专利名称：双转臂式风能叶轮的制作方法
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，使它的建造和维持费用高昂。
发明内容
为了克服桨轮需要安置在较高的支架上，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，它不仅可以安装在距地面不到1米的高度上，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叶轮的旋转轴与地面垂直，并分为上下两段，下段通过2个轴承固定在底座中，旋转轴的上段为筒状，用来安装上、下两根转臂，每根转臂分别通过两个轴承安装在旋转轴的上段，它们的中心线互相垂直，且都与旋转轴的中心线垂直并相交。每根转臂被旋转轴分为长度相等的两侧外段，每侧的外段上固定一只叶片，每只叶片被旋臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，且同一根转臂上的两只叶片的叶面互相垂直；4只叶片的面积和形状相同，在安装4只叶片时必需保证上转臂的两只叶片面积较大的部分只能向下转动，而下转臂的两只叶片面积较大的部分只能向上转动。在旋转轴的上段还固定4根限动臂，分别限制两只同轴叶片围绕转臂的最大转动角度为90度，每根限动臂的顶端都安装一只空气式缓冲器，以减缓叶片与限动臂之间的碰撞强度，此外，限动臂还用于传送叶片产生的近一半的旋转力矩。综上所述，同一根转臂上的两只叶片可以通过该转臂同步转动90度，全部4只叶片也可以同时围绕叶轮的旋转轴一起旋转。
无论多大直径的转臂式风能叶轮，都可以安置在离地面不到1米的高度上正常运转，它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，都可以推动该叶轮自动进入正常的旋转状态。
本实用新型的有益效果是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。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是双转臂式风能叶轮侧视图。
图2是旋转轴上段拆除顶盖后的俯视图。
图3是双转臂式风能叶轮俯视图。
图中1.叶片a，2.叶片b，3.叶片c，4.叶片d，5.底座，6.旋转轴上段，7.旋转轴顶盖，8.旋转轴下段，9.旋转轴轴承，10.转臂轴承，11.限动臂a，12.限动臂b，13.限动臂c，14.限动臂d，15.空气缓冲器，16.风向箭头，17.上转臂，18.下转臂，19.旋转方向箭头。
具体实施方法在
图1中，双转臂式风能叶轮的旋转轴分为旋转轴上段(6)和下段(8)，上段的顶端安装有顶盖(7)，可以拆卸，下段通过两只轴承(9)安装在底座(5)之中。上、下两根转臂(图中被遮挡)的中段分别通过各自的两只轴承(10)安装在旋转轴上段，它们的中心线互相垂直，且与旋转轴的中心线垂直并相交。叶片a(1)和c(3)固定在上转臂(17)的两侧外段，它们的叶面互相垂直，叶片a和c被上转臂中心线分为面积不等的两部分，其面积大的部分只能在上转臂以下的空间内转动。叶片b(2)和d(4)固定在下转臂(18)两侧外段，它们的叶面互相垂直，叶片b和d被下转臂中心线分为面积不等的两部分，其面积大的部分只能在下转臂以上的空间内转动。空气缓冲器(15)固定在限动臂d(图中被遮挡)的外端，当叶片d(4)从图中的位置顺时针转动90度时，其面积大的部分即被固定着空气缓冲器(15)的限动臂d限动。4只叶片不仅可以分别通过相应的转臂转动90度，同时也可以一起围绕叶轮的旋转轴旋转，如果该叶轮用于发电，则发电机可以安置在底座内。
在图2中，上转臂(17)通过两只轴承(10)安装在旋转轴上段(6)的上部，下转臂(18)通过两只轴承(10)安装在旋转轴上段的下部，它们的中心线互相垂直但不相交，但都与旋转轴的中心线垂直并相交。，在图3中，限动臂a(11)和限动臂c(13)固定在旋转轴上段(6)的下部，而限动臂b(12)和限动臂d(14)固定在旋转轴上段的上部。另外，固定在上转臂两侧外段的叶片a(1)和c(3)叶面互相垂直，叶片a被限动臂a限动并处于与地面垂直的位置，该空气缓冲器(15)的活塞杆被压缩至活塞筒内。固定在下转臂两侧外段的叶片b(2)和d(4)叶面互相垂直，叶片b被限动臂b限动并处于与地面垂直的位置，该空气缓冲器(15)的活塞杆被压缩至活塞筒内。限动臂c的大部分被叶片c遮挡，限动臂d的外端固定着空气缓冲器(15)，它的活塞杆处于伸出位置。
当风(16)从右向左开始吹向双转臂式风能叶轮时，4只叶片和叶轮的运动情况如下<1>叶轮转角为0度时(还未开始转动)的下转臂两只叶片d(4)和b(2)此时叶片d处在D方向的位置，无论该叶片的叶面与地面平行、垂直、还是在它所能处的任何角度上，只要风力足够大，由于叶片面积较大部分的舵面效应，该叶片的叶面将被吹至处于水平位置(从D方位向旋转轴看为反时针方向转动)，空气阻力最小，与此同时通过下转臂(18)带动处在B方向的叶片b顺时针方向转动(从B方位向旋转轴看)，使其叶面处于与地面垂直的位置，叶片b面积较大的部分与限动臂b(12)接触而停止转动，于是该叶片正面对向来风，叶片前的空气压力升高，产生推动叶轮转动的旋转力矩，该力矩通过下转臂和限动臂b共同传递给旋转轴上段(6)，叶轮即开始转动，此刻叶片b产生的旋转力矩最大，随着叶轮的继续转动，叶片b的迎风面积逐渐变小，产生的旋转力矩也随之逐步减小。
