專利名稱:風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
本發(fā)明涉及到一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，它具有一個(gè)帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子，還至少有一個(gè)近似垂直的推進(jìn)葉片，該葉片總是安裝在至少一個(gè)轉(zhuǎn)子臂上，而該臂則可圍繞一個(gè)近似垂直的旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)，該風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置還具有一個(gè)與推進(jìn)葉片剛性連接的、沿旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在葉片前面的平衡塊。
帶垂直轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置已知有多種結(jié)構(gòu)型式。這類結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是，它們與風(fēng)向無關(guān)，并由于在風(fēng)向變化時(shí)不需要調(diào)整，因此用較少的造價(jià)就可制造。這類風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的基本缺點(diǎn)在于，推進(jìn)葉片的迎風(fēng)角在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈時(shí)連續(xù)地在一個(gè)最大值與一個(gè)最小值之間發(fā)生變化。這種迎風(fēng)角的變化，隨著高速系數(shù)的降低而增加。此外高速系數(shù)是指風(fēng)速與轉(zhuǎn)子園周速度的比值。
機(jī)械的或者其他強(qiáng)制性控制裝置機(jī)械方面耗費(fèi)很大、并需要較多的能耗，因?yàn)檗D(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，都要改變推進(jìn)葉片的安裝角以適應(yīng)迎風(fēng)角。此外，這種控制必須考慮到當(dāng)時(shí)的風(fēng)向。
一種在轉(zhuǎn)子臂上剛性安裝的推進(jìn)葉片，因而不需要安裝角適應(yīng)迎風(fēng)角的變化，致使風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的效率明顯地減小，因?yàn)樵谕七M(jìn)葉片上要產(chǎn)生一個(gè)最大可能的推動(dòng)力，只有在安裝角對(duì)于當(dāng)時(shí)瞬間迎風(fēng)角而言是最佳值時(shí)才有可能。不對(duì)稱的翼型可產(chǎn)生一個(gè)較大的推進(jìn)力，并使轉(zhuǎn)子有較高的效率，但不能在小的高速系數(shù)范圍內(nèi)應(yīng)用，因?yàn)樵谟L(fēng)角度變化較大時(shí)，會(huì)使氣流全部分離。因此到目前為止，在這個(gè)范圍內(nèi)只有對(duì)稱翼型才能應(yīng)用，但是效率是很低的。對(duì)稱翼型在小的到中等的高速系數(shù)范圍內(nèi)還存在的缺點(diǎn)在于，迎風(fēng)角的變化至少導(dǎo)致部分氣流分離，從而在部分失去推力的情況下導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加，結(jié)果使風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的總效率明顯下降。
前面所述的一種已知風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置(西德展出說明書DE-AS2602380)，其安裝在轉(zhuǎn)子臂上的推進(jìn)葉片是可自由旋轉(zhuǎn)的，因此就使推進(jìn)葉片在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈時(shí)能適應(yīng)不斷變化的迎風(fēng)角。因?yàn)橥七M(jìn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸大約位于葉片的前緣，因而是在葉片重心的前面，為此在旋轉(zhuǎn)軸的前面配置有一個(gè)抵消離心力影響的平衡塊，使得旋轉(zhuǎn)軸處于推進(jìn)葉片和平衡塊整個(gè)組成體的重心。
在這種已知的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置中，與轉(zhuǎn)速有關(guān)的離心力就此不會(huì)對(duì)推進(jìn)葉片的安裝角產(chǎn)生影響;安裝角只是在氣流動(dòng)力作用下適應(yīng)于某個(gè)數(shù)值，但該值并不能產(chǎn)生理想的推進(jìn)力，也就沒有滿意的效率。因此，這種已知風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的推進(jìn)葉片也只能做成對(duì)稱的翼型，也就只能產(chǎn)生很不理想的效率。
