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CN105940189B - 叶片导流器 - Google Patents

叶片导流器 Download PDF

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CN105940189B
CN105940189B CN201480074236.8A CN201480074236A CN105940189B CN 105940189 B CN105940189 B CN 105940189B CN 201480074236 A CN201480074236 A CN 201480074236A CN 105940189 B CN105940189 B CN 105940189B
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Abstract

一种翼型叶片组件，包括叶片，该叶片包括一提升产生段，该提升产生段具有在压力面与吸力面之间限定的第一异型体。该第一异型体从第一前缘延伸到第一尾缘，且该第一异型体具有从第一前缘延伸到第一尾缘并垂直于径向方向的第一弦。至少一个导流器在叶片的提升产生段内沿着压力面或吸力面延伸。所述至少一个导流器限定在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二异型体，且第二异型体具有在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二弦。第二异型体限定与相应的压力面或吸力面相背离的外表面，导流器沿着该外表面延伸。

Description

叶片导流器
相关申请的交叉引用
本申请为2014年11月26日提交的国际申请PCT/US2014/067643的国家阶段的申请，并主张对于2013年11月27日提交的美国临时申请第61/909,733号的权益，该国际申请及该临时申请的全部内容通过援引纳入本文。
技术领域
本公开涉及叶片。更具体地说，本公开涉及结合有导流器(flow deflector)的叶片。
背景技术
风力涡轮机产生与其叶片的扫掠面积(swept area)以及在任何给定时间经过叶片的气流的量成比例的功率(power，动力)。在风力涡轮机的设计和制造期间，会考虑如转子直径、叶片长度和负载极限等多种设计选择。在低风力下，较长的叶片会产生更大的能量。然而，较长的叶片需要更多的材料、更高的加工和运输费用、更大且更为结实的转子设计来支撑较长的叶片所增加的重量，并且由于较长的叶片在高风速下可能产生转矩的损坏程度，因此还需要用于在高风力情况下防止可能对涡轮机造成损坏的自动防故障系统(failsafe system)。
相反地，使用较短的叶片具有其自身固有的缺陷。例如，在低风力下，较短的叶片可能不具有足够的表面积来产生足以使转子运动的转矩，从而不能产生功率。
无论(叶片)大小如何，由于气流所产生的各种不同性质，导致所有的风力涡轮机叶片的总体效率都受限制。由于运转期间叶片的旋转运动，至少一部分冲击叶片的气流被转变为相对于从根部朝向叶片末端的叶片长度的径向运动分量。图1阐示了一种标准的风力涡轮机10，其具有支撑着毂14的桅柱(mast)12，多个叶片16通过毂14被支撑。由于涡轮机汲取能量而使风力必然减慢，因此受到涡轮影响的大部分空气形成流管(stream tube)。在涡轮处被引导的风W将具有由环形18所示的初始区域。随着风W到达叶片16，气流具有两个分量，即轴向流WA和径向流WR，而风的流场的面积因沿流管的质量流率守恒而径向扩展，如环形20所示。由于尾迹(wake)中的压力必须在因经过转子盘而经历的压降之后返回到大气压，因此(风的)流场继续径向向下扩展，如环形22处增大的面积所示。基于动量守恒，这一径向流WR会从风所产生的可用的总力中产生径向力，因此使涡轮机的效率降低。这种径向力对于转子所产生的任何转矩或功率并无贡献。
本公开解决了由传统叶片设计所导致的这些问题和其它类似的问题。其通过重新定向径向流WR而使叶片能够将部分径向力转变为切向力，从而使得由涡轮机汲取的转矩和功率增大。
发明内容
在至少一个实施例中，本公开描述了一种翼型叶片组件，该翼型叶片组件包括从根部沿径向朝末端延伸的叶片。该叶片包括一提升产生段(lift generation section)，该提升产生段具有限定在压力面与吸力面之间的第一异型体(profiled body，轮廓体)。该第一异型体从第一前缘延伸到第一尾缘，且该第一异型体具有从第一前缘延伸到第一尾缘并且垂直于径向方向的第一弦(chord)。至少一个导流器在叶片的提升产生段内沿着压力面或吸力面延伸。上述至少一个导流器限定了在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二异型体，且该第二异型体具有在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二弦。该第二异型体限定了与相应的压力面或吸力面相背离的一外表面，导流器沿着该外表面延伸。
在至少一个实施例中，本公开描述了一种风力涡轮机组件，该风力涡轮机组件包括：毂，配置成沿一旋转方向旋转；以及多个叶片组件，连接到毂组件，并且包括连接到这些叶片的导流器。这些导流器被配置成用以改变入射气流(incident airflow)从而沿旋转的方向产生附加的力，进而产生附加的功率。这些导流器并不局限于风力涡轮机，而是可以设置到在例如直升机、水轮机、飞机机翼、发动机、螺旋桨和工业涡轮机等多种应用中使用的叶片上。
附图说明
现将参照下列附图来描述多个实施例，在附图中相同附图标记表示相同部件，并且其中：
图1是现有技术的风力涡轮机的示例以及该风力涡轮机附近的对应的典型气流的立体图。
图2是具有包含根据本公开的一实施例的导流器的叶片的风力涡轮机的示例的立体图。
图3是根据本公开的一实施例的包含导流器的叶片的示例的立体图。
图4是沿着图3中的线4-4的剖视图。
图5是沿着图3中的线5-5的剖视图。
图6是图3的叶片的一部分的俯视平面图。
图7是根据本公开的一实施例的包含导流器的叶片并阐示其上的合力的俯视平面图。
图8是根据本公开的一实施例的包含导流器的另一叶片并阐示其上的合力的俯视平面图。
具体实施方式
本公开并不局限于特定的系统、设备和方法，因为这些因素可能改变。在说明书中所用的术语的作用仅在于描述特定的变型或实施例，而非旨在限制其范围。
本文中所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数的引述，除非上下文中另有具体说明。若非另有限定，这里使用的所有技术或科学用语均具有与本领域技术人员通常的理解相同的意义。本文中所用的用语“包括”是指“包括、但并不局限于”。
本公开涉及设置在叶片的压力面或吸力面上的导流器(deflector)。这里将结合风力涡轮机来描述叶片，但是本公开并不局限于此，而是该导流器可以设置在例如直升机、水轮机、飞机机翼、发动机、螺旋桨和工业涡轮机等多种应用中使用的叶片上。
参照图2至图6，现将描述根据本公开的一实施例的包含导流器50的叶片30。叶片30被阐示为安置在风力涡轮机10的毂14上，且毂14由桅柱12支撑。毂14和叶片30绕旋转轴线AR旋转。每个叶片30沿着径向轴线RA从根部40径向延伸到末端42。每个叶片30通常包括三段，即根部段32、传输段36以及提升产生段34。根部段32将叶片30连接到毂14。提升产生段34距离毂14最远并且包括在压力面39与吸力面38之间延伸的异型体37。该异型体37在前缘31与尾缘33之间延伸。从前缘31到尾缘33限定一弦35，并且弦35垂直于径向轴线RA。弦35具有长度L，并且异型体37具有高度H。
在提升产生段34内沿着压力面39、吸力面38或者压力面39和吸力面38两者设置有一个或多个导流器50、50’。导流器50、50’可被设置为靠近前缘31、尾缘33或者两者之间的任一位置。在所示实施例中，沿着每个叶片30的吸力面38设置一对导流器50，而沿着每个叶片30的压力面39设置一单个导流器50’。导流器50、50’的数量和位置并不局限于所示出的实施例，而是可以基于叶片30的构造和工作环境来选择。导流器50、50’可以与叶片30一体成型，或者可以单独成型并连接到其上。例如，导流器50、50’可以利用厚度约为微米级的航天双面胶带或者利用小型平头铆钉连接到叶片30而使拖拉阻力最小化。还可以利用多种其它连接机构。此外，导流器50、50’可以在叶片30的最初制造期间沿着表面设置，或者可通过改造装配(retro-fit)的方式连接到现有的叶片30。此外，导流器50、50’可被可调节地安置，使其位置和取向可以被调节成符合当前的操作条件(例如，更多或更少的风)。
每个导流器50、50’均具有异型体52，该异型体52从前缘51延伸到尾缘53。从前缘51到尾缘53限定一弦55，且该弦55垂直于径向轴线RA或者与径向轴线RA成角度α，如后文所述。弦55具有长度l，并且异型体52具有高度h和宽度w。每个异型体52具有外表面54和接触表面56、56’，并且限定一流线型体，例如平板或薄翼型。导流器50、50’大体上延伸为使其延伸超出溢出叶片30上的边界层流。
导流器50、50’可以具有与叶片30成比例的尺寸。例如，导流器可以具有弦长l，该弦长l为叶片弦长L的1/8至1倍之间，且更优选地为长度L的1/4到1/2之间。并且，导流器可以具有高度h，该高度h为叶片高度H的1/10至1倍之间，且更优选地为高度H的1/8到1/2之间。并且，导流器的宽度w还可以与叶片30的弦长L成比例，且该宽度w为叶片弦长L的大约1-10％之间。应理解的是，如果超过一个导流器50、50’安置在叶片30上，则导流器50、50’可具有不同的构造。例如，吸力面导流器50可以具有与压力侧导流器50’不同的尺寸，然而也存在这样的可能：多个吸力面导流器50或多个吸入压力导流器50’之间的构造可具有差异。
参照图6，每个导流器50、50’可设置成相对于叶片30成角度α。更具体地说，每个导流器的弦55可以相对于叶片30的弦35成角度α。该角度α可以介于大约-5°到45°之间，且更优选地介于0°到15°之间。如果多个导流器50、50’沿着任一表面38、39被设置，则它们可以成不同的角度α。导流器50、50’沿径向轴线RA的方向彼此间隔距离D。在一给定表面上且在多个表面之间，导流器50、50’之间的该距离D可变化。如一个示例所述，该距离D可等于弦长L。
参照图7和图8，现将描述通过导流器50、50’的合成增大效率的图示说明。图7示出由具有导流器50的叶片30生成的力矩M+MD1以及力FT+FD1。由导流器贡献于涡轮机叶片的附加力是FD1。此力产生附加力矩MD1，该力矩为涡轮机生成的总功率做出贡献。图8示出具有导流器50的面内弯曲的风力涡轮机叶片30’。提升产生段36’的构造与图7中的叶片的构造不同。具有导流器50的叶片的这种构造产生附加转矩MD2，该转矩MD2为所产生的功率做出贡献，这是由于导流器50产生的正交力FD2所致。
将导流器50、50’集成到现有涡轮机上，或者将它们的设计合并到新涡轮机中，将会提高涡轮机的整体效率。导流器可以作为被动流量控制器，而不需要任何额外的控制或监控设备。通过将导流器引入到沿着叶片长度的若干位置，进入气流的速度的径向分量可被重新定向而在转子上产生附加的转矩量，从而增大涡轮机所产生的总功率。
通过上述说明，本领域技术人员将易见本发明的这些和其它优势。因此，本领域技术人员应领会的是，在不背离本发明的宽泛的创造性理念的情况下，可对上述实施例做出改变或修改。因此应理解的是，本发明并不局限于本文所述的特殊实施例，而是旨在包括在如权利要求书所限定的本发明的范围和精神中的所有改变和修改。

