一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子的製作方法

2023-04-25 07:15:31 3

一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子，包括主轉軸、主轉筒組件、若干組風葉組件和風葉驅動組件，在主轉筒內部安裝了若干繞圓周均勻分布的風葉，採用安裝於伺服驅動電機上的風葉收放控制主齒輪與所有風葉夾套轉動軸端部的風葉收放控制從動齒輪嚙合配合，使得伺服控制電機可同時控制所有風葉伸出或收入主轉筒。當風葉位於主轉筒內部時，主轉筒依靠外部電機驅動轉動，從而在來流的條件下產生較大推力；當無需主轉筒產生推力時，風葉伸出主轉筒，在風力驅動下帶動主轉軸轉動，驅動外部發電機實現風力發電。這使得該轉子既可作為提供推力的推進器，又可在無需提供推力時用以發電，充分利用風能，具備很高的經濟性。
【專利說明】一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子
【技術領域】
[0001]本發明屬於推進【技術領域】，具體為一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子。
【背景技術】
[0002]經典的馬格納斯效應是指在粘性不可壓縮流體中運動的旋轉圓柱受到舉力的一種現象。比如，足球在氣流中運動時，若其上球面的旋轉方向與氣流同向，則會帶動上球面附近的氣流運動，使得上球面的流速增加，產生低壓；反之，與氣流速度方向相反的下球面則會產生高壓,從而產生舉力。
[0003]目前馬格納斯效應的應用有作為船舶的推進裝置和風力發電的轉子。
[0004]由於海上風力較強，馬格納斯效應轉子可作為船舶的推進系統。由J.P.溫克勒等人申請的中國專利CN102803065A公開了包括裝載式馬格納斯效應轉子的船舶。該發明提供的船舶方案包括船體和甲板，豎直安裝於甲板上的圓筒形轉子有可繞著自身縱向中心線旋轉的圓筒壁，並具有上部端板。該轉子在不運轉時上部端板位於甲板附近，端板設置有可動邊緣區段，邊緣區段在轉子運轉時從周邊壁徑向向外地延伸，並在轉子不運轉時縮回至靠近周邊壁的位置。該方案的優點是可以充分利用海上風力，為船舶提供部分推力；其局限在於，利用與船舶航向垂直的側向風力，而若風向與航向相同時產生的是側向力，無益於船舶推進，此時該馬格納斯效應轉子不能起到推進作用，對於船體而言成為附加重量，使得該方案對於風向具有較高要求；另外，當船舶靠岸停泊期間不能充分利用風能發電，上述不足降低了其經濟性和實用性。
[0005]由村上信博等人申請的中國專利CN1846056公開了一種馬格納斯型風力發電裝置。該發明提供了一種從低風速區域到高風速區域均可發電的馬格納斯型風力發電裝置。該裝置具有:向發電機構部傳遞旋轉力矩的水平旋轉軸；從該水平旋轉軸上呈放射狀配設的旋轉圓柱；以及驅動各旋轉圓柱繞著這些旋轉圓柱的軸旋轉的驅動馬達。通過由各旋轉圓柱的旋轉與風力的相互作用產生的馬格納斯升力使水平旋轉軸旋轉，用以驅動發電機構部。在旋轉圓柱的外周表面上設置空氣流動單元，用於產生空氣流動，並使馬格納斯升力增大。該裝置的不足是:用以驅動水平旋轉軸旋轉發電的各放射狀旋轉圓柱並不能主動繞自身圓柱中心軸線轉動，提供的馬格納斯力十分有限，在低風速時的發電效率可能不如常規水平軸風力發電機。
