专利名称：屏蔽叠式风轮垂直轴阻力型风力机的制作方法
技术领域：
本发明属于风能的开拓利用，是把风能转化为机械能的垂直轴阻力型风力机。风能是一种清洁可再生能源，受到世界各国的重视，我国近几年在新疆，内蒙等地引进国外的风力发电机，是属升力型水平轴风力机作动能的发电设备。在东南沿海利用一种达里厄型，是属升力型垂直轴风力发电设备。但利用空气阻力作功的S型，风杯型垂直轴风力机，只用于风力提水和气象监测方面。阻力型风力机未能得到广泛应用，这方面的理论也不完善，因而制约着阻力型风力机的发展。
背景技术：
本人从99年以来设想出这种屏蔽式阻力型风力机，几年来反复摸索，通过制作模型不断改进，从最初设想的卧式过渡到立轴式，从单层风轮发展到叠式风轮，逐步有所提高。在没有资料的情况下，专门到北京，在国家图书馆查阅有关资料《能源科学导论》、《新能源概论》、《农村能源工程》这些资料中对阻力型风力机虽有简短地叙述和附图，但没有详细地理论分析。将一些可供参考的资料内容复印回来后，利用空闲制作模型观察分析，进而在理论方面加以推敲，得出一套计算风轮功率和其它有关数据的理论，不知能否指导生产和应用。
S型风轮和其它一些阻力型风力机，是在风轮叶片上做文章，把叶片做成各种不同的特殊形状，以减小风力对风轮叶片在转动方向上的反旋转作用力。在《电工高新技术丛书》(第2分册，第169页第七行)中针对S型风轮写到S型风轮它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。S型风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低，因而用作发电缺乏竞争力。
从模型和自己推导的理论中分析如下本发明在结构上不同于S型风轮，就是在S型风轮外围设置了屏蔽装置，将风轮转动方向的反旋转风力挡在了风轮外面，利用风力的侧向推力作用到风轮叶片上，即风轮叶片利用开放的部分获取有效的风能，用这种方法使风力机的转速和功率有所提高。经分析所发明的风力机当转速在10r/min～30r/min之内，是风轮获取风能和实用的最佳范围。因转速受风速和风轮半径的制约，为了达到实用性将转速保持在20r/min左右，在风速为20m/s之内，较大型的风轮叶片长度只能在10米左右，比水平轴风力机的叶片短，也不存在风力对风轮有正面压力，是不会受到安全极限应力的限制。采用叠式风轮的方法，风能利用系数明显提高，并可提高风力机单机的输出功率。从转速方面分析，引进国外产的风力发电机，其转速为20r/min左右，配套有增速齿轮箱，本发明与之转速相当，因而也可以配套增速齿轮箱用于风力发电的。
虽然增加了屏蔽装置使风力机结构增大，叠式风轮使风力机高度增加，叶片也相应加宽。正是这样才能使叶片的受力面得到风的动能，克服了单位时间内受到风力作用的叶片面积少，致使转速和功率小于水平轴风力机的缺点。相比水平轴风力机占地面积大，设计成大型风力机，从建筑角度上看应该象一座圆柱形储能灌。从风能利用的角度来说拓宽了风能利用的范围。从微风到台风以及南极风能中都可显示出它的优越性。
发明内容
该风力机外形一般为圆柱体，它是风轮转动所形成的圆柱体。它是以风轮叶片的长为半径，叠式风轮的高以垂直轴为转动中心，旋转而形成的圆柱形结构，结构的组成有圆形顶面和底面，在顶面和底面之间设立支承柱。用以支承顶面和加固整体结构而设置，支承柱应不影响风轮获取风能。在顶面的中心安装轴承，以顶面中心的垂直点确定底面轴承的安装中心，可确保安装垂直轴的垂度和保证风轮运转的平稳度。在圆形顶面下方和底面上方以垂直轴为中心，依风轮转动的圆形轨迹外围，各安装一圈环形轨道。在上下环形轨道之间设有屏蔽装置，它依圆柱体表面形状设置，占轨道周长的1/3，它可在环形轨道上活动自如。这样一个以风轮叶片的长为半径，叠式风轮的高以垂直轴为转动中心、风轮旋转所构成的空间和圆柱体的外形，即为屏蔽叠式风轮垂直轴阻力型风力机的雏形。
本发明属阻力型风力机，叶片的构造应不同于升力型叶片的造型，但风轮叶片质量要轻，选材应结实耐力。它是影响风力机功能和寿命的主要部件，为了更有效地捕捉风能，在设计和制造风轮叶片上，应安装有滞流板，使风作用到风轮叶片上，产生滞流是增大阻力的方法之一。
当用叶片组成风轮时，应有一定的科学道理。由三个叶片在三维立体空间，迎风面相互夹角应等分为120度，以轴为转动中心组成一组风轮。叶片宽(即风轮的高)应依据功率要求而定，叶片长(即风轮半径)应依据功率和转速而定，叶面应垂直安装(即与立轴平行)。用多组风轮上下叠加装在垂直轴上时，即不在一个层截面上的组装，上层风轮与下层风轮组合时，叶面迎风向的夹角，应在叠加的层截面内相互等分，随组合层数的增加，相互等分角度相应减小。当然上述的方法，在直径较小的风力机中采用不太显性，只有在直径较大的风力机中，才能显示出它的特点。在风速较大且风速均匀的地区，为了更有效地利用风能，当用叶片组成一组风轮时，应采用四个叶片，相互夹角应等分为90度，其它做法相同。这样组装风轮，主要目的是在不同的层截面获取风能，拓宽了获取风能的范围，可使风轮趋于平稳地转动，风能利用系数明显提高，即提高了风力机单机的输出功率。
在自然界中由于风速瞬间的变化较大，为了更好地利用风能，应在风力机的风轮和输出轴之间安装惯性轮，在风轮和惯性轮之间，安装单向啮合装置，它可起到风轮和惯性轮之间的离合作用，当风速增大时，由风力作用于风轮的动能，经过单向啮合器带动惯性轮转动，而当风速瞬间变小时，由单向啮合器的性能，不会使惯性轮所得到的动能，再输给风轮而造成能量损耗，使风轮和惯性轮保持它们各自的惯性。使风力机趋于平稳地运转，惯性轮的重量、结构形式、应根据风力机的负载而决定。
有关垂直轴的几种不同使用方法，也应叫作输出轴或立轴，它的作用是把风轮得到的旋转扭矩，传递到主动轮输出，即动能的输出。其结构形式分为两种一种是内、外轴的结构形式，即内轴由上一组风轮带动，外轴由下一组风轮带动，可带动不同的负载，组合成一体或分开，从而得到不同的功能。另一种是上、下半轴的结构形式，即上部由一组风轮带动正转，下部由一组风轮带动反转，它们有各自的挡风屏蔽装置互不影响，从而得到方向相反的扭矩，相动运动速度加快，可用于特殊的机械设备使用。
为了更好地利用风能，在设计制作时，安装一个自动跟踪装置，由风动或电脑控制电机拖动屏蔽装置，其主要目的是使风力机，自动处于迎风工作时的最佳位置。它相当于尾舵一样，由风动的只适应于小型风力机上利用。而大型风力机上，应设计一个小型尾舵感风装置，由它感应到风的方向传给电脑，在电脑控制中再由电机拖动屏蔽装置，移动到适当位置，达到屏蔽装置应有的功能。当然这个装置也可省去不用，只能靠人工根据风向和实际情况做出选择，可减少结构组成，降低风力机的成本。
本发明风轮叶片结构简单，没有复杂的控制机构，配套机械设备安装于地面和易操作的平台，给安装、使用、保养、维修带来了极大的方便。
屏蔽叠式风轮阻力型风力机，是在风轮运行外围轨道上，装了一个屏蔽装置，用以屏蔽风轮与风向作用面的大小，它将风轮转动方向的反旋转风力，用屏蔽装置挡在了风轮外面，风轮叶片利用开放的部分获取风能(图1或图2)，该屏蔽装置，是依风轮运行轨迹的外圆，按圆柱体表面形状设置的，它占圆周长的1/3，高度视叠式风轮的高而定。把它的轨道上移动到适当位置时，风轮可获取不同方向的风能，可实现风轮的顺时针转动(图1)、逆时针转动(图2)，用以配合不同机械设备对转动方向的要求。该屏蔽装置，可根据风速的大小调整风力机的转速，可起到减速刹车的作用，并可停机，即关闭风力机，是把风轮与风向的作用面整个屏蔽，使风力机停止转动(图3)。为了维修和使用安全，不应采用的一种方式(图4)，这样容易使风力机在风大时遭到损坏。
具体实施例方式在风能资源比较丰富的地区，根据常年平均风速及风速频率与变幅，依据理论推测出大概利用风能的范围。应考虑到怎样利用和储存风能，以及在转化过程中的能量损耗，风轮与配套机械设备之间的功率匹配，转速匹配以及转动方向的要求。还应依据环境条件，如噪音污染、生态平衡、夏季防雷电、冬季防冻结等因素，确定可否建造，能够满足的情况下方可实施。
例1微型可折叠便于旅行携带，用于照明百瓦之内用电量。外形为扇形结构，展开尺寸直径为3米，高度为1米，即风轮叶片长1.5米，叶片宽1米的三叶片风轮。两根屏蔽装置轨道拉伸长为9.5米，即上、下轨道，屏蔽装置只能在扇形弧面上移动。配套支架及拉绳等，辅助设备有配套微型增速齿轮箱(输入输出16r/min，输出350r/min)，低转速的永磁发电机(200W、输出电压DC14V、输出电流16A、转速350r/min)和交直流逆变器(250W，输入直流电压12V输出交流电压220V)，及小型蓄电池(12V-26Ah)，当风速为5m/s，即可发电，如风速达到10m/s时，可达到200W的输出功率，风大时适当调整屏蔽装置，降低风力机的转速以配合发电机的转速。
例2适应农牧区用户使用的风力发电机。需配备增速齿轮箱(输入转速16r/min，输出转速350r/min)。配备永磁发电机(功率为1KW，输出电压DC56V、电流18A，转速350r/min)。配备交直流逆变器(1000W输入直流电压48V，输出交流电压220V)。和蓄电池6QA-180四只。该风力机外形尺寸为，直径5m，高3m。可安置于屋顶或利用小型塔架安装固定，风轮叶片长2.5m，叶片宽0.8m的三叶片风轮，采用叠加形式将三层风轮装于立轴上，总高度约为2.5m，上层风轮与下层风轮，叶片安装迎风角度应相互错开30度。
当风速为5m/s时，计算风轮得到的功率为E＝0.000928×52×2.52×10＝1.45kw机械损耗按0.35计1.45×0.35＝0.5kw，实际输出功率为0.5kw下面以两种不同的情况作出分析(1)在风能资源丰富的地区，风力机外形尺寸保持不变时，风速由原来的5m/s增大到8m/s时，计算风轮得到的功率为E＝0.000928×82×2.52×10＝3.7kw机械损耗率按0.28计3.7×0.28＝1kw在四级风时，风速为8m/s，实际输出功率为1kw。可满足一般用户对用电量的需求。
(2)在常年风速偏低的地区，风力机外形尺寸应改变为直径5m，高度5m，风速没变为5m/s，计算风轮得到的功率为E＝0.000928×52×52×7.5＝4.35kw机械损耗率按0.25计4.35×0.25＝1kw在三级风时，风速为5m/s，实际输出功率为1kw。在常年风速偏低的地区，需采用叠式风轮增加风轮的受风面，可提高单机输出功率，来满足一般用户对用电量的需求。
在实际使用中，当风速增大到10m/s以上时，风力机的转速也增高，有时会超出额定转速，这时移动屏蔽装置，适当调整风轮与风向的作用面，使风轮的转速降低，相当于减速刹车的作用。而当需要停机时，即可整个屏蔽风向的作用面，使风力机停止转动。
例3适合小型机械设备的风力机，需配套增速机构。为了适应机械设备对转动方向的要求，最好利用增速机构完成。因为这台风力机整体结构较大，相应屏蔽装置也大。为了风力机得到较大的功率，风轮叶片在迎风面装有滞流板，当改变转动方向时，滞流板起不到应有的作用。考虑到风力机自身结构大，为了使用方便，在地理位置和各种条件适合的情况下，应专门组建或修建安装风力机的设施，一般应修建为两层结构，下层为安装机械设备的使用操作间，上层应安装风力机，上、下层应设楼梯通道。
为了使风力机能够得到较为平稳地运转，以适应机械设备的正常工作，应装配惯性轮。由于风速瞬间变化性大，在风轮与惯性轮之间装有单向啮合器，当风速增大时，由风力作用于风轮的动能，经过单向啮合器带动惯性轮转动，而当风速瞬间变小时，由于单向啮合器的性能，不会使惯性轮所得到的动能，再输给风轮而造成能量损耗，使风轮和惯性轮保持它们各自的惯性。相对来说使风力机趋于平稳地转动。达到风力机所带动的机械设备作功的连续性。
这台风力机的外形尺寸为直径8m、高4m，当风速为8m/s时，风轮叶片长为4m，叶片宽为1m的三叶片风轮，采用叠式风轮装于垂直上，总高度为4m，上下风轮安装迎风角度应相应错开15度，考虑到配套机械损耗率按0.20计，计算其实际输出功率为E＝0.0001856×82×42×16＝3kw在五级风时，风速为10m/s，实际输出功率可达4.75kw，可满足一般小型机械设备的动能。
例4适用于矿产钻探、草原打井的楼层式结构的风力机。在无电力设施而风力强的地区，打井钻探需要低转速扭力大的动力设备，在传递扭力时，风力机和钻杆之间虽没有复杂的传动机构，由于风力机本身高大，在垂直轴定位轴承和惯性轮的传递中，有一定的机械损耗。为了适用于钻探，立轴可做成内轴，外轴的结构形式，用以达到不同的功率，在转动方向相同时，可组合为一体得到大的输出功率。也可调整屏蔽装置，使内轴、外轴得到不同的转动方向，用于不同的需要。当风速为8m/s时，风轮直径为8m，高10m。计算功率可达到60kw左右，当风速为10m/s时，功率可达到100kw左右。需要大功率或低转速时，可增加风轮的高度和风轮半径，得到相应地功率和转速。
例5采用上、下分体式，即上、下半轴的结构形式，上部由一组风轮带动正转，下部由一组风轮带动反转，得到方向相反的扭矩，相对运动速度加快。利用这种结构形式，安装设计发电机，将电枢绕组固定在旋转磁场之间，采用固定磁力线圈，旋转磁极的发电方式。这种发电机应为无刷直流发电机，发出的直流电，可直接输入蓄电池，将电能储存起来。由电脑依风力机的转速，改变励磁的强弱，而控制输出电压，达到直接输出直流电流的一种新式发电机。实现无机械转化的过程，明显降低能量转化过程中的损耗，使风能利用率显著提高。
例6在地理位置常年风速大，风向较为定向的开阔地带。建造大型风力机，为了节省设施用料，降低成本，采用分体建造，即屏蔽装置与风力机的结构分开来建，风力机的结构部分用扇形结构，屏蔽装置整体定向设置，部分做成可移动折叠式的，从而达到其应有的功能。这样不影响风力机的功能，可得到较大的功率，如扇形半径长为10m，建造设施风轮部位高为10m，在八级风时，风速为20m/s，计算风轮得到的最大功率为E＝0.000928×202×102×40＝1484.8kw机械损耗率按0.35计1484.8×0.35＝500kw在条件允许的情况下，用增加叠式风轮高度的方法，单机发电容量会更大。
