一种基于桁架结构的风力助推转子系统的制作方法

本实用新型涉及风能利用领域，尤其涉及一种基于桁架结构的风力助推转子系统。

背景技术：

随着全球气候变暖，世界各国对于环境问题日益重视，船舶节能减排在全球节能减排的大趋势下成为船舶水动力研究的热门。国际海事组织也不断以强制性公约、规范的形式加强对海洋环境和大气环境的保护。随着MEPC第70次会议的召开，船舶能效问题进一步发酵，已建议在2020年时采取更为严格的设计要求和更改的折减率，将考虑提高PhaseⅢ折减率甚至提出PhaseⅣ。这些对于船舶节能减排新技术提出了迫切的需求，需要在船舶设计过程中，进一步加强对船舶整体性能的研究。

风能属于清洁能源，在特定航线上，据气象统计存在较为恒定的风力风向，对风能的有效利用可以为船舶在现有能耗基础上提供额外的节能减排空间。在存在长期侧向风的航线，利用一种Flettner转筒(又称马格努斯转筒)具有为船舶提供额外推力的可能。这种风力助推装置利用马格努斯效应进行工作，马格努斯效应可表示为绕旋转圆柱的有环流动可产生垂直于来流方向的侧向力，在设定转筒的转速转向后，可以在横向风中为船舶提供沿船舶前进方向的额外推力，通过进一步调控船舶主机，可以使得在这些航线上的船舶减少能耗。随着对船舶节能减排的进一步精细化要求，系统性的节能技术需要在船舶整体系统中优化配置，对新型的包括转筒外形、支撑结构、传动系统、感应与控制系统的一体化整合设计提出了要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于桁架结构的风力助推转子系统，包括带有m个纵向肋条的转筒、顶部支撑盘、底部支撑台、电机和甲板安装架，m≥2，所述转筒内部安装塔式支撑架，所述顶部支撑盘和底部支撑台均通过深沟球轴承和推力轴承与转筒连接，所述顶部支撑盘顶部安装动力增强盘，所述底部支撑台内嵌行星齿轮传动系统，所述底部支撑台和所述电机固定安装在甲板安装架上，所述行星齿轮传动系统通过变速箱连接电机，涡轮减速器。

进一步地，所述转筒为两端开口的薄壁圆筒结构，且外部安装引导滚轮。

进一步地，所述纵向肋条为圆柱形，均布于转筒外表面。

进一步地，所述纵向肋条的半径为转筒的半径的0.05-0.2倍。

进一步地，所述纵向肋条之间的间距为转筒长度的0.05-0.15倍。

进一步地，所述顶部支撑盘为双向槽道式圆盘。

进一步地，所述塔式支撑架安装在顶部支撑盘和底部支撑台之间，为塔式桁架结构，且内部具有中心轴，所述中心轴为中空圆管。

进一步地，所述动力增强盘为固定式，通过至少一个固定点的固定机构固定在顶部支撑盘上。

进一步地，所述转筒内部安装扭矩传感器，所述动力增强盘上安装风速风向传感器，所述风速风向传感器为柜式结构。

进一步地，所述行星齿轮传动系统包括齿轮轴、太阳轮、行星齿轮、内齿轮和异步电机，所述太阳轮固定在齿轮轴上，所述齿轮轴的下端与异步电机轴连接，所述行星齿轮共有5组，为固定式齿轮，且转轴固定在内部支撑件上，所述内齿轮与转筒的内部强肋骨刚性连接。

本实用新型用于船舶节能的风力助推转子系统具有提高船舶航行综合性能、达到船舶节能减排目的的优点。

附图说明

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的纵剖图；

图3为图2的局部放大图A；

图4为本实用新型中转筒的侧视图；

图5为本实用新型中转筒的横剖面图；

图6为本实用新型实现控制的原理图。

图中：1-转筒，2-纵向肋条，3-顶部支撑盘，4-底部支撑台，5-塔式支撑架，6-动力增强盘，7-行星齿轮传动系统，8-驱动电机，9-滑槽挡板，10-甲板安装架，11-六自由度力/扭矩传感器，12-风向传感器，13-变速箱，14-深沟球轴承，15-推力轴承，16-内部强肋骨，17-行星齿轮传动系统，18-中心轴，19-齿轮轴，20-太阳轮，21-行星齿轮，22-内齿轮，23-异步电机，24-内部支撑件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种基于桁架结构的风力助推转子系统的具体实施方式进行详细说明，该实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2，一种基于桁架结构的风力助推转子系统，包括带有m个纵向肋条2的外部转筒1，m≥2，转筒1为两端开口的薄壁圆筒结构，在顶部和底部分别采用深沟球轴承14和推力轴承15连接顶部支撑盘3和底部支撑台4，转筒1顶部嵌入固定的动力增强盘6中，转筒1外部均布圆柱形纵向肋条2，纵向肋条2的轴线位于圆筒壁厚中间的圆柱面上，纵向肋条2的半径为转筒1半径的0.05-0.2倍，其流线型外形保证在不大幅增大船舶航行阻力的前提下，有效带动更多流体转动，增大同样条件下的风力；同时，外部的纵向肋条2起到转筒1加固作用。转筒1内部为环肋结构，肋骨间距一般为转筒长度的0.05-0.15倍，上下各有内部强肋骨16用以加强结构及支撑之用。

