立軸式風力機的製作方法

2023-05-05 05:23:26 1

專利名稱：立軸式風力機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種流體能量轉換裝置，尤其涉及一種立軸式風力機。
背景技術：
風能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，在化石能源緊缺的時代，有著重大的意義。以風能為例，對於風能等的利用已經歷經數千年，從最初的帆船和風車到現在日益成熟的風力機，人們總在不斷的探索研究能更好更充分利用風能的裝置。現如今的風力機主要有水平軸和垂直軸兩種。水平軸風力機的技術水平已經日益成熟，廣泛地應用於風力發電。垂直軸風力機雖然較水平軸風力機更早的出現，由於缺乏成熟全面的理論基礎和技術手段，並沒有能得到充分的發展，但這種風力機具有水平軸風力機所不具有的獨特優。首先垂直軸風力機結構簡單，安裝方便，維護也較為簡單，而水平軸風力機造價較高，技術複雜，維護更為困難；其次由於風向的變化，水平軸風力機需要特有的對風裝置，而垂直軸風機可自適應風向的變化；此外水平軸風力機的葉片大多採用合成材料，要承受周期性的交變載荷，容易損壞，還造成較大的噪聲；垂直軸風力機的葉片承受的一恆定載荷，疲勞壽命更長，所以對於垂直軸風力機的研究依然有很大的前景。不過，發明人發現:目前的風力機在風力較大時容易損壞，而在風力較小時又不容易啟動，缺乏一種自適應的機制。

實用新型內容本實用新型提供一種立軸式風力機，目的在於最大限度地截獲風量，提高風能轉換的效率。根據本實用新型的一個方面，提供一種立軸式風力機，所述風力機包括:立軸，垂直設置於支撐部件上；上翅葉和下翅葉，分別設置於所述立軸的上下端，所述上翅葉和所述下翅葉繞所述立軸可轉動；柔性葉片，由柔性材料製成，通過圓形或者弧形的剛性部件固定在所述上翅葉和所述下翅葉之間。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述支撐部件包括:位於底部的基座、固定在所述基座上的垂直支架以及與所述垂直支架垂直設置的橫梁；根據本實用新型的另一個方面，其中，所述上翅葉和所述下翅葉各為三個，所述三個上翅葉通過上法蘭盤設置在所述立軸的上端，且所述三個上翅葉之間以120°均勻分布；所述三個下翅葉通過下法蘭盤設置在所述立軸的下端，且所述三個下翅葉之間以120°均勻分布。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述上翅葉和所述下翅葉之間具有一定的角度。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述下翅葉被設置為沿著所述立軸上下可移動。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述柔性葉片通過多個具有相同弧度的固定部件來支撐。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述立軸式風力機還包括:滑套，與所述下翅葉固定設置，所述下翅葉通過所述滑套沿著所述立軸上下可移動；卡圈，設置於所述立軸上，通過所述卡圈限制所述下翅葉在所述立軸上的軸向運動範圍。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述立軸包括:實心立軸，位於所述立軸的上半部分；花鍵軸，位於所述立軸的下半部分，所述實心立軸的軸徑大於所述花鍵軸的軸徑。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述花鍵軸具有鍵槽，所述滑套上具有圓孔，通過設置於所述圓孔中的圓球沿所述鍵槽滑動而使得所述滑套沿所述花鍵軸上下移動。根據本實用新型的另一個方面，其中，所述滑套的底部與下法蘭盤固定設置，所述下法蘭盤與所述下翅葉固定設置。本實用新型實施例的有益效果在於:通過柔性葉片的自適應變形，可以對風能進行自適應調節，降低風力機的啟動力矩且防止風能過大時損壞裝置。