一種階梯馬格努斯型風(fēng)力葉片及風(fēng)力機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種馬格努斯型風(fēng)力葉片及 風(fēng)力機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 可再生能源是解決能源危機(jī)的最佳途徑，而風(fēng)力發(fā)電又是可再生能源行業(yè)中發(fā)展 最迅速、技術(shù)最成熟、前景最廣闊的行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性不 斷改善，加之我國(guó)已把可再生能源作為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電擁有巨大 的潛在市場(chǎng)。
[0003] 風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)組的核心部件，直接關(guān)系到風(fēng)力利用的效率?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的 葉片多為傳統(tǒng)翼型葉片，基于來(lái)流風(fēng)速均勻穩(wěn)定的條件下設(shè)計(jì)的，并未考慮大氣邊界層的 風(fēng)力梯度對(duì)效率的影響。而實(shí)際工作的風(fēng)力機(jī)大都工作在200米以內(nèi)的大氣邊層內(nèi)，由于地 面粘度和地形粗糙度的作用，使得靠近地面的大氣邊界層處存在較大的風(fēng)力梯度，該梯度 作用于葉片上將產(chǎn)生葉片的轉(zhuǎn)矩變化和俯仰力矩，從而導(dǎo)致輸出功率的減少。因而迫切需 要一種能夠保證在大氣邊界層內(nèi)輸出功率不發(fā)生損失甚至提升的風(fēng)力機(jī)。
[0004] 馬格努斯型風(fēng)力機(jī)的葉片是基于馬格努斯效應(yīng)的風(fēng)能葉片，可視為自轉(zhuǎn)的圓筒葉 片。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓筒受到橫向流動(dòng)的風(fēng)作用時(shí)會(huì)受到垂直于流動(dòng)方向的升力，即所謂的馬格努 斯力。馬格努斯型風(fēng)力機(jī)的葉片與傳統(tǒng)葉片相比，在相同的葉片表面積下，馬格努斯葉片的 升力是傳統(tǒng)翼型葉片升力的十倍以上，因此在發(fā)電效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有的馬格努 斯型風(fēng)力機(jī)葉片為等徑設(shè)計(jì)的直圓筒型，在大氣邊界層剪切風(fēng)作用下效率降低，而且其材 料強(qiáng)度要求高，不適應(yīng)風(fēng)力機(jī)大型化發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種新型風(fēng)力葉片及風(fēng) 力機(jī)，其目的在于提高葉片工作效率和風(fēng)力機(jī)的輸出功率，由此解決發(fā)電效率低的技術(shù)問(wèn) 題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種階梯馬格努斯型風(fēng)力 葉片，其特征在于，所述葉片為階梯圓柱形，分為若干圓柱段，各段圓柱直徑，從葉片根部到 葉片末端逐段變小；
[0007] 所述圓柱段包括圓形內(nèi)齒輪，其內(nèi)腔均設(shè)有行星齒輪系統(tǒng)(4)，所述行星齒輪系統(tǒng) (4)內(nèi)腔居中設(shè)有太陽(yáng)齒輪，各段太陽(yáng)齒輪共軸;各太陽(yáng)齒輪與齒圈通過(guò)三個(gè)及以上行星齒 輪嚙合，用于將齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)傳給太陽(yáng)齒輪，并實(shí)現(xiàn)各圓柱段的差速轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008] 基于上述葉片，本實(shí)用新型提出一種馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，包括塔架（5)、發(fā)電裝置 (1)和三個(gè)及以上所述的葉片，其特征在于：
[0009] 所述葉片通過(guò)根部圓柱段與輪轂固定連接，相對(duì)于輪轂中心呈圓對(duì)稱分布;所述 輪轂內(nèi)部設(shè)有電動(dòng)機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)葉片根部圓柱段的圓形內(nèi)齒輪自轉(zhuǎn)，用于驅(qū)動(dòng)其它圓柱段 的轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0010] 工作中，在風(fēng)力的帶動(dòng)下，各葉片旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，送入 發(fā)電裝置。
[0011] 進(jìn)一步的，所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)中，在電動(dòng)機(jī)(7)與根部圓柱段之間，設(shè)有斜 齒輪(8)，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與圓柱段圓形內(nèi)齒輪之間的動(dòng)力傳送。
[0012] 進(jìn)一步的，所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)中，包括五個(gè)等圓角度分布的葉片。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)中，各圓柱段內(nèi)行星齒輪系統(tǒng)中，齒圈和太陽(yáng) 輪、行星輪的齒數(shù)比根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)。
[0014] 本實(shí)用新型是基于馬格努斯效應(yīng)而設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型提出的葉片，帶有一定速度 自轉(zhuǎn)。考慮到大氣邊界層存在風(fēng)力梯度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，將每個(gè)葉片設(shè)計(jì)成若干段需要 的圓柱形葉片段，通過(guò)行星輪系統(tǒng)使不同的葉片段間以不同的速度自轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)不同圓柱形 葉片段的轉(zhuǎn)速可以使整個(gè)葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中都能以最優(yōu)速度自轉(zhuǎn)，有效地降低葉片損失效 率，提高機(jī)組的輸出功率。
