CN103147909A

CN103147909A - 升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机

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Publication number: CN103147909A
Application number: CN2013100722249A
Authority: CN
Inventors: 毛楚楚; 毛建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN103147909B

Abstract

一种升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，包括叶片、风机主轴、磁悬浮轴承、传动轴，还包括与地面垂直设置的椭圆球体，所述球体以其长轴为中心轴设有贯通的球体竖轴圆孔；风机主轴贯穿所述球体竖轴圆孔，在所述球体竖轴圆孔中部设有一对轴向磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承的转子推动盘的外侧与所述球体内胆的中部固定，所述转子推动盘的内侧与所述风机主轴固定；所述磁悬浮轴承上下两端定子分别有圆柱形的磁悬浮轴承定子径向保护装置。本发明气动弹性非常稳定；整体机构轻盈，启动系数低；风能利用系数较高；用途较宽泛；成本较为低廉。

Description

升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机

技术领域

本发明涉及风力动力装置的风力机，具体说是一种升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机。

背景技术

目前的风力机有很多，例如水平轴风力机、垂直轴风力机；阻力型风力机、升力型风力机；形状也各异，多翼式、螺旋桨式、萨布纽斯式、达里厄式等。但这些风力机都各有其较大缺陷，且性能都不大稳定，作用单一，效率较低，风能利用系数一般为0.2-0.4。特别的，目前技术比较成熟且大量推广使用的水平轴风力机，因其结构特性，必须进行特殊的抗颤振和抗发散处理，增加了成本，降低了风能利用系数。

目前市场上没有椭圆球式的磁悬浮风力机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，不仅可以同时利用水平方向和垂直方向的风力，而且可以减少风机叶片的激振源，较好的解决叶片的经典颤振、失速颤振和发散等问题，提高风机气动弹性的稳定性。

所述一种升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，包括叶片、风机主轴、磁悬浮轴承、传动轴，其特征是：还包括一长轴与地面垂直设置的椭圆球体，所述球体以其长轴为中心轴设有贯通的球体竖轴圆孔，所述球体在其内侧的所述球体竖轴圆孔的孔壁设有球体内胆，在所述球体外侧面的球体外壳上装有一周所述叶片；所述风机主轴贯穿所述球体竖轴圆孔，在所述球体竖轴圆孔中部设有一对轴向磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承的转子推动盘的外侧与所述球体内胆的中部固定，所述转子推动盘的内径与所述风机主轴固定，使叶片带动球体转动，球体通过转子推动盘带动风机主轴转动；所述磁悬浮轴承上下两端的轴向磁悬浮轴承定子分别装有圆柱形的磁悬浮轴承定子径向保护装置，用于通过磁悬浮轴承定子径向保护装置与外部结构的固定来防止磁悬浮轴承的径向振动和偏移。

作为优化方案，所述球体中空，内充有比重轻于空气的球体内气体，用于减轻转子推动盘的重力负荷。

作为优化方案，所述球体外壳、球体内胆、叶片分别以轻型材料PA66或POM之一制造。

作为一种实施例，所述叶片均嵌布于所述球体外壳，数量为9～11片。

作为优化方案，所述叶片横截面为外侧相对内侧曲率较大的翼型，叶片中上部的翼型叶片负压区在外侧，叶片正压区在内侧，翼弦与球体外壳垂直或基本垂直。

所述叶片为径向弯曲的弧形，其后缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈12.5°±20%的夹角，其前缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈9°±20%的夹角，以利于向上方的垂直风带动叶片旋转并与水平风带动的旋转方向一致。所述后缘弧是指叶片上端，所述前缘弧是指叶片的下端。

作为一种实施例，所述叶片的一侧边完全嵌装于所述球体外壳上。

作为优化方案，所述叶片由中线向下部逐渐外旋出0°到20°的叶片水平迎风攻角，叶片下端与球体竖轴平行方向逐渐外旋出14°～19°的叶片垂直迎风攻角，使叶片因气流产生升力和旋转推力。

所述磁悬浮轴承定子径向保护装置与风机主轴外的主轴外套固定，所述主轴外套两端装有径向保护轴承，所述径向保护轴承由径向保护轴承固定装置与风机外部构造物结合固定，用于增强风机的径向稳定性。

作为优化方案，所述球体的长轴与短轴之比为0.618。

升力型椭圆球式真空风力机可以作为自然风力动力源用于发电、提水、航行等，更可以作为人工风力系统如本人发明的人工真空风道、普通烟囱、抽风系统、隧道等的风力动力使用，也可用于风信等，其用途较其他风力机宽泛。

本发明的有益效果是：

1、气动弹性非常稳定，叶片的一条边嵌装于球体纵轴方向上，与球体形成整体，风从叶片前缘往上向后缘扫掠，叶片的气动弹性非常稳定。由于磁悬浮轴承定子径向保护装置限制了磁悬浮轴承的径向振动，也有效的保证了风机的径向稳定性。