參照下面的描述和附圖，將清楚本實用新型的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本實用新型的特定實施方式，來表示實施本實用新型的原理的一些方式，但是應當理解，本實用新型的範圍不受此限制。相反，本實用新型包括落入所附權利要求書的精神和內涵範圍內的所有變化、修改和等同物。參照以下附圖，將更好地理解本實用新型的許多方面。附圖中的組成部分不一定按比例繪製，重點在於清楚地例示出本實用新型的原理。為了便於例示和描述本實用新型的一些部分，可以將附圖中的對應部分在尺寸上放大，例如，放大得相對於其他部分比在根據本實用新型實際製成的示例性設備中的要大。在本實用新型的一個圖或實施方式中示出的部件和特徵可以與一個或更多個其它圖或實施方式中示出的部件和特徵相結合。此外，在附圖中，相同的標號在全部圖中都標示對應的部分，並且可以用來標示一個以上實施方式中的相同或類似部分。

所包括的附圖用來提供對本實用新型的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，例示了本實用新型的優選實施方式，並與文字說明一起用來解釋本實用新型的原理，其中對於相同的要素，始終用相同的附圖標記來表示。在附圖中:圖1是本實用新型的立軸式風力機的一示意圖；圖2是本實用新型的支撐部件的一示意圖；[0032]圖3是圖2中A處的放大示意圖；圖4是本實用新型的上下法蘭盤的一示意圖；圖5是圖2中B處的放大示意圖；圖6是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的一示意圖；圖7是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的另一示意圖；圖8是本實用新型的立軸式風力機的另一示意圖；圖9是本實用新型的立軸的一示意圖；圖10是本實用新型的花鍵軸的一示意圖；圖11是本實用新型的滑套的一示意圖；圖12是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的另一示意圖。
具體實施方式
針對一個實施方式描述和/或例示的特徵，可以在一個或更多個其它實施方式中以相同方式或以類似方式使用，和/或與其他實施方式的特徵相結合或代替其他實施方式的特徵使用。應當強調的是，術語「包括」當在本說明書中使用時用來指所述特徵、要件、步驟或組成部分的存在，但不排除一個或更多個其它特徵、要件、步驟、組成部分或它們的組合的存在或增加。本實用新型提供一種立軸式風力機。圖1是本實用新型的立軸式風力機的一示意圖，如圖1所示，該立軸式風力機100包括:支撐部件101，該支撐部件101包括位於底部的基座、固定在基座上的垂直支架以及與垂直支架垂直設置的橫梁；立軸102,垂直設置於橫梁和基座之間；上翅葉103和下翅葉104，分別設置於立軸102的上下端，上翅葉103和下翅葉104繞立軸102可轉動；柔性葉片105，由柔性材料製成，通過圓形或者弧形的剛性部件固定在上翅葉103和下翅葉104之間。圖2是本實用新型的支撐部件的一示意圖，如圖2所示，支撐部件101可以由位於底部的基座201和垂直支架202以及橫梁203組成。其中基座201置於地面，用於支撐整個裝置，保持其穩定性；而垂直支架202以及橫梁203材質均可以為槽鋼，垂直支架固定在基座201之上，而橫梁203與垂直支架202始終保持90度，可以通過螺栓(例如6個)相連。在本實施例中，如圖1所示，上翅葉103和下翅葉104可以各為三個。其中，三個上翅葉103可以通過一個上法蘭盤設置在立軸102的上端，且三個上翅葉103之間以120°均勻分布；三個下翅葉104通過一個下法蘭盤設置在立軸102的下端，且三個下翅葉104之間以120°均勻分布。在具體實施時，裝置共裝有上下各3個(一共6個)翅葉，且上下均以120度均布。