一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置及方法与流程

：
1.本发明属于风力、水力等流体动能与电能转化技术领域，特别是涉及一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置与方法。


背景技术：

2.随着垂直轴风(流体)力(vawt)发电机日益受到重视和发展，其中有阻力型垂直轴风(流体)力机，主要利用桨叶对风(流体)的阻力做功，比较适用于风速较低的场合，存在风能利用效率较低，结构不够合理等缺点。另一种就是升力型垂直轴风力机，有传统的采用ф形叶片达里厄风(流体)力机，和目前较多采用直叶片(h型)结构，主要使叶片利用风的升力工作，其风能利用系数较高、结构稳固、安装维护方便，但不能自起动是其重要的缺点，目前已公开的方法是设法控制垂直轴风(流体)力发电机的叶片摆动来调节攻角，一是采用微处理器根据功率要求、风(流体)向与风(流体)速调节翼片的摆角，使叶片在各个位置上都能产生最大的转矩；二是采用机械控制机构来控制叶片角度，主要有凸轮控制式与摆线控制式，比较典型的结构有：1、档块控制叶片摆动角度，如专利cn 1009569b；cn112253380；2、离心锤挡轮控制叶片摆动角度：cn206707920u；3、离心力与风力直接控制叶片偏摆cn112128058a；4、用磁力与风力控制浆距角cn102011702a等等。以上方法存在控制结构复杂，稳定性差和长时间运行性能不够可靠，和成本高等一些问题。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.主要针对现有技术中通过控制叶片摆动来改善桨叶受力状况的诸多缺点和不足，本发明巧妙的利用太阳轮与行星轮的机械传动关系，使桨叶轴在绕主中心轴公转的同时，能够持续、稳定的按固定比率自转，以致桨叶1转动过程中，其桨叶攻角(偏转角)随之线性变化，不论转至任意位置，其偏转角度都会形成增进转动扭矩输出，不仅从根本上解决了自起动力矩不足的缺点，更重要的是，显著的提高现有设备技术对流体能(风能、水力)等资源利用转化率。
5.(二)技术方案
6.本技术是依托普通h型垂直轴风(流体)力发电装置的基本结构的基础上，通过改进、增设了一些常规的机械传动部件构造而成。包括以下两种发明技术方案和方法：
7.其一，如图1-2所示，一种轴套固定式行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置，其主体包括固定部分：主固定轴套5，基座，电机，和旋转部分组成，其特征在于，
8.所述的主固定轴套5上端设置并固定有中心太阳齿轮3，
9.所述的主固定轴套5下端设置并固定在基座11上，
10.所述的旋转部分包括主转轴2，转动支架4，两个及以上桨叶转轴6、桨叶1、行星齿轮7、中转传动机构8，
11.所述的主中心转轴27穿过主固定轴套5，与电机联接，
12.所述的转动支架4，安装并固定在在主中心转轴2上部，包括单层或者上下对应的两层及以上呈中心平衡设计的突出部分，其单层或者各层上下对应的突出部分间设置桨叶转轴6，
13.所述的桨叶转轴6上安装并有固定桨叶1、行星齿轮7，
14.所述的行星齿轮7与中心太阳齿轮3、中转传动机构8配套设制，并使中心太阳带轮3的有效直径是行星带轮7的1/2倍，即传动比为2:1，
15.所述的中转传动机构8是齿轮或齿轮组，或同步带(23)，或链条(23)，用于连接行星齿轮7与中心太阳齿轮3，其尺寸大小随其预留空间确定，并与行星齿轮7与中心太阳齿轮3配套设置。
16.所述的主固定轴套5及端口，与主中心转轴及转动支架4之间用轴承30联接。
17.其中，所述的齿轮组采用布设若干与太阳及行星齿轮7平行的带轴承齿轮29传动方式，或伞形齿轮21传动方式，如图5-6所示。
18.所述的桨叶转轴6与上、下支架突出部分联接，用轴承30联接的结构，或用滚筒22内轴结构两端固定，如图8所示。
19.优选的，所述的基座(11)上设置并固定有旋转平台机构(10)，所述的主固定轴套(5)底端与旋转平台机构(10)固定。
