风动力船及其发电装置.pdf

本发明公开了一种具有曲面翼的垂直转轴风动力装置的船包括其他综合动力装置、离合装置、船的推进操作系统、发电装置，其曲面翼的垂直转轴风动力装置在风的作用下曲面翼之间存在相互作用，有一种旋风结构，有加强风力的作用。本发明的另一特点是靠近垂直转轴处不再透空，这样一来风动力装置的体积和效率之比就达到一个新的水平，有利于在较小风力下工作。本发明还公开了一种相关的具有曲面翼的垂直转轴风动力发电装置的船。

1.  具有曲面翼的垂直转轴风动力装置的船包括其他动力装置、离合装置、船的推进操作系统、发电装置，其曲面翼的垂直转轴风动力装置还包括刚性的垂直转轴〔1〕、固定地安装于所述垂直转轴上下两个同轴同径与轴垂直的平行圆盘〔3〕、所述圆盘〔3〕之间至少固定地装有两片以上的片状曲面风翼〔2〕、所述圆盘〔3〕与曲面风翼〔2〕垂直、所述曲面风翼〔2〕弯曲面为弧形且平行于垂直转轴〔1〕、在水平剖面上所述曲面风翼〔2〕投影线具有第一端点〔205〕、第二端点〔206〕、变流内曲面〔201〕、受风凹面〔202〕、分流内凸面〔203〕、分流外凸面〔204〕、所述曲面风翼〔2〕的第一端点〔205〕与所述圆盘〔3〕的圆周相接或位于所述圆盘〔3〕的近圆周内外处、以经过所述曲面风翼〔2〕的第一端点〔205〕为顶点，以经过该顶点〔205〕的所述曲面风翼〔2〕的弦即第一端点〔205〕和第二端点〔206〕为两端点的直线，和经过第一端点〔205〕所述圆盘〔3〕的半径为角〔4〕的两条边形成一个大于0度小于45度内的锐角Φ，风力装置垂直轴的位置在这个锐角Φ之外；从旋转方向上看为均布多个曲面风翼〔2〕；其特征在于：所述曲面风翼〔2〕的第二端点〔206〕处的切线指向另一即从旋转方向上看为下一个曲面风翼〔2〕的受风凹面〔202〕内。

2.  权利要求1所述的具有曲面翼的垂直转轴风动力装置的船，其特征在于：所述曲面风翼〔2〕弯曲面投影为渐开线型的弧线。

3.  权利要求1所述的具有曲面翼的垂直转轴风动力装置的船，其特征在于：所述曲面风翼〔2〕弯曲面投影为弧线连接直线。

4.  权利要求1所述的具有曲面翼的垂直转轴风动力装置的船，其特征在于：所述曲面风翼〔2〕弯曲面投影为折线型

风动力船及其发电装置
技术领域
本发明属风动力船，涉及一种使用垂直轴的风动力装置；并且涉及风力发电装置，包括一种垂直轴的风力发电装置。
背景技术
风动力装置，基本上用于风动力船，如帆船；其他的风动力机械，如荷兰的风动力水车或面粉磨；以及凤力发电。本案主要涉及风动力船。
常见的以风为动力的船为帆船，一般帆船是顺风行驶，在特殊的驾驶技术下也可以逆风行驶，但是必须走成“Z”字形的路线，它的原理利用帆与船舵方向和风向之间的角度的变化，来获得在顶风方向的一个偏角，使帆船在顶风方向上获得一个实际行驶的位移。由于完全顶风时，这个偏角较小，要走很大的“Z”字形才能逆风行舟，因此帆船直接按直线顶风航行逆风行驶是不可能的。此外在“Z”字形逆风行舟时，风对船的侧面和风帆施加了很大的风压，船倾斜很厉害，有效载荷就减低，而直接顶风航行船的风阻是最小的。同时随着铁壳船的吨位增加，采用风帆作为单一动力的已经不多见，往往考虑综合动力，如风动力和柴油机动力机械，这样风动力就有帆式和风车类的旋转轴两种，本发明采用的是旋转轴风动力装置，可以直接驱动螺旋浆，实现综合动力的。下面结合风力发电具体介绍旋转轴风动力装置：
水平轴的风力装置，往往需要架设在一个高架上，发电时需要轻型的高效率的发电机，并且有免维护等特殊要求，因此造价昂贵。同时需要指出的是：了得到较好的抗强风性能，风叶(也称风翼)为细而狭长翼面，有效的受风面积仅为整个旋转面的5-10％。因此小的效率使装置得不到合适的工业价值和商业利益，于是水平轴风力发电设备向高空和大型化发展以求工业价值和商业利益，往往需在50-100米的高空架设十几吨到数十吨的兆瓦级的发电机和风叶，于是建设成本极其昂贵。甚至还需要建设专用的道路来使重型的高空吊装机械到位。昂贵的投资使其仅次于核电站，这样就限制了它的发展，在船上不可能使用。
国际风力发电专家认为，垂直轴风机几乎肯定能够保留它目前的一个特征：简单。这种类型的风机的成功之处的一个诀窍就是经济性良好的制造技巧。(主要是叶片的制造)，这种技巧能够制造出每单位长度成本非常便宜的叶片。从而降低了成本。而且垂直轴风机的固有的优点是将所有的驱动装置和发电机置于地面，可以使用重量更大和物理尺寸更大的部件。目前对于这种考虑的主要是直接或者线性驱动的发电机，从而减少了齿轮箱的必要性并且提供了非常具有竞争力价格的变速操作的优点。
但是垂直轴的风力发电装置也有自己的问题，由于高度有限，利用的是风速小些的地面风，风电领域中一般认为离地表20米以下为地面风，也称地表风。因此要提高风能的利用率。为了充分理解本案申请，有两种背景技术需要介绍
戴瑞斯风力机：法国人G.J.M.Darrieus发明的立轴式风力机，安装在加拿大马格达轮岛的200KW发电装置，是目前世界上最大的戴瑞斯风能发电装置。在水平的旋转面上均匀分布的三个弓形窄叶片，叶片的两端分别固定连接于垂直转轴的上下端点并且无相对运动，相当于弓弦的部分重合于转轴。优点是：传动机构、发电机等可以安装在地面，风力机塔架非常简单，也带来操作和维修的方便。风力机工作不完全受风向约束，无需迎风装置，大大简化结构。叶片容易制造，加上上述的一些优点，使得它的造价很低，为水平轴式的1/6左右。风能利用率高。缺点是没有辅助装置时，自己不能起动。一般要在风速超过5m/s以上，才可发出功率。
我们常见的风速仪是一种勺型翼，也是一种典型的风动力装置。工作原理是凹形曲面受风时风阻较大，产生较大的动力力距；凸形曲面受风时风阻较小，产生较小的阻力力距；两者之差为动力力距使风动力装置转动。
现有的公开技术中风叶主要工作区域是力臂教长的远离圆心(垂直转轴)的近圆周处，也因为近圆心的力臂很小，力距也几乎为零，通常靠近垂直转轴处不设置风叶，透空以便于透风减小阻力。这样一来风动力装置的体积和效率之比就较低，不利于在较小风力下工作。
同时现有的公开技术中风叶的作用是独立的，各自单独地作用于风动力装置，仅在几个风叶的力距合成作用下使风动力装置工作。几个风叶之间没有互相直接的作用，作动力的风叶起的是纯粹的动力，回转的风叶起的是纯粹的阻力，因此风能的利用率不高。
发明内容
本发明的技术问题在于：用一种垂直转轴风动力装置，加入到船的综合动力中去驱动推进螺旋桨，可以实现直接顶风航行船，风阻最小不必走“Z”字形的路线也就提高了效率，在顺风航行时也节约了能源，此外垂直转轴风动力装置还可以在泊港时驱动发电装置来发电。所以关键技术垂直转轴风动力装置需要充分提高风动力装置的体积和效率之比，任务是发明一种新颖的高效率的特殊风翼和相互作用的构造，实现提高风能利用率的，
特别声明，为了清楚地描述本申请案中所提及的各种技术方案和权利要求，在使用角度描述时，其含义不仅仅是简单的几何概念，而是机械工程的力学概念。如垂直与地面是指垂直轴或垂直方向基本上平行于重力方向，水平指平行于地面，也泛指风的方向，需要指出的是风的方向不是绝对水平地平行于地面，而是对地有一个小小的倾角，但是两者力学特征几乎相同，用一个几何角度来描述。
本发明的技术方案是：用一种垂直转轴风动力装置，加入到船的综合动力中去驱动推进螺旋桨，风动力装置和其他动力装置经离合装置作用于船的推进操作系统。因此在介绍本方案时为节约篇幅，在具有风动力的综合动力船的基础上，主要介绍这种新颖的高效率的特殊的相互作用的曲面翼风构造的垂直转轴风动力装置：包括刚性的垂直转轴1、固定地安装于所述垂直转轴上下两个同轴同径与轴垂直的平行圆盘3、所述圆盘3之间至少固定地装有两片以上的片状曲面风翼2、所述圆盘3与曲面风翼2垂直、所述曲面风翼2弯曲面为弧形且平行于垂直转轴1、在水平剖面上所述曲面风翼2投影线具有第一端点205、第二端点206、变流内曲面201、受风凹面202、分流内凸面203、分流外凸面204、所述曲面风翼2的第一端点205与所述圆盘3的圆周相接或位于所述圆盘3的近圆周内外处、以经过所述曲面风翼2的第一端点205为顶点，以经过该顶点205的所述曲面风翼2的弦即第一端点205和第二端点206为两端点的直线，和经过第一端点205所述圆盘3的半径为角4的两条边形成一个大于0度小于45度内的锐角Φ，风力装置垂直轴的位置在这个锐角Φ之外；从旋转方向上看为均布多个曲面风翼2；其特征在于：所述曲面风翼2的第二端点206处的切线指向另一即从旋转方向上看为下一个曲面风翼2的受风凹面202内。
