专利名称：偏距变角垂直轴风能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风能利用装置，特别是一种偏距变角垂直轴风能装置，适合作为 风能利用及相关动力装置。
背景技术：
在现有能源结构中，有很大一部分是取自于自然界的能源，如太阳能、地热能、风 能等，例如在风能利用方面，长期以来，人们设计了多种形式和结构的风力发电装置，依据 风力发电机旋转轴在空间方向与位置的不同，又可分为水平方向的水平轴风力发电机和垂 直方向的垂直轴风力发电机，目前应用最多还是水平轴风力发电机，水平轴水力发电机有 它的优点，如水平轴风力发电机组已经完全达到工业化生产，配套生产与运营经验全面，但 垂直轴风力发电机具有结构体积小、无方向性要求、维修方便等特点，垂直风力发电机还具 有安全、高效、噪声低、成本低、维护方便等优势。目前的绝大部分垂直轴发电机为固定迎风 角的叶片结构，这种结构有效力矩较小，并且还可能在特定条件存在负力矩，降低了整体效 率，所以影响了这种类型发电装置的推广和应用，所以目前垂直轴发电机还有一些不足和 缺点有待改善。
同样，在海洋能量利用方面也有同样的不足，而对于风能和海洋能，都可以看成是 一个风力能量利用的问题，在具备一定条件的基础上，应当具有一种基本工作形式或结构， 可以将此类的能量利用或挖掘出来。发明内容
本发明目的就是提供一种启动力矩小、效率高、应用范围广的垂直轴风能利用装 置，并可以自动切换能量叶片的角度。
为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术解决方案一种偏距变角垂直轴风 能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的中心与动力轴或 动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；叶片设置在叶片轴的端部，且叶片 中心与叶片轴轴心偏离设置，以形成一侧的驱动力矩；设在同一叶片轴两端的叶片不在同 一平面内，两个叶片平面具有夹角；叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转， 叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和 两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀 分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同 的角度时，叶片及叶片轴在风力的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行转 换；两种状态对于风力阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片 及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。
进一步的，所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间，最优选为 90度。
进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为90度。
进一步的，所述限位装置由静限位块与动限位块组成，静限位块与动限位块位于 同一平面内，并分别装配于轴承架和叶片轴上。
进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范 围为水平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同 的状态。
进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范 围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不 同的状态。
进一步的，所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于 叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上。
另外，还有一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片 轴水平横向设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴 的一端设置有叶片；叶片设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，与轴承 装配，以形成一侧的驱动力矩；叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线的，叶片轴通过连接结 构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及 叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的 叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两 个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在风力能的作用下，以及限位装 置的限制下，在两种状态之间进行切换；两种状态对于风力阻力分别是最大和最小；在重 复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。
另外，一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水 平横向设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有 叶片；叶片设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，以形成一侧的驱动力 矩；设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；叶片轴通过连 接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶 片及叶片轴旋转的角度；由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以 上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具 有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在风力能的作用下，以及限 位装置的限制下，在两种状态之间进行切换；两种状态对于风力阻力分别是最大和最小； 在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴，在动力轴轴 上方向上至少具有二个或以上的工作面，并具有同步结构，同步结构为连杆。