2、轻盈，启动系数低，本发明使用叶片与垂直轴中心对称的结构，内充较轻气体的中空球体，和轻型材料的结构体使整体重量很轻，同时叶片在风力作用下自身产生升力，抵消了部分重力的作用。且风机主轴使用磁悬浮轴承，一方面将结构主要重量落在定子上，并通过外部支撑结构支撑，转动部分较为轻盈，与定子之间无摩擦转动，使风力机的启动系数很低，真空椭圆球体内的气体、磁悬浮轴承、叶片迎风攻角及其构造三者结合，平均风速低于2m/s左右的轻微风即可带动风机转动。

3、风能利用系数较高，本发明对水平和向上的垂直风都可以起到有效作用，由于启动系数低，可以有效提高风能的利用系数。使风机的风能利用系数接近0.5。

4、用途较宽泛，本发明的风力机不仅可以用在风力发电上，还可以由输出轴带动作为船体航行的推进装置或其它装置，可以作为自然风力动力源用于发电、提水、航行等，更可以作为人工风力系统如本人发明的人工真空风道、普通烟囱、抽风系统、隧道等的风力动力使用，也可用于风信等，其用途较其他风力机宽泛。用于人工风场时，风机可垂直安置，也可水平安置。

5、成本较低廉。

附图说明

图1是球体及竖轴圆孔示意图，

图2是风机内部构造示意图，

图3是风机叶片形状示意图，

图4是风机叶片安装示意图，

图5是风机外形构造示意图，

图6是风机安装运行示意图。

图中：1—球体，2—球体外壳，3—球体内胆，4—球体竖轴圆孔，5—风机主轴，6—轴向磁悬浮轴承定子，7—转子推动盘，8—磁悬浮轴承定子径向保护装置，9—球体内气体，10—叶片垂直迎风攻角，11—叶片前缘，12—叶片水平迎风攻角，13—叶片，14—叶片负压区，15—叶片后缘，16—叶片正压区，17—主轴外套，18—传动轴，19—径向保护轴承，20—外套及径向保护轴承固定装置，21—磁悬浮轴承固定装置，22风机旋转方向，23—磁悬浮轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：如图2、5所示，所述升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，包括叶片13、风机主轴5、磁悬浮轴承23、传动轴18，和长轴与地面垂直设置的椭圆球体1，作为优化方案，所述球体的长轴与短轴之比为0.618。

如图1，所述球体1以其长轴为中心轴设有贯通的球体竖轴圆孔4，所述球体1在其内侧的所述球体竖轴圆孔4的孔壁设有球体内胆3，在所述球体1外侧面的球体外壳2上装有一周所述叶片13；所述风机主轴5贯穿所述球体竖轴圆孔4，如图2，在所述球体竖轴圆孔4中部设有一对轴向磁悬浮轴承23，所述磁悬浮轴承23的转子推动盘7的外侧与所述球体内胆3的中部固定，所述转子推动盘7的内径与所述风机主轴5固定，使叶片带动球体转动，球体通过转子推动盘带动风机主轴转动；所述磁悬浮轴承23上下两端的定子6分别有圆柱形的磁悬浮轴承定子径向保护装置8，用于通过磁悬浮轴承定子径向保护装置8与外部结构的固定来防止磁悬浮轴承23的径向振动和偏移。

如图2，作为优化方案，所述球体1中空，内充有比重轻于空气的球体内气体9，用于减轻转子推动盘7的重力负荷。作为优化方案，所述球体外壳2、球体内胆3、叶片13分别以轻型材料PA66、POM之一制造。PA66(Monomer casting nylon.比重1.15g/cm³，抗拉强度83Mpa，缺口冲击强度53Mpa，弯曲模量28500kgf/cm²，洛式硬度80/120,M/R）。或POM(Polyoxymethylene，比重1.41，抗拉强度58Mpa，缺口冲击强度，缺口侧39Mpa，反缺口侧680Mpa，弯曲模量3040Mpa，弯曲强度92Mpa）。

如图5，作为一种实施例，所述叶片13均布于所述球体外壳，数量为9～11片。

如图3、4，所述叶片13横截面为外侧相对内侧曲率较大的翼型，叶片中上部的翼型叶片负压区14在外侧，叶片正压区16在内侧，翼弦与球体外壳2垂直或基本垂直。

如图3，所述叶片13为径向弯曲的弧形，其后缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈12.5°±20%的夹角，其前缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈9°±20%的夹角，以利于向上方的垂直风带动叶片旋转并与水平风带动的旋转方向一致。