在所述曲面风翼2的受风凹面202受风时，风在为推动垂直轴1转动提供第一推动力距的为第一作用，同时，在所述曲面风翼2曲面的反作用力的作用下，风沿着所述曲面风翼2的变流内曲面201拐弯前进并从所述曲面风翼2的第二端点206的切线方向直线吹出到达另一曲面风翼2的受风凹面202并推动该曲面风翼2，从而形成推动垂直轴1`转动提供第二推动力距为第二作用，提高了效率。另外当所述曲面风翼2的受风凹面202受风时，另一曲面风翼2的分流凸面203对风的分流作用，加强了吹向所述曲面风翼2的受风凹面的风力，进一步提高了风力装置的效率。
本发明的技术方案的另一种形式是曲面风翼垂直轴风力发电装置，即在本案所述的各种曲面风翼风力装置加上发电机及其变速匀速装置，在泊港时风动力装置驱动发电装置来发电。
依照本发明的一个实施例及其变例本发明的技术方案的可以及一步改进为：如图2、图5，其特征在于所述曲面翼曲面投影为渐开线型的弧线。需要指出的目的是渐开线型的弧线旋风效果更好。
它的变化实施例是采用一种具有4个渐开线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为渐开线型的弧线。
依照本发明的一个实施例及其变例本发明的技术方案的可以及一步改进为：如图3、图5，其特征在于所述曲面翼的受风凹面202水平剖面线为圆弧型或渐开线型的弧线，变流内曲面201则变化为水平剖面线是直线，即平面。需要指出的目的是使变流风的损耗更小。机加工的难度和成本也进一步下降。
它的变化实施例是采用一种具有4个弧线加直线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为弧线加直线型。
依照本发明的一个实施例及其变例本发明的技术方案的可以及一步改进为：如图4、图5，其特征在于所述曲面翼2为平面折成，曲面投影为折线。同时将平行圆盘3简化为三组辐射条，对折面形的曲面翼按两点决定一条直线的规则进行三点固定两平面。需要指出的目的是机加工的难度和成本也进一步大幅下降。
它的变化实施例是采用一种具有4个折线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为折线型。
本发明的有益效果是：这种结构的一个根本的特点是曲面风翼2是成对相互作用的，具有一种旋风效果。此外本发明的另一特点是靠近垂直转轴1处不再透空，曲面风翼靠近垂直轴1，甚至越过垂直轴1时效果更好，这样一来风动力装置的体积和效率之比就达到一个新的水平，有利于在较小风力下工作。一般的垂直轴风力装置只依靠第一作用，而本案发明了曲面翼的相互作用增加新颖的第二作用，并且有增强风力的意想不到的效果，达到了具有突出的实质性特点和显著的进步。因此它比其他的垂直轴风动力装置更适合船用。
附图说明：
图1：一种曲面翼的垂直轴风力装置的水平剖面图，曲面投影为圆弧。
图2：一种曲面翼的垂直轴风力装置的水平剖面图，曲面投影为渐开线型的弧线。同时标出了第一作用和第二作用时的风向和旋风的作用路径。
图3：一种曲面翼的垂直轴风力装置的水平剖面图，曲面投影为弧线连接直线。
图4：一种曲面翼的垂直轴风力装置的水平剖面图，曲面投影为折线。
图5：一种曲面翼的垂直轴风力装置的水平剖面图，曲面投影为圆弧。曲面翼为4个。
图6：一种曲面翼的垂直轴风力装置的立体图，曲面翼投影为圆弧。
图7：一种采用曲面翼的垂直轴风力装置船的立体图，曲面翼投影为渐开线。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案和优点。实施例1为典型实施例，所述个部分相关连接结构的原则对其他实施例适用。整体方案见图7，用一种垂直转轴风动力装置，加入到船的综合动力中去驱动推进螺旋桨，风动力装置和其他动力装置经离合装置作用于船的推进操作系统。因此在介绍实施例时为节约篇幅，在具有风动力的综合动力船的基础上，主要介绍这种新颖的高效率的特殊的相互作用的曲面翼风构造的垂直转轴风动力装置，请注意以下的实施例均包括船、其他动力装置、离合装置、船的推进操作系统、发电装置。
