具有自转和公转的旋转翼的水平轴旋转力产生装置的制作方法

本发明涉及一种旋转力产生装置，当受到因流体流动引起的压力时，绕沿水平方向延伸的翼公转轴公转的同时自转的多个旋转翼向所述翼公转轴提供旋转力，更具体地，提供一种具有自转和公转的旋转翼的水平轴旋转力产生装置，即使所述流体的流动方向随时变化且没有单独的方向控制动力装置，也可以使所述翼公转轴自动移动到所述旋转力产生装置产生的旋转力最大化的位置和方向；在各所述旋转翼的公转相位下的自转相位角也被设定为朝向通过所述流体的流动产生的旋转力最大化的方向，无论各所述旋转翼处于哪个公转相位，始终以相同的旋转方向将在公转相位下可产生的最大的旋转力提供给所述翼公转轴。

背景技术：

1、在流动的流体的压力下运动的旋转翼(叶片)向所述旋转翼的旋转轴提供旋转力的旋转力产生装置可以分为旋转翼的旋转轴方向与流体的流动方向平行的“水平旋转轴”方式和垂直的“垂直旋转轴”方式，这两种方法的优缺点如下。

2、“水平旋转轴”方式有利于实现大型化，但由于旋转翼的运动方向与流体的运动方向垂直，因此在旋转部件与支撑部件之间会产生显着的摩擦、振动、噪声和能量损失。为此，水平旋转轴风力发电机需要每秒6m以上的快风。

3、“垂直旋转轴”方式根据类型的不同而有所不同，例如达里厄型(darrieus type)或萨沃尼斯型(savonius type)，但在整个360度相位区间中，在旋转翼沿流体的流动方向移动的180度相位区间中产生正向(+)旋转力，但在旋转翼逆流运动的180度相位区间中产生反向(-)旋转力，因此产生旋转力的能效较低。事实上，根据多项研究报告，萨沃尼斯型的最大产出系数为20％，达里厄型的最大产出系数不到30％。

4、同时，在下面的现有专利文献1、2和3中提出的垂直旋转轴方式中，旋转翼在与公转方向相反的方向上以0.5倍的角速度进行自转运动，因此只要将每个公转相位的自转相位角设置成在旋转翼的翼公转轴中朝向翼自转轴的方向与所述流体的流动方向垂直的两个点中，在一点与旋转翼的翼面垂直的方向与流体的流动方向垂直，在另一点平行即可实现所述旋转翼位于何种公转相位始终不产生反向(-)旋转力，并且能够将流体的流动能量尽可能多地转换为旋转翼的正向(+)旋转能量。

5、(专利文献1)韩国公开专利第10-2009-0102282号(风车叶片自转型垂直轴风力发电机)

6、(专利文献2)韩国授权专利第10-1080323号(风力发电机用旋转叶片方向调节装置)

7、(专利文献3)韩国授权专利第10-1525553号(垂直转子型风力发电装置)

8、(专利文献4)韩国授权专利第10-0954760号(用于风力发电机的风车)

9、(专利文献5)韩国专利申请第10-2021-0046837号(根据流体的流动公转和自转的旋转力产生装置)

10、然而，在根据专利文献1、2或3的方法中，为了使旋转翼实现如上所述的每个公转相位的自转相位角，需要通过单独的外部动力提供大于对旋转翼施加的流体流动方向上的压力而产生的旋转力矩(torque)的反向旋转扭矩，因此存在根本的限制，就是能量效率不可避免地低于现有方法。

11、发明的内容

12、发明要解决的技术问题

13、在上述专利文献1至3的风力旋转力产生装置中，两个以上旋转翼绕一个翼公转轴公转，同时以公转角速度0.5倍的自转角速度沿与所述公转运动方向相反的方向进行自转运动，产生翼公转轴的旋转力。

