一种性能稳定的阻力和升力复合型立轴风动机的制作方法

本发明属于一种将风能转化成机械能的风动机，具体涉及一种性能稳定的阻力和升力复合型立轴风动机。

背景技术：

现有的立轴式风动机大体分为阻力型和升力型两类，其缺点是阻力型风动机对风能的转换效率较低；升力型风动机的升力矩与风速的三次方成正比，因此在低风速中启动力矩很低，难以启动，而在高风速情况下，风动机转速随着风速的升高而快速升高，会超过额定转速而造成整机的损坏。已有专利“阻力和升力复合风动力装置”(ZL200520085635.2)等面对自然界风力的强弱和方向变化的剧烈波动，即现有的立轴式风动机尚不能满足广泛的使用要求。因此提供一种能够随着风力大小调整风动机转速的自适应装置，即风动机在低风速时容易启动(即提高驱动力矩)，而在高风速情况下则自动减少驱动力矩，抑制转速的增加，从而避免了因超过额定转速而造成损坏。又防止了风动机运转时因失去平衡而造成的振动和损坏。实现一种对风速变化有自适应功能的性能稳定的风动机是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种性能稳定的阻力和升力复合型立轴风动机，以弥补现有技术的不足。

本发明是在已有专利“阻力和升力复合风动力装置”(ZL200520085635.2)的基础上的改进。

本发明考虑到已有阻力型和升力型两类立轴式风动机在高、低风速情况下存在的缺欠，真正实现在高、低风速情况下都能满足稳定优化的工作状态，将每个翼型风叶上表面后部延伸出一块带有上下转轴的矩形板，并在该矩形板靠近风叶一侧水平设有一重力杆，又分别在上、下端盖的尾部设有固定转轴的轴承，上转轴经由卷簧与上端盖尾部的卷簧外桩相连接，并且在上转轴的顶端固定有一个牙盘，各个牙盘分别由一根与牙盘相符的环形链条与中心牙盘关联，套在中心轴上的中心牙盘位于风动机顶端的中心位置，由环形链条分别与各个风叶上的牙盘相关联以保持各个风叶的矩形板的偏转联动统一。即处于风动机顶部中心位置的中心牙盘套装在中心轴上，经由环形链条将各个风叶上的牙盘关联在一起，使得各个风叶上矩形板的偏转保持联动统一。当风动机启动之后，在重力杆离心力的和卷簧反弹力的作用下各个矩形板通过改变偏转角度而增加或减少风动机驱动力矩而控制风动机的转速，从而实现了对风速变化有自适应功能的风动机。

因此，本发明包括顶端的中心牙盘下的力矩输出轴，由连接杆相连的有上端盖和下端盖的机翼形风叶在内的风动机主体，其特征在于还包括一个位于在风叶后部、上端盖和下端盖之间的一块上、下有转轴的矩形板，且在该矩形板靠近风叶一侧水平设有一重力杆，又分别在上、下端盖的尾部设有固定转轴的轴承，上转轴经由卷簧分别与上端盖尾部的卷簧外桩相连接，并且在上转轴的顶端各固定有牙盘，该牙盘由一根与牙盘相符的环形链条与中心牙盘关联，以保持联动统一风动机主体的各个风叶对风速的自适应效能，从而实现了对风速变化有自适应功能的风动机。

上述矩形板的宽度是风叶宽度的四分之一至三分之一。

上述重力杆长度与矩形板的宽度相等。

显然，本发明结构合理，从而真正实现风动机在风速低时提升驱动力使风动机容易启动；又能保证在高风速时降低驱动力，避免了因超过额定转速而造成的损坏。又防止了风动机运转时因失去平衡而造成的振动和损坏。因此本发明不但使风能转换性能得到明显提升，而且其稳定性能大大提高。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明中单个风叶结构的静态示意图。

图3是本发明中单个风叶结构的动态示意图。

其中，1力矩输出轴，2连接杆，3风叶，4上端盖，5下端盖，6矩形板，7重力杆，8牙盘，9链条，10中心牙盘，11卷簧，12轴承，13转轴，14卷簧外桩。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明仅仅以四个风叶3为例。包括顶端的中心牙盘10下的力矩输出轴1，和由连接杆2相连的有上端盖4和下端盖5的机翼形风叶3在内的风动机主体，其特征在于还包括一个位于在风叶3后部、上端盖4和下端盖5之间的一块上、下有转轴13的矩形板6，且在该矩形板6靠近风叶3一侧水平设有一重力杆7，又分别在上端盖4、下端盖5的尾部设有固定转轴13的轴承12，上转轴13经由卷簧11与上端盖4尾部的卷簧外桩14相连接，并且在上转轴13的顶端固定有牙盘8，转轴13上的牙盘8由一根与牙盘8相符的环形链条9与中心牙盘10关联，以保持联动统一风动机主体的各个风叶3对风速的自适应效能，实现风动机在风速低时易启动，风速高时转速不超限，并且始终保持在良好的动平衡状态。

