本发明专利技术公开了一种阶梯马格努斯型风力叶片及风力机，叶片为阶梯圆柱形，分为若干圆柱段，各段圆柱直径，从叶片根部到叶片末端逐段变小；圆柱段包括圆柱形内齿轮，其内腔均设有行星齿轮装置。利用该叶片，本发明专利技术提出一种风力机，包括发电装置、轮毂、行星轮系统、塔架等相关设施。轮毂安装驱动电机，通过斜齿轮传动使圆柱形叶片实现一定速度的自转。不同的圆柱形叶片段通过行星轮系统实现差速转动，通过调节行星轮改变圆柱形叶片自转角速度，保证风力机组最大功率输出。本发明专利技术结构简单，加工成本低，可靠性强，高效率利用风能发电。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风力发电
，更具体地，设及一种马格努斯型风力叶片及风力 机。
技术介绍
可再生能源是解决能源危机的最佳途径，而风力发电又是可再生能源行业中发展 最迅速、技术最成熟、前景最广阔的行业。随着科学技术的不断进步，风力发电的经济性不 断改善，加之我国已把可再生能源作为我国能源战略的重要组成部分，风力发电拥有巨大 的潜在市场。 风力机叶片是风力机组的核屯、部件，直接关系到风力利用的效率。现代风力机的 叶片多为传统翼型叶片，基于来流风速均匀稳定的条件下设计的，并未考虑大气边界层的 风力梯度对效率的影响。而实际工作的风力机大都工作在200米W内的大气边层内，由于 地面粘度和地形粗糖度的作用，使得靠近地面的大气边界层处存在较大的风力梯度，该梯 度作用于叶片上将产生叶片的转矩变化和俯仰力矩，从而导致输出功率的减少。因而迫切 需要一种能够保证在大气边界层内输出功率不发生损失甚至提升的风力机。 马格努斯型风力机的叶片是基于马格努斯效应的风能叶片，可视为自转的圆筒叶 片。当旋转圆筒受到横向流动的风作用时会受到垂直于流动方向的升力，即所谓的马格努 斯力。马格努斯型风力机的叶片与传统叶片相比，在相同的叶片表面积下，马格努斯叶片的 升力是传统翼型叶片升力的十倍W上，因此在发电效率上具有明显的优势。现有的马格努 斯型风力机叶片为等径设计的直圆筒型，在大气边界层剪切风作用下效率降低，而且其材 料强度要求高，不适应风力机大型化发展。
技术实现思路
针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种新型风力叶片及风力 机，其目的在于提高叶片工作效率和风力机的输出功率，由此解决发电效率低的技术问题。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种阶梯马格努斯型风力叶片， 其特征在于，所述叶片为阶梯圆柱形，分为若干圆柱段，各段圆柱直径，从叶片根部到叶片 末端逐段变小； 所述圆柱段包括圆形内齿轮，其内腔均设有行星齿轮系统（4)，所述行星齿轮系统 (4)内腔居中设有太阳齿轮，各段太阳齿轮共轴；各太阳齿轮与齿圈通过=个及W上行星 齿轮晒合，用于将齿圈转动传给太阳齿轮，并实现各圆柱段的差速转动。 基于上述叶片，本专利技术提出一种马格努斯型风力机，包括塔架巧）、发电装置（1) 和=个及W上所述的叶片，其特征在于： 所述叶片通过根部圆柱段与轮穀固定连接，相对于轮穀中屯、呈圆对称分布；所述 轮穀内部设有电动机，用于驱动叶片根部圆柱段的圆形内齿轮自转，用于驱动其它圆柱段 的转动； 工作中，在风力的带动下，各叶片旋转，带动轮穀旋转，将风能转化为机械能，送入 发电装置。 进一步的，所述的马格努斯型风力机中，在电动机（7)与根部圆柱段之间，设有斜 齿轮（8)，用于实现电动机与圆柱段圆形内齿轮之间的动力传送。 进一步的，所述的马格努斯型风力机中，包括五个等圆角度分布的叶片。 进一步的，所述的马格努斯型风力机中，各圆柱段内行星齿轮系统中，齿圈和太阳 轮、行星轮的齿数比根据实际工况设计。 本专利技术是基于马格努斯效应而设计，本专利技术提出的叶片，带有一定速度自转。考虑 到大气边界层存在风力梯度和结构强度的影响，将每个叶片设计成若干段需要的圆柱形叶 片段，通过行星轮系统使不同的叶片段间W不同的速度自转，调节不同圆柱形叶片段的转 速可W使整个叶片在旋转过程中都能W最优速度自转，有效地降低叶片损失效率，提高机 组的输出功率。 马格努斯型风力机的工作原理：空气W-定的风速流经阶梯状的自转圆柱形叶 片，产生马格努斯升力，推动叶片转动，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过一系列 的传动装置将机械能送入发电装置，供于发电。 