一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机的制作方法

本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种翼臂可自动伸缩的垂直轴阻力型风力机。

背景技术：

风力机可按其转动轴与水平面的几何关系分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类，而垂直轴风力机按照风力机叶片的工作原理又可以分为升力型和阻力型两种。垂直轴升力型叶片在风力作用下产生升力，形成风力机旋转扭矩，特点是风能利用率较高，但其启动风速要求高，只适合在风能资源丰富的地区使用；阻力型叶片是依靠叶片对风产生的阻力，其反作用力推动风力机旋转，特点是风能利用率较低，但其启动风速小，产生的转矩大，适合在风能资源不丰富的地区使用。

阻力型风力机是利用风吹向凸形面和凹形面叶片会产生不同风阻的原理工作的。传统垂直轴阻力型风力机运行时，凹面迎风的叶片(以下简称迎风叶片)比凸面迎风的叶片(以下简称背风叶片)产生更大的风阻，因此迎风叶片产生的正向推力矩与背风叶片产生的负向阻碍力矩的合力矩才是推动风力机旋转做功的有效力矩。

为了提高风力机的有效力矩，发明专利(申请号：201510328859.x)公开了“一种可变翼垂直轴阻力型风力机”结构，使叶片在迎风侧自动打开，并在背风侧收起，改善了叶片对风力机的有效推力矩。本发明则设计一种翼臂自动伸缩式风力机结构，在可变翼的同时，能自动增大迎风侧翼臂，减少背风侧翼臂，从而提高风力产生的有效旋转力矩。

技术实现要素：

技术问题：根据阻力型风力机的有效输出力矩等于迎风叶片侧和背风叶片侧产生的力矩之差的工作原理，本发明设计了一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机，通过自动增加迎风叶片侧的驱动力臂，减小背风叶片侧的阻碍力臂的方法，提高风力机的有效输出力矩。

该风力机工作过程是：当风吹向叶片时，迎风叶片(凹面)在风力的作用下绕其叶片转轴旋转张开，以增加迎风面积；迎风叶片转轴在自转的同时，沿转轴导轨向远离风力机转动轴的径向移动，直到叶片完全张开；

与此同时，背风叶片(凸面)在风力的作用下旋转收缩；背风叶片转轴在自转的同时，沿转轴导轨向靠近风力机转动轴的径向移动，直到叶片收缩动作受到挡块限制为止。

两叶片转轴的径向移动相互配合，在伸长迎风叶片侧驱动力臂的同时，减小背风叶片侧的阻碍力臂，从而在同等风力的情况下，使风力机获得更大的输出转矩。

技术方案：本发明一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机由叶片、叶片转轴、齿轮、齿条、导轨、滑块、轴承及轴承座、滑块限位缓冲器、齿条固定板、风力机旋转架、风力机转动轴等组成。

其特征在于风力机叶片与叶片转轴固定连接，靠近叶片转轴的两端附近各固定有一个齿轮，组成叶片组件；

在风力机旋转架的上下底板内侧，平行对应安装两个导轨，导轨沿风力机转动轴径向布置，导轨上配备滑块，组成导轨滑块组件；

导轨滑块组件上，配备两个叶片组件，叶片组件相对于滑块中心对称布置，通过轴承及轴承座，把各叶片转轴端部与滑块连接，使转轴可以一边转动，一边随着滑块在导轨上滑动；

齿条通过其固定板安装在风力机旋转架上，使当齿轮在滑块上沿导轨滑动时，齿轮可以与齿条正常啮合。

并注意，使用齿轮齿条机构时，各叶片组件上的齿轮在滑块上安装的位置要保证齿轮只能和导轨一侧布置的齿条啮合，并且不与另一侧布置的齿条发生干涉；

这样，当两个叶片转轴相互反向转动时，各转轴上的齿轮在与各自齿条啮合时，将沿导轨的同一方向移动，从而使两叶片转轴与风力机转动轴之间的距离发生了一伸一缩的变化。

以上，由对称两叶片组件、导轨滑块、齿轮齿条及风力机旋转架等组成的翼臂自动伸缩机构，形成垂直轴阻力型风力机的基本单元。

一部实用的风力机可由上述若个基本单元通过轴向叠加组成。叠加时保证风力机转动轴的统一，并使各基本单元的叶片导轨相互均匀错开一个角度，并避免叶片转动时的相互干涉。

本翼臂自动伸缩式风力机的工作过程是：当风吹向风力机时，迎风叶片在风的作用下绕其转轴旋转打开；

与此同时，叶片转轴带动齿轮转动并与固定的齿条啮合，从而使叶片转轴在自转的同时，带动滑块沿导轨向远离风力机转动轴心的方向移动一段距离，使迎风叶片的翼臂自动伸长，直到叶片打开到风阻最大后，滑块限位缓冲器限制叶片轴的继续转动；