如图1所示，上述风动机的风叶个数是通常根据对风动机输出力矩的要求、当地年平均风速的状况、风动机额定转速的设定等因素综合考虑来确定。譬如要求风动机输出大力矩低转速时，通常采用6个以上多个风叶的形式。对用于发电的风动机，要求风能转换效率高，性价比高，通常采用5-3个以下风叶的高转速形式。

本发明由于转轴13上的牙盘8都由环形链条9与中心牙盘10紧固关联着，因而各个风叶3后部的矩形板6的偏转位置和偏转角度都保持着统一联动的状态，防止风动机在高速运转时因失去平衡而产生振动而造成损坏。

上述矩形板6的宽度是风叶3宽度的四分之一至三分之一。对于年平均风速较高，额定转速要求较高时，矩形板可选得窄一些；对于当地风速较低，额定转速要求较低时，矩形板可选的宽一些。

上述重力杆7长度与矩形板6的宽度相等。

上述重力杆与矩形板是一体结构，且静态时处于同一个平面。

如图2所示，上述矩形板6的宽度是风叶3宽度的四分之一至三分之一是根据风对动机设定的额定转速和当地风力状况等因素综合考虑来确定的。

上述重力杆7对转轴13的转动惯量的大小是根据风动机设定的额定转速来确定的。当风速为“0”风动机处于静止状态，重力杆7靠在风叶上表面的内侧，矩形板6处于翼型风叶3的上表面的延伸平衡位置上。当风速逐渐增加，重力杆7离心力的力矩也随着增大。卷簧11的弹性力矩与重力杆离心力的力矩方向相反。在风动机的转速低于额的转速时，重力杆7离心力的力矩小于卷簧11的反向弹性力矩，重力杆7和矩形板6并不发生转动，仍处于原来的平衡状态，矩形板6相当于风叶3上表面的展宽，从而增大了风叶3的正向驱动阻力矩和升力矩，使风动机在低风速时，更容易启动。

如图3所示，风动机的转速随风速的增加而快速增加，当风速等于或高于额定风速时，风动机转速等于或高于额定转速，(重力杆7的离心力大小与转速的平方成正比)此时重力杆7的离心力的力矩便大于卷簧11的反向弹性力矩，该差值力矩便驱动重力杆7带动矩形板6离开平衡位置绕转轴13产生转动，使它不再处于风叶3的上表面的延伸位置，而是离开的并交叉成一个角度，因此翼型风叶3的空气动力状态遭到破坏，升力消失，反向阻力增大，致使风动机转速立即下降，直到转速低于额定转速时，重力杆7的离心力力矩小于卷簧11的反向力矩时，该反向力矩迫使重力杆7和矩形板6又回转到原来的平衡位置。这样便有效的防止了高风速的环境中，风动机转速超过额定转速而造成损坏。

因此，本发明当风动机处在无风静止时，由于卷簧11的反弹力作用，矩形板6的重力杆7靠在翼型风叶3上，矩形板6与风叶上表面连成一体，使风叶形成一个完整的机翼型；当风速逐渐提高，处于不同位置的翼型风叶3产生驱动阻力和升力，风动机在驱动阻力矩和升力矩的共同驱动下迅速启动，转速逐渐增加，重力杆7因受离心力作用，对转轴13产生与卷簧11相反的力矩，该力矩的大小与转速的平方成正比。当风动机转速低于额定转速时，重力杆7离心力产生的力矩小于卷簧11的反向力矩，重力杆7仍靠在叶片上，矩形板的作用相当于风叶的宽度展宽，使风叶的驱动阻力矩和升力增大，因而使风动机在低风速中容易启动；当风速继续升高时，风动机转速迅速增加，增速与风速三次方成正比。当转速接近或超过额定转速时，每个风叶上重力杆7的离心力形成的力矩大于卷簧11的反向力矩，重力杆7将带动上矩形板6转动，并与翼型风叶3的上表面形成一个夹角，顿时改变了机翼型风叶3的空气动力状态，升力减小，反向阻力增加，使风动机驱动力矩减小，转速降低，直到重力杆7离心力的力矩小于卷簧11的反向力矩，矩形板6转回到原来的平衡位置为止。此时由于各个风叶3的矩形板6上的牙盘8被环形链条9关联成一体，使得各个风叶3的矩形板6与风叶3上表面形成的夹角始终保持一致，避免了各个风叶3的矩形板6偏转角度不同而产生的风动机整体转动失去平衡而产生振动造成损坏的问题。

本发明在风动机各个风叶3的后部设有相当于上表面延伸的矩形板6，而各个风叶3的上表面延伸的矩形板的偏转又被牙盘8和链条9连成一体统一联动，从而使风动机的风能转换性能得到提升：风速低时提升驱动力，风动机容易启动；当风速达到或超过额定风速时能够减少驱动力矩，抑制转速的增加，避免了因转速超过额定转速而造成风动机损坏。同时又防止了风动机运转时因失去平衡而造成的振动和损坏。从而构建成性能稳定优异的风动机。