增强马格努斯效应的方法-使用叶片取代端板

马格努斯效应(Magnus effect)是一种高效率产生升力的方式,可用于风力发电、船舶推进和飞行器。 传统用来增强马格努斯效应的方法是在圆柱形转子的一端或两端添加端板,称为 Flettner 转子。 本文提出一种新的方法(已具专利),採用多个叶片取代端板可进一步增强马格努斯效应,简要描述如下:

 

左图中左侧是带有端板的传统转子,右侧则是新发明的端部带有叶片的转子。 相关专利如下:

  • TWI 710501B
  • CN 112141308B
  • US 11143159B2

 

 

 

 

新发明的转子之特性

新发明之转子(简称新转子)中叶片的作用简述如下:

  1. 当叶片的作用为从端部排出气流时,马格努斯升力增加,阻力减小,升阻比增加。
  2. 当叶片的作用为从端部吸入气流时,升力减小,升阻比降低。

新转子与传统转子的特性比较实验如下面的视频所示:

在本实验中,传统转子的端板直径与新转子的叶片直径相同。 此外,所有叶片的面积等于所有端板的面积,因此当新转子之叶片的螺距设置为 0° 时,新/旧两种转子的气动特性便无差别。 换言之,使用端板的转子可以视为是使用叶片的转子的一种特殊情况。.

新旧两种转子 之 升阻比比较

新旧两种转子的比较图如下,显示了不同纵横比(aspect ratio)的转子,其升阻比(Lift-to-Drag Ratio)和速度比(velocity ratio)的关係,图中蓝色为新转子,红色为传统转子。该风速:2 m/sec,转子直径:0.05 m,端板/叶片直径:0.1 m,速度比是指转子速度(rω)与风速的比值。.

  • 纵横比 = 8(转子高:0.4 m, 直径:0.05 m)

  • 纵横比 = 6(转子高:0.3 m, 直径:0.05 m)

  • 纵横比 = 4(转子高:0.2 m, 直径:0.05 m)

从上图可以看出,当速度比高于某阈值时,新转子(蓝色)的升阻比大于传统转子(红色)的升阻比,而当转子的纵横比愈小,该阈值愈低。


新旧两种转子 之 升力大小比较

不同纵横比(Aspect ratio)下新旧转子的升力(Lift)与速度比(Velocity ratio)的关係如下,图中蓝色为新转子,红色为传统转子。该风速:2 m/sec,叶片螺距≈10°,速度比是指转子速度 (rω)与风速的比值.

  • 纵横比 = 8(转子高:0.4 m, 直径:0.05 m),端板/叶片 之直径 = 0.1 m

  • 纵横比 = 5(转子高:0.4 m, 直径:0.08 m),端板/叶片 之直径 = 0.13 m

  • 纵横比 = 1.5(转子高:0.3 m, 直径:0.2 m),端板/叶片 之直径 = 0.27 m

从上图可以看出,当速度比高于某阈值时,新转子(蓝色)产生的升力大于传统转子(红色)产生的升力,而当转子的纵横比愈小,该阈值愈低。

新发明 带叶片之转子的优点

 新转子比传统转子更适合在高的速度比下运转,因为产生的升力可以继续增加而不会饱和,并且具有更好的升阻比。 或者,在产生相同升力的前提下,新转子可以比传统转子更慢地旋转,这对于降低推动船舶之巨型转子的能耗非常有帮助。.

传统转子(使用端板)为了提高升阻比,转子必须做得细长(更高的纵横比),这使得结构脆弱。 而新转子(採用叶片)的好处是,即使是纵横比较低也能有效提高升阻比。 此外,使用端板的问题在于,在较低的速度比下,较大直径的端板因能产生大升力而受青睐,但在较高的速度比下,大直径的端板反而因阻力太大而影响效率,很难两全其美。

因此,转子具有可变桨距叶片是很有用的,它可以通过减小桨距来满足低速度比下升力的要求,同时通过增大桨距来满足高速度比时的效率。 此外,当转子旋转方向改变时,也可调整叶片的桨距使气流保持排出,以维持良好的效率。 

Ref. 马格努斯效应 与 垂直轴风车 主页


 


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