<2>叶轮转角为90度方位时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)此时叶片b处在C方向的位置，在相对气流(叶片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)的作用下，由于叶片面积较大部分的舵面效应，该叶片的叶面将被吹至处于水平位置(称为“翻转”，从C方位向旋转轴看为反时针方向转动)，与此同时通过下转臂(18)带动处在A方向的叶片d使其叶面顺时针方向翻转(从A方位向旋转轴看)处于与地面垂直的位置，叶片d面积较大的部分与限动臂d(14)接触而停止转动，此时由于两只叶片的叶面都与风向基本平行，产生的风向空气阻力很小，并且都不产生旋转力矩；但是，由于两叶片在围绕同轴翻转时，会受到惯性和翻转空气的阻碍，在该两只叶片的整个90度翻转过程的时间段中，叶轮约旋转了20度(例如在A点，叶轮的转角范围约为-10A+10度)。随着叶轮从90度继续再旋转180度，由于叶片b一直处于水平位置，所以产生的空气阻力仍旧很小，而叶片d与地面垂直，其迎风面积经历了一个由0逐渐增大、再逐步减小的过程，它产生的旋转力矩也从0开始逐步增大、然后逐步减小。
<3>叶轮转角为270度时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)此时两只叶片的工作情况与<2>所描述的状况相同，只不过两叶片互相调换了位置。
<4>叶轮转角为360度时的下转臂两只叶片d(4)和b(2)此时两只叶片所处的位置与
图1所示状况相同，只不过叶轮是处于连续的旋转状态，而两只叶片则互相调换了位置并处于连续的工作状态即叶片d与地面垂直并产生旋转力矩，叶片b处于水平位置且空气阻力很小。
<5>叶轮转角为0-360度时的上转臂两只叶片c(3)和a(1)该两只叶片的工作情况与<2>-<3>-<4>-<1>所描述的状况相同，只不过该两只叶片围绕上转臂的翻转方向，与下转臂上两只叶片d(4)和b(2)的翻转方向相反，并且叶片a是被限动臂a(11)限动，叶片c是被限动臂c(13)限动。
综上所述，无论风从哪个方向吹向叶轮，它都可以连续不断地朝着一个方向旋转，经初步计算，一种大型4叶片双转臂式风能叶轮在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1，一种双转臂式风能叶轮，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，其特征是旋转轴与地面垂直，分为上段(6)和下段(8)两段，下段通过两只轴承(9)安装在底座(5)中，在上段通过两组轴承(10)安装两根互相垂直但不相交的转臂(17)和(18)，两根转臂的中心线都与旋转轴的中心线垂直，在每根转臂的两侧外段上都分别固定一只叶片，在旋转轴的上段还固定4根限动臂a(11)、c(13)、b(12)和d(14)，每根限动臂的外端都固定一只空气式缓冲器(15)。
2，根据权利要求1所述的双转臂式风能叶轮，其特征是上转臂(17)的两侧外段分别固定叶片a(1)和c(3)，它们的叶面互相垂直，每只叶片都被上转臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，在旋转轴上段(6)的下部固定两跟限动臂a(11)和c(13)，叶片a的面积大的部分向下翻转时与限动臂a接触，叶片c的面积大的部分向下翻转时与限动臂c接触。
3，根据权利要求1所述的双转臂式风能叶轮，其特征是下转臂(18)的两侧外段分别固定叶片b(2)和d(4)，它们的叶面互相垂直，每只叶片都被下转臂的中心线分为面积不等的两部分，面积之比为2∶1，在旋转轴上段(6)的上部固定两跟限动臂b(12)和d(14)，叶片b的面积大的部分向上翻转时与限动臂b接触，叶片d的面积大的部分向上翻转时与限动臂d接触。
专利摘要双转臂式风能叶轮，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，为了降低叶轮的安装高度，以及自动适应在不同风向和风速的环境中工作，该叶轮的旋转轴与地面垂直并分为上下两段，下段通过两只轴承安装在底座中。在上段通过两组轴承安装两根处于水平状态、互相垂直但不相交的上、下转臂，每根转臂两侧的外段都固定一只叶片，每只叶片都被相关转臂的中心线分为面积大小不等的两部分，同转臂上的两只叶片的叶面互相垂直，且被相应的限动臂限制翻动角度为90度。工作时，全部4只叶片一起围绕旋转轴旋转，而两只同转臂上的叶片则在风力的作用下，交替操纵对方使其对向来风，以产生旋转力矩。
文档编号F03D7/06GK2921351SQ200620124790
公开日2007年7月11日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者邝振凯 申请人:邝振凯