方塔形水风联用动力的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种新能源设备：方塔形水风联用动力机。其特征是：它可以同时收施水流动能和水流上方的风能。四根钢柱串联N+1副正方形钢框形成N层竖直方塔形塔架。四副水轮机和发电机等分别设置在塔架的最下和次下层，4(N-2)副风力帆轮串并联设置在N-2层方塔形塔架四周，形成半交融状态。上下相邻的帆轮靠内齿轮联系。帆门在风力作用下随帆轮转动，在顺风一侧载荷工作时呈形曲面，并接近和风向垂直，呈现尽可能大的风阻系数，在逆风转动时，风阻系数接近零。
【专利说明】方塔形水风联用动力机
【技术领域】:
[0001]本实用新型涉及一种新能源技术。是为收施水流能、风能而设计的机电装置。
【背景技术】:
[0002]市场上已有的传统风力机，都存在下述缺憾:结构复杂、成本高，抗风毁能力差，难以大型、大功率化，不能水风联用。
实用新型内容:
[0003]本实用新型的发明目的是:使其利用风能的同时还可以利用水流能，而且容易大型、大功率化，结构简单，成本低廉，抗风毁能力强。
[0004]技术方案是:设置N+1(N = I.2.3...)副高强度正方形钢框，再用四根高强度钢柱按相同的间距、相同的规格将钢框串联成N层竖直塔架，钢框平面各处于不同的水平面上，其串联固定点分别在钢框四边的中点。以塔架为基础载体，上下串联和并联下述帆轮。
[0005]设置竖直帆轮转轴，靠近转轴的两端各垂直设置一块半固定钢质圆盘。所谓半固定是指:相对于转轴，圆盘只能向一个方向转动，类似自行车的飞轮。
[0006]联固上下两圆盘成为刚性体。以两圆盘为基础载体，间隔均匀设置六组活动帆门。俯视活动帆门组架、相对于转轴呈放射状，前视帆门组架，呈横置‘开’字状，在其两横杆的近圆盘处，各水平焊置倾角60度左右的所谓的塑形斜柱，张口朝向转轴。
[0007]每一帆门组架相对基础圆盘都有30度左右的水平向自由转动余地；.^、L两种规格的两扇帆门被组合在组架上、并相对组架能较大角度的自由转动。
[0008]^帆门的门架框面呈130度左右的二面角。一侧面装固定帆芯；另一侧面装活动帆芯:其活动轴在该侧面框架的外侧。
[0009]a帆门在其二面角顶点处通过轴承与活动组架的外侧边、即远离基础圆盘的侧边联系。
[0010]L帆门:将两块长度相同而宽窄不同的长方形薄板通过合叶联系。再用轴承将较宽的薄板联系在组架中间竖轴上，形成一扇可折叠的帆门，它也可以在塑形斜柱的作用下、被塑形成L状的二面角。
[0011]八、L帆门在随整体帆轮的转动过程中，转到顺风一侧时、可自动联合组成既不重叠，又衔接较好的r-ν形迎风曲面，而转到逆风一侧时全部帆门平面都将和风向平行，以最大限度的增大帆轮的转动力矩、减小阻力力矩。
[0012]除L帆门外，尚有其他结构形式的帆门随帆轮转到顺风一侧时、也可自动形成^形迎风曲面，而转到逆风一侧时全部帆门平面都将和风向平行。
[0013]以上4(N_2)副帆轮分别通过轴承限位于塔架的四角，形成4组、N-2层帆轮组，上下相邻的帆轮通过内 齿轮联系。四组帆轮通过传动机构一体化向下输送动力。
[0014]于塔架的最下层的四个角处安装四副水轮机。其结构是:设置竖直转轴，在靠近转轴上端处设置一块半固定钢质圆盘，以圆盘为载体、沿半径向相互间隔90度固定四副帆门悬吊臂，凹面形帆门悬吊于悬吊臂下、凹面背向其转动方向。凹面形帆门仅能在竖直和水平间的90度内自由转动。四副水轮机通过传动机构一体化向上输送动力。
[0015]在次下层设置发电机等，接受上下轮传送来的动力。
[0016]以上所有帆轮划为等分两类，区别因素是:以顺时针为参考向，帆门装置在组架的前侧或后侧。上下串联在同一塔角和对角的应是同一类帆轮。
[0017]上述帆轮和塔架形成方塔形融合体、竖直固定在水流底床，仅把最下层的凹面帆门淹没于水面下。
[0018]有益效果:以上设计、使本实用新型不但可以水风联用，而且还可以使其容易大型、大功率化，同时具备结构简单，成本低廉，抗风毁能力强等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是塔架的结构示意图；
[0020]图2是帆轮的部分结构示意图；
[0021]图3是水轮机的部分结构示意图；
[0022]图4是帆轮的工作状态示意图；
[0023]图5是本实用新型的俯视图。
[0024]其中:1、塔架；2、转轴；3、圆盘；4、组架；5、帆门；6、帆门；7、水轮机。
