专利名称：可以适应3维风向的叶轮装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风能叶轮，主要用于风力发电或提供机械动力。
背景技术：
目前，广泛利用风能的装置是螺旋桨型风能叶轮(为便于区别，简称桨轮，以下同)，它的旋转轴线与风向平行，利用风力推动桨轮上的数只桨叶使桨轮旋转，然后通过桨轮的旋转轴对外输出扭矩。由于桨轮的旋转面必须正对风向才能获得较多的风能，所以需要把桨轮安装在一个大于桨轮半径的支架上，才能正常旋转，但是这必然给直接传输动能(不通过电能转化过程)、以及日常的维护和修理带来了诸多的不便。另外，桨轮叶片需运用调整“桨距”的方法，达到在不同风速的情况下都能高效率运转的目的；桨轮还需要再增加一套风向感应和伺服系统，以便根据风向的变化，让桨轮的旋转面始终对正风向，否则，在风向发生较大的变化时，即导致桨轮的效率大幅度下降以至于停止转动；桨轮不仅需要增加上述两套调整装置，而且还要为这两套调整装置提供一定的能源，不仅它的建造和维持费用高昂，并且只能在2维风向的环境中运转。
发明内容
为了克服桨轮不能在3维风向的环境中工作，以及需要为适应风向和风速的变化而设置两套调整装置的不足，本实用新型的目的是提供一种风能叶轮，用风力舵操纵叶片转动的方式工作，它不仅可以在3维风向的环境中旋转，而且也不需要设置上述的两套调整装置。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是将叶轮的旋转轴安装在两个轴承之间，这两个轴承分别固定在支架或底座上，在旋转轴的轴杆中段沿圆周均匀分布4只旋臂，每只旋臂的内段通过轴套安装一只风力舵，旋臂的外段则通过另一个轴套安装一只叶片，两个轴套之间通过变速齿轮啮合，变速齿轮的传动比为2∶1，即风力舵轴套如果旋转180度，则叶片轴套只旋转90度。因此，不仅每只旋臂上的风力舵和叶片可以通过各自的轴套分别围绕该旋臂转动，同时该风能叶轮的全部4只风力舵和4只叶片，也一起围绕旋转轴在支架包括的空间内旋转。
叶片轴套将叶片分为面积相等、形状相同的两部分，因此，对叶片轴套而言，无论风从哪个方向吹叶片，叶片都不会产生明显的、围绕旋臂外段转动的力矩。而风力舵则全部处于其轴套的一侧，它的面积为叶片面积的1/2，所以，只要风向与旋臂的轴向存在一个角度(风向与旋臂的轴向不平行)，风力舵即会在空气动力的作用下，通过风力舵轴套围绕旋臂内段转动，直至风力舵两面的空气压力差为零；综上所述，在风力的作用下，只会出现风力舵通过变速齿轮带动叶片转动、而不可能出现叶片通过变速齿轮反过来带动风力舵转动的现象。
为了使该风能叶轮(以下简称舵轮)在风力的作用下连续平稳地转动，在每只风力舵的顶端分别安装一只舵尖小翼，该小翼的面积为风力舵面积的1/10。小翼平面与相应风力舵的平面之间相差20度的安装角；为了消除风力舵安装在其轴套的一侧对旋转产生的不利影响，在每个风力舵轴套上与风力舵相对的一侧安装一只配重，使风力舵轴套两侧的重力矩达到平衡。另外，4只叶片按以下顺序安装当舵轮的旋转面与地平线平行、4只风力舵的配重全都指向反时针方向(俯视，即舵轮将具有的旋转方向)时，4只叶片的平面与风力舵平面平行。
由于舵轮可以在任何风向的环境中工作(原理后述)，所以其旋转轴的安装方向没有限制，换句话说，在舵轮的半径和它支架的高度之间，不存在必然的对应关系，无论多大直径的舵轮，都可以安置在离地面不到1米的高度上就可以正常运转；此外，舵轮对不同的风速和风向有自动的适应能力，不存在调整“桨距”或对正风向的问题，只要是在通常的风速范围内，无论是来自那个方向的风，都可以推动舵轮自动进入正常的旋转状态。