顶部支撑盘3为双向槽道式圆盘，其纵向位置根据转筒1具体的结构位于至转筒顶部0-0.5转筒1长度，通过深沟球轴承14和推力轴承15为转筒1提供侧向和轴向支撑，分别用以承担径向力和轴向力，降低周向转动摩擦损耗；深沟球轴承14的两个支撑面分别无间隙的紧贴顶部支撑盘3的外侧面和转筒1的内部强肋骨内侧面，推力轴承15的两个支撑面分别无间隙的紧贴顶部支撑盘3槽道和转筒1的内部强肋骨16下侧面，使其可在转筒1运转时在顶部支撑盘3上工作。底部支撑台4通过至少六个固定点连接在甲板安装架10上，通过深沟球轴承14和推力轴承15在底部为转筒1提供支撑，同时用以容纳行星齿轮传动系统7，底部支撑台4还具有覆盖件，用以保护轴承和导滚轮17免于外界环境的污染。

转筒1内部安装塔式支撑架5，塔式支撑架5主体为自立式高耸钢结构，截面为正多边形，经由斜搭桁架加固，侧面为梯型结构，其上端接顶部支撑盘3，下端由固定台固定于底部支撑台4上端面，用以连接和支撑顶部支撑盘3，在保证结构强度的前提下有效的减轻了支撑结构的重量，塔式支撑架5包括中心轴18，中心轴18为中空圆管，用以安装时确定结构同轴度，且内部通过传感器信号线。顶部支撑盘3上安装动力增强盘6，动力增强盘6为固定式，通过至少一个固定点的固定机构固定于顶部支撑盘3上，用以增大转筒1的环量，以减少绕过转筒1顶部的流动，增大转筒1提供的附加推力提高承载能力。转筒1底部安装引导滚轮17，转筒1运转时可利用引导滚轮17在底部支撑台4的槽道内工作。

如图3-5所示，底部支撑台4内嵌安装行星齿轮传动系统7，使行星齿轮传动系统7完全位于转筒1结构内部，可以有效防止海洋恶劣环境的损蚀。行星齿轮传动系统7下方通过变速箱13连接驱动电机8，能够减少传动损耗及方便维护，驱动电机8是转筒1旋转的动力源。行星齿轮传动系统7为减速系统，提供一定减速比，行星齿轮传动系统7包括齿轮轴19、太阳轮20、行星齿轮21、和内齿轮22，齿轮轴19下端与异步电机23轴直接连接，通过固定式行星齿轮21传动内齿轮22转动；太阳轮20固定于齿轮轴19，由齿轮轴19带动，与行星齿轮21咬合；行星齿轮21共有5组，其转轴固定于内部支撑件24上，为固定式齿轮，内部支撑件24用以提供轴向刚性固定与塔式支撑架5的支撑；内齿轮22为旋转件，与转筒1内部强肋骨16刚性连接，带动转筒1转动。驱动电机8具有至少三个固定点，固定于甲板安装架10上，驱动电机8由变频器、异步电机23、减速齿轮箱等构成，变频器用以控制电机转速，由信号线连接至中央控制器(SE)。行星齿轮传动系统7中，太阳轮20和行星齿轮21均保持固定，内齿轮22带动转筒1转动。行星齿轮21的转轴和内部支撑件24一起作为底部支撑台4的主要支撑结构，这种嵌入式的设计可以有效的传递轴向力，同时使得电机可以置于甲板以下，避免维护的不便。

如图1、2和4所示，底部支撑台4的下方固定安装在甲板安装架10上，甲板安装架10采用嵌入式结构，用以支撑转筒1及其支撑、传动结构，且传递转筒1运行时的力，甲板安装架10是一种与甲板及肋骨结构为一体的船体部件，内部放置电机及传动设备，这样，维护人员可以在甲板内部对电机设备进行监控和维护。扭矩传感器11置于转筒1内部，用以监控测量转筒1运转时六自由度受力和扭矩情况，为中央控制器(SE)提供参考数据，通过无线连接将数据发送给接收器，进而传至控制中心。

如图1和4所示，动力增强盘6上安装风速风向传感器12，以测量转筒1所处位置的实时风速风向，为控制器计算最佳转速提供数据，数据通过信号线传输至中央控制器(SE)。中央控制器(SE)位于船舶主控室内，为柜式结构，具备转筒1运行优化系统，以预设软件根据风速风向传感器12提供的参数，如实时风速风向、转筒1受力等数据，计算当前海洋环境及船舶航行状态下转筒1最佳运转转速，并通过变频器控制电机调节转筒1转速，通过进行实时的转筒1最佳运行方式计算使得船舶在不同环境、运行状态下均能以最小能耗运行，进而大幅提高船舶航行经济性。中央控制器同时还从船舶主机、GPS系统等获取航行数据，并实时向船舶主控室传递功率数据，达到节能目的。控制器的变速行为不是一个敏捷过程，预设一定环境变化量阈值，超出这一阈值的变化将反映至转筒1转速。这些控制程序通过预设的内嵌芯片置于中央控制器中，同时，实时的运行数据也通过显示器传达至主控室的操作人员，以实时监控运行情况。

如图6为本实用新型基于桁架结构的风力助推转子系统感应与控制系统原理图，其中S1、S2、S3分别为风速风向传感器、船舶推进器轴功率检测器及GPS系统，分别对应风速风向数据、船舶能耗数据和船舶航行状态数据，根据这三个数据，控制中心SE给出在当前海洋环境及船舶航行状态下的最佳转速调节方式，通过变频器回路U调节异步电机M的转速，进而控制转筒1工作。S4为转筒1六自由度力，扭矩传感器感应转筒运转时受力情况，反馈给控制中心，辅助调节转速。同时，S1、S2、S3和S4组成的感应系统将数据传输至监控器，供工作人员监控实时运转情况。特别的，变频器U与电机M之间设置调速阀，当转筒1转速变化大于设定的阈值时，电机进行调速行为，以保护电机。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。