[0015] 馬格努斯型風(fēng)力機(jī)的工作原理：空氣以一定的風(fēng)速流經(jīng)階梯狀的自轉(zhuǎn)圓柱形葉 片，產(chǎn)生馬格努斯升力，推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)一系列 的傳動(dòng)裝置將機(jī)械能送入發(fā)電裝置，供于發(fā)電。
[0016] 馬格努斯型風(fēng)力機(jī)的工作特點(diǎn)：馬格努斯型風(fēng)力機(jī)可以在任意風(fēng)速工況下進(jìn)行啟 動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，發(fā)電效率高。而且此風(fēng)力機(jī)易于制造加工，重心較低，安全性好，運(yùn) 行成本低，維護(hù)容易，無(wú)噪音污染等明顯特點(diǎn)。馬格努斯型風(fēng)力機(jī)可以應(yīng)用于水平軸和垂直 軸上，可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高吸程水栗、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)能使用。
[0017] 本實(shí)用新型的積極進(jìn)步效果在于:本實(shí)用新型的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，通過(guò)將葉片 設(shè)計(jì)為階梯狀的分段旋轉(zhuǎn)圓筒，通過(guò)控制各段圓筒的直徑保證葉片所受的彎曲應(yīng)力延展向 分布均勻，滿足材料的強(qiáng)度要求;通過(guò)控制各段圓筒的轉(zhuǎn)速保證每一段圓筒均以最優(yōu)的工 況運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在大氣邊界層輸出功率不但不受損，反而有較大幅度提升的效果。
[0018] 總體而言，通過(guò)本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于輪轂擯 棄了變槳距系統(tǒng)，安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)斜齒輪傳動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)葉片的自轉(zhuǎn)速度，來(lái)達(dá)到控制風(fēng)力 機(jī)輸出功率的控制。行星輪系統(tǒng)作為階梯狀的自轉(zhuǎn)圓柱形葉片間的傳動(dòng)裝置，根據(jù)風(fēng)速梯 度變化調(diào)節(jié)圓柱形葉片段的自轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了機(jī)組的結(jié)構(gòu)和提高了機(jī)組效 率。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是馬格努斯型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是階梯狀的自轉(zhuǎn)圓柱形葉片內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0021] 圖3是輪轂內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0022]圖4是大氣邊界層風(fēng)速分布；
[0023]圖5是大氣邊界層內(nèi)風(fēng)力機(jī)功率損耗；
[0024]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1 一發(fā)電裝置、 2一輪穀、3-葉片、4 一行星輪系統(tǒng)、5-塔架、6-基礎(chǔ)，7-驅(qū)動(dòng)電機(jī)，8-斜齒輪、9 一后蓋。 10一圓柱形內(nèi)齒輪，11 一太陽(yáng)輪），12-水平旋轉(zhuǎn)軸。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所 涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026] 實(shí)施例：
[0027]如圖1所示，帶有階梯狀自轉(zhuǎn)的圓柱形葉片的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，包括發(fā)電裝置 (1)、輪轂(2)、葉片(3)、塔架(5)、基礎(chǔ)(6)等相關(guān)設(shè)施。風(fēng)輪由葉片(3)和輪轂(2)組成。葉片 (3)具有空氣動(dòng)力外形，在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輪轂(2)將轉(zhuǎn)矩輸入到 發(fā)電裝置(1)中。發(fā)電裝置(1)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，并輸送給電網(wǎng)。為了配筋方便，基礎(chǔ)(6) 形狀為方形。塔架(5)與基礎(chǔ)(6)相連接，支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，承受風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 運(yùn)行引起的各種載荷，同時(shí)傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)組能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。 [0028]結(jié)合圖1、圖2及圖3可知，葉片(3)各段形狀均為圓柱形、直徑大小從葉根部到葉尖 部呈階梯狀。由電動(dòng)機(jī)(7)驅(qū)動(dòng)葉片自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)的葉片(3)在水平氣流的作用下產(chǎn)生馬格努 斯升力?；陲L(fēng)力機(jī)組穩(wěn)定性，葉片數(shù)目為5?；诖髿膺吔鐚哟嬖谳^大的風(fēng)力梯度，葉片 (3)等距分割成15個(gè)圓柱形葉片段，呈階梯狀即半徑逐次遞減的葉片段。調(diào)節(jié)行星輪的轉(zhuǎn)速 來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)圓柱形葉片段的差速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4為傳動(dòng)裝置斜齒輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)斜齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)從 而帶動(dòng)葉片以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能經(jīng)水平旋轉(zhuǎn)軸（12)進(jìn)入發(fā)電裝置(1)，用于 發(fā)電。