14、对于该原理的垂直旋转轴风力发电机，假设流体的流动方向为90度公转相位角，则在0度公转相位角下，当自转相位角(旋转翼的翼面方向)为0度时旋转力最大，当自转相位角大于或小于0度时，所述自转相位角为+45度或-45度时产生旋转力为0(zero)。

15、然而，所有接收液压的物体都具有沿使接收液压的面积最小化的方向移动的属性，以最小化能量损失，因此除非使用单独的方向控制装置人为改变，否则所述公转相位角为0度时，所述翼自转轴移动至自转相位角为+45度或-45度的方向后停止，从而失去旋转力产生功能。

16、为了解决这种旋转力失去的问题，专利文献1的方式提出了一种通过额外安装方向舵来控制旋转翼的方向的方式，其原理与风向标相同，但未获得专利权，专利文献2和3的方式提出了一种通过额外安装风向传感器和单独的动力提供装置来控制旋转翼的方向的方式，并分别获得了专利权。

17、其中，在专利文献1的方式中，可以通过方向舵稍微改变旋转翼的方向，但是由于改变的旋转角度显着小于90度，所以产生旋转力的能效不可避免地很低。

18、然而，专利文献2和3的方式中产生旋转力的能效不可避免地低于专利文献1的方法。这是因为，即使假设根本没有其他能量损失，利用所述动力提供装置控制旋转翼的不同公转相位下的自转相位角所需的力和能量的大小大于由所述旋转翼的自转和公转产生的力和能量才能对抗流体的流动来控制旋转翼的方向(相位角)，因为这违反了热力学第一定律(能量守恒定律)。

19、本发明旨在解决这些现有发明的问题，提供一种旋转力产生装置，其将流体的流动方向上的动能转换为旋转翼的公转方向上的动能，例如风车或水车。

20、(1)不会出现水平旋转轴方式的缺点，即抵抗沿旋转轴方向推力旋转的部件之间的摩擦、噪声、振动及由此产生的能量损失；

21、(2)虽然与垂直旋转轴方式类似，但在旋转翼绕公转轴公转的整个360度公转区间内，每个公转相位只产生最大的正向(+)旋转能量；

22、(3)即使流体的流动方向随时变化且不提供单独的动力，旋转翼也能具有能够产生在每个公转相位角下可产生的最大的翼面方向(自转相位角)；

23、(4)即使在流体的种类和流速相同的情况下，与专利文献1至3中提出的旋转翼相比，旋转翼也具有能够多产生10％以上的能量的形状。

24、(5)无论翼公转臂的长度增加多少，都不会产生额外的摩擦能量损失，使得旋转翼即使在低流速和液压下也能有效公转并产生较大的旋转力矩。

25、(6)可方便、美观地安装在路边、铁路边、海岸等闲置土地上，或路灯、电线杆等现有结构物上，可用于高效发电新能源和再生能源。

26、本发明的目的在于提供一种旋转力产生装置，其利用风力或水力等流体流动的动能来最大化产生旋转力的效率，安全实用，并且具有很高的工业价值。

27、另一方面，作为解决这种现有旋转力产生装置的问题的手段，本发明人最近于2021年4月11日申请了“根据流体的流动公转和自转的旋转力产生装置”的专利。

28、该专利申请是一项替代发明，与上述的现有发明类似，但基本工作原理却截然不同，它不仅解决了上述的现有旋转力产生装置的所述六个问题，而且还提供了解决以下问题的追加手段，即，提供一种利用流体流动的旋转力产生装置，其中，

29、(1)尽管没有像现有发明那样设置用于方向控制的单独的动力装置，或者没有像本发明人的在先发明那样左右对称地设置两个翼公转轴旋转体，但是仅用一个翼公转轴旋转体就可以实现在各旋转翼的公转相位下的自转相位角，从而最大化旋转力的产生，

30、(2)由于作用在各旋转翼的左侧部位和右侧部位的液压是相互平衡的，如果仅由方向舵或动力装置提供轻微的外力即可破坏力的平衡，使得翼公转轴旋转体沿与流体的流动垂直的方向移动，因此可以在输入很少的能量的情况下将产生的能量最大化，

