马格努斯式垂直轴风轮及风力机

1.本发明属于风力驱动设备技术领域，尤其涉及一种马格努斯式垂直轴风轮及风力机力机。


背景技术：

2.流体中旋转的圆柱会受到一个垂直于转动轴和流动方向的力作用，这种现象称为马格努斯效应。在马格努斯式的垂直轴风力装置中，通过马格努斯力得到垂直轴风轮的转动扭矩。但马格努斯力的方向始终垂直于圆柱转动方向和来流风方向，且马格努斯力的大小由风速和圆柱转子的转速决定。然而在垂直轴的风车中，旋转圆柱沿着一个方向转动时，产生的马格努斯力在上风侧和下风侧为同一方向，此时作为垂直轴风力机风轮的转动扭矩会相互抵消，因此不能直接使用旋转圆柱作为垂直轴式的风力机转子。
3.目前，解决上述问题的方法之一是在上风侧和下风侧分别改变圆柱转动方向，但是采用该方法时需要频繁地切换圆柱转动方向，这对于装置自身以及驱动电机会产生损耗，极大地减小使用寿命，并且圆柱在高转速下，减速后换方向加速同样需要一定的时间，这有可能使得圆柱的旋转方向切换跟不上风轮的转动而导致装置效率降低。
4.另外，还有另一种解决方法：使用一组转动方向相反的旋转圆柱，沿着风轮内外侧布置，通过上风向马格努斯转子对下风向的遮挡作用减小下风向转子的马格努斯，当旋转圆柱组处于上风侧时，外侧转子处于上风向，内侧转子处于下风向，风轮产生沿着外侧转子的马格努斯力方向的扭矩；当旋转圆柱组处于下风侧时，外侧转子处于下风向，内侧转子处于上风向。如此一来在上风侧和下风侧风轮就能产生同一方向的转动扭矩。这种方法能够有效解决频繁切换圆柱旋转的问题，但由于同时需要驱动两根旋转圆柱，因此成本也会相应的提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种马格努斯式垂直轴风轮及风力机力机，旨在解决现有技术中由多个旋转圆柱组成的风轮因受马格努斯效应产生的负扭矩而无法直接在垂直轴式风力机上使用，影响风力机工作效率的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种马格努斯式垂直轴风轮，所述风轮包括矩形风轮框架、转轴、两个圆柱转子及两个挡风板，所述圆柱转子由驱动部件驱动并设置于风轮框架的两端、且与风轮框架转动配合，两个挡风板对应设置于两个圆柱转子的里侧，两个挡风板的中部均与风轮框架转动配合，所述挡风板的活动端与偏心机构相连，所述偏心机构用于驱动挡风板转动来抑制圆柱转子所受马格努斯力的负扭矩大小；所述风轮框架的中部与转轴固连。其中，驱动部件通过导电滑环进行供电，导电滑环设置在转轴下侧，连接驱动部件与导电滑环的导线设置于风轮框架和转轴内部。
7.优选的，所述挡风板的侧面为矩形平板状，所述挡风板的中部与风轮框架转动配
合，所述挡风板的活动端与偏心机构的偏心臂转动相连。
8.优选的，所述挡风板的两侧面由活动端至自由端逐渐靠近并拢，所述挡风板的活动端为圆弧面。
9.优选的，所述挡风板的中部设有与固定杆转动配合的通孔，所述固定杆的两端与风轮框架的上下边框固连；所述挡风板的活动端设有与活动杆配合的通孔，所述活动杆的下端与偏心机构的偏心臂末端转动配合。
10.优选的，所述偏心机构包括偏心基座和两个偏心臂，所述偏心基座上设有偏心座，所述偏心座套装在转轴的外侧、且与转轴外壁之间设有间隙，偏心座与转轴的中心轴线不重合；所述偏心臂的一端与偏心座转动配合、另一端与挡风板的活动端转动配合，两个偏心臂分别与偏心座转动配合。