[0029]為了驗(yàn)證本實(shí)用新型中的階梯馬格努斯型葉型在邊界層內(nèi)的實(shí)施效果，本實(shí)施例 中將設(shè)計(jì)了一組階梯馬格努斯型葉型與傳統(tǒng)翼形葉片NACA4418進(jìn)行對(duì)比，階梯馬格努斯型 葉型參考NACA4418進(jìn)行設(shè)計(jì)。將階梯馬格努斯型葉型和NACA4418分為15級(jí)，各段馬格努斯 型葉片在均勻來(lái)流風(fēng)速下的升力設(shè)計(jì)與NACA4418的升力相同，所得馬格努斯型葉片主要參 數(shù)如表1所示。
[0030]表1階梯馬格努斯葉片相關(guān)參數(shù)
[0033]依據(jù)微元?jiǎng)恿坷碚揃EM進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：在大氣邊界層剪切風(fēng)速(如 圖4所示）中的傳統(tǒng)翼形葉片NACA4418效率損失大概為10%，而階梯馬格努斯形葉片相對(duì)于 傳統(tǒng)翼形葉片的效率增益達(dá)到近70%，兩者功率損耗如圖5中陰影部分所示。本實(shí)施例中， 采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬進(jìn)行分析也得到相近的結(jié)果。因此，相比傳統(tǒng)葉片而言，階梯馬 格努斯形葉片在大氣邊界層內(nèi)具有提高輸出功率的優(yōu)勢(shì)。
[0034]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不 用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改 進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種階梯馬格努斯型風(fēng)力葉片，其特征在于，所述葉片為階梯圓柱形，分為若干圓柱 段，各段圓柱直徑，從葉片根部到葉片末端逐段變??； 所述圓柱段包括圓形內(nèi)齒輪，其內(nèi)腔均設(shè)有行星齒輪系統(tǒng)(4)，所述行星齒輪系統(tǒng)(4) 內(nèi)腔居中設(shè)有太陽(yáng)齒輪，各圓柱段太陽(yáng)齒輪共軸;各太陽(yáng)齒輪與齒圈通過(guò)三個(gè)及以上行星 齒輪嚙合，用于將齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)傳給太陽(yáng)齒輪，并實(shí)現(xiàn)各圓柱段的差速轉(zhuǎn)動(dòng)。2. -種由權(quán)利要求1所述葉片構(gòu)成的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，包括塔架(5)和發(fā)電裝置（1)， 其特征在于:包括三個(gè)以上所述葉片，各葉片通過(guò)根部圓柱段與輪轂固定連接，相對(duì)于輪轂 中心呈圓對(duì)稱分布;所述輪轂內(nèi)部設(shè)有電動(dòng)機(jī)(7)，用于驅(qū)動(dòng)葉片根部圓柱段的圓形內(nèi)齒輪 自轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其它圓柱段的轉(zhuǎn)動(dòng)； 各葉片工作時(shí)，在風(fēng)力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，送入發(fā)電裝置。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，其特征在于:在電動(dòng)機(jī)(7)與根部圓柱段 之間，設(shè)有斜齒輪(8)，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與圓柱段圓形內(nèi)齒輪之間的動(dòng)力傳送。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，其特征在于:其包括五個(gè)等圓角度分 布的葉片。5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，其特征在于:各圓柱段內(nèi)行星齒輪系 統(tǒng)中，齒圈和太陽(yáng)輪、行星輪的齒數(shù)比根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種階梯馬格努斯型風(fēng)力葉片及風(fēng)力機(jī)，葉片為階梯圓柱形，分為若干圓柱段，各段圓柱直徑，從葉片根部到葉片末端逐段變??；圓柱段包括圓柱形內(nèi)齒輪，其內(nèi)腔均設(shè)有行星齒輪裝置。利用該葉片，本實(shí)用新型提出一種風(fēng)力機(jī)，包括發(fā)電裝置、輪轂、行星輪系統(tǒng)、塔架等相關(guān)設(shè)施。輪轂安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)斜齒輪傳動(dòng)使圓柱形葉片實(shí)現(xiàn)一定速度的自轉(zhuǎn)。不同的圓柱形葉片段通過(guò)行星輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)行星輪改變圓柱形葉片自轉(zhuǎn)角速度，保證風(fēng)力機(jī)組最大功率輸出。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，可靠性強(qiáng)，高效率利用風(fēng)能發(fā)電。
【IPC分類】F03D7/06, F03D7/02, F03D3/06, F03D1/06
【公開號(hào)】CN205277683
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521086987
【發(fā)明人】魯錄義, 王坤, 劉雪晴
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月23日