風能轉換裝置的製作方法
2023-06-14 19:45:06
專利名稱:風能轉換裝置的製作方法
本發明涉及到一種風能轉換裝置，它具有一個帶垂直旋轉軸的轉子，還至少有一個近似垂直的推進葉片，該葉片總是安裝在至少一個轉子臂上，而該臂則可圍繞一個近似垂直的旋轉軸自由旋轉，該風能轉換裝置還具有一個與推進葉片剛性連接的、沿旋轉方向設置在葉片前面的平衡塊。
帶垂直轉子旋轉軸的風能轉換裝置已知有多種結構型式。這類結構呈現的優點是，它們與風向無關，並由於在風向變化時不需要調整，因此用較少的造價就可製造。這類風能轉換裝置的基本缺點在於，推進葉片的迎風角在轉子每轉一圈時連續地在一個最大值與一個最小值之間發生變化。這種迎風角的變化，隨著高速係數的降低而增加。此外高速係數是指風速與轉子園周速度的比值。
機械的或者其他強制性控制裝置機械方面耗費很大、並需要較多的能耗，因為轉子每轉一圈，都要改變推進葉片的安裝角以適應迎風角。此外，這種控制必須考慮到當時的風向。
一種在轉子臂上剛性安裝的推進葉片，因而不需要安裝角適應迎風角的變化，致使風能轉換裝置的效率明顯地減小，因為在推進葉片上要產生一個最大可能的推動力，只有在安裝角對於當時瞬間迎風角而言是最佳值時才有可能。不對稱的翼型可產生一個較大的推進力，並使轉子有較高的效率，但不能在小的高速係數範圍內應用，因為在迎風角度變化較大時，會使氣流全部分離。因此到目前為止，在這個範圍內只有對稱翼型才能應用，但是效率是很低的。對稱翼型在小的到中等的高速係數範圍內還存在的缺點在於，迎風角的變化至少導致部分氣流分離，從而在部分失去推力的情況下導致流動阻力增加，結果使風能轉換裝置的總效率明顯下降。
前面所述的一種已知風能轉換裝置(西德展出說明書DE-AS2602380)，其安裝在轉子臂上的推進葉片是可自由旋轉的，因此就使推進葉片在轉子每轉一圈時能適應不斷變化的迎風角。因為推進葉片的旋轉軸大約位於葉片的前緣，因而是在葉片重心的前面，為此在旋轉軸的前面配置有一個抵消離心力影響的平衡塊，使得旋轉軸處於推進葉片和平衡塊整個組成體的重心。
在這種已知的風能轉換裝置中，與轉速有關的離心力就此不會對推進葉片的安裝角產生影響;安裝角只是在氣流動力作用下適應於某個數值，但該值並不能產生理想的推進力，也就沒有滿意的效率。因此，這種已知風能轉換裝置的推進葉片也只能做成對稱的翼型，也就只能產生很不理想的效率。
因此本發明的任務是設計一種屬於前面所述類型的風能轉換裝置，它能保證自行啟動，並能取得滿意的效率，尤其是在小的和中等的高速係數的情況下。
按照發明解決這個任務的措施是，使推進葉片具有一種非對稱的翼型，還使推進葉片和平衡塊整個組成體的重心沿旋轉方向位於旋轉軸的前面。
整體重心偏置於旋轉軸前面將導致，推進葉片隨著轉數增加試圖佔有一個較大的安裝角。氣流動力克服增加轉速時由於離心力作用所產生的力;在某種力平衡情況下，推進葉片對每個瞬間迎風角總是佔有一個有利的安裝角。由此並通過現在可能應用一種非對稱翼型，就使效率有一個顯著的提高。
作用於非對稱翼型上的氣動升力和氣動力矩在鄰近氣流範圍內和迎風角成線性關係。同時有一個離心力作用在推進葉片上。因為氣動升力、葉片力矩和離心力都取決於當時速度的二次冪，則在每個速度也就是在每個旋轉時出現的迎風角都會有一個平衡，也可通過偏置平衡塊來影響這個平衡。在中等的直至小的高速係數範圍內還能可靠地避免氣流分離，這是因為使安裝角能隨各種迎風氣流情況而變所致。首先有可能的是，採用與對稱翼型相比具有明顯效率增益的非對稱翼型，因為在相同迎風角情況下能達到高得多的升力係數。
風能轉換裝置的推進葉片採用非對稱的翼型雖在西德公開說明書DE-OS 2816026中是已知的，然而這種推進葉片是剛性固定在轉子臂上的，因此它不能適應不斷變化的迎風角。在這個已知的風能轉換裝置中，也只不過配置一種很特殊的、對迎風角變化不太敏感的翼型，但它的效率卻是很低的。
