一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机的制作方法

1.本发明涉及一种风能动力设备，特别涉及一种具有稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机。


背景技术：

2.风能是一种可再生的清洁能源，是大自然赐予人类的免费资源，世界各国越来越重视风能利用，风力发电正成为新能源开发利用的新潮流。
3.目前世界上广泛使用的风力发动机(风力机)有两种类型：一类是水平主轴、螺旋桨式叶片，螺旋桨式叶片连接水平主轴的一端；另一类是竖置主轴、风帆式叶片(竖轴风力发动机)。两类风力发动机相比较，水平主轴螺旋桨式叶片的风力发动机的技术较为成熟，目前较为广泛使用，但是成本较高、桨叶容易损坏，必须设置迎风装置调整方向(调整水平主轴的指向)，而且设备维修不方便；竖轴风力发动机转动力矩大，不需要调整风向，设备安装维护较为方便。但是，由于普通型竖轴风力发动机存在风动效率不高的问题，目前世界上尚无大量应用实例。
4.而且，现有技术的竖轴风力发动机均没有较好的超强风自保护，存在风轮结构不耐用、超强风下易损坏(如台风)的问题。本发明人原有实用新型专利高效风力机(专利号zl98212887.8)采用了活动可变式风叶，能在风力机工作过程中自动改变风叶的受风面积，使正向推力面积增加，而反向回程阻力面积减小到最小，解决了以往竖轴风力机效率低的问题，大大提高了风能利用效率，不失为一种高效利用风能的新型竖轴风力机，但是尚存在结构不合理、风叶不耐用易损坏的问题，另本发明人原有发明专利zl200310111767.3和原有实用新型专利zl200320117016.8尚存在稳速装置超强风保护后不能自动恢复正常运转的问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机，能够使风力发动机遇到强风时稳速，遇到超强风时自保护，且超强风过后可自动恢复正常运转，多层风轮设置大大提高了风动效率和大功率化；本发明人原有发明专利zl200310111767.3和原有实用新型专利zl200320117016.8尚存在稳速装置超强风保护后不能自动恢复正常运转的问题，该问题在本发明中得到很好解决。
6.根据本发明的第一方面实施例的一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机，包括机架、风轮主轴、稳速装置和多层风轮结构，风轮主轴沿上下方向延伸、并转动连接机架，该多层风轮结构沿风轮主轴的轴向分布，风轮结构包括多个大风叶框，该多个大风叶框绕风轮主轴圆周分布，大风叶框上沿大风叶框的延伸方向分布若干小风叶竖轴及小风叶，小风叶竖轴连接在大风叶框上，小风叶转动连接小风叶竖轴，小风叶可绕小风叶竖轴3600转动，小风叶的上端和/或下端设置有远离小风叶竖轴的限位轮，稳速装置相比对应的
小风叶竖轴更靠近风轮主轴，稳速装置包括稳速件和弹性件，稳速件通过弹性件连接大风叶框，稳速件的一个侧面依次设置有常态止挡位、稳速止挡位和最高止挡位，小风叶转动过程中可驱动限位轮依次抵接常态止挡位、稳速止挡位和最高止挡位，使得弹性件的形变量依次变大，两相邻小风叶首尾对应时，限位轮抵接常态止挡位，小风叶与大风叶框形成透风夹角时，限位轮抵接稳速止挡位。
7.根据本发明第一方面实施例的一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机，至少具有如下有益效果：采用可转动的活动小风叶，能使小风叶在逆风回程区自动打开，使小风叶所在平面顺应风向，减少反向阻力；而转至顺风工作区时，小风叶又能自动关合，增加受风面积，提高风动推力，提高风力发动机风动效率；使风力发动机遇到强风时稳速，有效保证风力发动机正常工作；遇到超强风时能自保护，且超强风过后可自动恢复正常运转。
8.根据本发明的一些实施例，弹性件为扭簧、拉簧、压簧、碟簧和弹性塑胶件中的一种。
9.根据本发明的一些实施例，稳速装置包括基架，基架可拆卸式连接大风叶框，弹性件通过基架连接大风叶框。
10.根据本发明的一些实施例，小风叶由强度高、比重轻、抗疲劳、耐老化、噪音小、不易腐蚀的材料制成。
11.根据本发明的一些实施例，小风叶由不锈钢、钛合金、尼龙、abs塑料、高分子塑料及太空铝中的一种制成。
12.根据本发明的一些实施例，相邻两层风轮结构的大风叶框错位设置。
13.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
14.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
15.图1为本发明实施例风力发动机的结构示意图；
16.图2为小风叶竖轴、小风叶与稳速装置的分布示意图；
17.图3
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1为小风叶在一般风速情况下处于顺风区时的工作状态示意图；
18.图3
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2为小风叶在风速超过额定风速情况下处于顺风区时的稳速状态示意图；
19.图3
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3为小风叶在遇到超强风情况下处于顺风区时的自保护状态示意图；
