專利名稱：水流源與氣流源動力子母舵葉片元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
水平流動的潮夕流、河流發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
2.
背景技術(shù)：
(1)對于水利發(fā)電現(xiàn)狀，均是以提高水位制造水位差，利用水流勢能發(fā)電。對于利用水流“動能”發(fā)電還是空白。本發(fā)明予與補(bǔ)充。(2)當(dāng)今的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，無論大小、形式如何，任何葉片都是固定的、一體的，單片葉片自身沒有相對靈活的轉(zhuǎn)動，所以不能保證葉片上任何一段在任何風(fēng)向上都獲得最大的升力。只能讓瞬息萬變的風(fēng)部分適應(yīng)翼形而產(chǎn)生動力。事實上，在自然環(huán)境下，沿翼展方向上各點的自然風(fēng)向不可能像風(fēng)洞試驗一樣產(chǎn)生一致的平行方向的風(fēng)。為了獲得最大的動力(升力)需要隨該點風(fēng)的變化，而改變?nèi)~片在該點處適應(yīng)矢量的風(fēng)力，才能減少風(fēng)能的損失，獲得更多的風(fēng)能。例如①水平軸風(fēng)力機(jī)在沿半徑方向上各個點的風(fēng)向不可能一致，攻入角即氣流方向與葉片橫截面弦長的夾角也一定不等，因此至少不會一致產(chǎn)生最佳升力。這說明葉片的工作狀是不合理的，所以風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)也沒處即時風(fēng)力的最佳狀態(tài)。②豎直軸風(fēng)力機(jī)的葉片，以S形為例，葉片在氣流經(jīng)過時，一部分產(chǎn)生旋動力，另一部分產(chǎn)生小于旋轉(zhuǎn)力的阻力，降低了風(fēng)能的有效利用率。(3)由于單機(jī)容量的加大，給葉片的制造、運(yùn)輸、安裝等帶來困難。(4)從風(fēng)力機(jī)調(diào)節(jié)手段來看“目前，風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)方式以失速控制和變漿距控制為主?！倏刂迫秉c是需要葉尖剎車裝置、機(jī)組動態(tài)負(fù)荷較大。……變漿控制增加了變漿距裝置，增加了故障率，控制程序比較復(fù)雜。近年來，變漿距控制正迅速取代失速功率調(diào)節(jié)方式?！?摘自《風(fēng)能概論》作者原鯤、王希麟)。綜上所述，本方案設(shè)計的子母舵葉片元，以獨(dú)立單元形式，將失速控制和變漿距控制的兩種調(diào)節(jié)方式，以簡單的自動機(jī)械控制方式，整合在一個葉片元。葉片元是將現(xiàn)有的單一葉片沿著翼的橫截面分割，其中的任一段都是一個葉片元，并在其尾部加一個子舵，即一個葉片由若干個葉片元組成。葉片元之間以柔塑性蒙皮覆蓋，以保證葉片元和葉片元之間產(chǎn)生小角度旋轉(zhuǎn)時，保持葉片的整體性。該控制機(jī)構(gòu)具有隨風(fēng)速連續(xù)變化的功能。這就提高了風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能的能力，并能隨風(fēng)速變化而起到調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的作用，即在高風(fēng)速下，自動減少風(fēng)能的吸收。直至停止或倒轉(zhuǎn)，在風(fēng)速減小時，自動增加風(fēng)能接收能力。
3.

