專利名稱：一種新型垂直軸風力機裝置的制作方法
技術領域：
本專利技術屬于機電一體化領域，涉及風力利用技術，能應用自然界可再生能源一一風力為人類發(fā)電、提水灌溉、驅(qū)動各類旋轉(zhuǎn)工作機。
背景技術：
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源越來越緊張，風力作為一種不污染環(huán)境的可再生能源，在發(fā)電等領域日益受到重視，獲得廣泛應用。目前應用比較成熟的風力機大部分均為水平軸，受環(huán)境的影響，其動力常常要通過機構(gòu)轉(zhuǎn)換成垂直軸的才能用于驅(qū)動工作機，特別是大功率風力機隨著葉片的加長其高度就增加，使機構(gòu)復雜、能量消耗、造價提高、安裝困難，降低了風能的利用率，限制了其應用范圍。
發(fā)明內(nèi)容
本專利技術所述垂直軸風力機裝置由垂直轉(zhuǎn)動的垂直軸(1),固接在垂直
軸上的葉片架(6),自身可按需要轉(zhuǎn)動的葉片(2),固定在葉片架上的齒輪齒條座(3)，齒條(4)，可隨風向擺動的凸輪(5)，彈簧(7),固定在凸輪上的風向標(8)及單列向心球軸承(9)組成，通過對葉片方向的控制，始終保持分布在兩半圓的葉片具有不同的受力面積， 一半的葉片以盡可能寬大的面積對著風吹來的方向，并產(chǎn)生最大的切向推動力，徑向力基本相互抵消；而另一半的葉片以窄小的流線形面積對著風吹來的方向，產(chǎn)生盡可能小的切向推動力，并使其差異最大。在同向風力作用下，其切向的推動力可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以直接推動垂直軸旋轉(zhuǎn)，帶動工作機(如發(fā)電機)做功。
葉片(2)的橫截面形狀為對稱的扁長流線形，兩側(cè)面在前端成為圓弧形，
在后端成為尖角，如圖6所示。在凸輪導軌圓周上均勻分布3至4對，以利于
通過改變不同分布位置葉片承受風力的面積來改變?nèi)~片所受到風的推力，有利
于產(chǎn)生最大的切向力。其下部固定著同軸齒輪，由齒條(4)推動，可以繞自身的軸線作附加的轉(zhuǎn)動。這樣，葉片在風力的推動下，可帶動葉片架(6)和垂直軸(1)繞垂直軸中心轉(zhuǎn)動做功，同時根據(jù)產(chǎn)生最大切向力的需要繞自身軸線自轉(zhuǎn)。齒條受凸輪(5)的導軌和彈簧(7)的共同作用沿凸輪徑向做往復遠動，驅(qū)動葉片自轉(zhuǎn)。為了減小摩擦，齒條的頂端裝有單列向心球軸承(9)以滾代滑。
為了產(chǎn)生最大的切向力，凸輪導軌的設計至關重要。首先必需保證導軌有一個固定的軸線與風向平行，本專利通過在凸輪上加裝風向標，使導軌的一個軸線隨風向擺動，使之與風向基本平行。凸輪的導軌曲面由三種不同的柱面組合而成，它的橫截面所形成的曲線是由兩段阿基米德螺線和一段圓弧所組成。如圖3所示，設豎軸為與風向平行的方向，其與導軌的交點為B,從B開始繞逆時針方向轉(zhuǎn)360度，將導軌分成三段曲線，其中二段為阿基米德螺線， 一段為圓弧。從導軌橫截面看，由正對著風向的導軌面上的一點(即豎軸與導軌的交點)，其與凸輪旋轉(zhuǎn)中心的距離為R;按逆時針方向轉(zhuǎn)過150度，其距離仍然為R，這一段導軌曲線為圓弧。再按逆時針方向轉(zhuǎn)過30度，其距離變?yōu)镽+7id;繼續(xù)按逆時針方向轉(zhuǎn)過180度，其距離又變?yōu)镽;這二段導軌曲線均為阿基米德螺線。其中R為導軌面到凸輪旋轉(zhuǎn)中心(與垂直軸同軸)的原始中心距，d為葉片下部固定連接的齒輪分度圓直徑。第一段導軌可使葉片繞垂直軸轉(zhuǎn)動時其對稱面(即葉片橫截面的長軸)沿導軌徑向分布，以盡可能寬大的側(cè)面承受風力，并有利于產(chǎn)生切向力，切向力則產(chǎn)生推動垂直軸轉(zhuǎn)動的有效轉(zhuǎn)矩；第二段導軌
可使葉片在繞垂直軸逆時針轉(zhuǎn)動的同時，另外附加逆時針轉(zhuǎn)動180度，使葉片
以扁長流線形對稱面與風向平行，這時葉片基本上位于風力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的死點附
近，對于風力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩影響不大。；第三段導軌可使葉片在繞垂直軸逆時針
轉(zhuǎn)動180度的同時，另外附加順時針轉(zhuǎn)動180度，使其對稱面始終保持與風向平行，這時風力產(chǎn)生的阻力矩最小。各段導軌間用平滑曲線連接。由于葉片在第一段時產(chǎn)生的有效轉(zhuǎn)矩大大地大于其在第三段時產(chǎn)生的阻力矩，推動垂直軸作逆時針的持續(xù)轉(zhuǎn)動，使本風力機能夠產(chǎn)生有效的轉(zhuǎn)矩，不需要通過機構(gòu)變換轉(zhuǎn)軸的方向，就可以直接推動載荷(工作機)做功。上述導軌曲線產(chǎn)生逆時針方向的轉(zhuǎn)矩，如果需要產(chǎn)生順時針方向的轉(zhuǎn)矩，可以按照前述原理，將導軌曲線反方向就能實現(xiàn)。
本專利技術就是通過凸輪導軌來控制葉片的朝向，使葉片在以風向為軸線的兩半圓上具有不同的受風面積，從而產(chǎn)生推動垂直軸轉(zhuǎn)動的力矩。按本專利技術制造的風力機，其產(chǎn)生的動力可不需通過機構(gòu)變換就能直接傳到地面的工作機，同時風力機的立柱也不必隨葉片的加長而增高。


圖l為本風力機主視圖，表示風力機正常安裝時的結(jié)構(gòu)示意。圖2為葉片在圓周上分布示意圖，表示葉片繞垂直軸轉(zhuǎn)動時，在導軌和齒輪齒條機構(gòu)共同作用下，在不同位置的葉片朝向。圖3為導軌及風向標的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為導軌及風向標的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。^圖5為葉片組件圖，表示葉片及其軸上齒輪的結(jié)構(gòu)示意。 圖6為葉片的橫截面示意圖。 圖7為葉片軸下部齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為齒條組件圖，表示齒條和其頂端連接的單列向心球軸承的結(jié)構(gòu)示意。
具體實施方式
本專利設計的風力機葉片要滿足既能夠推動垂直軸轉(zhuǎn)動(從遠動學即公 轉(zhuǎn))，其本身又能夠在齒輪齒條機構(gòu)的作用下繞自身軸線作必要的轉(zhuǎn)動(即自
轉(zhuǎn))，還要有利于產(chǎn)生盡可能大的轉(zhuǎn)矩，因此設計成扁長的流線形。在寬面迎風 時產(chǎn)生盡可能大的推力，轉(zhuǎn)過90度以窄的流線形迎風時產(chǎn)生盡可能小的推力。 葉片可采用玻璃鋼材料制成，表面磨光以減小阻力。齒輪齒條可釆用金屬(或 工程塑料)直接壓鑄成型，以減少機械加工量。它們可安裝在齒輪齒條座3中， 齒輪齒條座固定在葉片架上，葉片架固定在垂直軸上，葉片的推力通過葉片架 推動垂直軸旋轉(zhuǎn)。葉片可在圓周方向上均勻地分布3對(根據(jù)需要也可以均布4 對)，導軌方向的布置可使葉片寬面從垂直于風向的方向往平行于風向的方向轉(zhuǎn) 動，或從平行于風向的方向往垂直于風向的方向轉(zhuǎn)動時，均安排在風力產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩的死點附近，盡可能減小對有效轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不利的影響。為了使凸輪導軌的豎 軸跟隨風的方向，在凸輪上固定連接一個風向標8，保持導軌的豎軸基本跟隨風 向，使兩半圓分布的葉片保持不同的分工，這樣可直接產(chǎn)生最大限度的垂直軸 轉(zhuǎn)動扭矩，不必通過相關機構(gòu)改變扭矩的方向，在一定風速時即可驅(qū)動相關設 備工作，可以使機構(gòu)簡化、更便于安裝。