31、(3)并非像本发明人的在先发明那样在地面上为各旋转力产生装置安装基础，而是将多个旋转力产生装置悬挂成一排或垂直堆叠在横向线性结构物上，例如长距离电缆或管道，因此可以经济地安装多个装置，不受空间限制，

32、(4)并非像本发明人的在先发明那样旋转翼并不以垂直方向翼公转轴为中心进行左右方向公转，而是以水平方向的翼公转轴为中心进行上下方向公转，形状和动作几乎类似于一只大鸟扑翼飞行，

33、(5)如果超大旋转力产生装置安装在公路、河流、海洋、山地等的上部，则有效利用上层部流速快、下层部流速慢的流速特性产生翼公转轴旋转力，同时也可将公共场地或闲置场地等有效利用于产生环保能源，

34、(6)即使流速和流向不时变化，仅通过操纵基于沿垂直方向延伸的中心轴左右旋回的水平面上的相位角，就可以轻松改变或控制旋转翼的旋转速度。

35、(7)如果由于台风、洪水等导致流速过快，只要将水平面上左右旋回的翼面方向控制在与流体的流动方向平行的方向，就可以施加在旋转翼上的液压将几乎为0(zero)，因此可以实现大于或等于100m的超大型风力发电机，而不存在因液压而倒塌或倾覆的风险，

36、其经济、具有高能量效率、具有优良的造型美感、并且能够控制旋转速度并使其非常大。

37、用于解决问题的技术方案

38、为了解决所述问题的本发明的水平轴旋转力产生装置是利用流体流动的水平轴旋转力产生装置，

39、包括：一个以上翼公转轴旋转体，具有以相同的公转相位角间距设置的两个以上旋转翼，该旋转翼当受到因流体流动引起的压力时，以沿水平方向延伸的翼公转轴为中心公转的同时以与所述翼公转轴平行的翼自转轴为中心自转，以向所述翼公转轴提供旋转力；翼公转体支撑结构物，提供底座功能以使各所述翼公转轴能够轴转，并支撑各所述翼公转轴旋转体能够在预定高度左右旋回；及公转自转变速联动机，将各所述旋转翼的公转相位角和自转相位角相互联动，以将各所述旋转翼提供至各所述翼公转轴的旋转力最大化，

40、各所述翼公转轴旋转体包括：

41、翼公转轴，沿水平方向延伸；两个以上翼公转臂，以所述翼公转轴为中心，以相同的公转相位角间距隔开，以放射状延伸；翼自转底座，形成在各所述翼公转臂的末端部位；翼自转轴，沿与所述翼公转轴平行的方向，以能够原地旋转的方式结合于各所述翼自转底座；旋转翼，具有两个薄曲面体关于各所述翼自转轴线对称地固定结合的形状；及公转自转变速联动机(power train)，将所述翼公转臂的公转角速度改变来传递至各所述翼自转轴，以使各所述翼自转轴沿所述翼公转臂的相反侧旋转方向以0.5倍的角速度进行原地旋转，

42、所述翼公转体支撑结构物包括：

43、翼公转体旋回轴，沿竖直方向延伸，起到旋转轴作用并支撑所述一个以上翼公转轴旋转体能够在预定高度沿水平面上的运行轨道进行左右旋回；翼公转体旋回轴基座，以固定于预定位置的状态支撑所述翼公转体旋回轴；一个以上翼公转体旋回臂，以能够左右旋回地结合于所述翼公转体旋回轴，朝向各所述翼公转轴延伸；及一个以上翼公转底座，形成于各所述翼公转体旋回臂，在各所述翼公转底座的侧面固定结合翼公转底座齿轮，该翼公转底座齿轮是所述公转自转变速联动机的一部分，具有沿所述翼公转轴的轴向突出的齿轮或行星齿轮形状。

