專利名稱：帶平面內(nèi)掠角的風(fēng)渦輪轉(zhuǎn)子葉片、采用它的裝置及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為風(fēng)渦輪轉(zhuǎn)子葉片特別實(shí)用的葉片并涉及使用這種葉片的轉(zhuǎn)子和風(fēng)渦輪。
背景技術(shù)：
在已知的轉(zhuǎn)子葉片形狀中至少有采用后掠的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)的。當(dāng)陣風(fēng)沖擊具有后掠的葉片時(shí)，平面外的(副翼方向)載荷的增加會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞更內(nèi)側(cè)斷面的俯仰力矩。這個(gè)俯仰力矩能使葉片外部斷面的前緣朝風(fēng)向扭轉(zhuǎn)，這樣便會(huì)減小那些斷面的空氣動(dòng)力迎角，從而可緩解該葉片抑或會(huì)經(jīng)受的高峰瞬時(shí)載荷。但在該葉片的根部保持非后掠或被后掠的情況下，這個(gè)在整個(gè)葉片上產(chǎn)生的俯仰力矩會(huì)通過(guò)俯仰驅(qū)動(dòng)硬件作用在葉片的根部。即使后掠是適度的，這個(gè)力矩能推翻基準(zhǔn)空氣動(dòng)力的俯仰力矩而俯仰硬件就是根據(jù)這個(gè)俯仰力矩設(shè)計(jì)的。換句話說(shuō)，風(fēng)渦輪轉(zhuǎn)子葉片雖然能用同一平面內(nèi)的后掠來(lái)緩解瞬時(shí)載荷，但后掠也能在葉片根部引起俯仰力矩，而該俯仰力矩能制服基準(zhǔn)空氣動(dòng)力的俯仰力矩，后者是據(jù)以設(shè)計(jì)俯仰硬件的。
例如許多已知的根部具有零掠角的直葉片由于配合的關(guān)系，根部的扭轉(zhuǎn)會(huì)呈現(xiàn)很大的變化。某些弧形葉片如果在設(shè)計(jì)上對(duì)根部扭轉(zhuǎn)不加約束也會(huì)如此。至少有一個(gè)已知的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)曾經(jīng)呈現(xiàn)過(guò)一個(gè)環(huán)繞葉片根部的約為30-40kNm的很大的俯沖力矩。在某些后掠的葉片中，俯沖力矩甚至可高達(dá)數(shù)百kNm。裝在至少一個(gè)已知的風(fēng)渦輪型號(hào)上的俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為由美國(guó)CT州的Fairfield市的通用電氣公司所提供的GE1.5的渦輪，這個(gè)渦輪在設(shè)計(jì)時(shí)包括有安全因數(shù)，是按100kNm的外加載荷設(shè)計(jì)的。因此應(yīng)極力設(shè)法不使俯沖力矩增加到大于20-30kNm。
發(fā)明概述因此本發(fā)明的某些方案是要提供一種葉片，該葉片具有一個(gè)抗扭轉(zhuǎn)剛性根部，一個(gè)在葉片內(nèi)側(cè)部上相對(duì)于彈性軸線的前掠和一個(gè)在葉片外側(cè)部上的后掠。
在其他方案中，本發(fā)明要提供一種風(fēng)渦輪用的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子有一個(gè)轂部和至少一個(gè)葉片，而該葉片具有一個(gè)抗扭轉(zhuǎn)剛性根部，一個(gè)內(nèi)側(cè)部和一個(gè)外側(cè)部。該內(nèi)側(cè)部具有相對(duì)于葉片彈性軸線的前掠，而該外側(cè)部具有后掠。
在另外的其他方案中，本發(fā)明要提供一種風(fēng)渦輪，該風(fēng)渦輪包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，其上有一轂部和至少一個(gè)葉片，而該葉片有一抗扭轉(zhuǎn)剛性根部，一個(gè)內(nèi)側(cè)部和一個(gè)外側(cè)部。該內(nèi)側(cè)部具有相對(duì)于葉片彈性軸線的前掠而該外側(cè)部具有后掠。
在還有的其他方案中，本發(fā)明要提供一種制造風(fēng)渦輪葉片的方法。該方法包括選擇所說(shuō)葉片各單元的掠角，確定葉片的形狀，使該形狀滿足下列各項(xiàng)(a)盡可能地增大所引起的扭轉(zhuǎn)量并使扭轉(zhuǎn)這樣分布以便使載荷的作用減少，(b)盡可能減少維持末梢彎轉(zhuǎn)物所必需增加的葉片材料，(c)盡可能減少空氣動(dòng)力學(xué)的負(fù)面影響，及(d)維持結(jié)構(gòu)的完整性，然后按照確定的葉片形狀制造葉片。