进一步的，在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件，叶片轴力矩平衡部件设置在 叶片轴重力力矩较小一侧。
本发明效果和特点体现在以下这种风力能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的风力能量都能 够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所 受到的动力最大，叶片始终处于做正功的状态，形成正扭矩，它能够最大程度地迎着风向或 水流流向，克服现有机械的叶片在某些位置处做负功的状态，提高风力能利用率。这种垂直轴风力能利用装置具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点，同时，叶片也不容 易疲劳和损坏。
除了应用在风能利用以外，还可以应用在其它流体能量收集与应用，例如在海洋 能利用方面，也具有相似的作用和效果。
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图中说明I为动力轴；2为发电机；3为叶片；4为叶片轴；5为轴承架 51为轴承；52为静限位块；53为动限位块；6为叶片轴力矩平衡部件。I是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的外观示意图。2是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的正视图。3是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的俯视图。4是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的侧视图。5是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的轴承架结构正视图。6是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的限位装置俯视图。7是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的限位装置效果图。8是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的限位装置正视图。9是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的第二实施例示意图。10是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的第三实施例俯视图。11是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的第三实施例正视图。12是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的第四实施例示意图。13是本发明提出的偏距变角垂直轴风能装置的叶片轴力矩平衡部件结构示意具体实施方式
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉并且具有高效率的风能量收集方法 及装置，也可以应用在海洋能量如潮汐能利用方面，因此，对现有技术中所涉及的技术方案 进行了改进与提高。例如，在现有的垂直轴风力发电装置中，叶片的角度是固定不变的，这 样，随着叶片的可能会受到负力矩。为了避免这种情况的发生，在本实施例中采用改进和优 化的技术方案。
实施例一这是一种偏距变角垂直轴风能装置，基本结构至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，以及由动力轴带动的发电装置发电机2，由图1、图2中可以看出，在本说明所提及的装置中， 没有涉及一些其它的辅助部件，如垂直轴风能装置的支架等，因对发明实质内容没有影响， 因而没有做过多的描述。
如图1至图4所示，叶片轴水平横向设置，叶片轴4的中心与动力轴或动力轴I的 延长线垂直相交，这样的设置可以使效率最高，避免偏心力矩的产生，在叶片轴4的两端设 置有叶片3，并且两者固定设置，叶片3是受风力或水力的主要部件，如图2、和图3所示，风 向或液体的流动方向如附图3中箭头所示，叶片设3置在叶片轴4的端部，且叶片3中心与 叶片轴4轴心偏离设置，这样，虽然偏转力矩不是最大，叶片的两侧都有大小不相同的作用 力矩，但也可以形成有效的偏心驱动力矩，不需要再设置其它的辅助切换装置，而且在状态 切换时较为方便。
为了使能够充分利用能量和方便自动切换，使设在同一叶片轴4两端的叶片3不 在同一平面内，使两个叶片3之间具有夹角；如图1、2、3所示，在同一叶片轴4两端的叶片 3之间的夹角可为60-120度之间,最优选为90度,在本实施例中就是采用90度夹角。
图4是显示的侧视图，也是这个效果。
叶片轴4通过连接结构与动力轴I进行装配，这个连接结构为轴承架5，如图1-4 和图5所示，在轴承架内具有轴承51，可以对叶片轴4进行装配固定，同时，因为是轴承装 置，所以叶片轴4还可以旋转，也就是说，叶片轴4和叶片3可以旋转。
叶片3与叶片轴4可以旋转，但是，如果没有限制的旋转是无法实现发明目的的， 因为，如果没有限位的话，叶片3与叶片轴4就无法在受到流体动力最大时保证叶片3的稳 定性及受力最大，也就是说，在流体方向的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直于流 体流动方向，受力截面积最大，而在同一轴上、在流体反方向的叶片3受到的阻力最小，即 叶片3平面平行于流体流动方向，受力截面积最小，因而也就无法实现正常的能量收集，因 而，叶片轴4或叶片3必须具有限位装置，可以限定叶片3及叶片轴4旋转的角度。
在本实施例中，限位装置是这样来设置的所述限位装置由静限位块52与动限位 块53组成，静限位块52与动限位块53位于同一平面内，如图6、7、8所示，静限位块52与 动限位块53并分别装配于轴承架5和叶片轴4上，这样，在受到力时，叶片轴4及叶片3可 以随力矩旋转并有所限制。
