立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机的制作方法

专利名称：立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风能利用装置，具体地说就是涉及一种立轴双层 反向旋转组合式水平活动翼风力机。
背景技术：
风能的开发利用已经日益引起人们的注意，为了进一步提高风能 的利用率，从上世纪五十年代人类就开始尝试制造立轴式风力机。但
是，尽管人们对立轴式风力机的研究己经持续了半个多世纪，但始终 没有突破式的进展。综合各方面的资料，当前公知公用的立轴式风力 机存在的不足主要在于1、受自重的影响，叶片活动不灵。为了减 轻叶片的重量，就宴釆用高科技的材料，从而增加了成本；2、诸多 活动关节都暴露在外。这样，不但难以保证润滑，而且极易受雨雪沙 尘的侵蚀；3、无限速装置，在强风中难以保证风力机的寿命。
最近从网上査到日本的一家公司研制的船用立轴式垂直翼风力 发电机已经在一艘邮轮上开始试运行，这应该是当前最先进的机型 了。因为我在2004年申请专利之前曾检索过大量的国内外有关资料， 所以不难分析出其工作原理
既然是垂直翼那就既可能是悬挂式(翼轴在叶片的顶部)也可能 是侧轴式。如果是悬挂式的话，就必然要求叶片采用特殊材料制造(美 国的风力机销售网就介绍说是采用了碳纤维材料)，肯定就要大大地
增加成本费；如果是侧轴式的话，那么每次停机后所保持的状态就不 一定是最佳状态，而且其翼轴下端极易堆积污物造成运转不良……
经过比较，我认为我的这台立轴双层反向旋转组合式水平活动翼 风力机比日本的垂直翼风力机起码有以下几点长处
1. 我的风力机巧妙地运用了不平衡稳定原理，在保证强度的前提 下，完全不必考虑叶片自身重量；
2. 我的风力机每次停机后都能自动恢复为最佳待机状态，提高了 效率；
3. 我的风力机采用了最简单的机械调速装置，可以说除了龙巻风 之外能在任何级别的风中工作；
4. 我的风力机所有活动关联部件都是密封的，可以保证在任何恶 劣的环境中工作；
5. 我的风力机是双层反向旋转式，有效地解决了整机扭转问题(这 对于船舶来说尤为重要)。
6. 我的风力机设计成整机可以平放的形式，这一点对于船舶来 说尤为重要。

发明内容
本发明是在本人于2006年5月3日获得授权的《新型立轴式活 动翼风力机》实用新型专利(专利号ZL200420096160.2)的基础上
进一步改进而成。
本发明的目的是提供一种新型的立轴式风力机。本发明的技术方 案是这样实现的
一种立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机，主要由支撑装 置、叶片等构成，还包括活动翼联动机构、调速机构、主限位装置、 辅助限位装置、辅助启动装置和叶轴；其中活动翼联动机构设置于 支撑装置主体内，主限位装置安装于联动齿轮箱的内壁上，辅助限位 装置安装于上叶片的尾部以及上下两叶片的前端，调速装置位于叶轴 和联动齿轮之间，辅助启动装置设置于支撑装置的主体上。
所述支撑装置主体为圆筒，其主体外圆上分布四组支撑叶轴的悬 臂，悬臂内装有轴瓦与叶轴滑动配合，悬臂外端装有与叶轴配合的密 封圈。
所述活动翼联动机构中的活动翼叶轴与联动齿轮以花键相关联， 每组组合翼有两个叶片，可以灵活地开合，而且左右对称的两组翼也 能够相互联动，并作出相反的动作——即当顺风翼的两叶片的夹角由
90°张开为180°时，相对应的逆风翼的两叶片的夹角同时由90。闭 合为0° 。为避免恶劣的自然条件对本机的影响，所述风力机所有需 要润滑的部件都密封在支撑装置内。.