發(fā)明內(nèi)容
一是為了解決“風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉片不同半徑處的線速不同，因而對葉片各處氣流速度的大小和方向都不相同，……為了使風(fēng)在沿整個葉片長度、方向均能以最有利的攻角吹向每個葉片元?！?摘自《風(fēng)能概論》作者原鯤、王希麟)吸收較大風(fēng)能。二是為解決高風(fēng)速下，對風(fēng)力機(jī)械輸出功率自動的連續(xù)控制的問題，也即同時解決失速控制與變漿距的控制問題。
三是將水平流動的水流動能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。本方案采用了沿(橫軸風(fēng)力機(jī))主梁或(豎軸風(fēng)力機(jī))葉片軸方向上截取一段葉片并在其尾部加一個子舵。即為一個葉片元，如(圖1)。葉片元沿風(fēng)輪半徑方向上的兩端板，兩端板形狀如同葉片截面。葉片元和葉片元之間有一定間隔。對于橫軸風(fēng)力機(jī)，葉片元與固定翼片元交替排列，彼此之間用蒙皮連接，使葉片元繞橫軸風(fēng)力機(jī)主梁轉(zhuǎn)動；對于豎軸風(fēng)力機(jī)，各葉片元之間以柔塑性蒙皮攘坎相連，葉片元繞葉片軸轉(zhuǎn)動。葉片元兩端由兩塊翼形板構(gòu)成，板的周邊有溝槽，用以固定葉片的蒙皮。翼形葉片元內(nèi)，有與和翼邊緣相連的骨架，骨架起著對翼外緣的支撐作用和固定調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用。本技術(shù)方案近一步在葉片元內(nèi)設(shè)置了調(diào)節(jié)子舵的擺角機(jī)構(gòu)。使橫軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪具有隨風(fēng)速變化而變化的調(diào)節(jié)功能，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，子舵自動調(diào)節(jié)攻入角，使吸收能量減少；在風(fēng)速達(dá)到或小于額定風(fēng)速時，通過子舵使攻入角處于最佳角度，而不需復(fù)雜控制程序和裝置。在控制舵尾角度上采用兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于橫軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)，如(圖2)和(圖 3)，用于豎軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)，如(圖7)。本子母舵葉片元適用于水流、氣流的水平流動狀態(tài)，具體表現(xiàn)為三種運(yùn)作形式 (1)水平軸的固定翼片元與微轉(zhuǎn)動葉片元相間組合葉片風(fēng)力機(jī)、(2)豎直軸風(fēng)力機(jī)、(3)水流動能式動力機(jī)。(1)水平軸的固定翼片元與微轉(zhuǎn)動葉片元相間組合葉片風(fēng)力機(jī)，可采用一葉片、二葉片、三葉片、多葉片各種不同形式，由輸出功率決定各葉片長度或數(shù)量。每個葉片由固定翼片元、微動的葉片元相間構(gòu)成。基本結(jié)構(gòu)如(圖2、圖3)所示，微動的葉片元由一個翼形中板和上下兩個翼形端板構(gòu)成骨架，且在骨架外敷蒙皮。微動的葉片元的翼尾部設(shè)置可擺動的子舵。子舵與翼形中板的調(diào)節(jié)系統(tǒng)相連。調(diào)節(jié)系統(tǒng)由離心球體與球體導(dǎo)筒、彈簧、繩索、拉簧、桿件與子舵片、 平衡球及杠桿組成。在導(dǎo)筒旁設(shè)一副導(dǎo)筒，內(nèi)設(shè)一杠桿，杠桿端放置一平衡球與離心球等質(zhì)量，另一端與彈簧下端相連，用以平衡離心球重力的影響。受力分析在處于立圓平面的工作過程中，子舵調(diào)控系統(tǒng)有三種狀態(tài)(1)在風(fēng)輪豎直最高點轉(zhuǎn)動(2)在風(fēng)輪豎直最低點轉(zhuǎn)動(3)與主軸平行位置的左右兩點之間循環(huán)轉(zhuǎn)動離心球在離心力的作用下帶動繩索改變子舵的擺動，以調(diào)整攻入角。離心球水平位置時，離心球的球體重力對調(diào)節(jié)系統(tǒng)無影響。在最高點時，離心球的球體重力產(chǎn)生的影響由平衡球平衡，如圖(4)。平衡球的重力通過杠桿將力傳給彈簧，可保持平衡狀態(tài)。當(dāng)離心球向上位移時，平衡球向下運(yùn)動保持重力平衡。因為平衡球的旋轉(zhuǎn)半徑小于離心球半徑，在最低點時離心球體重力產(chǎn)生的影響由拉簧平衡。