为了达到预期的目的，所述的限位装置静限位块52与动限位块53并分别装配于 轴承架5和叶片轴4上，如图6、7、8所示，其中静限位块52呈现半圆状，固定在轴承架5上， 而动限位块53为四分这一圆状，固定在叶片轴4上，这样，在两者之间就有四分之一圆的空 间可以转动，大约为90角，因此，所限定叶片3在绕叶片轴4转动的角度为60-120度之间， 最优选为90度。
另外，本装置是由一个叶片轴4和两端的叶片3组成一个叶片组，这种叶片组在一 个完整圆周内只能够产生非连续或不稳定的作用力，如果需要产生连续的、较为稳定的作 用力，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴I旋转平面内均匀分布，构成一个与动力 轴I垂直的工作面，因此，在本实施例中是由两组叶片组构成了一个工作面。
上面，已经介绍了本发明的基本结构，下面来说明一下基本的工作过程，在上述装 置的基础上，以及在风能或水力的作用下，叶片轴4以及叶片3是可以转动的，并分别会稳 定在两个状态，也就是具有两个稳定状态，即叶片3分别是垂直或水平的状态，也可以这样表示，在同一叶片轴4上两端的两个叶片3分别是两个工作状态阻力状态和动力状态，可 以结构图3以及图2、图4来进一步说明，在图3中，标示出了四个位置，分别是A、B、C、D四 个位置，A/B为动力状态，C/D为阻力状态，把位置A作为来风面，或是来水面，也就是正视图 图2的一面，在动力轴4转动的不同的角度或不同位置时，四个叶片3及叶片轴4在风力的 作用下，以及在限位装置静限位块52、动限位块53的作用下，会在阻力状态、动力状态两种 状态之间进行转换，两种状态对于风力阻力分别是最大和最小，而形成的动力也就分别是 最小和最大。更具体的说，在流体方向B位置的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直 于流体流动方向，受力截面积也最大；而在同一轴上、在流体反方向的D位置叶片3受到的 阻力最小，即叶片3平面平行于流体流动动方向，受力截面积也最小，而在位置A和C，由于 叶片3截面与流体流向平行，不会产生动力，同时阻力也最小，也就是说，这时在动力轴4上 的两个叶片3都没有出力，同时阻力也更小，但是在转过这个位置之后，处在原来位置C的 叶片3继续旋转时会受到来自于流体方向的阻力，迫使此位置的叶片3由垂直方向转换为 水平位置，这样，就会带动同一动力轴4另外轴的叶片3发生转动，也就是原来位置A的叶 片发生转动，由原来的水平方向转变为垂直方向，并且其截面逐渐与流体方向垂直，且面积 逐渐变大，直到到达位置B，此时，受力的动力状态，而在同一动力轴4另一端的叶片3为水 平状态，受到的阻力最小，这种状态一直稳定到位置C，这样经过180度的旋转就完成了一 个基本的工作状态的切换。在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并 传递到动力轴。
也可以这样表述在图3中，在位置A时，风力或水力流向叶片3，这时无论叶片3 是垂直状态或水平状态，都不会产生力矩，但只是一个瞬间；在位置B时，叶片3的平面在限 位装置的作用下，为垂直向下状态，在迎风面上面积最大，所受到的动力最大，所以称之为 动力状态时动力最大；而在同一根叶片轴4的另一端D位置的叶片，因为与另一端成90度 设置，所以此时呈现水平状态，并且为迎风(水)面，此时迎风(水)面的面积最小，所以阻力 最小，所以称之为阻力状态时阻力最小；在位置C时，也是一个临界状态，也同一叶片轴上 另一端叶片3的状态类似，在转过临界点的附近或瞬时，在此位置上的叶片3会受到风冰) 力的阻力，形成一个翻转力矩，叶片3就由原来的动力状态转变为阻力状态，同时，在叶片 轴4另一端的叶片就变成了动力状态，此时，也是由于静限位52与动限位块53的作用，转 动了 90度，而动力轴I转到了位置A、B时呈现为动力状态，这个状态一直持续到位置C点， 直至叶片3翻转，大约为二分之一圆周在做功。这样，在风(水)力的作用下，在两种状态的 不断切换中，工作面对动力轴形成了持续不断的旋转力矩。
在本实施例中，所述的叶片轴4具有限位装置，所限定叶片3转动的角度范围为水 平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态， 由图1-4可以得到。
实施例二 基本结构与原理与上述相同，不同在于，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置， 所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度 的不同有着水平和垂直不同的状态，如图9所示，这种情况，叶片3在叶片轴4的上方，与图 2所示中，叶片3的位置更高一些，这样所利用的风能更加充分，效率更加一些。
实施例三这是一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，与前一实施 基本相同，不同之处在于叶片轴4的一端的延长线与动力轴I或动力轴I的延长线垂直相 交，如图10、图11所示，叶片轴4不穿过动力轴I的轴线及延长线的，在叶片轴4的一端设 置有叶片3 ;叶片3设置在叶片轴4端部的一侧，与轴承51装配，以形成一侧的驱动力矩; 由一个叶片轴4和一端的叶片3组成一个叶片组，至少具有三组或以上的叶片组，并在动力 轴I旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面。
实施例四另外，一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，与前一实施 基本相同，如图12所示，不同之处在于在动力轴I轴向方向上至少具有二个或以上的工作 面，并具有同步结构，这样的效率更高，风能或水能的利用率更高，效果更好。
进一步的，同步结构为连杆。
另外，在上述实施例中，由于在叶片轴4上的叶片3是安装在叶片轴4的一侧的， 即在90度范围内，这样会使受力不均，特别是受重力影响容易下垂，会使受力和运行不稳 定，为了改善这个不良影响，在叶片轴4上设置有叶片轴力矩平衡部件6，叶片轴力矩平衡 部件6是设置在叶片轴4上并与叶片3相对的另一侧，来平衡叶片3的重量，如图13所示， 叶片轴力矩平衡部件6的形状可以为条状、棒状、重锤等其中一种或多种，或是叶片3本身， 叶片3本身改变大小、密度也可以起到同样的作用。
另外，上述几个实施例的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以 设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上，也可以达到同样的效果和目的。
