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Patent Searching and Data


Title:
BLADE SYSTEM FOR CAPTURING WIND POWER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/097800
Kind Code:
A1
Abstract:
A blade system for capturing wind power includes blades (21) and blade brackets. The blades (21) are pivoted on the blade brackets and can rotate relative to the blade brackets. The blade surface is divided into a large blade region (212) and a small blade region (211) along a pivoted axis, wherein the area of the large blade region (212) is larger than that of the small blade region (211). Limit devices (232,233,236) are provided on the blade brackets for limiting rotation limit positions of the blades (21). A turbine system with the blade system has the advantages of high wind energy utilization rate, self-starting, high reliability, small occupation area, low cost and wide application range.

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Inventors:
BI, Lei (17C Seaview Square, 18 Taizi Road Sheko, Shenzhen Guangdong 7, 518067, CN)
Application Number:
CN2010/070626
Publication Date:
August 18, 2011
Filing Date:
February 10, 2010
Export Citation:
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Assignee:
BI, Lei (17C Seaview Square, 18 Taizi Road Sheko, Shenzhen Guangdong 7, 518067, CN)
International Classes:
F03D3/00; F03D3/06; F03D11/00
Foreign References:
CN101713374A
CN101319658A
CN101550904A
CN2069032U
US20040164561A1
Attorney, Agent or Firm:
CHINA TRUER IP (Suite 2209, Block B Jia Zhao Ye Center,Shangbu Road, Futian Distric, Shenzhen Guangdong 1, 518031, CN)
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Claims:
权 利 要 求 书

1、 一种捕捉风力的叶片系统, 包括叶片和叶架; 其特征在于: 所述叶片枢 接在所述叶架上且所述叶片可与所述叶架发生相对转动;所述叶片表面沿所述枢 接轴线被区分为大叶区和小叶区,所述大叶区的面积大于所述小叶区的面积; 所 述叶架上设有可限制所述叶片旋转极限位置的限位装置。

2、 根据权利要求 1所述的叶片系统, 其特征在于: 所述叶片枢接在所述叶 架上这样实现:所述叶片通过沿水平方向或竖直方向设置的枢轴枢接在所述叶架 上; 所述枢接轴线为所述枢轴的轴心线。 包括全部水平、 全部竖直、 部分水平部 分竖直。 斜向也可以, 但将给制作过程和系统平衡设计造成不便

3、 根据权利要求 1或 2所述的叶片系统, 其特征在于: 包括两个或两个以 上所述叶架, 每个所述叶架上设有至少一片所述叶片。

4、 根据权利要求 3 所述的叶片系统, 其特征在于: 每个所述叶架上包括两 片或两片以上所述叶片;同一个所述叶架上的所述叶片沿水平方向排布或沿竖直 方向排布。 包括全部水平、 全部竖直、 部分水平部分竖直。

5、 根据权利要求 4所述的叶片系统, 其特征在于: 所述叶片的小叶区设有 配重。

6、 根据权利要求 5所述的叶片系统, 其特征在于: 各所述叶架连接为一个 整体; 用于将各所述叶架连接为一个整体的部件包括叶架底环。

7、 根据权利要求 6所述的叶片系统, 其特征在于: 与所述限位装置相应的 位置处, 所述叶片或叶架上设有缓冲件。

8、 根据权利要求 7所述的叶片系统, 其特征在于: 所述叶架底环上设有保 护头。

9、 根据权利要求 8所述的叶片系统, 其特征在于: 所述叶架底环上设有保 护轮。

10、 根据权利要求 9所述的叶片系统, 其特征在于: 各所述叶架对称分布; 各所述叶架上的所述叶片数目和面积相等。

Description:
说 明 书 捕捉风力的叶片系统

【技术领域】

本发明涉及风能利用技术,尤其是一种风能利 用率高、有利于设备自启动的 叶片系统。

【背景技术】

作为获取清洁能源的一种有效方式, 风能利用具有很大的发展空间。 目前, 风能利用的主要形式为将风能直接转化为机械 能,或借助风力发电机将大自然的 风能转化为电能, 在某些地区风力发电甚至已成为主要的电力来 源。

风力涡轮机是目前商业化的风力发电机的主要 形式,大部分为水平轴式的风 力涡轮机。 水平轴涡轮机 (Horizontal-axis turbine) 在运行过程中, 风叶旋转轴 线为水平方向, 风叶旋转面的法向和风力平行。