11.优选的，所述偏心基座包括支撑架和用于固定偏心座的支撑腿，所述支撑架的上下支撑板与转轴转动配合；所述偏心座的的外部套装轴承，两个偏心臂的端部均设有与轴承配合的安装孔，所述偏心座的四周通过多个支撑腿与支撑架相连。
12.优选的，所述偏心臂的长度为m，所述固定杆与活动杆之间的距离为l，所述转轴与偏心座的偏心孔之间的距离为d，挡风板中部固定杆到转轴的距离为r；所述偏心机构的运转满足以下公式：m+l-d＞r，d+m-l＜r。
13.优选的，所述支撑架包括两个支撑板及其外侧的连接架，所述支撑板的中部设有与转轴转动配合的通孔，两个支撑板通过连接柱及其外侧的连接架相连，所述连接柱的上下两端分别与两个支撑板连接固定，所述连接架包括连接柱外侧的斜撑杆及其底部的连接杆，所述斜撑杆的下端通过连接块及连接杆与下方支撑板相连，两两相邻的两个斜撑杆下端通过连接杆相连。
14.本发明还提供一种风力机，包括上述马格努斯式垂直轴风轮和机架，所述转轴通过传动机构与机架相连。
15.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过在圆柱转子的里侧设置挡风板，利用挡风板对马格努斯力进行控制，在上风侧圆柱转子推动风轮转动时，马格努斯力基本不受到影响，在下风侧圆柱转子抑制风轮转动时，减小马格努斯力，以此实现风轮的转动。采用发明能够实现垂直轴风力机转子的顺利旋转，进而确保风力机的正常运转。
附图说明
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
17.图1是本发明实施例提供的一种马格努斯式垂直轴风轮的结构示意图；图2是图1中a处偏心座的局部放大图；图3是图1中偏心座的结构示意图；图4是本发明中挡风板的工作原理示意图；图5是本发明中风轮上风侧和下风侧定义图；图6是马格努斯力方向定义图；图7是本发明实施例中偏心机构在风向与风轮框架夹角为0
°
情况下圆柱转子和挡风板的受力示意图；
图8是图7中风轮框架逆时针旋转45
ꢀ°
情况下圆柱转子和挡风板的受力示意图；图9是图7中风轮框架逆时针旋转135
ꢀ°
情况下圆柱转子和挡风板的受力示意图；图10是风轮旋转过程中固定杆和活动杆的运动轨迹示意图，及主轴、偏心轴与固定杆共线时与偏心臂及挡风板组成的三角形示意图；图11是风轮旋转过程中固定杆和活动杆的运动轨迹示意图，及主轴、偏心轴与活动杆共线时与偏心臂及挡风板组成的三角形示意图；图中：1-圆柱转子，2-挡风板，3-活动杆，4-驱动部件 5-固定杆，6-偏心臂，7-连接块，8-转轴，9-偏心基座，10-轴承，11-法兰连接件，12-风轮框架，13-马格努斯力，14-圆柱转子转向，15-挡风板的风载荷切向作用力，16-连接杆，17-支撑架，18-偏心座，19-连接架，20-支撑腿，21-底座，22-支腿，23-支撑板，24-连接柱，25-斜撑杆。
具体实施方式
18.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.参见图1，本发明提供的一种马格努斯式垂直轴风轮，所述风轮包括矩形风轮框架12、转轴8、两个圆柱转子1及两个挡风板2，所述圆柱转子1由驱动部件4驱动并设置于风轮框架12的两端、且与风轮框架12转动配合，两个挡风板2对应设置于两个圆柱转子1的里侧，两个挡风板2的中部均与风轮框架12转动配合，所述挡风板2的活动端与偏心机构相连，所述偏心机构用于驱动挡风板2转动来抑制圆柱转子1所受马格努斯力的大小；所述风轮框架12的中部与转轴8固连。其中，驱动部件为安装在圆柱转子底部的驱动电机，通过驱动电机驱动圆柱转子旋转，旋转的圆柱转子在风力驱动下获得马格努斯力，进而驱动风轮转动；并通过偏心机构驱动挡风板偏摆，来调节抑制圆柱转子所受马格努斯力的负扭矩大小，实现风轮的正常旋转。