應(yīng)該知道，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片被適量地前掠時(shí)，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可減少或消除由于掠角而在葉片根部造成的俯仰力矩。而且，轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)側(cè)部的前掠不會(huì)在根部上產(chǎn)生可量度的有害扭轉(zhuǎn)，因?yàn)槿~片根部就抗扭轉(zhuǎn)而言是極剛性的。由于葉片外側(cè)部的掠角相對(duì)于在本發(fā)明的設(shè)計(jì)中更為內(nèi)側(cè)的部分保持不變，因而由外側(cè)部的掠角引起的扭轉(zhuǎn)也可以保持不變。
還會(huì)觀察到本發(fā)明的構(gòu)形能使轉(zhuǎn)子葉片在副翼方向(即平面外的方向)上的偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)(即俯仰)有利地配合而很少或不增加根部的俯仰力矩。轉(zhuǎn)子葉片配合的扭轉(zhuǎn)一般還會(huì)使風(fēng)渦輪所經(jīng)受的瞬時(shí)載荷減少。內(nèi)側(cè)部的前掠還能使葉片的幾何形狀有一個(gè)較大的由掠角引起的配合量，可以在一個(gè)給定的幾何包絡(luò)線內(nèi)配合。
附圖簡(jiǎn)述
圖1為本發(fā)明的風(fēng)渦輪的示范的設(shè)計(jì)圖。
圖2為一個(gè)適宜用于圖1中風(fēng)渦輪設(shè)計(jì)的本發(fā)明的具有適度掠角的葉片設(shè)計(jì)的圖示。
圖3為一個(gè)適宜用于圖1中風(fēng)渦輪設(shè)計(jì)的本發(fā)明的具有大掠角的葉片設(shè)計(jì)的圖示。
圖4為一現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)渦輪所用葉片的圖示。
在圖2、3和4中，紙平面為轉(zhuǎn)子的平面。圖中左端的線可被解釋為葉片的轂部或葉片根部軸承。X軸線相當(dāng)于俯仰軸線P，而通過(guò)葉片并用E指出的線代表葉片的彈性的或結(jié)構(gòu)的軸線。每一葉片的尾隨邊是在圖中的頂部，而光導(dǎo)邊是在圖中的底部。圖中的葉片因此面向下方。
本發(fā)明詳述本文所用的術(shù)語(yǔ)“掠角”是指葉片的彈性軸線對(duì)俯仰軸線所成角度，其中“彈性軸線”是指葉片在伸展方向的每一個(gè)斷面上形成扭轉(zhuǎn)中心的各點(diǎn)的軌跡。
參閱圖1，在某些構(gòu)型中風(fēng)渦輪100具有一個(gè)存放發(fā)電機(jī)(未在圖1中示出)的機(jī)艙102。該機(jī)艙102裝在高塔104的頂上，圖1中只示出高塔的一部分。風(fēng)渦輪100還具有一個(gè)轉(zhuǎn)子106，包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片108，它們被連結(jié)到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的轂部110上。雖然在圖1中的風(fēng)渦輪100只示出三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片108，但本發(fā)明對(duì)所需轉(zhuǎn)子葉片108的數(shù)目并無(wú)特別限制。
在所示構(gòu)形中，風(fēng)渦輪100的各種組件被容納在風(fēng)渦輪100塔頂104的機(jī)艙102內(nèi)。塔104的高度可根據(jù)本行業(yè)所知的各項(xiàng)因數(shù)和條件來(lái)確定。在某些構(gòu)形中使用具有控制系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)微控制器來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，包括俯仰角和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、高速軸和側(cè)滑制動(dòng)器的使用、側(cè)滑和泵馬達(dá)的使用、及故障的監(jiān)控。在某些構(gòu)形中使用可替換的分布或集中的控制建筑物，在某些構(gòu)形中，葉片108的俯仰角可被單獨(dú)控制。轂部110和葉片108共同構(gòu)成風(fēng)渦輪的轉(zhuǎn)子106。轉(zhuǎn)子106的轉(zhuǎn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)(未在圖中示出)產(chǎn)生電力。