因此本發(fā)明的任務(wù)是設(shè)計(jì)一種屬于前面所述類型的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，它能保證自行啟動(dòng)，并能取得滿意的效率，尤其是在小的和中等的高速系數(shù)的情況下。
按照發(fā)明解決這個(gè)任務(wù)的措施是，使推進(jìn)葉片具有一種非對(duì)稱的翼型，還使推進(jìn)葉片和平衡塊整個(gè)組成體的重心沿旋轉(zhuǎn)方向位于旋轉(zhuǎn)軸的前面。
整體重心偏置于旋轉(zhuǎn)軸前面將導(dǎo)致，推進(jìn)葉片隨著轉(zhuǎn)數(shù)增加試圖占有一個(gè)較大的安裝角。氣流動(dòng)力克服增加轉(zhuǎn)速時(shí)由于離心力作用所產(chǎn)生的力;在某種力平衡情況下，推進(jìn)葉片對(duì)每個(gè)瞬間迎風(fēng)角總是占有一個(gè)有利的安裝角。由此并通過現(xiàn)在可能應(yīng)用一種非對(duì)稱翼型，就使效率有一個(gè)顯著的提高。
作用于非對(duì)稱翼型上的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)力矩在鄰近氣流范圍內(nèi)和迎風(fēng)角成線性關(guān)系。同時(shí)有一個(gè)離心力作用在推進(jìn)葉片上。因?yàn)闅鈩?dòng)升力、葉片力矩和離心力都取決于當(dāng)時(shí)速度的二次冪，則在每個(gè)速度也就是在每個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的迎風(fēng)角都會(huì)有一個(gè)平衡，也可通過偏置平衡塊來影響這個(gè)平衡。在中等的直至小的高速系數(shù)范圍內(nèi)還能可靠地避免氣流分離，這是因?yàn)槭拱惭b角能隨各種迎風(fēng)氣流情況而變所致。首先有可能的是，采用與對(duì)稱翼型相比具有明顯效率增益的非對(duì)稱翼型，因?yàn)樵谙嗤L(fēng)角情況下能達(dá)到高得多的升力系數(shù)。
風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的推進(jìn)葉片采用非對(duì)稱的翼型雖在西德公開說明書DE-OS 2816026中是已知的，然而這種推進(jìn)葉片是剛性固定在轉(zhuǎn)子臂上的，因此它不能適應(yīng)不斷變化的迎風(fēng)角。在這個(gè)已知的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置中，也只不過配置一種很特殊的、對(duì)迎風(fēng)角變化不太敏感的翼型，但它的效率卻是很低的。
按照發(fā)明構(gòu)思的一種最佳結(jié)構(gòu)型式是，使整體重心位于旋轉(zhuǎn)軸前面的距離最多相當(dāng)于平均翼弦的20%。
發(fā)明構(gòu)思的其他具有優(yōu)點(diǎn)的布置列在相關(guān)從屬權(quán)利要求
的技術(shù)內(nèi)容中。
下面就一個(gè)附圖中所述實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。附有圖1是以立體簡(jiǎn)化方式來表示一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，圖2表示一個(gè)沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖和圖3表示一個(gè)沿圖2中Ⅲ-Ⅲ線的剖面圖。
圖1所示的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置在一個(gè)掛桿1上裝有一個(gè)帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子2，就這個(gè)所述實(shí)施例而言，該轉(zhuǎn)子具有兩個(gè)水平的轉(zhuǎn)子臂3，在其端頭各裝有一個(gè)推進(jìn)葉片4。
該推進(jìn)葉片4(圖2)可用各種傳統(tǒng)制造方法來實(shí)施，例如可用塑料、纖維組合、金屬或木料制造方法。葉片4是垂直安裝的，并且在其中間部位可旋轉(zhuǎn)地置于一個(gè)垂直支承軸5上，該軸借助一個(gè)螺栓6和轉(zhuǎn)子臂3相連接(圖3)。支承軸5以其兩端安裝在推進(jìn)葉片4的兩根傳力肋上。由此構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)軸線8位于靠近推進(jìn)葉片4的葉片前緣處。推進(jìn)葉片4圍繞旋轉(zhuǎn)軸線8的自由旋轉(zhuǎn)度僅僅通過擋塊9來限制，該擋塊9以大約30°的夾角配置在轉(zhuǎn)子臂3的固定端兩側(cè)。