按照發明構思的一種最佳結構型式是，使整體重心位於旋轉軸前面的距離最多相當於平均翼弦的20%。
發明構思的其他具有優點的布置列在相關從屬權利要求
的技術內容中。
下面就一個附圖中所述實施例來詳細說明本發明。附有圖1是以立體簡化方式來表示一種風能轉換裝置，圖2表示一個沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖和圖3表示一個沿圖2中Ⅲ-Ⅲ線的剖面圖。
圖1所示的風能轉換裝置在一個掛杆1上裝有一個帶垂直旋轉軸的轉子2，就這個所述實施例而言，該轉子具有兩個水平的轉子臂3，在其端頭各裝有一個推進葉片4。
該推進葉片4(圖2)可用各種傳統製造方法來實施，例如可用塑料、纖維組合、金屬或木料製造方法。葉片4是垂直安裝的，並且在其中間部位可旋轉地置於一個垂直支承軸5上，該軸藉助一個螺栓6和轉子臂3相連接(圖3)。支承軸5以其兩端安裝在推進葉片4的兩根傳力肋上。由此構成的旋轉軸線8位於靠近推進葉片4的葉片前緣處。推進葉片4圍繞旋轉軸線8的自由旋轉度僅僅通過擋塊9來限制，該擋塊9以大約30°的夾角配置在轉子臂3的固定端兩側。
在突出於葉片前緣前面的葉片前端10內配置有一個與推進葉片4剛性連接的平衡塊11，它的作用是使推進葉片4和平衡塊11整個組成體的重心12，沿轉子2旋轉方向位於旋轉軸線8的前面(如圖2突出顯示的)選定平衡塊11的尺寸和有效槓桿力臂時應使整體重心12到旋轉軸線8的距離最多為推進葉片平均翼弦的20%。
如從圖2可知，推進葉片4具有一種非對稱的翼型，這對推進效率是特別有益的。在從轉子臂3過渡到突出的葉片前端10外罩或到推進葉片4的部位上，適當地裝有一個彈性的開縫罩13。
轉子2可以製成具有任意數量的推進葉片4和轉子臂3，例如也可做成單葉轉子。即使是在低風速的情況下，轉子2不用啟動輔助裝置仍可自行啟動。不言而喻，帶平衡塊11的推進葉片4的總質量要儘可能小，以避免引起過大的氣動慣性力。這種對平衡塊11作簡單的位置改變，就能使各種所應用葉片形態特性有一個理想的適應。
旋轉軸8可設在靠近葉片前緣或者設在葉片前緣後面很近處。根據葉片形態(例如，呈負的或正的箭形)位於推進葉片4中間高度的旋轉軸8也可安置在葉片前緣的前面，或在葉片前緣後面較遠處。
權利要求
1.風能轉換裝置具有一個帶垂直旋轉軸的轉子，還至少有一個近似垂直的推進葉片，該葉片總是安裝在至少一個轉子臂上，而該臂則可圍繞一個近似垂直的旋轉軸自由旋轉，該風能轉換裝置還具有一個與推進葉片剛性連接的、沿旋轉方向設置在葉片前面的平衡塊，其特徵在於推進葉片(4)具有一種非對稱翼型，並且推進葉片(4)和平衡塊(11)整個組成體的重心(12)沿旋轉方向位於旋轉軸(8)的前面。
2.按權利要求
1的風能轉換裝置，其特徵在於，整體重心(12)位於旋轉軸(8)前面的距離最多相當於平均翼弦的20%。
3.按權利要求
1的風能轉換裝置，其特徵在於，推進葉片(4)設有一個機械的旋轉角限制裝置(9)。
4.按權利要求
1的風能轉換裝置，其特徵在於，平衡塊(11)配置在一個突出於葉片前緣前面的葉片前端(10)內。
專利摘要
一種風能轉換裝置具有帶垂直旋轉軸的轉子，它在每個轉子臂上裝有垂直的推進葉片，該葉片可圍繞一個靠近葉片前緣安置的垂直軸自由旋轉。在一個突出於葉片前緣前面的葉片前端內配置有一個平衡塊。推進葉片和平衡塊整個組成體的重心位於推進葉片的旋轉軸之前。推進葉片做成非對稱翼型，它可在轉子每轉一圈過程中適應各個理想的安裝角。該風能轉換裝置在中等的和小的高速係數下也有高的效率，並能自行啟動。
文檔編號F03D7/06GK86103147SQ86103147
公開日1987年5月13日 申請日期1986年4月3日
發明者麥可·馬丁 申請人:赫脫轉動體有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan