增強馬格努斯效應的方法-使用葉片取代端板

馬格努斯效應(Magnus effect)是一種高效率產生升力的方式,可用於風力發電、船舶推進和飛行器。 傳統用來增強馬格努斯效應的方法是在圓柱形轉子的一端或兩端添加端板,稱為 Flettner 轉子。 本文提出一種新的方法(已具專利),採用多個葉片取代端板可進一步增強馬格努斯效應,簡要描述如下:

 

左圖中左側是帶有端板的傳統轉子,右側則是新發明的端部帶有葉片的轉子。 相關專利如下:

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

 

 

 

 

新發明的轉子之特性

新發明之轉子(簡稱新轉子)中葉片的作用簡述如下:

  1. 當葉片的作用為從端部排出氣流時,馬格努斯升力增加,阻力減小,升阻比增加。
  2. 當葉片的作用為從端部吸入氣流時,升力減小,升阻比降低。

新轉子與傳統轉子的特性比較實驗如下面的視頻所示:

在本實驗中,傳統轉子的端板直徑與新轉子的葉片直徑相同。 此外,所有葉片的面積等於所有端板的面積,因此當新轉子之葉片的螺距設置為 0° 時,新/舊兩種轉子的氣動特性便無差別。 換言之,使用端板的轉子可以視為是使用葉片的轉子的一種特殊情況。.

新舊兩種轉子 之 升阻比比較

新舊兩種轉子的比較圖如下,顯示了不同縱橫比(aspect ratio)的轉子,其升阻比(Lift-to-Drag Ratio)和速度比(velocity ratio)的關係,圖中藍色為新轉子,紅色為傳統轉子。該風速:2 m/sec,轉子直徑:0.05 m,端板/葉片直徑:0.1 m,速度比是指轉子速度(rω)與風速的比值。.

  • 縱橫比 = 8(轉子高:0.4 m, 直徑:0.05 m)

  • 縱橫比 = 6(轉子高:0.3 m, 直徑:0.05 m)

  • 縱橫比 = 4(轉子高:0.2 m, 直徑:0.05 m)

從上圖可以看出,當速度比高於某閾值時,新轉子(藍色)的升阻比大於傳統轉子(紅色)的升阻比,而當轉子的縱橫比愈小,該閾值愈低。


新舊兩種轉子 之 升力大小比較

不同縱橫比(Aspect ratio)下新舊轉子的升力(Lift)與速度比(Velocity ratio)的關係如下,圖中藍色為新轉子,紅色為傳統轉子。該風速:2 m/sec,葉片螺距≈10°,速度比是指轉子速度 (rω)與風速的比值.

  • 縱橫比 = 8(轉子高:0.4 m, 直徑:0.05 m),端板/葉片 之直徑 = 0.1 m

  • 縱橫比 = 5(轉子高:0.4 m, 直徑:0.08 m),端板/葉片 之直徑 = 0.13 m

  • 縱橫比 = 1.5(轉子高:0.3 m, 直徑:0.2 m),端板/葉片 之直徑 = 0.27 m

從上圖可以看出,當速度比高於某閾值時,新轉子(藍色)產生的升力大於傳統轉子(紅色)產生的升力,而當轉子的縱橫比愈小,該閾值愈低。

新發明 帶葉片之轉子的優點

 新轉子比傳統轉子更適合在高的速度比下運轉,因為產生的升力可以繼續增加而不會飽和,並且具有更好的升阻比。 或者,在產生相同升力的前提下,新轉子可以比傳統轉子更慢地旋轉,這對於降低推動船舶之巨型轉子的耗能非常有幫助。.

傳統轉子(使用端板)為了提高升阻比,轉子必須做得細長(更高的縱橫比),這使得結構脆弱。 而新轉子(採用葉片)的好處是,即使是縱橫比較低也能有效提高升阻比。 此外,使用端板的問題在於,在較低的速度比下,較大直徑的端板因能產生大升力而受青睞,但在較高的速度比下,大直徑的端板反而因阻力太大而影響效率,很難兩全其美。

因此,轉子具有可變槳距葉片是很有用的,它可以通過減小槳距來滿足低速度比下升力的要求,同時通過增大槳距來滿足高速度比時的效率。 此外,當轉子旋轉方向改變時,也可調整葉片的槳距使氣流保持排出,以維持良好的效率。 

Ref. 馬格努斯效應 與 垂直軸風車 主頁


 


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