CN101137843A - 垂直轴风车用叶片和具备该叶片的升力型垂直轴风车 - Google Patents

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Abstract

提供一种垂直轴风车用叶片和具备该叶片的升力型垂直轴风车，能够以简单的机械结构，在高风速时在风车的旋转速度上升为规定值以上时容易地抑制旋转速度的过度上升。在叶片(1)上设有空气制动器(2)，在比该空气制动器(2)的重心靠后缘的位置上具有轴承(3)，空气制动器(2)通过轴承(3)可转动地安装在叶片(1)上。此外，在空气制动器(2)的前部内侧面上安装有大致S字形的弹簧支架板(6)，该弹簧支架板(6)向空气制动器(2)的前方较大地突出，并由收容在受风室(12)的靠近前部的弹簧部件(7)施力。在风车的旋转速度上升到规定值以上时，空气制动器(2)的前缘侧通过离心力从翼面突出，并且通过空气制动器(2)的后缘侧从翼面凹陷到内侧来形成空气阻力产生部，由此来抑制风车的旋转速度的上升。

Description

垂直轴风车用叶片和具备该叶片的升力型垂直轴风车
技术领域
本发明涉及一种通过支撑臂设在垂直轴风车的旋转轴上、受到逆风而产生升力、通过该升力使旋转轴旋转的垂直轴风车用叶片和具备该叶片的升力型垂直轴风车，作为风车的具体形式涉及直线翼打蛋(Darrieus)型风车、打蛋型风车及具有它们的要素的垂直轴风车等。
背景技术
作为能够以比较高的能量转换效率将风能变换为动力的风车，以往已知有水平轴螺旋桨型风车、具有垂直旋转轴的打蛋型风车及直线翼打蛋型风车。其中，水平轴螺旋桨型风车在近年的大型风车的大部分中采用。对于打蛋型风车，具有缺乏弱风时的自启动性的缺点，但具有完全不需要对风向的追随控制、在东西南北哪个方向上都相等地发挥性能的优点，因此特别作为适合于城市及生活圈内的设置的小型风车期待其发展和应用。
在这中打蛋型风车及直线翼打蛋型风车中，叶片绕轴旋转的圆周速度随着风速的增大而变为高速。为了在如台风那样的强风中确保风车的安全，该形式的风车需要停止旋转的制动装置，优选在风车变为不能制动那样的高速旋转之前的安全运转范围内预先停止运转。
特别在直线翼打蛋型风车中，由于叶片以垂直的状态、以垂直旋转轴为中心高速旋转，所以在叶片上产生离心力从而以叶片的固定点为中心作用有较大的弯曲力矩。为了预防由此的叶片的损坏，如果达到规定的风速或转速则必须采取停止风车或代替它的对策。在使风车完全停止的情况下，风车停止后成为输出为零的状态，完全不能利用强风所具有的较大的保有能量的哪怕一部分。
所以，提出了在翼面上设置控制片、通过打开该控制片来产生空气阻力从而降低升力、由此控制转速的结构(参照专利文献1)。
专利文献1：特开昭54-17439号公报
但是，在上述公报(专利文献1)的图7和图8所示的扰流器的结构中，在空间非常有限的叶片上以怎样的构造设置、通过怎样的运转参数能够将控制片打开或关闭，完全没有具体性、不具有实现性。
并且，对于到某种程度为止的范围的强风，有在风车输出轴上设置电磁制动器从而使其减速以便能够继续运转的方法，但在此情况下一直需要使其动作的电力，或者需要产生电流的接收负载，另一方面，有输出轴上依然持续作用有过大的转矩等的缺点。此外，作为其他方法，也可以考虑通过机械式制动器使其减速的方法，但是有摩擦盘的发热的除去和摩擦面的耐久性的界限等困难的问题，没有现实上有效的解决对策。
发明内容
所以，本发明是考虑这样的问题点而做出的，目的是提供一种垂直轴风车用叶片和具备该叶片的升力型垂直轴风车，该垂直轴风车用叶片仅通过自身的离心力作用和可靠性较高的简单的机械结构，通过叶片的旋转速度上升到规定值以上时产生的离心力从翼面自动地突出从而产生空气阻力来较强地抑制旋转速度的上升，由此能够不停止风车、也没有热能的积蓄地减速从而能够继续某种程度以上的发电。
为了解决上述问题，技术方案1的垂直轴风车用叶片为，通过支撑臂设在垂直轴风车的旋转轴上，受到风而产生升力，通过该升力使上述旋转轴旋转，其特征在于，具备：空气制动器(ェアブレ—キ)，设在距离上述旋转轴较远侧的翼面上，通过在叶片的旋转速度上升为规定值以上时产生的离心力从上述翼面自动地突出，由此产生空气阻力，并且通过使空气的流线紊乱、使翼面产生的升力降低，由此来抑制旋转速度的上升；突出抑制部，在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时将该空气制动器维持为关闭状态。
