具有混合的叶片加载的涡轮机叶片制造技术

公开了一种非均匀加载的涡轮机叶片，包括能够用于从流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提取的功率通常大于向流体流动增加的功率，产生从叶片提取的净功率。向流体流动增加功率有利地产生高速流体流动的局部喷射，其提供沿着叶片长度的尾涡和梢涡的分配混合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有混合的叶片加载的涡轮机叶片相关申请的交叉引用本申请要求于2011年5月27日提交的美国临时申请序列号N0.61/490841的优 先权，该美国临时申请整体通过引用合并在此。
本专利技术涉及具有特定结构的涡轮机转子叶片，并且涉及并入这种叶片的具有壳体 的涡轮机。更具体地，本专利技术的转子叶片设计包括非均匀加载(也称为“不对称加载”或“不 平衡加载”)。
技术介绍
水平轴涡轮机(HAWT)通常包括在中央毂处结合的两个至五个具有叶片的转子。常 规的HAWT叶片一般被设计成在叶片的功率提取区域上提供基本上均匀的叶片加载。用于 预测和评价叶片性能的一种通用数学工具是叶片元素理论(BET)。BET把叶片看作一组组 成元素(也称为“站”)。每个组成元素可以由在相对于旋转轴线的径向位置(r)处的叶片的 径向剖面(称为翼型)和元素的宽度(dr)限定。应用BET分析，均匀的叶片加载可以被特征 化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素在操作过程中具有相同的压差(Ap)。注意Ap I P=Y 1-，其中，P是流体密度，P是功率并且rfi是质量流率。倘若流体密度通常是恒定的，压差可以被假定为与功率除以质量流率成比例。因此，均匀的叶片加载通常也可 以被特征化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素呈现相同的每质量流率提取的功 率。注意到常规的HAWT叶片还可以包括一个或多个非功率提取区域。例如，常规的HAWT叶 片通常例如在叶片的末梢和/或根部处渐缩，以减小涡。接近叶片的末梢和/或根部的这 种渐缩的区域或以其它方式最少加载的区域被认为是用于本专利技术目的的非功率提取区域。站通常被设计/构造以便最大化叶片上的功率提取，同时保持恒定的每质量流率 提取的功率。质量流率被限定为I*=PA,其中，P是流体密度，U是流动速度并且A 是流动面积(“转子扫及面积”)。用于每个站的流动面积可以被计算为A=2 rdr。注意到站 流动面积作为影响质量流率的径向位置的函数增大。因此，用于每个站的翼型通常被设计 用以在考虑不同的质量流率的同时保持均匀的加载。可以被调节以确保针对不同质量流率 的均匀加载的参数包括节距(也称为“冲角”)和/或翼型形状，例如通过弦长、最大厚度(有 时表达为弦长的百分比)、平均脊线和/或类似参数表征。用于常规均匀加载的HAWT叶片 的翼型通常朝向根部比朝向末梢呈现更长的弦长和更大的节距以考虑朝向末梢更高的质 量流率(注意到针对常规不具有壳体的HAWT，在转子平面的中央处的流体速度和在转子平 面的周边处的流体速度之差很小)。最近的开发工作已看到具有壳体的涡轮机的实施，例如用以减小边缘涡的影响和 /或增大流体流速。被授权为美国专利N0.8021100的美国专利申请序列号N0.12/054050 中已经描述了具有壳体的混合器-喷射器风力涡轮机的一个例子，该美国专利申请的全部 内容合并在此。用于功率提取的具有壳体的涡轮机的开发仍然在其初始期。因此，需要新的和改进的叶片设计和优化以在具有壳体的涡轮机环境中工作。这些和其它需要通过本发 明得以解决。
技术实现思路
本专利技术涉及具有非均匀叶片加载特征的新颖的涡轮机叶片设计。本专利技术还涉及用 于利用非均匀加载的涡轮机叶片的系统和方法以及用于制造非均匀加载的涡轮机叶片的 方法。非均匀叶片加载教导偏离行业常规并且在利用非一致流动分布方面尤其有用，例如， 诸如可以由壳体形成的非一致流动分布。事实上，如在这里认识到的，非均匀加载的叶片尤 其在具有壳体的涡轮机环境或在转子平面上的流体流速非一致的其它涡轮机环境中相对 于常规均匀加载的叶片可以提供特别的优点，例如，更大的功率提取和/或更大的效率。