專利名稱：風(fēng)速增速器以及帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屬風(fēng)速增速器以及帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力機(jī)，特別涉及一種能提高風(fēng)速，增加風(fēng)力機(jī)械功率和使用效率的裝置，屬新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源問題是人類社會(huì)發(fā)展面臨的最大問題之一，目前使用得最多的礦物能源如石油、煤和天然氣，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且正日漸枯竭。從人類社會(huì)的長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，開發(fā)無污染的綠色能源是一項(xiàng)迫不容緩的任務(wù)。風(fēng)能便是一種可再生，無污染的綠色能源。
人類利用風(fēng)能作為動(dòng)力，至少已有數(shù)百年歷史，但至今風(fēng)能的使用總量仍然很低，這與風(fēng)能的特點(diǎn)有關(guān)。首先，風(fēng)能的能量密度很低，要取得有一定實(shí)用價(jià)值的風(fēng)能，需要相當(dāng)龐大的風(fēng)力機(jī)械；其次，風(fēng)能不穩(wěn)定，風(fēng)力大小及方向可能隨時(shí)改變，難以與能量需求相互匹配第三，我國大部分地區(qū)平均風(fēng)速較低，現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)械難以工作或只能工作很短的時(shí)間。曾經(jīng)有不少專利發(fā)明試圖用各種方法來“濃集”風(fēng)能，其中比較典型的有“負(fù)壓集能式風(fēng)力發(fā)電方法及裝置”(專利申請?zhí)?9104348)，它是利用引射器或旋流器產(chǎn)生負(fù)壓，用管道與風(fēng)力透平的出口相聯(lián)，以此來增大流過風(fēng)力透平的風(fēng)力；“濃縮流體型發(fā)電裝置”(專利號(hào)ZL94244155.9)則用一個(gè)其流通截面先收縮后擴(kuò)張、并具有夾層結(jié)構(gòu)的“外罩”來“濃縮”風(fēng)的能量；“集風(fēng)式風(fēng)力發(fā)電裝置”(專利號(hào)ZL94230570.1)、“喇叭強(qiáng)力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)”(專利申請?zhí)?1221168.7)和“一種能加大風(fēng)力的風(fēng)力發(fā)電裝置”(專利申請?zhí)?9105725.0)都是用一個(gè)喇叭形的裝置聚集風(fēng)力，空氣從喇叭大口進(jìn)入，從喇叭小口流出并推動(dòng)發(fā)電裝置。上述發(fā)明的共同問題是都需要比風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪尺寸大得多的裝置來聚集風(fēng)力，裝置的構(gòu)造也比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種風(fēng)速增速器以及帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力機(jī)，以提高風(fēng)的能量密度，在相同功率輸出下減小風(fēng)力機(jī)械的迎風(fēng)面積；在相同的尺寸下，提高風(fēng)力機(jī)械的功率，以及增加風(fēng)力機(jī)械年平均工作時(shí)間。裝有風(fēng)速增速器的風(fēng)力機(jī)能在相當(dāng)?shù)偷淖匀伙L(fēng)速下工作，使目前尚無法利用風(fēng)能的廣大低風(fēng)速地區(qū)使用風(fēng)力機(jī)械。本發(fā)明風(fēng)速增速器還能夠利用風(fēng)自身的力量始終自動(dòng)地對準(zhǔn)來風(fēng)方向，以獲得最大的風(fēng)能。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的風(fēng)速增速器，包括主體和轉(zhuǎn)軸，主體為一圓錐形、喇叭口形或方錐形的筒體，其中喇叭口形的型線為曲線，圓錐形、喇叭口形筒體的小端直徑為d，大端直徑為1.4-2d，長為1-4d；方錐形的小端邊長為d，大端邊長為1.4-2d，長度為1-4d，轉(zhuǎn)軸置于靠近小端一側(cè)、筒體長度的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與筒體軸線垂直。