20.优选的，所述的旋转平台机构(10)包括底盘及齿轮(12)，轴向轴承(13)或导轨，手动控制齿轮(31)，转轴齿轮(15)，控制电机(14)，plc控制器(26)，风力风向传感器(16)组成，如图9所示。
21.优选的，其特征在于，所述的中心太阳齿轮(3)、行星齿轮(7)与中转传动机构(8)，其外部加封闭壳体(9)，壳体(9)与各活动轴间采用密封轴承封闭。
22.优选的，所述的主中心转轴(2)穿过转动支架的突出部分套接限位轴承(25)，使之与周边不动物及设施固定。
23.其二，如图1-2所示，一种主轴固定式行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置，其主体包括固定部分：基座11，主中心固定轴27，电机19，和旋转部分组成，其特征在于，
24.所述的主中心固定轴27上设置并固定有中心太阳齿轮3，
25.所述的主固定轴27下端设置并固定在基座11上，
26.所述的旋转部分包括主旋转轴套28，转动支架4，两个及以上的桨叶1、桨叶转轴6、行星齿轮7，中转传动机构8，
27.所述的主旋转轴套28套接在主中心固定轴上，一端与转动支架4相接且固定，并与电机19联接，
28.所述的转动支架4，安装并固定在主旋转轴套28上部，包括单层或者上下对应的两层及以上并呈中心平衡设计的突出部分，其单层或者各层上下对应的突出部分之间安装桨叶转轴6，
29.所述的桨叶转轴6上安装并固定有桨叶1、行星齿轮7，
30.所述的行星齿轮7与中心太阳齿轮3、中转传动机构8配套设制，并使中心太阳齿轮3的有效直径是行星带轮的1/2倍，即传动比为2:1，
31.所述的中转传动机构8可以是齿轮或齿轮组，或同步带(23)，或链条(23)，设置并连接行星齿轮7与中心太阳齿轮3，其尺寸大小随其预留空间确定，并与行星齿轮7与中心太
阳齿轮3配套设置。
32.所述的主中心固定轴27及基座11，与主旋转轴套28及转动支架4之间用轴承联接。
33.其中，所述的齿轮组采用布设若干与太阳及行星齿轮7平行的带轴承齿轮29传动方式，或伞形齿轮21传动方式，如图5-6所示。
34.所述的桨叶转轴6与上、下支架突出部分联接，用轴承30联接的结构，或用滚筒22内轴结构两端固定。
35.优选的，所述的基座(11)上设置并固定有旋转平台机构(10)，所述的主固定轴(28)底端与旋转平台机构(10)固定。
36.优选的，所述的旋转平台机构(10)包括底盘及齿轮(12)，轴向轴承(13)或导轨，手动控制齿轮(31)，转轴齿轮(15)，控制电机(14)，plc控制器(26)，风力风向传感器(16)组成，如图9所示。
37.优选的，所述的中心太阳齿轮(3)、行星齿轮(7)与中转传动机构(8)，其外部加封闭壳体(9)，壳体(9)与各活动轴间采用密封轴承封闭。
38.优选的，所述的主中心固定轴(27)穿过转动支架的突出部分套接限位轴承(25)，使之与周边不动物及设施固定。
39.其三，如图10-11所示，本技术的安装、调试与运行方法包括：
40.一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置及方法，其特征在于，安装一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置各部件后，需对桨叶的起始角度方向按照设定方法进行调整，并进行固定，再运行。
41.优选的，具体方法是，在与主轴垂直的平面中，先设定任一桨叶轴垂线与旋转中心垂直，并与流体逆方向一致，作为起始点及方向，若其余任一桨叶轴与起始点间的圆心角为φ，则对该点桨叶轴线方向与流体逆方向间的夹角设定为φ/2,并在主固定轴或轴套上标记出所对应的流体方向。
42.一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置及方法，其特征在于，在运行一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置时，按照主固定轴或轴套及太阳轮上标记出所对应的流体方向l，使之与实际运行环境中流体流动方向f一致，若流体流动方向经常发生变化，可人工或自动化方式通过调整基座上的旋转平台机构，使所标记方向与流体流动逆方向基本一致，以最大限度和最佳效能获取流体动能。
43.如图9所示，在基座上可设置有旋转平台机构，用螺栓把主固定轴或轴套的底板固定在旋转平台机构上，其内转盘的外沿是齿形轮，单独或同时与手动控制转轮31以及伺服电机14的转轴齿轮15啮合，plc控制器26信号接入电源，其输入端与风力风向传感器16信号输出端相接，并与与伺服电机14相接，通过设置程序，实现自动操控伺服电机，驱动旋转平台机构转动，使主固定轴或轴套及太阳轮上标记方向与实际流体方向一致。
44.所述的人工方式是通过手动控制手柄31转动，使旋转平台10沿某一方向转动，从而使主固定轴5或轴套28及太阳轮3转动，并使其上标记的方向l，与实际流体方向f一致。
45.所述的自动化方式是用plc控制器信号接入电源，其输入端与风力风向传感器信号输出端16相接，并与控制电机14相接，通过设置编制的程序，自动操控调控电机14驱动，使主固定轴5或轴套28及太阳轮3上标记方向与实际流体方向一致。
46.(三)有益效果
47.1、本发明相比于现有技术，无任何偏心机构及部件，控制结构简单、紧凑，运转平衡性和稳定性高，性能可靠，制作和运行成本较低。
48.2、按照本发明申请的结构及技术特征，在定向流体力的作用时，各浆叶受力后并作用于所在浆叶轴及行星带轮围绕主中心固定轴或轴套及太阳轮公转，同时其桨叶转轴6也受行星轮、太阳轮及中转传动机构8的牵制，由于中心太阳齿轮3的设计直径是行星齿轮7的1/2，经过齿轮、同步带等中转传动机构8，各桨叶及桨叶轴的自转角与公转角，便会按照固定的角度变化关系自转，若其公转角为φ，自转角形成与之同方向φ/2的角位移。如图10-11所示，呈现如下特征：
[0049][0050]
①
当桨叶1及桨叶转轴绕主中心固定轴或轴套公转一周360
°
，桨叶1同时绕其转轴自转180
°
，再进行下一周转动时，相当于桨叶1自行翻转180
°
，形成这样的形态，在迎风侧c，桨叶1顺时针向一边倾斜，在背风侧d，桨叶1逆时针从另一边倒，便于在迎风面利用风能(流体能)后，继续在背风面二次利用风能。
[0051]
②
如图10所示，选取桨叶1转至个特殊位置点及区间，进行受力分析：
[0052]
③
桨叶1转至逆风侧a时，偏转角度较小，并且自身转动与风(流体)力(相向)合成后的相对速度较大，主要表现为受升力fl作用，其分力的作用效果呈现为驱动转轴转动的正力矩作用，由于角度关系，阻力矩fd仅产生较小的负力矩作用；转至顺风(流体)侧b时偏转角度较大，自身转动与风(流体)力(同向)合成后的相对速度较小，主要表现为受阻力fd作用，其分力的作用效果呈现为驱动转轴转动的正力矩作用，升力力矩fl也产生正力矩作用。这样，使各个桨叶轴处在任意位置(公转角度)时，基本上都可以受到风(流体)力作用于自身所产生的阻力或升力正向转动力矩作用，从而最大效能的利用并转化了风(流体)能。
[0053]
3、本发明申请创造性地运用这种桨叶适应性非对称变化结构技术，克服一些对称造型结构如h型垂直轴风(流体)力等发电装置等阻力大、动力不足等的缺点，能使各桨叶顺风旋转时，主要受阻力提供的转动力矩；在另一侧位置逆风旋转时，主要受升力提供的同方向的转动力矩，从而有机融合阻力型(顺风侧)和升力型(逆风侧)两种垂直轴风(流体)力发
电机的特点，因而风(流体)能—动能转化效率十分显著。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本发明的一种轴套固定式行星轮形桨叶的垂直轴流体能转换装置(中转传动机构为齿轮组)的正视示意图；
[0056]
图2为本发明的一种轴套固定式行星轮形桨叶的垂直轴流体能转换装置(中转传动机构为简易部件)的正视示意图；
[0057]
图3为本发明的一种主轴固定式行星轮形桨叶的垂直轴流体能转换装置(中转传动机构为齿轮组)的正视示意图；
[0058]
图4为本发明的一种主轴固定式行星轮形桨叶的垂直轴流体能转换装置(中转传动机构为简易部件)的正视示意图
[0059]
图5为中转传动机构的平行齿轮传动纵向结构示意图；
[0060]
图6为中转传动机构的伞形齿轮传动纵向结构示意图；
[0061]