20.其中，驱动部件通过导电滑环进行供电，导电滑环设置在转轴下侧，连接驱动部件与导电滑环的导线设置于风轮框架和转轴内部。
21.具体设计时，如图1、3所示，所述挡风板2的侧面为矩形平板状，所述挡风板2的中部与风轮框架12转动配合，所述挡风板2的活动端与偏心机构的偏心臂6转动相连。具体制作时，所述挡风板2的两侧面由活动端至自由端逐渐靠近并拢，且挡风板的活动端采用圆弧面，来减小风的阻力；所述挡风板2的中部设有与固定杆5转动配合的通孔，所述固定杆5的两端与风轮框架12的上下边框固连；所述挡风板2的活动端设有与活动杆3配合的通孔，所述活动杆3的下端与偏心机构的偏心臂6末端通过轴承转动配合。采用该方案，将挡风板做成翼型的截面形式，当挡风板随风轮转动时，能够减小挡风板的风荷载对风轮产生的阻力，提高风轮的效率。
22.另外，还可以采用以下方式安装挡风板2：将挡风板2的中部与固定杆5固连，所述固定杆5的两端与风轮框架12的上下边框转动配合；所述挡风板2的活动端与活动杆3固连，所述活动杆3的下端与偏心机构的偏心臂6末端转动配合。
23.如图4-9所示，在上风侧旋转的圆柱转子推动风轮转动时，马格努斯力基本不受到
影响，在下风侧旋转的圆柱转子抑制风轮转动时，减小马格努斯力，以此实现气流阻碍的作用。
24.在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述风轮框架12包括上下边框及两侧边框，所述圆柱转子1与风轮框架12的两侧边框转动配合，上下边框的中部均设有与转轴8配合的法兰连接件11，所述法兰连接件11通过顶丝与转轴8固连。采用该结构能够简化风轮结构，进而降低风轮重量。
25.如图1-3所示，所述偏心机构包括偏心基座9和两个偏心臂6，所述偏心基座9上设有偏心座18，所述偏心座18套装在转轴8的外侧、且与转轴8外壁之间设有间隙，偏心座18与转轴8的中心轴线不重合；所述偏心臂6的一端与偏心座18转动配合、另一端与挡风板2的活动端转动配合，两个偏心臂6分别与偏心座18转动配合。其中，所述偏心基座9包括支撑架17和用于固定偏心座18的支撑腿20，所述支撑架17的上下支撑板23与转轴8转动配合；所述偏心座18的外部套装轴承10，两个偏心臂6的端部均设有与轴承10配合的安装孔，所述偏心座18的四周通过多个支撑腿20与支撑架17相连。在风轮框架旋转过程中，挡风板及偏心臂随之旋转，利用两个偏心臂带动两个挡风板发生偏摆。
26.具体制作时，如图3所示，所述支撑腿20包括底座21及弧形支腿22，所述底座21固定在上方支撑板23的边缘上，所述支腿22的下端与底座21相连、上端与偏心座18相连。
27.为了满足轻量化设计要求，如图1所示，所述支撑架17包括两个支撑板23及其外侧的连接架19，所述支撑板23的中部设有与转轴8配合的通孔，两个支撑板23通过连接柱24及其外侧的连接架19相连，所述连接柱24的上下两端分别与两个支撑板23连接固定，所述连接架19包括连接柱24外侧的斜撑杆25及其底部的连接杆16，所述斜撑杆25的下端通过连接块及连接杆16与下方支撑板23相连，两两相邻的两个斜撑杆25下端通过连接杆16相连。安装时，斜撑杆25的下端与连接杆16均设置在连接块7上。采用该结构方便加工制作，能够降低制造成本，同时也方便装配。
