[发明专利]基于叶片转角控制的可防暴风垂直轴风力机

说明书

技术领域

本专利技术属于机电一体化领域，涉及风力利用的新能源技术，其产品能广泛应用自然界可再生能源--风力驱动各类机器进行发电、提水灌溉等。

背景技术

社会经济的发展对能源需求越来越大，矿物能源日益紧张，风力作为一种不污染环境的可再生能源，在发电、提水灌溉等领域的利用日益受到重视，获得广泛应用。目前应用比较成熟的风力机大部分均为水平轴，通常其体积庞大，安装空间受环境的影响，而且其动力常常要通过机构转换成垂直轴的才能用于驱动工作机器。在风力超过正常风速如暴风等特别大的风时，往往会产生危险。为解决这些问题就使水平轴的风力机机构复杂、能量虚耗、造价提高、安装困难，降低了风能的利用率，不利于安全生产，限制了其应用范围。为了克服水平轴风力机的不足，本专利设计人在“一种新型垂直轴风力机装置”的专利申请(申请号为200810070949.3)中提出采用导轨控制叶片转角的垂直轴风力机，可以克服上述动力要转换成垂直轴的问题，并使安装方便，但不能防大风危害。本专利在200810070949.3专利申请的基础上，采用双层凸轮和摆锤机构的垂直轴风力机可以解决上述问题。

发明内容

本专利所述的风力机由垂直轴(5)、与垂直轴滑键联结的叶片架(8)、与垂直轴和叶片架固定联结的摆锤机构(1)、可随风向摆动的双层凸轮(6)、自身可受控转动的叶片(2)、齿轮齿条座(3)、齿条(4)，弹簧(7)、风向标(9)组成。通过对可绕自身轴线转动的叶片方向的控制，保证在正常风速时，叶片推动垂直轴转动做功，在风速大于正常风速时，叶片受力较小使垂直轴不至于高速旋转，能保护相关设备的安全。

当风速在风力机允许的工作范围内时，在双层凸轮的下凸轮控制下，如图2所示，在同向风力作用下，分别分布在两半圆的叶片具有最大差异的不同受力面积，右半圆的约一半叶片呈径向分布，以尽可能宽大的面积对着风吹来的方向，以产生最大的切向推动力，而径向力基本相互抵消。左半圆的一半叶片以窄小的流线形面积对着风吹来的方向，产生尽可能小的切向推动力，径向力很小并基本相互抵消。由于正反方向的切向推动力差异很大，其切向的推动力可以产生转矩以直接推动垂直轴旋转，进而带动工作机(如发电机)做功。在右半圆最后30度叶片要做180度附加转动，因为此处位于风力产生转矩的死点附近，对风力产生的转矩影响不大。

当风力很大，超出风力机工作允许的风速范围时，风力机转速很高，带动摆锤机构高速旋转，使重锤由于离心力向外摆动，进而带动叶片架向上升起。如图3所示，此时，在双层凸轮上凸轮导轨的控制下，两半圆的叶片均以窄小的流线形面积对着风吹来的方向，只不过右半圆以尖头朝前，左半圆以圆头朝前，产生的切向推动力均不大。而在右半圆的开始的30度和最后的30度时，叶片要做180度的附加转动，此时会产生一定的切向推动力，推动叶片架和垂直轴继续旋转，但转速已大大减小，不至于危及相关设备的安全。

为了控制叶片的转角，凸轮导轨的设计至关重要。为了在不同的风速时分别对叶片进行控制，本专利采用了上、下两层结构的双层凸轮，凸轮的导轨为垂直的柱面，如图4所示。在凸轮导轨的设计中，首先必需保证导轨有一个固定的轴线与风向平行，本专利通过在凸轮上加装风向标，使导轨横截面的一个轴线随风向而摆动，保持与风向基本平行。