用于流體渦輪機的環(huán)形箔片的氣動改進的制作方法
【專利摘要】本申請描述了一種環(huán)形流體箔片，其包括用于單罩式流體渦輪機和多罩式流體渦輪機的改進的后部，單罩式流體渦輪機和多罩式流體渦輪機包括該環(huán)形流體箔片。后部的改進增加了由流體箔片引起的流動轉向，而在流體箔片的抽吸側上不存在或存在減少的邊界層分離。
【專利說明】用于流體渦輪機的環(huán)形箔片的氣動改進
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年10月20日提交的美國臨時專利申請N0.61/549，465的優(yōu)先權和權益，其全部內容在此以引用的方式并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及流體渦輪機領域，以及更具體地涉及用于罩式渦輪機的環(huán)形翼型件?！颈尘凹夹g】
[0004]用于發(fā)電的實用規(guī)模的風力渦輪機具有轉子，其通常包括一個至五個開放的葉片。各風力渦輪機的轉子將風能轉變?yōu)樾D扭矩，該旋轉扭矩驅動以旋轉方式直接或經由傳動裝置聯(lián)接至轉子的至少一個發(fā)電機，以將機械能轉換為電能。一些風力渦輪機包括環(huán)形翼型件形式的一個或多個罩，其可通過吸收更多的空氣穿過風力渦輪機而增加風力渦輪機的效率，例如，美國專利N0.8，021，100中描述的多罩式風力渦輪機。

【發(fā)明內容】

[0005]本文描述的示例實施例包括但不限于用于罩式流體渦輪機的環(huán)形流體箔片，并且罩式流體渦輪機包括一個或多個環(huán)形流體箔片。一個實施例包括一種用在能量獲取流體渦輪機中的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片。環(huán)形流體箔片包括:抽吸面，其面朝所述環(huán)形流體箔片的中心縱向軸線；以及壓力面，其與所述抽吸面相對。所述環(huán)形流體箔片還包括陡直形突起，其位于所述環(huán)形流體箔片的后部，所述陡直形突起從所述壓力面向外且遠離所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦延伸。
[0006]在一些實施例中，所述環(huán)形流體箔片的側向截面具有所述陡直形突起的縱向軸線，該縱向軸線相對于所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦成85度至120度之間的角度取向。在一些實施例中，所述環(huán)形流體箔片的側向截面具有所述陡直形突起的縱向軸線，該縱向軸線大約垂直于所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦取向。
[0007]在一些實施例中，所述陡直形突起的高度是弦長度的0.5%至30%之間。在一些實施例中，所述陡直形突起的高度是弦長度的1%至10%之間。
[0008]在一些實施例中，所述陡直形突起具有構造為在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起處產生反向旋轉的一對流體渦系的形狀。在一些實施例中，在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起處產生的所述反向旋轉的一對流體渦系使來自所述抽吸面的流動流偏向遠離所述中心軸線。在一些實施例中，在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起處產生所述反向旋轉的一對流體渦系，而不存在所述抽吸面上的邊界層流動分離。
[0009]在一些實施例中，所述陡直形突起限定從所述陡直形突起的前表面向所述陡直形突起的后表面延伸的通道。在一些實施例中，所述通道包括至少部分地將所述陡直形突起和所述環(huán)形流體箔片的非突起部分分離的狹槽。
[0010]一個實施例包括能量獲取流體渦輪機，其具有:轉子，其構造為圍繞中心縱向軸線旋轉；以及環(huán)形流體箔片，其具有所述轉子下游處的后緣。所述環(huán)形流體箔片包括:抽吸面，其面朝所述中心軸線；以及壓力面，其與所述抽吸面相對。位于所述環(huán)形流體箔片的后部處的陡直形突起從所述壓力面向外且遠離所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦延伸。
[0011]另一實施例包括一種用在能量獲取流體渦輪機中的具有輪廓的環(huán)形流體箔片。環(huán)形流體箔片包括:抽吸面，其面朝所述環(huán)形流體箔片的中心軸線；以及壓力面，其與所述抽吸面相對。所述壓力面和所述抽吸面由所述環(huán)形流體箔片后部處的鈍形表面接合。所述環(huán)形流體箔片具有帶中弧線的截面構型，該中弧線在所述后部比在所述環(huán)形流體箔片的前部具有更大的曲率。
[0012]在一些實施例中，所述鈍形表面和所述構型構造為在所述后部下游且接近所述后部處形成反向旋轉的渦系，其使來自所述抽吸面的流動流偏向為遠離所述中心軸線。在一些實施例中，來自所述抽吸面的流動流被偏向為遠離所述中心軸線，而不存在所述抽吸面上的邊界層分離。
[0013]在一些實施例中，所述中弧線在所述后部的曲率是所述中弧線在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之間。