例7用于交通道路和建筑物之上作为警示、广告的显示装置，此时风力机不用于带动其它机械作功，主要考虑它本身凭靠风力和其它辅助装置，保证其能够自动迎合风向是关键，用风动跟踪装置或用电脑控制装置，实现自动迎风达到其应有的功能，为了使风轮(显示面)转动均匀，应安装较重的惯性轮，以保持缓慢的转动，达到显示的效果。用不着做成叠式风轮，而是将风轮叶片做成一块大面积的显示面。置于建筑物和可移动的物体之上，用于可动广告显示装置和交通道路可动警示的显示装置。一般用电脑控制结构复杂，需配套电器设备和其它辅助装置。
例8风向通常不变的地区，在迎风的山地，可在峡谷风口地带，利用山体将部分风轮隐蔽起来。再结合地形和人造辐射形导流设施，将风导流到风轮上，用以增大风对风轮叶片的动能。这种环境条件下，也可将垂直轴改为水平轴安装，即将垂直轴风力机整体水平安装，有条件的地形，可将部分风轮隐蔽起来，从而省掉屏蔽装置，用于风力提水或其它低速设备，传动机构可直接联动，能够减少机械损耗。这种小型水平轴整体结构的风力机，如利用扇形齿轮传递动力时，也能够依风向的改变，可作出整体迎合风向的调整。
例9在南极建造风力机，输出电力是值得考虑的主要因素，机械设备能够耐低温的情况下，选择适当的地理位置，组建风力机的结构设施。如风力机的外形尺寸为直径50m，高12m，当风速为50m/s时，单机发电量可达到1.8万kw。这种风力外形结构为圆柱形，也不同于水平轴风力机，存在风力对风轮有正面压力。在额定风速内，风力机的转速只有20r/min左右，因而在南极建造这种风力机是能够实现的，开拓风能利用的新领域。
权利要求
1.为了达到实用性，即转速和功率的实用性，在叠式风轮叶片半径和叶片宽度上，得到不同的转速和功率，所得出的结论和理论以指导生产和应用。
2.自动跟踪装置由风动或在电脑控制中由电机拖动屏蔽装置，或靠人工根据风向和实际情况，实现屏蔽装置应有的功能。
3.在风轮和惯性轮之间安装的单向啮合器，当风速瞬间改变时，实现自动结合与脱离的方法。
4.同一台风力机输出方向相反的转动机构。利用这种方法实现特殊的风力发电，将能量储存的一种简便的方式。
5.外形结构一般为圆柱形，在微型风力机上为了便于携带，在中大型风力机上为了节省建造材料，而把外形设计为扇形结构的方式。
6.依据这种风力机的外形结构，一般形状为圆柱、台形、扇形，置于建筑物和可移动的物体之上，用于可动广告显示装置和交通道路可动警示显示装置或其它利用。
7.利用地形，峡谷风口而设置的导流引风设施，利用地形山体将部分风轮隐蔽后，省掉屏蔽装置的方式。
8.用于风力提水或其它低转速的机械设备上，为了机械的配套方便和作为其它使用，把风力机整体从垂直轴改为水平轴安装的方式。
全文摘要
本发明属风能的开拓利用。是把风能转换为机械能的垂直轴阻力型风力机。在S型风轮外围增设了一个屏蔽装置，它将风轮转动方向的反旋转风力挡在了风轮外面，风轮利用开放的部分获取有效的风能。当风速和风向改变时，调整屏蔽装置的位置，可获取不同方向的风能，可调整风力机的转速，可改变风轮的转动方向，并能使风力机停止转动的功能。叠式风轮可获取不同层截面的风能，使风轮趋于稳定的转速，提高了风能利用系数，即单机的输出功率。用于风力发电或高转速的机械设备，须配套增速齿轮箱。风轮叶片结构简单，没有复杂的控制机构，配套机械设备安装于地面和易操作的平台，给安装、使用、保养、维修带来了极大的方便。
文档编号F03D11/00GK1538060SQ03110078
公开日2004年10月20日 申请日期2003年4月16日 优先权日2003年4月16日
发明者张瑞峰 申请人:张瑞峰