本实用新型的有益效果是，可以在3维风向的环境中正常运转，其支架高度可以建的很低，不仅缩短了动能输出的传送距离，以及方便日常的维护和修理，还完全省去了为适应风向和风速的变化而设置的两套调整装置，减少了建造和维持运转的费用；它除了可以在一般2维风向的环境里工作外，还可以应用于海面浮板上、船上、山脊、大厦顶端等大于2维风向的特殊环境之中。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
说明书附图第1页
图1是旋转面横式安装的本实用新型侧视图。
图2是旋转面横式安装的本实用新型俯视图。
说明书附图第2页图3是舵轮旋转轴中段，以及旋臂组合半剖视图。
图4是舵轮旋转轴的轴向剖视图。
图5是E区(见图3)局部放大图。
图6是F区(见图3)局部放大图。
图7是G区(见图3)局部放大图。
图8是H-H(见图3)剖视图。
说明书附图第3页图9是旋转面立式安装的本实用新型轴向侧视图。
图10是旋转面立式安装的本实用新型面向侧视图。
图中1.支架，2.轴承，3.舵轮旋转轴，4.旋臂组合，5.叶片，6.舵尖小翼，7.风力舵，8.底座，9.发电机，10.配重，11.旋臂，12风力舵轴套.，13.叶片轴套，14.风力舵轴套上的内齿盘，15.大齿轮，16.小齿轮，17.叶片轴套上的内齿盘，18.变速齿轮盘，19.锥形滚珠轴承，20.锥形滚珠轴承，21.锥形滚棒轴承，22.锥形滚棒轴承，23.叶片外缘，24.叶片内缘，25.风向箭头。
具体实施方法在
图1中，舵轮旋转轴(3)的两端分别通过轴承(2)安装在支架(1)和底座(8)上，支架由3根相互间夹角为120度的钢管组成，用以固定旋转轴上端的轴承，3根钢管的下端固定在地面上。底座用来固定旋转轴的下端轴承，并且承担舵轮的重力。4套旋臂组合(4)均匀地分布在旋转轴的中段上，4只叶片(5)则通过各自的轴套(13)分别安装在4只旋臂的外段上，4只风力舵(7)则通过各自的轴套(12)分别安装在4只旋臂的内段上。所以，4只风力舵和叶片不仅可以一起围绕舵轮旋转轴在支架包括的空间内旋转，同时也可以分别通过各自的轴套围绕相应的旋臂转动。如果该舵轮用于发电，则舵轮的旋转轴通过加速齿轮带动发电机(9)转动。
在图2中，将风力舵和叶片旋转一周处于不同位置时的情况分别说明如下<1>在A点方向(舵轮转角0度)的旋臂组合当舵轮静止不转时，无论该旋臂组合(4)上的叶片(5)和风力舵(7)处在何种角度，只要风力足够大，来风即可吹动风力舵使它的配重(10)对正来风方向，同时带动叶片旋转使其叶面与风向平行，这时该旋臂组合上的叶片、风力舵和舵尖小翼(6)共3个叶面均与风向平行(即对风向的仰角为零)，因此空气阻力最小，这时可视为舵轮开始转动的零点，同时也作为风力舵和叶片绕旋臂转动的起点(零点)，以方便后文的表述。
<2>在A-B区(舵轮转角0-90度)方位的旋臂组合在其它叶片产生的转动力矩推动下，舵轮开始反时针方向转动，本方位的舵尖小翼外侧面开始迎向来风，迎风一侧的仰角为正，产生使风力舵顺时针[对旋臂而言，从A-B区向旋转轴(3)方向看]转动的力矩，随着转动角度的增大，舵尖小翼的迎风一侧的仰角也增大，所以该力矩同步增大；但是，风力舵一旦顺时针转动，它的迎风面即在风力的作用下产生阻止自身继续转动的反时针力矩(因仰角为负)，由于它的迎风面积远远大于舵尖小翼的外侧迎风面积，所以它产生的反时针力矩起到限制自身顺时针转动速度的作用，使自身的转动角度仅以极慢的速度增大，因此，叶片随之以更慢的速度(2∶1)围绕旋臂顺时针转动，直至该旋臂组合接近B区。
在旋臂接近B区(舵轮转角约75度)时，虽然风力舵的迎风面积没有改变，但由于它依靠风力产生反时针方向力矩的作用逐步丧失(因旋臂中心线逐步与风向平行，即逐步失去它的风向舵面效应)，从而产生的反时针方向力矩明显减小，在舵尖小翼产生的使风力舵顺时针转动力矩的推动下，风力舵带动叶片开始加速顺时针转动。