由此，如果风速超过一定值，则空气制动器对应于该风速自动地从翼面突出，并产生空气阻力，由此能够以简单的结构有效地进行旋转速度的控制。
此外，技术方案2的发明的特征在于，上述空气制动器在关闭状态下，该空气制动器的外面成为上述叶片的标准翼型的一部分。
由此，在空气制动器的关闭时(通常发电时)，该空气制动器作为翼的一部分起作用从而有利于升力产生，所以能够防止发电能力的降低。
此外，技术方案3的发明的特征在于，将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘的位置上，上述空气制动器通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；该空气制动器在叶片的旋转速度上升为规定值以上时，离翼前缘近侧的空气制动器端通过高速旋转时的离心力从翼面突出，由此在空气制动器前缘侧产生空气阻力，并且使空气的流线紊乱，使翼产生的升力降低，由此抑制旋转速度的上升；上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此将该空气制动器的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
由此，在空气制动器动作时在前缘侧产生空气阻力与流线的紊乱，所以生成制动力。
此外，技术方案4的发明的特征在于，将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘且接近空气制动器的形状中心的位置上，通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；上述空气制动器在上述叶片的旋转速度上升为规定值以上时，离翼前缘近侧的空气制动器端通过高速旋转时的离心力从翼面突出、同时离翼后缘近侧的空气制动器端从翼面向内侧凹陷，由此在空气制动器前缘侧产生第1空气阻力和流线的紊乱，与空气制动器后缘邻的叶片截面在由空气制动器的凹陷产生的空气流露出部分上产生第2空气阻力和流线的紊乱，由此抑制旋转速度的上升；上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此该空气制动器将空气制动器整体的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
由此，在空气制动器动作时在前后两处产生空气阻力与流线的紊乱，所以倍增了制动力。
此外，技术方案5的升力型垂直轴风车的特征在于，具备上述垂直轴风车用叶片。
根据本发明，在非常强的风开始吹动、风车的旋转速度上升到接近于机械安全上的界限时，当作用在空气制动器上的离心力超过一定值时，空气制动器反抗按压空气制动器的抑制力而从翼面(向外径侧)突出，从而产生较大的空气阻力，并且使空气的流动较大地紊乱，显著地损害翼本来的正常升力产生，所以尽管是简单的结构，但能够容易地抑制旋转速度的过度上升。
附图说明
图1是用来实施本发明的垂直轴风车用叶片的最佳方式的剖视图。
图2是表示使用本发明的垂直轴风车用叶片的风车的例子的部分剖开立体图。
图3是从图1中的X箭头方向观察的叶片1的部分剖开侧视图。
图4是在空气制动器2突出的情况下从风车的上方观察的图。
图5是空气制动器2突出的情况下叶片1的A-A剖视图。
标号说明
1叶片
2空气制动器
3轴承
4轴
6弹簧支架板
7弹簧部件
8挡块
9安装螺钉
12受风室
13背面
14轴承座
具体实施方式
参照图说明用来实施本发明的垂直轴风车用叶片的最佳方式。图1是使用了本发明的垂直轴风车用叶片的直线翼型垂直轴风车的部分剖开立体图。图2是用来实施本发明的垂直轴风车用叶片的最佳方式的A-A剖视图。
如图1.所示，该直线翼型垂直轴风车具备安装在电线杆等的柱形的设置台A上的筒形的安装部B、固定在该安装部B上并且轴线垂直地配设的圆棒形的固定轴C、安装在该固定轴C的外周上的轴承E、安装在该轴承E的外周上并能够绕固定轴旋转的筒形的外圈套筒D、与外圈套筒D一体旋转的圆筒状的转矩传递管F、传递转矩传递管F的输出转矩的连结器I、以及发电机G等。
此外，在该直线翼型垂直轴风车中，搭载在固定轴C的上端部的发电机G收容在转矩传递帽F的内部，转矩传递帽F的旋转转矩经由增速机H、连结器I传递给发电机G的输入轴。