因此，这种垂直轴风力能利用装置具有结构简单、启动风力小、效率高、易于维护 的特点。
上述的实施例不仅是一种风力发电机或海洋能潮汐动力机，更可以是一风力或水 力动力装置，可以是风力能水泵、风力能气泵、风力能磨机、以及各种流体、海浪能、潮汐能 装置等各种动力装置。
虽然这里只说明了本发明的部份优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适 用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏 离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。
权利要求
1.一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于 叶片轴水平设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片； 叶片固定设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，以形成一侧的驱动力矩； 设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角； 叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度； 由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组； 叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行转换； 在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。
2.根据权利要求1所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间,最优选为90度。
3.根据权利要求1所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为60-120度之间，最优选为90度。
4.根据权利要求3所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述限位装置由静限位块与动限位块组成，静限位块与动限位块位于同一平面内，并分别装配于轴承架和叶片轴上。
5.根据权利要求3所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。
6.根据权利要求3所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向上约90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。
7.根据权利要求1所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上。
8.—种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于 叶片轴水平设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的一端设置有叶片； 叶片固定设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，以形成一侧的驱动力矩； 叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线的； 叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度； 由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的 叶片组； 叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行切换；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。
9.一种偏距变角垂直轴风能装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴，其特征在于 叶片轴水平设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片； 叶片固定设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，以形成一侧的驱动力矩； 设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角； 叶片轴通过连接结构与动力轴装配； 叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度； 由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的 叶片组； 叶片轴具有两个工作状态，在两种状态之间进行切换； 在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴； 在动力轴轴上方向上至少具有二个或以上的工作面，并具有同步结构。
10.如权利要求1、8、9所述的偏距变角垂直轴风能装置，其特征在于在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件，叶片轴力矩平衡部件设置在叶片轴重力力矩较小一侧。
全文摘要
本发明涉及一种偏距变角垂直轴风能装置，包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片设置在叶片轴的端部，且叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角这种风力能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的风力能量都能够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所受到的动力最大，这种垂直轴风力能利用装置具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点。
文档编号F03D3/00GK102996332SQ20111023141
公开日2013年3月27日 申请日期2011年8月14日 优先权日2011年8月14日
发明者不公告发明人 申请人:北京银万特科技有限公司