[發明專利]一種新型垂直軸風力機裝置

無效

• 申請號: 200810070949.3
• 申請日: 2008-04-23
• 公開（公告）號: CN101260862A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 楊登清;楊晶菁
• 申請（專利權）人: 楊晶菁
• 主分類號: F03D3/00
• 分類號: F03D3/00;F03D3/06;F03D7/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本專利技術屬于機電一體化領域，涉及風力利用技術，能應用自然界可再生能源——風力為人類發電、提水灌溉、驅動各類旋轉工作機。

背景技術

隨著社會經濟的發展，能源越來越緊張，風力作為一種不污染環境的可再生能源，在發電等領域日益受到重視，獲得廣泛應用。目前應用比較成熟的風力機大部分均為水平軸，受環境的影響，其動力常常要通過機構轉換成垂直軸的才能用于驅動工作機，使機構復雜、能量消耗、造價提高、安裝困難，降低了風能的利用率，限制了其應用范圍。

發明內容

本專利技術通過對葉片方向的控制，始終保持分布在兩半圓的葉片具有不同的受力面積，一半的葉片以盡寬大的面積對著風吹來的方向，并產生最大的切向推動力，徑向力基本相互抵消；而另一半的葉片以窄小的流線形面積對著風吹來的方向，產生盡可能小的切向推動力，并使其差異最大。在同向風力作用下，其切向的推動力可以產生轉矩以直接推動垂直軸旋轉，帶動工作機(如發電機)做功。

葉片2的橫截面形狀為扁長的流線形，以利于通過改變不同分布位置葉片承受風力的面積來改變葉片所受到風的推力，有利于產生最大的切向力。其下部固定著同軸齒輪，由齒條4推動，可以繞自身的軸線作附加的轉動。這樣，葉片在風力的推動下，可帶動葉片架6和垂直軸1·繞垂直軸中心轉動做功，同時根據產生最大切向力的需要繞自身軸線自轉。齒條受凸輪5的導軌和彈簧7的共同作用沿凸輪徑向做往復遠動，驅動葉片自轉。為了減小摩擦，齒條的頂端裝有單列向心球軸承9以滾代滑。

為了產生最大的切向力，凸輪導軌的設計至關重要。首先必需保證導軌有一個固定的軸線與風向平行，本專利通過在凸輪上加裝風向標，使導軌的一個軸線隨風向擺動，使之與風向基本平行。如圖3所示，設豎軸為與風向平行的方向，其與導軌的交點為B，從B開始繞逆時針方向轉360度，將導軌分成三段曲線，其中二段為阿基米德螺線，一段為圓弧。從導軌橫截面看，由正對著風向的導軌面上的一點(即豎軸與導軌的交點)，其與凸輪旋轉中心的距離為R；按逆時針方向轉過150度，其距離仍然為R，這一段導軌曲線為圓弧。再按逆時針方向轉過30度，其距離變為R+πd；繼續按逆時針方向轉過180度，其距離又變為R；這二段導軌曲線均為阿基米德螺線。其中R為導軌面到凸輪旋轉中心(與垂直軸同軸)的原始中心距，d為葉片下部固定連接的齒輪分度圓直徑。第一段導軌可使葉片繞垂直軸轉動時其對稱面(即導軌橫截面的長軸)沿導軌徑向分布，以盡可能寬大的側面承受風力，并有利于產生切向力，切向力則產生推動垂直軸轉動的有效轉矩；第二段導軌可使葉片在繞垂直軸逆時針轉動的同時，另外附加逆時針轉動180度，使葉片以扁長流線形對稱面與風向平行，這時葉片基本上位于風力產生轉矩的死點附近，對于風力產生的轉矩影響不大。；第三段導軌可使葉片在繞垂直軸逆時針轉動180度的同時，另外附加順時針轉動180度，使其對稱面始終保持與風向平行，這時風力產生的阻力矩最小。各段導軌間用平滑曲線連接。由于葉片在第一段時產生的有效轉矩大大地大于其在第三段時產生的阻力矩，推動垂直軸作逆時針的持續轉動，使本風力機能夠產生有效的轉矩，不需要通過機構變換轉軸的方向，就可以直接推動載荷(工作機)做功。上述導軌曲線產生逆時針方向的轉矩，如果需要產生順時針方向的轉矩，可以按照前述原理，將導軌曲線反方向就能實現。

附圖說明

圖1為本風力機主視圖，表示風力機正常安裝時的結構示意。

圖2為葉片繞垂直軸轉動時，在導軌和齒輪齒條機構共同作用下，在不同位置的葉片朝向。

圖3表示導軌及風向標的結構示意。

圖4表示葉片及其軸上齒輪的結構示意。

圖5表示齒條和其頂端連接的單列向心球軸承的結構示意。

具體實施方式

本專利設計的風力機葉片要滿足既能夠推動垂直軸轉動(從遠動學即公轉)，其本身又能夠在齒輪齒條機構的作用下繞自身軸線作必要的轉動(即自轉)，還要有利于產生盡可能大的轉矩，因此設計成扁長的流線形。在寬面迎風時產生盡可能大的推力，轉過90度以窄的流線形迎風時產生盡可能小的推力。葉片可采用玻璃鋼材料制成，表面磨光以減小阻力。齒輪齒條可采用金屬(或工程塑料)直接壓鑄成型，以減少機械加工量。它們可安裝在齒輪齒條座3中，齒輪齒條座固定在葉片架上，葉片架固定在垂直軸上，葉片的推力通過葉片架推動垂直軸旋轉。葉片可在圓周方向上均勻地分布3對(根據需要也可以均布4對)，導軌方向的布置可使葉片寬面從垂直于風向的方向往平行于風向的方向轉動，或從平行于風向的方向往垂直于風向的方向轉動時，均安排在風力產生轉矩的死點附近，盡可能減小對有效轉矩產生不利的影響。為了使凸輪導軌的豎軸跟隨風的方向，在凸輪上固定連接一個風向標8，保持導軌的豎軸基本跟隨風向，使兩半圓分布的葉片保持不同的分工，這樣可直接產生最大限度的垂直軸轉動扭矩，不必通過相關機構改變扭矩的方向，在一定風速時即可驅動相關設備工作，機構簡化、安裝方便、造價適宜、便于推廣。