28.如图5所示，所述偏心臂6的长度为m，所述固定杆5与活动杆3之间的距离为l，所述转轴8与偏心座18的偏心孔之间的距离为d，挡风板2中部固定杆5到转轴8的距离为r；所述偏心机构的运转满足以下公式：m+l-d＞r，d+m-l《r。当r与d共线时，与m、l形成一个三角形；当m与d共线时，与r、l形成一个三角形，通过该限定能够保证风轮转动顺畅，避免风轮被“卡住”无法转动。
29.如图10、11所示，固定杆运动轨迹是：以转轴为圆心，固定杆到转轴的距离r为半径的实线圆；活动杆的运行轨迹是：以偏心座的中心轴为圆心，偏心臂长度m为半径的虚线圆。图10、11中阴影部分为挡风板上固定杆与活动杆之间部分在旋转过程中扫过的区域。
30.为了方便研究圆柱转子及挡风板的受力情况，假定来流风方向不变，风轮按照图7中逆时针方向旋转。风轮在旋转过程中，圆柱转子在几个典型角度下所受马格努斯力及挡风板所受切向力如图7-9所示，图中挡风板的风载荷切向作用力15指的是此处挡风板所受切向力，即沿着风轮转动轨迹的切线方向，风作用在挡风板上的阻力在该方向上的分量。本发明的工作原理如下：通过偏心臂控制挡风板的活动端，圆柱转子随风轮进行公转运动时挡风板能够调整相对来流风的迎风面积，挡风板处于风轮下风侧时迎风面积较大，能够减弱马格努斯效应，减小负扭矩；当挡风板处于上风侧时迎风面积较小，对马格努斯力影响较弱，受到的风
阻力也更小。
31.本发明还提供一种风力机，包括上述马格努斯式垂直轴风轮和机架，所述转轴通过传动机构与机架相连，所述马格努斯式垂直轴风轮用于提供动力源。凡是包含上述马格努斯式垂直轴风轮的风力机均在本发明的保护范围之内。此处风力机可应用于发电或用于提水灌溉等。
32.本发明的工作过程如下：由外部电源通过转轴底部安装的导电滑环为驱动部件供电，通过驱动电机部件驱动圆柱转子转动，为马格努斯效应的产生创造条件；当来流风经过圆柱转子时，产生的马格努斯力推动风轮转动；随着风轮转动偏心轮机构对挡风板进行调节，改变挡风板的角度和迎风面积，对圆柱转子的气动力进行调节，实现风轮的持续转动。
33.本发明中挡风板的工作原理如下：在圆柱转子的上风向侧安装挡风板能够影响圆柱转子周围空气的流动。当挡风板处于圆柱转子上风向时，偏心轮机构将挡风板的迎风面积调节变大，此时挡风板能够减小流过圆柱转子风的速度，因此会明显弱化马格努斯力。当挡风板处于圆柱转子下风向时，偏心轮机构将挡风板的迎风面积调节减小，此时挡风板对圆柱转子的马格努斯力影响很弱，并且对来流风的阻挡作用也会减小，能够让风顺利流过。
34.通过上述挡风板的布置，能够实现垂直轴的风轮在上风侧和下风侧产生扭矩差，进而保证了风轮的转动。
35.综上所述，本发明具有结构紧凑、风机驱动力大的优点，通过偏心机构调节挡风板的偏摆，进而对圆柱转子所受马格努斯力进行控制，在上风侧圆柱转子推动风轮转动时，马格努斯力基本不受到影响，在下风侧圆柱转子抑制风轮转动时，减小马格努斯力，以此实现风轮的转动，进而能够实现垂直轴风力机的顺利运转。
36.在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。