所述调速机构为叶轴与联动齿轮相关联的花键，辅助限位机构安 装在每个叶片的前端和上叶片的尾部，辅助启动装置是由风向标、风 向标立轴、滚珠轴承、密封圈、滚轮、拨杆等部件组成。
本发明较之现有的技术具有的优点为1)采用了不稳定平衡原 理，只要左右对应的两个叶片的重量相同，活动翼就可以灵活开合， 提高了风力机的效率，降低了制造成本；2)采用了简单的机械调速 方式，保证本发明在强风中能正常工作，提高了风力机的寿命；3) 停机后能自动恢复并保持最佳待机状态，同时又设置了辅助启动装 置，降低了启动风速的要
求，提高了弱风利用率；4)本发明巧妙地将两个转向不同的风力机
安装在一起并同时驱动同一台设备，解决了基础设施的受力问题，特
别适用于船舶。5)结构简单合理，充分考虑
到加工工艺和安装工艺，适合工业化生产。


图1为整机外观示意图
图2为总装示意图
图3为上层支撑装置内的联动、限速部分的立体示意图 图4为下层支撑装置内的联动部分的立体示意图
图5为动力输出部分的立体示意图
图6、 7为辅助启动装置的原理图
图中1-风向标立轴，2-密封圈，3-滚珠轴承，4-上层支撑 装置的上端盖，5-滚轮，6-异型拨杆，7-上联动齿轮箱的上端盖，8-滚轮，9-直拨杆，10-上支撑装置的筒型主体，11-联动齿轮箱侧 壁，12-定位销子，13-螺母，14-弹簧，15-推力轴承，16-滑动轴承， 17-上叶轴，18、 19、 22、 23-上层风力机的联动齿轮，20-下叶轴， 21-垫片，24-上支撑装置的下端盖，25推力轴承，26-滚珠轴承， 27-密封圈，28-下联动齿轮箱的上端盖，29-下联动齿轮箱的侧壁， 30-下层支撑装置的主体，31-下层风力机的上叶轴，32 、 33、 35、 36-下层风力机的连动齿轮，37-总机安装支架，38 -下层风力机的 动力输出轴，39-上层风力机的动力输出轴，40-悬臂，4卜上叶片， 42-上叶片前端的辅助限位框架，43-上叶片尾端的辅助限位框架，44-受力机械动力输入轮，45-换向论，46-下层风力机的动力输出轮，47-上层风力机的动力输出轮，48-活动基础，49-铰链。
具体实施例方式
本发明的上、下两层风力机的结构几乎完全相同，均由支撑装置、 活动翼联动机构、调速机构、限位装置构成。不同之处仅在于上层风 力机安装有风向标以构成辅助启动装置，而下层风力机的联动齿轮因
为要穿过上层风力机的动力输出轴所以相对要复杂些(图4);而且， 两层风力机是以相反方向运转可以使整机的旋转扭力抵消为o。
下面以上层风力机为例结合附图和具体实施方式
对本发明作进 一步的说明和描述。1、支撑装置支撑装置的主体10为圆筒状，纵向安装于动力输 出轴39上，两者的轴心线重合。在支撑装置主体10的外圆上分布两
组(每组两个)支撑叶轴的悬臂40，悬臂内安装滑动轴承16与叶轴
滑动配合。悬臂外端安装密封圈，以防止水份和沙尘侵入支撑装置内。
在支撑装置下端盖24的上表面安装联动齿轮的箱体(由四块支撑板 组合而成)，该箱体的顶部安装端盖7以安装辅助启功装置同时加强 箱体的强度。
左右对称的两组悬臂的轴心线与支撑机构主体的轴心线在同一 垂直平面内；左右相对的两个悬臂的轴心线重合，从而使相对的两组 悬臂的轴心线形成上下两根水平线，四组悬臂的轴心线形成四根水平 线，分处在两个垂直平面上，这两个平面又在支撑装置主体的轴心线 上垂直相交;但是四根水平线并不相交，其中一根水平线从另一组(两 根)水平线的空间穿过。
2)活动翼联动机构活动翼联动机构是本发明区别于以往各种 立轴机的关键之处，其创新点在于不但一组活动翼的两个叶片能互 相联动，而且其左右对称的两组活动翼也能够互相联动。
如图2、 3所示，叶轴17和20分别与联动齿轮18和19相关联 (叶轴的内端是螺旋花键，联动齿轮的相应位置安装有定位销子12 与之配合)。俯视时，风力机做顺时针旋转，叶片42和叶片48分别 以向右上方倾斜45。和向右下方倾斜45。的角度安装到叶轴17和叶
轴20上。四组活动翼均按此方式安装，形成图1所示的四个翼均呈 90°夹角，顺向排列的形式。由于左右相对的两组翼相关，这样，当
