一种利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯效应转子

摘要

本发明提出了一种利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯效应转子，包括主转轴、主转筒组件、若干组风叶组件和风叶驱动组件，在主转筒内部安装了若干绕圆周均匀分布的风叶，采用安装于伺服驱动电机上的风叶收放控制主齿轮与所有风叶夹套转动轴端部的风叶收放控制从动齿轮啮合配合，使得伺服控制电机可同时控制所有风叶伸出或收入主转筒。当风叶位于主转筒内部时，主转筒依靠外部电机驱动转动，从而在来流的条件下产生较大推力；当无需主转筒产生推力时，风叶伸出主转筒，在风力驱动下带动主转轴转动，驱动外部发电机实现风力发电。这使得该转子既可作为提供推力的推进器，又可在无需提供推力时用以发电，充分利用风能，具备很高的经济性。

说明书

技术领域

本发明属于推进技术领域，具体为一种利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯 效应转子。

背景技术

经典的马格纳斯效应是指在粘性不可压缩流体中运动的旋转圆柱受到举力的一种 现象。比如，足球在气流中运动时，若其上球面的旋转方向与气流同向，则会带动上 球面附近的气流运动，使得上球面的流速增加，产生低压；反之，与气流速度方向相 反的下球面则会产生高压，从而产生举力。

目前马格纳斯效应的应用有作为船舶的推进装置和风力发电的转子。

由于海上风力较强，马格纳斯效应转子可作为船舶的推进系统。由J·P·温克勒 等人申请的中国专利CN102803065A公开了包括装载式马格纳斯效应转子的船舶。该 发明提供的船舶方案包括船体和甲板，竖直安装于甲板上的圆筒形转子有可绕着自身 纵向中心线旋转的圆筒壁，并具有上部端板。该转子在不运转时上部端板位于甲板附 近，端板设置有可动边缘区段，边缘区段在转子运转时从周边壁径向向外地延伸，并 在转子不运转时缩回至靠近周边壁的位置。该方案的优点是可以充分利用海上风力， 为船舶提供部分推力；其局限在于，利用与船舶航向垂直的侧向风力，而若风向与航 向相同时产生的是侧向力，无益于船舶推进，此时该马格纳斯效应转子不能起到推进 作用，对于船体而言成为附加重量，使得该方案对于风向具有较高要求；另外，当船 舶靠岸停泊期间不能充分利用风能发电，上述不足降低了其经济性和实用性。

由村上信博等人申请的中国专利CN1846056公开了一种马格纳斯型风力发电装 置。该发明提供了一种从低风速区域到高风速区域均可发电的马格纳斯型风力发电装 置。该装置具有：向发电机构部传递旋转力矩的水平旋转轴；从该水平旋转轴上呈放 射状配设的旋转圆柱；以及驱动各旋转圆柱绕着这些旋转圆柱的轴旋转的驱动马达。 通过由各旋转圆柱的旋转与风力的相互作用产生的马格纳斯升力使水平旋转轴旋转， 用以驱动发电机构部。在旋转圆柱的外周表面上设置空气流动单元，用于产生空气流 动，并使马格纳斯升力增大。该装置的不足是：用以驱动水平旋转轴旋转发电的各放 射状旋转圆柱并不能主动绕自身圆柱中心轴线转动，提供的马格纳斯力十分有限，在 低风速时的发电效率可能不如常规水平轴风力发电机。

由J·赛费特申请的中国专利CN102661241A公开了一种风力混合转子方案，其 具有横流转子、引导装置以及马格纳斯转子。横流转子以绕旋转轴线旋转的方式保持 并且具有多个轴向地伸延的转子叶片。引导装置具有罩壳区段，其在周向上部分地如 此包围横流转子，即可通过流入的风驱动横流转子。马格纳斯转子布置在横流转子之 内，其中，马格纳斯转子轴线在旋转轴线的方向上伸延。马格纳斯转子具有封闭的周 面，并且可通过驱动装置以绕所述马格纳斯转子轴线旋转的方式驱动马格纳斯转子。 该方案中马格纳斯效应在风力发电中仅起到辅助作用。