如圖l所示的機構(gòu)為本專利設計的風力機示意圖。圖中(2)為葉片，它是直接承受風力的零件。(5)是凸輪，其導軌是用來控制葉片的朝向的，本專利 設計的風力機葉片朝向如圖2所示，用于產(chǎn)生盡可能大的切向推力矩，帶動葉
片架和垂直軸轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩；其下部還固定風向標(8),如圖4所示；凸輪 活套在垂直軸上，可繞著垂直軸擺動，使導軌橫截面豎軸與風向保持平行。(6) 是葉片架，葉片組件(如圖5所示)、齒輪齒條座均安裝在它上面，葉片架轉(zhuǎn)動 時能帶動垂直軸跟著轉(zhuǎn)動。(l)是垂直軸，它既是動力向下傳遞的零件，又是 整個風力機安裝在基礎上的支撐件。
權利要求1、一種新型垂直軸風力機裝置，其特征在于該裝置由垂直轉(zhuǎn)動的垂直軸(1)，固接在垂直軸上的葉片架(6)，自身可按需要轉(zhuǎn)動的葉片(2)，固定在葉片架上的齒輪齒條座(3)，齒條(4)，可隨風向擺動的凸輪(5)，彈簧(7)，固定在凸輪上的風向標(8)及單列向心球軸承(9)組成。
2、 如權利要求l所述的新型垂直軸風力機裝置，其特征在于凸輪的導軌由 二段阿基米德螺線和一段圓弧組成的柱面，設以風向作為導軌橫截面的豎軸， 其與導軌下面交點到凸輪旋轉(zhuǎn)中心的距離為R;導軌曲線按逆時針方向轉(zhuǎn)過150 度，其距離仍然為R，這一段導軌曲線為圓弧；再按逆時針方向轉(zhuǎn)過30度，其 距離變?yōu)镽+兀d;繼續(xù)按逆時針方向轉(zhuǎn)過180度，其距離又變?yōu)镽;這二段導軌 曲線均為阿基米德螺線，其中d為葉片下部固定連接的齒輪分度圓直徑，各段 導軌間用平滑曲線連接，導軌曲線也可以按順時針方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。
3、 如權利要求l所述的新型垂直軸風力機裝置，其特征在于葉片截面為對 稱的扁長流線形，葉片的轉(zhuǎn)軸下部固定著一個齒輪，葉片自轉(zhuǎn)由齒輪齒條機構(gòu) 驅(qū)動。
4、 如權利要求l所述的新型垂直軸風力機裝置，其特征在于葉片在繞垂直 軸圓周上均勾分布3至4對。
5、 如權利要求l所述的新型垂直軸風力機裝置，其特征在于凸輪上固定著 風向標，可繞著垂直軸擺動。
6、 如權利要求l所述的新型垂直軸風力機裝置，其特征在于彈簧推動齒條 使其頂端始終保持與導軌面接觸。
專利摘要一種新型垂直軸風力機裝置，由垂直轉(zhuǎn)動的垂直軸(1)，固接在垂直軸上的葉片架(6)，自身可按需要轉(zhuǎn)動的葉片(2)，固定在葉片架上的齒輪齒條座(3)，齒條(4)，可隨風向擺動的凸輪(5)，彈簧(7)，固定在凸輪上的風向標(8)及單列向心球軸承(9)組成。圓周上均布的3對或4對葉片由凸輪上的導軌控制，使其在以風向為軸線的兩半圓上具有不同的受風面積，在一個半圓內(nèi)以寬大的面積承受風的推力，而在另一個半圓內(nèi)以窄小的流線體減小風的推力，使葉片在風的作用下既能夠產(chǎn)生推動垂直軸轉(zhuǎn)動的推動力，繞垂直軸轉(zhuǎn)動，其本身又能夠根據(jù)受力需要繞自己的軸線轉(zhuǎn)動。該裝置不需專門的立柱，其輸出的轉(zhuǎn)矩不需改變方向即可驅(qū)動地面的工作機。
文檔編號F03D3/00GK201269169SQ20082010205
公開日2009年7月8日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權日2008年4月23日
發(fā)明者楊晶菁, 楊登清 申請人:楊晶菁