在本發(fā)明的某些構(gòu)形中，風(fēng)渦輪100的轉(zhuǎn)子葉片108在一內(nèi)側(cè)區(qū)域112內(nèi)具有相對(duì)于彈性軸線E的前掠(在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi))。當(dāng)前掠達(dá)到適當(dāng)?shù)臄?shù)量時(shí)，由于后掠而在葉片108根部114引起的俯仰力矩便可被減少或消除。轉(zhuǎn)子葉片108的內(nèi)側(cè)部112的前掠并不對(duì)該部112產(chǎn)生具有可測(cè)數(shù)量的有害扭轉(zhuǎn)，因?yàn)槿~片根部114在抗扭轉(zhuǎn)方面是極其剛強(qiáng)的。由于葉片108外側(cè)部116的后掠相對(duì)于更為內(nèi)側(cè)的部分保持不變，因此由外側(cè)部的后掠也保持不變。
在某些構(gòu)形中，參閱圖2，葉片108內(nèi)側(cè)包括一個(gè)數(shù)量約為1到2度相對(duì)于俯仰軸線P的溫和的掠角，而外側(cè)部116相對(duì)于俯仰軸線P的后掠角可達(dá)10度。本發(fā)明的構(gòu)形可用于任何長(zhǎng)度的葉片108。例如，但并無(wú)限制，在某些構(gòu)形中，葉片108為0.5米長(zhǎng)，而在其他設(shè)計(jì)中，葉片108為50米長(zhǎng)。葉片108長(zhǎng)度的其他不受限制的例子包括10米或較少、20米、37米和50米。雖然最佳的內(nèi)側(cè)前掠可隨不同的葉片長(zhǎng)度而變，但小到0.25度的內(nèi)側(cè)前掠曾在本發(fā)明的某些構(gòu)形中使用。對(duì)于一個(gè)以0°掠角安裝在轂部上的葉片，這個(gè)數(shù)量的內(nèi)側(cè)前掠大于該葉片的制造公差。能夠提供某些意料不到的控制根部扭轉(zhuǎn)的效益。在本發(fā)明的某些構(gòu)形中，具有至少為0.5度的內(nèi)側(cè)前掠的葉片可以得到更大的效益。在某些構(gòu)形中，至少為1度，甚至例如2到3度的內(nèi)側(cè)前掠曾被使用。在某些構(gòu)形中，參閱圖3，可以看到較明顯的扭轉(zhuǎn)和副翼的配合，其中葉片的外側(cè)部相對(duì)于俯仰軸線P的后掠角大到20度，而內(nèi)側(cè)部的前掠則達(dá)到10到15度以便減輕增量的俯仰轉(zhuǎn)矩。在許多構(gòu)形中，外側(cè)部后掠的數(shù)量小于葉片根部前掠的數(shù)量。
圖4所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的GE37a葉片而作的葉片308的一側(cè)。但不論圖4的葉片308還是圖2或圖3中的葉片108，為了運(yùn)輸?shù)哪康?，兩者都要求具有相同的幾何形狀包絡(luò)線。下面的表I示出，由計(jì)算機(jī)模型估計(jì)出來(lái)的兩種葉片108和308在受到最大的副翼方向的載荷時(shí)由葉片的掠角引出的末梢扭轉(zhuǎn)及由于掠角而引起的相應(yīng)的根部俯仰轉(zhuǎn)矩的不同。顯然，兼有前掠和后掠的葉片108具有較好的配合而俯仰轉(zhuǎn)矩并不增加。
表I
外側(cè)部116的空氣動(dòng)力中心位在更為內(nèi)側(cè)部的彈性軸線E之后(就切線而言)。結(jié)果在給定部分116與轉(zhuǎn)子106正交的力將會(huì)在該站的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞彈性軸線E的相當(dāng)大的向下的俯仰力矩。這個(gè)俯仰力矩又會(huì)使葉片108在所有內(nèi)側(cè)位置都向下扭轉(zhuǎn)。但更重要的是，當(dāng)陣風(fēng)沖擊葉片108時(shí)，該陣風(fēng)會(huì)導(dǎo)致外側(cè)部116所經(jīng)受的迎角的增加，因此會(huì)增加該部分116所產(chǎn)生的升力。而升力的增加又會(huì)導(dǎo)致葉片的向下扭轉(zhuǎn)，該扭轉(zhuǎn)可多少抵消增加的迎角，從而可多少減輕陣風(fēng)引起的載荷。