水平轴涡轮机存在的主要问题是: (1 )在风向经常变化的情况下, 水平轴涡 轮机无法正常工作; (2)水平轴涡轮机需要风力纠偏系统(yaw mechanism ) 以 使得风叶旋转面能够正向面对(或者反向面对 )风向, 以捕获最大的风能。 设计 纠偏系统时, 必须考虑到驱动巨大叶片系统的旋转所需的动 力、机械、检测和控 制系统,还必须考虑如何防止电缆的纠缠。这 些使得水平轴涡轮机的系统结构非 常复杂, 而且生产和安装成本高、 维修困难。 另外, 因为纠偏运行需要相当的能 量,涡轮机整体的机电能量转换效率也就降低 了;(3 )对于大型风力发电机而言, 水平轴涡轮机单扇风叶必须很长。为了适应很 长的风叶,涡轮机塔身也必须很长, 这造成涡轮机的运输很困难, 运输费在系统费用中占很高的比例; (4)因为塔身 很高、 风叶很长, 水平轴涡轮机的发电机、 齿轮以及纠偏系统必须安装在塔顶, 冈此涡轮机的安装非常闲难, 需要许多大型安装设备, 安装成本很高; (5 )水平 轴涡轮机的全部叶片只靠风叶的主轴支撑, 而风叶很长, 使得运行时叶片会在风 力的作用下产生多维的强力震动。这些震动会 传递到与发电机串接的齿轮箱的轴 上, 使得齿轮箱很容易损坏。 齿轮箱的受损是水平轴涡轮机的主要故障之一 。

为此, 人们开发出了垂直轴涡轮机, 这种垂直轴涡轮机的结构如图 1和图 2 所示, 6片风叶 21固定在主轴 33上, 主轴 33与发电机的转子转轴连接。 工作 时, 风力(图 1和图 2中箭头方向为风力方向)作用于风叶 21上使风叶 21带动 主轴 33转动, 主轴 33同时驱动发电机的转子转轴转动, 发电机发电, 该过程就 是作用于风叶 21上的风能被转化为电能的过程。 工作过程中, 请参见图 2, 在 风力作用下部分叶片(图 2中 a和 b)产生使发电机转子顺时针转动的驱动转矩、 另外还有部分叶片 (图 2中 c和 d) 产生使发电机转子逆时针转动的驱动转矩, 这两个相反的驱动力矩将大部分抵消, 使涡轮机总体的风力利用效率大大降低; 同时,这两个相反的驱动力矩之间的大小差别 不大, 启动时如果仅靠风力难以使 叶片及发电机转子的旋转速度达到发电所需的 速度,因此这种垂直轴涡轮机通常 还需用其它手段来启动。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种风能利 用率高、有利于设备自启动的 叶片系统。

为解决上述技术问题,本发明提供一种捕捉风 力的叶片系统,包括叶片和叶 架; 叶片枢接在叶架上且叶片可与叶架发生相对转 动; 叶片表面沿枢接轴线被区 分为大叶区和小叶区, 大叶区的面积大于小叶区的面积; 叶架上设有可限制叶片 旋转极限位置的限位装置。这里所说的枢接轴 线即叶片与叶架发生相对转动的转 轴。