总之，综合来看，根据马格纳斯效应特点，马格纳斯效应在未来的工业和能源领 域具有广泛的应用潜力，特别是在海洋和高空环境下，由于风不会受到遮挡，风力稳 定，且风能资源丰富，马格纳斯效应具有很大的应用前景。然而，目前的马格纳斯效 应转子仍是单独应用于推进装置或者风力发电装置，风能利用率有限，还没有充分利 用马格纳斯效应的特点，最大限度地发挥其效能。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，使马格纳斯效应转子在有风情况下可以产生推力， 也可进行风力发电的特点结合起来，本发明提出了一种利用风能进行发电和产生推力 的马格纳斯效应转子。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯效应转子，其特征在于：包括 主转轴、主转筒组件、若干组风叶组件和风叶驱动组件；

所述主转筒组件包括主转筒和两个主转筒盖板；主转筒两端分别与主转筒盖板固 定连接；主转筒侧面开有若干轴向的风叶伸缩缝，风叶伸缩缝个数与风叶组件个数相 同；两个主转筒盖板与主转轴同轴固定连接；两个主转筒盖板的内侧端面上开有若干 风叶夹套安装孔；

所述风叶组件包括风叶和风叶夹套；所述风叶由平板风叶板和圆弧风叶板组成， 平板风叶板的宽度等于圆弧风叶板的圆弧半径；平板风叶板两端固连风叶夹套，风叶 夹套与风叶夹套安装孔转动配合，其中风叶夹套的转动轴处于对应圆弧风叶板的圆弧 圆心位置；当风叶夹套绕转动轴转动时，风叶夹套带动圆弧风叶板沿自身圆弧在主转 筒侧面对应的风叶伸缩缝内伸缩；

所述风叶驱动组件包括驱动电机和主齿轮；驱动电机安装在一个主转筒盖板的外 侧端面，驱动电机驱动主齿轮转动，主齿轮与主转筒同轴；主齿轮与所有风叶夹套转 动轴端部的从动齿轮啮合配合。

所述一种利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯效应转子，其特征在于：风叶 驱动组件上套有副转筒，副转筒与主转筒盖板固定连接，副转筒与主转筒同轴。

有益效果

本发明的有益效果为：在主转筒内部安装了若干绕圆周均匀分布的风叶，充分利 用了主转筒圆柱形内部空间；采用安装于伺服驱动电机上的风叶收放控制主齿轮与所 有风叶夹套转动轴端部的风叶收放控制从动齿轮啮合配合，使得伺服控制电机可同时 控制所有风叶伸出或收入主转筒。当风叶位于主转筒内部时，主转筒可作为推力装置， 此时主转轴依靠外部电机驱动转动，带动主转筒转动，从而在来流的条件下产生较大 推力；当无需主转筒作为推进器产生推力时，风叶伸出主转筒，在风力驱动下带动主 转筒和主转轴转动，主转轴可驱动外部发电机实现风力发电。这使得该马格纳斯效应 转子既可作为提供推力的推进器，又可在无需提供推力时用以发电，充分利用风能， 进行储能，具备很高的经济性。

附图说明

图1：风叶未伸出主转筒的转子结构示意图

图2：风叶未伸出主转筒的转子结构正视图

图3：风叶未伸出主转筒的转子结构侧视图

图4：风叶未伸出主转筒的转子结构剖视图

图5：风叶伸出主转筒的转子结构示意图

图6：风叶伸出主转筒的转子结构侧视图

图7：风叶伸出主转筒的转子结构正视图

图8：风叶伸出主转筒的转子结构剖视图

图9：主转轴与主转筒内侧盖板连接示意图

图10：主转轴结构示意图

图11：主转筒内侧盖板连接件侧视图

图12：主转筒内侧盖板连接件剖视图

图13：主转筒内侧盖板正视图

图14：主转筒内侧盖板轴测图

图15：风叶与主转筒内侧盖板连接示意图

图16：主转筒内侧盖板风叶连接夹套示意图

图17：主转筒内侧盖板风叶连接夹套剖视图

图18：风叶结构示意图

图19：风叶结构正视图

图20：风叶与主转筒外侧盖板风叶连接夹套和主转筒内侧盖板风叶连接夹套连 接示意图

图21：风叶与主转筒外侧盖板连接示意图

图22：主转筒外侧盖板轴测示意图一

图23：主转筒外侧盖板轴测示意图二

图24：主转筒外侧盖板与主转轴连接示意图一

图25：主转筒外侧盖板与主转轴连接示意图二

图26：主转筒正视图

图27：主转筒侧视图

图28：主转筒剖视图

图29：伺服控制电机、主转筒外侧盖板、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小 齿轮配合连接示意图

