專利名稱：葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)力機，特別是一種葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化 的垂直軸風(fēng)力機。
背景技術(shù)：
垂直軸風(fēng)力機和水平軸風(fēng)力機都同屬于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械。但它的 技術(shù)不成熟，利用風(fēng)能的效率低于水平軸風(fēng)力機?，F(xiàn)有垂直軸風(fēng)力機的技術(shù)經(jīng)歷了不用調(diào)向裝置就可以接受來自任何方向的風(fēng)，但 由于多數(shù)風(fēng)力機的葉片與風(fēng)輪之間是固定連接的關(guān)系，它們之間不能作相對運動，葉片安 裝角無法隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化，所以任何方向來的風(fēng)接受的都不多，近年來逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥?過微機控制各種葉片轉(zhuǎn)動裝置，使葉片安裝角隨風(fēng)向而變化、葉片幾何攻角跟隨葉片安裝 角的變化而隨風(fēng)向變化，使風(fēng)力機始終處于可產(chǎn)生最大旋轉(zhuǎn)力矩的狀態(tài)，減低了啟動風(fēng)速， 提高了風(fēng)能利用率，但葉片轉(zhuǎn)動裝置需要一套微機控制的輔助機械設(shè)備驅(qū)動，是一種使用 外助力的方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，運行的可靠性低。由于現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力機沒有葉片安裝角隨風(fēng)速而變化的核心技術(shù)，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增 加超過額定風(fēng)速時，不能用改變?nèi)~片安裝角的方法降低風(fēng)輪的能量捕獲，無法調(diào)節(jié)風(fēng)輪的 旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)風(fēng)速超過工作風(fēng)速范圍不能制動停車，導(dǎo)致風(fēng)力機零部件過早損壞失效、風(fēng)力 發(fā)電機組的發(fā)電機超出額定功率發(fā)熱燒毀，減少使用壽命。相似技術(shù)以申請?zhí)枮?00910071705. 1的專利，其名稱為“變攻角阻力與升力混合 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機”的發(fā)明專利具有代表性，其葉片攻角變化是通過風(fēng)向儀聯(lián)接控制器， 控制以蓄電池組為電源的直流電機，再以直流電機為動力驅(qū)動多重同步帶機實現(xiàn)的。葉片 攻角只能根據(jù)風(fēng)向儀測得的風(fēng)向信號隨風(fēng)向而變化，與風(fēng)速的變化無關(guān)。當(dāng)風(fēng)速超過額定 風(fēng)速，無法調(diào)節(jié)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度，風(fēng)速超過工作風(fēng)速范圍時不能制動停車，導(dǎo)致風(fēng)力機大幅 度超過額定功率值，使風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機超出額定功率發(fā)熱燒毀。此外，葉片轉(zhuǎn)動裝置 是采用具有彈性的“同步帶”來傳遞運動和力，較大型風(fēng)力機采用后不能保持瞬時傳動比恒 定，可靠性不高，風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電成本高。在現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)中存在有不合理之處，特別在于固定風(fēng)輪的軸肩與 軸頸之間的非配合過渡軸段“軸身”位于風(fēng)輪的底部，在風(fēng)力的作用下垂直軸的軸身會受到 很大的彎曲應(yīng)力。垂直軸是垂直軸風(fēng)力機不可缺少的必要零部件，出于發(fā)電成本的角度考 慮，不可能采用無限加大垂直軸直徑尺寸的方法來解決這一技術(shù)問題，導(dǎo)致目前小功率垂 直軸風(fēng)力機占多數(shù)，這是垂直軸風(fēng)力機不能向大功率化機型發(fā)展的主要原因之一。較大型 彎葉片達里厄風(fēng)力機在解決風(fēng)輪軸身受彎曲應(yīng)力的技術(shù)問題上具有代表性，是在風(fēng)輪垂直 軸的軸頭通過聯(lián)接零部件與地面之間安裝拉索，這種解決技術(shù)問題的方法增加了發(fā)電成本 和占地空間。此外，這種風(fēng)力機不能自行啟動，需借助外助力啟動，葉片安裝角不能隨風(fēng)向 而變化，更不能隨風(fēng)速而變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于大幅度提高垂直軸風(fēng)力機利用風(fēng)能的效率，提供一種垂直軸的 軸身免受彎曲應(yīng)力、葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機。為達到上述目的，本發(fā)明由控制系統(tǒng)、閉式齒輪傳動系統(tǒng)和必要零部件構(gòu)成?？刂?