[0006]由J.賽費特申請的中國專利CN102661241A公開了一種風力混合轉子方案，其具有橫流轉子、引導裝置以及馬格納斯轉子。橫流轉子以繞旋轉軸線旋轉的方式保持並且具有多個軸向地伸延的轉子葉片。引導裝置具有罩殼區段，其在周向上部分地如此包圍橫流轉子，即可通過流入的風驅動橫流轉子。馬格納斯轉子布置在橫流轉子之內，其中，馬格納斯轉子軸線在旋轉軸線的方向上伸延。馬格納斯轉子具有封閉的周面，並且可通過驅動裝置以繞所述馬格納斯轉子軸線旋轉的方式驅動馬格納斯轉子。該方案中馬格納斯效應在風力發電中僅起到輔助作用。[0007]總之，綜合來看，根據馬格納斯效應特點，馬格納斯效應在未來的工業和能源領域具有廣泛的應用潛力，特別是在海洋和高空環境下，由於風不會受到遮擋，風力穩定，且風能資源豐富，馬格納斯效應具有很大的應用前景。然而，目前的馬格納斯效應轉子仍是單獨應用於推進裝置或者風力發電裝置，風能利用率有限，還沒有充分利用馬格納斯效應的特點，最大限度地發揮其效能。

【發明內容】

[0008]要解決的技術問題
[0009]為解決現有技術存在的問題，使馬格納斯效應轉子在有風情況下可以產生推力，也可進行風力發電的特點結合起來，本發明提出了一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子。
[0010]技術方案
[0011]本發明的技術方案為:
[0012]所述一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子，其特徵在於:包括主轉軸、主轉筒組件、若干組風葉組件和風葉驅動組件；
[0013]所述主轉筒組件包括主轉筒和兩個主轉筒蓋板；主轉筒兩端分別與主轉筒蓋板固定連接；主轉筒側面開有若干軸向的風葉伸縮縫，風葉伸縮縫個數與風葉組件個數相同；兩個主轉筒蓋板與主轉軸同軸固定連接；兩個主轉筒蓋板的內側端面上開有若干風葉夾套安裝孔；
[0014]所述風葉組件包括風葉和風葉夾套；所述風葉由平板風葉板和圓弧風葉板組成，平板風葉板的寬度等於圓弧風葉板的圓弧半徑；平板風葉板兩端固連風葉夾套，風葉夾套與風葉夾套安裝孔轉動配合，其中風葉夾套的轉動軸處於對應圓弧風葉板的圓弧圓心位置；當風葉夾套繞轉動軸轉動時，風葉夾套帶動圓弧風葉板沿自身圓弧在主轉筒側面對應的風葉伸縮縫內伸縮；
[0015]所述風葉驅動組件包括驅動電機和主齒輪；驅動電機安裝在一個主轉筒蓋板的外側端面，驅動電機驅動主齒輪轉動，主齒輪與主轉筒同軸；主齒輪與所有風葉夾套轉動軸端部的從動齒輪嚙合配合。
[0016]所述一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子，其特徵在於:風葉驅動組件上套有副轉筒，副轉筒與主轉筒蓋板固定連接，副轉筒與主轉筒同軸。
[0017]有益效果
[0018]本發明的有益效果為:在主轉筒內部安裝了若干繞圓周均勻分布的風葉，充分利用了主轉筒圓柱形內部空間；採用安裝於伺服驅動電機上的風葉收放控制主齒輪與所有風葉夾套轉動軸端部的風葉收放控制從動齒輪嚙合配合，使得伺服控制電機可同時控制所有風葉伸出或收入主轉筒。當風葉位於主轉筒內部時，主轉筒可作為推力裝置，此時主轉軸依靠外部電機驅動轉動，帶動主轉筒轉動，從而在來流的條件下產生較大推力；當無需主轉筒作為推進器產生推力時，風葉伸出主轉筒，在風力驅動下帶動主轉筒和主轉軸轉動，主轉軸可驅動外部發電機實現風力發電。這使得該馬格納斯效應轉子既可作為提供推力的推進器，又可在無需提供推力時用以發電，充分利用風能，進行儲能，具備很高的經濟性。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1:風葉未伸出主轉筒的轉子結構示意圖
