專利名稱:樹葉型風(fēng)車的制作方法
樹葉型風(fēng)車是一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置。
本發(fā)明屬于垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新形式。
已有的垂直軸風(fēng)力機(jī)，所用的風(fēng)輪有升力型和阻力型之分，葉片大都是固定的，這些風(fēng)力機(jī)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用材料多，成本高，效率低。有的啟動(dòng)風(fēng)速要求高且不能自我啟動(dòng)，也不能自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度，不能自動(dòng)進(jìn)行超速控制，使風(fēng)力機(jī)的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。
本發(fā)明的目的就是克服上述缺點(diǎn)，以便大面積開發(fā)風(fēng)能資源。
圖1 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)示意圖1為園弧形葉片;2為葉柄;3為葉桿;4為立桿;5為發(fā)電機(jī)。
圖2 葉片、葉柄、葉桿三者的安裝圖。
圖3 葉片受力分析圖。
圖4 限位和超速控制裝置;6為杠桿;7為離心重錘。
本發(fā)明的原理是地球上的植物大都生長有接受光能的葉子，這些葉子在流動(dòng)的大氣里一般又都具有著運(yùn)動(dòng)的多自由度，以減輕氣流的壓力，將這類葉子的自由度適當(dāng)?shù)丶右韵拗?，把植物葉子的避風(fēng)機(jī)能和風(fēng)輪葉片的受風(fēng)要求巧妙地結(jié)合在一個(gè)機(jī)械裝置之中，便構(gòu)成了這種新型的垂直軸風(fēng)力機(jī)。參見圖1所示的該種風(fēng)力機(jī)示意圖。它包括園弧形葉片1、葉柄2、葉桿3、立桿4、發(fā)電機(jī)5、葉片、葉柄、葉桿構(gòu)成了風(fēng)輪。葉片為園弧形，園弧半徑與它圍繞立桿軸旋轉(zhuǎn)半徑相同;葉柄是葉片弦長的1/2到1/4之間，它被固定的安裝在葉片的一端，且垂直于固定點(diǎn)處園弧的切線;葉柄同葉桿之間為鉸鏈活動(dòng)(參見圖2)連結(jié)，其葉柄的運(yùn)動(dòng)軸線同立桿平行。
園弧形葉片相對于葉桿在一定角度內(nèi)自由活動(dòng)，即自動(dòng)調(diào)節(jié)角度。這樣就使得葉片能夠既接受升力又接受阻力，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)輪的自動(dòng)迎風(fēng)、自我啟動(dòng)。
這種風(fēng)力機(jī)的受力分析如圖3所示。