在此方位里，该旋臂上的叶片不产生推动舵轮反时针转动的力矩。
<3>在B区(舵轮转角约90-95度)方向的旋臂组合旋臂的中心线与相对气流(风力舵在转动时所对应的气流，该气流的方向是风向与旋转相反方向的合方向)的方向平行，叶片和风力舵对相对气流的仰角都为零度，风力舵完全失去了风向效应，即不会因相对气流而产生任何方向的转动力矩，风力舵在舵尖小翼的推动下，只需克服空气对风力舵和叶片在转动时所产生的阻力，带动叶片继续加速顺时针转动。
<4>在B-C(舵轮转角90-180度)方位的旋臂组合旋臂组合一旦越过B区(舵轮转角约90-95度)方向，风力舵即恢复了舵面的风向效应，但此时风力舵改变成另一侧面迎向来风，因而产生的转动力矩也变为顺时针(对旋臂而言，从B-C区向旋转轴方向看)方向，风力舵在该力矩的作用下，与舵尖小翼开始共同推动自身以更快的速度顺时针转动，直至风力舵的舵面与风向平行为止(此时风力舵转动了180度，叶片转动了90度，舵轮转角约为105度)；如果此后风力舵因转动惯性及舵尖小翼的推动下继续顺时针转动，则因风力舵的迎风面也将随之改变，产生的转动力矩将变为反时针方向，风力舵会在此反时针方向力矩的作用下迅速回到与风向基本平行的位置。
由于叶片转动了90度，叶片的平面开始迎向来风，而且叶片外缘(23)仰角为正(对风向而言)，所以在该叶片的迎风面一侧空气压力升高，对该叶片开始产生反时针方向(对舵轮的旋转轴而言)的作用力，该作用力始终与旋臂垂直，形成推动舵轮反时针转动的力矩。随着舵轮的转动，叶片的外缘仰角逐步增大，因此该叶片产生的推动舵轮转动的力矩也随之增大。
<5>在C点(舵轮转角180度)方向的旋臂组合叶片的外缘仰角为90度[对风向而言，叶片内缘(24)的仰角也为90度]，此时风力舵和舵尖小翼的叶面都与风向平行，而叶片平面与来风方向垂直，叶片的迎风面积达到最大值，叶片迎风一侧的压力升至最高，所以该叶片产生的推动舵轮反时针方向旋转的力矩也达到最大值。
<6>在C-D区(舵轮转角180-270度)方位的旋臂组合随着舵轮的旋转，叶片外缘开始对向来风相反的方向，叶片内缘则开始对向来风的方向，叶片上产生的推动舵轮转动的反时针方向力矩，也随着叶片内缘仰角的减小而逐渐减小。
与此同时，本方位舵尖小翼的内侧面开始迎向来风，迎风一侧的仰角为正，产生使风力舵反时针(对旋臂而言，从C-D区向旋转轴方向看)转动的力矩，随着转动角度的增大，舵尖小翼迎风一侧的仰角也增大，所以该力矩同步增大；但是，风力舵一旦反时针转动，它的迎风面即在风力的作用下产生阻止自身继续转动的顺时针力矩，由于它的迎风面积远远大于舵尖小翼的内侧迎风面积，所以它产生的顺时针力矩起到限制自身反时针转动速度的作用，使自身的转动角度仅以极慢的速度增大，因此，叶片随之以更慢的速度(2∶1)反时针转动，直至该旋臂组合接近D区。
在旋臂组合接近D区(舵轮转角约255度)时，虽然风力舵的迎风面积没有改变，但由于它依靠风力产生顺时针方向力矩的作用逐步丧失(因旋臂中心线逐步与风向平行，即逐步失去它的风向舵面效应)，从而产生的顺时针方向力矩明显减小，在舵尖小翼产生的使风力舵反时针转动力矩的推动下，风力舵带动叶片开始加速反时针转动。
<7>在D区(舵轮转角约265-270度)方向的旋臂组合旋臂中心线与相对气流(风力舵在转动时所对应的气流，该气流的方向是风向与旋转相反方向的合方向)的方向平行，叶片和风力舵的叶面都与相对气流的方向平行，风力舵完全失去了风向效应，即不会因相对气流而产生任何方向的转动力矩，此时风力舵在舵尖小翼的推动下，只需克服空气对风力舵和叶片转动时产生的阻力，带动叶片继续加速反时针转动。