[0020]圖2:風葉未伸出主轉筒的轉子結構正視圖
[0021]圖3:風葉未伸出主轉筒的轉子結構側視圖
[0022]圖4:風葉未伸出主轉筒的轉子結構剖視圖
[0023]圖5:風葉伸出主轉筒的轉子結構示意圖
[0024]圖6:風葉伸出主轉筒的轉子結構側視圖
[0025]圖7:風葉伸出主轉筒的轉子結構正視圖
[0026]圖8:風葉伸出主轉筒的轉子結構剖視圖
[0027]圖9:主轉軸與主轉筒內側蓋板連接示意圖
[0028]圖10:主轉軸結構示意圖
[0029]圖11:主轉筒內側蓋板連接件側視圖
[0030]圖12:主轉筒內側蓋板連接件剖視圖
[0031]圖13:主轉筒內側蓋板正視圖
[0032]圖14:主轉筒內側蓋板軸測圖
[0033]圖15:風葉與主轉筒內側蓋板連接示意圖
[0034]圖16:主轉筒內側蓋板風葉連接夾套示意圖
[0035]圖17:主轉筒內側蓋板風葉連接夾套剖視圖
[0036]圖18:風葉結構示意圖
[0037]圖19:風葉結構正視圖
[0038]圖20:風葉與主轉筒外側蓋板風葉連接夾套和主轉筒內側蓋板風葉連接夾套連接示意圖
[0039]圖21:風葉與主轉筒外側蓋板連接示意圖
[0040]圖22:主轉筒外側蓋板軸測示意圖一
[0041]圖23:主轉筒外側蓋板軸測示意圖二
[0042]圖24:主轉筒外側蓋板與主轉軸連接示意圖一
[0043]圖25:主轉筒外側蓋板與主轉軸連接示意圖二
[0044]圖26:主轉筒正視圖
[0045]圖27:主轉筒側視圖
[0046]圖28:主轉筒剖視圖
[0047]圖29:伺服控制電機、主轉筒外側蓋板、風葉收放控制大齒輪與風葉收放控制小齒輪配合連接示意圖
[0048]圖30:伺服控制電機、主轉筒外側蓋板、風葉收放控制大齒輪與風葉收放控制小齒輪配合連接側視圖
[0049]圖31:伺服控制電機、風葉收放控制大齒輪與風葉收放控制小齒輪配合連接後視圖
[0050]圖32:副轉筒示意圖
[0051]圖33:轉子作為推進器時風葉位於主轉筒內的示意圖
[0052]圖34:轉子作為發電用時圓弧風葉段位於主轉筒外的示意圖[0053]其中:1.主轉軸；2.主轉筒內側蓋板連接件；3.主轉筒；4.主轉筒內側蓋板；5.風葉；6.主轉筒外側蓋板連接件；7.主轉筒外側蓋板；8.風葉收放控制小齒輪；9.風葉收放控制大齒輪；10.伺服控制電機；11.副轉筒；12.蓋板軸承；13.連接件軸筒；14.蓋板連接部；15.軸承安裝孔；16.主轉筒內側蓋板風葉連接夾套；17.主轉筒外側蓋板風葉連接夾套；18.內側風葉收放控制轉軸；19.夾套U型夾槽；20.風葉連接夾套圓形凸臺；
21.外側風葉收放控制轉軸；22.蓋板凸蓋；23.蓋板凸臺；24.蓋板沉孔；25.平板風葉段；26.圓弧風葉段；27.風葉伸縮縫；28.風葉螺釘孔；29.風葉收放控制大齒輪空心軸套；30.蓋板連接部螺釘孔；31.主轉筒外側蓋板軸向連接螺釘；32.伺服控制電機連接螺釘；33.副轉筒連接螺釘；34.主轉筒連接螺釘；35.主轉軸螺紋孔；36.連接件軸筒螺釘孔；37.蓋板連接部螺釘孔；38.主轉筒蓋板螺紋孔；39.主轉筒蓋板中間通孔；40.風葉收放控制轉軸通孔；41.蓋板徑向螺紋孔；42.風葉連接螺釘；43.伺服控制電機螺紋孔；44.軸套螺釘；45.主轉筒螺釘孔；46.伺服電機安裝螺；47.伺服控制電機軸；48.副轉筒螺釘孔。
【具體實施方式】
[0054]下面結合具體實施例描述本發明:
[0055]本實施例中的利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子包括主轉軸1、主轉筒組件、六組風葉組件和風葉驅動組件。
[0056]所述主轉筒組件包括主轉筒3、主轉筒內側蓋板4和主轉筒外側蓋板7。參照附圖9，主轉筒內側蓋板4通過主轉筒內側蓋板連接件2與主轉軸I連接固定，主轉筒外側蓋板7通過主轉筒外側蓋板連接件6與主轉軸I連接固定。參照附圖10，主轉軸I採用碳纖維複合材料製造，軸長1220mm,外徑為40mm,壁厚3mm,在距其一端面182mm處開有一直徑為6mm的螺紋通孔，用以與主轉筒內側蓋板連接件2通過螺釘連接，在距其另一端面25mm處開有直徑同樣為6_的另一螺紋通孔35，用以與主轉筒外側蓋板連接件6連接。
[0057]參照附圖11和附圖12，主轉筒內側蓋板連接件2採用鋁合金材料製造，連接件2的軸筒13的內徑與主轉軸I的外徑相同，壁厚3_，長33_，在軸筒13中部沿徑向開有直徑為6_的螺釘孔通孔，用以通過螺釘連接套緊固定在主轉軸I上；主轉筒內側蓋板連接件2的蓋板連接部14呈圓環形,厚度5mm,外徑為75mm,並在直徑為60mm的圓周上沿軸向開有4個直徑為6mm的螺釘通孔37，用以與主轉筒內側蓋板4上的主轉筒蓋板螺紋孔38通過螺釘連接，從而使得主轉筒內側蓋板4與主轉軸I的位置固定並套緊。
[0058]參照附圖13、附圖14、附圖15、附圖22、附圖23、附圖24和附圖25，主轉筒內側蓋板4和主轉筒外側蓋板7均採用尼龍材料製造，呈圓板型，總厚度為20mm，其中用以擋住主轉筒3的蓋板凸蓋22的厚度為5mm，直徑為240mm，與主轉筒的外徑相同；蓋板凸臺23的厚度為15mm,直徑為230mm,與主轉筒3的孔徑相同。在蓋板凸臺23距離中心半徑為30mm的圓周上沿軸向開有4個直徑為6mm的主轉筒蓋板螺紋孔38，用以與主轉筒蓋板通過螺釘連接。在蓋板凸臺23上半徑為105mm的圓周上均布有6個直徑為16mm、深度為6mm的軸承安裝孔15，用以安放蓋板軸承12，在每個軸承安裝孔15的中心處又開有一個直徑比蓋板軸承12內徑略大的風葉收放控制轉軸通孔40，在蓋板凸臺23的環形側壁上的軸向中部位置，有沿周向均布的6個直徑為3_，深度為8_的蓋板徑向螺紋孔41，用以通過螺釘使得主轉筒3固定套緊於其上。參照附圖13和附圖14，主轉筒內側蓋板4的中心開有與主轉軸I外徑相同的主轉筒蓋板中間通孔，使得主轉軸I得以穿過；而參照附圖22和附圖23，主轉筒外側蓋板7的中心開的主轉筒蓋板中間通孔39孔徑比主轉軸I外徑大6mm，使得套緊固定在主轉軸I上的主轉筒外側蓋板連接件6的連接件軸筒13得以穿過，進入主轉筒I內部；而主轉筒外側蓋板7的另一側開有與蓋板連接部14外徑相同、深IOmm的蓋板沉孔24，使得主轉筒外側蓋板連接件6的蓋板連接部14能夠沉入此孔，而用以連接蓋板連接部14和主轉筒外側蓋板7的主轉筒外側蓋板軸向連接螺釘31的螺釘頭不會凸出在主轉筒外側蓋板7外部，便於伺服控制電機10在主轉筒外側蓋板7上的安裝。
[0059]參照附圖26、附圖27和附圖28，主轉筒3採用碳纖維複合材料製造，其內徑為230mm,外徑為240mm,長度為1000mm。距離主轉筒3兩端面7.5mm的壁面上沿周向分別均布有6個直徑為6_的螺釘通孔45，用以通過螺釘與主轉筒內側蓋板4和主轉筒外側蓋板7配合固定連接；在其壁面周向上還均布有6個沿軸向的風葉伸縮縫27，此風葉伸縮縫27距離主轉筒3的軸向兩端端面距離均為17mm，其長度為966mm，略長於風葉5的長度，寬度也略大於風葉5的厚度，使得風葉5可以通過此風葉伸縮縫進行伸出或收入主轉筒3。