图7为中转传动机构的简易传动方式横截面结构示意图；
[0062]
图8为转动支架中两种桨叶转轴的纵向结构示意图；
[0063]
图9为旋转平台机构的纵向结构示意图；
[0064]
图10为桨叶在风力作用时的受力分析示意图(横向)；
[0065]
图11为安装、调试和运行方法示意图(横向)；
[0066]
图12为本发明应用于用于河道水力发电场所的实施例正视示意图。
[0067]
1-浆叶，2-主转轴，3-中心太阳齿轮3，4-转动支架，5-主固定轴套5，6-桨叶转轴6，7-行星齿轮，8-中转传动机构，9-密封壳体及密封轴承，10-旋转平台机构，11-基座，12-底盘及外周齿轮，13-轴向轴承或导轨，14-控制电机，15-转轴齿轮，16-风向风力传感器，17-联轴器，18-动力传输机构，19-发电机，20-伞形齿轮轴，21-轴座，22-滚筒，23-同步带或链条，24-法兰接口，25-辅助固定端口，26-plc控制器，27-主固定轴，28-主旋转轴套，29-带轴承齿轮，30-轴承，31-手动控制转轮，32-固定架台
[0068]
a-逆风侧，b-顺风侧，c-迎风面，d-背风面，l-标记方向，f-移动方向
具体实施方式
[0069]
实施例一：适用于流体方向变化较多的一般普通风力(或水力)发电场所的实施方案。
[0070]
下面以轴套固定式行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置为例，结合图1-2，通过实施例对本发明进行详细说明。
[0071]
本发明主体可包括固定部分和旋转部分两部分，如图1-2所示，固定部分的主固定轴套5，可选用厚壁的坚硬材质的金属圆管如φ80mm的不锈钢等制作，在其外周套装并焊接一相同规格的内径为φ80mm的齿轮作为太阳齿轮3，其上安装有轴承部件30，其下端通过旋
转平台机构10附着于基座11，主要支持旋转支架4及主中心转轴2旋转，并承载旋转部分的重量。其旋转平台机构10可以选购同类产品，也可自行设计制作。基座11内设置有发电机19，通过联轴器24与主中心转轴2联接，以转化成电能输出。
[0072]
其中旋转部分，主要有转动支架4，可以包括单层或者上下对应的两层及以上并呈中心平衡设计(非偏心)部件。其桨叶的形状、设置数目等，可以根据适用场所的风速、相应的桨叶宽度及实度，力学强度等因素综合考量，优化设计，比如一字型(两桨叶)、三星型(三桨叶)、十字型(四桨叶)等，一般都可设计为呈中心均匀发散的辐辏型构型。制作好转动支架4后，用不锈钢管制作的中心主转轴2穿过转动支架4的中心孔，且与其焊接固定为一体，再插入主固定轴套5中，并与其通过轴承30联接，支撑其旋转。
[0073]
如图1-4及8所示，本装置所指的转动支架4，可采用宽度大于主转轴2直径的不锈钢方管或扁形管及异形管材、线材加工制作，造型不拘形式。既可用单层构架，也可用上、下长度对应的管子制作，比如用适当规格的不锈钢圆管制作的中心主转轴2，使上、下两方管中心穿过主轴心，并焊接牢固。在两方管的两端对称位置，预留适当大小的孔洞，可用于安装桨叶转轴的轴承，其桨叶转轴穿过轴承内孔并焊接固定，两桨叶1分别安装在两桨叶转轴6上，或者选用适当规格的滚筒22，其两端穿插焊接在对应的孔洞内。两相同规格的行星齿轮7安装在与太阳齿轮平行的对应位置。
[0074]
如图5-7所示，本实施例所设计的行星齿轮7，与中心太阳齿轮3、中转传动机构8，都是按照机械常规配套设制，总体要求中心太阳齿轮3与行星齿轮7的传动比为2:1，即两者的有效直径比1:2。本实施例选用的中转传动机构8可以是齿轮29，或齿轮组，也可以是更为简便的同步带23，或链条，用于连接行星齿轮7与中心太阳齿轮3，按照常规机械设计规范要求选配，具体尺寸大小随其预留空间确定，如果中心太阳轮与行星轮的距离较大，中转传动机构8选用单个齿轮，要求直径太大，安装、运行不便，也可选用齿轮组，如设计为平行的带轴承齿轮(29)，注意齿轮组个数为单数，以保证传动方向为同一方向，并且齿轮轴都安装在转动支架4上，若用伞形齿轮组设置，轴座安装在转动支架上，结构更为紧凑，传动更为灵活。也可选用简易方式—同步带23，或链条，如图7所示，与齿轮间配套设计，相比结构更为简易，范围大，效率高。另外，太阳轮、行星轮与中转传动机构8，或所在的转动支架4，其外部加封闭壳体(9)，壳体(9)与各活动轴间可采用密封轴承封闭，以保护内部机械传动机构的性能。此外，所述的主固定轴套5及端口，与主中心转轴2及转动支架4之间可选用适当型号的轴承联接。
