一种聚风装置和聚风装置驱动的设备的制作方法

1.本发明涉及风力工程技术领域，并且特别涉及一种聚风装置和聚风装置驱动的设备。


背景技术：

2.风能是一种清洁无公害的的可再生能源，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kw，其中，陆地上风能储量约2.53亿kw(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kw，共计10亿kw。风力驱动的原理是把风的动能转变成机械动能，再将机械能诸应用于诸如发电等其他领域。
3.现有的聚风装置一般可以分为水平轴风力驱动和垂直轴风力驱动，水平轴聚风装置的叶片旋转轴为水平方向，与地面或风向基本平行，因叶片朝向固定，受风向的影响，无法充分利用各个方向的风能，需要相应设置专门的风向测量装置以及偏航装置对风，因此对风能利用率影响较大，同时，风轮与各叶片之间存在气流干扰，根据中国空气动力研究与发展中心的相关风洞实验，对于小型水平轴风力发电机的风能利用率实测在23％～29％。垂直轴聚风装置风轮主轴呈垂直方向，其叶轮转动与风向无关，水平轴风力驱动的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”,而垂直轴风力驱动则不存在这个问题，从该角度来看垂直轴风力驱动的风能利用率高于水平轴风力驱动，但是由于垂直轴风轮的流动比水平轴更加复杂，启动性能差，导致垂直轴风力发电机长期得不到发展。
4.现有一些垂直轴聚风装置，通过使各叶片产生的升力/阻力引起的旋转力矩的进一步增加，使得风能利用效率得到一定地提高，但是提升效率有限，并且对于叶片尾涡对于叶片的形状有较大要求，生产制造成本较高，叶片上产生的小涡流不可控、内部气流混乱等因素，会导致叶片在旋转过程中可能因转速等问题造成与内部气旋与叶片的冲撞进而对叶片的旋转产生反作用力，导致风能利用率受到影响，另外，无论升力或阻力型垂直轴风力驱动，风作用于叶片之后便消散，无法进一步利用，导致风能利用率无法得到进一步地提升。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中常见的聚风装置风能利用率较低，驱动过程损耗较大的技术问题，本发明提出了一种聚风装置和聚风装置驱动的设备，用以解决上述问题。
6.根据本发明的第一方面，提出了一种聚风装置，包括多个叶片和旋转轴，多个叶片被布置成绕着旋转轴沿空间螺旋轨迹分布，且由多个叶片形成的螺旋圈数至少大于1.5圈，其中在一个有效螺旋圈数内至少分布有3个叶片，每个叶片具有的迎风表面均朝向旋转轴倾斜，以叶片在靠近旋转轴的部位为根部，每个叶片的迎风表面在根部的中心处的内法线与远离空间螺旋轨迹的旋转方向的轴线形成的夹角为锐角。该聚风装置可以在风的作用下旋转并通过叶片的朝向以及角度设置的引导下将气流引导至空间螺旋轨迹内部形成与装置旋转方向相同的气旋，在气旋的作用下可形成一定的压力差，将外部气流导向至内部气旋，使得装置对风能的利用率更高。
7.进一步优选的，空间螺旋轨迹为围绕所述旋转轴自上而下渐扩的空间对数螺旋轨迹。通过该结构能够引导气流从空间螺旋轨迹的外部向内部、从上部到下部流动，形成气旋。
8.优选的，还包括螺旋引导结构，螺旋引导结构环绕旋转轴呈空间螺旋结构设置，多个叶片间隔设置于螺旋引导结构上，螺旋引导结构的头部和/或尾部与旋转轴固定连接。凭借该结构能够在螺旋引导结构与旋转轴之间形成一定的空间结构便于内部气旋的形成。
9.优选的，螺旋引导结构包括自上而下渐缩或渐扩的空间螺旋结构。凭借螺旋引导结构的空间螺旋结构可以在形成对应的空间螺旋气旋。
10.进一步优选的，空间螺旋结构的轮廓取自对数螺旋线中的一段或多段拼接。凭借该设置能够引导气流沿对数螺旋轨迹旋转形成对数螺旋状的气旋。