在作進(jìn)一步闡明時(shí)，讓我們考查帶掠角葉片的一個(gè)基本模型。在這種型式的模型中，葉片108被模擬成多個(gè)在葉片寬度方向的元件。假定標(biāo)準(zhǔn)軸線相對(duì)于俯仰軸線的在同平面內(nèi)的位置由函數(shù)yea(z)給出，假定在該函數(shù)中yea(0)＝0(注意所有對(duì)葉片和葉片部分的參照都使用已在圖1和2中引入的標(biāo)號(hào)，即使結(jié)合模型和部分的相對(duì)長(zhǎng)度而論述的葉片形狀可能會(huì)與圖1和2所示的有所不同)。
首先假定空氣動(dòng)力載荷是均勻地分布在每一單元上，這樣凈力的作用便通過(guò)單元的中點(diǎn)。對(duì)每一個(gè)單元計(jì)算相對(duì)于該單元的軸線的力V、和力矩M，便可進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。從幾何學(xué)可知，每一個(gè)單元i都適用下列關(guān)系V內(nèi)側(cè)，i＝V外側(cè)，i+V中點(diǎn)，i(1)
My，外側(cè)，i＝(My，外側(cè)，i+1)cos(θi+1-θi)-(Mz，內(nèi)側(cè)，i+1)sin(θi+1-θi) (3)Mz，外側(cè)，i＝(My，內(nèi)側(cè)，i)sin(θi+1-θi)+(Mz，內(nèi)側(cè)，i+1)cos(θi+1-θi) (4)Mz，內(nèi)側(cè)，i＝Mz，外側(cè)，i＝Mz，i(5)在這些式中i指葉片上分散的在伸展方向上的單元，如同在渦輪動(dòng)力學(xué)模擬軟件中用來(lái)分析葉片的單元；下標(biāo)“外側(cè)或內(nèi)側(cè)”分別指在每一個(gè)這種單元的外側(cè)端或內(nèi)側(cè)端的載荷；My和Mz分別指副翼方向上(平面外)的扭轉(zhuǎn)力矩；θ指在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)測(cè)出的單元彈性軸線相對(duì)于葉片俯仰軸線的角度；而Δli是單元i的長(zhǎng)度，由下式給出 越過(guò)任一單元的扭轉(zhuǎn)的增量于是可由下式給出Δψi=Mz,i(GJ)iΔli----(7)]]>其中GJ為葉片的扭轉(zhuǎn)剛度，而在任一單元i的外側(cè)端的累積扭轉(zhuǎn)可由下式給出 這里所用的符號(hào)慣例為假定人們所關(guān)心的正的V力為副翼方向向下(即平面外)的力，正的掠角θ相應(yīng)于使葉片的部分向尾隨邊(即向切線的后面)掠去，而正的俯仰力矩Mz為能產(chǎn)生正的(即向上的)扭轉(zhuǎn)Δψ。本發(fā)明的各種設(shè)計(jì)提供的是向下的扭轉(zhuǎn)。
等式(4)和(5)示出在單元i的外側(cè)加載會(huì)在該單元上產(chǎn)生俯仰力矩，在該單元的外側(cè)端掠角總是會(huì)有改變。這個(gè)事實(shí)指出，俯仰力矩Mz只有當(dāng)掠角有變化時(shí)才能增加。如果θi＝θi+1，那么在等式(4)中的正弦一項(xiàng)將為零，Mz，外側(cè)，i＝Mz，外側(cè)，i+1，Mz，內(nèi)側(cè)，i＝Mz，內(nèi)則，i+1，Mz將沒(méi)有增加，因此要使俯仰力矩增加，必需有掠角的改變。
更具體點(diǎn)說(shuō)，外側(cè)部116的掠角在被測(cè)量時(shí)必須相對(duì)于內(nèi)側(cè)的彈性軸線E而不是相對(duì)于某些任意的軸線加俯仰軸線P。這樣，本發(fā)明的各種設(shè)計(jì)并不只是從根部114直線地將葉片108后掠。只是在根部有一膝狀彎曲的直線葉片108在其整個(gè)長(zhǎng)度上是受不到俯仰力矩的，因?yàn)槌嗽谡嬲?14上的扭結(jié)之外，沒(méi)有一個(gè)部分在實(shí)際上是相對(duì)于彈性軸線本身后掠的。所有俯仰力矩將在根部114被完全吸收。但在根部114，抗扭剛度特高，很少會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
