專利名稱：擺翼式立軸風力機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種擺翼式立軸風力機。
發(fā)明人于1976年發(fā)明了這種風力機，并于1984年獲得英(GB2.082.260)、美(US4.435.124)、法(歐0.046.370)等國外專利。經(jīng)改進后于1988年又獲中國專利，專利號為88109991.0。上述專利的主要特點是，其翼片在上風和下風位置時能自動偏擺一個小角度，使翼片攻角保持正確角度，因此命名為擺翼式立軸風力機，又在遇強風時翼尖能自動脫開，成為擾流片，使風力機停轉(zhuǎn)，安全渡過強風。又翼片偏擺角受橫杠末端的具有V形缺口的滑塊控制。改變偏擺角會改變風力機的出力，從而改變風力機的轉(zhuǎn)速，滑塊在離心力和彈簧作用下能自動控制翼片偏擺角，保持風力機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不隨風速和負載改變而改變。原專利還提出了由小功率風力機組合成為大功率風力機的方案，以及竹棒桁架翼肋結(jié)構(gòu)的技術(shù)等等。原發(fā)明在工程開發(fā)過程中，暴露不少缺點，主要是偏擺機構(gòu)布局不理想，工作時噪聲大，擾流片面積較小，未能保證風力機在強風時完全卸荷，由小型風力機組合成大功率風力機的方案不現(xiàn)實，因為附加的支架結(jié)構(gòu)成本很高，很不經(jīng)濟。竹棒桁架翼肋結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，加至成本高，風力機本身轉(zhuǎn)速很低，不宜直接帶動發(fā)電機，除非采用特制超低速發(fā)電機，很不經(jīng)濟，又沒有解決與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的問題。
本發(fā)明的目的，在于針對已有專利所暴露的缺點，研制一種能抗強風，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，安全可靠，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，重量輕，能制成各種大、中、小型的，能方便地聯(lián)于電網(wǎng)的風力機。
本發(fā)明的擺翼式立軸風力機，其翼片垂直安裝在固定于橫杠外端的調(diào)控器上，橫杠內(nèi)端與傳動立軸頂端連接，翼片帶動橫杠繞傳動立軸旋轉(zhuǎn)時，通過安裝在傳動立軸上的銷齒輪增速機構(gòu)驅(qū)動超越離合器，再帶動異步發(fā)電機發(fā)電。這種總體布局簡單實用，適用于各種大中小型風力機。解決了風力機增速以便和發(fā)電機聯(lián)結(jié)的問題，也解決了與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的問題。翼片分上、下對稱的兩半，穿過調(diào)控器用短軸牢固聯(lián)接，遇特大風時能靠短軸繞調(diào)控器的順槳軸心線CC順風轉(zhuǎn)動，使整個翼片的風壓基本卸除，消除了原專利依靠翼尖卸荷由于翼尖面積小而產(chǎn)生的翼片不能完全卸荷的缺點。翼型采用弧形中線，凸起一面朝向風機旋轉(zhuǎn)軸心線，這種氣動力布局大大提高了風力機的氣動效率。為保證翼片自動偏擺，翼片重心應(yīng)與偏擺軸心線bb重合，而且處于翼片空氣動力中心之前。橫杠截面取流線型，旋轉(zhuǎn)時減少了阻力，增加了風力機的氣動效率。
調(diào)控器由扁方管、活動外殼和調(diào)速器三個部件構(gòu)成，扁方管固定在橫杠外端上，活動外殼聯(lián)接翼片與扁方管，翼片在調(diào)控器支持下，隨同調(diào)控器繞垂直的偏擺軸bb擺動，在上風和下風時自動向不同方面偏轉(zhuǎn)一小角變，使相對氣流攻角自動保持正確。調(diào)速器由前端開有V形缺口和后端連接有調(diào)速彈簧的滑塊構(gòu)成，能在扁方管內(nèi)自由滑動，翼片偏擺角的大小取決于滑塊V形缺口的大小，確保風力機恒速轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的調(diào)控器和調(diào)速器用鈑金和短軸構(gòu)成，增加了強度和可靠性。調(diào)速器有橡皮墊，消除了噪聲。
