一种高效自变桨垂直轴风机及其工作方法

技术领域

本发明涉及风机发电技术领域，具体涉及一种高效自变桨垂直轴风机及其工作方法。

背景技术

化石能源争夺日趋激烈，且化石能源不可避免的高污染特性使全球各国不约而同开始关注清洁可再生能源。风能作为一种清洁、无污染、储量大、易开采的可再生能源，是世界各国开发的重点。

风力发电机在全世界得到飞速的发展，水平轴风机以绝对的优势占据了市场的大部分份额，垂直轴风机的发展却相对滞后，但近些年来，随着人们对垂直轴风机的研究，垂直轴风机独特的结构及优异的性能逐渐为人所知。现今市场上升力型垂直轴风力发电机的主要研究方向为叶片的形状，其叶片形状较为复杂，且传统阻力型垂直轴风机风能利用率不能达到很高。

因此，发明一种高效自变桨垂直轴风机及其工作方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效自变桨垂直轴风机及其工作方法，以解决传统阻力型垂直轴风机风能利用率不能达到很高，且叶片形状较为复杂，制作成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高效自变桨垂直轴风机，包括风机主轴，所述风机主轴外侧表面贯穿有第一通孔，所述第一通孔底部开设有第二通孔，且第一通孔与第二通孔垂直分布，所述风机主轴外侧表面位于第一通孔和第二通孔正下方位置均开设有安装槽，且安装槽不贯穿风机主轴，所述第一通孔与第二通孔内均插接有风机支杆，所述风机支杆轴心位于风机主轴的中轴线上，所述风机支杆与风机主轴通过端盖连接，且风机支杆与端盖的连接处设有滚珠轴承，所述风机支杆两端均设有风机叶片，两个所述风机叶片之间的夹角设置为90°，所述安装槽内通过端盖和滚珠轴承转动连接有连接杆，所述连接杆远离安装槽的一端设有连接段，所述连接段一侧顶部固定连接有气弹簧，所述气弹簧输出轴上开设有条形孔，所述风机支杆两侧均开设有第三通孔，两个所述第三通孔垂直分布，且两个第三通孔内均插接有拉杆，所述拉杆一端通过螺母固定在风机支杆上，所述拉杆另一端固定连接有匚形件，所述匚形件内侧固定连接有圆形短轴，所述圆形短轴滑动连接于条形孔内部。

优选的，所述风机支杆最小轴径为68mm，且风机支杆设置为实心轴，所述风机支杆由铝合金材料制成，所述风机支杆与风机叶片通过结构胶进行固定结合。

优选的，所述风机叶片设置为平板状，且风机叶片由PC耐力板制成，所述风机叶片与风机主轴之间设有间隙。

优选的，所述第一通孔和第二通孔的数量均设置为三个，且对应的风机叶片数量共设置为十二个，相邻的两个第一通孔与第二通孔之间的距离设置为100mm。

优选的，所述风机主轴底部设置为安装段，所述安装段直径小于风机主轴主体直径，所述安装段外侧套接有支撑罩，所述安装段底端设有槽口，所述槽口内固定连接有深沟球轴承，且安装段与支撑罩通过深沟球轴承转动连接。

优选的，所述深沟球轴承底端设有推力球轴承，所述支撑罩底端设有固定架，所述固定架由内壳和外壳组成，所述内壳套接在外壳内部。

优选的，所述内壳设置为环状结构，且内壳内环与支撑罩外壁相匹配，所述内壳内环顶部开设有凹槽，所述凹槽与推力球轴承和深沟球轴承外壁相匹配，且风机主轴与内壳通过推力球轴承转动连接。

优选的，所述内壳和外壳均与风机主轴同轴设置，所述内壳一侧低端开设有动力输出口，且外壳上预留有传导槽，所述内壳和外壳均通过螺钉或螺栓与地面或固定在地面的钢板固定连接。

一种高效自变桨垂直轴风机的工作方法，具体工作步骤如下：

步骤一：安装，将内壳与外壳组装成固定架并固定在地面上，将发电机设备安装在固定架底部，并将动力传导机构从动力输出口和传导槽内延伸至内壳内环内部，随后将安装好的自变桨垂直轴风机主体并结合推力球轴承和深沟球轴承以及支撑罩实现安装，并将动力传导机构实现对接后，完成装置的整体安装；