等式(4)和(5)還示出從單元到單元，角度的變化越大(因此，每一個(gè)接續(xù)部分的切線偏離越大)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)的力矩也越大。但大的掠角也能給出負(fù)面的后果。即，如果要維持沿著彈性軸線測(cè)量的葉片108的總長(zhǎng)度，那么葉片108的半徑必須被減小?；蛘撸绻S持葉片108的半徑，那么當(dāng)葉片108被后掠時(shí)，葉片108的長(zhǎng)度將增大，任一種方法都會(huì)有害地影響能耗、葉片重量及/或剛度。
總掠角的量度可用葉片末梢120相對(duì)于彈性軸線E的根部114的切線方向(即y)的位移來(lái)表示。等式(9)給出末梢120的位移的關(guān)系式 在本發(fā)明的某些設(shè)計(jì)中，葉片108的半徑被維持在基準(zhǔn)值R，R可從下式求得。
我們知道兩點(diǎn)之間最短的距離為一直線，因此從等式(6)和(10)可以得到，具有以末梢120的切向位移表示的最大掠角的最短葉片108為一從其根部后掠的直線葉片108。但這個(gè)葉片由于其根部在抗扭上的剛度大概只能在根部產(chǎn)生極小的如果有的扭轉(zhuǎn)。這個(gè)葉片還將呈現(xiàn)最小的峰值掠角。更具體點(diǎn)說(shuō)，如果人們要用另一個(gè)葉片形狀來(lái)達(dá)到相同的末梢位移，該葉片108的某些部分將會(huì)呈現(xiàn)更大的掠角。例如，一個(gè)在根部114具有平行于俯仰軸線P的彈性軸線E的曲線葉片必然需要在外側(cè)作較多的彎曲為的是在末梢120達(dá)到相同的位移。這個(gè)葉片將比較長(zhǎng)。另外，較大的掠角還能造成負(fù)面的空氣動(dòng)力沖擊，這種沖擊是難于量化的。
因此，在本發(fā)明的某些設(shè)計(jì)中，制造葉片時(shí)首先要選擇每一個(gè)單元的掠角來(lái)確定葉片的形狀108，以便使(a)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)量增加或最大化并且扭轉(zhuǎn)被這樣分配使載荷被減少，(b)維持末梢彎轉(zhuǎn)所需增加的葉片材料減少或極小化，(c)空氣動(dòng)力學(xué)的負(fù)面作用減少或極小化，及(d)結(jié)構(gòu)保持完整性。
然后按照確定的葉片形狀制造葉片。
上述四個(gè)目標(biāo)(a)-(d)并不必需互相一致，因此與其企圖達(dá)到每一個(gè)目標(biāo)，還不如定出一個(gè)品質(zhì)因素使人們能用一個(gè)尺度來(lái)衡量所有這些效果作出的貢獻(xiàn)。在本發(fā)明的某些設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因素與能源的代價(jià)有關(guān)。(品質(zhì)因素可被這樣定出使較高的值代表較佳的方案，但也可這樣定義使較低的值代表較佳的方案。為不喪失其普遍性，這里將假定較高的品質(zhì)因素代表較佳的方案，雖然本行業(yè)的行家能夠完成必需的數(shù)學(xué)演算來(lái)獲得與使用品質(zhì)因素的等值效果，但使用品質(zhì)因素就能選出較佳的方案。)本發(fā)明的各種設(shè)計(jì)能提供高的品質(zhì)因素，即能源的低代價(jià)。理論上要追求最大可能的品質(zhì)因素，但本發(fā)明在其希望的范圍內(nèi)，還包括不夠完美的設(shè)計(jì)，因?yàn)楸景l(fā)明的至少某些優(yōu)點(diǎn)并不要求盡善盡美來(lái)能達(dá)到。
在任何一個(gè)切合實(shí)際的設(shè)計(jì)中，在使末梢切向位移最大化時(shí)可以期望設(shè)置一個(gè)制約因素，這個(gè)制約因素可與制造或運(yùn)輸?shù)南拗朴嘘P(guān)。等式(4)示出，如果人們?cè)O(shè)置一個(gè)關(guān)于末梢120的位置的相當(dāng)嚴(yán)厲的制約因素，同時(shí)由于空氣動(dòng)力學(xué)還設(shè)置一個(gè)關(guān)于最大掠角的制約因素，那么“最佳”葉片108將具有兩個(gè)直線段，即一個(gè)沒(méi)有掠角的內(nèi)側(cè)段112和一個(gè)具有最大許可掠角的外側(cè)段116。在片段112和116之間的膝狀彎曲的外側(cè)沒(méi)有俯仰力矩，而在膝狀彎曲的內(nèi)側(cè)有一恒定的俯仰力矩，該力矩會(huì)盡可能地將樞支點(diǎn)設(shè)置在遠(yuǎn)外側(cè)使葉片108的最大伸展范圍受到俯仰力矩。在這設(shè)計(jì)中，最大可能的扭轉(zhuǎn)被產(chǎn)生。