应用时,本发明叶片系统以一定的方向安装在 捕捉风力的设备(例如涡轮机) 上使叶架与设备的转轴形成传动配合, 叶架可在风力驱动下绕一特定的转轴(可 称为叶架转轴, 亦即本发明叶片系统安装所在的捕捉风力的设 备的主轴) 转动。 工作过程中,风力作用于叶片表面使得叶片产 生绕枢接轴线旋转的力矩,风力在 叶片表面的大叶区和小叶区分别产生方向相反 的使叶片产生绕枢接轴线旋转的 大叶区旋转力矩、 小叶区旋转力矩, 叶片绕枢接轴线的旋转是大叶区旋转力矩、 小叶区旋转力矩和叶片自重产生的旋转力矩三 者综合作用的结果。当叶片在风力 的作用下与叶架上的限位装置抵靠在一起且叶 片与风向垂直时,此时风力推动该 叶架转动的力矩最大,风力对该叶架所做的功 为推动叶架及设备的转轴绕一定工 作方向转动的正功, 叶架发生转动; 当叶架继续同向转动 180°后, 叶片已经被 吹离叶架上的限位装置, 此时风力大部分"吹空", 风力作用在被 "吹空 "的叶片上 产生的阻止叶架同向转动的力矩最小, 叶架得以继续同向转动且风能利用效率 高。无论风向如何变化, 这样的叶片系统只会沿一个方向转动。对于单 叶架的叶 片系统, 以及包括两个或两个以上叶架的叶片系统, 都能取得这样的运行效果。 基于相同的原理,推动叶架及设备的转轴同向 转动的力矩与阻止叶架同向转动的 力矩之间的的大小差别较大,设备启动时在风 力作用下很容易使叶片系统启动并 很快使其旋转速度达到要求的运行速度,无需 采取其它手段来帮助启动。本发明 叶片系统中, 同一个叶架上, 每片叶片和相应限位装置二者沿着风力方向的 前后 关系(即沿着风力方向叶片和相应限位装置二 者哪个在前、哪个在后)是一样的, 通过同时改变所有叶片和相应限位装置二者沿 着迎风风向的前后关系可以调整 叶片系统的转动方向。

本发明叶片系统可作为垂直轴涡轮机的叶片系 统,也可以作为直接将风能转 化为机械能等其它能量形式的设备的叶片系统 。

在此基础上, 进一步地:

叶片枢接在叶架上这样实现:叶片通过沿水平 方向或竖直方向设置的枢轴枢 接在叶架上; 枢接轴线为枢轴的轴心线。可以所有叶片全部 通过沿水平方向设置 的枢轴枢接在叶架上,也可以所有叶片全部通 过沿竖直方向设置的枢轴枢接在叶 架上,还可以部分叶片通过沿水平方向设置的 枢轴枢接在叶架上、部分叶片通过 沿竖直方向设置的枢轴枢接在叶架上。 叶片通过沿斜向 (即非水平、 也非竖直) 设置的枢轴斜向枢接在叶架上也可以,但这将 给制作过程和系统平衡设计造成不 便。

作为本发明的改进,可以设置两个或两个以上 叶架,每个叶架上设有至少一 片叶片。 与单个叶片的叶片系统相比, 在单个叶架上叶片总面积相等的条件下, 有多个叶片的叶片系统可以降低对单个叶片抗 破坏能力的要求,提供系统高度增 加以实现大功率运行的可能性。设置多个叶架 的目的是可以使叶片系统同时通过 多个叶架上的叶片捕捉风能,以提高风力利用 效率,并使得驱动转矩的波动减少。

作为本发明进一步的改进, 每个叶架上包括两片或两片以上叶片; 同一个叶 架上的叶片沿水平方向排布或沿竖直方向排布 。同一个叶架上的叶片可以全部沿 水平方向排布, 也可以全部沿竖直方向排布, 还可以部分沿水平方向排布、部分 沿竖直方向排布。

作为本发明更进一步的改进, 叶片的小叶区设有配重。这样可使叶片的整体 重心接近枢接轴线即叶片与叶架发生相对转动 的转轴,以减少叶片重力对风力的 抵消, 进一步提高风能利用效率。

为了改善整个叶片系统的整体性,使整个叶片 系统较为稳固,可以将各叶架 连接为一个整体; 用于将各叶架连接为一个整体的部件包括叶架 底环。

在风力作用下,当叶片沿接近叶架的方向被吹 叶架时,叶片速度较快时有可 能与叶架发生碰撞,这将造成使叶片或叶架乃 整个叶片系统的安全可靠性降低 的可能性。 因此,在与限位装置相应的位置处, 叶片或叶架上设置缓冲件,当叶片 与叶架发生碰撞时,缓冲件可以吸收碰撞能量, 到保护叶片、 叶架和整个叶片系 统的作用。 缓冲件可为弹簧、 弹片,也可以是气动缓冲件或液压缓冲件。

本发明叶片系统在应用时是安装在捕捉风力的 设备的支撑部件(例如垂直轴 涡轮机的支撑塔)上的, 工作时叶片系统绕旋转轴线在风力作用下旋转 , 而叶片 系统在旋转轴向方向具有一定的长度,冈此为 了保持叶片系统在旋转过稈中的稳 定性,可在叶架底环上设有保护头。当叶片系 统在高速旋转过程中有可能在旋转 轴向方向发生偏斜, 此时保护头抵顶在支撑部件 (例如垂直轴涡轮机的支撑塔) 上, 防止叶片系统因严重偏斜而失效甚至破坏。