[0014]另一實施例包括一種能量獲取流體渦輪機，其具有:轉子，其構造為圍繞中心軸線旋轉；以及環(huán)形流體箔片，其具有所述轉子下游處的后緣。所述環(huán)形流體箔片包括:抽吸面，其面朝所述中心軸線；以及壓力面，其與所述抽吸面相對。所述壓力面和所述抽吸面由所述環(huán)形流體箔片后部處的鈍形表面接合。所述環(huán)形流體箔片具有帶中弧線的截面構型，該中弧線在所述后部比在所述環(huán)形流體箔片的前部具有更大的曲率。
[0015]在一些實施例中，所述環(huán)形流體箔片是噴射器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述噴射器罩上游處的混合器罩。在一些實施例中，所述環(huán)形流體箔片是混合器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述混合器罩下游處的噴射器罩。
[0016]提供上述概要僅用于引入構思的選擇，這些構思會在下述的說明書中進一步描述。該概要不用于定義所要求保護主題的關鍵或必要特征，也不用于輔助限定所要求保護主題的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]參照附圖可獲得對本文描述的部件、過程和設備更完整的理解。這些附圖用于示出實施例而不是示出相對大小和尺寸、或限制實例或實施例的范圍。在附圖中，相同的附圖標記用于表示所有圖中相似特征和相似功能的部件。
[0018]圖1是根據(jù)一個實施例的罩式風力渦輪機的前立體圖；
[0019]圖2是圖1的罩式風力渦輪機的側截面圖；
[0020]圖3示意性描述常規(guī)環(huán)形箔片上部的側截面；
[0021]圖4示意性描述圍繞圖3的常規(guī)環(huán)形箔片的流場，示出后緣附近抽吸側上的流動分離；
[0022]圖5示意性描述根據(jù)一個實施例的包括在遠離中心軸延伸的壓力面上的突起的環(huán)形箔片上部的側截面；
[0023]圖6示意性描述圖5的環(huán)形箔片周圍的流場，示出突起下游的一對反向旋轉渦系，并示出在抽吸側沒有流動分離；[0024]圖7示意性描述根據(jù)一個實施例的具有氣動改進區(qū)域后部的環(huán)形箔片上部的側截面；
[0025]圖8示意性描述圖7的環(huán)形箔片周圍的流場；
[0026]圖9示意性描述根據(jù)一個實施例具有高度改進的后部的環(huán)形箔片上部的側截面；
[0027]圖10示意性描述根據(jù)一個實施例包括帶有突起的抽吸面的環(huán)形箔片上部的側截面，突起具有通道；
[0028]圖11示意性描述根據(jù)一個實施例具有圖10的環(huán)形箔片形式的噴射器的混合器-噴射器流體渦輪機的立體圖；
[0029]圖12示意性描述根據(jù)一個實施例具有向外的混合器凸瓣的單個混合器罩流體渦輪機的立體圖，混合器凸瓣包括改進為具有增加弧度的后部；
[0030]圖13示意性描述圖12的混合器罩流體渦輪機的側截面圖；
[0031]圖14示意性描述根據(jù)一個實施例具有向外的混合器凸瓣的單個混合器罩流體渦輪機的立體圖，每個混合器凸瓣包括壓力面的突起；
[0032]圖15示意性描述圖14的流體渦輪機的側截面圖。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明的實施例涉及流體渦輪機罩(例如，風力渦輪機罩、水力渦輪機罩、水輪機罩等)和包括該罩的流體渦輪機，流體渦輪機罩包括具有改進的后緣部分的環(huán)形流體箔片(例如，環(huán)形翼型件、環(huán)形水翼件)，該改進的后緣部分通過增加流體動力循環(huán)而增加經過環(huán)形流體箔片的流量，并且不會引起箔片抽吸側上的流動分離。環(huán)形流體箔片也稱為環(huán)形的流體箔片或環(huán)形箔片，其為至少部分環(huán)繞中心軸的結構，并且當由包括中心軸的平面切開時，其具有上橫截面流體箔片輪廓和下橫截面流體箔片輪廓。示例性實施例包括流體渦輪機罩、具有單個罩的罩式流體渦輪機，以及包括多個罩的罩式流體渦輪機。在一些實施例中，環(huán)形箔片壓力面上的陡直形突起增加了環(huán)形箔片的流動轉向和流體動力循環(huán)。如本文所使用的，詞語“陡直形”指非流線型形狀，其必然地產生該形狀尾部的非層流區(qū)域。在一些實施例中，箔片的陡直形后部是環(huán)形箔片后部的鈍形后表面和增加曲率的弧線的形式，箔片的陡直形后部增加了環(huán)形箔片的流動轉向和流體動力循環(huán)。如本文所使用的，“鈍形后表面”或“鈍形后緣”指不同的表面，其在環(huán)形箔片的后部處將箔片的壓力面與箔片的抽吸面分開。
[0034]雖然本文描述的幾個實施例涉及風、風力渦輪機和翼型件，其構思同樣適用其他類型的流體渦輪機的其它類型的流體箔片，諸如具有環(huán)形水翼件的水力渦輪機或水輪機等。因此，本領域技術人員考慮到本發(fā)明，應理解本文描述的各個實施例中的詞語流體、水或水力可由空氣或風力代替，并且詞語箔片或水翼件可由翼型件代替，反之亦然。