[0075]
如图9所示，在基座上可设置有旋转平台机构10，其与主固定轴套或主固定轴下端可采用法兰接口形式24来固定，用螺栓把主固定轴27或轴套5的底板固定在旋转平台机构10上，旋转平台机构可选购已有产品，也可自行设计，其内的底盘12的上和下有相应的滚珠(轮)13或导轨，以使其灵活转动，底盘12的外沿是齿形轮，可同时或单独与手动控制转轮一体的转轴齿轮15，以及控制电机一体的转轴齿轮15啮合，plc控制器26信号接入电源，其输入端与风力风向传感器信号16输出端相接，并与与控制电机相接，通过编制程序，实现自动操控控制电机14，驱动旋转平台机构10转动，使主固定轴27或轴套5及太阳轮3上标记方向l与实际流体方向f一致。
[0076]
本发明技术方案还包括如下的安装、使用方法与步骤，在安装一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置各部件后，需对各桨叶1起始轴线方向及角度，按照与对应的桨叶转
轴6方位角换算关系进行调整、校正，再加以固定。
[0077]
如图10-11所示，具体方法是，在与主轴垂直的平面中，先设定任一桨叶轴线与旋转中心垂直，并与流体逆方向一致，作为起始点及方向，若其余任一桨叶转轴6与起始点间的圆心角为φ，则对该点桨叶轴线方向与流体逆方向间的夹角设定为φ/2,并在主固定轴或轴套上标记出所对应的流体方向。
[0078]
在运行一种行星轮形桨叶的立轴流体能转换装置时，按照主固定轴或轴套及太阳轮上标记出所对应的流体方向l，使之与实际运行环境中流体流动方向f一致，若流体流动方向f经常发生变化，可人工或自动化方式通过调整基座上的旋转平台机构，使所标记方向与流体流动逆方向基本一致，以最大限度和最佳效能获取流体动能。
[0079]
采用人工方式调控时，转动手动控制手柄31，使旋转平台10沿某一方向转动，从而使主固定轴5或轴套28及太阳轮3转动，并使其上标记的方向l，与实际流体方向f一致。
[0080]
采用自动化方式时，把plc控制器信号接入电源，其输入端与风力风向传感器信号输出端16相接，并与控制电机14相接，通过设置编制的程序，自动操控调控电机14驱动，使主固定轴5或轴套28及太阳轮3上标记方向与实际流体方向一致。
[0081]
本发明的另一种主轴固定式行星轮形桨叶的垂直轴流体能转换装置实施方法与此大致相同，根据其构造特点和实际需要具体设计制作。
[0082]
实施例二：适用于一般定向流动的水力、风力发电的实施方案。
[0083]
如图12所示，适用于河道、海流发电场所的实施例，可更好的适应一般水流方向固定不变，无需设置旋转平台机构，可抗击较大负荷的冲击但动能蕴藏大，需要桨叶1及其转轴等抵御较大的反作用力，同时减小工程难度，可以采用转动支架4上下两端固定，以及选用驱动发电机构机构上置，以及依托周边桥梁、建筑和其它固定物体设计的策略，另外，还可设置于一般水力发电装置的下泻水流处，充分实现水能资源的梯级开发利用。
[0084]
依据本发明的技术结构特征，可采用倒置式的方案，把旋转部分包括桨叶1、桨叶转轴6和转动支架4等安装在水中，其中的各轴承部件密封性能良好，减少外界环境的不良影响。并可在水底端设置固定部件25，以平衡较大的水力负荷，增强稳定性和可靠性。固定部分包括主固定轴27或轴套5、基座11和电机19等安装在水面上的固定构台32，固定架构可以依托河渠的桥梁、岸边、海滩的岛礁等环境条件来设计，必要时可将中转传动机构8设置在密封壳体内，避免水及杂质对传动机构零部件的侵蚀及腐蚀。
[0085]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属风能、水能流体能与电能转化技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。