhuǎn)軸⑴連接的支架⑶之間的夾角示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例中提供具有2層風(fēng)輪、3葉片的垂直軸風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的 疊加扭矩變化曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)，該垂直軸風(fēng)力機(jī)將至 少二層風(fēng)輪在轉(zhuǎn)軸的方向上進(jìn)行層疊、錯(cuò)開布置，可以使不同的輸出扭矩進(jìn)行疊加并作用 到轉(zhuǎn)軸上，由于疊加扭矩的扭矩波動(dòng)更加平緩，使得轉(zhuǎn)軸可以帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出功率， 降低傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞程度，提高使用壽命。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請參閱圖3，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié) 構(gòu)示意圖。如圖3所示，該垂直軸風(fēng)力機(jī)可以包括至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪；
其中，每一層風(fēng)輪包括轉(zhuǎn)軸(1)、葉片(2)以及支架(3)和支架(4)；本發(fā)明實(shí)施例中，每一層風(fēng)輪包括的葉片(2)的數(shù)量可以是如圖3所示的3個(gè)，也可以是2個(gè)或4個(gè)，本發(fā)明實(shí)施例不作限定；其中，葉片⑵可以是直葉片，也可以是彎葉 片，本發(fā)明實(shí)施例不作限定；如圖3所示，每一個(gè)葉片(2)和轉(zhuǎn)軸(1)之間固定連接一個(gè)支架(3)和一個(gè)支架 (4)，而且每一個(gè)葉片(2)和轉(zhuǎn)軸(1)之間連接的支架(3)與支架(4)相互平行；如圖3所示，每一層風(fēng)輪的所有的支架(3)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的同一水平面上，而 且每一層風(fēng)輪的所有的支架(4)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的另一水平面上；如圖3所示，每一層風(fēng)輪的所有的支架(3)在重力方向上高于所有的支架⑷；如圖3所示，每一層風(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸(1)重合，即所有的風(fēng)輪共用同一個(gè)轉(zhuǎn)軸(1)，而且 至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)的方向上層疊；其中，上層風(fēng)輪的每一個(gè)支架(4)穿過重合的轉(zhuǎn)軸(1)，而且分別與下層風(fēng)輪的一 個(gè)支架(3)重合，形成上層風(fēng)輪和下層風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)上的錯(cuò)開布置；其中，重合的轉(zhuǎn)軸(1)下端與發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水機(jī)的傳動(dòng)軸連接，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞 和風(fēng)能轉(zhuǎn)換。本發(fā)明實(shí)施例中，垂直軸風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)支架(3)會(huì)收到風(fēng)力的阻擊，為 了增強(qiáng)自起動(dòng)性能，可以在每一個(gè)支架(3)的表面(包括迎風(fēng)面和背風(fēng)面)鋪設(shè)線條型的 整流蒙皮。其中，線條型的整流蒙皮可以起到減小風(fēng)阻力的作用，提高風(fēng)能利用效率。本發(fā)明實(shí)施例中，每一個(gè)支架(3)的橫截面呈前凹后尖形狀。請一并參閱圖4，圖 4表示的每一個(gè)支架(3)橫截面示意圖，從圖4可以看出，每一個(gè)支架(3)的橫截面呈前凹 后尖形狀，其中，迎風(fēng)面呈凹槽形狀，背風(fēng)面呈“>”形狀。當(dāng)較小的風(fēng)從各個(gè)方向進(jìn)入每一 個(gè)支架(3)的呈凹槽形狀的迎風(fēng)面后產(chǎn)生壓差，形成推力推動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自 起動(dòng)。特別是，在每一個(gè)支架(3)的呈凹槽形狀的迎風(fēng)面的面積越大時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)自起 動(dòng)性能越強(qiáng)。從而，本發(fā)明實(shí)施例提供的具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速較小的情況 下也能夠順利自起動(dòng)，降低對自自動(dòng)風(fēng)速的要求，提高風(fēng)能利用效率。在本發(fā)明實(shí)施例提供的具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)中，俯視時(shí)，相鄰的兩個(gè)葉 片⑵和轉(zhuǎn)軸⑴連接的支架(3)之間的夾角為β，且β滿足β = 360° /(iXj)；其中， i表示風(fēng)輪層數(shù)，即風(fēng)輪個(gè)數(shù)；j表示每個(gè)風(fēng)輪的葉片(2)的數(shù)量。舉例來說，若本發(fā)明實(shí)施例中提供的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有2層風(fēng)輪，而且每層風(fēng)輪 包括3個(gè)葉片(2)，則俯視時(shí)，相鄰的兩個(gè)葉片⑵和轉(zhuǎn)軸⑴連接的支架(3)之間的夾角 為β = 360° /(2X3) =60°。如圖5所示，用虛線表示的支架(3)表示的是下層風(fēng)輪的 支架(3)，用虛線表示的葉片(2)表示的是下層風(fēng)輪的葉片(2)；用實(shí)線表示的支架(3)表 示的是上層風(fēng)輪的支架(3)，用實(shí)線表示的葉片(2)表示的是上層風(fēng)輪的葉片(2)。再舉例來說，若本發(fā)明實(shí)施例中提供的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有2層風(fēng)輪，而且每層風(fēng) 輪包括2個(gè)葉片(2)，則俯視時(shí)，相鄰的兩個(gè)葉片(2)和轉(zhuǎn)軸(1)連接的支架(3)之間的夾 角為β = 360° /(2X2) =90°。