翅葉採用特殊材料加工而成，除了質量較輕，可以使該裝置在較小的流體壓力下準確平穩啟動外，還要有很好的剛性，不因為在運行過程中受到葉片的拉力，而輕易發生彎曲和變形，影響整個裝置的穩定性和準確性。本實用新型不限於此，例如還可以使用更多或者更少的翅葉，可根據實際情況確定具體的結構。圖3是圖2中A處的放大示意圖，如圖3所示，立軸102的頂部軸頭可以與球軸承301相連，且軸承架302與橫梁203通過均勻分布在軸承架302上的螺栓(例如4個)固定連接。立軸102的上部可以有一個法蘭盤303，該上法蘭盤303通過螺釘304與上翅葉103連接固定。立軸102的下部可以有一個法蘭盤(圖中未示出)。圖4是本實用新型的法蘭盤的一示意圖，如圖4所示，在法蘭盤上分別勻布著三組圓孔，每組圓孔可以有三個。並且，上法蘭盤303通過這些圓孔和螺釘304與上翅葉103連接固定；下法蘭盤通過這些圓孔和螺釘與下翅葉104連接固定。圖5是圖2中B處的放大示意圖，如圖5所示，立軸102的下部可與圓錐軸承501相連，圓錐軸承501和軸承蓋與軸承座502固定，軸承蓋與軸承座502通過均勻分布的螺釘(例如4個)固定連接，而軸承座502又通過螺栓與鋼板503固定在基座201上。而立軸102的下端軸頭可與發電機等設備連接，將流體能量轉化為機械能或是電能。在本實用新型中，上翅葉和下翅葉之間設置有柔性葉片(例如設置有3個柔性葉片)。柔性葉片的主體為柔性材料，葉片頂部和底部通過剛性的圓環或圓弧固定在上下翅葉之間。在本實用新型中，柔性葉片可通過多個具有相同弧度的固定部件來支撐。如圖1所示，柔性葉片沿著軸向與多個(例如10個)具有相同弧度的圓環固定，用來支撐葉片，避免葉片在迎風時隨意扭轉彎曲，在一定程度上限制了周向上葉片的變形，從而更好地獲取風倉泛。以風力為例，柔性葉片在風力的作用下可以發生變形。圖6是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的一示意圖，圖7是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的另一不意圖。如圖6和7所示，當風從某一方向吹過來，迎風的柔性葉片的凹面正好對著來流，從而在風力的作用下會從凹面向外變形；而相鄰的背風的柔性葉片，在風力作用下，從凸面向裡發生一定的變形；另外一個柔性葉片沒有直接的迎風和背風，但從迎風葉片和背風葉片之間依舊會有風穿過，致使該柔性葉片從側面發生一定的扭曲變形。但由於迎風葉片和背風葉片的受力面積存在差異，所以會產生一定的阻力差，在阻力矩的作用下，會發生旋轉，從而可以輸出能量。當風速達到一定程度時，葉片會發生很大的變形。在本實用新型中，上翅葉103和下翅葉104之間還可以具有一定的角度。圖8是本實用新型實施例的立軸式的風力機的另一示意圖，如圖8所示，可以調節柔性葉片的安裝角度。例如，上翅葉保持原有位置不動，但下翅葉可發生位置的改變，相對上翅葉可以有15度、30度、45度、60度的角度變化，從而可以在一定的流體(例如風速和風向)下，通過角度的調整，改變葉片的安裝位置來獲得最佳的安裝角度和最佳的受力方向，儘可能最大限度地獲取流體能量。在本實用新型中，下翅葉104還可以被設置為沿著立軸102可上下移動。可能使得下翅葉104沿軸102向向上運動，以此減小柔性葉片的迎風面積。在具體實施時，該立軸式風力機還可以包括:滑套和卡圈。其中，滑套與下翅葉104固定設置，下翅葉104通過滑套沿著立軸102可上下移動；卡圈設置於立軸102上，通過卡圈限制下翅葉104在立軸102上的軸向運動範圍。[0062]圖9是本實用新型的立軸的一示意圖，如圖9所示，立軸102可以包括:實心立軸901，位於立軸的上半部分；花鍵軸902，位於立軸的下半部分，實心立軸901的軸徑大於花鍵軸902的軸徑。如圖9所示，花鍵軸902與實心立軸901連接時候，可以通過對實心立軸901做頭擴孔，再將花鍵軸902插入，通過螺母903固定連接。如圖9所示，在花鍵軸902上還套有一定距離的滑套904，滑套904的底部與下法蘭盤固定。圖10是本實用新型的花鍵軸的一示意圖，如圖10所示，在花鍵軸902上可以開有一定長度的三角鍵槽1001，且每個截面上的鍵槽呈120度均勻分布。小圓球1102可在該鍵槽1001上滑動。圖11是本實用新型的滑套的一示意圖，其中圖A示出了滑套沿水平方向的橫截面，圖B示出了滑套沿垂直方向的橫截面。如圖11所示，在滑套904的上下開有兩組圓孔，每組圓孔有3個圓孔1101 (總共6個圓孔)。由此，如圖10所示，可以通過螺釘以及圓孔1101將小圓球1102壓緊在花鍵軸902的鍵槽1001上，使得滑套904靈活地沿立軸102上下移動。圖12是風力機在一定風速作用下葉片發生一定變形的另一示意圖。如圖12所示，在葉片發生較大變形時，使得下法蘭盤隨著滑套沿著立軸向上運動，從而減小葉片的迎風面積，避免長期在大風中運行，裝置發生故障或損壞。而在風速減小之後，又可以通過自身重量恢復到原位置，增大葉片的迎風面積，儘可能獲取風能。同時在實心立軸和花鍵軸之間裝有卡圈，用來限制下翅葉在軸向運動的最大位置，從而避免上下翅葉距離過於接近，使葉片處於閉合狀態，影響裝置的正常運行。在本實用新型中，可以通過下翅葉的配重(例如自身重量)來決定在多大的風速下，下翅葉會沿著軸向向上運動，此外，還可以通過對下法蘭盤增加配重，以此來改變臨界風速。由上述實施例可知，該立軸式風力機既可用於風資源缺乏區域或風速較小的情況，有效的保證風力機順利啟動及正常運轉，同時也適用在高風速條件下，通過改變葉片迎風面積，保持裝置的安全性和穩定性。此外，該裝置也可應用於其他流體中，如水流，潮汐。由上述實施例可知，本實用新型相對於傳統意義上的立軸式風力機有著其獨特的特點:採用了更易於變形的柔性材料。葉片採用圓弧槽狀，在葉片上下端採用圓弧狀的剛性材料與支架固定，沿著立軸的軸向方向，等距離用彈性較小的圓弧狀部件(例如轂)與柔性葉片相連接。流體經過葉片表面後，葉片發生自適應變形，從而使葉片獲得最佳的驅動力，適應更廣泛風速條件。葉片上所加裝的轂，在一定程度上限制葉片的隨意變形，能更好地吸收風能。除此之外裝置無需專門的對風裝置，能夠適應風向的無規則變化。並且，本實用新型採用的是一種自適應變形裝置，使得在某些風速下能夠自我調節。在風速較大的時候能夠通過一定的變形減小葉片的迎風面積，從而減小驅動力和驅動力矩。當風速降低的時候又可以將葉片成展開狀，達到最大的迎風面積，從而獲得更多的風倉泛。與傳統的垂直軸風力機不同的是，傳統的垂直軸風力機啟動力矩較大，需要更大的制動力矩，故大多採用一級或二級剎車機構進行。而本實用新型通過在旋轉軸上加裝滑套，使得與葉片固定的下翅葉既具有軸向運動的能力，還能在風速變化的情況下，依靠葉片的變形發生軸向運動，這為垂直軸風力機的制動和保護裝置的穩定性提出了一種新的思路和方法。本實用新型不僅具有傳統的垂直軸風力機的優點，能夠在低風速下啟動，啟動力矩好，使用與低風速和風資源比較匱乏的地區。同時在某些高風速下也能通過自適應調節葉片迎風面積，從而減小阻力，防止機構的損壞，保持穩定的運行。因此該裝置在無論在風資源缺乏或風資源豐富的區域均可以有很好的應用。以上參照附圖描述了本實用新型的優選實施方式。這些實施方式的許多特徵和優點根據該詳細的說明書是清楚的，因此所附權利要求旨在覆蓋這些實施方式的落入其真實精神和範圍內的所有這些特徵和優點。此外，由於本領域的技術人員容易想到很多修改和改變，因此不是要將本實用新型的實施方式限於所例示和描述的精確結構和操作，而是可以涵蓋落入其範圍內的所有合適修改和等同物。在此公開了本實用新型的特定實施方式。本領域的普通技術人員將容易地認識至IJ，本實用新型在其他環境下具有其他應用。實際上，還存在許多實施方式和實現。所附權利要求絕非為了將本實用新型的範圍限制為上述具體實施方式
。另外，任意對於「用於……的裝置」的引用都是為了描繪要素和權利要求的裝置加功能的闡釋，而任意未具體使用「用於……的裝置」的引用的要素都不希望被理解為裝置加功能的元件，即使該權利要求包括了「裝置」的用詞。儘管已經針對特定優選實施方式或多個實施方式示出並描述了本實用新型，但是顯然，本領域技術人員在閱讀和理解說明書和附圖時可以想到等同的修改例和變型例。尤其是對於由上述要素(部件、組件、裝置、組成等)執行的各種功能，除非另外指出，希望用於描述這些要素的術語(包括「裝置」的引用)對應於執行所述要素的具體功能的任意要素(即，功能等效)，即使該要素在結構上不同於在本實用新型的所例示的示例性實施方式或多個實施方式中執行該功能的公開結構。另外，儘管以上已經針對幾個例示的實施方式中的僅一個或更多個描述了本 實用新型的具體特徵，但是可以根據需要以及從對任意給定或具體應用有利的方面考慮，將這種特徵與其他實施方式的一個或更多個其他特徵相結合。
權利要求1.一種立軸式風力機，其特徵在於，所述立軸式風力機包括: 立軸，垂直設置於支撐部件上； 上翅葉和下翅葉，分別設置於所述立軸的上下端，所述上翅葉和所述下翅葉繞所述立軸可轉動； 柔性葉片，由柔性材料製成，通過圓形或者弧形的剛性部件固定在所述上翅葉和所述下翅葉之間。
2.根據權利要求1所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述支撐部件包括:位於底部的基座、固定在所述基座上的垂直支架以及與所述垂直支架垂直設置的橫梁。
3.根據權利要求1所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述上翅葉和所述下翅葉各為三個，所述三個上翅葉通過上法蘭盤設置在所述立軸的上端，且所述三個上翅葉之間以120°均勻分布； 所述三個下翅葉通過下法蘭盤設置在所述立軸的下端，且所述三個下翅葉之間以120°均勻分布。
4.根據權利要求1至3任 一項所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述上翅葉和所述下翅葉之間具有一定的角度。
5.根據權利要求1至3任一項所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述下翅葉被設置為沿著所述立軸上下可移動。
6.根據權利要求1至3任一項所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述柔性葉片通過多個具有相同弧度的固定部件來支撐。
7.根據權利要求5所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述立軸式風力機還包括: 滑套，與所述下翅葉固定設置，所述下翅葉通過所述滑套沿著所述立軸上下可移動； 卡圈，設置於所述立軸上，通過所述卡圈限制所述下翅葉在所述立軸上的軸向運動範圍。
8.根據權利要求7所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述立軸包括: 實心立軸，位於所述立軸的上半部分； 花鍵軸，位於所述立軸的下半部分，所述實心立軸的軸徑大於所述花鍵軸的軸徑。
9.根據權利要求8所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述花鍵軸具有鍵槽，所述滑套上具有圓孔，通過設置於所述圓孔中的圓球沿所述鍵槽滑動而使得所述滑套沿所述花鍵軸上下移動。
10.根據權利要求8所述的立軸式風力機，其特徵在於，所述滑套的底部與下法蘭盤固定設置，所述下法蘭盤與所述下翅葉固定設置。
專利摘要本實用新型提供一種立軸式風力機，所述立軸式風力機包括立軸，垂直設置於支撐部件上；上翅葉和下翅葉，分別設置於所述立軸的上下端，所述上翅葉和所述下翅葉繞所述立軸可轉動；柔性葉片，由柔性材料製成，通過圓形或者弧形的剛性部件固定在所述上翅葉和所述下翅葉之間。通過本實用新型，可以對風能進行自適應調節，降低風力機的啟動力矩且防止風能過大時損壞裝置。
文檔編號F03D3/06GK203161437SQ201320093968
公開日2013年8月28日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者林麗華, 田瑞, 姜鑫, 蘇猛, 陝路凱 申請人:內蒙古工業大學