图30：伺服控制电机、主转筒外侧盖板、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小 齿轮配合连接侧视图

图31：伺服控制电机、风叶收放控制大齿轮与风叶收放控制小齿轮配合连接后视 图

图32：副转筒示意图

图33：转子作为推进器时风叶位于主转筒内的示意图

图34：转子作为发电用时圆弧风叶段位于主转筒外的示意图

其中：1.主转轴；2.主转筒内侧盖板连接件；3.主转筒；4.主转筒内侧盖板；5.风 叶；6.主转筒外侧盖板连接件；7.主转筒外侧盖板；8.风叶收放控制小齿轮；9.风叶收 放控制大齿轮；10.伺服控制电机；11.副转筒；12.盖板轴承；13.连接件轴筒；14.盖板 连接部；15.轴承安装孔；16.主转筒内侧盖板风叶连接夹套；17.主转筒外侧盖板风叶 连接夹套；18.内侧风叶收放控制转轴；19.夹套U型夹槽；20.风叶连接夹套圆形凸台； 21.外侧风叶收放控制转轴；22.盖板凸盖；23.盖板凸台；24.盖板沉孔；25.平板风叶 段；26.圆弧风叶段；27.风叶伸缩缝；28.风叶螺钉孔；29.风叶收放控制大齿轮空心轴 套；30.盖板连接部螺钉孔；31.主转筒外侧盖板轴向连接螺钉；32.伺服控制电机连接 螺钉；33.副转筒连接螺钉；34.主转筒连接螺钉；35.主转轴螺纹孔；36.连接件轴筒螺 钉孔；37.盖板连接部螺钉孔；38.主转筒盖板螺纹孔；39.主转筒盖板中间通孔；40.风 叶收放控制转轴通孔；41.盖板径向螺纹孔；42.风叶连接螺钉；43.伺服控制电机螺纹 孔；44.轴套螺钉；45.主转筒螺钉孔；46.伺服电机安装螺；47.伺服控制电机轴；48. 副转筒螺钉孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中的利用风能进行发电和产生推力的马格纳斯效应转子包括主转轴1、 主转筒组件、六组风叶组件和风叶驱动组件。

所述主转筒组件包括主转筒3、主转筒内侧盖板4和主转筒外侧盖板7。参照附图 9，主转筒内侧盖板4通过主转筒内侧盖板连接件2与主转轴1连接固定，主转筒外侧 盖板7通过主转筒外侧盖板连接件6与主转轴1连接固定。参照附图10，主转轴1采 用碳纤维复合材料制造，轴长1220mm，外径为40mm，壁厚3mm，在距其一端面182mm 处开有一直径为6mm的螺纹通孔，用以与主转筒内侧盖板连接件2通过螺钉连接，在 距其另一端面25mm处开有直径同样为6mm的另一螺纹通孔35，用以与主转筒外侧 盖板连接件6连接。

参照附图11和附图12，主转筒内侧盖板连接件2采用铝合金材料制造，连接件2 的轴筒13的内径与主转轴1的外径相同，壁厚3mm，长33mm，在轴筒13中部沿径 向开有直径为6mm的螺钉孔通孔，用以通过螺钉连接套紧固定在主转轴1上；主转筒 内侧盖板连接件2的盖板连接部14呈圆环形，厚度5mm，外径为75mm，并在直径 为60mm的圆周上沿轴向开有4个直径为6mm的螺钉通孔37，用以与主转筒内侧盖 板4上的主转筒盖板螺纹孔38通过螺钉连接，从而使得主转筒内侧盖板4与主转轴1 的位置固定并套紧。