步骤二：发电，安装好的自变桨垂直轴风机主体中风机叶片负责受力，风吹动两边风机叶片产生的力矩不同，使风机主轴转动，无风静止时，由于重力的作用，两边的风机叶片都与水平面呈45度角，此时为仅受重力时的平衡状态，当风吹来时，一边风机叶片向下转动，其迎风面积变大，另一边风机叶片向上转动，其迎风面积变小，两个风机叶片呈90°角，当风力足够大时，通过气弹簧对转动进行限位，可使一侧迎风面积达到最大，即此风机叶片与水平面垂直，且此时此风机叶片处的气弹簧受压，另一侧迎风面积几乎为零，即与水平面平行，达到最大利用风能的状态，当风机叶片转到与风向平行时，利用气弹簧的弹力与风机叶片自身的重力，使它们回到最初无风时的平衡状态，此时有一定速度，且风机主轴在继续转动，风力进行作用，最终形成另一个最大利用风能的状态，实现循环转动，经动力传导机构与发电机设备配合将机械能转化为电能。

在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

1、通过多个风机叶片呈一定夹角均匀分布在风机主轴外侧，利用相对应的两个呈垂直分布的风机叶片以及连接杆、气弹簧、条形孔和圆形短轴作用，使拉杆拉动风机支杆绕风机主轴往复摆动，实现风机叶片角度适应性变化，使一侧迎风面积达到最大，另一侧迎风面积几乎为零，达到减阻增效的效果，提升其风能利用率，兼具水平轴风机和垂直轴风机的优点；

2、通过PC耐力板制作平板状风机叶片，结构简单，制造、加工等成本更低，在利用内壳与外壳组装成固定架并固定在地面上，用来安装支撑自变桨垂直轴风机主体，并将其旋转机械运动与动力传导机构传动，再将动力传导机构与发电机设备连接，实现快速安装和稳定工作的效果，动力传导机构从动力输出口和传导槽内延伸至内壳内环内部，便于后期维护，利用推力球轴承和深沟球轴承相结合并配合支撑罩的连接支撑方式，有效提高装置运动稳定性和灵活度，提高发电效率，延长装置的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构第一视角立体图；

图2为本发明的整体结构第二视角立体图；

图3为本发明的整体结构主视图；

图4为本发明的局部拆分结构示意图；

图5为本发明的局部段立体图；

图6为本发明风机支杆与风机叶片的连接结构示意图；

图7为本发明风机主轴的立体图。

附图标记说明：

1风机主轴、2第一通孔、3第二通孔、4安装槽、5风机支杆、6端盖、7风机叶片、8连接杆、9连接段、10气弹簧、11条形孔、12拉杆、13螺母、14匚形件、15圆形短轴、16安装段、17支撑罩、18槽口、19深沟球轴承、20推力球轴承、21内壳、22外壳、23动力输出口。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

本发明提供了如图1-7所示的一种高效自变桨垂直轴风机，包括风机主轴1，所述风机主轴1外侧表面贯穿有第一通孔2，所述第一通孔2底部开设有第二通孔3，且第一通孔2与第二通孔3垂直分布，所述风机主轴1外侧表面位于第一通孔2和第二通孔3正下方位置均开设有安装槽4，且安装槽4不贯穿风机主轴1，所述第一通孔2与第二通孔3内均插接有风机支杆5，所述风机支杆5轴心位于风机主轴1的中轴线上，所述风机支杆5与风机主轴1通过端盖6连接，且风机支杆5与端盖6的连接处设有滚珠轴承，所述风机支杆5两端均设有风机叶片7，两个所述风机叶片7之间的夹角设置为90°，所述安装槽4内通过端盖6和滚珠轴承转动连接有连接杆8，所述连接杆8远离安装槽4的一端设有连接段9，所述连接段9一侧顶部固定连接有气弹簧10，所述气弹簧10输出轴上开设有条形孔11，所述风机支杆5两侧均开设有第三通孔，两个所述第三通孔垂直分布，且两个第三通孔内均插接有拉杆12，所述拉杆12一端通过螺母13固定在风机支杆5上，所述拉杆12另一端固定连接有匚形件14，所述匚形件14内侧固定连接有圆形短轴15，所述圆形短轴15滑动连接于条形孔11内部。

进一步的，在上述技术方案中，所述风机支杆5最小轴径为68mm，且风机支杆5设置为实心轴，所述风机支杆5由铝合金材料制成，所述风机支杆5与风机叶片7通过结构胶进行固定结合。

进一步的，在上述技术方案中，所述风机叶片7设置为平板状，且风机叶片7由PC耐力板制成，所述风机叶片7与风机主轴1之间设有间隙。

进一步的，在上述技术方案中，所述第一通孔2和第二通孔3的数量均设置为三个，且对应的风机叶片7数量共设置为十二个，相邻的两个第一通孔2与第二通孔3之间的距离设置为100mm。

进一步的，在上述技术方案中，所述风机主轴1底部设置为安装段16，所述安装段16直径小于风机主轴1主体直径，所述安装段16外侧套接有支撑罩17，所述安装段16底端设有槽口18，所述槽口18内固定连接有深沟球轴承19，且安装段16与支撑罩17通过深沟球轴承19转动连接。

