由多机组旋翼叶片系统总合成的风力涡轮机 本发明通过采用一种螺旋桨型风力发电机的多机组旋翼叶片系统并提高成套的高效行星锥齿轮齿轮箱的输入转速rpm而将自然风能转化成电能。
风是人类所利用的最古老的能量形式中的一种。随着对有利于环境的能源的需求急剧增加，加之矿物燃料日益短缺，促进了其它能源的开发。在同样场合中，风能转换系统变得更加有效和更有竞争力，它能产生足以用于商业用途地大量电能。但是，为了满足全球的清洁能量的需求，需要采取一种用风力产生电能的新途径。
对于风能转换系统的开发者来说，有两个主要问题：总的能量转换效率和风速与风向的变动。如果要产生相当大的电力，风能的较低的蕴蓄电力输出就决定了：先进的转换系统必须有相当大的尺寸。
考虑到上述问题，本发明提供了一种以韩国专利No.0575858和美国专利No.5222924中的现有技术系统为基础的更有效的改进系统。
根据在试验现场的试验，可以清楚地看到，在风力涡轮机系统(图15)中，现有技术的主旋翼叶片和辅助旋翼叶片的反向旋转需要一些改进。例如，主旋翼叶片设置在前面，处于逆风位置，而辅助旋翼叶片则位于顺风位置，起着尾翼的作用，以便在风向变化时可使风力涡轮机顶着风。但是，由于翼尖与塔之间的空间狭窄，主旋翼叶片的逆风位置造成了一半径限制。当风力很大时，旋翼叶片朝塔弯曲，最终与塔接触，叶片越长，越容易弯曲。而且，翼尖的旋转速度根据对叶片半径的长度的限制而受到限制。
需要改进的第二个结构形状上的缺陷是锥齿轮和行星齿轮的齿轮箱。将这些部件分成上锥齿轮构件和下行星齿轮构件。
这种设计要求复杂的润滑系统和许多能限制运行效率和机械效率的额外构件。
本发明与现有技术的区别在于它包括一改进的风力涡轮机，该风力涡轮机具有一个辅助的逆风旋翼叶片和一个主顺风旋翼叶片，它们处于反向转动的关系。逆风的辅助叶片位于组合式锥齿轮和行星齿轮齿轮箱的前面，而顺风的主叶片则单独地装在后面。
辅助旋翼叶片的半径为延伸器和主旋翼叶片半径组合的长度的一半。主叶片和辅助叶片的转速都有一相同的翼尖速比(λ＝V1/V0；V0：风速，m/s；V1：旋翼叶片翼尖速度，m/s)，该翼尖速比是不管风速如何变化都能达到的最佳的翼尖速比。组合的锥齿轮行星齿轮装置的特征之一是辅助旋翼涡轮机和主旋翼涡轮机的两个独立的水平输入的旋转力可转换成一个单一的较大的旋转力，该旋转力作用在刚好位于齿轮箱下方的垂直布置的发电机上。
因此，本发明的第一个目的是提供一种改进的、具有高的刚度并且结构紧凑的组合式锥齿轮行星齿轮组件，并提供一种发电机系统，所述锥齿轮行星齿轮组件可将两个旋转力转换成一个旋转力，以在装在塔顶的风力涡轮机的整个使用过程中产生电能，而所述发电机系统垂直于齿轮箱设置，它的两个水平的、转向相反的输入轴所产生的能量可输入锥齿轮行星齿轮在该处结合成为一整体的齿轮箱，然后传递给发电机的垂直旋翼轴。
本发明的另一个目的在于通过设置一个其长度与辅助叶片的半径相等的延伸器，避免空气动力尾流湍流，如减弱的迎面气流速度的影响，所述延伸器从旋翼轮毂伸至主旋翼叶片的锚定点。风穿过辅助旋翼，只用正常的风速使主旋翼动作，而不受辅助旋翼涡轮机的尾流的扰动。
本发明的第三个目的是通过包含由辅助旋翼叶片和主旋翼叶片产生的风墙，使风力涡轮机转子的掠过区更大。
本发明的第四个目的是利用这一混合式风力涡轮机系统，使之在高转速和高转矩下起作用，与美国的多叶片低速高转矩风力涡轮机与丹麦的高速低转矩风力涡轮机的组合相似。
此外，还可以从不需要方向控制系统这一事实得到某些重要的优点，这是因为，该系统是全向的，即双旋翼涡轮机系统的实际结构的优选实施例能实现自动调节，以接受来自任何方向的风力。
此外，变速操作意味着此风能转换系统可自动地调节，以改变风速，从而得到最高效率。其结果将是，可以自动调整转子速度、叶片节距和最佳的翼尖速比，以得到最佳性能。
电子节距控制致动器的功能在于起着失速调节器/暴风控制装置的作用，该装置在风速超过该系统安全运行所需要的某个水平时，使旋翼叶片转动，以便使发电机不起作用。