如圖6所示，用虛線表示的支架(3)表示的是下層風(fēng)輪 的支架(3)，用虛線表示的葉片(2)表示的是下層風(fēng)輪的葉片(2)；用實(shí)線表示的支架(3) 表示的是上層風(fēng)輪的支架(3)，用實(shí)線表示的葉片(2)表示的是上層風(fēng)輪的葉片(2)。請一并參閱圖7，圖7是本發(fā)明實(shí)施例中提供的具有2層風(fēng)輪，而且每層風(fēng)輪包括3個(gè)葉片(2)的垂直軸風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的疊加扭矩變化曲線示意圖；其中，橫坐標(biāo)表示 攻角θ (0° <= θ <= 360° )，縱坐標(biāo)表示扭矩系數(shù)CT。如圖7所示，該垂直軸風(fēng)力機(jī) 在一個(gè)周期內(nèi)，最大扭矩系數(shù)達(dá)0.71，而最小扭矩系數(shù)只有0. 55，兩者相差30%，與圖2相 比，扭矩波動(dòng)大幅度減小。優(yōu)選地，若風(fēng)輪為3層或4層，則扭矩波動(dòng)會(huì)更進(jìn)一步減小，從而 可以使得扭矩波動(dòng)更加平緩。
本發(fā)明實(shí)施例中，將至少二層風(fēng)輪在轉(zhuǎn)軸的方向上進(jìn)行層疊、錯(cuò)開布置，可以使不 同的輸出扭矩進(jìn)行疊加并作用到轉(zhuǎn)軸上，由于疊加扭矩的扭矩波動(dòng)更加平緩，使得轉(zhuǎn)軸可 以帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出功率，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞程度，提高使用壽命。以上對本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)介 紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只 是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā) 明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理 解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，包括至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪；其中，每一層所述風(fēng)輪包括轉(zhuǎn)軸(1)、葉片(2)以及支架(3)和支架(4)；每一個(gè)所述葉片(2)和所述轉(zhuǎn)軸(1)之間固定連接一個(gè)所述支架(3)和一個(gè)所述支架(4)，而且每一個(gè)所述葉片(2)和所述轉(zhuǎn)軸(1)之間連接的所述支架(3)與所述支架(4)相互平行；其中，每一層風(fēng)輪的所有的所述支架(3)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的同一水平面上，而且每一層風(fēng)輪的所有的所述支架(4)位于垂直轉(zhuǎn)軸(1)的另一水平面上；其中，每一層風(fēng)輪的所述轉(zhuǎn)軸(1)重合，而且所述至少二層結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)的方向上層疊；其中，上層風(fēng)輪的每一個(gè)所述支架(4)穿過重合的轉(zhuǎn)軸(1)，而且分別與下層風(fēng)輪的一個(gè)所述支架(3)重合，形成所述上層風(fēng)輪和所述下層風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)上的錯(cuò)開布置；其中，重合的轉(zhuǎn)軸(1)下端與發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水機(jī)的傳動(dòng)軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，每一層所述風(fēng)輪包括的所述葉 片⑵的數(shù)量為2個(gè)或3個(gè)或4個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，所述葉片(2)為直葉片或彎葉片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，所述支架(3)的表面鋪設(shè)線條型 的整流蒙皮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，所述支架(3)的橫截面呈前凹后 尖形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任意一項(xiàng)所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于，俯視時(shí)，相鄰的兩個(gè)葉片(2)和所述轉(zhuǎn)軸(1)連接的支架(3)之間的夾角為β，且β 滿足β = 360° /(iXj)；其中，i表示風(fēng)輪的層數(shù)，j表示每個(gè)風(fēng)輪的葉片(2)的數(shù)量。
全文摘要
一種具有多層風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括至少二個(gè)結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪；每個(gè)風(fēng)輪包括轉(zhuǎn)軸(1)、葉片(2)及支架(3)和支架(4)；每個(gè)葉片(2)和轉(zhuǎn)軸(1)之間固定連接一個(gè)支架(3)和一個(gè)支架(4)，且支架(3)與支架(4)相互平行；每個(gè)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸(1)重合，而且至少二個(gè)結(jié)構(gòu)相同的風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)的方向上層疊；上層風(fēng)輪的每個(gè)支架(4)穿過重合的轉(zhuǎn)軸(1)，且分別與下層風(fēng)輪的一個(gè)支架(3)重合，形成上層風(fēng)輪和下層風(fēng)輪在重合的轉(zhuǎn)軸(1)上的錯(cuò)開布置；重合的轉(zhuǎn)軸(1)下端與發(fā)電機(jī)或風(fēng)力提水機(jī)的傳動(dòng)軸連接。本發(fā)明可以使垂直軸風(fēng)力機(jī)的扭矩波動(dòng)更加平緩，有利于功率穩(wěn)定輸出，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞程度。
文檔編號F03D9/00GK101956670SQ201010289808
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者何利, 周慶余 申請人:青海風(fēng)發(fā)科技發(fā)展有限公司