背风叶面在风力作用下绕其转轴旋转收拢，带动滑块向靠近风力机转动轴心的方向移动一段距离，使背风叶片的翼臂自动缩短，直到受到滑块限位缓冲器限制。

进一步地，所述的叶片组件中，叶片为一面凹一面凸的薄壁面，也即通用阻力型风力机的叶片形状，并在一侧与其转动轴固定连接，使叶片在风力的作用下形成绕转动轴的转矩。

进一步地，所述的叶片组件中，两齿轮的参数一致，与叶片转轴要固定连接，并在叶片转轴两端留出安装轴承的轴端。

进一步地，所述的叶片组件在一个风力机基本单元中成对使用，并按导轨滑块中心对称布置，即使一侧的叶片凹面迎风时，对应另一侧的叶片凸面迎风。

进一步地，所述的风力机旋转架是由上下底板及两侧支撑件组成的一个风力机基本框架，是风力机基本单元中零部件的安装机架，基本单元之间可通过上下底板的连接，叠加组成风力机的主体，并最终通过统一的风力机转动轴输出机械能。

进一步地，所述的齿条固定板安装在导轨两侧并与导轨平行，固定板上各承载一根齿条，用于与对应侧叶片转轴上的齿轮啮合，并保证齿轮在齿条上啮合滚动时，可以通过叶片转轴及轴承座带动导轨上的滑块一起同向移动。

进一步地，所述的风力机转动轴是风力机输出机械能的转动中心，是若干个风力机基本单元组成风力机后对外输出的轴心，在各基本单元的风力机旋转架上下底板上存在风力机转动轴的位置，但不一定有实物轴体现。

进一步地，所述的导轨滑块组件沿风力机转动轴的径向，固定安装在风力机旋转架的上下底板上，上下导轨平行，面对面对称，导轨滑块上安装的轴承座分别用于连接两组叶片转轴的上下轴端。为轴承座的安装方便，各导轨上可布置两个滑块，各自独立，也可以把两个轴承座安装在一个滑块上，使两个叶片轴的移动形成联动。

进一步地，所述的滑块上连接轴承座，其中轴承的转轴与导轨垂直，各叶片组件通过其转轴安装在轴承中。这样，齿轮在与齿条转动啮合时，就可以带动滑块在导轨上滑动。

进一步地，所述的叶片绕其转轴的转动角度受滑块限位缓冲器的(可调节)限位和缓冲，对应一组叶片完全打开时另一组叶片完全收拢，反之亦然。

进一步地，所述的风力机叶片在风力机旋转过程中，随着其受风角度的变化而自动调整姿态，当一个凹面迎风的叶片随风力机旋转到凸面迎风区域，与其轴心对称的凸面迎风叶片则随之转换成凹面迎风，如此在旋转中相互转化，完成翼臂自动伸缩，从而提高了风力机的有效输出转矩。

有益效果：本发明的有益效果是：

1.设计了一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机，使得风在吹向叶片时，其迎风一侧叶片张开的同时自动伸展力臂，有效加强了正向驱动力矩；而背风一侧叶片收拢的同时自动缩短力臂，减小了背风一侧叶片的负向阻力矩，提高了风力机的有效输出力矩。

2.实用风力机可由基本单元模块化叠加组成，可以根据实际需求组合。

附图说明

图1为由两个基本单元组成的一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机的外观图；

图2为一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机基本单元结构原理图；

图3为翼臂自动伸缩效果图。

图中：1-叶片，2-叶片转轴，3-齿轮，4-导轨，5-滑块，6-轴承座，7-齿条，8-固定板，9-限位缓冲器，10-风力机旋转架，11-风力机旋转轴。

具体实施方式

本发明实施例中提供了一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机，在阻力型叶片一侧设置转轴，利用风对阻力型叶片的推力，使叶片在风力的作用下绕叶片转轴旋转，实现叶片凹面打开和凸面收拢的动作；与此同时，通过齿轮齿条和导轨滑块机构，使凹面叶片翼臂自动伸展、凸面叶片翼臂自动回缩。有效提高风力机的驱动力矩并减小了阻力矩，从而提高了风力机的有效输出力矩。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰地描述，显然，描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