在突出于葉片前緣前面的葉片前端10內(nèi)配置有一個(gè)與推進(jìn)葉片4剛性連接的平衡塊11，它的作用是使推進(jìn)葉片4和平衡塊11整個(gè)組成體的重心12，沿轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)方向位于旋轉(zhuǎn)軸線8的前面(如圖2突出顯示的)選定平衡塊11的尺寸和有效杠桿力臂時(shí)應(yīng)使整體重心12到旋轉(zhuǎn)軸線8的距離最多為推進(jìn)葉片平均翼弦的20%。
如從圖2可知，推進(jìn)葉片4具有一種非對(duì)稱的翼型，這對(duì)推進(jìn)效率是特別有益的。在從轉(zhuǎn)子臂3過渡到突出的葉片前端10外罩或到推進(jìn)葉片4的部位上，適當(dāng)?shù)匮b有一個(gè)彈性的開縫罩13。
轉(zhuǎn)子2可以制成具有任意數(shù)量的推進(jìn)葉片4和轉(zhuǎn)子臂3，例如也可做成單葉轉(zhuǎn)子。即使是在低風(fēng)速的情況下，轉(zhuǎn)子2不用啟動(dòng)輔助裝置仍可自行啟動(dòng)。不言而喻，帶平衡塊11的推進(jìn)葉片4的總質(zhì)量要盡可能小，以避免引起過大的氣動(dòng)慣性力。這種對(duì)平衡塊11作簡(jiǎn)單的位置改變，就能使各種所應(yīng)用葉片形態(tài)特性有一個(gè)理想的適應(yīng)。
旋轉(zhuǎn)軸8可設(shè)在靠近葉片前緣或者設(shè)在葉片前緣后面很近處。根據(jù)葉片形態(tài)(例如，呈負(fù)的或正的箭形)位于推進(jìn)葉片4中間高度的旋轉(zhuǎn)軸8也可安置在葉片前緣的前面，或在葉片前緣后面較遠(yuǎn)處。
權(quán)利要求
1.風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置具有一個(gè)帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子，還至少有一個(gè)近似垂直的推進(jìn)葉片，該葉片總是安裝在至少一個(gè)轉(zhuǎn)子臂上，而該臂則可圍繞一個(gè)近似垂直的旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)，該風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置還具有一個(gè)與推進(jìn)葉片剛性連接的、沿旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在葉片前面的平衡塊，其特征在于推進(jìn)葉片(4)具有一種非對(duì)稱翼型，并且推進(jìn)葉片(4)和平衡塊(11)整個(gè)組成體的重心(12)沿旋轉(zhuǎn)方向位于旋轉(zhuǎn)軸(8)的前面。
2.按權(quán)利要求
1的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，整體重心(12)位于旋轉(zhuǎn)軸(8)前面的距離最多相當(dāng)于平均翼弦的20%。
3.按權(quán)利要求
1的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，推進(jìn)葉片(4)設(shè)有一個(gè)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)角限制裝置(9)。
4.按權(quán)利要求
1的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，平衡塊(11)配置在一個(gè)突出于葉片前緣前面的葉片前端(10)內(nèi)。
專利摘要
一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置具有帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子，它在每個(gè)轉(zhuǎn)子臂上裝有垂直的推進(jìn)葉片，該葉片可圍繞一個(gè)靠近葉片前緣安置的垂直軸自由旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)突出于葉片前緣前面的葉片前端內(nèi)配置有一個(gè)平衡塊。推進(jìn)葉片和平衡塊整個(gè)組成體的重心位于推進(jìn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸之前。推進(jìn)葉片做成非對(duì)稱翼型，它可在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈過程中適應(yīng)各個(gè)理想的安裝角。該風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置在中等的和小的高速系數(shù)下也有高的效率，并能自行啟動(dòng)。
文檔編號(hào)F03D7/06GK86103147SQ86103147
公開日1987年5月13日 申請(qǐng)日期1986年4月3日
發(fā)明者邁克爾·馬丁 申請(qǐng)人:赫脫轉(zhuǎn)動(dòng)體有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan