专利名称：风叶自转和公转结合的风电装置扑转翼直升机及其方法
技术领域：
本发明涉及一种风电装置和扑转翼直升机的叶轮，具体地说涉及这种叶轮中风叶自转和公转结合运转的方法与用途。
背景技术：
中国专利公开(告)号CN2067768，公开(告)日1990年12月19目，发明创造的名称风叶能自转和公转的风车，分类号F03D3/00，该申请案公开了一种风叶能自转和公转的风车是一种具有新型结构的风车，属于风能开发利用技术领域。它由风叶(1)，风车主轴(2)，风叶自转轴(3)，挡杆(4)，上下框架(5)、(6)，变速箱(7)，发电机(8)，基座(17)等组成，由于风叶在自转轴的两边不对称，宽边受风面积大，这使风叶在顺风中靠着挡杆，在逆风中脱离挡杆，从而最有效利用风能，该风车结构简单、造价低廉，可直接驱动柱塞水泵抽水排灌，带动发电机发电等。其欠缺之处在于该申请案在风叶顺风或逆风过程中都需要依靠“档杆”等来承受，风叶的变化幅度较大，其活动的自由度也大，因此在风车的运行过程中也容易引起杂声。缺少满足风叶自转的相关技术措施和方法。也不是一种真正意义的风叶自转。关于扑转翼直升机，目前人们还处于探索阶段，尚无明确的对比参考资料。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供风叶自转和公转结合的风电装置、扑转翼直升机及其方法。现有风力车具有水平轴螺旋桨风力车和垂直轴风力车之区别。采用垂直轴方式的风力发电装置，无论技术方式如何，归根结底其在技术上追求的是如何在风叶迎风时展现最大迎风面积，而在风叶逆风时成为最小受风面积。采用自转和公转相结合的技术方法，那么需要解决的是如何在自转和公转相结合的情况下达到上述技术追求的目的。其次，风叶从最大迎风面积到最小逆风面积不可能一步到位，有其中间的延续过程，而在这部分的中间延续过程中，又如何有利于风车的连续运转。这些技术要点是风叶自转和公转结合的风力发电装置所必须解决的。
发明人公开了风叶自转和公转结合的风电装置、扑转翼直升机及其方法。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的所述风电装置的风向舵或偏航系统装置连接风向舵旋转环，风向舵旋转环外缘有齿，或风向舵旋转环上设置有动力传动齿轮；所述风叶自转轴下端设置有风叶自转轴齿轮；所述风电装置的风叶自转轴与风向舵旋转环或动力传动齿轮之间设置有同方向转动的动力传动装置；所述风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环动力传动齿轮的转速比为1比2。
以上，风向舵的存在保证了风叶在自转和公转相结合的情况下以最大迎风面积和最小逆风面积迎合风向。风向舵是被动偏航系统装置之一方式，本发明对偏航系统装置的相关描述与附图以对风向舵的描述与附图为主要对象。
下面解释齿轮及传动系统的关系和运转情况首先解释风叶自转和公转的含义所谓风叶自转是风叶相对于风叶自转轴中心轴线的连续圆周运动。所谓风叶公转是指风叶带动风叶框架轮相对于风叶公转轴中心轴线的连续圆周运动，实际上也就是风叶带动了公转轴的转动。
参看图1和图2，风向舵旋转环在风向和风向舵的作用下可以围绕公转轴中心轴线自由转动，当风的方向确定了风向舵的位置以后，风向舵旋转环就不再任意转动，也就是说它是相对静止的。当风叶在风力的作用下作公转运动时，也就是风叶与风叶自转轴的组合围绕着风向舵旋转环作连续圆周转动，前面解释了风向舵旋转环是相对静止的，并且风叶自转轴与风向舵旋转环之间设置有同方向转动的动力传动装置，风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环齿轮的转速比为1比2。那么在这种条件下得到的结果是“当风叶与风叶自转轴组合的公转是以顺时针运转方式表现时，风叶的自转就会以逆时针运转方式表现。相反，当风叶与风叶自转轴组合的公转是以逆时针运转方式表现时，风叶的自转就会以顺时针运转方式表现”。这一点是极其重要的，它的重要意义在于，当风叶公转运动时，风叶自转反向1比2的运转减缓了风叶受风角度的变化量度，也就是说当风叶在它最大迎风面积和最小逆风面积区域时，风叶自转造成的风叶倾角的减缓有利于风叶在这一区域时段运行时风叶的受风作用，并且这种风叶在传统风叶无法产生公转效益的部位，例如图2中的b、d点，风叶也能产生有利于其沿公转圆周切向运动的分力F，极大地增强了风叶运行的效果。而它们的转速比为1比2，使得风叶在正迎风面旋转180°后，也就是到达它的正逆风面，由于风叶自转轴与风向舵旋转环的转速比为1比2，因此风叶自转轴只旋转了风叶公转角180°的一半即90°角，那么风叶表面正好与风向平行，即到达它的最小逆风面积，所受风力的阻力达到最小。
参看图2，具体描述风叶在自转和公转相结合情况下，风叶所受风力的受力状况和运转表现。图中，设定风叶的公转以顺时针方式进行，粗箭头为风向。风叶在a点位置时，风叶平面垂直于风向舵平面，即垂直于风向，这时的受风面最正，为正迎风面，整个风叶框架轮所受的旋转力也最大。风叶运转在a到b区域时，风叶自转的反向运转减缓了风叶受风角度的变化量度，增加了风叶迎风面在迎风运转时的正迎风面的表现时间和效果。风叶运转在b点位置时，该点是传统风叶无法产生公转效益的部位，风叶平面与风向舵平面成45°夹角，风力产生的分力中有一个沿公转圆切线方向有利于整个风叶框架轮顺时针旋转的分力F。风叶运转在b到c区域时，b点部位所述的分力仍然存在，但越来越小。风叶运转在c点位置时，风叶平面平行于风向舵平面，即与风向平行，此时所受的逆风面积达到最小，为正逆风面，所受的阻力也最小。风叶运转在c到d区域时，b点部位所述的分力仍然存在，并越来越大。风叶运转在d点位置时，该点也是传统风叶无法产生公转效益的部位，与风叶运转在b点位置时相同，同样有一个沿公转圆切线方向有利于整个风叶框架轮顺时针旋转的分力F。风叶运转在d到a区域时，风叶以45°的角度提前进入，风叶的受力情况逐渐向a点的受力情况靠拢，直到a点时的最大值，以后重复进行。综上所述，风叶在a、b、c、d各点区域附近都有极好的受风运转表现。
关于这种风电装置、扑转翼直升机风轮的制作、运转技术方法，其要点在于(一).掌握风叶自转轴与风叶公转轴的旋转方向相反；(二).掌握风叶自转轴与风叶公转轴的转速比为1比2。
本发明通过以下技术方案达到改善风电装置的使用性能。参看图3，所述风电装置风叶的公转轴垂直于风向且平行于水平面，分单边和双边设置两种方式。由于采用了这样结构的装置，风叶框架轮在旋转的过程中，风叶是高低变化的，相对来说高处气流较大，适合风叶正面迎风受力，低处气流较小适合风叶逆风回转，也利于对风叶的安装维修处理和脱换风叶的表面层，风叶逆风回转时是呈水平状态，这样的状况在总体上有利于降低整个风电装置的高度。采用双边设置的方法有利于增大风电装置的功率。本发明还可以在风叶的表面设置有太阳能电池板，达到同时对风能和太阳能发电的利用。
本发明的风力装置的叶轮同样可以适用水力发电装置的叶轮。根据流体的密度不同，对以液体为作功媒体的水力发电装置的叶轮，只要把叶片的表面积缩小并增加其结构牢度。这种水力发电装置的叶轮适合流速大，水深浅的场合环境，当水流流向确定时可以不设舵叶部分，风向舵旋转环留存并固定在它原来旋转的位置。
本发明的风电装置同样可以适用船舶的推进装置，参看图4，其一可以利用风力发电的电力推进，其二直接利用风力发电装置的旋转输出动力推进。这种风力装置的动力推进，在顺风、侧风、侧逆风的情况下都可以起到作用，可以适用于游艇等船舶。图4中的风力装置也可以选用图3的类型。
本发明的风叶运转方式还可以应用在一种原地垂直升空的航空器——扑转翼直升机中。在具体实施方式