结合图1～3，本发明一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机由1-叶片、2-叶片转轴、3-齿轮、4-导轨、5-滑块、6-轴承座、7-齿条、8-固定板、9-限位缓冲器、10-风力机旋转架、11-风力机旋转轴等组成。

其中，风力机旋转架10是由图2所示的上下(圆形)底板和支撑件组成的一个(筒形)结构件。上下底板与支撑件为固定框架，一方面作为安装以上所述零部件的机架，另一方面用于传递风力机的旋转动力。旋转架10与其上的功能零部件组成了风力机的基本单元。

其中，叶片1、叶片转轴2、齿轮3通过固定连接方式，按图2所示连接成两个叶片组件。连接时，要求各齿轮参数(齿数、模数等)一致，与叶片转轴不能有相对运动，并在叶片转轴的两端留出与轴承座6中轴承配合的轴端。

按图2所示两导轨4被面对面对称安装在风力机旋转架10的上下(圆形)底板内侧位置，上下导轨平行，沿风力机旋转轴的径向布置。各导轨上配置了滑块5，各滑块上错位安装两个轴承座6(图3所示)，采用向心推力轴承或深沟轴承，使轴承座内的轴承内圈与两叶片转轴连接后，只能随叶片转轴旋转，固定叶片转轴的轴向移动。

两叶片组件按图2、图3所示，相对导轨滑块中心对称布置，在各叶片转轴两端，通过轴承及轴承座安装在滑块5的基座上。

图2、图3所示，两条可与叶片转轴上齿轮啮合的齿条7，由固定板8安装在风力机旋转架10上导轨的两侧，与导轨保持平行。

需要强调的是，每个叶片转轴上安装的上、下一对齿轮只能与导轨同侧的上、下对应的齿条接触并啮合，并保证叶片凹面迎风旋转展开时，齿轮在齿条上的滚动方向使叶片转轴远离风力机旋转轴中心；同理，叶片凸面迎风收拢时，其叶片转轴齿轮与其一侧齿条啮合的滚动方向使叶片转轴靠近风力机旋转轴中心。因此在滑块基座上，两叶片转轴的轴承座要错开一定距离安装，以避免各轴上的齿轮与对面齿条发生运动干涉。

导轨上设置有限位缓冲器9，用于限制滑块的行程和运动缓冲。限位缓冲器可沿着导轨4调整位置。

如图2、图3所示，两个叶片1通过其转轴2、齿轮3、齿条7、轴承座6、滑块5组成一个联动机构。

在风力场中，两个叶片同时受到风的推力作用，凹面叶片对其转轴产生了顺时针转矩，凸面叶片对其转轴产生了逆时针转矩。当风的作用力足够大时，凹面叶片旋转张开，转轴带动齿轮顺时针转动，齿轮与齿条啮合运动，驱动滑块5往远离风力机转动轴心的方向移动；与此同时，凸面叶片在风的作用下旋转收拢，转轴带动齿轮逆时针转动，齿轮与齿条啮合运动，驱动滑块5往靠近风力机转动轴心的方向移动(若两个叶片转轴的轴承座安装在同一个滑块上，两叶片张开和收拢以及上、下滑块5的移动将形成同步联动)，直到滑块碰到了限位缓冲器9为止。此时，凹面叶片完全张开，风对叶片形成最大作用力和最大力臂；而凸面叶片旋转收拢，叶片迎风面积减小，风对叶片形成较小作用力和最小力臂，因此叶片对风力机形成最大出力。

当叶片随风力机转动变换迎风角度后，叶片出力将有所减小，两叶片的转动角度可随着迎风角和现场风向风力的变化自动调整，直到两叶片迎风位置互换，下一个循环开始。

图3所示为翼臂自动伸缩效果图，表明了叶片凹面迎风叶片张开，凸面迎风叶片收拢后(滑块偏离风力转动轴心距离e)两叶片转轴与风力机旋转架中心相对位置的变动效果。

图1所示为由两个基本单元组成的翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机，各基本单元叶片之间相互错开90度。由图1可以看出，当一个单元的叶片旋转到出力最低点时，另一个单元的叶片正好处在最大出力点，使得风力机能够连续地输出机械能。

以上对本发明所提供的一种翼臂自动伸缩式垂直轴阻力型风力机进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。