[0060]所述風葉組件包括風葉5和風葉夾套。參考附圖18、附圖19和附圖20，風葉5採用碳纖維材料製造，厚度為3mm，風葉由平板風葉段25和圓弧風葉段26組成，其圓弧風葉段26的半徑與平板風葉段25的寬度相同，使得在風葉收放控制轉軸18轉動時，圓弧風葉段26剛好沿其自身圓弧面做圓周運動，得以從主轉筒3上的風葉伸縮縫27中伸出或收入，且圓弧風葉段26的圓弧面的扇形夾角為90°。在平板風葉段25的兩端距離端面4mm處各開有兩個風葉螺釘孔28，用以與主轉筒內側蓋板風葉連接夾套16和主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17通過螺釘連接。
[0061]風葉夾套分為主轉筒內側蓋板風葉連接夾套16和主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17。參照附圖16、附圖17、附圖20，主轉筒內側蓋板風葉連接夾套16和主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17均採用鋁合金材料製造。如圖16、圖17所示，主轉筒內側蓋板風葉連接夾套16 —側有U型夾槽19,槽深6.5mm,槽寬3mm,風葉5的平板風葉段兩端分別卡在主轉筒內側蓋板風葉連接夾套2和主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17的夾套U型夾槽19內；夾套U型夾槽19的一側開有貫穿的螺紋孔，另一側開有貫穿的光孔，通過風葉連接螺釘42與風葉5上的風葉螺釘孔28連接，從而固定風葉5。在夾套U型夾槽19的另一側有一個比蓋板軸承12內徑略大的風葉連接夾套圓形凸臺20，用以頂住蓋板軸承12，風葉連接夾套圓形凸臺20上有軸徑與蓋板軸承12內徑相同的風葉收放控制轉軸21，主轉筒內側蓋板風葉連接夾套16上的風葉收放控制轉軸21的長度比蓋板軸承12的厚度大14mm，使得其與蓋板軸承12緊密配合的同時端面剛好與主轉筒內側蓋板4的一面平齊。而參照附圖20和附圖21，主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17上的風葉收放控制轉軸21的長度比蓋板軸承12的厚度大14mm，使得其與蓋板軸承12緊密配合的同時，伸出主轉筒外側蓋板7的長度為75mm，用以與風葉收放控制小齒輪8套緊配合，且風葉收放控制轉軸21處於對應風葉的圓弧風葉段圓心位置處。通過上述連接方式，實現了風葉5的定位，且風葉5可跟隨風葉收放控制轉軸21轉動而不碰著主轉筒外側蓋板7和主轉筒內側蓋板4。
[0062]參考附圖29、附圖30和附圖31，伺服控制電機10通過伺服控制電機連接螺釘32固定連接在主轉筒外側蓋板7上，可隨主轉筒外側蓋板7轉動；伺服控制電機10的伺服控制電機軸47與風葉收放控制大齒輪9的風葉收放控制大齒輪空心軸套29通過螺釘套緊固定；六個風葉收放控制小齒輪8分別通過緊釘螺釘套緊固定於主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17上的風葉收放控制轉軸18，並與風葉收放控制大齒輪9嚙合配合。風葉收放控制小齒輪8和風葉收放控制大齒輪9的端面平齊，均採用碳鋼製造，傳動比為15。風葉收放控制大齒輪與主轉筒同軸。