顺风翼的夹角张开成180。时，其对应的那组逆风翼的夹角就必然成 为0° 。这种结构隐含着不稳定平衡原理——下水平线上的左右两个 叶片平时总要以"A"的状态保持平衡，而上水平线上的左右两个叶 片被迫成"V"形状态。这种状态是极不稳定的，在两组翼相对应的 叶片重量基本相同的情况下，无论哪个翼受到外力的一点作用，两组 翼的夹角立即就会发生变化，从而增大两翼的扭力差，为本发明提供 旋转的动力。
联动齿轮18、 19为节径和模数相同、互相啮合的扇形齿轮(图 3、 4)，其节径应略大于轴径的1.5倍，以便安装另一个垂直方向的 联动齿轮。叶轴17和20从悬臂外端穿入并与联动齿轮关联，靠张力 弹簧14定位并用螺母13锁紧以保证各叶轴在平时既不产生轴向窜 动，又能灵活转动；为避免张力弹簧14与支撑装置主体10之间的磨 擦力影响叶轴的转动，在弹簧14和支撑装置主体10之间加有推力轴 承15;又因为支撑装置主体10是圆筒状，所以在推力轴承15与支 撑装置主体10之间加有垫片21， 21的内侧是与叶轴垂直的平面，外 侧则是与IO的内壁相同弧度的弧面。本发明在静止状态时，每组活 动翼的两个叶片呈90。夹角，其前端在水平方向上不应有间隙，这 样当活动翼的尾部受风时，空气会在两叶片之间产生涡流，从而迅速 打开两叶片的张角；与此同时，另一侧的活动翼的两个叶片则是 外侧受力，迫使其闭合，而只要两叶片的前端稍微打开一点，从缝隙 处进入的气流又会使两叶片内侧形成负压，从而在内外两种压力下 迫使两叶片迅速闭合。而这两个组合翼又是互相连动的，即顺风翼的 打开和逆风翼的闭合是同时的、相辅相成的。为达到这一目的，就要
设法保证两叶片在静止状态(待机状态)亦即其夹角为90°时，前
端不但要闭合而且还要尽量减少叠合量，本发明是采用上叶片略大于 下叶片、由下叶片的前端顶在上叶片的下方的方式来解决的。为了保
证两叶片能灵活转动，就要保证其在夹角为180°时，不在同一垂直 平面内，可以将上叶片安装在上叶轴的前方，而下叶片安装在下叶轴 的后方。为了增加安装的牢固度，本发明把每个叶轴的滑动部分设计 使用钢管，内段的螺纹暨键槽部分设计使用实心钢材、而处于密封圈 外的部分设计使用扁方钢管。考虑到两叶片离联动齿轮太远，为避免 在风力的作用下打开角度超过180。从而造成叶轴的扭曲变形，上叶 片的前部安装一 "U"型框架，当组合翼的夹角为180°时，上叶片 的前端应该能借助下叶轴定位，而下叶片的前端也安装两根钢性较好 的材料以便借助上叶轴定位。根据图纸不难分析出，当顺风翼受力张 开时，其相对应的逆风翼在风力的作用下恰好并拢而成(T 。
3)调速机构本发明的调速机构很简单却绝对有效，它是通过 叶轴与联动齿轮相关联的花键来完成的，该花键不是一般的花键而是
带有一定导向角的螺旋花键。
如图3，所述的每组活动翼的上下两根叶轴的花键的导向角是反 向的一一上叶轴的花键是左旋的，下叶轴的花键是右旋的。这样，当 风力机的转速超限时，叶轴的离心力大于弹簧14的张力就会向外发 生位移，其结果是顺逆风两组叶片的张角都将变小。不难分析出，顺 风翼将由原先的180°张角变小为不足180° ;同时，逆风翼的张角
将由o。变为负度数，这种情况的极限是风力机会发生倒转。为了避
免这种情况的发生，本发明在每组活动翼的上叶片的尾部下方安装一
"U"形框架，保证逆风翼的最大闭合角度为0° 。不难分析得出，
当风力机转速超限，逆风翼就会在连动齿轮尚未到达限位位置时停止
闭合，同时，顺风翼也就会在其张角尚未达到180°时停止继续打开。 于是顺、逆风两翼的扭力差变小，风力机的转速也就慢下来了。进而 可以推知，如果我们采用人工的方法使叶轴位移迫使其夹角为O。， 在这样的情况下，无论什么级别的风也不会使风力机转动了。
所述叶轴的螺旋花键的导向角为45。，甚至还可以再小一些。我 们不难推知，风力机自动调速时根本不需要顺风翼的夹角成为O。。 而且，螺旋角过大可能会造成轴向滑动，从而影响风力机的效率；但 也不可过小，以免为了调速而需要较大的位移，从而增大了支撑机构 主体的体积。另外，叶片的活动范围仅为90° ，所以，联动齿轮设 计成扇形， 一是没有必要做成整圆，二则可以在齿轮箱体安装限制齿
轮活动范围的限位块。
为了使叶轴能与连动齿轮相关联，联动齿轮的适当位置安装有定 位销子。这是考虑到如果在连动齿轮的轴孔内加工螺旋花键槽比较困 难；同时，在一般情况下这种结构形式足以保证整机的性能。尤其是 在极其特殊的情况下，如果风力所形成的叶片扭转力致使定位销子切 断的话，倒也是一种保护整机的措施。
4) 限位装置限位装置分为主限位装置和辅助限位装置——一主 限位装置安装在联动齿轮箱体上限制联动齿轮的转动角度，辅助限位 装置安装在每组组合翼的上叶片尾部下方，以保证逆风翼的两个叶片 夹角成0。状态；另一组限位装置安装在每个叶片的前端，用以保证 顺风翼的张角不大于180° 。
5) 辅助启动装置当本发明在弱风中转动时，顺风翼需要与风 向有一较大的夹角才能打开两叶片的夹角。而逆风翼旋转到轴向正好 对准风向(我们称其为"准顺风翼")时，如果能够立即把夹角打开 到180° ，则会极大地提高风力机的效率。为达到这一目的，本发明 设计了辅助启动装置。
辅助启动装置是由风向标51、风向标立轴1、滚轮5和7、异 型拨杆6、直拨杆10以及齿轮箱端盖9组成。
由说明书附图可知，上层风力机的端盖上安转风向标，其垂直 支撑轴的轴心线与主体的轴心线重合，并通过滚珠轴承与主体端盖相
关联；联动齿轮箱的端盖上有四个轴套，其轴心线分别与四组 叶轴的轴心线在同一垂直平面内，轴套内安转异型拨杆的水平部分并 能自由转动；异型拨杆的两端是两个一长一短的竖直杆，长杆靠近风
险标的垂直支撑轴，短杆位于齿轮箱的外侧，短杆的下端安装一水平 轴滚轮，其轴心线与水平部分的轴心线的同一垂直平面内，且位于短
杆外侧；异型拨杆经过配重使其在无外力作用时总是成直立状态；风 向标垂直轴在主体内部的适当高度与风向标见头痛方向安装一水平 轴滚轮；在每组活动翼的上叶轴上安装有直拨杆9，当两叶片的夹 角为0° 、亦即叶片呈水平状态时9与异型拨杆下端的滚轮8相接触。 这样，当风力机旋转时，由于风向标并不旋转，所以，风力机每旋转 1 / 4周便有一组逆风翼成为准顺风翼，该翼的直拨杆10开始与滚轮 7相接触，再继续旋转6便被5所迫向右倾斜，同时滚轮8带动9向
左倾斜，于是，顺风翼就打开了。
为保证风向标的指向不受拨杆6的影响，风向标的尾翼应尽量的
大，所述滚轮5在立轴1上与风向标的箭头同向，但实际上应该有适 当的提前量，该提前量为逆风翼成为准顺风翼时，叶片夹角张开为 90°为宜。
对于大型甚至超大型风力机来说，进行支撑主体内部的安装和维 修一般必须进入到内部。为确保工作人员的安全，可以使叶轴外移自 然成为水平状态并固定，这样即便偶尔来风也不致使风力机转动了。
本发明为了提高风力机的效率、也更为了减少风力机工作时对基 础所造成的扭力(这对船用机来说是很重要的一个先决条件)，本机 设计成双层结构，上下两层风力机在受风时的旋转方向正好相反。因 为两层风力机同时驱动同一设备，因此，整机对基础的扭力就会相互 抵消。为达这一目的，动力输出采用了如图5所示的结构上层风力 机的动力输出轮47和设备的齿轮44直接啮合，下层风力机的动力输
出轮46则和换向齿轮45的上部相啮合，46上下两个齿轮是完全相 同的，中间之所以设计了一段光轴是为了避开齿轮47。
对于船用机来说，虽然双层结构可以使整机扭力减小为0，但是 还要考虑到万一遇到强侧风的特殊情况，本发明设计了可以整机放倒 的形式就解决了这一问题。解决方案是这样的动力输出的换向轮和 发电机的齿轮在同一基础上，风力机的安装架所在的基础48以铰链 49与固定基础相关联，铰链安装于换向轮和电动机齿轮与风力机动 力输出轮啮合面的切点连线的上方，并且于该连线呈水平状。这样在 需要的时候就可以很轻松地把整机放倒了，而在再次扶起时只要稍微 注意一下齿轮的啮合就可以了， 一点也不复杂。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举 例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术 人员来说，在上述说明的基础上还可以作出其他不同形式的变化或变