与保护头类似, 还可在叶架底环上设置保护轮。 当叶片系统在高速旋转过程 中在旋转轴向方向发生偏斜时,此时保护轮抵 顶在支撑部件(例如垂直轴涡轮机 的支撑塔)上, 保护轮本身是可以转动的, 减小了保护轮与支撑部件之间的摩擦 阻力, 使得叶片系统在保护轮与支撑部件相抵顶的情 况下也能顺畅转动, 降低了 因设计保护轮而造成风能利用效率减低的可能 性; 同时,这样的设计也降低了支 撑部件本身磨损的可能性, 对支撑部件也有保护作用。

作为优选, 各叶架对称分布; 各叶架上的叶片数目和面积相等。

实施本发明时,本发明叶片系统即可以以旋转 轴竖直的方向安装在捕捉风力 以及水力的设备上。

本发明的有益效果是:

( 1 ) 风能利用率高

捕捉风力的设备采用本发明叶片系统时,风力 对叶片所做的功绝大部分都是 推动叶片绕一定工作方向转动的正功, 叶片捕捉风能的效率高, 与现有技术相比 本发明叶片系统具有较高的风能利用率;

(2) 可以自启动

在风力存在的情况下,任何方向的风力均可以 对本发明叶片系统产生驱动转 矩, 使叶片系统绕一定工作方向运行起来, 设备启动时在风力作用下很容易使叶 片系统启动旋转并达到要求的运行速度;

( 3 ) 可靠性好

a. 本发明叶片系统中的叶架除了可以对叶片起到 支撑的作用外, 也可以起 到保护叶片的作用; 采用多个叶片的结构时, 单个叶片的尺寸可以做得 较小, 降低了单个叶片在风力较大时因受力超过其本 身的抗折强度而受 损的可能性;

b. 捕捉风力的设备采用本发明叶片系统时, 由于具有较高的风能利用率, 作用在风叶上的风能大部分被转化为所需要的 其它的能量形式, 设备本 身所需要抵御的风力大为减少, 这对于提高塔身的寿命和可靠性是非常 有利的, 同时也降低了对设备的安装支撑部分的强度要 求, 有助于降低 成本;

c 可以通过增加叶片系统轴向尺寸来减少叶片系 统的半径。 这样, 在输出 功率相等的情况下, 这样的叶片系统与半径较大的叶片系统相比, 风叶 的最大运行线速度比较小, 叶片所受到的径向离心力大大降低, 系统的 可靠性将得到进一步加强;

d. 通过设置过速保护装置, 叶片系统可以承受较高的风速;

e. 在传统的垂直轴涡轮机中, 主轴同时用来传递旋转动能和支撑风叶系统。

这样的支撑在风叶系统的轴向尺寸较大时, 涡轮机的径向强度是很弱的。 涡轮机采用采用本发明叶片系统时, 风叶系统的支撑是由涡轮机的塔身 来实现的, 而主轴只是用来传递旋转动能。 静止的塔身可以被设计成在 径向有很高的强度。 因而, 采用采用本发明叶片系统的涡轮机的强度远 优于传统的垂直轴涡轮机;

f. 垂直轴涡轮机采用本发明叶片系统时, 其重心明显在塔顶以下, 这对于 涡轮机的稳定性以及可靠性是很有积极意义的 ;

(4) 占地面积小

捕捉风力的设备采用采用本发明叶片系统, 在输出功率相等的情况下, 可以 通过增加叶片系统轴向尺寸来减少叶片系统的 半径, 使设备整体的占地面积减 小, 可减少多个设备(例如涡轮机阵列) 的占地总面积, 同时也改善了捕捉风力 的设备对于安装位置面积有限的使用场合 (例如楼顶) 的适应性; ( 5 ) 成本低

与现有技术相比, 本发明由于以下因素而降低了系统的投资和运 行成本: a. 由于单个叶片的尺寸大大降低, 叶片的生产和运输成本都大大降低; b. 可现场分级安装, 安装、 运输成本可以明显降低;

c 叶片系统的可靠性好, 设备维修成本可降低;

d. 占地面积小, 一次性投资成本可以降低;