中进一步描述。
与现有的风电装置相比，本发明的优点是1.提供了一种真正意义的风叶自转和公转结合的风电装置。
2.这种风电装置与传统水平轴螺旋桨风力车、垂直轴风力车相比不仅具有切向风力而且具有直接作用垂直风叶面的风力，如上面对图2内容的描述，风叶在a、b、c、d点区域附近都有极好的受风运转表现。因此在同样占地面积的情况下本发明的风电装置的输出功率就大。
3.这种风叶成方形、长方形的形态可以使制造方便、费用降低、结构牢固、不易折断，并且利于风叶表面或者中间部位的脱装。在气象情报的配合下，可在强风、飓风的多发地带或城市地区使用。
4.这种风电装置的基础部分相应较低，水平状态双垂直轴(风叶自转轴和风叶公转轴都垂直风向，平行水平面，可两边分置)风电装置的风叶在转动过程中高低变化，有部分过程接近底部，利于对风叶和自转轴的维修。
5.这种风电装置的叶轮在其他领域，如水力发电装置或原地垂直升空航空器等也有相应的使用价值。
图1是风电装置风叶的自转轴垂直于风向且垂直于水平面的结构图；图2是风叶在四个关键位置时，风叶的角度与受力运转的俯视示意图；图3是风电装置风叶的公转轴垂直于风向且平行于水平面的结构图；图4是运用这种叶轮的风力动力作推进动力船舶的示意图；
图5是运用这种叶轮原地垂直升空的航空器——扑转翼直升机风叶旋转平台结构的俯视示意图。
图中风叶公转轴1 风叶框架轮2 风叶3 风叶加强筋4 风叶自转轴5 风叶自转轴齿轮6 风向舵旋转环和齿轮的组合7 自转轴同步齿轮8 环状齿形传动皮带9 底座支柱10 伞型齿轮11 发电机12 刹车装置13 风向舵14 航空器旋转平台横梁15 发动机动力输入齿轮16 同轴齿轮17 反向转动齿轮组合18 风叶公转轴齿轮19具体实施方式
结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述参看图1，图中风叶公转轴1和风叶框架轮2作固定连接，风叶自转轴5安装于风叶框架轮2的外缘并可转动，风叶自转轴5居中于风叶3并作固定连接，风叶3的框架内设置有风叶加强筋4，根据风叶的结构强度决定风叶加强筋4的疏密，选用冲压钢丝网或直接用钢丝拉织成网或其它材料，风叶自转轴5与风叶自转轴齿轮6作固定连接，风向舵旋转环和齿轮的组合7与风向舵14连接且与底座支柱10作可转动连接(结合参看图1和图2)，风叶自转轴齿轮6与风向舵旋转环和齿轮的组合7之间用环状齿形传动皮带9作同方向动力传动连接，也可用链条或齿轮动力传动装置代替，同样，自转轴同步齿轮8与风叶自转轴5固定连接，所有风叶的自转轴同步齿轮8之间用环状齿形传动皮带9作同步转动连接，采用同步齿轮比单风叶连接结构简单。风叶公转轴1安置于底座支柱10内可转动，并通过伞型齿轮11把旋转动力传输给发电机12，整个风电装置可安置刹车装置13，根据需要也可安置离合器装置。为使系统良好地运行，相关部位可以安置合适的轴承。因制图原因，风叶部分在实际应用时比例还要放大，风叶表面可采用轻型材料的脱装活页如帆布、涂胶布、人工或化学合成的薄片、或者表面采用加强钢丝网，中间采用泡沫塑料等轻型材料。通过控制风叶表面材料或中间材料的结构强度还可以达到预防强风和飓风的目的，当风力超过一定强度时，表面或中间材料首先遭到破坏，保护了风叶和风力发电装置。
参看图2，风叶运转原理部分不再重复。着重描述风叶的调整和安装。风叶的片数可以是2、3、4、5、6……不等，均匀配置公转圆周上。根据设计选择的风叶框架轮旋转方向，现以顺时针旋转为例。以风向舵的指向作参照方向，(风向舵与实际风向之间可以有一个平衡风叶转动的偏转角度)选择在风向舵左边的风叶自转轴，作通过风叶自转与公转轴中心轴线(两相互平行)的平面，顺时针转动风叶框架轮，当该平面垂直于风向舵平面时，也就是垂直于风向，达到正迎风面时，把该风叶自转轴的风叶平面也成垂直于风向舵平面的状态安装到位。继续顺时针转动风叶框架轮，依照上面方法把第二个风叶自转轴的风叶安装到位，直到装完所有的风叶。风叶框架轮逆时针旋转的调整和安装方法，只要选择在风向舵右边的风叶自转轴进行。另外可根据风叶片数等分公转圆周的角度计算结果来进行安装。安装方法其实质意义在于揭示了风叶在安装或开始工作运转时有各自的初始相位角。