进一步的，在上述技术方案中，所述深沟球轴承19底端设有推力球轴承20，所述支撑罩17底端设有固定架，所述固定架由内壳21和外壳22组成，所述内壳21套接在外壳22内部，外壳22设置为连接地面的底座，内壳21与风机主轴1连接提供横向的支撑力，防止其被吹倒。

进一步的，在上述技术方案中，所述内壳21设置为环状结构，且内壳21内环与支撑罩17外壁相匹配，所述内壳21内环顶部开设有凹槽，所述凹槽与推力球轴承20和深沟球轴承19外壁相匹配，且风机主轴1与内壳21通过推力球轴承20转动连接，推力球轴承20和深沟球轴承19均设置在凹槽内部，提高装置的稳定性。

进一步的，在上述技术方案中，所述内壳21和外壳22均与风机主轴1同轴设置，所述内壳21一侧低端开设有动力输出口23，且外壳22上预留有传导槽，所述内壳21和外壳22均通过螺钉或螺栓与地面或固定在地面的钢板固定连接，动力输出口23与传导槽相匹配，主要用于动力传导机构的动力引出。

一种高效自变桨垂直轴风机的工作方法，具体工作步骤如下：

步骤一：安装，将内壳21与外壳22组装成固定架并固定在地面上，将发电机设备安装在固定架底部，并将动力传导机构从动力输出口23和传导槽内延伸至内壳21内环内部，随后将安装好的自变桨垂直轴风机主体并结合推力球轴承20和深沟球轴承19以及支撑罩17实现安装，并将动力传导机构实现对接后，完成装置的整体安装；

步骤二：发电，安装好的自变桨垂直轴风机主体中风机叶片7负责受力，风吹动两边风机叶片7产生的力矩不同，使风机主轴1转动，无风静止时，由于重力的作用，两边的风机叶片7都与水平面呈45度角，此时为仅受重力时的平衡状态，当风吹来时，一边风机叶片7向下转动，其迎风面积变大，另一边风机叶片7向上转动，其迎风面积变小，两个风机叶片7呈90°角，当风力足够大时，通过气弹簧10对转动进行限位，可使一侧迎风面积达到最大，即此风机叶片7与水平面垂直，且此时此风机叶片7处的气弹簧10受压，另一侧迎风面积几乎为零，即与水平面平行，达到最大利用风能的状态，当风机叶片7转到与风向平行时，利用气弹簧10的弹力与风机叶片7自身的重力，使它们回到最初无风时的平衡状态，此时有一定速度，且风机主轴1在继续转动，风力进行作用，最终形成另一个最大利用风能的状态，实现循环转动，经动力传导机构与发电机设备配合将机械能转化为电能。

本发明工作原理：

参照说明书附图1-7，本装置在工作时，多个风机叶片7均匀分布，且多个风机叶片7的角度规划以及风机支杆5连接着风机叶片7与风机主轴1，在垂直轴风机工作中风机支杆5随风机叶片7一起旋转，风吹动两边风机叶片7时，风机主轴1转动，无风静止时，由于重力的作用，两边的风机叶片7都与水平面呈45度角，此时为仅受重力时的平衡状态，当风吹来时，一边风机叶片7向下转动，其迎风面积变大，另一边风机叶片7向上转动，其迎风面积变小，两个风机叶片7呈90°角，当风力足够大时，气弹簧10收缩并配合圆形短轴15在条形孔11内部滑动，从而适用性供力给拉杆12，配合连接杆8的可转动限位，能够使风机支杆5往复转动，当一侧风机叶片7与水平面垂直时，迎风面积达到最大，且此时此风机叶片7处的气弹簧10受压，另一侧迎风面积几乎为零，即与水平面平行，达到最大利用风能的状态，当风机叶片7转到与风向平行时，利用气弹簧10的弹力与风机叶片7自身的重力，使它们回到最初无风时的平衡状态，此时有一定速度，且风机主轴1在继续转动，风力进行作用，最终形成另一个最大利用风能的状态，实现循环转动，经动力传导机构与发电机设备配合将机械能转化为电能；

参照说明书附图1-7，本装置通过内壳21与外壳22组装成固定架并固定在地面上，用来安装支撑自变桨垂直轴风机主体，并将其旋转机械运动与动力传导机构传动，再将动力传导机构与发电机设备连接，实现快速安装和稳定工作的效果，动力传导机构从动力输出口23和传导槽内延伸至内壳21内环内部，便于后期维护，利用推力球轴承20和深沟球轴承19相结合并配合支撑罩17的连接支撑方式，有效提高装置运动稳定性和灵活度，提高发电效率，延长装置的使用寿命。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。