立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机的制作方法

文档序号:5245901阅读:219来源:国知局
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
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1