20.图4为限位轮与稳速装置的结构示意图；
21.图5
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1为风轮在一般风速情况下的工作状态示意图；
22.图5
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2为风轮在风速超过额定风速情况下的稳速状态示意图；
23.图5
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3为风轮在遇到超强风情况下的自保护状态示意图；
24.图6为本发明用于并网发电的大型多层风轮竖轴风力发动机组结构示意图。
25.图号说明：
26.机架100，层架板110；
27.风轮主轴200；
28.大风叶框310，小风叶320，限位轮321，小风叶竖轴330；
29.稳速装置400，基架410，稳速件420，常态止挡位421，稳速止挡位422，最高止挡位423，弹性件430；
30.设备室500。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
35.参照图1、图2、图3
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1、图3
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2、图3
‑
3、图4，根据本发明的第一方面实施例的一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机，包括机架100、风轮主轴200、稳速装置400和多层风轮结构，风轮主轴200沿上下方向延伸、并转动连接机架100，该多层风轮结构沿风轮主轴200的轴向分布，风轮结构包括多个大风叶框310，该多个大风叶框310绕风轮主轴200圆周分布，大风叶框310上沿大风叶框310的延伸方向分布若干小风叶竖轴330及小风叶320，小风叶竖轴330连接在大风叶框310上，小风叶320转动连接小风叶竖轴330，小风叶竖轴330沿上下方向延伸，小风叶320可绕小风叶竖轴330 3600转动，小风叶320的上端和/或下端设置有远离小风叶竖轴330的限位轮321，稳速装置400相比对应的小风叶竖轴330更靠近风轮主轴200，稳速装置400包括稳速件420和弹性件430，稳速件420通过弹性件430连接大风叶框310，稳速件420的一个侧面依次设置有常态止挡位421、稳速止挡位422和最高止挡位423，小风叶320转动过程中可驱动限位轮321依次抵接常态止挡位421、稳速止挡位422和最高止挡位423，使得弹性件430的形变量依次变大，两相邻小风叶320首尾对应时，限位轮321抵接常态止挡位421，小风叶320与大风叶框310形成透风夹角时，限位轮321抵接稳速止挡位422。
36.机壳、机箱、基座等属于机架100的等同替换。二层及以上多层风轮结构串联，使竖轴风力发动机大型化、实用化成为现实，适应并网风力发电大功率要求。
37.大风叶包括大风叶框310以及设置在大风叶框310上的小风叶320，单个大风叶框310上可以分布若干小风叶竖轴330和小风叶320，小风叶竖轴330的上下两端紧固在大风叶框上，构成大风叶的竖向连接框。大风叶框310沿偏离风轮主轴200的方向向外延伸，大风叶
框310的外端可以是无外端边框的。
38.大风叶框310可以是直线型，也可以是弧线形，小风叶320可以呈现为有边框的槽状体，以增加风的推力，小风叶320转动过程中可以有平行或近乎平行大风叶框310的时候，此时大风叶框310上的小风叶320首尾对应，使大风叶能够承受最大的推力。
39.小风叶320的上端和/或下端设置限位轮321，所以稳速装置400设置在大风叶框310的上端和/下端。小风叶320可绕小风叶竖轴330 3600转动，一个小风叶320对应一个小风叶竖轴330，小风叶竖轴330相比对应的稳速装置400更远离风轮主轴200，所以：小风叶320 3600转动中，限位轮321间断地抵接稳速件420的前述侧面(止挡面)。
40.参照图3
‑
1，小风叶320处于正常顺风位置(大风叶的转动方向顺应风向)，当小风叶320的限位轮321处于常态止挡位421时，小风叶320处于正常的关合状态，大风叶框310上的小风叶320首尾对应，此时大风叶透风小、甚至不透风，风动推力最大。
41.参照图3
‑
2，小风叶320的限位轮321处于稳速止挡位422时，小风叶320处于过位、部分打开，此时大风叶部分透风/疏风，风轮处于稳速状态。
42.参照图3
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3，小风叶320的限位轮321已摆脱稳速件420的定位限制，小风叶320将继续旋转、使小风叶320所在平面顺应风向，该大风叶完全透风；此时，风轮两侧大风叶均透风而在风中达到平衡，风轮失去动力而不能正常转动，风轮处于自动保护状态。
43.参照图4，小风叶320上下端的限位轮321与大风叶框310上稳速装置400对应关系示意图。
44.参照图5
‑
1，风轮在顺时针转动过程中，遇到低于额定风速的风。大风叶转至
①
