專利名稱：旋翼輪垂直軸風車的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種將風力轉化為機械能的風車。它是風車中心軸垂直設置于風車底座上端，裝配有可隨風自轉的風翼的旋翼輪，固定裝配在風車中心軸上。在旋翼輪的輪緣，固定安裝有豎直葉片。在風力推動下，風翼在自轉的同時，旋翼輪水平旋轉而做功。據此結構及運動特點，特命名為“旋翼輪垂直軸風車”。
據有關風車設計資料記載，依靠空氣動力學升力來轉動軸流葉輪的水平軸升力型風車，因其功率大小與葉輪上的葉片長度的平方成正比等原因，為獲得較大的功率，大都將葉片做得很長，此類風車的葉輪均高高地裝于塔架之上。這不僅使建造風車的工程浩大，費用高昂，而且使風車的主要部件的安裝與維修均為高空做業，從而增加了建造和維修風車的難度。此類型中的低轉速風車，雖然其結構較為簡單，葉片制造容易，但還存在著葉輪對風的阻力大，塔架載荷大，葉輪工作效率低的問題；此類型中的高速風車，亦還存在著葉片斷面形狀復雜、加工困難、機構設計制造要求高、起動力矩小等弊端。又據風車設計資料記載，垂直軸的升力型風車中的Darrieus風車，雖然具有高的風能轉換效率，結構簡單，以及不需要很高的塔架的優點，但存在著葉輪起動困難和需要復雜的控制機構防止葉輪停轉的缺點。為克服這一缺點，有的Darrieus風車葉輪和Savonius風車葉輪組合到一起，以利用Savonius風車葉輪產生的起動力矩來解決風車的起動問題，由于Savonius風車葉輪是依靠在順風運動的功率輸出翼片和逆風運動翼片上的風阻力差，來提供動力的阻力型垂直軸風車的葉輪，這就自然而然地將Savonius風車葉輪的缺點，即給風車及支座帶來無法減小的巨大阻力載荷及無法有效調控風車轉速的問題，帶到Darrieus風車的工作中，可見這種組合遠非是理想的組合。因此有必要尋找一種能夠克服和改善上述各型風車的缺點，而風能轉換效率更高的風車，以供人們選擇利用，旋翼輪垂直軸風車為人們提供了這一可能。
本實用新型的目的是提供一種屬于阻力——升力可變換型旋翼輪垂直軸風車。它是一種具有高的風能轉換效率、結構簡單、造價低廉、易于設置、操作靈活的全新類型的風力動力機械。
本實用新型是這樣實現的它包括底座、中心軸、旋翼輪和豎直葉片。特征是，風車中心軸垂直安裝于底座頂端，在中心軸上安裝有可水平旋轉的旋翼輪，在旋翼輪的輪緣固定安裝有豎直葉片。
可水平旋轉的旋翼輪包括輪形支撐架、固定于支撐架上的翼軸及翼軸上能自轉的帆形風翼和控制風翼自轉的限位裝置。
在旋翼輪的輪緣固定安裝有垂直設置的豎直葉片，葉片的橫斷面為流線型。
旋翼輪包括一個或數個輪形支撐架，以及安裝于支撐架上的水平翼軸上的風翼，亦可有至少兩個輪形支撐架，以及安裝于支撐架之間的立式或斜式翼軸上的風翼。
旋翼輪上能自轉的帆狀風翼包括翼骨和包敷在翼骨外的翼幅。在立式翼軸上安裝的是一個整體風翼；在水平或斜式翼軸上安裝的風翼是由數個整體風翼串接而成。
本實用新型的最突出的優點是較現有垂直軸風車的風能轉換效率高。這一點是由本風車結構形成的工作特點決定的由于旋翼輪上的風翼可自轉及翼軸軸端的限位裝置對風翼的旋轉方向，旋轉角度的有機調控，再加上垂直設于旋翼輪輪緣的豎直葉片的共同作用，當風車起動后，在風翼葉尖速率比(即風翼葉尖運動速度與風速之比)小于1，亦即風車依靠風翼阻力進行工作時，風翼的自轉可使風翼在逆風運行中，以最小的迎風面迎風，致使風翼對風的阻力最小。限位裝置對風翼旋轉方向和角度的限定，使風翼在順風向運行時，以最大的迎風面迎風，致使風翼對風的阻力最大。由此造成的旋翼輪兩側大的風阻力差，形成了風車具有大的轉動力矩和功率輸出。隨著旋翼輪轉速的增加，位于旋翼輪輪緣的具有流線形斷面的豎直葉片產生的升力做功，豎直葉片產生的升力做功，又使旋翼輪的轉速繼續增加，當風翼葉尖速率比大于1時，風翼相當于逆風運行，此時風翼的自轉使全部風翼即以最小的迎風面迎風，風翼完全處于對風的阻力最小的運行狀態，致使風車能發揮出最大的能量轉換效能。
本實用新型另一突出優點是，可有效調控風車的轉速和功率輸出。在風翼葉尖速率比小于1時，可調控限位裝置減小風翼順風運行的迎風面積，從而使風車功率輸出減小，風車轉速減緩。在風翼葉尖速率比大于1時，調控限位裝置迫使風翼以大的迎風面迎風，風翼起到的制動作用，可使風車減速。調控限位裝置放開對全部風翼的自轉限制，則風翼均隨風飄擺，使旋翼輪兩側的風力阻力差趨近于零，風車停轉或難以起動。本實用新型的這一功能可有效地避免強風對風車造成損壞和方便對風車進行停車檢修和維護。
本實用新型的結構簡單以致容易加工制造。由于有較高的風能轉換效率，以致在與其它類型風車同等使用條件下，獲得同等動能時，本實用新型風車的風翼可減小，總高度可降低，由此可帶來降低制造成本，方便安裝維修的效果。
本實用新型的細節通過以下實施例及其繪圖給出
圖1是本實用新型實施例一在水平翼軸上安裝風翼的旋翼輪垂直軸風車總體簡圖。
圖2是本實用新型實施例二在立式翼軸上安裝風翼的旋翼輪垂直軸風車總體簡圖。
圖3是本實用新型整體風翼的結構及形狀示意圖。
圖4是圖3的B向放大示意圖圖5是圖3的A部放大示意圖圖6是本實用新型的實施例二，在完全依靠豎直葉片的升力工作時，俯視立式翼軸上的風翼運行狀態示意圖。
圖7是本實用新型的實施例一，在完全依靠豎直葉片的升力工作時，俯視水平翼軸上的風翼運行狀態示意圖。
圖8是本實用新型限位裝置中的限位盤及固定安裝于限位盤上的直齒輪側面形狀簡圖。
圖9是本實用新型限位裝置中的限位盤正面凸臺與凹臺分布示意圖。
圖10是本實用新型的限位裝置中的限位盤上凸臺對稱中心線與旋翼輪旋轉方向線平行且凸臺位于旋轉方向線箭頭所指的方向上時，與限位盤靠接的風翼翼骨上的凸塊移動受限范圍示意圖。
圖11是本實用新型的限位裝置中的限位盤上凸臺的對稱中心線垂直于旋翼輪旋轉方向線時，與限位盤靠接的風翼翼骨上的凸塊移動受限范圍示意圖。
根據附
圖1，即本實用新型實施例一，在水平翼軸上安裝風翼的旋翼輪垂直軸風車包括底座1及垂直安裝于底座頂端的中心軸2，中心軸上固定安裝的可水平旋轉的旋翼輪，以及固定安裝于旋翼輪輪緣的橫斷面為流線形的豎直葉片4，旋翼輪包括輪形支撐架3，翼軸6及活動安裝于冀軸上可繞軸旋轉的帆形風翼5，控制風翼旋轉的限位裝置7。
每個帆形風翼5由數個整體風翼串接而成。根據附圖3，每個整體風翼都包括翼骨8和包敷在翼骨外的翼幅9。風翼的大面為梯形，風翼的兩側小端面皆為流線形，根據附圖4，在風翼一側流線形小端面的翼骨8上，有一扇形凹槽10，凹槽10的扇形面對稱中心線與流線形端面的對稱中心線之間的夾角為80°。根據附圖5，在風翼另一側流線形小端面的翼骨8上有一扇形凸塊11，凸塊11的扇形面的對稱中心線，即為流線形端面的對稱中心線。風翼串接時，遠離旋翼輪中心的風翼翼骨上的凸塊，插入與其相鄰風翼翼骨上的凹槽中。位于翼軸軸端的限位裝置7，是由限位盤12及控制限位盤旋轉角度的傳動機構組成。限位盤12活動套裝于翼軸6上，正面與風翼5相接，背面固定裝配有直齒輪13(或傘齒輪)。根據附圖5，附圖8附圖9，限位盤12與風翼相接的正面，是占限位盤面160°的扇形凸臺14和占限位盤面200°的扇形凹面15構成的階梯面。與限位盤12相接的風翼翼骨8上的凸塊11，插入限位盤12階梯面上凹面15所形成的空檔中。限位盤12的背面與直齒輪13(或傘齒輪)固定安裝在一起，直齒輪13(或傘齒輪)與控制限位盤12轉動角度的傳動裝置的其它構件相接。限位裝置7對風翼5旋轉角度的調控，是通過限位裝置7中的傳動裝置驅動限位盤12，使限位盤12在翼軸6上轉動，限位盤12階梯面上的凸臺14位置發生變化，造成風翼翼骨8上的凸塊11在限位盤12上的凹面15所形成的空檔中的活動范圍的改變而達到的。