参照附图13、附图14、附图15、附图22、附图23、附图24和附图25，主转筒 内侧盖板4和主转筒外侧盖板7均采用尼龙材料制造，呈圆板型，总厚度为20mm， 其中用以挡住主转筒3的盖板凸盖22的厚度为5mm，直径为240mm，与主转筒的外 径相同；盖板凸台23的厚度为15mm，直径为230mm，与主转筒3的孔径相同。在 盖板凸台23距离中心半径为30mm的圆周上沿轴向开有4个直径为6mm的主转筒盖 板螺纹孔38，用以与主转筒盖板通过螺钉连接。在盖板凸台23上半径为105mm的圆 周上均布有6个直径为16mm、深度为6mm的轴承安装孔15，用以安放盖板轴承12， 在每个轴承安装孔15的中心处又开有一个直径比盖板轴承12内径略大的风叶收放控 制转轴通孔40，在盖板凸台23的环形侧壁上的轴向中部位置，有沿周向均布的6个 直径为3mm，深度为8mm的盖板径向螺纹孔41，用以通过螺钉使得主转筒3固定套 紧于其上。参照附图13和附图14，主转筒内侧盖板4的中心开有与主转轴1外径相 同的主转筒盖板中间通孔，使得主转轴1得以穿过；而参照附图22和附图23，主转 筒外侧盖板7的中心开的主转筒盖板中间通孔39孔径比主转轴1外径大6mm，使得 套紧固定在主转轴1上的主转筒外侧盖板连接件6的连接件轴筒13得以穿过，进入主 转筒1内部；而主转筒外侧盖板7的另一侧开有与盖板连接部14外径相同、深10mm 的盖板沉孔24，使得主转筒外侧盖板连接件6的盖板连接部14能够沉入此孔，而用 以连接盖板连接部14和主转筒外侧盖板7的主转筒外侧盖板轴向连接螺钉31的螺钉 头不会凸出在主转筒外侧盖板7外部，便于伺服控制电机10在主转筒外侧盖板7上的 安装。

参照附图26、附图27和附图28，主转筒3采用碳纤维复合材料制造，其内径为 230mm，外径为240mm，长度为1000mm。距离主转筒3两端面7.5mm的壁面上沿周 向分别均布有6个直径为6mm的螺钉通孔45，用以通过螺钉与主转筒内侧盖板4和 主转筒外侧盖板7配合固定连接；在其壁面周向上还均布有6个沿轴向的风叶伸缩缝 27，此风叶伸缩缝27距离主转筒3的轴向两端端面距离均为17mm，其长度为966mm， 略长于风叶5的长度，宽度也略大于风叶5的厚度，使得风叶5可以通过此风叶伸缩 缝进行伸出或收入主转筒3。

所述风叶组件包括风叶5和风叶夹套。参考附图18、附图19和附图20，风叶5 采用碳纤维材料制造，厚度为3mm，风叶由平板风叶段25和圆弧风叶段26组成，其 圆弧风叶段26的半径与平板风叶段25的宽度相同，使得在风叶收放控制转轴18转动 时，圆弧风叶段26刚好沿其自身圆弧面做圆周运动，得以从主转筒3上的风叶伸缩缝 27中伸出或收入，且圆弧风叶段26的圆弧面的扇形夹角为90°。在平板风叶段25 的两端距离端面4mm处各开有两个风叶螺钉孔28，用以与主转筒内侧盖板风叶连接 夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17通过螺钉连接。

风叶夹套分为主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧盖板风叶连接夹套 17。参照附图16、附图17、附图20，主转筒内侧盖板风叶连接夹套16和主转筒外侧 盖板风叶连接夹套17均采用铝合金材料制造。如图16、图17所示，主转筒内侧盖板 风叶连接夹套16一侧有U型夹槽19，槽深6.5mm，槽宽3mm，风叶5的平板风叶段 两端分别卡在主转筒内侧盖板风叶连接夹套2和主转筒外侧盖板风叶连接夹套17的夹 套U型夹槽19内；夹套U型夹槽19的一侧开有贯穿的螺纹孔，另一侧开有贯穿的光 孔，通过风叶连接螺钉42与风叶5上的风叶螺钉孔28连接，从而固定风叶5。在夹 套U型夹槽19的另一侧有一个比盖板轴承12内径略大的风叶连接夹套圆形凸台20， 用以顶住盖板轴承12，风叶连接夹套圆形凸台20上有轴径与盖板轴承12内径相同的 风叶收放控制转轴21，主转筒内侧盖板风叶连接夹套16上的风叶收放控制转轴21的 长度比盖板轴承12的厚度大14mm,使得其与盖板轴承12紧密配合的同时端面刚好与 主转筒内侧盖板4的一面平齐。而参照附图20和附图21，主转筒外侧盖板风叶连接 夹套17上的风叶收放控制转轴21的长度比盖板轴承12的厚度大14mm，使得其与盖 板轴承12紧密配合的同时，伸出主转筒外侧盖板7的长度为75mm，用以与风叶收放 控制小齿轮8套紧配合，且风叶收放控制转轴21处于对应风叶的圆弧风叶段圆心位置 处。通过上述连接方式，实现了风叶5的定位，且风叶5可跟随风叶收放控制转轴21 转动而不碰着主转筒外侧盖板7和主转筒内侧盖板4。