11.优选的，以从叶片的根部起向远离根部方向延伸的长度方向的线段作为叶片的迎风表面的引导线，以叶片的宽度方向的线段作为迎风表面的母线，引导线和母线的线段取自对数螺旋线中的一段。该结构的叶片能够在旋转时为气旋提供更多的导向气流。
12.优选的，还包括固定轴，旋转轴为中空结构，旋转轴可旋转地套设于固定轴上。凭借该结构能够提高旋转轴的稳定性。
13.进一步优选的，还包括导风板，导风板遮挡相对于阻挡叶片旋转方向的背风表面，始终引导气流朝向驱使叶片旋转的迎风表面的一侧。凭借导风部的设置能够将风引导至迎风表面保证装置的高效旋转。
14.进一步优选的，导风板通过连接杆可旋转地设置于固定轴上。利用该结构可以实现导风板的可调节性，根据风向实现导风板与装置的相对位置调整，令导风板始终引导气流朝向驱使叶片旋转的迎风表面的一侧，使装置的旋转效率最大化。
15.根据本发明的第二方面，提出了一种聚风装置驱动的设备，包括上述聚风装置，设备的输入轴与旋转轴连接。利用聚风装置的旋转作为设备的输入，可以提供持续的动力源。
16.本发明的聚风装置通过叶片围绕旋转轴形成的空间螺旋结构，风作用于叶片的迎风表面驱使装置旋转，利用叶片朝向以及与旋转轴的轴向呈现的角度使得部分风在叶片导向作用下向空间螺旋结构内部流动，最终汇聚于空间螺旋结构内部形成与装置旋转方向相同的气旋，该气旋一方面可以从内部协助叶片的旋转，另一方面可以使得气旋内部形成一定的负压，通过装置外部环境的气压差，将装置外部的气流引导至空间螺旋结构内部，该方向的气流同样可以作用于叶片的迎风表面，提高了风能的利用率，并进一步通过设置导风板将风引导至始终朝向驱使叶片旋转的迎风表面的一侧，保证聚风装置的高效旋转。
附图说明
17.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
18.图1是根据本发明的一个实施例的聚风装置的结构示意图；
19.图2是根据本发明的一个具体的实施例的叶片的结构示意图；
20.图3a
‑
f是根据本发明的一个具体的实施例的叶片的角度示意图；
21.图4是根据本发明的另一个具体的实施例的的聚风装置的结构示意图；
22.图5是根据本发明的一个具体的实施例的螺旋引导结构的结构示意图；
23.图6是根据本发明的一个具体的实施例的具有导风板的聚风装置的结构示意图；
24.图7是根据本发明的一个具体的实施例的导风板的导流工作示意图。
具体实施方式
25.在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
26.图1示出了根据本发明的实施例的聚风装置的结构示意图。如图1所示，聚风装置包括固定轴1、旋转轴2、叶片3、螺旋引导结构4和底座5，固定轴1垂直设置于底座5之上，并通过多个支撑杆在底座5表面与固定轴1的连接处加固，提高装置的稳定性。旋转轴2为一中空结构，套设与固定轴1上，通过旋转轴2上下两端的轴承与固定轴1配合，实现旋转轴2可以相对于固定轴1旋转运动。螺旋引导结构4呈空间螺旋状，并且螺旋引导结构4的头尾两端与旋转轴2固定连接，使其可以与旋转轴1同步旋转。多个叶片3沿螺旋引导结构4的空间螺旋轨迹间隔分布，螺旋引导结构4为包括至少1.5个有效螺旋圈数的空间螺旋结构，并且在一个有效螺旋圈数内，至少排布有3个叶片3。优选的，叶片3可以沿螺旋轨迹并以一定的弧长间隔排布，随着螺旋圈数的增大，叶片3在一个有效圈数内的数量递增，以确保装置的有效受力情况，提高旋转效率。
27.根据科普中国中对于母线的定义，曲面图形可看成动线运动时的轨迹，形成曲面的动线称为母线，在本技术中，叶片3的迎风表面也可以视为母线沿引导线运动形成的表面。结合图2中叶片的结构示意图可以看出，叶片3具有迎风表面和背风表面，叶片3的迎风表面是由引导线31控制母线32运动形成，其中，以远离叶片3的根部的长度方向作为引导线31，垂直于该长度方向的宽度方向作为母线32。叶片3设置于聚风装置上时，定义叶片3靠近并面向旋转轴2的厚度端面为叶片的根部36，在图2中，该叶片的根部36表现为一条与该厚度端面处叶片3的母线相同的曲线，叶片的根部36在迎风表面的中心定义为根部中心37，下面结合具体的叶片3的角度设置的实施例对叶片3与旋转轴2的空间角度关系进行具体说明：