44、其中，所述公转自转变速联动机执行将固定于所述翼公转底座而不旋转的翼公转底座齿轮与以所述翼公转轴为中心公转的旋转翼之间的相对旋转角速度改变为0.5倍来传递给所述翼自转轴的功能，作为与所述翼公转底座齿轮联动的旋转力传递部件(powertrain component)可以使用正齿轮、锥齿轮、行星齿轮、链带、曲柄机构等各种类型的传动介质。

45、另一方面，作为所述翼公转体旋回臂的水平方向长度的翼公转轴的旋回半径是所述翼公转体旋回轴与所述翼公转轴之间的最短距离，可以大于或等于0(zero)，当所述翼公转轴的旋回半径为0(zero)时，需要单独的风向标式方向舵或方向控制动力装置用于将所述翼公转轴以垂直于所述流体流动方向的方向旋回，当所述翼公转轴的旋回半径大于0时，即使没有单独的方向控制装置，所述各旋转翼和翼公转轴也能够被所述流体的流动的压力推动而向下游旋回并提供风向标式方向舵功能，因此所述翼公转轴自动朝向垂直于所述流体的流动方向的水平方向。

46、其中，即使所述流体的流动方向不时变化且所述翼公转轴的旋回半径为0，分别作用在所述翼公转轴旋转体的左侧半部和右侧半部的液压的大小相同，因此通过所述风向标式方向舵或方向控制动力装置施加轻微压力破坏左右液压大小平衡，即可使得所述翼公转轴旋转体左右转动，几乎不消耗动力且简单、节能地控制所述翼公转轴朝向与所述流体流动垂直的方向。

47、对此，对于所述旋转翼的公转相位角与自转相位角的相互关系，由于所述翼公转体旋回轴沿竖直方向延伸，假设竖直上方作为用于设定旋转翼的垂直面上的公转相位角和自转相位角的基准方向的0(zero)，则为了当各所述旋转翼的公转相位角为0度时作为翼面朝向的方向的自转相位角为0度(竖直方向)或90度(水平方向)，而将所述公转自转变速联动机的翼公转底座齿轮与旋转力传递部件之间的旋转相位角关系设定(setting)为不变，即使不提供单独的外部动力，也可简单、准确地实现在将利用流体的流动可产生的最大的旋转力提供给所述翼公转轴的旋转翼的公转相位角下的自转相位角。

48、另一方面，可在这种本发明的利用所述流动的旋转力产生装置中提供以下附加技术方案。

49、(1)在一个长距离临时电缆或刚性管道等横向线性结构物中，可以通过翼公转体支撑结构物悬挂安装多个水平轴旋转力发生装置。

50、当以这种方式安装时，各所述水平轴旋转力产生装置的翼公转体旋回轴通过悬挂的所述翼公转轴旋转体的重量而沿垂直于所述流体流动方向的竖直方向延伸，且翼公转轴在垂直于流体流动方向的垂直方向上延伸，所述翼公转轴和翼自转轴被所述流体流动推向最下游，并通过左右旋回的翼公转轴旋转体或风向标式方向舵沿垂直于所述流体流动的水平方向延伸，从而即使没有单独的动力装置进行方向控制，所述水平轴旋转力产生装置也会具有能够产生通过所述流体流动可产生的最大的旋转力的水平面上的位置和方向及在各旋转翼公转相位下的竖直面上的自转相位角。并且，随着所述流体的流速的增加，所述翼公转体旋回轴因液压而产生的倾斜角增大，各公转相位的自转相位角发生变化，因此各旋转翼的旋转速度被控制在一定范围内。