還可能增添另一個(gè)“美學(xué)”制約因素以消除葉片掠角中的尖銳的膝狀彎曲。這個(gè)制約因素可采取多種形式如在葉片108的任何兩個(gè)單元之間角度的最大變化。美學(xué)還可這樣說(shuō)，具有連續(xù)曲率的葉片108比具有直線部分的葉片108更有吸引力，即使兩個(gè)直線部分是用曲線區(qū)而不是用膝狀彎曲連接。這個(gè)制約因素可以用任何兩個(gè)單元之間的角度為最小的形式設(shè)置。
一旦這些制約因素都已被設(shè)置，一些構(gòu)形就可重復(fù)使用葉片108在翼展方向上各單元的掠角值，以使品質(zhì)因素最大化(或至少增加)，同時(shí)滿足所有約束因素。
相對(duì)于外側(cè)部或部分116的彈性軸線E的位置(與俯仰軸線P相反)有顯著影響、十分重要。葉片108的俯仰軸線P的位置完全由葉片108如何安裝在轂部110上控制，對(duì)葉片108會(huì)扭轉(zhuǎn)多少不能有所作為。但外側(cè)部或部分116相對(duì)于俯仰軸線P的位置對(duì)在葉片根部114周圍產(chǎn)生的俯仰系統(tǒng)必須承受的力矩確有影響的，并且這是用這里所述方式推導(dǎo)的葉片扭轉(zhuǎn)代價(jià)中的一種。但這個(gè)代價(jià)并不影響扭轉(zhuǎn)彎曲配合的物理意義。
更具體點(diǎn)說(shuō)，將葉片108安裝到根轂部110上可能有各種方法，每一種方法各有其自己的代價(jià)和優(yōu)點(diǎn)。例如，等式(4)指出，如果葉片108在根部114以與葉片108所有其他部分的后掠相反的方向在實(shí)際上作出前掠(在同一平面上)，那么這個(gè)前掠可被用來(lái)抵消由更為外側(cè)的葉片后掠造成的俯仰力矩。換句話說(shuō)，如果葉片108在抗扭性柔弱足夠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的伸展范圍內(nèi)作出后掠，那么所有由后掠產(chǎn)生的力矩都可被在抗扭轉(zhuǎn)剛性接近根部的小范圍內(nèi)的前掠抵消。在這樣一個(gè)設(shè)計(jì)中，后掠就不再能在根部產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而俯仰軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須承受的外部俯仰力矩可被減小或消除。
為了在后掠產(chǎn)生的力矩上實(shí)施這個(gè)減小，本發(fā)明的某些構(gòu)形只是在葉片108的根部114上作出前掠。但也有一些其他構(gòu)形是把前掠引入到轂部110內(nèi)，這些其他設(shè)計(jì)仍然必須由軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)承擔(dān)俯仰力矩。
再次參閱等式(4)和(5)，如果標(biāo)記i＝0被用來(lái)指葉片108在其真正根部114(即轂部上安裝處)的值，并進(jìn)一步根據(jù)定義注意到θ0＝0，那么Mz，0＝-(My，內(nèi)側(cè)，1)sin(θ1)+(Mz，內(nèi)側(cè)，1)cos(θ1).(11)初看時(shí)，Mz，0不等于Mz，內(nèi)側(cè)，1可能并不明顯。但俯仰力矩總是環(huán)繞單元的彈性軸線E而被測(cè)量的，因此如果單元的角度改變，那么測(cè)量力矩時(shí)所環(huán)繞的軸線也改變。在根部114上，葉片108的結(jié)構(gòu)實(shí)際上帶有扭轉(zhuǎn)Mz，內(nèi)側(cè)，1。但在根部114上，葉片108對(duì)扭轉(zhuǎn)是強(qiáng)勁的，因此葉片108帶有扭轉(zhuǎn)Mz，內(nèi)側(cè)，1就在很大程度上沒(méi)有關(guān)系了。而直接涉及俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所帶載荷的Mz，0，倒比較有關(guān)。因此，只是把葉片108的根部114前掠，在Mz，0和Mz，內(nèi)側(cè)，1之間的關(guān)系就會(huì)被改變。
從實(shí)際的眼光來(lái)看，任何一個(gè)特殊的構(gòu)形在實(shí)施前掠時(shí)都必須在一有限的寬度上。但只要這個(gè)前掠是在葉片108的一個(gè)部分上實(shí)現(xiàn)，而該部分對(duì)抗扭轉(zhuǎn)是極剛性的，這個(gè)前掠將不會(huì)產(chǎn)生有害的扭轉(zhuǎn)。