工作原理機(jī)械調(diào)整控制機(jī)構(gòu)零件布置，如(圖2、圖3)，子舵與桿件相連，桿件與拉索相連，拉索另一端與離心球相連。同時桿件受拉簧控制，使子舵能恢復(fù)到最佳擺角，以使葉片元處于最佳攻入角。在額定風(fēng)速下子舵與翼弦的夾角為180° _最大攻入角，在此狀態(tài)下離心球在風(fēng)輪離心力作用下與拉簧拉力相平衡，此時離心球無相對位移產(chǎn)生。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，離心球受的離心力將大于拉簧拉力，離心球要在離心力作用下在導(dǎo)筒內(nèi)沿離心力方向產(chǎn)生位移。在最高點時平衡球隨重力球同向下移動平衡著離心球的重力的影響，這樣由球帶索、索帶桿、桿帶子舵改變攻入角由大到小。減少對風(fēng)能的吸收，翼的升力亦減小，轉(zhuǎn)速也隨著而降低。當(dāng)風(fēng)速減小額定風(fēng)速時由拉簧作用將舵片恢復(fù)到最大攻入角狀態(tài)。這樣周而復(fù)始地自動完成著風(fēng)能吸收地過程，使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速基本恒定在某一速度左右。而攻入角的變化范圍最大攻入角到零。升力變化范圍最大值到零。對變槳距的調(diào)節(jié)由于葉片是由微動葉片元和固定翼片元組成，而微動葉片元可在風(fēng)輪半徑范圍自動改變吸收風(fēng)能的方向。這種適風(fēng)而動的轉(zhuǎn)動就是最好的調(diào)槳距方法。 每節(jié)葉片元都會自動調(diào)節(jié)到最佳攻入角狀態(tài)，這是單只葉片具有的功能。還可以通過增加或減少葉片元的數(shù)量改變?nèi)~片輪的半徑(葉片軸制成節(jié)連接)。增加或減少對風(fēng)能的吸收。 也可以起到對槳距的操作性調(diào)整。以上對攻入角的自動控制與增減風(fēng)輪半徑的技術(shù)方法可完成對風(fēng)力機(jī)在高速下輸出功率的控制，且機(jī)構(gòu)簡單、成本低、不用設(shè)置復(fù)雜的控制程序。能作到即可控制高速下的輸出又吸收最大的風(fēng)能。這樣水平軸的固定翼片元與微轉(zhuǎn)動葉片元相間組合葉片風(fēng)力機(jī)雙重控制目標(biāo)就由葉片元一體綜合完成了，這是葉片元的應(yīng)用之一。(2)豎直軸風(fēng)力機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局，如(圖6)。在基架上設(shè)置一個可隨風(fēng)向自由轉(zhuǎn)動的空箱，在空箱尾部加一母舵。葉片組及發(fā)電機(jī)裝在空箱上(或葉片組支架與空箱相連發(fā)電機(jī)放到空箱下面)，以保證機(jī)構(gòu)前方始終朝著來風(fēng)向，否則可使擺角度無序。發(fā)電機(jī)的主軸和與四個橫梁相連，如(圖6)，在橫梁另一端有連接葉片元的葉片軸，葉片軸上按需設(shè)置葉片元。本案以四個橫梁為例。葉片元由三個翼形板做骨架組成，翼形板平行放置，翼緣由柔性蒙皮包蓋。在中間板上安裝了子舵擺動機(jī)構(gòu)。葉片中沒有固定葉片元。均由活動葉片元組成。子舵擺動機(jī)構(gòu)，如(圖7 =)所示。主動齒輪安裝固定在葉片軸上，從動齒輪與連桿機(jī)構(gòu)安裝在中間的翼形板上，兩個齒輪直徑相同，以保證轉(zhuǎn)過的角度相同。在從動齒輪上安裝了曲柄連桿擺桿機(jī)構(gòu)。子舵在連桿帶動下做左右擺動，為葉片元調(diào)整方向。擺角的大小由曲柄轉(zhuǎn)動半徑和導(dǎo)桿長短來調(diào)整。子舵擺動機(jī)構(gòu)的安裝要求如(圖6)。葉片分為A組位、B組位、C組位、D組位。 以A組A位裝配為例設(shè)氣流從北向南吹來，則A位置處于平衡點處。子舵和氣流方向平行，此時葉片不產(chǎn)生升力。在該點安裝葉片則要求將舵尾角度調(diào)整到左右擺角的中間位置， 其它位置按四位置的示意圖，如(圖7)給出的位置安裝。因為主動輪和從動輪的平衡點相
差90度。葉片元受力分析如圖標(biāo)示氣流方向為例，如(圖6)所示，葉片元在AC軸線以上位置時，在舵尾的調(diào)節(jié)下，據(jù)空氣動力學(xué)可知此時葉片受氣流作用而產(chǎn)生向右的升力。在最高點時升力最大。在A—一C軸線位置以下時升力向左。在最低點時最大。這兩個不同向的升力形成一個力偶，帶動葉片軸繞主軸轉(zhuǎn)動，如此循環(huán)下去。工作原理四葉片動力機(jī)構(gòu)，葉片元可以繞葉片軸自由轉(zhuǎn)動，這一點非常重要。葉片軸又繞主軸轉(zhuǎn)動。由于舵尾的存在，葉片元將永遠(yuǎn)保持頭在前、尾在后的狀態(tài)。也正是利用這一點才獲得除平衡點以外葉片元全方位、全過程地產(chǎn)生升力。創(chuàng)造出小阻力結(jié)構(gòu)的豎軸升力型風(fēng)力機(jī)。