叶片1一根根地以叶片1的旋转轴为中心、以等角度改变位置地配置，并通过撑杆J接合·固定在外圈套筒D上，外圈套筒进一步连结在转矩传递帽F上，将旋转转矩传递给增速机及发电机。另外，本发明并不限定叶片1的数量，通常从2片、3片、4片及5片之中选择。
此外，将叶片1的旋转运动向发电机传递的机构并不限于上述构造，也较多地采用的构造为，将叶片1通过撑杆J接合在旋转轴上、将旋转轴延长并通过设在轴的外周上的两处以上的轴承来支撑轴延长部分。在此情况下，发电机设置在延长旋转轴的轴端部分上。
如图2所示，叶片1以轻量化为目的而形成有内部被挖空的空洞部11。另外，靠近后缘的空洞部11如后所述成为预定风的侵入的受风室12。
该受风室12在作为距离旋转轴较远侧的翼面的背面13上开放，空气制动器2覆盖该开放面。图3是从图1中的X箭头方向观察的叶片1的部分剖开侧视图。如图3所示，在该受风室12内设有在叶片1的长度方向上延伸的轴承座14。
此外，如图2所示，空气制动器2构成叶片1的背面13的一部分，是稍稍弯曲的板状态，在其大致中央部(比空气制动器2的自重重心靠后缘)的位置上，与叶片1的长度方向并行地设有作为轴安装部的轴承3。空气制动器2通过该轴承3支撑在叶片1的轴承座14上，以便使其能够以轴4为中心转动并使制动器2的前缘侧的端部能够向叶片1的曲面的外侧突出。
在空气制动器2的前部内侧面上安装有大致S字形的弹簧支架板6。该弹簧支架板6向空气制动器2的前方较大地突出，由收容在靠近受风室12的前部的构成突出抑制部的弹簧部件7施力。
这种弹簧部件7由螺旋弹簧等形成，卷绕在突出固定在受风室12中的圆柱形的挡块8上并被导向。该弹簧部件7经由弹簧支架板6施力，以使空气制动器2倒伏。
另外，突出抑制力被设定为与风车的转速达到预先设定的转速时的施加在空气制动器2上的离心力平衡的值。因而，在达到该值之前空气制动器2不动，当超过该值时开始向外径侧突出从而产生空气阻力、并抑制转速。该值是对应于叶片1的强度等风车整体的强度设计而适当设计的。
挡块8在空气制动器2突出时与弹簧支架板6抵接，由从背面13贯通的安装螺钉9可更换地安装固定。
该挡块8通过对弹簧部件7的压缩长度施加限制，由此排除弹簧部件7由空气制动器2过度按压而使材料屈服的风险。
在这种结构中，在通常(风车的旋转速度为规定值以下)时，如图2所示，通过弹簧部件7的抑制力将空气制动器2保持在常用位置(关闭状态)，空气制动器2的外面被维持在与叶片1的翼外面相同的平面上，此时的空气制动器2作为翼面的一部分起作用并产生升力。
并且，当由于风速增加、风车的旋转速度上升而在空气制动器2上作用有规定值以上的离心力时，空气制动器2抵抗弹簧部件7的抑制力向外径侧突出。图4是在空气制动器2突出的情况下从风车的上方观察的图。在该图4中，对于一个叶片1表示周边空气的流动状况。此外，图5是空气制动器2突出的情况下叶片1的A-A剖视图。
如图4所示，突出的空气制动器2相对于逆风(风速V)产生较大的空气阻力，并且空气的流动较大地紊乱，显著地损害翼本来的正常的升力产生，所以可进行旋转速度的自动调节。此外，如图5所示，在空气制动器2突出时，由于与挡块8抵接，因此能够将空气制动器2的突出限制在一定范围内，并且能够防止弹簧部件7的过度变形。
因而，即使在非常强的风速下也不需要全面中止风车运转，能够继续运转从而继续一定量以上的发电。并且，由于利用弹簧部件7的抑制力和作用在空气制动器2上的离心力，所以不需要另外设置用来使空气制动器2作用的动力，能够以简单的结构进行转速的控制。
另外，当通过弹性部件形成挡块8时，通过与弹簧支架板6的S字形的弹性的相乘效果，能够减小弹簧支架板6、挡块8的抵接的冲击。
此外，也可以在空气制动器2的受风室12侧的内缘端延伸设置肋板、从而进行强度的加强。
此外，在上述的实施例中，空气制动器2具有与叶片1大致同样的长度，但并不限于此，也可以缩短空气制动器或设置在所有叶片中的一部分上，由此来任意设定空气制动器的影响度。
Figure A20058004901200181
Figure A20058004901200191

Claims (7)

1.一种垂直轴风车用叶片，通过支撑臂设在垂直轴风车的旋转轴上，受到风而产生升力，通过该升力使上述旋转轴旋转，其特征在于，具备：