Claims (21)

1.一种翼型叶片组件，包括：
叶片，从根部沿径向朝末端延伸，所述叶片包括提升产生段，所述提升产生段具有限定在压力面与吸力面之间的第一异型体，所述第一异型体从第一前缘延伸到第一尾缘，并且所述第一异型体具有从所述第一前缘延伸到所述第一尾缘并且垂直于径向方向的第一弦；
多个导流器，在所述叶片的提升产生段内沿着所述压力面和所述吸力面中的至少一者延伸，位于与所述叶片的第一前缘隔开且靠近所述叶片的第一尾缘的位置，所述多个导流器限定在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二异型体，所述第二异型体具有在所述第二前缘与所述第二尾缘之间延伸的第二弦，所述第二异型体限定与相应的压力面或吸力面相背离的外表面，所述多个导流器沿着所述外表面延伸；
其中，在所述多个导流器中的每一个导流器的位置处，沿着所述压力面和所述吸力面中的至少一者，在所述多个导流器中的每一个导流器的第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二弦与从所述叶片的第一前缘延伸到第一尾缘的第一弦成比例；而且
其中所述多个导流器沿着所述叶片的从所述根部到所述末端的长度被设置为，使得进入的气流的速度的径向分量被重新定向而在转子上产生附加的转矩量，从而增大由包含所述翼型叶片组件的涡轮机产生的总功率。
2.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述第二弦相对于所述第一弦成介于-5°到45°之间的一角度α。
3.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述第二弦相对于所述第一弦成介于0°到15°之间的一角度α。
4.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器彼此间隔一给定距离。
5.根据权利要求4所述的翼型叶片组件，其中所述给定距离等于所述第一弦的长度。
6.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器沿着所述叶片被设置在所述第一前缘与所述第一尾缘之间。
7.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述第一异型体具有第一高度，而所述第二异型体具有第二高度，并且其中所述第二高度介于所述第一高度的1/10至1倍之间。
8.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述第一异型体具有第一高度，而所述第二异型体具有第二高度，并且其中所述第二高度介于所述第一高度的1/8至1/2之间。
9.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述第二异型体的宽度等于所述第一弦的长度的1-10％。
10.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器与所述第一异型体一体形成。
11.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器与所述第一异型体分开地形成并且连接到所述第一异型体。
12.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器利用航天双面胶带连接到所述第一异型体。
13.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器利用平头铆钉连接到所述第一异型体。
14.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述多个导流器被可调节地连接到所述第一异型体。
15.根据权利要求1所述的翼型叶片组件，其中所述叶片具有面内弯曲的构造。
16.一种涡轮机组件，包括：
毂，配置成用以沿旋转方向旋转；
多个根据权利要求1所述的翼型叶片组件，连接到毂组件，
其中多个导流器被配置成用以改变入射气流，从而沿旋转方向产生附加力，以及产生附加功率。
17.一种水翼型叶片组件，包括：
叶片，从根部沿径向朝末端延伸，所述叶片包括提升产生段，所述提升产生段具有限定在压力面与吸力面之间的第一异型体，所述第一异型体从第一前缘延伸到第一尾缘，并且所述第一异型体具有从所述第一前缘延伸到所述第一尾缘并且垂直于径向方向的第一弦；
多个导流器，在所述叶片的提升产生段内沿着所述压力面和所述吸力面中的至少一者延伸，位于与所述叶片的第一前缘隔开且靠近所述叶片的第一尾缘的位置，所述多个导流器限定在第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二异型体，所述第二异型体具有在所述第二前缘与所述第二尾缘之间延伸的第二弦，所述第二异型体限定与相应的压力面或吸力面相背离的外表面，所述多个导流器沿着所述外表面延伸；
其中，在所述多个导流器中的每一个导流器的位置处，沿着所述压力面和所述吸力面中的至少一者，在所述多个导流器中的每一个导流器的第二前缘与第二尾缘之间延伸的第二弦与从所述叶片的第一前缘延伸到第一尾缘的第一弦成比例；而且
其中所述多个导流器沿着所述叶片的从所述根部到所述末端的长度被设置为，使得进入的水流的速度的径向分量被重新定向而在转子上产生附加的转矩量，从而增大由包含所述水翼型叶片组件的涡轮机产生的总功率。
18.根据权利要求17所述的水翼型叶片组件，其中所述多个导流器彼此间隔一给定距离。
19.根据权利要求17所述的水翼型叶片组件，其中所述多个导流器与所述第一异型体一体形成。
20.根据权利要求17所述的水翼型叶片组件，其中所述多个导流器与所述第一异型体分开地形成并且连接到所述第一异型体。
21.一种涡轮机组件，包括：
毂，配置成用以沿旋转方向旋转；
多个根据权利要求17所述的水翼型叶片组件，附接到毂组件，
其中多个导流器被配置成改变入射水流，从而沿旋转方向产生附加力，以及产生附加功率。
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