28.如图3a中叶片的角度示意图所示，每个叶片3具有的迎风表面均面向旋转轴2并且朝向旋转轴2倾斜，空间螺旋轨迹为自上而下顺时针渐扩的的空间对数螺旋轨迹，叶片的迎风表面朝向逆时针方向，所以受到风力驱动时，聚风装置将进行顺时针转动。叶片3以上述形态排布于空间螺旋轨迹上，可以使得叶片3与螺旋轨迹存在空间角度关系(叶片朝向根部的方向朝向螺旋轨迹的旋转方向)，风经过叶片3的导向会向空间螺旋轨迹的内部引导汇聚，而不是被引导至装置外部扩散。每个叶片3在其迎风表面上的根部中心处的内法线(即本实施例中根部中心处与迎风表面的切平面在该根部中心的法向量)与旋转轴2在远离空间螺旋轨迹的旋转方向(本实施例中空间螺旋轨迹旋转向下，远离该需安装方向即朝上的
方向)的轴线的夹角β为锐角，该夹角的设置在叶片迎风表面均面向旋转轴2且朝向旋转轴2倾斜的前提下能使得叶片3的迎风表面具有一朝上且朝向旋转轴的趋势，以便于将气流向空间螺旋轨迹的内部引导，最终在空间螺旋轨迹的内部汇聚形成与空间螺旋轨迹同一旋转方向(即本实施例中顺时针旋转向下)的气旋，该气旋能够在空间螺旋轨迹内部产生一定的负压，使得上方的空气被吸引进入聚风装置，同时能够将上述因气旋所产生的负压从上方被吸入螺旋轨迹内部的气流转化为作用于该迎风表面的推动力，进一步推动聚风装置旋转，风能利用率和聚风装置的旋转效率得到进一步地提升。
29.在与上述实施例相对的一实施例中，如图3f所示，叶片3的迎风面朝向顺时针方向，从而驱动聚风装置逆时针转动，从而空间螺旋轨迹的旋转方向为逆时针朝上方，此时每个叶片3在其迎风表面上的根部中心处的内法线与旋转轴2在远离空间螺旋轨迹的旋转方向(即朝下的方向)的轴线的夹角β为锐角，使得叶片的迎风表面具有一朝下的趋势，且通过迎风表面朝向旋转轴倾斜的限定，使得叶片3的引导线沿靠近根部偏向于逆时针朝上，多股气流沿叶片的引导线进入空间螺旋轨迹的内部，最终在空间螺旋轨迹的内部汇聚形成旋转方向向上的气旋，藉此气旋产生向下方吸入气流的负压，由于叶片3的迎风表面具有一朝下的趋势，下方被吸入螺旋轨迹内部的气流将转化为作用于该迎风表面的推动力，提升风能利用率。
30.在其中一个优选的实施例中，如图3b中叶片的角度示意图所示，叶片3的至少部分引导线31在叶片根部的切线可延伸到叶片空间螺旋轨迹旋转方向上的另一叶片的迎风表面并存在交点，引导线31在母线32的轨迹上具有多条，但是至少满足部分引导线31在叶片根部的切线34可延伸至另一叶片迎风表面，优选的，该部分越大引导气流对另一叶片的二次冲击效果越好，本实施例中以过母线32中点的引导线31为例进行说明，假定该切线34与其他叶片的迎风表面的交点为a，叶片根部的切线34延伸至旋转方向上的另一叶片的迎风表面，引导线在叶片根部的切线34朝交点a延伸的方向，就是气流脱离叶片根部时的气流走向，可以将作用于叶片3上的风引导至另一叶片，形成对另一叶片的二次冲击，提高能量的利用率，避免风作用于叶片3之后直接排出装置并消散与空气中。
31.继续参考图3c中的叶片角度示意图，该图截取了一个有效圈数内的叶片引导线的水平面投影图，在交点a所处的叶片的迎风表面作过交点a朝向叶片根部的切线34’，切线34与切线34’在水平面的投影线之间朝向旋转轴2的角度α呈一钝角，应当认识到，在图3a中该钝角为空间上的夹角，为了更直观地表示，以图3b中的投影角度作为解释，二者所能达到的技术效果实际上均是为了能够避免气流往外装置外部扩散，同时将上述二次冲击的气流继续向内引导，应当注意的是，该钝角不可过于接近90
°
，越靠近90度，越不利于叶片向内引导气流，在一个进一步优选的实施例中，该钝角设置为大于135
°