图3中，与图1的差别在于风叶公转轴平行于水平面，并且动力传动齿轮设置在风向舵旋转环上，其余部分都相似。风叶两边设置，在同样风叶结构强度的条件下可增加风力发电装置的功率，并且有其独特的运转美观。
根据动力装置输入、输出的能源转换特性。风能可以通过风车转换成电能，电能也可以通过风叶转换成风能。由此这种风力发电装置的风叶轮在输入动力的带动下也可以作为螺旋桨似的一种船舶的推进器，可采用齿轮传动，并且把传动部分罩合封闭。
同样它也可以作为一种原地垂直升空航空器的升空动力装置。图5中，两台图3描述的双垂直轴风电装置的风叶框架轮等通过飞行器旋转平台横梁15(图中涂黑部分，)分两边对置，两台装置的旋转方向相反，右边的为顺时针旋转方向，左边的为逆时针旋转方向。风向舵旋转环的齿轮与飞行器旋转平台横梁15固定连接，直升机发动机的旋转动力传递给发动机动力输入齿轮16同时也传递给同轴齿轮17和反向转动齿轮组合18，由同轴齿轮17通过环状齿形传动皮带(图中虚线部分)传递给风叶公转轴齿轮19，风叶公转轴齿轮19与风叶公转轴1连接，达到动力输入目的。同时相对应的一边通过反向转动齿轮组合18得到动力输入。图中风叶框架轮的前、后部分表示方法是不一样的，采用前部分方式可以使结构简单，重量减轻，但需要考虑风叶框架轮和风叶自转轴的结构牢度，以免折断。图5是运用这种叶轮的垂直升空航空器——扑转翼直升机，其风叶旋转平台结构的俯视示意图。其座舱或驾驶舱设置在旋转平台的下部，其一有利于重心稳定，其二有利于驾驶视野。动力发动机可以装置在旋转平台，也可以装置在下部。装置在旋转平台的方式可以使结构简单方便，但是不利于重心稳定。航空器的上下部连接可以采用如万向节那样，通过两个互相垂直的转动轴连接。这样上下两部分可以适当改变相对的位置。航空器的垂直升空，其重心投影稳定在整个风叶作用旋转平台的中间位置，升空以后，当重心投影偏移中间位置，或改变它们之间的相互位置，航空器将发生相应的位置改变，达到飞行目的。此外，根据需要可以另外装置飞行动力和尾部的方向舵。
传统直升机依靠螺旋桨旋转产生升力，这种扑转翼直升机利用风叶公转与自转结合的方法，采用两边对称的双互作用，结合向下扑翼，两组风叶框架轮成对地两边分置，由风叶框架轮旋转带动风叶运转时，当风叶运转至两边时风叶与水平面平行达到向下扑翼产生升力，风叶运转中间部位时风叶与水平面垂直达到旋转回升，然后重复扑翼、回升。扑转翼直升机研究已有百多年，至今未能解决，相信利用风叶自转和公转结合的方法有望起到良好的开端。
这种扑转翼直升机其风叶(也就是其机翼)转速相对较慢，但是其机翼表面积很大，可以认为其机体的主体表面积就在于机翼，这种特点极其有利于在扑转翼直升机的机翼表面广泛设置太阳能电池板，并且能在机翼的正反两面设置(扑转翼直升机的机翼是正反两面交替向上或向下)，利用太阳能电源当扑转翼直升机用驱动电机来驱动时就可以长时间地在空中停留，使用这种技术可以使扑转翼直升机制作得很小很轻，非常适合军用无人侦察机，这种无人侦察机空中停留时间长，侦察地域广，而且不易被敌方所发现。驱动电机的安装也可以有多种选择，其一，直接设置在公转轴部位，或者设置在自转轴部位，或设置在机身发动机平台。利用齿轮、链条等方式传动。其二，所述的驱动电机分别设置在公转轴部位和所有自转轴部位，所有的驱动电机的运转状态和规律按照前文对风叶自转和公转相结合方式的描述运行。采用方法可以是异步电机的运转方法、采用激光和识别系统结合自动跟踪系统的组合(需要在原风向舵旋转环动力传动齿轮部位打上识别标志)，这些内容在教科书或公知技术范围内可以解决，如果再结合微电脑控制，可以得到更好的运转性能。