My，內(nèi)側(cè)，1的值即在根部114上的副翼方向載荷在很大程度上是副翼方向載荷在葉片108上分布的一個(gè)函數(shù)。Mz，內(nèi)側(cè)，1的值取決于在葉片108整個(gè)長(zhǎng)度上后掠的大小和形狀及副翼方向載荷的分布。等式(1)到(5)可被積分，從末梢單元開(kāi)始，向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，計(jì)算出每一個(gè)長(zhǎng)度方向單元的載荷。給出在同一平面內(nèi)后掠的某些分布和副翼方向載荷的分布，將可給出Mz，內(nèi)側(cè)，1的值。一旦知道了該值，就可用等式(11)找出根部扭轉(zhuǎn)Mz，0的值。反之，如果要尋求根部扭轉(zhuǎn)的某一值，那末等式(11)可被用來(lái)找出第一單元θ1的后掠的合適的值。
特別是，如果在某些設(shè)計(jì)中，希望在根部的扭轉(zhuǎn)上得到零的凈效果，這時(shí)可用等式(11)來(lái)解 該值限定最佳的根部前掠可用來(lái)得到由于掠角而在根部造成扭轉(zhuǎn)的零的凈變化。
當(dāng)陣風(fēng)沖擊具有后掠的葉片時(shí)平面外(副翼方向)載荷的增加也會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞更內(nèi)側(cè)部分的俯仰力矩，該力矩將對(duì)葉片的外部起作用使葉片斷面的光導(dǎo)邊扭轉(zhuǎn)到風(fēng)向內(nèi)。那些斷面的空氣動(dòng)力迎角將被減小，從而可改善葉片108否則將會(huì)經(jīng)受的峰值瞬時(shí)載荷。這種通過(guò)掠角得到的扭轉(zhuǎn)和平面外載荷的配合可在葉片108上顯著地減少副翼方向瞬時(shí)載荷，不僅減少最終的副翼方向載荷，而且減少葉片在副翼方向的疲勞。后掠還能一般地減少風(fēng)渦輪100其他構(gòu)件的載荷，包括塔頂?shù)耐屏?、塔頂?shù)膬A側(cè)和側(cè)滑的力矩。這些減少可轉(zhuǎn)變成風(fēng)能能源費(fèi)用的減少，或是因?yàn)闃?gòu)件承受后掠葉片108的較輕載荷而可去除一些費(fèi)錢的材料，或是因?yàn)檗D(zhuǎn)子106的葉片108的直徑可增大，從而可增加風(fēng)渦輪100產(chǎn)生的能量。
表II涉及在根部使用前掠以便得到零的根部扭轉(zhuǎn)。將一在根部沒(méi)有前掠的葉片與一在根部具有向前傾側(cè)幾度的前掠的葉片作比較。表II示出，由于在根部使葉片前掠，葉片的扭轉(zhuǎn)可被消除，因?yàn)槿~片在根部這么大的抗扭轉(zhuǎn)剛性，因此在那些引入的前掠，很少或不會(huì)影響葉片的扭轉(zhuǎn)特性曲線。從那里起到外側(cè)，葉片看上去完全一樣，因此對(duì)掠角的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)也完全一樣。
表II
本發(fā)明構(gòu)形的另一個(gè)效益為，如果轉(zhuǎn)子106的半徑維持不變，當(dāng)葉片108向前旋轉(zhuǎn)時(shí)沿彈性軸線E測(cè)量的葉片長(zhǎng)度會(huì)有很小的減少。這個(gè)減少具有根部前掠的葉片來(lái)說(shuō)，能源費(fèi)用可有0.05％的減少如表II所示。
在根部114具有前掠的葉片108還有另一個(gè)效益，即對(duì)于給定的后掠深度，葉片的包絡(luò)線可縮小。對(duì)于一個(gè)給定的包絡(luò)線的制約因素，葉片根部114的前掠可提供大得多的后掠深度。
就空氣動(dòng)力學(xué)的考慮，本發(fā)明的某些構(gòu)形在任何一個(gè)單元最大的掠角上添加了一個(gè)制約因素。在這樣的設(shè)計(jì)中，葉片108在根部有一最大的前掠，在外側(cè)部116有一最大的后掠，還有一個(gè)尖銳的膝狀彎曲。例如對(duì)于15度的最大角，葉片108的構(gòu)形有一根部的15度的前掠和在寬度的60％處有一膝狀彎曲，另外在末梢有一15度的后掠。
本發(fā)明的構(gòu)形可被應(yīng)用到現(xiàn)有的風(fēng)渦輪100上，只要將傳統(tǒng)的葉片更換為本發(fā)明的具有掠角的葉片108即可，俯仰驅(qū)動(dòng)硬件可不需昂貴的升級(jí)，便可完全發(fā)揮降低能源費(fèi)用的潛力。另外，內(nèi)側(cè)的前掠還能消除外側(cè)的后掠在根部上引起的扭轉(zhuǎn)。