51、(2)具有左右两个翼公转轴旋转体的水平轴旋转力产生装置制造成上下扑翼的大鸟形状，以能够左右旋回地安装在如路灯或者电线杆等垂直结构物的上方。

52、当以这种方式安装时，即使没有单独的动力装置进行方向控制，与所述垂直结构物结合的翼公转体旋回轴沿与所述流体的流动方向垂直的竖直方向延伸，并所述旋转翼和翼公转轴和所述流体流动被推向最下游而旋回，因此所述翼公转轴和翼自转轴沿与流体的流动垂直的水平方向延伸，各旋转翼也可以具有以所述垂直结构物提供的竖直方向为基准能够将旋转力产生最大户的在各公转相位角下的自转相位角。

53、其中，构成所述水平轴旋转力产生装置的左侧和右侧翼公转轴旋转体还可以共用一个翼公转轴。

54、(3)在各所述翼公转轴旋转体的翼公转轴和各翼自转轴的末端部位，沿横向以一列横队固定结合有相同大小的三个以上曲柄机构，该曲柄机构以相同的曲柄销公转相位角间距隔开设置，具有相同的公转相位的翼公转轴曲柄销和各翼自转轴曲柄销通过放射状曲柄销连接臂相互连接以能够原地旋转，该放射状曲柄销连接臂是以中间的翼公转轴曲柄销为中心朝向周围的各翼自转轴曲柄销以放射状延伸的连接部件，从而使得所述曲柄销相互联动来以相同的公转相位角和角速度以各自的曲柄轴为中心公转，

55、当设置在各所述翼公转轴的三个以上曲柄销以相同的公转相位角间距隔开并公转时，在各所述翼公转轴的各曲柄销中铰链结合的三个以上放射状曲柄销连接臂也以相同的曲柄销公转相位角间距隔开并公转，因此在所述三个以上放射状曲柄销连接臂的公转过程中不发生由于偏载引起的振动和冲击及由此产生的动力损失，

56、针对各所述翼公转轴分别设置三个以上的放射状曲柄销连接臂中的至少一个仅通过材料的拉伸阻力将翼公转轴的旋转力传递给一个翼自转轴，通过所述拉伸阻力传递的旋转力根据所述曲柄销的公转相位角在最大值的0.5倍至1倍之间周期性地增减，所述放射状曲柄销连接臂使用拉伸强度非常高、重量轻且容易弯曲的材料制造成细长的形状，无需增加旋转力传递部件的数量和由此产生的摩擦阻力，仅调节放射状曲柄销连接臂的长度即可自由地增加所述旋转翼的公转半径，将旋转力产生的能量效率和经济性最大化。

57、发明的效果

58、(1)由于旋转力产生装置的翼公转轴和翼自转轴采用垂直于流体的流动的垂直旋转轴方式，不像所述水平旋转轴(螺旋桨)那样旋转翼被流体推动而压缩底座，因此旋转翼的旋转速度也相对较慢，因此不会发生摩擦、振动、噪声和显着的能量损失。

59、(2)噪各旋转翼的整个360度公转仅产生正向(+)旋转力，与仅在180度公转区间产生正向旋转力且在剩余180度区间产生反向旋转力的现有垂直旋转轴方式相比，能量产生小了至少大2倍以上。

60、(3)即使流体的流动方向不时变化且不提供单独的动力，沿竖直方向延伸的翼公转体旋回轴提供用于设定相位角的基准方向，因此所述旋转翼具有能够产生在各公转相位角下可产生的最大的翼公转轴旋转力的自转相位角。

61、(4)当翼公转体的旋回半径大于0时，即使流体的流动方向不时变化且没有单独的方向舵或动力，翼公转轴沿垂直于流体的流动的方向延伸，各所述旋转翼也能直接有效提供方向舵功能来将旋转力产生最大化。

62、(5)当翼公转体的旋回半径为0时，施加轻微压力破坏作用在所述翼公转轴旋转体的左侧半部和右侧半部的液压平衡，即可简单控制所述翼公转轴朝向与流体流动垂直的方向，从而不消耗大量动力的情况下将旋转力产生的能量效率最大化。