[0063]參照附圖1和附圖32，副轉筒11採用碳纖維材料製造，呈筒狀。副轉筒11的筒深100mm,內徑為240mm,壁厚3mm。在其靠近主轉筒一側、距離其端面5mm處的側壁上沿周向均布有6個徑向的副轉筒螺釘孔48。這樣，主轉筒3和副轉筒11通過螺釘連接固定套緊於主轉筒外側蓋板7上，且副轉筒11可以罩住風葉收放控制轉軸18、風葉收放控制小齒輪8、和風葉收放控制大齒輪9、伺服控制電機10等位於主轉筒3軸向外部的機構。
[0064]參照附圖1、附圖4、附圖21、附圖29和附圖33，對各風葉5進行初始裝配安裝時，可通過伺服控制電機10對風葉5的轉動角度進行微調，具體為:伺服控制電機10的電機軸轉動一定角度，從而通過套緊於其上的風葉收放控制大齒輪9帶動與其嚙合配合的風葉收放控制小齒輪8轉動，使得主轉筒外側蓋板風葉連接夾套17的風葉收放控制轉軸18轉動，帶動圓弧風葉段26繞著風葉收放控制轉軸18的軸線轉動一定角度，直到圓弧風葉段26的末端端面與風葉伸縮縫27的縫口平齊，然後伺服控制電機10的電機軸鎖死，以使得風葉5位置固定。此時由於風葉5位於主轉筒3內，該轉子可作為推進器，根據馬格納斯效應，在有風條件下，當外部電機驅動主轉軸I轉動時在主轉筒3和副轉筒11上均可產生推力。
[0065]此後，參照附圖5、附圖8、附圖21、附圖29和附圖34，當無需將轉子作為推進裝置產生推力，而需要利用風能進行發電時，伺服控制電機10的電機軸逆時針轉動6°，由於風葉收放控制大齒輪9與風葉收放控制小齒輪9之間的傳動比為15，則可使得每個風葉收放控制小齒輪8順時針轉動90°，從而使得每個風葉5的圓弧風葉段25均沿風葉伸縮縫27伸出主轉筒3外，在風力驅動下帶動主轉筒3轉動，從而帶動套緊有發電轉子的主轉軸I轉動，實現發電功能；反之，當需要再從發電模式轉換為推進模式時，伺服控制電機反向轉動6°，則可使得每個風葉收放控制小齒輪8逆時針轉動90°，從而使風葉5的圓弧風葉段26收入主轉筒3內，而圓弧風葉段26的末端端面與風葉伸縮縫27的縫口平齊，使其轉變為推力轉子。這樣就實現了本方案轉子在推進和發電模式下的轉換，滿足不同狀態下的需要。
【權利要求】
1.一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子，其特徵在於:包括主轉 軸、主轉筒組件、若干組風葉組件和風葉驅動組件； 所述主轉筒組件包括主轉筒和兩個主轉筒蓋板；主轉筒兩端分別與主轉筒蓋板固定連接；主轉筒側面開有若干軸向的風葉伸縮縫，風葉伸縮縫個數與風葉組件個數相同；兩個主轉筒蓋板與主轉軸同軸固定連接；兩個主轉筒蓋板的內側端面上開有若干風葉夾套安裝孔； 所述風葉組件包括風葉和風葉夾套；所述風葉由平板風葉板和圓弧風葉板組成，平板風葉板的寬度等於圓弧風葉板的圓弧半徑；平板風葉板兩端固連風葉夾套，風葉夾套與風葉夾套安裝孔轉動配合，其中風葉夾套的轉動軸處於對應圓弧風葉板的圓弧圓心位置；當風葉夾套繞轉動軸轉動時，風葉夾套帶動圓弧風葉板沿自身圓弧在主轉筒側面對應的風葉伸縮縫內伸縮； 所述風葉驅動組件包括驅動電機和主齒輪；驅動電機安裝在一個主轉筒蓋板的外側端面，驅動電機驅動主齒輪轉動，主齒輪與主轉筒同軸；主齒輪與所有風葉夾套轉動軸端部的從動齒輪哨合配合。
2.根據權利要求1所述一種利用風能進行發電和產生推力的馬格納斯效應轉子，其特徵在於:風葉驅動組件上套有副轉筒，副轉筒與主轉筒蓋板固定連接，副轉筒與主轉筒同軸。
【文檔編號】F03D3/06GK103437948SQ201310374803
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月25日 優先權日:2013年8月25日
【發明者】唐繼偉, 胡峪, 宋筆鋒 申請人:西北工業大學