系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)1支、限位柱一對、直齒圓柱齒輪一對、由連桿和葉片構(gòu)成的調(diào)速葉片一 對、太陽大齒輪1個、右旋圓柱扭簧1個、控制箱1個、軸承座1個、控制立軸1根、調(diào)速立軸 1根、軸承6 口 ；閉式齒輪傳動系統(tǒng)是由風(fēng)輪中各個葉片傳動分路構(gòu)成的，包括行星齒輪箱 1個、定軸齒輪箱、水平傳動軸、大小齒輪、軸承；必要零部件包括垂直軸1根、垂直軸承座 1個、鋼桁架或鋼管構(gòu)成的主支撐1個、鋼桁架或鋼管構(gòu)成的上下懸臂梁、有立軸的葉片、葉 片軸承座、軸承及塔架；上述零部件中的大小齒輪均為軸間夾角等于90°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐 齒輪、大齒輪的齒數(shù)是小齒輪齒數(shù)的2倍。本發(fā)明的特征是風(fēng)向標(biāo)指向桿的中部與控制箱的底部連接，風(fēng)向標(biāo)指向桿的軸線應(yīng)與沿控制箱長 度方向的幾何中心線平行并重合?？刂屏⑤S中上部的2個軸頸和調(diào)速立軸中上部的2個軸頸分別通過軸承與控制箱 為一體的沿箱內(nèi)底部長度方向的前后軸承座連接、這2根立軸中上部的軸頭分別與一對直 齒圓柱齒輪連接，并將一對齒輪在箱內(nèi)齒合、位于控制箱上方的控制立軸的軸頭和調(diào)速立 軸的軸頭分別與一對調(diào)速葉片的連桿端部連接。一對限位柱位于控制箱的頂部沿風(fēng)向標(biāo)的指向，分別與控制立軸的右邊和調(diào)速立 軸的左邊連接。調(diào)速立軸的下部位于控制箱底部的下方，將右旋圓柱扭簧套在調(diào)速立軸的外面， 扭簧的上端部與控制箱的底部連接、扭簧的下端部與調(diào)速立軸的下端部連接，同時調(diào)節(jié)扭 簧的扭力，使扭簧的初始扭力通過調(diào)速立軸和一對直齒圓柱齒輪同步地傳遞到一對左右分 開的調(diào)速葉片，在扭簧初始扭力的作用下，一對調(diào)速葉片的連桿可分別緊靠在左右兩側(cè)的 限位柱上，一對調(diào)速葉片的連桿軸線應(yīng)相互平行，調(diào)速葉片的連桿軸線應(yīng)與風(fēng)向標(biāo)指向桿 的軸線垂直?？刂屏⑤S下部的2個軸頸分別通過軸承與軸承座連接、軸承座的底部與行星齒輪 箱的頂部連接、控制立軸下部的軸頭與太陽大齒輪連接。垂直軸中部和下部的軸頸通過軸承與垂直軸承座的上部和下部連接、垂直軸承座 的底部與塔架的頂部連接。主支撐中部以下部位的內(nèi)部尺寸大于垂直軸承座的外部尺寸，將主支撐套裝在垂 直軸和垂直軸承座的外面，垂直軸承座中部的軸肩與主支撐的中部連接、垂直軸的軸頭頂 端和主支撐的頂端分別與行星齒輪箱的底部中心位置和邊緣位置連接。垂直軸中部的軸頸和中部的軸肩之間的非配合過渡軸段是垂直軸的“軸身”，軸身 位于沿風(fēng)輪高度尺寸的1/2處，這里是風(fēng)輪幾何尺寸的中心，也是風(fēng)輪的壓力中心點，垂直 來流的空氣動力作用在這個點的力矩為0 (在不考慮空氣動力作用在控制系統(tǒng)的因素下)， 所以垂直軸的軸身受彎曲應(yīng)力也應(yīng)為0。上懸臂梁的根部和端部分別與行星齒輪箱的側(cè)面和定軸齒輪箱的側(cè)面連接。下懸臂梁的根部和端部分別與主支撐的下端側(cè)面和葉片軸承座的側(cè)面連接。
水平傳動軸兩端的軸頸分別通過軸承與行星齒輪箱側(cè)面和定軸齒輪箱側(cè)面連接， 在行星齒輪箱內(nèi)的傳動軸的軸頭與行星大齒輪連接，同時將行星大齒輪與太陽大齒輪在箱 內(nèi)齒合，在定軸齒輪箱內(nèi)的傳動軸的軸頭與小齒輪連接。葉片立軸上端的軸頸通過軸承與定軸齒輪箱底部連接、葉片立軸上端的軸頭與大 齒輪連接、葉片立軸下端的軸頸通過軸承與葉片軸承座連接。本發(fā)明還包括這樣一些特征1、葉片翼型采用雙凸形幾何軸對稱圖案，相同的2個尖端分別為翼的前緣和翼的后緣。2、葉片的結(jié)構(gòu)采用等截面葉片。3、葉片立軸的軸線均穿過葉片翼型的壓力中心點。4、風(fēng)輪可以是單葉片、雙葉片、三葉片組成。5、控制系統(tǒng)的圓柱扭簧可以采用平面渦卷彈簧替換，并將平面渦卷彈簧的設(shè)置位 置改變在控制箱內(nèi)調(diào)速立軸的齒輪上方，使平面渦卷彈簧的內(nèi)圈端部與調(diào)速立軸連接，外 圈端部與控制箱內(nèi)側(cè)面連接，平面渦卷彈簧的安裝方向為順時針方向。6、可以將隨控制箱安裝的零部件只留1支風(fēng)向標(biāo)，其余全部去掉，使風(fēng)向標(biāo)指向 桿的中部與控制立軸的上端部連接，可以成為“葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的垂直軸風(fēng)力 機”。7、行星齒輪箱內(nèi)的行星大齒輪和定軸齒輪箱內(nèi)的大齒輪可以采用非金屬材料制 造的齒輪。風(fēng)力機在工作以前應(yīng)依據(jù)風(fēng)向標(biāo)的指向，將葉片安裝角調(diào)解到風(fēng)輪可產(chǎn)生最大的 旋轉(zhuǎn)力矩的狀態(tài)。風(fēng)力機在工作時接受到空氣的動力后，風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩帶 動控制箱和太陽大齒輪一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)的指向偏離風(fēng)向約30°時，風(fēng)輪就可產(chǎn)生較大 的旋轉(zhuǎn)力矩逐漸啟動。因為葉片立軸的軸線均穿過葉片翼型的壓力中心點，風(fēng)力相對于葉 片立軸產(chǎn)生的力矩為0，所以，組成風(fēng)輪的各個葉片傳動分路產(chǎn)生的摩擦合力加上空氣繞各 個葉片運動產(chǎn)生的摩擦合力可小于風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩。在這種二力不平衡的 狀態(tài)下，行星齒輪箱內(nèi)的各個行星大齒輪均受太陽大齒輪的約束，分別隨著風(fēng)輪的逐漸啟 動繞太陽大齒輪公轉(zhuǎn)。各個行星大齒輪又分別通過各自的葉片傳動分路，將隨太陽大齒輪 公轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)力矩和旋轉(zhuǎn)的方向傳遞給有立軸的葉片。葉片可以在風(fēng)輪上下懸臂梁的端 部隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時，葉片轉(zhuǎn)速=風(fēng)輪轉(zhuǎn)速1/2，葉片的旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)方向相反， 葉片每隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)1周圈，葉片翼的前緣和翼的后緣可平穩(wěn)地交換1次位置。風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn) 10°，葉片的安裝角就減少5°，就這樣葉片隨著風(fēng)向標(biāo)逐漸對準(zhǔn)風(fēng)向、隨著風(fēng)輪的逐漸啟 動、隨著有確定規(guī)律地調(diào)解葉片安裝角的角度，可使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)力矩從風(fēng)輪逐漸啟動時的 較大達到最大，當(dāng)風(fēng)速增加到額定風(fēng)速時，風(fēng)力機輸出額定功率，此時葉片安裝角隨風(fēng)向而 變化。當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速以后，風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片的合力可大于扭簧的 初始扭力，一對調(diào)速葉片逐漸離開限位柱并同步地向風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片的方向運動，每運動 30°，各個葉片在一周圈各個原來位置的葉片安裝角就增加15°，葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的90° 位置附近出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象，因此降低了風(fēng)輪的能量捕獲，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不會持續(xù)加快，使功率 輸出保持在額定功率值附近，此時葉片安裝角隨風(fēng)速而變化。
當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增加，一對調(diào)速葉片可繼續(xù)逐漸同步地向風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片的方向運 動。當(dāng)風(fēng)速超過工作風(fēng)速范圍時，一對調(diào)速葉片的連桿軸線可與風(fēng)向標(biāo)指向桿的軸線平行， 葉片在一周圈各個位置的葉片安裝角可在增加15°的基礎(chǔ)上再增加30°，使葉片在逆風(fēng) 0°到180°位置的葉片安裝角和葉片在順風(fēng)180°到360°位置的葉片安裝角均對稱相 同，葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩的大小也均相同，但葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩的方向均都相反。在二力 平衡，二力方向相反的狀態(tài)下，風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動，制動停車。因此有效防止了風(fēng)力機零部件過 早損壞失效、風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機發(fā)熱燒毀。待風(fēng)速減少到工作風(fēng)速范圍的最大風(fēng)速以 后，風(fēng)輪可逐漸自動啟動旋轉(zhuǎn)，重復(fù)上述運動過程。本發(fā)明的有益效果是1、本風(fēng)力機在不用微機控制、不用一整套輔助機械設(shè)備驅(qū)動的情況下，就可以使 葉片安裝角隨風(fēng)向而變化。這項技術(shù)與背景技術(shù)相比，可大幅度降低風(fēng)力機的制造成本和 風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電成本。2、本風(fēng)力機在葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的基礎(chǔ)上，還可隨風(fēng)速而變化，這項技術(shù) 是現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力機所沒有的核心技術(shù)。由于葉片安裝角可隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化，葉片幾 何攻角也跟隨葉片安裝角的變化隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化，可有效降低啟動風(fēng)速、擴大工作風(fēng) 速范圍、調(diào)節(jié)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度，使輸出功率保持在額定功率值附近，超過工作風(fēng)速范圍時可制 動停車，因此可大幅度提高垂直軸風(fēng)力機利用風(fēng)能的效率。