( 6) 适用范围广

由于本发明可以在任何风向下自启动和运行, 而且可以使用在风向快速变化 的场合, 系统的占地面积小、 安装很简单, 因而可以用于移动式工作站, 以及一 些高层建筑的楼顶。而这些场合是许多其它类 型的涡轮机无法使用的。过速保护 轮可以使得叶片系统承受较大风速, 因而本发明可以引用于具有较大风速的场

【附图说明】

下面通过具体实施方式并结合附图, 对本发明作进一步的详细说明: 图 1是现有技术中一种竖直轴涡轮机的立体示意 ;

图 2是图 1的俯视示意图;

图 3是本发明叶片系统的一种具体实施方式的立 示意图, 视角是纸面外 的下方指向纸面内的上方;

图 4是图 3所示叶片系统的另一视角的立体示意图, 视角是纸面外的上方 指向纸面内的下方;

图 5是图 3所示叶片系统安装在垂直轴涡轮机上的立体 意图; 图 6是图 5所示安装在垂直轴涡轮机上的叶片系统拆除 近观察者的一个 叶架后的立体示意图;

图 7是图 3所示叶片系统的一个叶架的立体示意图,图 叶片 21朝向纸面 的表面为迎风面;

图 8是图 7所示叶架的背风面, 即该叶架在图 7中背向纸面的一面; 图 9是图 7所示叶架上叶片 21被风吹离叶架时的立体示意图; 图 10是图 8所示叶架上叶片 21被风吹离叶架时的立体示意图; 图 11是图 5所示安装在垂直轴涡轮机上的叶片系统的各 同位置的叶架的 分解状态示意图;

图 12是本发明叶片系统的第二种具体实施方式的 体示意图;

图 13是图 12所示安装在垂直轴涡轮机上的叶片系统的各 同位置的叶架 的分解状态示意图;

图 14是图 12所示叶片系统的叶片 21处于图 13之 a、 b、 c的位置状态示 意图;

图 15是图 12所示叶片系统的叶片 21处于图 13之 d、 e、 f的位置状态示 意图;

图 16是本发明叶片系统的第三种具体实施方式的 部立体示意图; 图 17是本发明叶片系统的第四种具体实施方式的 部立体示意图; 图 18是支撑塔 2 卜.设置轮轨 14后的局部立体示意图。

【具体实施方式】

各附图中的箭头方向为风力方向。

实施例一

图 3-图 11示出了本发明的一种具体实施方式。

如图 3所示, 该叶片系统包括 6个叶架, 每个叶架上装设有 3片叶片 21。 如图 7、 图 8、 图 9和图 10所示, 叶架是一个由叶架顶部支撑杆 232、 叶架 底部支撑杆 233、 叶架内侧杆 234和叶架外侧杆 235组成的矩形框架, 在叶架上 均匀设置有三根叶片轴 22, 叶架内侧杆 234和叶架外侧杆 235上分别对应设置 有三个叶片轴承支撑头 222, 每个叶片轴承支撑头 222中安装有叶片轴承, 每根 叶片轴 22的两端分别枢接在叶架内侧杆 234和叶架外侧杆 235上对应的两个叶 片轴承支撑头 222中的叶片轴承中, 使得每根叶片轴 22与叶架顶部支撑杆 232、 叶架底部支撑杆 233平行, 每根叶片轴 22上固定安装有一片叶片 21, 这样叶片 21可绕相应的叶片轴 22转动, 实现了叶片 21枢接在叶架上且叶片 21可与叶架 发生相对转动; 沿叶片轴 22的轴心线, 叶片 21的表面被区分为大叶区 212和小 叶区 211, 参见图 8, 每片叶片 21的下半部分为大叶区 212、 上半部分为小叶区 211, 大叶区 212的面积大于小叶区 211的面积; 每个叶架上还均匀设置有两根 叶架隔条 236 (上方叶架隔条 236和下方叶架隔条 236),两根叶架隔条 236将叶 架区分成三个面积相等的叶架分区, 该三个叶架分区分别与三片叶片 21—一对 应。 叶片 21转动时叶架顶部支撑杆 232、 叶架底部支撑杆 233或叶架隔条 236 起到限位装置的作用, 可以限制叶片 21旋转的极限位置。 参见图 9, 叶架底部 支撑杆 233和叶架隔条 236上分别设置有橡胶材质的叶片止位器 224 (缓冲件), 当叶片 21与叶架发生碰撞时, 叶片止位器 224可以吸收碰撞能量, 起到保护叶 片 21、 叶架和整个叶片系统的作用。 参见图 7和图 8, 在最上方的叶架分区, 沿 垂直于叶片轴 22的方向, 每片叶片 21 的大叶区 212的末端与该分区内叶片轴 22的轴心线之间的距离大于该分区内叶片轴 22的轴心线与叶架顶部支撑杆 232 之间的距离、大于该分区内叶片轴 22的轴心线与上方叶架隔条 236之间的距离; 在中间的叶架分区, 沿垂直于叶片轴 22的方向, 每片叶片 21的大叶区 212的末 端与该分区内叶片轴 22的轴心线之间的距离大于该分区内叶片轴 22的轴心线与 卜.方叶架隔条 236之间的距离、 大于该分区内叶片轴 22的轴心线与下方叶架隔 条 236之间的距离; 在下方的叶架分区, 沿垂直于叶片轴 22的方向, 每片叶片 21的大叶区 212的末端与该分区内叶片轴 22的轴心线之间的距离大于该分区内 叶片轴 22 的轴心线与下方叶架隔条 236之间的距离、 大于该分区内叶片轴 22 的轴心线与叶架底部支撑杆 233之间的距离; 这样, 每片叶片的旋转角度被限定 在接近 180°的范围。 如图 3和图 4所示, 在每片叶片 21的小叶区 211上设有配 重 223, 这样可使叶片 21 的整体重心接近叶片轴 22的轴心线, 以减少叶片 21 的重力对风力的抵消, 进一步提高风能利用效率。

