一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮.pdf

本发明涉及一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，主要由旋转十字支架、四枚叶片、中心轴、底座、一级锥齿轮、四个二级锥齿轮、八个传动齿轮以及四根传动轴组成。

权利要求书
1.  一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于包括旋转十字支架(1)、四枚 叶片(5)、中心轴(2)、底座(4)、一级锥齿轮(9)、四个二级锥齿轮(10)、八 个传动齿轮(11)和四根传动轴(6)；中心轴(2)安装在底座(4)上，旋转十 字机架(1)由上支架和下支架组成，上支架、下支架均呈十字形，分别通过各自 中心的中心轴安装孔(13)套在中心轴(2)的第一凸台(15)下、第二凸台(16) 上，四枚叶片(5)通过叶片安装轴(8)安装在上支架、下支架的四个端部的叶片 安装孔(12)中；上支架各臂的上表面上固定有两个传动轴支撑架(7)，传动轴 支撑架(7)上有一个定位孔，用于安装传动轴(6)；二级锥齿轮(10)同轴固定 安装在各叶片安装轴(8)的上端，一级锥齿轮(9)同轴固定安装在中心轴(2) 的顶端面上，在各传动轴(6)的两端分别固定安装有一个传动齿轮(11)。

2.  根据权利要求1所述的基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于所述的叶片 (5)为矩形薄平板。

3.  根据权利要求1所述的基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于所述的主轴 (8)为圆柱状。

4.  根据权利要求1所述的基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于同一支架臂 上的两个传动轴支撑架(7)上的定位孔同轴。

5.  根据权利要求1所述的基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于所述的叶片 安装轴(8)固定安装在叶片的两个长边的对称轴上，并与中心轴(2)平行。

6.  根据权利要求1所述的基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于所述的一级 锥齿轮(9)与二级锥齿轮(10)的齿数比为1:2。