<8>在D-A区(舵轮转角270-360度)方位的旋臂组合旋臂组合一旦越过D区(舵轮转角约265-270度)方向，风力舵即恢复了舵面的风向效应，但此时风力舵改变成另一侧面迎向来风，因而产生的转动力矩也变为反时针(对旋臂而言，从D-A区向旋转轴方向看)方向，风力舵在该力矩的作用下，与舵尖小翼开始共同推动自身以更快的速度反时针转动，直至风力舵的舵面与风向平行为止(此时风力舵转动了180度回到零度，叶片转动了90度，叶片的叶面又恢复到与风向平行，舵轮转角约为285度)；如果此后风力舵因转动惯性及舵尖小翼的推动下继续反时针转动，则因风力舵的迎风面也将随之改变，产生的转动力矩将变为顺时针方向，风力舵会在此顺时针方向力矩的作用下迅速回到与风向基本平行的位置。
由于叶片转动了90度，叶片的平面与风向基本平行，空气阻力很小，叶片在D-A区方位内不产生推动舵轮反时针转动的力矩。而随着舵轮的转动，舵尖小翼的迎风面积也逐步减小，它所产生的推动风力舵反时针方向转动的力矩随之减小，直至在A点方向时减小为零。
<9>回到A点(舵轮转角360度)方向的旋臂组合该旋臂组合上的叶片、风力舵和舵尖小翼共3个叶面均与风向平行，因此空气阻力最小；当此旋臂组合越过A点方向后，即开始重复上述<2>-<9>的运动过程。
在图3中，4只旋臂(11)均匀分布在旋转轴(3)的中段上，各旋臂的中心线与旋转轴中心线垂直。在旋臂的内段上通过一组锥形滚珠轴承(见E和F区)安装风力舵轴套(12)，该轴套的一侧固定一只风力舵(7)，风力舵的顶端安装一片舵尖小翼(6)，其面积为风力舵的1/10，并与风力舵平面成20度夹角(在该图上即小翼的外缘长边向页面外跷起)；在风力舵轴套的另一侧固定一只配重(10)。叶片轴套(13)通过一组锥形滚棒轴承(见F和G区)安装在旋臂的外段上，该轴套将叶片(5)分为面积相等、形状相同的两部分，风力舵的面积为整个叶片面积的1/2。
在图4中，整个旋转轴(3)被分为3段，用螺栓连接成一个整体，其中段上有4个用于固定旋臂(11)的安装座。
在图5中，旋臂(11)固定在旋转轴(3)的安装座上，风力舵轴套(12)的左侧一端通过锥形滚珠轴承(19)安装在旋臂上。
在图6中，风力舵轴套(12)的右侧一端通过另一个锥形滚珠轴承(20)安装在旋臂(11)上。叶片轴套(13)的左侧一端通过锥形滚棒轴承(21)安装在旋臂上。变速齿轮安装盘(18)固定在旋臂上，风力舵轴套右端的内齿环(14)与变速器大齿轮(15)啮合，叶片轴套左端的内齿环(17)与变速器小齿轮(16)啮合。
在图7中，叶片轴套(13)的右侧一端通过另一个锥形滚棒轴承(22)安装在旋臂(11)上。
在图8中，在旋臂(11)上固定变速齿轮安装盘(18)，沿该盘均匀安装8对变速齿轮组，每组由一只大齿轮(15)和一只小齿轮(16)组成，风力舵轴套(12)外端的内齿环(14)同时与变速器的8只大齿轮(15)啮合，叶片轴套(13)内端的内齿环(17)同时与8只变速器小齿轮(16)啮合。
在图9中，在这种舵轮旋转面竖立(旋转面与地面垂直)安置方式下，除了没有底座、以及舵轮支架(1)的结构形状不同外，其它部件完全相同。如果风向(25)从左侧正面吹向舵轮时，4只风力舵(7)全被吹到旋转面的右侧，4只配重(10)均指向左侧的来风方向，4只叶片(5)与风向的夹角为45度，且倾斜方向一致，此时舵轮的工作形式与桨轮相同，舵轮的旋转方向不变。
在