如图 3所示, 每个叶架下端的内侧都对称地固定连接在圆形 的叶架底环 10 上, 叶架底环 10上对称地设有 6个保护轮 11 ; 如图 4所示, 每个叶架上端的内 侧都对称地固定连接在圆形的叶架基盘 231上; 叶架底环 10和叶架基盘 231同 心, 叶架底环 10和叶架基盘 231的中心线即为该叶片系统的中心线; 相邻两个 叶架的叶架外侧杆 235的上下两端通过上连杆 237和下连杆 238连接起来。这样, 该叶片系统形成一个由 6个叶架组成的整体。

图 5和图 6示出了该叶片系统安装在垂直轴涡轮机上的 形。如图 5和图 6 所示, 发电机 1安装在支撑塔 2的塔身中, 叶架基盘 231通过叶片轴承(附图中 未示出) 安装在支撑塔 2的顶端; 涡轮机的主轴 33的上端固定在叶架基盘 231 的中心、下端与发电机 1的转轴连接,该叶片系统的中心线、叶片轴 的中心线、 主轴 33的轴心线、 发电机 1的转轴的轴心线四者重合, 叶架基盘 231 (及整个 叶片系统)可通过叶片轴承与支撑塔 2发生相对转动, 叶片系统转动时可通过主 轴 33带动发电机 1的转轴转动。各保护轮 11与支撑塔 2的塔身之间保留一定的 间隙, 当叶片系统在高速旋转过程中发生偏斜时, 相应的保护轮 11抵顶在支撑 塔 2的塔身上以防止叶片系统发生进一步的偏斜 保护轮 11本身是可以转动的, 减小了保护轮 11与支撑塔 2的塔身之间的摩擦阻力, 使得叶片系统在保护轮 11 与支撑塔 2相抵顶的情况下也能顺畅转动, 降低了因设计保护轮 11而造成风能 利用效率减低的可能性; 同时,这样的设计也降低了支撑塔 2的塔身磨损的可能 性, 对支撑塔 2也有保护作用。