说明书一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮。
背景技术
能源是人类社会发展进步的动力和保障。近年来，随着全球经济的高速发展，煤 炭，石油，天然气等常规能源被快速，大量的消耗，这让人类不仅面对资源日趋枯竭 的压力，同时受到了环境不断恶化的威胁。能源和环保已成为当今人类生存和发展急 需解决的紧迫问题。风电作为一种清洁环保的新能源，既不消耗有限的煤炭资源，也 不会消耗宝贵的地下风资源，更有利于国民经济的可持续发展，在全国各地区大力发 展适合具体地区特点的高效可靠的风力发电设备是大有前途的。要实现风力发电的产 业化、实用化，要求有高效能的风机产品，能够最大限度的利用风能，这就要求我们 研究风力机的性能，提高风机对风能的最大捕获，产生高效率能量转化。
目前，风力发电的主要形式是通过风机装置将风能转化为电能，因此设计一种高 效、可靠的风机是风能利用的关键技术。风机的造型既要考虑结构也要考虑重量等其 它因素。当前风机形式主要有风平轴风机和垂直轴风机两种，叶轮轴线与风向的相对 位置平行的为风平轴式叶轮(HAWT)，叶轮轴线与风向的相对位置垂直的为垂直轴式 叶轮(VAWT)。
同水平轴风电机组相比，垂直轴风电机组具有以下优势：
(1)垂直轴式叶轮轴线与来流方向垂直，可以捕获任何方向的风能，结构简单， 很适合小型化独立发电。
(2)垂直轴风机安装和维护简单，制造工艺简单，造价低，经济性强。
(3)垂直轴风机对叶片结构及其强度要求低。
(4)垂直轴式叶轮能够在复杂紊流下有效工作，因此更适合于应用在复杂地形的 小型风力发电场所，如偏远地区的农村。
(5)垂直轴叶轮叶片的尖速比风平轴叶轮的小，这样低转速下气动噪声很小，甚 至可以达到静音的效果，有利于环保。
目前常见的垂直轴叶轮主要有升力型垂直轴叶轮和阻力型垂直轴叶轮。升力型的 主要代表是Darrieus叶轮，阻力型的主要代表是Savonius叶轮。
在公开号为US1835018A的发明创造中，公开了一种Darrieus风力叶轮。该叶轮 结构简单、升力系数高，但启动性能较差，尤其在低风速下很难启动。
在公开号为US1766765A的发明创造中，公开了一种Savonius风力叶轮。该叶轮 启动性能好，具有很大的风速利用范围，但随着转子的旋转，其转矩由高到低的变化 幅度很大，甚至会下降到接近零的程度，因此具有较低的总效率。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有技术中升力型垂直轴叶轮自启动难和阻力型垂直轴叶轮能量捕获效 率低的问题，为了进一步提高能量捕获效率，本发明提出一种基于齿轮机构的自旋转 叶片叶轮。
技术方案
一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，其特征在于包括旋转十字支架、四枚叶片、 中心轴、底座、一级锥齿轮、四个二级锥齿轮、八个传动齿轮和四根传动轴；中心轴 安装在底座上，旋转十字机架由上支架和下支架组成，上支架、下支架均呈十字形， 分别通过各自中心的中心轴安装孔套在中心轴的第一凸台下、第二凸台上，四枚叶片 通过叶片安装轴安装在上支架、下支架的四个端部的叶片安装孔中；上支架各臂的上 表面上固定有两个传动轴支撑架，传动轴支撑架上有一个定位孔，用于安装传动轴； 二级锥齿轮同轴固定安装在各叶片安装轴的上端，一级锥齿轮同轴固定安装在中心轴 的顶端面上，在各传动轴的两端分别固定安装有一个传动齿轮。
所述的叶片为矩形薄平板。
所述的主轴为圆柱状。
同一支架臂上的两个传动轴支撑架上的定位孔同轴。
所述的叶片安装轴固定安装在叶片的两个长边的对称轴上，并与中心轴平行。
所述的一级锥齿轮与二级锥齿轮的齿数比为1:2。
有益效果
本发明提出的一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮，该叶轮叶片在绕轴旋转的同 时，也可以有规律的自转来改变叶片的位置，能使叶片在迎风时，增大迎风面积，提 高所受转动力矩，在逆风时，减小迎风面积，减少逆风阻力，使得风机叶轮具有较好 的自启动性，同时还具有较高的发电效率。
叶片在顺风的半个周期在来流方向上有较大的投影面积，能够获得较高的旋转驱 动力矩；而在逆风的半个周期里，叶片与来流方向夹角较小，阻力较小，这使得该装 置具有较高的工作效率。同时由于在任意时刻都有较大的迎风面，使得该装置具有良 好的自启动性能。
附图说明
图1本发明的轴测图
图2本发明齿轮传动示意图
图3上支架俯视图
图4风机叶轮工作原理简图
1-旋转十字支架；2-中心轴；3-凸台；4-底座；5-叶片；6-传动轴；7-传动轴支撑 架；8-叶片安装轴；9-一级锥齿轮；10-二级锥齿轮；11-传动齿轮；12-叶片安装孔； 13-中心轴安装孔。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于齿轮机构的自旋转叶片叶轮装置，主要由旋转十字支架1、四枚叶片5、 中心轴2、底座4、一级锥齿轮9、四个二级锥齿轮10、八个传动齿轮11以及四根传 动轴6组成。
中心轴2底部与底座4固定连接，在底座4上端面设有一个凸台3，用于支撑十 字支架1。中心轴2在凸台3以上部分的长度略大于叶片5长度。
旋转十字机架1由上支架和下支架组成。如图3所示，下支架整体呈十字形，在 其十字形的中央设有中心轴安装孔13，该孔的孔径介于中心轴直径和凸台3直径之间， 用于安装中心轴2。在下支架十字形的四个端部各有一个叶片安装孔12，用于安装叶 片安装轴8。上支架和下支架完全相同。
下支架安装在中心轴2底部，通过中心轴安装孔13与中心轴2同轴连接，由于中 心轴安装孔13的直径小于凸台3直径，故下支架能够放置在凸台3上且能绕中心轴2 自由旋转。
上支架安装在中心轴2顶部，通过中心轴安装孔13与中心轴2同轴连接，上下支 架对应的各臂保持平行，便于安装叶片安装轴8。
叶片5为矩形薄平板，在其两个长边的对称轴上固定安装叶片安装轴8。叶片安 装轴8的上、下端分别通过轴承安装在上支架和下支架的叶片安装孔12，并与中心轴 2平行。
在上支架各臂的上表面，固定有两个传动轴支撑架7，传动轴支撑架7上有一个 定位孔，用于安装传动轴6。各臂上的两个传动轴支撑架7之间有一定间距，且其二 者上的定位孔同轴。
传动轴6有完全相同的4根，为圆柱形，其直径略小于传动轴6上的定位孔直径。 4根传动轴6分别安装在上支架的各臂上，穿过传动轴支撑架7上的定位孔。
二级锥齿轮10同轴固定安装在各叶片安装轴8的上端，可随叶片安装轴8一起旋 转。一级锥齿轮9同轴固定安装在中心轴2的顶端面上。在各传动轴6的两端分别固 定安装有一个传动齿轮11，传动轴6依靠这两个传动齿轮11将一级锥齿轮9和二级 锥齿轮10通过锥齿轮连接。一级锥齿轮9与二级锥齿轮10的齿数比为1:2。
如图4所示，在风力的作用下，叶片5驱动旋转十字架1逆时针转动并带动四枚 叶片5绕中心轴2公转。一级锥齿轮9与中心轴2固定连接，在旋转十字架1作用下， 与一级锥齿轮9啮合的传动齿轮11也逆时针旋转。同时，通过传动轴6将旋转运动传 动到二级锥齿轮10，并使得二级锥齿轮10绕叶片安装轴8的轴线顺时针转动。在这 种运动方式下，叶片5可绕叶片安装轴8的轴线自转。由于一级锥齿轮9与二级锥齿 轮10的齿数比为1:2，所以叶片5公转角速度与自转角速度比为2:1。当叶片5绕旋转 十字架1逆时针公转90°时，同时绕叶片安装轴8的轴线顺时针自转45°。这种叶片 运动方式的好处在于，在叶片公转的一周里，在A点和C点附近区域受升力作用驱动 叶轮；在B点附近区域，叶片在来流方向的投影面积最大，受阻力作用驱动叶轮；而 在D点附近区域，叶片的迎风面积最小，所受阻力也最小，这使得该装置具有较高的 工作效率。同时由于在任意时刻都有较大的迎风面，使得该装置具有良好的自启动性 能。