上述風(fēng)速增速器，還可以包括一個(gè)直段，直段長度為0.5-1.5d，直段與所述的筒體的小端相接，轉(zhuǎn)軸置于直段下側(cè)、直段和筒體總長的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與直段軸線垂直。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括風(fēng)速增速器、發(fā)電機(jī)、葉片和塔架，其中的風(fēng)速增速器如上所述，風(fēng)速增速器通過轉(zhuǎn)軸安裝在塔架上，發(fā)電機(jī)置于風(fēng)速增速器內(nèi)靠近小端的安裝架上，葉片位于風(fēng)速增速器的小端，并與發(fā)電機(jī)軸相連，本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器，包括風(fēng)速增速器、一對傘齒輪、葉片和塔架，其中的風(fēng)速增速器如上所述，風(fēng)速增速器置于塔架上，一對傘齒輪置于風(fēng)速增速器的靠近小端一側(cè)，葉片位于風(fēng)速增速器小端并與一對齒輪中的一根轉(zhuǎn)軸相連，一對傘齒輪中的另一根轉(zhuǎn)軸伸出風(fēng)速增速器。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器的另一種結(jié)構(gòu)是，包括帶有直段的風(fēng)速增速器、S型葉輪和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中的風(fēng)速增速器包括主體、轉(zhuǎn)軸和直段，直段主體和筒體的小端相接，轉(zhuǎn)軸置于直段下側(cè)、直段和筒體總長的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與直段軸線垂直。S型葉輪置于風(fēng)速增速器的矩形直段內(nèi)，S型葉輪的轉(zhuǎn)軸伸出風(fēng)速增速器。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的風(fēng)速增速器及其風(fēng)力機(jī)，風(fēng)從筒體的小頭進(jìn)入筒體，而從大頭排出。當(dāng)筒體出口面積為進(jìn)口面積的二倍時(shí)，筒體入口的風(fēng)速可增加30-50％左右，而進(jìn)入筒體的風(fēng)的功率可增加到2.1-3.3倍。因此筒體起到給自然風(fēng)增速的作用。同時(shí)筒體能繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，使它在風(fēng)力作用下始終自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向。本發(fā)明可使風(fēng)力機(jī)械減小尺寸、增加功率、延長年平均工作時(shí)間和使低風(fēng)速地區(qū)有效利用風(fēng)力資源。
流過迎風(fēng)面積為A的、速度為V的風(fēng)，它所具有的功率P可以用下式表達(dá)P=12AρV3]]>式中ρ為空氣密度。由上式可知，風(fēng)力機(jī)械的功率與它的迎風(fēng)面積A成正比、與風(fēng)速V的三次方成正比。增加風(fēng)速可以獲得比增加面積大得多的效益。


圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的風(fēng)速增速器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2和圖3是風(fēng)速增速器的另外兩種結(jié)構(gòu)形式。
圖4是本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5、圖6和圖7是本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器的三種不同的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1～圖7中，1是筒體，2是來風(fēng)方向，3是轉(zhuǎn)軸，4是直段，5、6、7、8是各示意點(diǎn)，9是來風(fēng)，10是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)葉片，11是發(fā)電機(jī)，12是發(fā)電機(jī)安裝架，13是風(fēng)速增速器筒體，15是塔架，16是一對傘齒輪，17是轉(zhuǎn)軸，18是S型葉輪，19是風(fēng)速增速器筒體，20是葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，21是導(dǎo)流擋板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的構(gòu)造及原理。風(fēng)速增速器的主體是一個(gè)流通截面積逐漸擴(kuò)大的筒體，用薄壁材料制成。筒體可以呈圓錐形、方錐形或喇叭口形(型線為曲線)，或帶有直段的圓錐形、方錐形和喇叭口形(型線為曲線)。圖1表示的是圓錐形或方錐形筒體的一個(gè)實(shí)例。圖中1為筒體，2為來風(fēng)方向，小頭直徑或邊長為d，大頭直徑或邊長為1.414d(出口面積為進(jìn)口面積的2倍)，筒體長度為1～3d，在距離小頭約1/3筒體長度的地方有一個(gè)轉(zhuǎn)軸，使筒體能繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)從小頭進(jìn)入筒體，然后從大頭排出。