结合图 7、 图 8, 这里描述处于图 11之 b位置状态的叶架上的叶片 21的受 力情形。 工作过程中, 自纸面左侧吹向右侧的风力作用于叶片 21的表面使得叶 片 21 产生绕叶片系统的中心线旋转的力矩, 风力在叶片 21 表面的大叶区 212 和小叶区 211分别产生方向相反的使叶片 21转动的大叶区旋转力矩、 小叶区旋 转力矩, 叶片 21的旋转运动是大叶区旋转力矩、 小叶区旋转力矩、 叶片 21 自重 (含配重 223 )产生的旋转力矩三者综合作用的结果。在图 11之&、 b、 c的位置 状态下,此时叶片 21和叶架的位置关系如图 7和图 8所示,风叶 21与风向的关 系见图 11之&、 b、 c, 风叶 21的迎风面朝向纸面左侧、 背风面朝向纸面右侧, 大叶区旋转力矩起到绝对的主导作用, 使得叶片 21在风力的作用下与叶架上的 限位装置(叶架底部支撑杆 233或叶架隔条 236)上的叶片止位器 224抵靠在一 起, 风力对该叶片 21所做的功为推动叶架绕一定工作方向(图 11中的顺时针方 向) 转动的正功, 叶架发生转动; 在图 11之 b中, 叶片 21与风向垂直 (叶片 21的法向与风向平行), 此时风力推动该叶架转动的力矩最大。 叶架在风力作用 下自图 11之 b的位置状态沿图 11中的顺时针方向转动 90°后,叶片 21被逐渐吹 离叶架平面且叶片 21与叶架平面之间的夹角逐渐增大。当叶架自 11之 b的位 置状态沿图 11 中的顺时针方向转动至图 11之 d、 e、 f的位置状态下, 叶片 21 被吹离叶架, 风力大部分"吹空";当叶架自图 11之 b的位置状态沿图 11中的顺时 针方向转动 180°时, 如图 11之 e所示, 叶片 21已经被吹离叶架平面至叶片 21 与叶架平面之间的夹角最大的位置,此时风力 在该叶架上产生的阻止叶架同向转 动的力矩最小。 叶架处于图 11之&、 b、 c所示的各位置状态下, 风力对图 11之 a、 b、 c的叶片 21所做的功为推动叶架沿图 11中的顺时针方向转动的正功; 叶 片 21处于图 11之 d、 e、 f的各位置状态下, 风力对图 11之 d、 e、 f的叶片 21 所做的功为阻止叶架绕图 11中的顺时针方向转动的负功; 风力作正功时叶片 21 是与叶架抵靠在一起的, 风力作负功时叶片 21被吹离叶架、 部分风力吹空, 综 合的效果是正功大于负功, 风力使叶架持续沿图 11中的顺时针方向转动且风能 利用效率高。

当风向相反 (自纸面右侧吹向左侧) 时, 叶架在图 11之 e的位置状态下, 风叶 21的迎风面朝向纸面右侧、 背风面朝向纸面左侧, 大叶区旋转力矩起到绝 对的主导作用, 使得叶片 21在风力的作用下与叶架上的限位装置 (叶架底部支 撑杆 233或叶架隔条 236) 上的叶片止位器 224抵靠在一起且叶片 21与风向垂 直, 此时风力推动该叶架转动的力矩最大, 风力对图 11之 e的叶片 21所做的功 为推动叶架沿图 11中的顺时针方向转动的正功, 叶架发生转动; 叶架转动至图 11之 b的位置状态下, 叶片 21 已经被吹离叶架平面至叶片 21与叶架平面之间 的夹角最大, 此时风力大部分"吹空", 风力在该叶架卜.产生的阻 l h叶架同向转动 的力矩最小。 叶架处于图 11之 d、 e、 f所示的各位置状态下, 风力对图 11之 d、 e、 f的叶片 21所做的功为推动叶架沿图 11中的顺时针方向转动的正功; 叶架处 于图 11之 a、 b、 c的各位置状态下, 风力对图 11之 a、 b、 c的叶片 21所做的 功为阻止叶架绕图 11中的顺时针方向转动的负功;风力作正功时 片 21是与叶 架抵靠在一起的, 风力作负功时叶片 21被吹离叶架、 部分风力吹空, 综合的效 果是正功大于负功, 风力使叶架持续沿图 11中的顺时针方向转动且风能利用效 率高。

无论风力方向如何变化,本发明叶片系统只会 沿一个方向转动。对于单叶架 的叶片系统, 以及包括两个或两个以上叶架的叶片系统, 都能取得这样的运行效 果。 由于风力作正功时叶片 21 是与叶架抵靠在一起的, 风力作负功时叶片 21 被吹离叶架、部分风力吹空, 综合的效果是正功远大于负功, 因此推动叶架同向 转动的力矩与阻止叶架同向转动的力矩之间的 大小差别较大,设备启动时在风力 作用下很容易使叶片系统的旋转速度达到要求 的启动速度,无需采取其它手段来 帮助启动。