[0035]在罩式流體渦輪機中，一個或多個罩用于增加經過流體渦輪機的流量。罩包括具有抽吸側(例如高速側)和壓力側(例如低速側)的環(huán)形箔片(例如翼型件或水翼件)，抽吸側面對流體渦輪機的中心旋轉軸，壓力側背離中心軸。通過使環(huán)形箔片下游的流體流動轉向為遠離中心軸，環(huán)形箔片吸收經過渦輪機轉子的附加流體，增加由流體渦輪機獲取的功率。為進一步增加箔片下游的流體流動轉向，并進一步增加流經流體渦輪機的流體渦輪機吸收量，可增加箔片的沖角和/或增大箔片的弧度。遺憾的是，箔片沖角的顯著增加和/或箔片弧度的顯著增加會導致失速。在流體力學領域中，術語“失速”是指發(fā)生流動分離的情況。在流動分離中，緊緊圍繞箔片表面流動的流體(即，邊界層流)開始與表面分離并變?yōu)橥牧?即，產生旋渦和渦系)，這通常會增加阻力并減少轉向箔片下游的流動。一些實施例包括具有在后部改進輪廓的環(huán)形箔片，用于增加轉向箔片下游的流體，而不會在環(huán)形箔片的抽吸側產生邊界分離。
[0036]流經箔片的流體在箔片和流體上都會產生氣動或水力的力。垂直于流體流動方向的箔片上氣動或水力的力分量稱為升力，而平行于流體流動方向的箔片上氣動或水力的力分量稱為阻力。箔片具有抽吸側和壓力側。對于很多箔片，壓力面和抽吸面由彎曲的前緣和尖銳的后緣連接，意味著壓力側和抽吸側在后緣相交并沒有通過后緣處的附加表面分離。箔片的弧線在一端處剖開后緣并延伸至前緣的頂點。由于箔片的存在，流經箔片的流體偏向可描述為轉向并沿著彎曲路徑的流體流動。氣動或水力循環(huán)是流動轉向的結果，并且通常由箔片抽吸側上的流動分離限制。
[0037]Kutta-Jouko wski定理描述了圍繞任何封閉表面的流體循環(huán)。該循環(huán)引起翼型件上的升力并增加通過罩式流體渦輪機的流體流動。該定理確定了由封閉體中的一個跨度單元產生的升力并闡述了當循環(huán)量gamma ∞ 已知時，柱體的每單位跨度的升力(或L’ )可由下述公式計算:
[0038]V=P ^V00 gamma ∞ 公式 I
[0039]其中P ?和V00是柱體上游遠處的流體密度和流體速度，而gamma ∞是由公式2中的線積分限定的循環(huán)量:
【權利要求】
1.一種用在能量獲取流體渦輪機中的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，包括: 抽吸面，其面朝所述環(huán)形流體箔片的中心縱向軸線； 壓力面，其與所述抽吸面相對；以及 陡直形突起，其位于所述環(huán)形流體箔片的后部，所述陡直形突起從所述壓力面向外且遠離所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦延伸。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述環(huán)形流體箔片的側 向截面具有所述陡直形突起的縱向軸線，該縱向軸線相對于所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦成85度至120度之間的角度取向。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述環(huán)形流體箔片的側向截面具有所述陡直形突起的縱向軸線，該縱向軸線大約垂直于所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦取向。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述陡直形突起的高度是弦長度的0.5%至30%之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述陡直形突起的高度是弦長度的1%至10%之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述陡直形突起具有能夠在所述陸直形突起的下游且接近所述陸直形突起處產生反向旋轉的一對流體渦系的形狀。
7.根據(jù)權利要求6所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，在所述陡直形突起的下游且接近所述陡直形突起處產生的所述反向旋轉的一對流體渦系使來自所述抽吸面的流動流偏轉遠離所述中心軸線。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起處產生所述反向旋轉的一對流體渦系，而不存在所述抽吸面上的邊界層流動分離。
9.根據(jù)權利要求1所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述陡直形突起限定從所述陡直形突起的前表面向所述陡直形突起的后表面延伸的通道。
10.根據(jù)權利要求9所述的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，其中，所述通道包括至少部分地將所述陡直形突起和所述環(huán)形流體箔片的非突起部分分離的狹槽。
11.一種能量獲取流體渦輪機,包括: 轉子，其能夠圍繞中心縱向軸線旋轉；以及 環(huán)形流體箔片，其具有所述轉子下游處的后緣，所述環(huán)形流體箔片包括: 抽吸面，其面朝所述中心軸線； 壓力面，其與所述抽吸面相對；以及 陡直形突起，其位于所述環(huán)形流體箔片的后部，所述陡直形突起從所述壓力面向外且遠離所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦延伸。
12.根據(jù)權利要求11所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述環(huán)形流體箔片的側向截面具有所述陡直形突起的縱向軸線，該縱向軸線相對于所述環(huán)形流體箔片的非突起部分的弦成85度至120度之間的角度取向。