图10中，当风向(25)从页面外垂直吹向页面内的舵轮旋转面时(此时与图9展示的舵轮工作情况相同)，4只风力舵配重(10)均指向页面外的来风方向，4只叶片(5)在相应风力舵(7)的带动下均处于与来风方向45度仰角的位置，而且每只叶片朝着反时针方向一侧的边缘也朝向页面外，因此，每只叶片均产生反时针方向(对舵轮旋转轴而言)的力矩，推动舵轮转动，这时，舵轮的工作形式与桨轮相同。如果风的方向从页面外的垂直方向开始向四周任何方向偏离45度角吹向舵轮的旋转面时，则风力舵带动各自的叶片调整到半桨轮和半舵轮的工作形式，舵轮的旋转方向不变；如果风从上述45度角继续偏离到90度吹向舵轮旋转面的侧面时，则风力舵带动各自的叶片调整到纯舵轮的工作形式(此时旋转轴中心线与风向垂直，与图2展示的舵轮工作情况相同)，舵轮的旋转方向始终保持不变。
综上所述，如果风从与页面垂直的方向，逐步向四周任何方向偏离至90度吹向页面内的舵轮时，舵轮则经历一个逐步由桨轮变为半桨轮和半舵轮、再变成纯舵轮工作形式的过程，该过程也可以逆向变化。风从页面内吹向页面外的情况与该过程相同(可参考图9，但风向变为从右侧吹向左侧)，舵轮的旋转方向也不变，所以，无论风从哪个方向吹向舵轮，它都可以连续不断地朝着一个方向旋转，用另一句话说舵轮旋转轴处在任何角度的安装位置上，它都能正常工作。
经初步计算，一种大型4叶片舵轮在7级风力环境中的有关数据如下表
长度单位米M，力单位牛顿N
权利要求1，一种可以适应3维风向的叶轮装置，在一只旋转轴上安装数只叶片，以风力吹动叶片进而推动叶轮旋转，其特征是旋转轴(3)可以任意角度安置在地面或载体上，沿旋转轴中段的轴杆上均匀分布4只旋臂组合(4)，每只旋臂组合由一只风力舵(7)和一只叶片(5)组成，风力舵面积为叶片面积的1/2，叶轮的全部4只风力舵和4只叶片可以通过各自的轴套围绕相应的旋臂转动，同时也可以围绕旋转轴一起旋转。
2，据权利要求1所述的可以适应3维风向的叶轮装置，其特征是风力舵(7)固定在风力舵轴套(12)的一侧，风力舵轴套的两端分别通过锥形滚珠轴承(19)和(20)安装在旋臂(11)的内段上，在风力舵的顶端安装一只与风力舵平面夹角为20度的舵尖小翼(6)，该小翼面积为风力舵的1/10，在风力舵轴套的另一侧固定一只配重(10)。
3，据权利要求1所述的可以适应3维风向的叶轮装置，其特征是叶片(5)被叶片轴套(13)分为大小相等、形状相同的两部分，叶片轴套的两端通过两只锥形滚棒轴承(21)和(22)安装在旋臂(11)的外段上。
4，据权利要求1所述的可以适应3维风向的叶轮装置，其特征是处于风力舵轴套(12)和叶片轴套(13)之间的变速齿轮盘(18)固定在旋臂(11)的中部，沿其一周均匀分布8只变速齿轮组，每组由一个大齿轮(15)和一个小齿轮(16)组成，其齿数比为2∶1，风力舵轴套右端的内齿盘(14)同时与8个大齿轮啮合，叶片轴套左端的内齿盘(17)同时与8个小齿轮啮合，两个内齿盘(14)和(17)的齿数相同。
专利摘要可以适应3维风向的叶轮，是可再生能源利用范畴的风能采集装置，用于风力发电以及提供机械动力，为了让它在任何风向的环境中都能旋转，采取用风力舵操纵叶片对向来风角度的方法，使叶轮吸纳风能而转动。它主要由一只旋转轴和4套旋臂组合组成沿旋转轴中段均匀分布4只旋臂，在每只旋臂的内段上通过一个轴套安装一只风力舵，在外段上通过另一个轴套安装一只叶片，两个轴套之间通过变速齿轮啮合，工作时风力舵和叶片不仅可以通过各自的轴套围绕旋臂转动，4套旋臂组合也一起围绕叶轮的旋转轴旋转；为了让叶轮连续平稳地旋转，在风力舵的尖部固定一只与其平面夹角为20度的小翼，并在其轴套的另一侧固定一只配重以平衡该轴套两侧的重力矩。
文档编号F03D11/04GK2830695SQ20052001104
公开日2006年10月25日 申请日期2005年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者邝振凯 申请人:邝振凯