马格努斯型风力机的工作特点：马格努斯型风力机可W在任意风速工况下进行启 动，结构简单，维修方便，发电效率高。而且此风力机易于制造加工，重屯、较低，安全性好，运 行成本低，维护容易，无噪音污染等明显特点。马格努斯型风力机可W应用于水平轴和垂直 轴上，可W在风力发电机、高吸程水累、空气压缩机等设备进行储能使用。 本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术的马格努斯型风力机，通过将叶片设计为阶 梯状的分段旋转圆筒，通过控制各段圆筒的直径保证叶片所受的弯曲应力延展向分布均 匀，满足材料的强度要求；通过控制各段圆筒的转速保证每一段圆筒均W最优的工况运行， 实现风力机在大气边界层输出功率不但不受损，反而有较大幅度提升的效果。 总体而言，通过本专利技术所构思的W上技术方案与现有技术相比，由于轮穀摸弃了 变奖距系统，安装驱动电机通过斜齿轮传动来调节叶片的自转速度，来达到控制风力机输 出功率的控制。行星轮系统作为阶梯状的自转圆柱形叶片间的传动装置，根据风速梯度变 化调节圆柱形叶片段的自转速度，实现差速转动，简化了机组的结构和提高了机组效率。【附图说明】 图1是马格努斯型风力机结构示意图； 图2是阶梯状的自转圆柱形叶片内部传动机构； 图3是轮穀内驱动机构； 图4是大气边界层风速分布； 图5是大气边界层内风力机功率损耗； 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-发电装置、 2-轮穀、3-叶片、4-行星轮系统、5-塔架、6-基础，7-驱动电机，8-斜齿轮、9-后盖。 10一圆柱形内齿轮，11 一太阳轮），12-水平旋转轴。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。 实施例： 如图1所示，带有阶梯状自转的圆柱形叶片的马格努斯型风力机，包括发电装置 (1)、轮穀（2)、叶片（3)、塔架巧）、基础（6)等相关设施。风轮由叶片（3)和轮穀（2)组成。 叶片（3)具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮穀（2)将转矩输 入到发电装置（1)中。发电装置（1)将机械能转化成动能，并输送给电网。为了配筋方便， 基础（6)形状为方形。塔架（5)与基础（6)相连接，支撑位于空中的风力发电系统，承受风 力发电系统运行引起的各种载荷，同时传递运些载荷到基础，使整个风力机组能稳定可靠 地运行。 结合图1、图2及图3可知，叶片（3)各段形状均为圆柱形、直径大小从叶根部到叶 尖部呈阶梯状。由电动机（7)驱动叶片自转，自转的叶片（3)在水平气流的作用下产生马 格努斯升力。基于风力机组稳定性，叶片数目为5。基于大气边界层存在较大的风力梯度， 叶片（3)等距分割成15个圆柱形叶片段，呈阶梯状即半径逐次递减的叶片段。调节行星轮 的转速来实现各个圆柱形叶片段的差速转动。图4为传动装置斜齿轮结构，电机驱动斜齿 轮运转从而带动叶片W-定速度转动。风轮转动的机械能经水平旋转轴（12)进入发电装 置（1)，用于发电。 为了验证本专利技术中的阶梯马格努斯型叶型在边界层内的实施效果，本实施例中将 设计了一组阶梯马格努斯型叶型与传统翼形叶片NACA4418进行对比，阶梯马格努斯型叶 型参考NACA4418进行设计。将阶梯马格努斯型叶型和NACA4418分为15级，各段马格努斯 型叶片在均匀来流风速下的升力设计与NACA4418的升力相同，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种马格努斯型风力机叶片，其特征在于，所述叶片为阶梯圆柱形，分为若干圆柱段，各段圆柱直径，从叶片根部到叶片末端逐段变小；所述圆柱段包括圆形内齿轮，其内腔均设有行星齿轮系统(4)，所述行星齿轮系统(4)内腔居中设有太阳齿轮，各圆柱段太阳齿轮共轴；各太阳齿轮与齿圈通过三个及以上行星齿轮啮合，用于将齿圈转动传给太阳齿轮，并实现各圆柱段的差速转动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：鲁录义，王坤，刘雪晴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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