3、將垂直軸的“軸身”位置從風(fēng)輪的底部改進設(shè)置為沿風(fēng)輪高度尺寸1/2處的壓 力中心點，使原來“軸身”受很大彎曲應(yīng)力降為0，因此垂直軸的軸頭與地面之間可不用安裝 拉索，有利于垂直軸風(fēng)力機向大功率化機型發(fā)展。4、上下懸臂梁、水平傳動軸、定軸齒輪箱、葉片軸承座在隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，可產(chǎn)生飛 輪效應(yīng)，有貯存和釋放風(fēng)輪周期變化的力矩功能。上下懸臂梁可使葉片遠(yuǎn)離垂直軸，減少風(fēng) 輪掃掠時葉片之間產(chǎn)生的紊流干擾，降低實度損失，可進一步提高利用風(fēng)能的效率。5、葉片采用雙凸形軸對稱等截面葉片，鋼度大，抗彎曲應(yīng)力強，運行阻力小。6、傳動系統(tǒng)采用閉式齒輪傳動機構(gòu)，抗惡劣天氣能力強、使用零部件數(shù)目少、機構(gòu) 緊湊、瞬時傳動比恒定。本機在工作時傳動的功率很小，齒輪的圓周速度最大不超過12m/s， 工作可靠，可延長使用壽命。


圖1是本發(fā)明雙葉片風(fēng)輪鋼桁架式機構(gòu)運動主視示意圖。圖2是本發(fā)明額定風(fēng)速和額定風(fēng)速以下時，控制系統(tǒng)的俯視示意圖。圖3是額定風(fēng)速和額定風(fēng)速以下時，單葉片風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)30°，一周圈各個位置的 葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的效果示意圖，其中29是懸臂梁、30是葉片。圖4是本發(fā)明額定風(fēng)速以上一對調(diào)速葉片向風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片的方向運動30°時， 控制系統(tǒng)的俯視示意圖。圖5是額定風(fēng)速以上一對調(diào)速葉片向風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片的方向運動30°時，單葉片 風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)30°，一周圈各個位置的葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的效果示意圖，其中29是懸 臂梁、30是葉片。圖6是本發(fā)明工作風(fēng)速范圍以上一對調(diào)速葉片的連桿軸線與風(fēng)向標(biāo)指向桿的軸線平行時，控制系統(tǒng)的主視示意圖。圖7是工作風(fēng)速范圍以上一對調(diào)速葉片的連桿軸線與風(fēng)向標(biāo)指向桿的軸線平行 時，單葉片風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)30°，一周圈各個位置的葉片安裝角隨風(fēng)速而變化的效果示意圖，其 中29是懸臂梁、30是葉片。
具體實施例方式下面對照附圖詳細(xì)描述各個零部件與風(fēng)力機整體機構(gòu)的關(guān)系對照圖1、圖6，風(fēng)向標(biāo)1指向桿的中部與控制箱4的底部連接、風(fēng)向標(biāo)1指向桿的 軸線應(yīng)與沿控制箱4長度方向的幾何中心線平行并重合?？刂屏⑤S10中上部的2個軸頸和調(diào)速立軸8中上部的2個軸頸分別通過軸承13、 14、15、16與控制箱4為一體的沿箱內(nèi)底部長度方向的前后軸承座連接，這2根立軸10、8中 上部的軸頭分別與一對直齒圓柱齒輪12、11連接，并將一對齒輪12、11在箱4內(nèi)齒合，位于 控制箱4上方的控制立軸10的軸頭和調(diào)速立軸8的軸頭分別與一對調(diào)速葉片2、3的連桿 端部連接。一對限位柱7、9位于控制箱4的頂部沿風(fēng)向標(biāo)的指向分別與控制立軸10的右邊 和調(diào)速立軸8的左邊連接。調(diào)速立軸8的下部位于控制箱4底部的下方，將右旋圓柱扭簧17套在調(diào)速立軸8 的外面，扭簧17的上端部與控制箱4的底部連接，扭簧17的下端部與調(diào)速立軸8的下端部 連接，同時調(diào)節(jié)扭簧17的扭力，使扭簧17的初始扭力通過調(diào)速立軸8和一對直齒圓柱齒輪 12、11同步地傳遞到一對左右分開的調(diào)速葉片2、3，在扭簧17初始扭力的作用下，一對調(diào)速 葉片2、3的連桿可分別緊靠在左右兩側(cè)的限位柱7、9上，一對調(diào)速葉片2、3的連桿軸線應(yīng) 相互平行，調(diào)速葉片2、3的連桿軸線應(yīng)與風(fēng)向標(biāo)1指向桿的軸線垂直?？刂屏⑤S10下部的2個軸頸分別通過軸承18、19與軸承座5連接，軸承座5的底 部與行星齒輪箱20的頂部連接，控制立軸10下部的軸頭與太陽大齒輪6連接。垂直軸31中部和下部的軸頸通過軸承32、33與垂直軸承座37的上部和下部連 接，垂直軸承座37的底部與塔架38的頂部連接。主支撐36中部以下部位的內(nèi)部尺寸大于垂直軸承座37的外部尺寸，將主支撐36 套裝在垂直軸31和垂直軸承座37的外面，垂直軸31中部的軸肩與主支撐36的中部連接， 垂直軸31的軸頭頂端和主支撐36的頂端分別與行星齒輪箱20的底部中心位置和邊緣位