实施例1及其变例：为典型实施例。采用一种具有两个圆弧曲面翼的垂直轴风力装置；见立体图图6和剖面图图1：包括刚性的垂直转轴1，所述垂直转轴上装有上下两个同轴同径与轴垂直的平行圆盘3来固定曲面风翼2，所述圆盘3之间至少装有两片以上的片状曲面风翼2，所述圆盘3与风翼2垂直，从水平剖面来看所述曲面风翼2的第一端点205与所述圆盘3的圆周相接或位于所述圆盘3的近圆周内外处，效果相同，以经过所述曲面风翼2的第一端点205为顶点，以经过该顶点205的所述曲面风翼2的弦即第一端点205和第二端点206为两端点的直线，和经过第一端点205所述圆盘3的半径为角4的两条边形成一个0-45度内的锐角Φ，风力装置垂直轴的位置在这个锐角Φ之外；在所述垂直轴1另一边安装有另一个曲面风翼2，两个曲面风翼2的水平剖面关于垂直轴1所在的圆心成点对称；曲面风翼2的第二端点206处的切线指向另一曲面风翼2的受风凹面202内，如超出第一端点205以外，将减弱第二作用，如靠近变流内曲面201则转速高时效果好，因为有一个滞后效应，曲面风翼2是圆周运动，而切线方向的风是直线运动，吹到时已经靠近第一端点205。如靠近第一端点205小风时效果好，低速时推力大。
在所述曲面风翼2的受风凹面202受风时，风在为推动垂直轴1转动提供第一推动力距的同时，在所述曲面风翼2曲面202和201的反作用力的作用下，风沿着所述曲面风翼2的变流内曲面201拐弯前进并从所述曲面风翼2的第二端点206的切线方向直线吹出到达另一曲面风翼2的受风凹面202并推动该曲面风翼2，从而形成推动垂直轴1`转动提供第二推动力距，提高了效率。另外当所述曲面风翼2的受风凹面202受风时，另一曲面风翼2的分流凸面203对风的分流作用，加强了吹向所述曲面风翼2的受风凹面的风力，进一步提高了风力装置的效率。
图2同时标出了本发明第一作用和第二作用时的风向和旋风的作用路径。其中“介”字形的风向由两部分组成，第一：直线的风向表示沿地面水平方向的风，第二：弯曲的变流风时直线风沿分流凸面203改变风向后的流向，它加强了吹向受风凹面202的风力。
本实施例的变例采用一种具有4个圆弧曲面翼的垂直轴风力装置；如图5。与两个风叶的装置相比：4个圆弧曲面翼2沿所述圆盘3的圆周均布；曲面风翼2的第二端点206处的切线指向另一曲面风翼2的受风凹面202内，靠近凹面201一侧；4个圆弧曲面翼2的曲率半径相对小一些。
本实施例另一种形式是曲面风翼垂直轴风力发电装置，即在各种曲面风翼风力装置加上发电机及其变速匀速装置，以下各实施例均类同地带有一个风力发电装置的实施例。
实施例2及其变例：如图2、图5，其特征在于所述曲面翼的，曲面投影为渐开线型的弧线。需要指出的是渐开线型的弧线旋风效果更好。
本实施例的变例采用一种具有4个渐开线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为渐开线型的弧线。
实施例3及其变例：如图3、图5，其特征在于所述曲面翼的受风凹面202水平剖面线为圆弧型或渐开线型的弧线，变流内曲面201则变化为水平剖面线是直线，即平面，使变流风的损耗更小。机加工的难度和成本也进一步下降。
本实施例的变例采用一种具有4个弧线加直线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为弧线加直线型。
实施例4及其变例：如图4、图5，其特征在于所述曲面翼2为平面折成，曲面投影为折线。同时将平行圆盘3简化为三组辐射条，对折面形的曲面翼按两点决定一条直线的规则进行三点固定两平面。机加工的难度和成本也进一步大幅下降。
本实施例的变例采用一种具有4个折线型曲面翼的垂直轴风力装置；将图5曲面翼2改为曲面投影为折线型。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。