翼片前半部用玻璃鋼外殼長管制成翼型前殼，其內(nèi)有薄鈑加強梁，后緣用薄壁三角長管制成后緣翼型，用翼肋將前殼和后緣聯(lián)接起來，再用玻璃鋼薄膜蒙翼肋表面，以完成整個翼型外型，這種玻璃鋼結(jié)構(gòu)翼片，工藝性好，牢固耐用，成本也低。
翼片通過短軸可以繞調(diào)控器自由旋轉(zhuǎn)，但在短軸后邊，翼片和調(diào)控器之間還有二付彈簧扣，使翼片和調(diào)控器在正常工作時牢牢扣住，翼片不能脫離調(diào)控器自由旋轉(zhuǎn)，只能附調(diào)控器共同左右偏一小角度。當風速超過正常工作風速20米/秒時，翼片的風壓超過彈璜的扣緊力，彈簧扣脫開，翼片就自由旋轉(zhuǎn)進入順槳位置，卸除風壓，以確保風力機安全。在風速回到正常時，翼片隨風轉(zhuǎn)動時能自動被彈璜扣扣住，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
與發(fā)電機連接的增速齒輪采用銷齒輪。銷齒輪由薄鐵皮制成的輪緣、輪輻和加強筋以及金屬輪轂組成，輪緣插入一百至三百多個均勻分布的用滾柱軸承的標準滾柱作銷齒。這種銷齒輪傳動比大，結(jié)構(gòu)簡單可靠，十分經(jīng)濟耐用，遠非一般增速齒輪箱可以比擬，雖然其機械效率較差，但可以略增大風力機翼片長度和旋轉(zhuǎn)半徑取得補償。經(jīng)濟效率卻好得多。
采用異步電機和超越離合器使風力機和電網(wǎng)掛鉤，是多種機械節(jié)電裝置久已采用的技術(shù)，如電氣鐵路等，但在風力機中，因一般風力機調(diào)速性能很差，所以無法利用。本發(fā)明的調(diào)速器在風洞測試中顯示十分穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，所以可以采用此技術(shù)，這在風力機方面是首創(chuàng)的。
根據(jù)上述特點，本發(fā)明比起專利號為88109991.0的風力機，安全可靠性更好，效率更高，成本更低，具有更大的實用價值和經(jīng)濟效益。實踐也證明擺翼式立軸風力機比現(xiàn)有風力機的經(jīng)濟效益可提高一倍。這對大規(guī)模開發(fā)風能，改變世界能源結(jié)構(gòu)，減少大氣污染，保護環(huán)境有重大意義。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的擺翼式立軸風力機的結(jié)構(gòu)和工作原理作進一步的詳細說明。
附

圖1擺翼式立軸風力機總體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2翼片結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3調(diào)控器結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4銷齒輪增速機構(gòu)示意圖。
附圖5超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖1左圖示本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)，由2、3或4個翼片(1)安裝在裝于橫杠(3)外端上的調(diào)控器(2)上，橫杠(3)裝于傳動立軸(4)的頂端，銷齒輪增速機構(gòu)(5)安裝在傳動立軸(4)上，再通過超越離合器(6)與發(fā)電機(7)相連，風力吹動翼片(1)通過調(diào)控器(2)推動橫杠(3)繞傳動立軸(4)轉(zhuǎn)動，再通過銷齒輪機構(gòu)(5)和超越離合器(6)帶動發(fā)電機(7)發(fā)電。圖中標號(8)為支架。
附圖1右邊的俯視圖是風力機氣動力布局示圖，翼片(1)采用弧形中線翼型，其凸起一面朝向風力機的垂軸00，翼片的支點和偏擺軸bb重合，在翼片的氣動力中心之前，而順槳軸心線cc在偏擺軸bb之前，環(huán)形箭頭示風力機旋轉(zhuǎn)方向。橫杠(3)的截面制成流線型，見標號(9)，其頭部向前。這種氣動布局有利于提高風力機的效率。