对于出现必需时的紧急失速而中止运行来说，这是一种理想的解决方案，它优于传统的制动系统，因为它避免了在机械式摩擦制动系统中由强迫失速而产生的对系统的应力。
本发明的主要目的是提供一种先进的超大型风能转换系统，该系统包括组成一整体的多机组旋翼叶片风力涡轮机系统。众所周知，传统的大型风力涡轮机系统有几个技术上的弱点。第一个弱点是它的旋翼直径有限制。按照一般的空气动力学理论，发电机的输出功率与叶片的掠过面积的平方成正比。
但是，由于阻力和加大的噪音污染的强烈影响，已经不可避免的将翼尖速度限定在不超过60米/秒。旋翼叶片的半径长度也受到在制造在空气动力上平衡的长叶片时出现的困难的限制。
为了最大限度地使这些障碍减少，本发明将多机组旋翼叶片系统做成一整体，从而形成一种超大型的风力机械。
如图10所示，本发明的目的通过采用三个绕一主旋翼轮毂旋转的延伸器来实现，每个延伸器在其顶点有一旋翼叶片组。各个独立的旋翼顺时针旋转，而整个装配组件则逆时针旋转，有效地消除了由各个旋翼叶片组产生的向外的轨道翼尖速度。
本发明的各个方面、用途和优点可通过对附图的详细描述而得到更全面地理解。
图1(A)是本发明的前视图。
图1(B)是本发明的侧视图。
图2是本发明的组合式锥齿轮行星齿轮齿轮箱组件的剖视图。
图3是图2的详细的剖视图。
图4是沿图2所示锥齿轮行星齿轮齿轮箱组件的A-A线剖开的剖面的详图。
图5是沿图2所示锥齿轮行星齿轮齿轮箱组件的B-B线剖开的剖面的详图。
图6是沿图2中的C-C线剖开的剖面顶部的详图。
图7是沿图2中的D-D线的剖面的放大图。
图8是图2中的细部E的放大图。
图9是本发明的组合式锥齿轮行星齿轮组件的另一功能性实施例的剖视图。
图10是本发明的超大型整体式多机组旋翼叶片风力涡轮机的侧视图。
图11是图10的正面图。
图12是本发明的超大型整体式多机组旋翼叶片风力涡轮机的主要实际结构的剖视图。
图13是图12所示主旋翼涡轮机组的实际结构的剖视图。
图14是图12所示主旋翼机组的剖面的详图。
图15是根据现有技术的传统风力涡轮机的侧视图。
参考有关本发明的优选设计，也即如图1(A)、1(B)和图2所示的整体式多机组旋翼叶片系统的说明的细节，本发明的风力涡轮机包括：
-装在旋翼涡轮机100上的主旋翼叶片110
-装在旋翼涡轮机200上的辅助旋翼叶片201
-组合式锥齿轮行星齿轮组件300
-一用于旋翼涡轮机100上的主旋翼叶片110的节距控制致动器120
-主旋翼叶片110的差动齿轮构件130
-一用于旋翼涡轮机200上的辅助旋翼叶片201的节距控制致动器220
-一从组合式锥齿轮行星齿轮组件300伸出的垂直输出轴420
-一装在塔400内，在齿轮箱组件300正下方的立式发电机410。
如图1(B)所示，旋翼涡轮机200上的逆风辅助旋翼叶片210有一其长度为延伸器和主旋翼叶片110的组合长度的一半的半径，该辅助旋翼叶片位于齿轮组件300的后端，它以相同的翼尖旋转速度按与主旋翼叶片110相反的旋转方式运行。这种构形使涡轮机在任何时候都保持面向主导风。
辅助旋翼涡轮机200的尺寸几乎是主旋翼涡轮机100的一半，并包括由轴211装在旋翼涡轮机200上的三叶片旋翼210，该旋翼涡轮机200以几乎两倍于主旋翼涡轮机100的速度旋转。主旋翼涡轮机100包括三个具有延伸器111的旋翼叶片110，该延伸器从组合式锥齿轮行星齿轮组件300的主旋翼涡轮机轮毂部件伸至主旋翼叶片110的锚定点。
从主旋翼叶片110开始的延伸器111的长度差不多等于辅助旋翼涡轮机200的辅助旋翼叶片210的长度。这就使主旋翼涡轮机100在正常的风力条件下有效地运行，而没有由辅助旋翼涡轮机200引起的尾流湍流作用。
如图3所示，组合式锥齿轮行星齿轮组件300包括一水平放置的上锥齿轮311。
该齿轮311朝着它的相对部分，即下锥齿轮312。在锥齿轮311的朝内的面上，固定有多个三行星齿轮323。在锥齿轮312的朝内的面上，刚性地装有一环形齿轮322。