这种直升机的机翼表面广泛设置太阳能电池板的技术也可以结合在风力发电装置上面，当风电装置风叶的表面设置有太阳能电池板时，利用电刷把太阳能电流引流下来，可以同时起到对风能和太阳能发电的双重利用。
这种扑转翼直升机，当不作为直升机使用时，还可以将飞机竖起来迎着风向，就变成自转和公转结合的风电装置。
权利要求
1.一种垂直轴，风叶自转和公转相结合的风电装置，包括风叶、风叶自转轴、风叶框架轮、风叶框架轮中间的风叶公转轴，其特征在于所述风电装置的风向舵或偏航系统装置连接风向舵旋转环，风向舵旋转环外缘有齿，或风向舵旋转环上设置有动力传动齿轮；所述风叶自转轴下端设置有风叶自转轴齿轮；所述风电装置的风叶自转轴与风向舵旋转环或动力传动齿轮之间设置有同方向转动的动力传动装置；所述风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环动力传动齿轮的转速比为1比2，当在风向确定环境时，可以没有舵叶部分或偏航系统装置。
2.如权利要求1所述的风电装置，其特征在于所述动力传动装置是齿轮传动组合装置，或链条传动组合装置，或环状齿形皮带传动组合装置。
3.如权利要求1所述的风电装置，其特征在于所述风电装置的风叶公转轴垂直于风向且平行于水平面。
4.如权利要求1所述的风电装置，其特征在于所述风电装置风叶的表面设置有太阳能电池板。
5.一种扑转翼直升机，包括发动机，具有权利要求1或2或3或4所述的特征部分。
6.如权利要求5所述的扑转翼直升机，其特征在于所述的扑转翼直升机的发动机为驱动电机，所述的驱动电机设置在公转轴部位，或设置在自转轴部位，或设置在机身发动机平台。
7.一种关于风叶自转和公转相结合的风电装置或扑转翼直升机风叶自转和公转结合运转的方法，其特征在于a.所述风叶自转是风叶相对于风叶自转轴中心轴线的连续圆周运动，所述风叶公转是指风叶带动风叶框架轮相对于风叶公转轴中心轴线的连续圆周运动；b.所述的风叶自转轴与风叶公转轴的旋转方向相反；c.所述风叶自转轴与风叶公转轴的转速比为1比2；d.所述的风叶在安装或开始工作运转时有各自的初始相位角。
8.一种扑转翼直升机，其特征在于所述扑转翼直升机的风叶表面设置有太阳能电池板，所述的扑转翼直升机设置有驱动电机。所述的驱动电机分别设置在公转轴部位和所有自转轴部位，所述的驱动电机的运转状态和规律如权利要求7所述的方法。
9.一种动力输出装置或动力使用装置，具有权利要求1或3或7所述的特征部分，当在流向确定环境时，可以没有舵叶部分。
全文摘要
本发明公开了一种风叶自转和公转结合的风电装置扑转翼直升机及其方法，旨在提供一种通过风叶自转和公转相结合的结构以提高风叶的受风运转效果和增强其输出功率的风力发电装置，并且对扑转翼直升机的研究提供了一种新的方向。其技术要点是所述风力发电装置设置有风向舵或偏航系统装置，风向舵连接风向舵旋转环，风向舵旋转环外缘有齿，或风向舵旋转环上设置有动力传动齿轮；所述风叶自转轴下端设置有风叶自转轴齿轮；所述风叶自转轴与风向舵旋转环之间设置有同方向转动的动力传动装置；所述风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环动力传动齿轮的转速比为1比2。本发明适用于风力发电装置或水力发电装置的叶轮和扑转翼飞行器的原地升空。
文档编号F03D9/00GK1693700SQ20051007459
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月30日 优先权日2004年11月16日
发明者俞嘉华, 俞霁, 何敏捷, 陈瑜, 李琳, 邱小真 申请人:俞嘉华