雖然本發(fā)明已就各個(gè)具體的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但本行業(yè)的行家當(dāng)會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可通過(guò)在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的修改來(lái)實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種葉片(108)，具有一個(gè)抗扭轉(zhuǎn)剛性根部(114)，一個(gè)在所說(shuō)葉片內(nèi)側(cè)部(112)內(nèi)相對(duì)于一條彈性軸線的前掠和一個(gè)在所說(shuō)葉片外側(cè)部(116)內(nèi)的后掠。
2.一種風(fēng)渦輪轉(zhuǎn)子(106)，所說(shuō)轉(zhuǎn)子具有一個(gè)轂部(110)和至少一個(gè)葉片(108)，該葉片有一抗扭轉(zhuǎn)剛性根部(114)，一個(gè)內(nèi)側(cè)部(112)和一個(gè)外側(cè)部(116)，所說(shuō)內(nèi)側(cè)部有一相對(duì)于所說(shuō)葉片的一條彈性軸線的前掠，而所說(shuō)外側(cè)部有一后掠。
3.權(quán)利要求2的轉(zhuǎn)子，其特征在于所說(shuō)前掠能有效地抵消由所說(shuō)后掠造成的扭轉(zhuǎn)量。
4.權(quán)利要求3的轉(zhuǎn)子，其特征在于所說(shuō)前掠是在所說(shuō)葉片的根部(114)，而所說(shuō)前掠的量能有效地抵消由更外側(cè)的葉片的后掠造成的俯仰力矩。
5.一種風(fēng)渦輪(100)，包括一個(gè)具有一個(gè)轂部(110)和至少一個(gè)葉片(108)的轉(zhuǎn)子，該葉片(108)具有一個(gè)抗扭轉(zhuǎn)剛性根部(114)，一個(gè)內(nèi)側(cè)部(112)和一個(gè)外側(cè)部(116)，所說(shuō)內(nèi)側(cè)部有一相對(duì)于所說(shuō)葉片的一條彈性軸線的前掠，而所說(shuō)外側(cè)部有一后掠。
6.權(quán)利要求5的轉(zhuǎn)子，其特征在于所說(shuō)前掠能有效地抵消由所說(shuō)后掠造成的扭轉(zhuǎn)量。
7.權(quán)利要求6的轉(zhuǎn)子，其特征在于所說(shuō)前掠是在所說(shuō)葉片的根部(114)，而所說(shuō)前掠的量能有效地抵消由葉片更外側(cè)的后掠造成的俯仰力矩。
8.一種制造風(fēng)渦輪(100)葉片(108)的方法，所說(shuō)方法包括選擇所說(shuō)葉片元件的掠角來(lái)確定葉片的形狀，以便(a)使引起的扭轉(zhuǎn)量增加或最大化，并且所說(shuō)扭轉(zhuǎn)的分配使載荷減少，(b)使保持末梢彎轉(zhuǎn)所需的葉片材料的增加減少或最小化，(c)使對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的負(fù)面作用減少或最小化，及(d)使結(jié)構(gòu)保持完整性；然后按照確定的葉片形狀制造葉片(108)。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于還包括選擇一個(gè)品質(zhì)因素，并按照所選的品質(zhì)因素來(lái)衡量固素(a)-(d)。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于該葉片有一末梢(120)，此外，確定一個(gè)葉片的形狀的步驟還包括對(duì)該末梢的位置和最大掠角加以制約因素。
全文摘要
一種風(fēng)渦輪(100)包括具有一個(gè)轂部(110)和至少一個(gè)葉片(108)的轉(zhuǎn)子(106)。該葉片(108)具有一個(gè)抗扭轉(zhuǎn)剛性根部(114)，一個(gè)內(nèi)側(cè)部(112)，和一個(gè)外側(cè)部(116)。該內(nèi)側(cè)部具有一個(gè)相對(duì)于葉片彈性軸線的前掠，而該外側(cè)部有一后掠。
文檔編號(hào)F03D1/06GK1755103SQ20051008816
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者K·K·維策爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司