【具体实施方式】:
[0025]如图1，为了使本实用新型大型化并具有强大的抗风毁能力、其基础支架要设计成四方塔形。设置N+1副高强度正方形钢框，再用四根高强度钢柱按相同的间距、相同的规格将钢框串联成N层竖直塔架I。钢框平面各处于不同的水平面上，其串联固定点分别在钢框四边的中点或四角(以下以串联固定点在钢框四边中点的塔架为例说明本实用新型)。以塔架为基础载体，上下串联和并联下述帆轮。
[0026]如图2，设置竖直转轴2，靠近转轴的两端各垂直设置一块半固定钢质圆盘3。所谓半固定是指:相对于转轴，圆盘只能向一个方向转动，其结构和工作原理类似自行车的飞轮。通过转轴2的外套管将上下两圆盘3焊固成一体化刚体。上述半固定设置的目的是为以后的设备维护提供方便(后述)。
[0027]如图2、图4，在两圆盘3的上表面靠近转轴2处的圆上，各间隔60度均匀竖直固定6根短立柱。“横置‘开’字形”高强度帆门组架4通过轴承装联在上下两个对应的短立柱上。组架4可以绕短立柱在一定的角度内自由转动。在组架上下两横杆靠近圆盘处沿水平向各焊联一根倾角60度左右的所谓塑形斜柱，张口朝向转轴2。
[0028]每副帆轮上有6副上述的组架4。为了严格限制组架4转动的区限和角度(以30度为例)，拟在圆盘3的上表面沿半径向焊固竖直挡板，每两挡板对应一根短立柱形成一组，共6组，组组规格相同且在圆盘上均匀分布，它使组架4绕短立柱在两挡板之间转动时、转角不超过设定的度数，例如30度。再在每一组两竖直挡板的上沿用平板焊联，形成扇面形限制空洞，以防组架4向上脱离圆盘。
[0029]每一帆门组架4上都组装有两种帆门，如图4。[0030]帆门5的门架框面呈130度左右的,^，形二面角。一侧面装固定帆芯，例如厚
0.8mm铝镁合金板；另一侧面设活动帆芯:其活动轴在该侧面框架的外沿。在其二面角顶点处通过轴承与横置‘开’字形组架4的外侧边、即远离基础圆盘3的侧边联系。
[0031]帆门6:将两块长度相同而宽窄不同的长方形薄板通过合叶联系。再用轴承将较宽的薄板联系在组架4中间的竖柱上，形成一扇可折叠的帆门。
[0032]如图3，在风力作用下，帆门5、6随整体帆轮转动，当转到顺风一侧时、可自动组合成既不重叠，又衔接较好的形迎风曲面，以增大阻力系数(如2.2)。而转到逆风一侧时，帆门平面将都和风向平行，极大的减小阻力系数(接近于零)，从而最大限度的增大帆轮的转动力矩、减小阻力力矩。
[0033]其详细物理动作是:如图4所示、在南风作用下(上北下南左西右东)，位于正右侧(正东)的两帆门:帆门6较宽的薄板平贴组架4，窄板在塑形斜柱阻挡下与宽板形成一定角度的二面角、如120度。帆门5的固定帆芯面、在与风向垂直平面上的投影面积相对较大，接受风力较大 而平贴组架4。使两帆门5、6联合形成λ?形曲面。
[0034]组架随着帆轮的继续转动，活动帆芯紧贴其框架、在风向垂直面上的投影面积逐渐加大、接受的风力也逐渐加大，而固定帆芯面接受的风力逐渐减小，当转过临界角，导致帆门5整体大幅度逆时针翻转:使固定帆芯平面向北、和风向平行，另一侧面上的活动帆芯相对其框架张开，也转止和风向平行。
[0035]上述临界角的大小由两个因素决定:1、帆门5 二面角的角度；2、帆门5 二面角两个面的面积比。例:二面角的角度130度，面积比是1，临界角将是20度。即图示朝向正东的组架4继续转过20度后，活动帆芯在风向垂面上的投影开始大于固定帆芯的投影，接受的风力也相对较大，导致帆门5逆时针翻转。调整有关数据，把临界角设定为30度，以呼应后述的举例说明。
[0036]如图4所示朝向正东的组架4随帆轮继续转过30度，帆门6的窄薄板和风向平行，进而在风力作用下向宽薄板折叠。转过90度，帆门6在风力作用下逆时针翻转、展开，并在北向方位暂和风向保持平行。
[0037]组架4随帆轮转动一周，半周顺风半周逆风。逆风转动过程，就是各帆门逐渐向组架靠贴的过程，进入顺风半周后，逐渐形成O形迎风曲面。在顺风半周的后期^形曲面解体，帆门都转止和风向平行。