行星齿轮架包括装在锥齿轮311上的行星齿轮323和一装在锥齿轮312上并包括它在内的环形齿轮322。与此同时，上锥齿轮311和下锥齿轮312以与垂直放置的锥齿轮313和314处于啮合关系的方式垂直地设置。
锥齿轮313固定在从辅助旋翼涡轮机200伸出的输入转轴230的一端上。锥齿轮314固定在主旋翼涡轮机100的输入转轴150上。这两个锥齿轮都与上锥齿轮311和下锥齿轮312处于啮合的关系。
锥齿轮311和312都响应主旋翼涡轮机100的旋转，以与锥齿轮313和314相同的速度沿相反的方向旋转，而锥齿轮313和314则分别响应辅助旋翼涡轮机200的旋转。
现在参看图3和图6，在上述机构之后并位于行星齿轮架的中心的太阳轮321以与三个行星齿轮323啮合的关系旋转，这三个行星齿轮323绕各自的枢轴旋转并围绕太阳轮321转动，而与行星齿轮323处于啮合关系的环形齿轮322沿相反的方向旋转。
如上所述，辅助旋翼涡轮机200和主旋翼涡轮机100的能量输入在由一组行星构件组成的紧凑的锥齿轮行星齿轮组件300中组合在一起；使三个行星齿轮323，一个环形齿轮322，一个太阳轮321，一对垂直的锥齿轮313，314和一对水平的锥齿轮311，312做成一整体，成为“T”字形的齿轮箱组件。
另外，处于水平位置的两根低速输入转轴用齿轮与一处于垂直位置的高速输出转轴连接，它们都位于一个紧凑的齿轮箱中。
现在参看图3和图5中的详细说明，图中的主旋翼涡轮机100的输入旋翼轮毂是输入差动齿轮构件130(见图3)的一个优选实施例，该差动齿轮构件通过将主旋翼涡轮机100的来自输入速度的转速加倍，以便与辅助旋翼涡轮机200的翼尖速度匹配，而从理论上提高效率。输入差动齿轮构件130包括一装在框架140(见图3)上的固定的垂直锥齿轮131和一与涡轮机100的主旋翼叶片110(见图1)联接的相对地垂直转动的锥齿轮133。
输入转轴150(见图3)从垂直的输入锥齿轮314延伸至三个旋转的锥齿轮132(见图3和图5)处。位于主旋翼涡轮机100的主旋翼叶片110的每个延伸器111的一端的相关联的轴承112绕固定的锥齿轮131旋转，而锥齿轮131与锥齿轮133啮合。该系统装在输入转轴150上，以便使之将旋翼涡轮机200的速度增加到是主旋翼涡轮机100的速度的两倍，然后，就将两个涡轮机的输入能量传送给组合式锥齿轮行星齿轮组件300(见图3和图4)。
因此，装在组合式锥齿轮行星齿轮组件300上的垂直输出转轴420(见图1、图3，图9和图12)的总输出转数Z0为Z0＝(ZS+2ZR/ZS)×2n，其中，ZS为太阳轮321的齿数，ZR为环形齿轮322的齿数，n为主旋翼涡轮机100的输出转数。
在图9中，示出了本发明的另一结构实施例，其中，与组合式锥齿轮行星齿轮组件300做成一整体的主旋翼涡轮机100和辅助旋翼涡轮机200通过加入上水平锥齿轮311-1和下水平锥齿轮312-1而符合方程式Z0＝(ZS+2ZR/ZS)×2n，锥齿轮311-1与312-1装在与锥齿轮311和312相同的枢轴上并与锥齿轮314-1处于啮合的关系，而锥齿轮314-1的尺寸为原先描述过的锥齿轮314的两倍。输入转轴150将锥齿轮314-1连至主旋翼叶片涡轮机100上。所得到的各个齿轮的运行特性功能与在图3中所描述的主旋翼涡轮机100的输入差动锥齿轮130的完全相同。
现在转而参看图10和图11所示的与风能转换系统做成一整体的超大型多旋翼叶片涡轮机的侧视图和立面图，依次详细地描述各个组成零件及其结构与功能之间的关系。
本发明的组合式风力涡轮机系统旨在提供一个超大的掠过区，该区域由装在组合式锥齿轮行星齿轮组件300的前端上的逆风辅助旋翼涡轮机200和三个固定在旋翼涡轮机500上的逆风多机组旋翼叶片531(见图13)组成，所述旋翼叶片531装在一中空的支承延伸器511上和一多机组旋翼涡轮机500的可将动力传至输入锥齿轮520和521的输入轴510，该输入轴510通过延伸器511将动力传给位于组合式锥齿轮行星齿轮组件300后端的主旋翼轮毂组件300的相结合的锥齿轮132、132’，可参看图12、图13和图14。