與沒有筒體時(shí)相比，此時(shí)進(jìn)入小頭的空氣體積或風(fēng)速可以增加30-50％左右?，F(xiàn)用附圖2簡要地說明它的原理當(dāng)風(fēng)從小頭進(jìn)入筒體之后，由于流通面積逐漸擴(kuò)大，因而流速逐步下降(出口處流速降低到進(jìn)口風(fēng)速的50％)，靜壓逐漸升高，因而在筒體出口截面上，5點(diǎn)處的壓力要高于6點(diǎn)處壓力，使得有更多氣體排出筒體。而在進(jìn)口截面上，由于筒壁的阻擋作用，7點(diǎn)處的壓力要高于8點(diǎn)處，使得有更多的空氣進(jìn)入筒體。對此也可以作如下理解當(dāng)順著風(fēng)向放置了一個(gè)筒體之后，風(fēng)的流道便一分為二，筒體之內(nèi)為一個(gè)流道，筒體之外為另一個(gè)流道，兩個(gè)流道成并聯(lián)狀態(tài)；若筒體是等截面的，則對風(fēng)的流動(dòng)不產(chǎn)生影響(忽略壁面磨擦阻力)，筒內(nèi)筒外風(fēng)速相等，說明兩個(gè)流道的阻力相等；當(dāng)筒體截面由小漸大時(shí)，筒內(nèi)流道越走越寬廣，使得這個(gè)流道的阻力下降，而筒外流道受筒壁的阻擋，流通截面縮小，阻力增加；在兩個(gè)流道并聯(lián)的情況下，阻力下降的流道必然流量增加。模型實(shí)驗(yàn)證明，對于附圖1形狀的圓錐形筒體，當(dāng)長度為d時(shí)進(jìn)口處風(fēng)速可提高28％，長度為2d時(shí)提高42％，長度為3d時(shí)提高49％。由于風(fēng)的能量與風(fēng)速的三次方成正比，因而進(jìn)入筒體的風(fēng)的能量分別提高到原來的2.1、2.8和3.3倍。圖3帶有直段的風(fēng)速增速器。
圖4表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速增速器中安裝的情況。圖中9為來風(fēng)，10為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)葉片，11為發(fā)電機(jī)，12為發(fā)電機(jī)安裝架，13為風(fēng)速增速器筒體，14為風(fēng)速增速器的旋轉(zhuǎn)軸，15為塔架。風(fēng)速增速器筒體及其內(nèi)部的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整體可以繞軸14轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)軸位置靠近進(jìn)口端，軸線離進(jìn)口處的距離約為筒體長度的1/3。這種結(jié)構(gòu)可以保證它在風(fēng)力作用下始終自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向。發(fā)電機(jī)安裝架用薄板制成，并具有盡可能小的迎風(fēng)面積，轉(zhuǎn)軸14應(yīng)該足夠堅(jiān)固而且靈活，不致被強(qiáng)風(fēng)損壞。
如果需要將葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到地面，可以使用附圖5所示的裝置。圖中用一對傘齒輪16改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，并通過轉(zhuǎn)軸17將轉(zhuǎn)動(dòng)傳送到地面。通過改變傘齒輪的直徑和齒數(shù)，可以改變轉(zhuǎn)動(dòng)比，使轉(zhuǎn)動(dòng)加快或減慢。若使用阻力型葉輪，不用傘齒輪就可將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到地面。見附圖5，18是S型葉輪，19是風(fēng)速增速器筒體，20是葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。在附圖5中，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與風(fēng)速增速器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線是重合的。圖6所示的風(fēng)速增速器筒體與附圖3稍有不同，它的幾何形狀不再是簡單的圓錐體，而是由方錐形和它前面的直段兩部分組成，矩形直段部分用來安裝阻力型葉片，方錐形部分用來增大風(fēng)速，而且在直段進(jìn)口端，在葉輪逆風(fēng)運(yùn)動(dòng)的一側(cè)裝有導(dǎo)流擋板21，以便減小葉輪逆風(fēng)側(cè)的阻力并將這部分風(fēng)力引向葉輪的順風(fēng)運(yùn)動(dòng)一側(cè)。直段長度為0.5-1.5d，直段與所述的筒體的小端相接，轉(zhuǎn)軸置于直段下側(cè)、直段和筒體總長的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與直段垂直。