63、(6)利用小型方向控制动力装置或风向标式方向舵，改变所述翼公转轴的延伸方向与所述流体的流动方向之间的水平面上的夹角，通过这种方法在不消耗大量动力的情况下有效控制施加于所述翼公转轴旋转体的液压和由此产生的旋转速度与旋转力的大小。

64、(7)当由于台风或洪水等而导致流体的流速过度增加时，利用小型方向控制动力装置或风向标式方向舵，控制所述翼公转轴的轴向与所述流体的流动方向平衡，则所述旋转翼在流体的流动方向上几乎不受液压，从而可以在使用很小的动力的情况下显著提高安全性，防止所述水平轴旋转力产生装置倒塌或倾覆。由此，可以实现超大型旋转力产生装置，而无需风压或液压的负担。

65、(8)当各所述旋转翼具有与翼自转轴垂直的方向的剖面没有凹凸且平行的方向的剖面具有多个凹凸或突起的形状时，与单纯的平面形状的旋转翼相比，能量效率增加10％。

66、这是因为，撞击旋转翼的流体中向四周分散的流量减少，且沿翼面流动管并将运动量传递给各旋转翼的流动增加。事实上，不同旋转翼的形状的阻力系数，平面型约为1.98，凹半球形约为2.3，因此存在10％以上的差异。

67、(9)当使用包括放射状曲柄销连接臂的曲柄机构和变速用行星齿轮作为翼公转轴与翼自转轴之间所述公转自转变速联动机时，与其他传动方式相比，在流体的流动的速度较慢的情况下也可以非常有效地增加翼公转轴的旋转力。

68、这是因为，即使翼公转臂的长度变长，传动部件的数量也不会增加，因此由于接触面摩擦等引起的动力损失不会增加，但提高旋转力所需的力矩臂长增加。

69、(10)现有的发明需要具备单独的动力装置来控制方向，本发明人的在先发明需呀设置左右对车的两个以上翼公转轴旋转体，但本替代发明仅通过一个翼公转轴旋转体即可非常准确、节能地实现方向控制功能。

70、这是因为，翼公转轴沿水平方向延伸，将垂直于流体的流动的竖直方向作为旋转翼公转相位角的基准方向，初期只要准确设定(setting)在各旋转翼的公转相位角下可产生的最大的旋转力的自转相位角。

71、(11)本发明人的在先发明需要对各旋转力产生装置安装基础，但本替代发明可以将多个旋转力产生装置悬挂成一排在长距离线性结构物上，例如电缆或管道等，不受空间限制，

72、这是因为，本发明人的在先发明不能将重力方向用于设定旋转翼的公转相位角和自转相位角，因此结构复杂且笨重，但本替代发明通过将水平轴旋转力产生装置悬挂在电缆等即可将重力方向设定为用于设定相位角的基准，因此与现有发明相比，结构更加简单，重量也明显减轻。进而，当流体流动方向恒定时，例如在山谷、河流、海岸或建筑物之间，可以具有更简单且更经济的形状和结构。

73、(12)本发明人的在先发明中的旋转翼以垂直方向翼公转轴为中心进行左右方向公转，但本替代发明中的旋转翼以水平方向的翼公转轴为中心进行上下方向公转，可以被制造成大飞行器扑翼飞行的形状，因此当安装在路灯或电线杆等垂直结构物上或公路、公园、堤坝等闲置场地时，可以产生能量并起到美学雕塑的功能。

74、(13)各旋转翼以翼公转轴中心公转距离和重量相同，旋转方向和旋转速度也相同，可以使得因旋转翼的自转和公转产生的振动、摩擦和惯性阻力最小化，旋转翼可以高速旋转，产生旋转力的能量效率非常高。

75、(14)通过联动与组合三个以上曲柄机构的曲柄机构组合体相同数量的放射状曲柄销连接臂，仅通过调节放射状曲柄销连接臂的长度即可自由地增加各所述旋转翼的公转半径，通过这种方法可以最大化旋转力产生的能量效率和经济性。

技术实现思路