参考附图29、附图30和附图31，伺服控制电机10通过伺服控制电机连接螺钉 32固定连接在主转筒外侧盖板7上，可随主转筒外侧盖板7转动；伺服控制电机10 的伺服控制电机轴47与风叶收放控制大齿轮9的风叶收放控制大齿轮空心轴套29通 过螺钉套紧固定；六个风叶收放控制小齿轮8分别通过紧钉螺钉套紧固定于主转筒外 侧盖板风叶连接夹套17上的风叶收放控制转轴18，并与风叶收放控制大齿轮9啮合 配合。风叶收放控制小齿轮8和风叶收放控制大齿轮9的端面平齐，均采用碳钢制造， 传动比为15。风叶收放控制大齿轮与主转筒同轴。

参照附图1和附图32，副转筒11采用碳纤维材料制造，呈筒状。副转筒11的筒 深100mm，内径为240mm，壁厚3mm。在其靠近主转筒一侧、距离其端面5mm处的 侧壁上沿周向均布有6个径向的副转筒螺钉孔48。这样，主转筒3和副转筒11通过 螺钉连接固定套紧于主转筒外侧盖板7上，且副转筒11可以罩住风叶收放控制转轴 18、风叶收放控制小齿轮8、和风叶收放控制大齿轮9、伺服控制电机10等位于主转 筒3轴向外部的机构。

参照附图1、附图4、附图21、附图29和附图33，对各风叶5进行初始装配安装 时，可通过伺服控制电机10对风叶5的转动角度进行微调，具体为：伺服控制电机 10的电机轴转动一定角度，从而通过套紧于其上的风叶收放控制大齿轮9带动与其啮 合配合的风叶收放控制小齿轮8转动，使得主转筒外侧盖板风叶连接夹套17的风叶收 放控制转轴18转动，带动圆弧风叶段26绕着风叶收放控制转轴18的轴线转动一定角 度，直到圆弧风叶段26的末端端面与风叶伸缩缝27的缝口平齐，然后伺服控制电机 10的电机轴锁死，以使得风叶5位置固定。此时由于风叶5位于主转筒3内，该转子 可作为推进器，根据马格纳斯效应，在有风条件下，当外部电机驱动主转轴1转动时 在主转筒3和副转筒11上均可产生推力。

此后，参照附图5、附图8、附图21、附图29和附图34，当无需将转子作为推进 装置产生推力，而需要利用风能进行发电时，伺服控制电机10的电机轴逆时针转动 6°，由于风叶收放控制大齿轮9与风叶收放控制小齿轮9之间的传动比为15，则可 使得每个风叶收放控制小齿轮8顺时针转动90°，从而使得每个风叶5的圆弧风叶段 25均沿风叶伸缩缝27伸出主转筒3外，在风力驱动下带动主转筒3转动，从而带动 套紧有发电转子的主转轴1转动，实现发电功能；反之，当需要再从发电模式转换为 推进模式时，伺服控制电机反向转动6°，则可使得每个风叶收放控制小齿轮8逆时 针转动90°，从而使风叶5的圆弧风叶段26收入主转筒3内，而圆弧风叶段26的末 端端面与风叶伸缩缝27的缝口平齐，使其转变为推力转子。这样就实现了本方案转子 在推进和发电模式下的转换，满足不同状态下的需要。