＝
+

-相對速度

-風(fēng)速

-葉片的線速度

-升力

-阻力

-合力
X＝CxAx (ρU2)/2
y＝CyAy (ρV2)/2
<math><mi>F = </mi><msqrt><mi>X</mi><msup><mi></mi><mi>2</mi></msup><mi> + Y </mi><msup><mi></mi><mi>2</mi></msup></msqrt></math>
Cx-阻力系數(shù)
Cy-升力系數(shù)
Ax-葉片面積在X軸上的投影
Ay-葉片面積在Y軸上的投影
ρ-空氣質(zhì)量密度
加上適當(dāng)長度的葉柄，園弧形葉片能夠?qū)⑸妥枇R為一體，產(chǎn)生推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的合力，有效的利用風(fēng)能。
把葉片逐漸限制在它旋轉(zhuǎn)的園柱面上，旋轉(zhuǎn)力就逐漸減少，利用這一特點(diǎn)可以自動(dòng)的進(jìn)行超速控制，見圖4。如果風(fēng)速超過額定值，重錘便在離心力作用下外移，帶動(dòng)杠桿6轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片活動(dòng)角縮小，從而達(dá)到進(jìn)行超速控制的目的。
發(fā)明人做了實(shí)施樣機(jī)“樹葉-100”，介紹如下
一、設(shè)計(jì)風(fēng)速和風(fēng)輪半徑。
額定功率是由設(shè)計(jì)風(fēng)速?zèng)Q定的，其它風(fēng)力機(jī)一般都把6～8米/秒的風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)速。考慮到我國大多數(shù)地區(qū)的年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布狀況，樹葉型風(fēng)車選定5米/秒為設(shè)計(jì)風(fēng)速，這樣可以發(fā)揮它的優(yōu)勢，以擴(kuò)大風(fēng)速的利用范圍，也擴(kuò)大風(fēng)車的使用地域，使之在高于三級風(fēng)時(shí)，功率可以達(dá)到100瓦左右。
額定功率確定之后，通過計(jì)算可以得出“樹葉-100”的矩形截面積
100＝ (ρAV3Cp)/(2×75×1.36) ×1000
ρ-0.125kg-秒2/m4
V-5米/秒
Cp-0.25，選一較低數(shù)
A-所求之面積m2
A＝ (100×2×75×1.36)/(0.125×53×0.25×1000) ＝5.2m2
考慮到葉端損失，葉片高度L定為1.8米，風(fēng)輪半徑R為1.5米，矩形截面積略大于5.2m2。
二、葉片數(shù)目η和實(shí)度
樹葉型風(fēng)車屬于低轉(zhuǎn)速大扭矩風(fēng)力機(jī)，它的葉片數(shù)同尖速比(葉片尖端線速度同風(fēng)速之比)沒有水平軸那樣明顯的影響關(guān)系，但是，在各基本參數(shù)相同的情況下，隨著葉片數(shù)的增加，在一定范圍內(nèi)輸出功率和效率也有所提高。通過對二、三、四葉片的對比試驗(yàn)，三葉片比兩葉片運(yùn)行平穩(wěn)，基本上消除了系統(tǒng)的周期載荷，又從造價(jià)、工藝等方面綜合考慮，小型風(fēng)力機(jī)可以選用三個(gè)葉片，且葉弦長度C可用下式計(jì)算
nc＝2R
C＝ (2R)/(n) ＝ (2×1.5)/3 ＝1m
實(shí)度σ＝ (nc)/(2R) ＝1
實(shí)度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，把樹葉型風(fēng)車的實(shí)度選為1，主要是考慮其對效率的影響。
三、葉柄的作用及其長度α的選擇
正象許多植物的葉子一樣，葉柄的作用是非常重要的。樹葉型風(fēng)車?yán)锏娜~柄，主要是適應(yīng)葉片壓力中心的變化，使作用在葉片上的風(fēng)力，盡可能多地用來推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)葉片壓力中心的變化規(guī)律，“樹葉-100”的葉柄長度α選定為葉弦的35%，葉柄的安裝角φ(見圖2)用下式計(jì)算
φ＝arc cos (C)/(2(R+α))
四、風(fēng)輪構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度。
風(fēng)輪構(gòu)件，按抗十級大風(fēng)來設(shè)計(jì)，在風(fēng)速為25米/秒時(shí)，“樹葉-100”轉(zhuǎn)速可以達(dá)到160轉(zhuǎn)/分。園周速也按25米/秒，這時(shí)作用在風(fēng)輪上的最大力為離心力。
離心力F＝m (V2)/(R)
m-葉片質(zhì)量14kg
R-半徑1.5m
F＝ (14×252)/1.5 ＝5833kg
五、啟動(dòng)和限制裝置
風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)后，葉柄的擺角在45度左右，把它限制在這個(gè)角度內(nèi)，就可以自啟動(dòng)。
進(jìn)一步縮小擺角，就限制了風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。“樹葉-100”采用離心限速裝置，見圖4。
六、搭架形式。
小型風(fēng)力機(jī)多采用立桿拉線，“樹葉-100”也采用這種形式，將動(dòng)力通過中心軸輸至地面，發(fā)電機(jī)5放在立桿下面。(見圖1)。
風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，正面阻力和側(cè)向力(馬格拉斯效應(yīng))均不十分明顯，因而立桿及其拉線的強(qiáng)度，可以按風(fēng)輪的重量參照一般運(yùn)動(dòng)構(gòu)件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
七、配套的選擇。
可以選用低速工作機(jī)與之配套，如往復(fù)式水泵、低速發(fā)電機(jī)等。
現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)一般的轉(zhuǎn)速都比較高，需要增變速裝置。當(dāng)風(fēng)速為5米/秒時(shí)，“樹葉-100”的主軸25轉(zhuǎn)/分，現(xiàn)選用的發(fā)電機(jī)在200轉(zhuǎn)/分開始工作，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)1∶8的增速箱。
上述風(fēng)力機(jī)的樣機(jī)，已試制出四臺，有的運(yùn)轉(zhuǎn)了一年多的時(shí)間，效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
本發(fā)明與已有的技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)輪的氣動(dòng)性能好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效率比較高;制造工藝簡單，容易安裝和維護(hù)，成本低廉，這就為大面積開發(fā)風(fēng)能資源創(chuàng)造了條件。
同時(shí)本發(fā)明的原理還可以作為一種水輪機(jī)，用來建造低水頭無壩水力發(fā)電站。
權(quán)利要求
1、樹葉型風(fēng)車由風(fēng)輪和立桿組成，其特征是所說的風(fēng)輪由園弧形葉片[1]、葉柄[2]和葉桿[3]組成。
2、按照權(quán)利要求
1所述的風(fēng)輪，其特征是所說的園弧形葉片的強(qiáng)度由靠近葉柄一端逐漸向葉尖減小。
3、按照權(quán)利要求
1所述的風(fēng)輪，其特征是所說的葉柄，其長度是葉弦的1/2到1/4，而且垂直于葉弦。
4、按照權(quán)利要求
1所述的風(fēng)輪，其特征是所說的葉柄和葉片為固定連接，葉柄和葉桿為活動(dòng)連接。
5、按照權(quán)利要求
1所述的風(fēng)輪，其特征是所說的葉桿裝有杠桿[6]和離心重錘[7]。
專利摘要
樹葉型風(fēng)車屬于垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新型式，這種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪由葉片、葉柄、葉桿組成。由于葉片相對于葉桿是可活動(dòng)的，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)的自動(dòng)迎風(fēng)，自我啟動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度，并且可以自動(dòng)進(jìn)行超速控制。同時(shí)由于圓弧形葉片將升力和阻力匯為一體，產(chǎn)生了推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的合力，提高了效率。
文檔編號F03D3/00GK85103919SQ85103919
公開日1986年10月22日 申請日期1985年4月27日
發(fā)明者李敏新 申請人:山東省萊蕪市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan