采用水平式组合活动翼的双层反向旋转的立轴式风力机

摘要

本发明公开了一种最新型的立轴式风力机，其主要由上下两层几乎完全相同的支撑装置、叶片等组成，同时还包括活动翼联动机构、调速机构、叶轴、定位、限位和辅助限位装置以及辅助启动装置。活动翼联动机构采用了不稳定平衡形式，可以使叶片组能够轻松地开合，既保证了具有最佳待机状态，又降低了对制造材料的要求，极大地提高了风力机的性价比；本机采用了简单有效的机械调速方式，可以绝对保证风力机的使用寿命；本机的所有的活动关联部件都处于密封状态，可以完全避免雨雪沙尘对风力机的损害；因为该机设计成双层反向旋转的形式，所以既提高了风能利用率，又减少了整机的扭转力，同时该机设计有整机平放装置可以在需要的时候轻松地把整机放倒，因此更适合于船舶使用。设计时充分考虑了加工工艺和安装工艺，适于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风能利用装置，具体地说就是涉及一种采用水平式组合活动翼的双层反向旋转的立轴式风力机。

背景技术

风能的开发利用已经日益引起人们的注意。为了进一步提高风能的利用率，立轴风力机无疑是一种比水平轴风力机更好的机型。因此，从上世纪五十年代人类就开始尝试制造立轴式风力机，而且美国的一位发明家还造出了直径50米的大型立轴式风力机。但是，尽管人们对立轴式风力机的研究已经持续了半个多世纪，但始终没有突破式的进展。综合各方面的资料，当前公知公用的立轴式风力机存在的不足主要在于：1、受自重的影响，叶片活动不灵。为了减轻叶片的重量，就要采用高科技的材料，从而增加了成本；2、诸多活动关节都暴露在外。这样，不但难以保证润滑，而且极易受雨雪沙尘的侵蚀；3、无限速装置，在强风中难以保证风力机的寿命。

本发明人于2007年春，在网上检索“立轴式风力机”时，看到日本的一家公司研制的“船用立轴式垂直翼风力发电机”已经在一艘邮轮上开始试运行的消息，这应该是当前最先进的机型了。因为发明人在2004年申请《新型立轴式活动翼风力机》实用新型专利之前曾检索过大量的国内外有关资料，所以不难分析出其工作原理：

分析可知，如果是垂直翼那就既可能是悬挂式(叶轴在叶片的顶部)、也可能是侧轴式(叶轴在远离风力机主轴一侧)。如果是悬挂式的话，就必然要求叶片采用特殊材料(在保证刚性要求的前提下，比重越小越好)譬如碳素纤维制造，以保证逆风翼在运转时能够飘起来。然而，这样一来，就必然极大地增加制造成本；如果是侧轴式的话，那么每次停机后，风力机就不一定能恢复到最佳待机状态，而且其翼轴下端极易堆积污物，不可避免地将造成运转不良……总而言之，该机并未完全跳出已知的各种立轴式风力机的传统模式。

发明内容

本发明人于2004年9月申报了《新型立轴式活动翼风力机》实用新型专利，于2006年5月3日获得了授权(专利号ZL200420096160.2)(上述专利因本人已中止技术转让，所以，专利权仍为本发明人所有)。在上述专利的基础上，本发明人进一步加以改进，又于2006年12月23日申报了发明专利《立轴双层反向旋转组合式水平活动翼风力机》(申请号为：2006101709097，并已进入实审程序)，新发明主要是由单层风力机改进为双层、反向旋转、并同时驱动同一台工作机。

但是，上述发明仍有不足之处。于是，本发明人在上述发明的基础上又加以改进从而提出本发明。较之上述发明本发明的改进之处主要有两点：

一是本发明增设了联动齿轮定位装置。在风力机正常工作时，当顺风翼和逆风翼的张角达到极限时，本发明中的定位装置将锁定其位置，而原发明中没有这个定位装置。分析可知，当顺风翼旋转到与风向成145度角时，新的顺风翼基本完全挡住了原顺风翼的风力，这样一来，原顺风翼要保持继续张开的角度就完全依靠逆风翼了，而逆风翼此时要完全保持水平状态是很困难的。于是，风力机就会自动恢复到待机状态。这样以来，就必然要影响到风力机的效率。本发明则由于设置了定位装置可以锁定其工作状态，就是说，当顺风翼基本不工作了的情况下，顺、逆风翼仍然保持原状态。这样，原顺风翼还可以利用经过新顺风翼后剩余的风力；而逆风翼也仍然保持水平状态，绝不会增加阻力。这样就可以极大地提高风力机的效率。

二.因为上、下层风力机处于相对运动的状态，所以原发明未能在下层风力机设置辅助启动装置。本发明则巧妙地通过过桥齿轮在下层风力机上也设置了辅助启动装置，这样一来，当然也就更进一步地提高了风力机的效率。

本风力机的叶片是水平式的、而且由在同一垂线上的上下两个叶片组成一组，内部用联动齿轮相关联。同时，左右对称的两组组合翼也同时由联动齿轮关联，所以，左右两个下叶片的自然下垂状态又迫使两个上叶片成V形，这样，同一侧的两个叶片就形成了“＜”或“＞”形状。但是，这是一种不稳定的平衡，一旦受到外力的作用，这种暂态马上就被破坏，顺风翼迅速张开大于90°，而逆风翼则闭合小于90°。于是，顺、逆风翼形成扭力差，风力机即开始旋转。本风力机独特的地方还在于联动齿轮与叶轴之间采用了滑动配合，叶轴上的螺旋键槽决定了风力机在不同风速下顺风翼张开的角度，而这正是本机机械调速的关键所在——当风力机超过额定转速时，叶轴自然向外滑动，由于螺旋键槽的关系，所以，顺风翼的张角从将近180°开始逐步减小，这样一来，当然就会降低风力机的转速，从而保证了风力机的使用寿命。

经过比较，我们认为本发明比已知的水平轴风力机起码有以下几点长处：

1.本风力机巧妙地运用了不稳定平衡原理，在保证强度的前提下，完全不必考虑叶片自身重量，这就降低了生产成本，提高了风力机的性价比；

2.本风力机每次停机后都能自动恢复为最佳待机状态，提高了效率；

3.本风力机采用了最简单但是却最有效的机械调速装置，可以说除了上下方向的风之外能在任何级别的风中工作，当然也就提高了机器的寿命；

4.本风力机所有活动关联部件都是密封的，可以保证在任何恶劣的环境中工作；

5.本风力机是双层反向旋转式，有效地解决了整机扭转问题，降低了对基础设施和支撑装置的要求；

6.本风力机由于自身的结构特点，决定了只能是低速机，而这一点恰恰适合于大型甚至超大型机；

7.本风力机设计成整机可以平放的形式，这一点对于船舶来说尤为重要；

8.整机结构简单合理，充分考虑到加工工艺和安装工艺，适合工业化生产。

附图说明

图1为整机外观示意图

图2为整机总装图

图3为不稳定状态原理示意图

图4为机械调速原理示意图

图5为联动齿轮组安装示意图

图6为联动齿轮箱内各零部件安装示意图

图7为辅助启动装置工作原理示意图

图8为辅助启动装置的立体示意图

图9为下层风力机辅助启动装置中立轴的工作原理示意图

图10为联动齿轮定位原理示意图

图11为风力机叶轴联动的示意图

图12为风力机动力输出示意图

图中：1-风向标立轴，2-密封圈，3-滚珠轴承，4-上层支撑装置的上端盖，5-筒形支撑装置主体，6-安装在风向标立轴上的拨杆，7-异型拨杆，8-联动齿轮箱的上端盖，9-联动齿轮的定位销子，10-安装在上叶轴上的直拨杆，11-上联动齿轮，12-叶轴的定位销子，13-下联动齿轮，14-螺母，15-垫片，16-支撑叶轴的悬臂，17-上叶轴，18-下叶轴，19-轴承盖，20-联动齿轮箱的箱体，21、22-另一组翼的上、下联动齿轮，23-风向标立轴下端的齿轮，24-过桥齿轮，25-下层风力机辅助启动装置立轴上端的齿轮，26-下层风力机辅助启动装置的立轴，27-上层风力机的动力输出轴，28-上下叶轴的联动钢板，29-滑动轴承，30-推力轴承，31-弹簧，32-推力轴承，33-风力机的圆柱支架，34-下层风力机的动力输出轴，35-联动齿轮箱内的主限位块，36-下叶片的限位加强筋，37-上叶片的限位加强筋，38-上叶片尾部的限位框架，39-上叶片，40-下叶片，41-下层风力机动力输出齿轮，42-上层风力机动力输出齿轮，43-换向齿轮，44-工作机动力输入轮，45-铰链，46-活动基础。

具体实施方式

为了使说明更简洁明了，只好自己想象了几个名词(不知术语应该怎么说，谬误之处还望老师指正)，因此有必要事前加以解释：

叶片——本发明中所谓的叶片，是指安装在叶轴上、用以同本层风力机的上(或下)相关联的叶片组合成活动翼的一个独立的部件。

翼——本发明中所谓的翼，是指一个单层风力机中同一侧互相关联的上下两个活动叶片组合而成的叶片组。

顺风翼——在风力的作用下做功的那个翼，我们称之为顺风翼。

逆风翼——风力机上与顺风翼相对应的那个翼，我们称之为逆风翼。

准顺风翼——风力机旋转时，逆风翼的叶轴的轴向与风向夹角为零、即将成为顺风翼的时候，我们将其称之为准顺风翼。反之则称为准逆风翼。

再分解介绍本发明的几个独特的地方：

1.关于不稳定平衡：本发明中每层风力机所有上下、左右相互对应的两组组合翼，可以等效为图3所示的简化形式。由图可见，叶片A、C在同一根轴上，形成上叶片组，叶片B、D在同一根轴上，形成下叶片组。两叶片组通过同节径、同模数的两个扇形齿轮相互啮合。静止时，可以预见B、D两叶片由于自重的原因呈下垂的状态，而上叶片组因为叶片重心相对距轴心较近，所以A、C两叶片不得不屈从B、D两叶片的状态而呈上翘状态。由图还可以看出，A和B，C和D分别组成两个翼，这两个翼在静态时呈顺向90°角状态。当力从右边方向来时，A、C两叶片便由90°夹角迅速张开为接近180°，与此同时，C、D两叶片则由90°夹角闭合为水平状态。

2.关于机械调速：如图4所示，由图可以看出，上下两根叶轴的内端加工有螺旋键槽，但是，两根轴上键槽的螺旋方向是相反的。以图1所示的安装方向，上层风力机的上叶轴的螺旋键槽是左旋的，下叶轴的螺旋键槽是右旋的(下层风力机正好相反)。可以分析出，当风力机转速过高，叶片的离心力克服了弹簧(31)的张力，从而带动叶轴向外滑动时，上叶片也就自然产生顺时针旋转。当然，下叶片就发生逆时针旋转。而两叶片旋转的结果就是使得张开的角度变小，这样一来，顺风翼受力的面积也就变小，于是转速就降了下来。

3.关于联动齿轮之间以及和动力输出轴的配合：图5和图6是这一部分的示意图。由图可知，上层风力机的风向标立轴(1)和上层风力机的动力输出轴(27)都要穿过联动齿轮组，所以，联动齿轮就要为它们“让路”，尽管一般情况下联动齿轮的两端都是同时、同向受力，可是为了保证强度，还是应该在穿过立轴的空心部分增设加强筋。至于本发明为什么不增大联动齿轮的直径，那是因为这样可以让风力机的四个翼尽量接近在同一个水平面上。而最大的好处不仅在于整机看起来更加协调，而且还可以大大地减少整机的高度，当然也就增加了稳定性。

4.关于辅助启动：图7是辅助启动原理的示意图，图8是这部分的实体示意图。图8中异型拨杆(7)是风力机在待机状态时的位置。按照图1所示的叶片安装方法，上层风力机异型拨杆(7)的切线运动轨迹是从右向左运动，而方向标立轴基本是不动的，所以滚轮(6)也基本不动，这样，在(6)的作用下，拨杆(7)就带动拨杆(10)向左倾斜，结果就带动了上叶轴旋转，由于联动齿轮的关联，两叶片的夹角从90°迅速张开。

下层风力机当然也需要辅助启动，本发明是这样解决的(见图9)：风向标立轴的下端安装齿轮(23)，同时，在上层风力机下端盖安装过桥齿轮(24)，上层风力机的动力输出轴(27)与上层风力机的下端盖为一体。在轴(27)的外面安装钢管(26)，(26)的上端安装齿轮(25)，齿轮(25)与齿轮(23)节径相同并通过过桥齿轮(24)相关联。分析可知，在立轴(1)基本不转动的情况下，上层风力机的旋转只会带动过桥齿轮(24)产生行星效应，而这一效应的结果就是使齿轮25保持与23同步。这样，我们就可以在下层风力机上安装与上层风力机完全相同的辅助启动装置了(当然方向是相反的)。实际工作时，由于上下两层风力机的旋转方向恰好相反，因此辅助启动装置在工作时也恰好产生大小相同、方向相反的力，这就进一步确保了风向标指向的稳定性。

5.关于联动齿轮的定位：见总装图(图——2)上的“B”内部分，图-10是这一部分的放大示意图。由图可见，联动齿轮(11)有两个定位槽。当顺风翼完全打开、逆风翼完全平行时，定位销子(8-1)在自重的作用下落入定位槽中锁住。这样，在顺风翼旋转到与风向夹角过大，风力不足以维持其张开、同时逆风翼不足以维持水平状态时，就可以保持原来的工作状态，从而减小了逆风翼的阻力。

但是，如果每次经过辅助启动拨杆(6)的时候，都使顺风翼张开成180°(逆风翼同时也就必然成0°)，那也是不允许的：一种情况就是如果风力机开始自动调速，那么，逆风翼就会由于其尾部的限位框架(38)的作用而提前闭合。而如果这时拨杆(6)继续对异型拨杆施加力的话就可能造成不可挽回的损失；还有一种情况就是，当风速逐渐减慢以至最终停机的时候，各个翼就不可能恢复为最佳待机状态。所以，本机在安装异型拨杆上的部件(7)的时候，就要保证风力机在最佳待机状态时，直拨杆(7)并不是完全垂直的，而是向右有一定的倾斜度。其倾斜度以逆风翼闭合为0°时，拨杆(7)的顶端高于拨杆(6)，而且在顺风翼张开角度尚未达到180°就与(6)完全脱离为准。据此我们可以知道，风力机的顺风翼并不完全是由辅助启动装置帮助打开为180°的——辅助启动装置只能保证逆风翼在成为准顺风翼时由原先的水平状态打开不到180°，也就是定位销子还没落到联动齿轮的定位孔中，下一步则是由风力打开成180°的。这样做的好处是，如果由于风力逐渐减小，不足以继续工作的时候，也就是停机的时候，由于前面所讲述的不稳定平衡原理，整机就会自动恢复为最佳待机状态。

又因为叶轴与联动齿轮由定位销子(12)关联，当拨杆(7)转动时当然就要带动叶轴转动，可是，这时联动齿轮的定位销子(8-1)还没有抬起，因此联动齿轮不可能产生转动，强行施力必然也会产生恶果。为了解决这一问题，我们在异型拨杆上设计了能够相对转动的拨杆(7-9)并通过扭力弹簧(7-8)与(7-7)相关联——(7-7)与(7)是刚性连接，而(7-9)与(7)则是相对转动关联。平时，扭簧(7-8)并不对(7-9)施压。当异型拨杆(7)转动初期、凸轮(1-1)尚未对定位销子(8-1)施压时，也就是(8-1)还没抬起来的时候，叶轴当然不可能转动，这时，扭簧(7-8)通过自身的变形使(7-9)与异型拨杆形成柔性关联。一旦凸轮(1-1)压下(8-1)，从而解除了对联动齿轮的锁定，扭簧在(7-9)上产生的扭力便立即带动直拨杆(10)转动。我们刚才说过，拨杆(6)对异型拨杆(7)施加的力，不足以迫使顺风翼完全打开为180°，而这个扭簧产生的力就将有助于顺风翼完全打开。

6.叶轴联动：图——11是该部分的示意图。由图可见，为了保证风力机在自动调速、叶轴向外移动时异型拨杆与叶轴上的直拨杆(10)一直保持结合，我们采用了加宽扇形齿轮的方法，其宽度应能保证叶轴移动到最外端仍保持良好的啮合为准。而联动片(28)是一个两端有孔的钢片，两端的孔分别套在上下两根叶轴的锁紧螺母里。因其与相关联的锁紧螺母有相应的配合间隙，所以叶轴仍然能够自由转动。这样，当风力机调速时就可避免由于弹簧(31)因弹力不同而产生两根叶轴位移的差别，从而保证了上下叶片的限位加强筋(36)、(37)的配合。

7.动力输出装置：图-12是这部分的示意图。由图可见，工作机的动力输入齿轮(44)直接与上层风力机的动力输出齿轮(42)啮合，而下层风力机的动力输出齿轮(41)则是通过换向齿轮(43)与齿轮(44)相关联的。至于其中的原理就没有必要在这里罗嗦了。

下面以上层风力机的工作为例结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。由于下层风力机除了联动齿轮箱端盖、风力机下端盖与上层风力机略有差别，同时由于旋转方向相反从而内部的安装也作了相应的改变外，整体结构完全相同，因此就没有必要在这里再作说明了。

当风从东北方向(按照地图上的标示规则)刮来时，风力机开始顺时针旋转(俯视)。但是这时的顺风翼可能并没有完全打开，于是准顺风翼的异型拨杆(7)开始接触立轴(1)上的拨杆(6)，在拨杆(6)的压迫下做顺时针旋转(向右倾斜)。当倾斜到一定角度(譬如30°)的时候，拨杆(6)与拨杆(7)相脱离，于是，拨杆(6)就不再通过异型拨杆对叶轴上的拨杆(10)施压，而叶轴也就不会因此进一步旋转。但是如果风力达到了一定程度，这时，顺风翼就会在风力的作用下马上完全张开，其结果是联动齿轮上的定位槽旋转到最高点，而(8-1)就会由于自重落入联动齿轮的定位槽，锁定联动齿轮。当该顺风翼变成了准逆风翼的时候，其对应的逆风翼也变成了准顺风翼，当然又开始重复上述的过程了。

如果风力开始加大，风力机的转速超过了限定，叶片的离心力大于叶轴上的弹簧(31)的弹力，便带动叶轴向外滑动，如前所述，因为叶轴上的螺旋键槽的关系，顺风翼将不再打开为180°。于是风力机的转速就降了下来。当然还有一种可能，那就是如果风力过大，由于逆风翼尾部限位框架的作用，顺风翼连30°的张角都开不到，这时拨杆(6)对异型拨杆的压力便通过扭簧(7-8)予以消除，避免了风力机辅助启动装置的损坏。

当风速逐渐减小，甚至减小到不足以维持风力机转动的时候，当然也就不能在顺风翼打开30°张角的情况下继续打开顺风翼，也就是不能继续锁定逆风翼成水平状态。这样，最终停机的时候，各个翼仍然保持了最佳待机状态。

虽然本人的作图技术很差，但是从本发明的外观图上还是可以看到上下两层风力机的悬臂在安装时相对的有一定的位置差。我们设想的是让其相差45°，这样就可以使风力机在风力较低的时候运转得更平稳一些，当然这样就需要风向标的尾舵足够大。而如果在安装的时候没有位置差的话，由于上下两层风力机的逆风翼是同时、反向对风向标立轴施力，则风向标的尾舵就可以小一些了。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以作出其他不同形式的变化或变动。这里无需、也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的、显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。