位置时，小风叶320转向大风叶框310，小风叶320开始关合；当大风叶转至
②
位置时，小风叶320的限位轮321处于稳速件420的常态止挡位421，此时大风叶的全部小风叶320处于完全关合状态，大风叶受风面积最大，风的推力也最大；当大风叶转至
③
位置时，小风叶320开始顺时针转动，开始打开以透风；当大风叶转至
④
位置时，小风叶320其所在平面顺应风向，大风叶上的小风叶320全部打开透风，大大减小了风轮逆风回程区的反向风阻，提高了风力发动机的风动效率。
45.参照图5
‑
2，风轮在顺时针转动过程中，遇到超过额定风速的强风。大风叶转至
①
位置时，小风叶320转向大风叶框310，小风叶320开始关合；当大风叶转至
②
位置时，小风叶320在该强风推力下其限位轮321滑至稳速止挡位422，小风叶320相对大风叶框310适度过位而部分透风，对风轮起到减速稳速作用；当大风叶转至
③
位置时，小风叶320开始顺时针转动，开始打开以透风；当大风叶转至
④
位置时，小风叶320其所在平面顺应风向，大风叶上的小风叶320全部打开透风，大大减小了风轮逆风回程区的反向风阻，提高了风力发动机的风动效率。
46.参照图5
‑
3，风轮在顺时针转动过程中，遇到远超过额定风速的超强风：大风叶转至
①
位置时，小风叶320转向大风叶框310，小风叶320开始关合；当大风叶转至
②
位置时，小风叶320在超强风推力下其限位轮321冲出稳速件420的定位限制，使小风叶320顺应风向、各小风叶320完全打开透风，风轮两侧的大风叶均为透风、风轮两侧平衡，使风轮失去动力而停转，达到风轮自动保护状态。
47.风轮的转动方向不限于顺时针方向，也可以设计为逆时针方向转动，效率相同。
48.本发明的风轮，通过稳速装置400在不同风速情况下，实现不同的工作状态：
49.1、在额定风速及以下风速情况下(常态)，当大风叶转至顺风区时(该大风叶的转动方向顺应风向，有其他大风叶在逆风区)，小风叶320的限位轮321定位限制在常态止挡位421，该大风叶上的小风叶320呈关合状态(该大风叶含至少两个小风叶320时，该至少两个小风叶320首尾对应、以拼组)，该大风叶此时有最大受风面积，该大风叶此时受到较大推力；
50.2、在风速超过额定风速的情况下，当大风叶转至顺风区时，小风叶320的限位轮321越过常态止挡位421，该限位轮321限制在稳速止挡位422，或限制在常态止挡位421和稳速止挡位422之间，位于顺风区的小风叶320相对风向为倾斜(避免小风叶320与风向垂直，该大风叶含至少两个小风叶320时，相邻两个小风叶320之间形成透风口)，大风叶受风推力减小而起到减速稳速作用，使大风叶稳定在一定转速(即风轮稳定在一定转速)。
51.3、在遇到超强风的情况下(如台风)，当大风叶转至顺风区时，由于风力太大，小风叶320的限位轮321越过最大止挡部，即该小风叶320冲出稳速件420的限位，该小风叶320完全打开、该小风叶320所在平面与风向平行，即顺风区的大风叶为透风状态，因为逆风区的大风叶本就是透风状态，使风轮整体透风、风轮两侧平衡，风轮失去风动力，使风轮低速转，甚至停转，起到强风自保护作用。
52.在风速恢复正常的情况下，当大风叶从逆风区进入顺风区时，小风叶320转动、使限位轮321重新定位至常态止挡位421。
53.根据本发明第一方面实施例的一种稳速及超强风自保护的多层风轮竖轴风力发动机，至少具有如下有益效果：采用可转动的活动小风叶320，能使小风叶320在逆风回程区自动打开，使小风叶320所在平面顺应风向，减少反向阻力；而转至顺风工作区时，小风叶320又能自动关合，增加受风面积，提高风动推力，提高风力发动机风动效率；使风力发动机遇到强风时稳速，有效保证风力发动机正常工作；遇到超强风时能自保护，且超强风过后可自动恢复正常运转。
54.在本发明的一些实施例中，还包括设置在地面的设备室500，发电机组设置在设备室500中，风轮主轴200与发电机组传动连接。
55.在本发明的一些实施例中，稳速装置400包括基架410，基架410可拆卸式连接大风叶框310，弹性件430通过基架410连接大风叶框310。
56.在本发明的一些实施例中，稳速装置400包括基架410，基架410与大风叶框310一体成型，弹性件430通过基架410连接大风叶框310。
57.在本发明的一些实施例中，弹性件430为扭簧、拉簧、压簧、碟簧和弹性塑胶件中的一种。参照图4，弹性件430为扭簧，稳速件420连接在扭簧的一个支脚。稳速件420可以是一端铰接大风叶框310，弹性件430的一端抵接稳速件420的另一端，弹性件430的另一端抵接大风叶框310。稳速件420演变为曲柄滑块机构时，属于等同替换；即，曲柄一端交接大风叶框310，弹性件430一端连接滑块、另一端连接大风叶框310。
58.在本发明的一些实施例中，小风叶320由强度高、比重轻、抗疲劳、耐老化、噪音小、不易腐蚀的材料制成。
59.在本发明的一些实施例中，小风叶320由不锈钢、钛合金、尼龙、abs塑料、高分子塑料及太空铝中的一种制成。小风叶320强度高、比重轻、抗疲劳、耐老化、噪音小、不易腐蚀。
60.在本发明的一些实施例中，相邻两层风轮结构的大风叶框310可以是错位设置，风
轮转动更为平稳高效。
61.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。