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)速增速器，其特征在于該風(fēng)速增速器包括主體和轉(zhuǎn)軸，主體為一圓錐形、喇叭口形或方錐形的筒體，其中喇叭口形的型線為曲線，圓錐形、喇叭口形筒體的小端直徑為d，大端直徑為1.4-2d，長為1-4d；方錐形的小端邊長為d，大端邊長為1.4-2d，長度為1-4d，轉(zhuǎn)軸置于靠近小端一側(cè)、筒體長度的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與筒體軸線垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)速增速器，其特征在于還包括一個(gè)直段，直段長度為0.5-1.5d，直段與所述的筒體的小端相接，轉(zhuǎn)軸置于直段下側(cè)、直段和筒體總長的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與直段軸線垂直。
3.一種帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，該發(fā)電機(jī)包括風(fēng)速增速器、發(fā)電機(jī)、葉片和塔架；所述的風(fēng)速增速器包括主體和轉(zhuǎn)軸，主體為一圓錐形或喇叭口形筒體，其中喇叭口形的型線為曲線，圓錐形、喇叭口形筒體的小端直徑為d，大端直徑為1.4-2d，長為1-4d；轉(zhuǎn)軸置于靠近小端一側(cè)、筒體長度的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與筒體軸線垂直；所述的風(fēng)速增速器通過轉(zhuǎn)軸安裝在塔架上，所述的發(fā)電機(jī)置于風(fēng)速增速器內(nèi)靠近小端的安裝架上，葉片位于風(fēng)速增速器的小端，并與發(fā)電機(jī)軸相連，
4.一種帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)器包括風(fēng)速增速器、一對傘齒輪、葉片和塔架；所述的風(fēng)速增速器包括主體和轉(zhuǎn)軸，主體為一圓錐形或喇叭口形的筒體，其中喇叭口形的型線為曲線，圓錐形、喇叭口形筒體的小端直徑為d，大端直徑為1.4-2d，長為1-4d；轉(zhuǎn)軸置于靠近小端一側(cè)、筒體長度的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與筒體軸線垂直；所述的風(fēng)速增速器置于塔架上，一對傘齒輪置于風(fēng)速增速器的靠近小端一側(cè)，葉片位于風(fēng)速增速器小端并與一對齒輪中的一根轉(zhuǎn)軸相連，一對傘齒輪中的另一根轉(zhuǎn)軸伸出風(fēng)速增速器。
5.一種帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)器包括帶有直段的風(fēng)速增速器、S型葉輪和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸；所述的風(fēng)速增速器包括主體、轉(zhuǎn)軸和直段，主體為一圓錐形、喇叭口形或方錐形的筒體，其中喇叭口形的型線為曲線，圓錐形、喇叭口形筒體的小端直徑為d，大端直徑為1.4-2d，長為1-4d；方錐形的小端邊長為d，大端邊長為1.4-2d，長度為1-4d；所述的直段長度為0.5-1.5d，直段與所述的筒體的小端相接，轉(zhuǎn)軸置于直段下側(cè)、直段和筒體總長的1/3處，轉(zhuǎn)軸軸線與直段軸線垂直；所述的S型葉輪置于風(fēng)速增速器的矩形直段內(nèi)，S型葉輪的轉(zhuǎn)軸伸出風(fēng)速增速器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)速增速器以及帶有風(fēng)速增速器的風(fēng)力機(jī),其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)尺寸逐漸擴(kuò)大的筒體,用薄壁材料制成,在筒體小頭一側(cè)約筒體長度的1/3處有一個(gè)轉(zhuǎn)軸。在筒體中靠進(jìn)口處裝設(shè)風(fēng)力機(jī)械,如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)葉輪和發(fā)電機(jī),或阻力型葉輪和它的輸出軸。風(fēng)從筒體的小頭進(jìn)入筒體,而從大頭排出。當(dāng)筒體出口面積為進(jìn)口面積的二倍時(shí),筒體入口的風(fēng)速可增加30－50%左右,而進(jìn)入筒體的風(fēng)的功率可增加到2.1～3.3倍。因此筒體起到給自然風(fēng)增速的作用。同時(shí)筒體能繞垂直軸旋轉(zhuǎn),使它在風(fēng)力作用下始終自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向。本發(fā)明可使風(fēng)力機(jī)械減小尺寸、增加功率、延長年平均工作時(shí)間和使低風(fēng)速地區(qū)有效利用風(fēng)力資源。
文檔編號(hào)F03D3/04GK1343840SQ0114161
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者過增元, 胡桅林, 任建勛 申請人:清華大學(xué)