安裝要求葉片元件整體重心要與葉片元中心重合。葉片元從A位置開始安裝，也在該點開始運(yùn)動。葉片元組在同一平衡點安裝， 都是頭朝前，每順時針轉(zhuǎn)動90度后，同樣安裝一葉片元組。在從上向下吹來吹風(fēng)的條件下可保持它們始終產(chǎn)生一個力偶。四個葉片形成兩個力偶。以A位置葉片為例，它經(jīng)由 A--B---C---D周而復(fù)始。葉片繞主軸旋轉(zhuǎn)一周的同時，葉片也繞葉片軸旋轉(zhuǎn)一周。舵尾的擺角也從垂直位置向右擺動到最大。再回到垂直位置，再向左擺動到最大，再回到初始點位置。完成一個周期。其他三位置葉片也按此周期變化。只不過初始位置不同、初始角不同、 和方向不同罷了。(3)水流動能式動力機(jī)其總體結(jié)構(gòu)，如(圖8)所示。由三大部分組成發(fā)電機(jī)、 水上浮箱、水下葉片動力機(jī)構(gòu)。發(fā)電裝置安裝在浮箱之上，在浮箱下面安裝動力源葉片組。 葉片組周圍裝有防護(hù)架，一能保護(hù)葉片，二能作為錨固索的固定點，使錨能將整個裝置固定在水域的某一點。受力原理同豎直軸風(fēng)力機(jī)原理，只是葉片朝下安裝。工作原理同理首先給浮箱加一個大的定向舵，足以給整個機(jī)構(gòu)在流動水中定向，保持浮箱前面迎著水流。給葉片工作提供先決條件，葉片安裝同樣具有方位性，葉片元的前方一定要與浮箱前方相同，以保證力偶的一致性。葉片組是水流動能轉(zhuǎn)換的裝置，葉片組數(shù)在條件許可的情況下越多越好，可四個、六個……。葉片元的結(jié)構(gòu)與豎軸風(fēng)力機(jī)的葉片元相同，在旋轉(zhuǎn)平面的上半面產(chǎn)生向右的升力，而下半面則產(chǎn)生左的升力。葉片組在主軸的約束下而產(chǎn)生繞主軸的轉(zhuǎn)動。葉片上的葉片元隨方位變化而調(diào)整著升力的方向。形成力偶以使轉(zhuǎn)動連續(xù)。以上是葉片元三方面的運(yùn)用。葉片元還有以下特點；1、結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用方便。不需要復(fù)雜的控制程序。2、制作、運(yùn)輸、安裝方便，可降低成本。3、應(yīng)用參數(shù)有待通過實驗確定。
4.


圖1 橫軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪及葉片元立體示意圖，圖中標(biāo)號分別為①葉片、②葉片元、③橫梁。圖2 葉片元的剖視圖，圖中標(biāo)號分別為④離心球護(hù)筒、⑤平衡球的護(hù)筒、⑥繩索、 ⑦拉簧、⑧子舵、⑨中間板。圖3 葉片元的俯視剖視圖，圖中標(biāo)號分為④離心球護(hù)筒、⑥繩索、⑧子舵、⑨中間板、⑩端板、 離心球、 平衡球、 彈簧。圖4 葉片元機(jī)構(gòu)受力示意圖，圖中標(biāo)號分別⑥繩索、⑧子舵、 離心球。圖5:豎軸風(fēng)力機(jī)的正剖和俯剖示意圖，圖中標(biāo)號分別為 空箱、 舵尾、@支架、 葉片、 發(fā)電機(jī)。圖6 豎軸風(fēng)力機(jī)的葉片元受力分析圖，圖中標(biāo)號分別為 葉片。圖7 豎軸風(fēng)力機(jī)的葉片正剖、俯剖、側(cè)剖示意圖，圖中標(biāo)號分別為⑧子舵、⑨中間板、 曲柄、 主動齒輪、Θ被動齒輪、 蒙皮。。圖8 水流動能式動力機(jī)示意圖，圖中標(biāo)號分別為 舵尾、 葉片、 發(fā)電機(jī)、 浮箱、 防護(hù)裝置。
權(quán)利要求
1.水流源與氣流源動力子母舵葉片元是一種流體能量轉(zhuǎn)換元件，其特征在于子母雙舵定向、定位自動調(diào)向動力葉片元裝置。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計了一個流體受力元件，即水流源與氣流源動力子母舵葉片元。該元件經(jīng)定向、定位組裝，在氣流或水流的作用下可使其產(chǎn)生的升力，可獲得力偶產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動。該元件適應(yīng)于水平軸的固定翼片元與微轉(zhuǎn)動葉片元相間組合葉片風(fēng)力機(jī)的時速控制和調(diào)槳距控制，也適應(yīng)于豎直軸風(fēng)力機(jī)。同時適應(yīng)于水平方向流動的水流動能式動力機(jī)。
文檔編號F03B3/14GK102305167SQ20111018868
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者安義, 安玉明 申請人:安義, 安玉明