置連接。垂直軸中部的軸頸和中部的軸肩之間的非配合過渡軸段是垂直軸的“軸身”，軸身 位于沿風(fēng)輪高度尺寸的1/2處，這里是風(fēng)輪幾何尺寸的中心，也是風(fēng)輪的壓力中心點，垂直 來流的空氣動力作用在這個點的力矩為0 (在不考慮空氣動力作用在控制系統(tǒng)的因素下)， 所以垂直軸的“軸身”受彎曲應(yīng)力也應(yīng)為0。上懸臂梁29的根部和端部分別與行星齒輪箱20的側(cè)面和定軸齒輪箱21的側(cè)面連接。下懸臂梁35的根部和端部分別與主支撐36的下端側(cè)面和葉片軸承座39的側(cè)面 連接。水平傳動軸28兩端的軸頸分別通過25、27與行星齒輪箱20的側(cè)面和定軸齒輪箱21的側(cè)面連接，在行星齒輪箱20內(nèi)的傳動軸28的軸頭與行星大齒輪22連接，同時將行星 大齒輪22與太陽大齒輪6在箱20內(nèi)齒合，在定軸齒輪箱21內(nèi)的傳動軸28的軸頭與小齒 輪23連接。葉片30立軸上端的軸頸通過軸承26與定軸齒輪箱21的底部連接、葉片30立軸 上端的軸頭與大齒輪24連接、葉片30立軸下端的軸頸通過軸承34與葉片軸承座39連接。從本機的整體機構(gòu)可以看出葉片轉(zhuǎn)速=風(fēng)輪轉(zhuǎn)速1/2，葉片的旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)輪 的旋轉(zhuǎn)方向相反。以下描述葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的運動機理本風(fēng)力機在工作前，應(yīng)按照圖3的效果示意圖，將葉片安裝角調(diào)節(jié)到風(fēng)輪可產(chǎn)生 最大旋轉(zhuǎn)力矩的狀態(tài)。為確切說明葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速的變化狀況，以垂直來流的風(fēng) 向為參考系，將空氣垂直流過風(fēng)輪的垂直軸線后與風(fēng)輪直徑相交的點，確定為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的 起始點0°及360°位置。將垂直軸風(fēng)力機風(fēng)輪的葉片安裝角定義為葉片的翼型幾何弦與 垂直來流的風(fēng)向所夾的角度。對照圖3可看出，按風(fēng)的來向，葉片30所在的位置是0°及360°位置，將0° 位置的葉片安裝角確定為45°，將在30°、60°、90°、120°、150°、180°、210 °、 240 °、270 °、300 °、330 °、360 °位置的葉片安裝角分別依次確定為30 °、15°、 士0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、士90°、75°、60°、45°。此確定的葉片安裝角 就是圖3所示中的單葉片風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)30°，一周圈各個位置的葉片安裝角的角度。在工作 前雙葉片風(fēng)輪應(yīng)對照圖3，將在0°位置葉片的葉片安裝角調(diào)節(jié)為45°、將在180°位置葉 片的葉片安裝角調(diào)節(jié)為-45°。三葉片風(fēng)輪應(yīng)對照圖3，將在0°位置葉片的葉片安裝角調(diào) 節(jié)為45°、將在120°位置葉片的葉片安裝角調(diào)節(jié)為-15°、將在240°位置葉片的葉片安 裝角調(diào)節(jié)為-75°。對照圖3可看出，0°位置的葉片安裝角為45°，葉片可以產(chǎn)生有效的升力旋轉(zhuǎn) 力矩，旋轉(zhuǎn)的方向為右手螺旋規(guī)則的順時針方向；90°位置的葉片安裝角為士0°，葉片順 槳，升力為0，產(chǎn)生的阻力最??；180°位置的葉片安裝角為-45°，葉片可以產(chǎn)生有效的升 力旋轉(zhuǎn)力矩，旋轉(zhuǎn)的方向為順時針方向；270°位置的葉片安裝角為士90°，葉片可以產(chǎn)生 最大的阻力旋轉(zhuǎn)力矩，旋轉(zhuǎn)的方向為順時針方向；綜合一周圈各個位置的葉片安裝角可以 看出，工作前單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)輪，只要對照圖3調(diào)節(jié)好葉片安裝角，風(fēng)輪接受到 空氣動力后就可以產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)力矩，并按順時針方向旋轉(zhuǎn)。對照圖3還可以看出風(fēng)輪在0°位置的葉片安裝角為45°，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)到90°位置 時，葉片安裝角為士0°，葉片安裝角和0°位置的葉片安裝角相比減少了 45° ；風(fēng)輪旋轉(zhuǎn) 到180°位置時，葉片安裝角為-45°，葉片安裝角和90°位置的葉片安裝角相比也減少了 45° ；風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)到270°位置時，葉片安裝角為士90°，葉片安裝角和180°位置的葉片安 裝角相比又減少了 45° ；風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)到360°位置及0°位置時，葉片安裝角又為45°，因而 完成了一個以90°為周期的循環(huán)。很明顯，葉片安裝角的變化角度=風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角度1/2， 這一規(guī)律關(guān)系和本發(fā)明風(fēng)力機基本功能所達到的“葉片轉(zhuǎn)速=風(fēng)輪轉(zhuǎn)速1/2”的規(guī)律關(guān)系 相同，所以只要在風(fēng)力機工作前對照圖3和上述調(diào)節(jié)葉片安裝角的方法，將葉片安裝角調(diào) 節(jié)到風(fēng)輪可產(chǎn)生最大旋轉(zhuǎn)力矩的狀態(tài)，加之本風(fēng)力機在工作時葉片的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方 向，葉片安裝角就會自動同步地達到圖3的狀態(tài)。