13.根據(jù)權利要求11所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述陡直形突起的高度是弦長度的0.5%至30%之間。
14.根據(jù)權利要求13所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述陡直形突起的高度是弦長度的1%至10%之間。
15.根據(jù)權利要求11所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述陡直形突起具有能夠在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起處產生反向旋轉的一對流體渦系的形狀。
16.根據(jù)權利要求15所述的能量獲取流體渦輪機，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起處產生的所述反向旋轉的一對流體渦系使來自所述抽吸面的流動流偏轉遠離所述中心軸線。
17.根據(jù)權利要求16所述的能量獲取流體渦輪機，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起處產生所述反向旋轉的一對流體渦系，而不存在所述抽吸面上的邊界層流動分離。
18.根據(jù)權利要求11所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述陡直形突起限定從所述突起的前表面向所述突起的后表面延伸的通道。
19.根據(jù)權利要求18所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述通道包括至少部分地將所述陡直形突起和所述環(huán)形流體箔片的非突起部分分離的狹槽。
20.根據(jù)權利要求11所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述環(huán)形流體箔片是噴射器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述噴射器罩上游處的混合器罩。
21.根據(jù)權利要求11 所述的能量獲取流體渦輪機，其中，所述環(huán)形流體箔片是混合器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述混合器罩下游處的噴射器罩。
22.—種用在能量獲取流體渦輪機中的具有空氣動力性輪廓的環(huán)形流體箔片，包括: 抽吸面，其面朝所述環(huán)形流體箔片的中心軸線；以及 壓力面，其與所述抽吸面相對，所述壓力面和所述抽吸面由所述環(huán)形流體箔片后部處的鈍形表面接合，所述環(huán)形流體箔片具有帶中弧線的截面構型，該中弧線在所述后部比在所述環(huán)形流體箔片的前部具有更大的曲率。
23.根據(jù)權利要求22所述的環(huán)形流體箔片，其中，所述鈍形表面和所述構型能夠在所述后部下游且接近所述后部處形成反向旋轉的渦系，其使來自所述抽吸面的流動流偏轉遠離所述中心軸線。
24.根據(jù)權利要求23所述的環(huán)形流體箔片，其中，來自所述抽吸面的流動流被偏轉遠離所述中心軸線，而不存在所述抽吸面上的邊界層分離。
25.根據(jù)權利要求22所述的環(huán)形流體箔片，其中，所述中弧線在所述后部的曲率是所述中弧線在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之間。
26.一種能量獲取流體渦輪機，包括: 轉子，其能夠圍繞中心軸線旋轉；以及 環(huán)形流體箔片，其具有所述轉子下游處的后緣，所述環(huán)形流體箔片包括: 抽吸面，其面朝所述中心軸線；以及 壓力面，其與所述抽吸面相對，所述壓力面和所述抽吸面由所述環(huán)形流體箔片后部處的鈍形表面接合，所述環(huán)形流體箔片具有帶中弧線的截面構型，該中弧線在所述后部比在所述環(huán)形流體箔片的前部具有更大的曲率。
27.根據(jù)權利要求26所述的流體渦輪機，其中，所述鈍形表面和所述構型能夠在所述后部下游且接近所述后部處形成反向旋轉的渦系，其使來自所述抽吸面的流動流偏轉遠離所述中心軸線。
28.根據(jù)權利要求26所述的流體渦輪機，其中，所述中弧線在所述后部的曲率是所述中弧線在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之間。
29.根據(jù)權利要求26所述的流體渦輪機，其中，所述環(huán)形流體箔片是噴射器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述噴射器罩上游處的混合器罩。
30.根據(jù)權利要求26所述的流體渦輪機，其中，所述環(huán)形流體箔片是混合器罩，并且所述流體渦輪機還包括在所述混合器罩下游處的噴射器罩。
【文檔編號】F03D1/04GK104011376SQ201280062361
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年10月22日 優(yōu)先權日:2011年10月20日
【發(fā)明者】W·M·普雷茲, M·J·威爾, E·達姆魯皮納 申請人:奧金公司