旋翼輪上的限位裝置7對水平翼軸上串接的“帆”狀風翼5旋轉角度的調控過程中，風翼5的運行狀態及由此形成的本實用新型的工作特點如下所述根據附
圖1，附
圖10，當限位盤12階梯面的對稱中心線與旋翼輪旋轉方向線U平行，并且如圖中暗影所示的限位盤上的凸臺14，位于旋翼輪旋轉方向線U箭頭所指的方向上時，風翼翼骨上的凸塊11，即圖中雙點劃線所圍成的扇形面，活動范圍為旋翼輪旋轉方向線U箭頭所指的后側180°之間，此時風翼5的運行狀態可出現如下三種情況第一種情況是，根據附
圖1，當風向為方向線V向所示，旋翼輪按方向線U向所示旋轉，最接近旋翼輪輪緣的整體風翼的葉尖速率比小于1時，則風翼5在逆風運行中，每個整體風翼皆以最小的迎風面迎風；風翼5在順風運行中，每個整體風翼皆以最大的迎風面迎風。此時風車是依靠風翼對風的阻力差工作。第二種情況是，根據附圖7，當風車完全依靠豎直葉片4產生的升力進行工作，旋翼輪按方向線U所示方向旋轉，風翼5中的所有整體風翼的葉尖速率比皆大于1時，則風翼5皆以最小的迎風面迎風運行，呈現出對風的阻力最小的運行狀態。第三種情況是，由于旋翼輪旋轉時，翼軸6上的每個整體風翼的葉尖速率比值不同，即其值由靠近旋翼輪輪緣位置的風翼，向靠近旋翼輪中心位置的風翼依次遞減。所以當風車由完全依靠風翼5對風的阻力差進行工作，向完全依靠豎直葉片4產生的升力進行工作；或由完全依靠豎直葉片4產生的升力進行工作，向完全依靠風翼5對風的阻力差進行工作的轉換過程中，翼軸6上不同位置的整體風翼的葉尖速率比值，由靠近旋翼輪輪緣，向靠近旋翼輪中心位置，依次由小變大；或由靠近旋翼輪中心位置向靠近旋翼輪輪緣位置，依次由大變小，出現了漸進的變化過程。在此工作性能轉換過程中，對于葉尖速率比大于1的整體風翼，無論順風或逆風運行，皆以最小的迎風面迎風；而葉尖速率比小于1的整體風翼，則在逆風運行中以最小的迎風面迎風，在順風運行中以最大的迎風面迎風而做功。本實用新型在工作時，風翼在運行中呈現出如上所述的三種運行狀態，是造成風車具有大的風能轉換效率的突出特點的主要原因，并且使本風車運轉中轉速變化平緩，不會發生驟然失速現象。
根據附
圖1，附
圖10，附
圖11，當限位盤12順時針旋轉，限位盤上的凸臺14的位置由附
圖10所示的在旋翼輪旋轉方向線U箭頭所指的方向上，向如附
圖11所示的凸臺14在翼軸6的正上方移動時，在翼軸6的水平中心線下方，風翼翼骨8上的凸塊11運動的極限位置也相應變動；凸塊11的對稱中心線由如附
圖10所示的在翼軸6的垂直中心線上，向如附
圖11所示的在翼軸6的水平中心線上轉移，在此位置轉移過程中，當風車依靠風翼對風的阻力差進行工作，風翼5順風運行時，由以最大迎風面迎風，向以最小迎風面迎風過渡，從而降低了風車的功率輸出和風車的轉速。根據附
圖11，當限位盤的凸臺14位于翼軸6正上方時，風翼翼骨的凸塊11的運動范圍為翼軸6的水平中心線以下的180°之內。此時，限位盤放開了對風翼5的有效控制，風翼5可隨風飄擺，使旋翼輪兩側的風阻力差趨近于零。風車轉動停止或難以起動。
根據附圖7，附
圖11，當旋翼輪按附圖7中方向線U所示方向旋轉，風翼呈附圖7所示運行狀態時，轉動限位盤12，使限位盤上的凸臺14，由附
圖11所示的在翼軸6的正上方向下移動，推動風翼翼骨上的凸塊11，使凸塊11的位置向下移動，風翼增大迎風運行時的面積，從而增大風翼迎風的阻力，抑制風車轉動。如上所述，本實用新型在工作中，限位裝置7對風翼5的旋轉角度的有機調控，使風車具備了可有效調控轉速和功率輸出的特點。
限位盤的轉動是由于連接在限位盤12背面的齒輪13上的傳動機構的驅動。這個傳動機構可以是已知的簡單的機械傳動機構；也可以是已知的電力傳動機構，以能夠驅動限位盤進行180°旋轉即可。因為一則，這一傳動機構可以在風車制造時，任選現有傳動方式進行獨立設計；另則也為使本實用新型在總體圖上將主要部件表達得更清楚，所以在附
圖1上將此部分傳動機構刪去。圖中所指限位裝置7是示意限位盤12及盤后的直齒輪13所在的位置。
另外，為了避免因制做上述限位裝置所造成的風車制造成本的增加，亦可不采用上述限位裝置，而采用其它結構簡單的限位裝置。例如，在旋翼輪支撐架3上，靠近每個風翼5的端面位置，設置可抽拉的擋桿，在擋桿抽出時，阻擋風翼翼骨上的凸塊11，將風翼5的旋轉角度限制在翼軸6的垂直中心線的一側；拉開擋桿，則放開對風翼5的旋轉角度的限制。采用此簡單機構，使本實用新型除了不再具備有效調控風翼迎風面積，來控制風車轉速這一項功能之外，仍然具有如上所述其它各項特點。
根據附圖2，本實用新型實施例二，在立式翼軸上安裝風翼的旋翼輪垂直軸風車包括底座1及垂直安裝于底座頂端的中心軸2，中心軸上固定安裝的可水平旋轉的旋翼輪，以及固定安裝于旋翼輪輪緣的豎直葉片4。旋翼輪包括兩個輪形支撐架3，安裝在兩個輪形支撐架之間的翼軸6及活動安裝于翼軸6上可繞軸旋轉的“帆”形整體風翼5，控制風翼旋轉的限位裝置7。
每個帆形風翼5的大面為矩形。其結構與大面為梯形的風翼結構基本相同，即根據附圖3，每個風翼都包括翼骨8和包敷在翼骨外的翼幅9。根據附圖5，在風翼5的下側流線形小端面的翼骨8上，有一扇形凸塊11，而在風翼上側的翼骨端面上不再設有凹槽。
位于翼軸6下端的限位裝置7，也是由限位盤12及控制限位盤12旋轉角度的傳動機構組成。限位盤12活動套裝于翼軸6的下端，正面與風翼5相接，背面固定裝配有直齒輪13(或傘齒輪)。其結構形狀與前例所述相同，風翼5與限位盤12相接時，風翼5的翼骨8上的凸塊11插入限位盤12階梯面上凹面15所形成的空檔中。限位盤12背面的直齒輪13(或傘齒輪)與控制限位盤12轉動角度的傳動裝置的其它構件相接。限位裝置7對風翼5旋轉角度的調控方式及機理與本實用新型實施例1相同。
旋翼輪上的限位裝置7對立式翼軸上的“帆”形風翼5旋轉角度的調控過程中，風翼5的運行狀態如下所述根據附圖2，附
圖10，當限位盤階梯面的對稱中心線在翼軸6的水平中心線上，如附
圖10中暗影所示的限位盤面上的凸臺14，位于旋翼輪旋轉方向線U箭頭所指方向時，如圖雙點劃線所圍成的扇形所示的風翼翼骨上的凸塊11，活動范圍為旋翼輪旋轉方向線U的箭頭所指方向的后側180°之間。此時風翼5的運行狀態可出現如下兩種情況第一種情況是，根據附圖2，當風向如圖中方向線V所示，旋翼輪按方向線U所示方向旋轉，風翼5的葉尖速率比小于1時，則風翼5在逆風運行中以最小的迎風面迎風；風翼5在順風運行中，以最大的迎風面迎風。第二種情況是，根據附圖6，當風車完全依靠豎直葉片4產生的升力進行工作，旋翼輪按方向線U所示方向旋轉，此時風翼5的葉尖速率比大于1，風翼5以最小的迎風面迎風運行，呈現出對風阻力最小的運行狀態。根據附