动。这里无需、也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发 明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范 围之中。
权利要求
1. 一种立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机，由支撑装置、叶片等组成，其特征在于还包括活动翼联动机构、限位装置、辅助启动装置、调速机构和叶轴；其中活动翼联动机构设置于支撑装置主体内，叶片与叶轴关联，调速装置位于叶轴和活动翼联动机构的联动齿轮之间，限位装置安装于联动齿轮箱的侧壁上，辅助限位装置安装在上叶片的尾部，辅助启动装置设置于支撑装置上。
2、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于所述支撑装置共有上下两个，两个支撑装置均为 圆柱状并互相关联，围绕同一个垂直轴心旋转；不过旋转方向正好相 反。
3、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于每个圆柱状支撑装置的主体外圆上分布四组支撑 叶轴的悬臂，悬臂内装有轴瓦与叶轴滑动配合，悬臂外端装有与叶轴 配合的密封圈。
4、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于所述活动翼联动机构的每一组联动机构都是甴两 根上叶轴、两根下叶轴、四个叶片和两个同节径、同模数的相互啮合 的联动齿轮组合而成，连动齿轮两端适当位置安装销子与叶轴的花键 配合。
5、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机，其特征在于所述活动翼联动机构的一个联动齿轮垂直交叉穿 越另一组联动机构的上下两个联动齿轮之间。
6、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于在每个齿轮箱体的侧壁的适当位置安装限位块， 以限制联动齿轮活动范围；同时，在每个上叶片的尾部下方安装一"U"形框架、前端安装"U"型框架作为辅助限位装置。
7、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于:所述调速机构的花键是螺旋花键。
8、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风 力机，其特征在于所述辅助启动装置，在安装于上支撑主体的风向 标的立轴上安装滚轮(31)并且在上支撑装置内的联动齿轮箱的上端 盖上安装异型拨杆，同时，在上支撑主体的每组活动翼的上叶轴上安 装拨杆(28)。
9、 按照权利要求1所述的立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机，其特征在于所述的安全放置状态，在于整机安装所在的钢板 采用铰链与基础连接，当环境需要把整机放平时，可以轻松地达到目的。
10、 按照权利要求1所述的立轴组合式水平活动翼风力机，其特征在于如需在直立状态下进行维修的话，可以在外部或内部通过叶 轴外移而使叶片呈水平状态，这样，风力机在受风时就不会旋转从而保证了维修人员的安全。
全文摘要
本发明公开了一种新型立轴组合式水平活动翼风力机，其主要由上下两层几乎完全相同的支撑装置、叶片等组成，同时还包括活动翼联动机构、调速机构、叶轴、限位和辅助限位装置以及辅助启动装置。活动翼联动机构可以使叶片组能够轻松地开合，提高了风力机的效率。因为该机设计成双层反向旋转的形式，所以既提高了风能利用率，又减少了整机的扭转力，同时该机设计有整机平放装置可以在需要的时候轻松地把整机放倒，因此更适合于船舶使用。设计时充分考虑了加工工艺和安装工艺，适于工业化生产。
文档编号F03D3/00GK101205870SQ200610170909
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月23日 优先权日2006年12月23日
发明者侯显堤, 徐丰田, 王肇泰 申请人:王肇泰