本该叶片系统中, 同一个叶架上, 每片叶片 21和相应限位装置 (叶架顶部 支撑杆 232、 叶架底部支撑杆 233或叶架隔条 236) 二者沿着风力方向的前后关 系 (即沿着风力方向叶片 21和相应限位装置二者哪个在前、 哪个在后) 是一样 的, 结合图 7所示, 叶片 21在前、 限位装置在后 (参见图 7, 图中叶片 21朝向 纸面的表面为迎风面, 因叶片 21在前、 限位装置在后, 故图 7中限位装置被叶 片 21遮挡), 在图 3中在左侧来风吹动下该叶片系统沿图 13中的顺时针方向旋 转。 通过同时改变所有叶片 21和相应限位装置二者沿着风力方向的前后关 , 可以调整叶片系统的转动方向, 即图 7中的位置关系如果是叶片 21在后、 限位 装置在前, 则该叶片系统沿图 13中的逆时针方向旋转。 实施例二

图 12、 图 13、 图 14和图 15示出了本发明的第二种具体实施方式。

如图 12所示,本实施例与实施例一的区别在于: 叶片轴 22平行于叶片系统 的中心线, 叶片轴承支撑头 222分别安装在相应的叶架顶部支撑杆 232、 叶架底 部支撑杆 233或叶架隔条 236上;叶片止位器 224设置在叶架内侧杆 234和叶架 外侧杆 235 K; 参见图 14, 沿叶片轴 22的轴心线, 叶片 21的表面被区分为大 叶区 212和小叶区 211, 每片叶片 21的右半部分为大叶区 212、左半部分为小叶 区 211, 大叶区 212的面积大于小叶区 211的面积。

图 13示出了在自纸面左侧吹向右侧的风力作用下 位置状态下的叶架上的 叶片 21的情形。 与实施例一的原理相同, 叶片 21处于图 13之 a、 b、 c所示的 各位置状态下, 风力对图 13之 a、 b、 c的叶片 21所做的功为推动叶架沿图 13 中的顺时针方向转动的正功; 叶片 21处于图 13之 d、 e、 f的各位置状态下, 风 力对图 13之 d、 e、 f的叶片 21所做的功为阻止叶架绕图 13中的顺时针方向转 动的负功; 风力作正功时叶片 21是与叶架抵靠在一起的, 风力作负功时叶片 21 被吹离叶架、部分风力吹空, 综合的效果是正功大于负功, 风力使叶架持续沿图 13中的顺时针方向转动且风能利用效率高。

图 14示出了叶片 21处于图 13之&、 b、 c的位置状态下的情形, 风叶 21与 风向的关系为: 风叶 21的迎风面朝向纸面左侧、 背风面朝向纸面右侧, 此时叶 片 21是与叶架抵靠在一起的;图 15示出了叶片 21处于图 13之 e的位置状态下 的情形, 此时叶片 21与叶架平面垂直, 绝大部分风力 "吹空"。 实施例三

图 16示出了本发明的第三种具体实施方式。

本实施例与实施例二的区别在于: 以 6个保护头 12取代保护轮 11, 各保护 头 12与支撑塔 2的塔身之间保留一定的间隙, 运行过程中, 如果风力过大导致 叶架倾斜过分偏离涡轮机主轴轴线,相应的保 护头 12抵顶在支撑塔 2的塔身上, 起到保护叶片系统的作用。 实施例四

图 17示出了本发明的第三种具体实施方式。

本实施例与实施例二的区别在于: 取消保护轮 11 ; 叶架底环 10的内缘具有 适当的径向尺寸以使叶架底环 10的内缘与支撑塔 2的塔身之间保留一定的间隙, 起到保护叶片系统的作用。 如图 18所示, 在垂直轴涡轮机上实施本发明叶片系统时, 采用实施例一中 的保护轮 11的情况下,可以在支撑塔 2塔身的相应位置处设置与保护轮 11相适 配的轮轨 14, 叶片系统安装在支撑塔 2上时保护轮 11置于轮轨 14上, 轮轨 14 对保护轮 11及整个叶片系统都能起到支撑、 保护作用。 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明 所作的进一步详细说明,不能 认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对 于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说, 在不脱离本发明构思的前提下, 还可以做出若干简单推演或替换, 都 应当视为属于本发明的保护范围。