圖11，當限位盤上的凸臺14的對稱中心線與旋翼輪旋轉方向線U垂直，且凸臺14位于翼軸6與旋翼輪輪緣之間時，限位盤12放開了對風翼5的有效控制，使風翼5可隨風飄擺，從而使旋翼輪兩側的風阻力差趨近于零。如前所述，在風車工作中，轉動限位盤12，同樣可以達到調節風翼5的迎風面積，達到改變風車輸出功率和風車轉速的效果。
限位盤12的轉動也是由連接在限位盤12背面齒輪13上的傳動機構的驅動。這一傳動機構在附圖2中刪去。
在本實用新型實施例中，同樣可以采用可抽拉的擋桿來代替如上所述限位機構，使本實用新型不再具備有效調控風翼5的迎風面積，調節風車輸出功率及風車轉速的功能，仍然具備如前所述的本實用新型的其它各項特點。
本實用新型通過制做的模型所進行的模擬試驗，初步認定可以實現預期的運行狀態達到預想的功能。
本實用新型可根據不同的工作場所，不同的功率要求，選擇不同的結構方式，做成不同輪徑、不同數目旋翼輪的各種規格產品。如果將本實用新型上的豎直葉片4拿掉，那么該風車也不失為是一種工作性能良好的阻力型風車。
本實用新型大型的可用做風磨坊，風力提灌站的動力裝置；小型的可制成車、船用助力器，野外考察用便攜應急動力裝置；微型的亦可制成風動塑料玩具，尤其是適用于各種規模的風力發電站。對于已經建成的采用軸流葉輪水平軸升力型風車的風車田發電的風力發電站，采用本實用新型，開發利用風車田低空空間的風能，更可收到事半功倍的實效。采用本實用新型，可為輸電困難的海島及我國風力資源豐富的邊遠山區、沙漠草原地帶居住的居民、邊防哨卡，建立小型風力發電裝置提供了便利條件。
本產品結構簡單，取材容易，加工簡便，制造成本低廉，工作性能優良，應用范圍廣泛。因此本實用新型是一種具有廣闊生產前景的產品。
權利要求1．旋翼輪垂直軸風車，它包括底座、中心軸、旋翼輪和豎直葉片。特征是，風車的中心軸垂直安裝于底座頂端，在中心軸上固定安裝有可水平旋轉的旋翼輪，在旋翼輪的輪緣固定安裝有豎直葉片。
2．根據權利1所述風車，其特征是，所說的可水平旋轉的旋翼輪包括輪形支撐架、固定于支撐架上的翼軸及翼軸上能自轉的“帆”形風翼和控制風翼自轉的限位裝置。
3．根據權利1所述風車，其特征是，旋翼輪的輪緣處固定安裝的垂直設置的豎直葉片，葉片的橫斷面為流線形。
4．根據權利2所述風車，其特征是，所說的旋翼輪包括一個或多個輪形支撐架，以及安裝于相應支撐架上的水平翼軸上的風翼。
5．根據權利2所述風車，其特征是，所說的旋翼輪至少有兩個輪形支撐架，以及安裝于支撐架之間的立式或斜式翼軸上的風翼。
6．根據權利2所述風車，其特征是，所說的能自轉的“帆”狀風翼包括翼骨及包敷在翼骨外的翼幅，每個翼軸上的風翼為一個整體風翼或數個整體風翼串接而成。
7．根據權利2所述風車，其特征是，所說的控制風翼自轉的限位裝置包括限位盤或桿及與其相接的傳動機構。
專利摘要旋翼輪垂直軸風車是將風力轉化為機械能的風車。它包括底座、中心軸、旋翼輪、豎直葉片。特征是中心軸垂直安裝于底座頂端,安裝于中心軸上水平旋轉的旋翼輪由輪形支撐架、翼軸及軸上可自轉的“帆”形風翼、控制風翼自轉的限位裝置組成。具有流線形橫斷面的豎直葉片安裝于旋翼輪輪緣。當風翼葉尖速率比<1時,風車依靠風翼阻力工作;當風翼葉尖速率比>1時,風車依靠豎直葉片產生的升力工作。風翼逆風呈阻力最小的運行狀態。本風車是阻力——升力可轉換型垂直軸風車。
文檔編號F03D3/00GK2462104SQ00253328
公開日2001年11月28日 申請日期2000年12月5日 優先權日2000年12月5日
發明者劉寶錄 申請人:劉寶錄