涡轮机500的多组旋翼叶片531的旋转力被传送给与水平锥齿轮521(见图13)啮合的垂直的输入锥齿轮520。此旋转力通过输入轴510传给固定在输入轴510(111)的端部并围绕固定的锥齿轮131旋转的锥齿轮132，132’(见图12和图14)。旋翼涡轮机组件的主轮毂有三个绕锥齿轮131旋转的主多机组旋翼涡轮机500，该锥齿轮131又与输入转轴150相连。前面已经参考图3和9描述了操作原理的类似功能。
在高效的风力涡轮机中，保持最佳的翼尖速比并根据风速的变化可改变运行速度是必要的因素。特别地，在可变速的风力涡轮机中超过大于60m/s的高翼尖速度的超大型风力涡轮机系统是不可避免的。
因此，如上所述，通过减小超大型风力涡轮机的悬翼叶片的翼尖速度，本发明的实际结构和机械结构中的连接通过一系列按轨道设置的齿轮提供了一在空气动力方面抵销反向转动的速度的系统，以实现最大的能量输出效率，同时具有优化的翼尖速比和低的运行噪声等级。转向相反的翼尖速度抵销机械齿轮系统和原理可应用于超大型直升飞机的主悬翼叶片。
如图11所示，旋翼涡轮机500的旋翼叶片组531的旋转方向是沿顺时针方向的，而所附着的延伸到主多机组旋翼涡轮机500的支承延伸器511的主旋翼轮毂组件则沿逆时针方向旋转。因此，当转速相同，而且旋转的输入锥齿轮520，521、固定的锥齿轮131和公转的输入锥齿轮132，132’有合适的构形时，主多机组旋翼涡轮机500的旋翼叶片组531向外的轨道翼尖速度由主旋翼轮毂组件的支承延伸器511的相反的转速抵消。
本发明的主要特征之一是在正常风力和暴风风力条件下都能使用的节距控制顺桨机构。旋翼涡轮机100的主旋翼叶片110的节距控制致动器120，辅助旋翼涡轮机220和主多机组旋翼涡轮机500的旋翼叶片531的节距控制致动器532都是独立地使旋翼周期变距的(见图3、图9、图12和图13)。这样可在变风速操作过程中保持最佳的翼尖速度比。它还建立了一个失速机构，用以在有特别强烈的风的时候保护所述机构不受损害。
参看图3、图9、图12和图13，节距控制致动器120、220和532包括一致动器电动机124，它可以与致动齿轮构件123(见图7)和相关联的蜗杆122及蜗轮121(见图8)一起沿任一方向转动。
主旋翼涡轮机100和辅助旋翼涡轮机220由一微处理机独立地控制，该微处理机通过风速计监控风的所有数据并同时监控辅助涡轮机220和主涡轮机100的各自的转速，以使所有的三个主多机组旋翼涡轮机500都保持相同的最佳翼尖速比。
图7和图8中放大地示出的图2的局部“E”示出了节距控制致动器120、220(见图2)和532(见图13)的各个零件和它们的运行关系及功能关系。
首先是起动功能，此时，微处理机调节叶片的钝角，叶片响应于作用了一定时间的旋转风速而开始转动。致动器电动机124转动致动齿轮构件123及蜗杆122，与固定在旋翼叶片的伸出的轴111和211(见图3)上和图13所示旋翼涡轮机组的轴530上的蜗轮121同步，这样就调节了旋翼涡轮机的叶片的节距角。
致动器电动机124的第二个功能是通过根据从微处理机接收到的控制信号不断地沿任一方向转动，而在各种风速条件下保持最佳的翼尖速比。
第三个功能是暴风控制调节失速。当非常强的风力作用在旋翼涡轮机上时，暴风控制机构就动作，改变旋翼叶片节距，使涡轮机停止转动。
因此，如上所述，宁可用人工操纵紧急失速控制，而不采用摩擦式机械制动系统。这些功能由位于微处理机中的预先装入的软件来致动。
本发明可以有许多改进和变化，例如可调整的单叶片旋翼、多叶片旋翼、复合式单机组涡轮机或多机组涡轮机。此外，可以通过简单地在辅助旋翼涡轮机或主旋翼涡轮机上加上齿轮装置而使辅助旋翼涡轮机和主旋翼涡轮机的转向是反向旋转的或单向旋转的。
所有这些改进都应包括在由下列权利要求限定的本发明的范围内。