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本風(fēng)力機在工作時接受到空氣的動力后，風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩帶動控制 箱和太陽大齒輪一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)的指向偏離風(fēng)向約30°時，風(fēng)輪就可產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn) 力矩，逐漸啟動。由于葉片立軸的軸線均穿過葉片翼型的壓力中心點，風(fēng)力相對于葉片立軸 產(chǎn)生的力矩為0，所以組成風(fēng)輪的各個葉片傳動分路產(chǎn)生的摩擦合力加上空氣繞各個葉片 運動產(chǎn)生的摩擦合力可小于風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，由于二力不平衡，行星齒輪 箱內(nèi)的各個行星大齒輪均受太陽大齒輪的約束，分別隨著風(fēng)輪的啟動繞太陽大齒輪公轉(zhuǎn)。 各個行星大齒輪又分別通過各自的葉片傳動分路，將隨太陽大齒輪公轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)力矩和旋 轉(zhuǎn)的方向傳遞給有立軸的葉片，葉片可以在風(fēng)輪上下懸臂梁的端部隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪每旋 轉(zhuǎn)10°，葉片安裝角就減少5°，就這樣，葉片隨著風(fēng)向標(biāo)逐漸對準(zhǔn)風(fēng)向、隨著風(fēng)輪逐漸啟 動、隨著有規(guī)律地調(diào)節(jié)葉片安裝角的角度，可使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)力矩從風(fēng)輪逐漸啟動時的較大 達到最大，所以葉片就在這種同步運動關(guān)系的基礎(chǔ)上連續(xù)不斷地隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)起來。對照圖2、圖1、圖6，額定風(fēng)速以下時，風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片2、3產(chǎn)生的合力 小于扭簧17的初始扭力，一對調(diào)速葉片2、3沒有運動，一對調(diào)速葉片2、3的連桿緊靠在限 位柱7、9上，此時葉片在一周圈備個位置的葉片安裝角與圖3相同，葉片安裝角隨風(fēng)向而變 化。當(dāng)風(fēng)速等于額定風(fēng)速時，風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片2、3產(chǎn)生的合力等于扭簧17的 初始扭力，由于二力平衡，一對調(diào)速葉片2、3的連桿仍然靠在限位柱7、9上，葉片在一周圈 各個位置的葉片安裝角仍與圖3相同，此時風(fēng)力機輸出額定功率，葉片安裝角仍隨風(fēng)向而變化。對照圖4，當(dāng)風(fēng)速逐漸增加超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片2、3產(chǎn)生 的合力大于扭簧17的初始扭力，一對調(diào)速葉片2、3的連桿分別逐漸同步地離開限位柱7、 9，向風(fēng)向標(biāo)1風(fēng)尾葉片的方向運動，每運動30°，風(fēng)輪中的各個葉片在一周圈各個原來 位置的葉片安裝角就逐漸同步地增加15°，此時可看出葉片安裝角隨著風(fēng)速的增加而變 化，變化的效果如圖5所示。圖5中0°位置的葉片安裝角為60°，在30°、60°、90°、 120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360° 位置的葉片安裝角分別依次 為 45°、30°、15°、士0° ,-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、士90°、75°、60°。從圖 5中可以看出，葉片在逆風(fēng)90°位置附近出現(xiàn)了負(fù)轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象，特別是90°位置的葉片安 裝角為15°，葉片沒有順槳，葉片產(chǎn)生的升力矩的方向是沿90°位置的角平分線平行于垂 直軸的軸線，不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，葉片產(chǎn)生的阻力矩的方向為逆時針方向，與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的方 向相反，因此以90°位置為中心的葉片有效降低了風(fēng)輪的能量捕獲，有效限制了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn) 速度持續(xù)增高，使風(fēng)力機的輸出功率保持在額定功率值附近。