[0038]如前述，每一组架4相对圆盘3都有30度的自由转动余地。所以相邻两组架4间的夹角既可以是30度，也可以是90度。当某一组架4转到图示的正北方向后，不再随帆轮转动，要暂停30/360 = 1/12周期的时间，使它和其后方的组架间的夹角由60度变为30度。然后再随帆轮正常转动。当转到正南方向时，它和其前方组架间的夹角已经变为90度。而后在风力作用下零负荷快转2 ω t = Θ +30角度后、进入载荷工作状态。其中、2 ω、t分别是组架4零负荷快转的角速度和时间，30度是组架相对圆盘3最大转角；Θ是t时间内圆盘3转过的角度。若帆轮正常工作时的尖速比设定为0.5，则圆盘3的角速度将是组架4零负荷快转的角速度的0.5倍、即ω。由前述得出方程(Θ+30)/2 ω = θ/ω — Θ =30。故帆门进入载荷的工作区间是(以风向为参考向):90-30~90+30度。解读计算过程和结果:如图4、为叙述方便，命名朝向正东(右)的组架为a组架，朝向正南(下方)的为b组架。a组架接受风力、输出动力以角速度ω载荷转动(角位移)30度到90+30度的同时，b组架在风力作用下，零载荷以2 ω的角速度角位移Θ +30 = 30+30 = 60度到90-30度的位置开始载荷，并以角速度ω角位移60度到90+30度处后形迎风曲面解体。如此设计的目的是:能使各帆门组无隙接替、轮流工作在与风向尽可能垂直的状态，以最大限度的增大风的阻动力。
[0039]事实上、尚有多种结构形式的帆门及帆门组合可以达前述目的:顺风时呈O状、逆风时与风向平行。
[0040]将4(Ν_2)副帆轮分别通过轴承限位于塔架的四角，形成4组、N-2层帆轮组。据观测统计，同一时间、高度每上升IOm风速加快7%。若设定帆轮组的层高是IOm则上下相邻的帆轮要通过速比107/100的内齿轮联系，以便各个帆轮都尽可能工作在最佳状态。于帆轮组的下端通过传动机构一体化向下输送动力。
[0041]在N层塔架的最下层装置水轮机7。其结构如图3:设置竖直转轴，在靠近转轴上端处设置一块半固定钢质圆盘，以圆盘为载体、沿半径向相互间隔90度固定四副帆门悬吊臂，凹面形帆门悬吊于悬吊臂下。凹面形帆门仅能在竖直和水平间的90度内自由转动。
[0042]四副水轮机7通过轴承设置于塔架I最下层的四角，并通过传动机构一体化向上输出动力。
[0043]发电机等安置在塔架I的次下层。
[0044]将上述塔架、帆轮融合体竖直固定在水流底床，仅把下吊的凹面形帆门淹没于水下。水轮机7在水流作用下转动，半周顺水流、半周逆水流。在顺流半周，凹面形帆门竖直下垂并限位，使凹面迎阻水流得到动力。逆流半周、在水流的冲击和飘浮作用下，凹面向上掠浮水面、水阻较小，
[0045]以上所有帆轮(包括水轮机)、按帆门与组架(悬吊臂)的相对位置划分类别:以顺时针为参考向，以帆门组装在组架的前侧或后侧划分、成为等分两类。显然，帆门装置在组架的前侧的帆轮，不管风向，其转向总是逆时针；而帆门装置在组架的后侧，其转向总是顺时针。如图5上下串联在同一塔架角和对角的应是同一类帆轮。
[0046]大型、大功率塔形动力机，其中有4(N_2)副风力帆轮和4副水轮机。要维护其中某一帆轮，根据其结构，单单阻停被维护的一副帆轮即可，因为圆盘3相对转轴2之间是半固定联系，其结构及工作原理类似自行车飞轮，整体串联的转轴2继续转动，所以单单阻停某一副帆轮并不影响其他帆轮继续工作。
[0047]本实用新型也可以单取最下两层成为水轮动力机，也可以去掉水轮机层成为风力机。所以有了前述的N = I.2.3...。
【权利要求】
1.一种方塔形水风联用动力机是由塔架和帆轮组成，其特征是:其基础支架是由N+1副正方形方框被四根竖直立柱串联成为N层方塔形塔架，4(N-2)副帆轮分别通过轴承限位于塔架上部的N-2层四周，上下相邻的帆轮通过内齿轮联系，形成4组、N-2层帆轮组，在塔架的最下层的四周设置4副水轮机，次下层内设置发电机等，接受上下动力轮传来的动力，N=I.2.3...。
2.根据权利要求1所述的方塔形水风联用动力机，其特征是:靠近帆轮竖直转轴(2)两端、各垂直设置一块圆盘(3)，上下两圆盘通过竖直轴的外套管刚性联固，联固体通过有关技术、相对转轴只能单方向转动，六副横置‘开’字形组架(4)呈放射状均匀设置在两圆盘上，组架相对圆盘有一定角度的水平向自由转动功能。
3.根据权利要求1所述的方塔形水风联用动力机，其特征是:组架(4)上组装有多扇帆门，这些帆门在风力的作用下随帆轮转动到顺风侧时可以自动联合组成迎风曲面，转到逆风侧时帆门平面都将和风向平行。
【文档编号】F03B17/00GK203730215SQ201320374132
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年6月18日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】马跃峰 申请人:马跃峰