。通过该角度设置，能够将作用于叶片3的气流向其他叶片继续冲击，并且气流由外向内引导，跟随螺旋轨迹的旋转方向汇聚于螺旋引导结构4的内部，多股气流最终于螺旋引导结构4的内部形成气旋，利用气旋在螺旋引导结构4内部形成的负压可以吸引外部气流进入装置内部，进一步提升风能利用率。
32.在具体的实施例中，叶片根部设置有安装部33，安装部33可以为螺纹柱，用以安装固定于螺旋引导结构上。引导线31和母线32可以为直线、曲线或其组合，形成的叶片的迎风表面对应为平面、曲面或其组合，优选的，引导线31和母线32均取自对数螺旋线，通过对数
螺旋线的引导线与母线形成的叶片的迎风表面，能够配合空间对数螺旋轨迹更好地将气流导向空间对数螺旋轨迹的内部形成具有类似对数螺旋轨迹的气旋。
33.在一个具体的实施例中，继续参考图3d，从叶片根部的中心处水平面的投影示意图来体现叶片的角度，引导线31在叶片根部安装点的切线方向偏向所在螺旋轨迹的螺旋内侧设置，即引导线31在螺旋轨迹线42存在交点b(假定为根部中心)，在该交点b处引导线31的切线34与螺旋轨迹在交点b处的切线43之间存在夹角γ，优选的，该夹角γ为一锐角。设置该角度可以便于叶片安装于螺旋轨迹上，并且还可以引导其流往接近于螺旋轨迹切向方向汇入，另外可一定程度上增大叶片的扫掠面积，提高装置的旋转效率。在其他实施例中，过交点b作指向旋转轴轴线的法向线35，第一切线34位于第二切线43与法向线35的所形成夹角θ的区域内，在第一切线34接近于法向线35时，夹角γ也可能为钝角，该角度下引导气流朝向螺旋轨迹内部的效果较为一般，部分气流会被引导至叶片外沿进而扩散于聚风装置外部，角度γ若大于夹角θ，则叶片的迎风表面则会背向远离旋转轴，此时风作用于叶片迎风表面后大部分将会被引导至聚风装置的外部，无法将气流引导至螺旋轨迹的内部。
34.继续参考图3e中的叶片角度示意图，该图示出了俯视方向的叶片示意图，空间螺旋轨迹42呈顺时针旋转，多个叶片3间隔排布于空间螺旋轨迹42，叶片3的迎风表面均朝向旋转轴倾斜，在风的作用下在空间螺旋轨迹内形成与空间螺旋轨迹42的旋转同向的气旋，气旋在空间螺旋轨迹内形成气压差，吸引上方的空气进入装置，此时进入装置的气流还可以从垂直方向作用于叶片的迎风表面，再次推动叶片旋转，并且依靠叶片之间的排布使得每个叶片在俯视图方向下均有部分迎风表面暴露，使得装置每个叶片均能获得因气压差向内吸引的气流的作用力，提高聚风装置的旋转效率。
35.综上，叶片3围绕旋转轴2沿空间螺旋轨迹排布，结合每个叶片具有迎风表面均面向旋转轴2并且朝向旋转轴2倾斜，可以使得叶片指向根部的引导线的方向偏向于空间螺旋轨迹的旋转方向，该设置能够引导气流向空间螺旋轨迹的内部且沿着空间螺旋轨迹的旋转方向流动最终汇聚形成气旋，假若叶片3指向根部的引导线的方向与于空间螺旋轨迹的旋转方向相反，此时叶片的迎风表面则会处于背离旋转轴的方向，该状态的叶片则无法将气流导向空间螺旋轨迹内部，而是向聚风装置的外部导向。在上述实施例中，叶片的迎风表面为凹面，即迎风表面的凹面朝向旋转轴2，并且倾斜一角度，使得叶片3具有一朝向旋转轴2轴线的方向，具体可以根据空间螺旋轨迹的旋转方向定义。倾斜的角度可以定义为每个所述叶片的迎风表面在根部的中心处的内法线与远离空间螺旋轨迹的旋转方向的轴线形成的夹角，该角度为锐角，凭借空间螺旋轨迹排布、叶片迎风表面朝向旋转轴倾斜以及叶片的迎风表面在根部的中心处的内法线与远离空间螺旋轨迹的旋转方向的轴线形成的锐角的共同作用下，在空间螺旋轨迹内部形成气旋，装置内外的压力差将外部气流引导至装置内部，此时叶片的朝向以及角度使其迎风表面能够迎向该部分被引导至装置内部的气流，驱使聚风装置更加高效地旋转。
36.在其他的实施例中，如图4示出了根据本发明的另一实施例的聚风装置的结构示意图，如图4所示，叶片3被设置为折弯结构，该折弯结构可以理解为母线由两段首尾相连且呈一定夹角的线段组成，引导线为叶片折痕线，该叶片同样沿着螺旋引导结构4的空间螺旋轨迹排布，该空间螺旋轨迹可以选择阿基米德螺旋线，参考图1