對照圖6，當(dāng)風(fēng)速逐漸持續(xù)增加，一對調(diào)速葉片2、3可繼續(xù)逐漸同步地向風(fēng)向標(biāo)1 風(fēng)尾葉片的方向運動，每運動10°，風(fēng)輪中的各個葉片在一周圈各個位置的葉片安裝角就 逐漸同步地增加5°。當(dāng)風(fēng)速超過工作風(fēng)速范圍時，一對調(diào)速葉片2、3可逐漸同步地向風(fēng)向 標(biāo)1風(fēng)尾葉片的方向運動30°的基礎(chǔ)上再運動60°，此時一對調(diào)速葉片2、3的連桿軸線可 與風(fēng)向標(biāo)1指向桿的軸線平行，控制系統(tǒng)達到圖6所示狀態(tài)。對照圖7，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增加，超過工作風(fēng)速范圍時，葉片安裝角在一周圈各個位置 隨風(fēng)速而變化的效果如圖7所示。0°位置葉片的葉片安裝角為士90°，在30°、60°、 90° ,120° ,150° ,180° ,210° ,240° ,270° ,300° ,330° ,360° 位置葉片的葉片安裝角分別依次為 75°、60°、45°、30°、15°、士0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-75°、 士90°。從圖7可明顯看出葉片在逆風(fēng)0°到180°位置的葉片安裝角和葉片在順風(fēng) 180°到360°位置的葉片安裝角均對稱相同，葉片在逆風(fēng)半周圈和葉片在順風(fēng)半周圈產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)力矩的大小也均相同，但葉片在逆風(fēng)半周圈和葉片在順風(fēng)半周圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩的 方向均都相反，在二力平衡、二力的方向相反的狀態(tài)下，風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動，制動停車。因此有效 防止了風(fēng)力機的零部件過早損壞失效、有效防止了風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機發(fā)熱燒毀。當(dāng)風(fēng) 速減少到工作風(fēng)速范圍的最大風(fēng)速以后，風(fēng)輪可自動啟動重復(fù)上述運動過程。本發(fā)明的技術(shù)要點1、風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩應(yīng)適當(dāng)大于組成風(fēng)輪的各個葉片傳動分路的 摩擦合力加上空氣繞各個葉片運動產(chǎn)生的摩擦合力，以風(fēng)向標(biāo)可以帶動控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn) 風(fēng)向為宜。2、一對調(diào)速葉片由連桿和葉片構(gòu)成，調(diào)速葉片3的葉片面積和連桿的長度尺寸應(yīng) 適當(dāng)?shù)谋日{(diào)速葉片2減少，以風(fēng)向標(biāo)可對準(zhǔn)風(fēng)向為宜。3、扭簧的初始扭力應(yīng)大于風(fēng)向標(biāo)風(fēng)尾葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，防止葉片安裝角調(diào)節(jié) 滯后。4、當(dāng)風(fēng)速等于額定風(fēng)速時，扭簧的初始扭力應(yīng)等于風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片的合 力。5、當(dāng)風(fēng)速大于工作風(fēng)速范圍時，風(fēng)力作用在一對調(diào)速葉片的合力可使扭簧扭轉(zhuǎn) 90°角(在一對調(diào)速葉片幾何尺寸確定的條件因素下)，在扭簧扭轉(zhuǎn)90°角范圍內(nèi)，扭簧的 扭力越大，風(fēng)力機的工作風(fēng)速范圍越大。6、單葉片組成的風(fēng)輪需在相對于葉片對面的角平分線位置加裝配重體。
權(quán)利要求
一種葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，它由控制系統(tǒng)、閉式齒輪傳動系統(tǒng)和必要零部件構(gòu)成；控制系統(tǒng)包括風(fēng)向標(biāo)1支、限位柱一對、直齒圓柱齒輪一對、由連桿和葉片構(gòu)成的調(diào)速葉片一對、太陽大齒輪1個、右旋圓柱扭簧1個、控制箱1個、軸承座1個、控制立軸1根、調(diào)速立軸1根、軸承6口；閉式齒輪傳動系統(tǒng)是由風(fēng)輪中各個葉片傳動分路構(gòu)成的，包括行星齒輪箱1個、定軸齒輪箱、水平傳動軸、大小齒輪、軸承；必要零部件包括垂直軸1根、垂直軸承座1個、鋼桁架或鋼管構(gòu)成的主支撐1個、鋼桁架或鋼管構(gòu)成的上下懸臂梁、有立軸的葉片、葉片軸承座、軸承及塔架；上述零部件中的大小齒輪均為軸間夾角等于90的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪，大齒輪的齒數(shù)是小齒輪齒數(shù)的2倍，其特征是風(fēng)向標(biāo)(1)指向桿的中部與控制箱(4)的底部連接，風(fēng)向標(biāo)(1)指向桿的軸線應(yīng)與沿控制箱(4)長度方向的幾何中心線平行并重合；控制立軸(10)中上部的2個軸頸和調(diào)速立軸(8)中上部的2個軸頸分別通過軸承(13、14、15、16)與控制箱(4)為一體的沿箱內(nèi)底部長度方向的前后軸承座連接、這2根立軸(10、8)中上部的軸頭分別與一對直齒圓柱齒輪(12、11)連接，并將一對齒輪(