附圖2是翼片的結(jié)構(gòu)示意圖。翼片分為上下對稱的兩半(11)與(12)，用穿過調(diào)控器(2)的短軸(13)牢固連接而成，翼展很長，翼弦較窄，大的展弦比能提高翼片的效率。翼片前殼(15)用玻璃鋼長管制成，長管截面具有翼型的前半外形，前殼(15)內(nèi)有牢固連接的由薄板結(jié)構(gòu)構(gòu)成的翼梁(14)以增強翼片強度，短軸(13)固定在翼梁(14)的根部前面，彈簧扣(16)固定在翼梁(14)的根部后面。其插銷(10)用彈簧壓進扣板(27)的缺口(26)內(nèi)，扣板(27)裝在調(diào)控器上，見圖3。翼片后緣(18)用薄壁三角管制成氣動外形，翼片后部用多個翼肋(17)聯(lián)接前殼(15)與后緣(18)，翼肋(17)用具有減輕孔的薄片(20)和加強筋(21)構(gòu)成。最后用玻璃鋼薄膜(19)蒙在翼肋(17)的外面，以形成翼型的整個外形。整個翼片的翼型中線呈弧形，凸起一面朝向風力機旋轉(zhuǎn)軸心線00，翼片重心與偏擺軸心線bb重合，處于翼片空氣氣動力中心之前。
附圖3是調(diào)控器(2)的組成示意圖。它由扁方管(21)，活動外殼(22)和調(diào)速器(23)三個部件組成。其中扁方管(21)的前端有偏擺軸(30)，扁方管后端插入并固定于橫杠(2)的末端，靠近偏擺軸(30)還有一環(huán)繞它的弧形孔(31)?；顒油鈿?22)是一薄壁匣形構(gòu)件，上下兩面對稱位置有兩付軸承孔(24)與(25)，軸承孔(24)是安裝順槳軸承的，用以支承翼片(1)的短軸(13)，其軸承線是順槳軸心線cc，軸承孔(25)是安裝偏擺軸承，用以支承扁方管(21)前端的偏擺軸(30)的，其軸心線是bb?；顒油鈿?22)后端上下各自固定一個扣板(27)，扣板(27)中間有一缺口(26)，此缺口(26)與附圖2中翼片的彈簧扣(16)的插銷(10)扣合。活動外殼(22)一側(cè)固定一檔桿(29)，其檔桿外套有橡皮套(28)。扁方管(21)前端裝入活動外殼(22)一側(cè)的開口中，其偏擺軸(30)由軸承(25)支承，活動外殼的檔桿(29)則穿過扁方管(21)的弧形孔(31)，其橡皮套(28)處于扁方管(21)內(nèi)，活動外殼左右偏擺時，檔桿(29)和橡皮套(28)在活動外殼內(nèi)左右移動，不接觸扁方管。
風力機正常工作時，翼片上的彈簧扣(16)扣住活動外殼的扣板(27)，這時翼片(1)和調(diào)控器(2)及活動外殼(22)固接為一體，能隨調(diào)控器、活動外殼(22)一同繞偏擺軸(30)的軸心線b-b左右偏擺。在上風和下風時，翼片都能保持最佳攻角，使翼片能高效地推動風力機轉(zhuǎn)動。當風速超過正常風速時，翼片上的風壓很大，能將彈簧扣(16)的插銷(10)壓出扣板(27)的缺口(26)，使翼片(1)和調(diào)控器(2)脫開，翼片(1)在短軸(13)支承下能繞順槳軸cc自由旋轉(zhuǎn)，自動在風力下轉(zhuǎn)入順風方向，幾乎使翼片上的風壓全部卸除。整個風力機所受風壓大大減少，這使風力機可設(shè)計得很輕巧，即可保證風力機的安全可靠，又可減輕重量，降低成本。當風速回恢正常時，已脫開的翼片順風隨機轉(zhuǎn)動，進入扣板(27)時，因缺口(26)兩側(cè)扣板頂面呈平坦圓弧狀斜坡，彈簧扣(16)可輕易被壓縮，翼片很容易滑過扣板(27)頂面，到達缺口(26)時則立即被扣住。在正常風速壓力下是不會被壓縮脫扣的，因缺口(26)開口角度很徒，確保了工作的可靠性。
調(diào)速器(23)由前端開有V形缺口(34)的滑塊(32)和與滑塊后端相連的調(diào)速彈簧(33)所構(gòu)成，如附圖3的下圖所示。滑塊(32)置于扁方管(21)內(nèi)，能在扁方管內(nèi)自由滑動，但有調(diào)速彈簧(33)拉住它，能停留在離心力和彈簧拉力的平衡點位置上。當扁方管伸入活動外殼(22)內(nèi)時，檔桿(29)的橡皮套(28)就處于滑塊(32)前端的V形缺口(34)內(nèi)。當翼片偏擺時，橡皮套(28)就在V形缺口(34)內(nèi)左右移動，翼片偏擺角度的大小取決于V形缺口(34)的大小。風力機轉(zhuǎn)速增大時，離心力增大，滑塊(32)就向外移，V形缺口(34)開口變小，使風力機的偏擺減小，風力機出力隨之減少，轉(zhuǎn)速因之降低，回恢到原來轉(zhuǎn)速。反之相反。這種調(diào)速方法十分有效。無論風速改變，還是負載改變，都能保證恒定轉(zhuǎn)速。
為減少檔桿(29)、滑塊(32)和扁方管(21)相互間的碰撞力和噪聲，在滑塊(32)外側(cè)和V形缺口(34)的內(nèi)側(cè)，都貼有橡皮墊片(35)。
附圖4為銷齒輪增速機構(gòu)(5)的示意圖。此機構(gòu)的特色在于利用滾動軸承的滾柱作銷齒，用薄鈑結(jié)構(gòu)制成輪幅、輪緣和加強肋等，傳動比大，工藝性好，經(jīng)濟效益遠比一般增速齒輪箱高。具體結(jié)構(gòu)可以多種多樣，圖中所示只是一個可用的具體實例。本實例中的銷齒輪(50)由兩片薄鐵皮翻邊圓輪片(53)和百多個滾柱軸承用的標準滾柱(52)構(gòu)成，滾柱(52)緊壓在翻邊圓輪片(53)周邊百多個精密沖剌的勻布圓孔中，圓輪片(53)裝在輪轂(56)上，輪轂(56)與風力機傳動立軸(4)，用鍵(57)連接起來；用抗扭框(54)、輪輻(58)和加強筋(55)組合成牢固而輕巧的整體。齠輪(51)用硬質(zhì)材料制成，堅固耐用，成本低。
附圖5是超越離合器(6)的結(jié)構(gòu)示意圖。主要由前軸(60)、后軸(62)和若干滾柱(61)組成，前軸(60)末端有一套管(63)罩住后軸(62)的一端。套管(63)內(nèi)壁由幾段弧形曲面(64)形成，滾柱(61)在套管(63)內(nèi)壁和后軸(62)末端間活動。只有當前軸轉(zhuǎn)速超過后軸轉(zhuǎn)速時，滾柱才被擠住，前軸才能驅(qū)動后軸轉(zhuǎn)動，在任何其它情況下，后軸不會推動前軸轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明采用超越離合器，使前軸(60)連接風力機銷齠輪增速機構(gòu)的齠輪(51)，后軸(62)就是異步發(fā)電機(7)的轉(zhuǎn)子軸。
異步發(fā)電機接電網(wǎng)或柴油發(fā)電機，當風速小，轉(zhuǎn)速達不到電網(wǎng)頻率時，超越離合器(6)是脫開的，電機在電網(wǎng)電壓驅(qū)動下是一空載電動機，其轉(zhuǎn)子軸即后軸(62)以接近電網(wǎng)頻率的轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)。因此在無風或風速未達到工作風速時，齠輪(51)的轉(zhuǎn)速低于空轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)速，所以超越離合器脫開，風力機與電動機互不影響。后者是空轉(zhuǎn)電動機。當風力機的風速達到工作風速時，其轉(zhuǎn)速被控制在略大于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速中，超越離合器(6)接合，風力機帶動異步電機，由電動機變?yōu)榘l(fā)電機發(fā)電，將電力輸入電網(wǎng)供電。這時如果電網(wǎng)(或柴油機)停電，則異步發(fā)電機單獨供電。在任何情況下，電機都不會倒過來推動風力機。
本發(fā)明采用超越離合器還解決了儲能問題，即取消了投資大，易造成污染和維護難的蓄電池。無風時仍有電用。
權(quán)利要求
1．一種擺翼式立軸風力機，其翼片(1)垂直安裝在固定于橫杠(3)外端的調(diào)控器(2)上，橫杠(3)內(nèi)端與傳動立軸(4)頂端連接，翼片(1)帶動橫杠(2)繞傳動立軸(4)旋轉(zhuǎn)，其特征在于通過安裝在傳動立軸(4)上的銷齒輪增速機構(gòu)(5)驅(qū)動與銷齒輪增速機構(gòu)相連的超越離合器(6)，再由超越離合器(6)帶動異步發(fā)電機(7)發(fā)電，其翼片(1)具翼型剖面分上、下對稱的兩半(11)與(12)，用短軸(13)牢固聯(lián)接，翼型中線呈弧形，凸起一面朝向風力機旋轉(zhuǎn)軸心線(cc)，翼片重心與偏擺軸心線bb重合，處于翼片氣動力中心之前，調(diào)控器(2)由扁方管(21)，活動外殼(22)和調(diào)速器(23)三個部件構(gòu)成，扁方管固定在橫杠(3)外端上，活動外殼聯(lián)接翼片與扁方管，翼片在調(diào)控器支持下，隨同調(diào)控器繞垂直的偏擺軸(30)擺動，在上風和下風時自動向不同方向偏轉(zhuǎn)一小角度，使相對氣流攻角自動保持最佳，調(diào)速器(23)由前端開有V形缺口(34)和后端連接有調(diào)速彈簧(33)的滑塊(32)構(gòu)成，能在扁方管(21)內(nèi)自由滑動，翼片偏擺角度的大小取決于滑塊的V形缺口的大小，確保風力機恒速轉(zhuǎn)動；聯(lián)接上、下二半翼片(11)、(12)的短軸(13)由調(diào)控器(2)的順槳軸承(24)支承，整個翼片可以順風轉(zhuǎn)入順槳方向，以卸除翼片(1)在特大風時的風壓，在正常工作時則被彈簧扣(16)扣住，和調(diào)控器(2)結(jié)成整體，只能隨同調(diào)控器(2)共同偏擺。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺翼式立軸風力機，其特征在于翼片(1)的前半部采用玻璃鋼長管制成翼型外形的前殼(15)，其內(nèi)安置牢固連接的由薄鈑結(jié)構(gòu)構(gòu)成的加強翼梁(14)，翼梁根部前面固定有短軸(13)將翼片(1)的上下二半(11)，(12)連成整體，根部后面設(shè)有彈簧扣(16)，翼片后緣(18)用薄壁三角管制成氣動外形，翼片后部用翼肋(17)聯(lián)接前殼(15)與后緣(18)，再用玻璃鋼薄膜(19)蒙在翼肋表面，制成翼型外型。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的擺翼式立軸風力機，其特征在于調(diào)控器(2)的扁方管(21)其前端有偏擺軸(30)和一個弧形孔(31)；活動外殼(22)是一薄壁匣形構(gòu)件，上、下兩面對稱位置設(shè)有一偏擺軸孔(24)和一順槳軸孔(25)，活動外殼后端上下各自固定一個其中間帶有缺口(26)的扣板(27)，活動外殼一側(cè)的開口處還固定一個套有橡皮套(28)的檔桿(29)；裝在扁方管(21)內(nèi)的調(diào)速器(23)由前端開有V形缺口(34)的滑塊(32)和與滑塊后端相連的調(diào)速彈簧(33)所構(gòu)成。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的擺翼式立軸風力機，其特征在于銷齒輪增速機構(gòu)(5)由銷齒輪(50)和齠輪(51)構(gòu)成，銷齒輪(50)有金屬輪轂(56)，用鍵(57)和風力機的傳動立軸(4)組合，其輪輻(58)，加強筋(55)和輪片(53)，抗扭匡(54)都用薄鈑制成，并用100到300個以上滾動軸承的標準滾柱(52)均勻牢固地插在輪緣周邊的園孔內(nèi)作為銷齒，齠輪(51)也用硬質(zhì)材料制成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的擺翼式立軸風力機，其特征在于用超越離合器(6)聯(lián)接異步電機(7)和風力機的增速銷齒輪組(5)，異步電機(7)直接掛電網(wǎng)或和柴油發(fā)電機其他電源連接。
全文摘要
一種擺翼式立軸風力機,其翼片安裝在固定于橫杠末端的調(diào)控器上,翼片帶動橫杠繞傳動立軸旋轉(zhuǎn)時,通過安裝在立軸上的銷齒輪增速機構(gòu)驅(qū)動超越離合器帶動異步發(fā)電機發(fā)電,可直接聯(lián)于電網(wǎng)。通過調(diào)控器既能使翼片自動擺動一小角度,自動保持最佳氣流攻角,提高效率,又能在遇大風時,自動轉(zhuǎn)為順風方向,確保安全可靠,同時又能自動調(diào)節(jié)翼片的偏擺角度大小,使風力機保持恒速轉(zhuǎn)動。所以本風力機具有安全可靠、恒速、效經(jīng)高、重量輕、成本低、能制成大、中、小型風力機。
文檔編號F03D3/06GK1213042SQ98111548
公開日1999年4月7日 申請日期1998年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月29日
發(fā)明者鄭衍杲 申請人:鄭衍杲