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] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)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，加之我國已把可再生能源作為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電擁有巨大 的潛在市場。
[0003] 風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)組的核屯、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，基于來流風(fēng)速均勻穩(wěn)定的條件下設(shè)計的，并未考慮大氣邊界層的 風(fēng)力梯度對效率的影響。而實際工作的風(fēng)力機(jī)大都工作在200米W內(nèi)的大氣邊層內(nèi)，由于 地面粘度和地形粗糖度的作用，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)圓筒受到橫向流動的風(fēng)作用時會受到垂直于流動方向的升力，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W上，因此在發(fā)電效率上具有明顯的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的馬格努 斯型風(fēng)力機(jī)葉片為等徑設(shè)計的直圓筒型，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] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種新型風(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)問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，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?。?br>[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)有太陽齒輪，各段太陽齒輪共軸；各太陽齒輪與齒圈通過=個及W上行星 齒輪曬合，用于將齒圈轉(zhuǎn)動傳給太陽齒輪，并實現(xiàn)各圓柱段的差速轉(zhuǎn)動。
[0008] 基于上述葉片，本發(fā)明提出一種馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，包括塔架巧）、發(fā)電裝置（1) 和=個及W上所述的葉片，其特征在于：
[0009] 所述葉片通過根部圓柱段與輪穀固定連接，相對于輪穀中屯、呈圓對稱分布；所述 輪穀內(nèi)部設(shè)有電動機(jī)，用于驅(qū)動葉片根部圓柱段的圓形內(nèi)齒輪自轉(zhuǎn)，用于驅(qū)動其它圓柱段 的轉(zhuǎn)動；
[0010] 工作中，在風(fēng)力的帶動下，各葉片旋轉(zhuǎn)，帶動輪穀旋轉(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，在電動機(jī)（7)與根部圓柱段之間，設(shè)有斜 齒輪（8)，用于實現(xiàn)電動機(jī)與圓柱段圓形內(nèi)齒輪之間的動力傳送。
[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 輪、行星輪的齒數(shù)比根據(jù)實際工況設(shè)計。
[0014] 本發(fā)明是基于馬格努斯效應(yīng)而設(shè)計，本發(fā)明提出的葉片，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，將每個葉片設(shè)計成若干段需要的圓柱形葉 片段，通過行星輪系統(tǒng)使不同的葉片段間W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W使整個葉片在旋轉(zhuǎn)過程中都能W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W-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，推動葉片轉(zhuǎn)動，在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過一系列 的傳動裝置將機(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：馬格努斯型風(fēng)力機(jī)可W在任意風(fēng)速工況下進(jìn)行啟 動，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，發(fā)電效率高。而且此風(fēng)力機(jī)易于制造加工，重屯、較低，安全性好，運(yùn) 行成本低，維護(hù)容易，無噪音污染等明顯特點。馬格努斯型風(fēng)力機(jī)可W應(yīng)用于水平軸和垂直 軸上，可W在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高吸程水累、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備進(jìn)行儲能使用。
[0017] 本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明的馬格努斯型風(fēng)力機(jī)，通過將葉片設(shè)計為階 梯狀的分段旋轉(zhuǎn)圓筒，通過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；通過控制各段圓筒的轉(zhuǎn)速保證每一段圓筒均W最優(yōu)的工況運(yùn)行， 實現(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，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于輪穀摸棄了 變獎距系統(tǒng)，安裝驅(qū)動電機(jī)通過斜齒輪傳動來調(diào)節(jié)葉片的自轉(zhuǎn)速度，來達(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，實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動，簡化了機(jī)組的結(jié)構(gòu)和提高了機(jī)組效率。
【附圖說明】
[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)部傳動機(jī)構(gòu)；
[0021] 圖3是輪穀內(nèi)驅(qū)動機(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)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-發(fā)電裝置、 2-輪穀、3-葉片、4-行星輪系統(tǒng)、5-塔架、6-基礎(chǔ)，7-驅(qū)動電機(jī)，8-斜齒輪、9-后蓋。 10一圓柱形內(nèi)齒輪，11 一太陽輪），12-水平旋轉(zhuǎn)軸。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0026] 實施例：
[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)、輪穀（2)、葉片（3)、塔架巧）、基礎(chǔ)（6)等相關(guān)設(shè)施。風(fēng)輪由葉片（3)和輪穀（2)組成。 葉片（3)具有空氣動力外形，在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過輪穀（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，同時傳遞運(yùn)些載荷到基礎(chǔ)，使整個風(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。由電動機(jī)（7)驅(qū)動葉片自轉(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)速來實現(xiàn)各個圓柱形葉片段的差速轉(zhuǎn)動。圖4為傳動裝置斜齒輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動斜齒 輪運(yùn)轉(zhuǎn)從而帶動葉片W-定速度轉(zhuǎn)動。風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的機(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] 為了驗證本發(fā)明中的階梯馬格努斯型葉型在邊界層內(nèi)的實施效果，本實施例中將 設(shè)計了一組階梯馬格努斯型葉型與傳統(tǒng)翼形葉片NACA4418進(jìn)行對比，階梯馬格努斯型葉 型參考NACA4418進(jìn)行設(shè)計。將階梯馬格努斯型葉型和NACA4418分為15級，各段馬格努斯 型葉片在均勻來流風(fēng)速下的升力設(shè)計與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)
[0031]
陽033] 依據(jù)微元動量理論BEM進(jìn)行相關(guān)計算，計算結(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 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。本實施例 中，采用計算流體力學(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。
[0034] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種馬格努斯型風(fēng)力機(jī)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)有太陽齒輪，各圓柱段太陽齒輪共軸；各太陽齒輪與齒圈通過三個及以上行星 齒輪嚙合，用于將齒圈轉(zhuǎn)動傳給太陽齒輪，并實現(xiàn)各圓柱段的差速轉(zhuǎn)動。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：包括三個以上所述葉片，各葉片通過根部圓柱段與輪轂固定連接，相對于 輪轂中心呈圓對稱分布；所述輪轂內(nèi)部設(shè)有電動機(jī)（7)，用于驅(qū)動葉片根部圓柱段的圓形 內(nèi)齒輪自轉(zhuǎn)，帶動其它圓柱段的轉(zhuǎn)動； 各葉片工作時，在風(fēng)力的帶動下旋轉(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：在電動機(jī)（7)與根部圓柱 段之間，設(shè)有斜齒輪（8)，用于實現(xiàn)電動機(jī)與圓柱段圓形內(nèi)齒輪之間的動力傳送。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，齒圈和太陽輪、行星輪的齒數(shù)比根據(jù)實際工況設(shè)計。
【專利摘要】本發(fā)明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，本發(fā)明提出一種風(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)動電機(jī)，通過斜齒輪傳動使圓柱形葉片實現(xiàn)一定速度的自轉(zhuǎn)。不同的圓柱形葉片段通過行星輪系統(tǒng)實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動，通過調(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。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，可靠性強(qiáng)，高效率利用風(fēng)能發(fā)電。
【IPC分類】F03D1/06, F03D7/06, F03D3/06, F03D7/02
【公開號】CN105402083
【申請?zhí)枴緾N201510980093
【發(fā)明人】魯錄義, 王坤, 劉雪晴
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月23日