12、11)在箱(4)內(nèi)齒合、位于控制箱(4)上方的控制立軸(10)的軸頭和調(diào)速立軸(8)的軸頭分別與一對調(diào)速葉片(2、3)的連桿端部連接；一對限位柱(7、9)位于控制箱(4)的頂部，沿風(fēng)向標(biāo)的指向分別與控制立軸(10)的右邊和調(diào)速立軸(8)的左邊連接；調(diào)速立軸(8)的下部位于控制箱(4)底部的下方，將右旋圓柱扭簧(17)套在調(diào)速立軸(8)的外面，扭簧(17)的上端部與控制箱(4)的底部連接、扭簧(17)的下端部與調(diào)速立軸(8)的下端部連接，同時調(diào)節(jié)扭簧(17)的扭力，使扭簧(17)的初始扭力通過調(diào)速立軸(8)和一對直齒圓柱齒輪(12、11)同步地傳遞到一對左右分開的調(diào)速葉片(2、3)，在扭簧(17)初始扭力的作用下，一對調(diào)速葉片(2、3)的連桿可分別緊靠在左右兩側(cè)的限位柱(7、9)上，一對調(diào)速葉片(2、3)的連桿軸線應(yīng)相互平行，調(diào)速葉片(2、3)的連桿軸線應(yīng)與風(fēng)向標(biāo)(1)指向桿的軸線垂直；控制立軸(10)下部的2個軸頸分別通過軸承(18、19)與軸承座(5)連接、軸承座(5)的底部與行星齒輪箱(20)的頂部連接、控制立軸(10)下部的軸頭與太陽大齒輪(6)連接；垂直軸(31)中部和下部的軸頸通過軸承(32、33)與垂直軸承座(37)的上部和下部連接、垂直軸承座(37)的底部與塔架(38)的頂部連接；主支撐(36)中部以下部位的內(nèi)部尺寸大于垂直軸承座(37)的外部尺寸，將主支撐(36)套裝在垂直軸(31)和垂直軸承座(37)的外面，垂直軸(31)中部的軸肩與主支撐(36)的中部連接、垂直軸(31)的軸頭頂端和主支撐(36)的頂端分別與行星齒輪箱(20)的底部中心位置和邊緣位置連接；上懸臂梁(29)的根部和端部分別與行星齒輪箱(20)的側(cè)面和定軸齒輪箱(21)的側(cè)面連接；下懸臂梁(35)的根部和端部分別與主支撐(36)的下端側(cè)面和葉片軸承座(39)的側(cè)面連接；水平傳動軸(28)兩端的軸頸分別通過軸承(25、27)與行星齒輪箱(20)的側(cè)面和定軸齒輪箱(21)的側(cè)面連接、在行星齒輪箱(20)內(nèi)的傳動軸(28)的軸頭與行星大齒輪(22)連接，同時將行星大齒輪(22)與太陽大齒輪(6)在箱(20)內(nèi)齒合、在定軸齒輪箱(21)內(nèi)的傳動軸(28)的軸頭與小齒輪(23)連接；葉片(30)立軸上端的軸頸通過軸承(26)與定軸齒輪箱(21)的底部連接、葉片(30)立軸上端的軸頭與大齒輪(24)連接、葉片(30)立軸下端的軸頸通過軸承(34)與葉片軸承座(39)連接；葉片轉(zhuǎn)速＝風(fēng)輪轉(zhuǎn)速1/2，葉片的旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是葉片的翼型采用雙凸形幾何軸對稱圖案，相同的2個尖端分別為翼的前緣和翼的后緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是葉片的結(jié)構(gòu)采用等截面葉片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是葉片立軸的軸線均穿過葉片翼型的壓力中心點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是風(fēng)輪可以是單葉片、雙葉片、三葉片組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是控制系統(tǒng)的圓柱扭簧可以采用平面渦卷彈簧替換，并將平面渦卷彈簧的設(shè)置位置改變 在控制箱內(nèi)調(diào)速立軸的齒輪上方，使平面渦卷彈簧的內(nèi)圈端部與調(diào)速立軸連接，外圈端部 與控制箱內(nèi)側(cè)面連接，平面渦卷彈簧的安裝方向為順時針方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征 是可以將隨控制箱安裝的零部件只留1支風(fēng)向標(biāo)其余全部去掉，使風(fēng)向標(biāo)指向桿的中部 與控制立軸的上端部連接，可以成為“葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的垂直軸風(fēng)力機”。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片安裝角隨風(fēng)向而變化的垂直軸風(fēng)力機，其特征是行星 齒輪箱內(nèi)的行星大齒輪和定軸齒輪箱內(nèi)的大齒輪可以采用非金屬材料制造的齒輪。全文摘要
本發(fā)明提供一種葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速而變化的垂直軸風(fēng)力機。它包括控制系統(tǒng)、行星齒輪箱、定軸齒輪箱、傳動軸、主支撐、上下懸臂梁、軸承座、軸承、葉片、垂直軸、塔架等；垂直軸通過軸承和軸承座與塔架連接，將主支撐套裝在垂直軸和軸承座的外面，使主支撐中部與垂直軸中部連接，主支撐頂端和垂直軸的軸頭與行星齒輪箱底部連接，控制系統(tǒng)通過軸承座與行星齒輪箱頂部連接，上懸臂梁的根部和端部分別與行星齒輪箱側(cè)面和定軸齒輪箱側(cè)面連接，下懸臂梁的根部和端部分別與主支撐下端和軸承座連接，傳動軸的兩端分別與行星齒輪箱和定軸齒輪箱連接，葉片分別與定軸齒輪箱和軸承座連接，使功率輸出保持在額定功率值附近。
文檔編號F03D3/06GK101956653SQ20101050342
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者孫世杰 申請人:孫世杰