空气制动器，设在距离上述旋转轴远侧的翼面上，通过在叶片的旋转速度上升到规定值以上时产生的离心力从上述翼面自动地突出，由此产生空气阻力，并且使空气的流线紊乱、使翼面产生的升力降低，由此抑制旋转速度的上升；以及
突出抑制部，在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，将该空气制动器维持为关闭状态。
2.如权利要求1所述的垂直轴风车用叶片，其特征在于，
将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘的位置上，上述空气制动器通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；
该空气制动器在叶片的旋转速度上升到规定值以上时，通过离翼前缘近侧的空气制动器端在高速旋转时的离心力从翼面突出，由此在空气制动器前缘侧产生空气阻力，并且使空气的流线紊乱、使翼的产生升力降低，由此抑制旋转速度的上升；
上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此将该空气制动器的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
3.如权利要求1所述的垂直风车用叶片，其特征在于，
将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘且接近空气制动器的形状中心的位置上，通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；
上述空气制动器在上述叶片的旋转速度上升到规定值以上时，通过离翼前缘近侧的空气制动器端在高速旋转时的离心力从翼面突出、同时离翼后缘近侧的空气制动器端比翼面向内侧凹陷，由此在空气制动器前缘侧产生第1空气阻力和流线的紊乱，与空气制动器后缘邻接的叶片截面在由于空气制动器的凹陷而产生的空气流露出部分上产生第2空气阻力和流线的紊乱，由此抑制旋转速度的上升；
上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此该空气制动器将空气制动器整体的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
4.如权利要求1所述的垂直轴风车用叶片，其特征在于，
上述空气制动器在关闭状态下，该空气制动器的外面成为上述叶片的标准翼型的一部分。
5.如权利要求4所述的垂直轴风车用叶片，其特征在于，
将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘的位置上，上述空气制动器通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；
该空气制动器在叶片的旋转速度上升到规定值以上时，通过离翼前缘近侧的空气制动器端在高速旋转时的离心力从翼面突出，由此在空气制动器前缘侧产生空气阻力，并且使空气的流线紊乱、使翼的产生升力降低，由此抑制旋转速度的上升；
上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此将该空气制动器的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
6.如权利要求4所述的垂直风车用叶片，其特征在于，
将轴安装部与叶片的长度方向并行地设在比上述空气制动器的自重重心靠后缘且接近空气制动器的形状中心的位置上，通过上述轴安装部可转动地安装在叶片上；
上述空气制动器在上述叶片的旋转速度上升到规定值以上时，通过离翼前缘近侧的空气制动器端在高速旋转时的离心力从翼面突出、同时离翼后缘近侧的空气制动器端比翼面向内侧凹陷，由此在空气制动器前缘侧产生第1空气阻力和流线的紊乱，与空气制动器后缘邻接的叶片截面在由于空气制动器的凹陷而产生的空气流露出部分上产生第2空气阻力和流线的紊乱，由此抑制旋转速度的上升；
上述突出抑制部在施加在上述空气制动器上的离心力为规定值以下时，由于抑制该空气制动器的突出的抑制力超过离心力，因此该空气制动器将空气制动器整体的外面维持在与叶片翼外面相同的平面上。
7.一种升力型垂直轴风车，其特征在于，
具备权利要求1～6中任一项所述的垂直风车用叶片。
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