作为一种实施例，所述叶片13的一侧边完全嵌装于所述球体外壳2上。

如图3，作为优化方案，所述叶片中线向下部逐渐外旋出0°到20°的叶片水平迎风攻角12，叶片下端与球体竖轴平行方向逐渐外旋出14°-19°的叶片垂直迎风攻角10，使叶片以气流产生升力和旋转推力。叶片前缘点后掠，前缘弧与弦长夹角14-19°，负压侧曲率较大，后缘稍薄，略似汽轮机动栅叶片截面。

如图2，所述磁悬浮轴承定子径向保护装置8与风机主轴5外的主轴外套17固定，所述主轴外套17两端有径向保护轴承固定装置20，所述外套17及径向保护轴承固定装置20内装有径向保护轴承19，所述径向保护轴承固定装置20固定于风机外的构造物上，用于增强风机的径向稳定性。

磁悬浮轴承定子6和定子保护装置8固定在主轴5外的轴套17上，轴套17固定在构造物上，主轴5、磁悬浮轴承转子推动盘7和球体1及叶片13组成旋转主体。风机运行时可垂直固定于任意支架或构造物上，任何方向的风力均可推动风机旋转，球体1内的较轻气体使风机相当轻盈，轴向磁悬浮轴承使风机旋转时，转子推动盘7和轴向磁悬浮轴承定子6之间几乎没有摩擦，磁悬浮轴承的径向保护装置8和风机两端径向保护轴承19，使风机的转动非常平稳，磁悬浮轴承不会出现径向偏移。

用于自然风力条件时，风机垂直固定于任意支架或构造物上，任何方向的风力均可推动风机旋转，

真空椭圆球体内的气体、磁悬浮轴承、叶片迎风攻角及其构造三者结合，平均风速低于2M/S左右的轻微风即可带动风机转动，风机的风能利用系数接近0.5。

叶片13的一条边完全嵌装于球体1的纵轴方向上，与球体1形成整体，风从叶片13前缘11往上向后缘15扫掠，叶片13的气动弹性非常稳定。

Claims

1.一种升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，包括叶片（13）、风机主轴（5）、磁悬浮轴承（23）、传动轴（18），其特征是：还包括一长轴与地面垂直设置的椭圆球体（1），所述球体（1）以其长轴为中心轴设有贯通的球体竖轴圆孔（4），所述球体（1）在其内侧的所述球体竖轴圆孔（4）的孔壁设有球体内胆（3），在所述球体（1）外侧面的球体外壳（2）上装有一周所述叶片（13）；所述风机主轴（5）贯穿所述球体竖轴圆孔（4），在所述球体竖轴圆孔（4）中部设有一对轴向磁悬浮轴承（23），所述磁悬浮轴承（23）的转子推动盘（7）的外侧与所述球体内胆（3）的中部固定，所述转子推动盘（7）的内侧与所述风机主轴（5）固定，使叶片带动球体转动，球体通过转子推动盘带动风机主轴转动；所述磁悬浮轴承（23）上下两端的轴向磁悬浮轴承定子（6）分别装有圆柱形的磁悬浮轴承定子径向保护装置（8），用于通过磁悬浮轴承定子径向保护装置（8）与外部结构的固定来防止磁悬浮轴承（23）的径向振动和偏移。

2.根据权利要求1所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述球体（1）中空，内充有比重轻于空气的球体内气体（9），用于减轻转子推动盘（7）的重力负荷。

3.根据权利要求1所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述球体外壳（2）、球体内胆（3）、叶片（13）分别以轻型材料PA66或POM之一制造。

4.根据权利要求1所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述叶片（13）均布于所述球体外壳的侧面，数量为9～11片。

5.根据权利要求1或4所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述叶片（13）横截面为外侧相对内侧曲率较大的翼型，叶片中上部的翼型叶片负压区（14）在外侧，叶片正压区（16）在内侧，翼弦与球体外壳（2）垂直或基本垂直。

6.根据权利要求1或4所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述叶片（13）为径向弯曲的弧形，其后缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈12.5°±20%的夹角，其前缘弧与椭圆球体长轴中心点的连线与长轴之间呈9°±20%的夹角，以利于向上方的垂直风带动叶片旋转并与水平风带动的旋转方向一致。

7.根据权利要求5所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述叶片（13）的一侧边完全嵌装于所述球体外壳（2）上。

8.根据权利要求5所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述叶片（13）由中线向下部逐渐外旋出0°到20°的叶片水平迎风攻角（12），叶片下端与球体竖轴平行方向逐渐外旋出14°～19°的叶片垂直迎风攻角（10），使叶片因气流产生升力和旋转推力。

9.根据权利要求1所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述磁悬浮轴承定子径向保护装置（8）与风机主轴（5）外的主轴外套（17）固定，所述主轴外套（17）两端装有径向保护轴承（19），所述径向保护轴承（19）由径向保护轴承固定装置（20）与风机外部构造物结合固定，用于增强风机的径向稳定性。

10.根据权利要求1或2所述的升力型椭圆球式真空磁悬浮风力机，其特征是：所述球体的长轴与短轴之比为0.618。