‑
图3中的叶片角度的设置方式，同样使得叶片3能够引导风作用于螺旋轨迹旋转方向上的另一叶片，形成二次冲击，并
将气流向螺旋引导件4的内部引导，多股气流最终汇聚在螺旋引导结构4的内部形成气旋，提高整体的风能利用率。可替代的，空间螺旋轨迹还可以采用其他空间螺旋线，例如圆柱螺旋线、等角螺旋等。此外，叶片3沿引导线31控制母线32运动形成的迎风表面还可以沿远离叶片根部的方向逐渐增大，以获得更大的迎风面积。
37.在具体的实施例中，图5示出了根据本发明的一个具体的实施例的螺旋引导结构的结构示意图，如图5所示，螺旋引导结构4呈空间螺旋状，具体可以为三维螺旋或圆柱螺旋结构，并且该空间螺旋结构至少形成大于1.5圈的螺旋圈数，并且在一个有效的螺旋圈数内至少分布有3个叶片，通过头尾两端与旋转轴2固定连接，可以在其与旋转轴2之间形成一定程度的空腔结构，以利于气流在内部形成与装置旋转方向相同的气旋。在其他的实施例中，根据整体结构、尺寸和稳定性情况还可以仅将螺旋引导结构4的上端或下端固定于旋转轴2上，另外，除了通过螺旋引导结构4的方式将多个叶片3排布于旋转轴2，可预先在螺旋引导结构4上设置好叶片3的安装孔位41，无需单独针对每一叶片进行角度调整，便于进行规模化的生产、装配和维护。但是应当认识到，还可以通过其他的叶片固定方式，例如采用连接杆的方式将叶片3固定于旋转轴2的表面，排布形成螺旋圈数至少大于1.5圈的空间螺旋结构，叶片3同样相对于旋转轴2在空间上呈现与图3中示出的叶片角度相同或接近，保证叶片3与旋转轴2之间同样存在能够形成气旋的空间，在旋转时同样能够获得本技术的上述技术效果。
38.继续参考图6，图6示出了根据本发明的一个具体的实施例的具有导风板的聚风装置的结构示意图，如图6所示，还可以在该聚风装置上设置导风板6，导风板6可以为平面或曲面，利用上固定板61和下固定板62将导风板6固定于其间，上固定板61和下固定板62分别通过轴承可旋转地设置于固定轴1上，便于根据风向进行导风板角度的调节，该导风板6可以根据风向以固定轴为轴心转动实现角度的调整，结合偏航系统控制导风板6的旋转角度的控制以及制动定位，使得进入聚风装置的风始终朝向叶片的迎风表面的一侧，将处于该风向上的装置上叶片的背风表面遮挡，克服因背风表面受到风的阻力，提高聚风装置的旋转效率。
39.图7示出了根据本发明的一个具体的实施例的导风板的导流工作示意图，如图7所示，风在向聚风装置作用时，会同时作用到聚风装置一侧叶片的迎风表面和另一侧叶片的背风表面，导致聚风装置的旋转效率低，利用导风板6的设置，将处于背风表面一侧的叶片遮挡，并将该部分的风在导风板6的导向下，施加与于处于迎风表面受力一侧的叶片上，减少背风表面受力，使得聚风装置能够更加高效地旋转。
40.在一些其他的实施例中，也可以不单独设置固定轴1，利用旋转轴2直接作为输出轴传递旋转运动。虽然图1
‑
5中示出的螺旋引导结构4的空间螺旋轨迹为自上而下渐扩的空间螺旋结构，但是应当认识到，螺旋引导结构4的空间螺旋轨迹还可以为自上而下渐缩的空间螺旋结构或者圆柱螺旋结构亦或者渐缩和渐扩的空间螺旋结构的组合，叶片的大小也可以根据以上空间螺旋结构进行递增或递减的调整，以在叶片外延形成渐缩、渐扩或其组合的空间螺旋结构亦或者圆柱螺旋结构，该配置可以形成多种叶片与螺旋轨迹的组合方案，具体可根据实际的设计要求而定。
41.本发明还提出了一种聚风装置驱动的设备，利用上述的聚风装置的旋转轴与设备的输入轴连接，作为设备的动力源，该设备可以为发电机、空压机等一系列装置，利用聚风
装置的旋转轴的持续输出为该设备提供持续的输出，其间的传动可以通过联轴器、齿轮等多种传动方式进行传导，同时还可以根据扭矩的需求配置减速器等装置，满足各类设备的动力需求。
42.显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。