在示例性实施方式中，公开了一种非均匀加载的涡轮机叶片，其包括能够用于从 流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提 取的功率通常大于向流体流动增加的功率，产生从叶片提取的净功率。在一种实施方式中， 非均匀加载的涡轮机叶片可以被设计成沿着其长度的70%-80%从流体流提取功率，同时沿 着其长度的20%-30%向流体流增加功率。在流体流中功率的产生可以有利地致使高速流体 流动的局部喷射，其提供沿着叶片的长度尾涡和梢涡的分配混合。本领域技术人员将容易认识到本专利技术的非均匀加载的转子叶片可以结合包括至 少部分地具有壳体的涡轮机在内的众多涡轮机使用。一个合适的例子是旋风涡轮机，其中，旋风壳体可以十分靠近或者环绕转子。旋风 涡轮机结合至少一个大弯度环状翼型使用在被称为旋风器的柱形或锥形容器内建立的高 速旋转流体流动以改进涡轮机效率。用于旋风涡轮机系统的最佳叶片设计是两个因素的函 数:在转子站处的流动加速和在涡轮机的出口处向转子尾流增加的能量。这两个结果反映 系统的物理特性。具有弯度的壳体和旋风器作用使更多的流动经过转子，允许由于更高的 流率提取更多的能量。在转子平面处的更高的速度能够通过风力涡轮机叶片设计中的正常 感应系数分析来描述。功率提取(总压提取分布)随着在叶片的顶部1/3处的高功率提取和 在叶片根部区段处的较低功率提取或功率注入而改变。与在转子平面的中央处的流体流的速度相比，根据一种实施方式的旋风涡轮机提 供在转子平面处增大的流体流速度。适应在周边处每单位质量流率更多的能量提取和在转 子平面的中央处每单位质量流率较少的能量提取或每单位质量流率的能量注入(称为非均 匀叶片加载)的叶片设计与对称加载的叶片设计相比更好地适用于从流体流导出功率。在其它示例性实施方式中，混合的叶片加载(在相同叶片的不同区域中的负和正 叶片加载)可以用于减轻涡轮机操作上涡的影响并且提供更有效的流体下游混合。如本领域技术人员理解的，涡轮机的空气动力原理不限制于特定流体，并且可以 应用到任何流体，限定为任何液体、气体或其组合及由此包括水和空气。换句话说，风力涡 轮机的空气动力原理适用于水力涡轮机的流体动力学原理。本专利技术的这些和其它非限制性特点或特征将在下面进一步描述。【附图说明】以下是附图的简要说明，附图是出于图示这里提及的公开的目的而不是出于限制这里提及的公开的目的提供的。图1是现有技术的示例水平风力涡轮机的右前方立体图。图2是描绘表示图1的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。图3是表示图2的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。图4图示图2和3的转子叶片的功率提取区域的均匀叶片加载。图5是图4中表不的每站的压差(叶片加载)的图不表不。图6是本专利技术的示例性涡轮机实施方式的前方透视图。图7是图6中表示的涡轮机的剖视图。图8是描绘表示图6和7的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。图9是表示图8的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。图10图示图8和9的转子叶片的非均匀叶片加载。图11是图10中表示的每站的压差(叶片加载)的图示表示。图12是本专利技术的另一示例性涡轮机实施方式的剖视图。图13是描绘表示图12的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。图14是表示图13的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。图15图示图13至14的转子叶片的混合的叶片加载。图16是图15中表不的每站的压差(叶片加载)的图不表不。图17是用于另一示例性叶片实施方式的每站的压差(叶片加载)的图示表示。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括转子的涡轮机，所述转子包括至少一个涡轮机叶片，所述至少一个涡轮机叶片具有能够用于向流体流动增加功率的第一区域和能够用于从流体流动提取功率的第二区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.27 US 61/490,8411.一种包括转子的涡轮机，所述转子包括至少一个涡轮机叶片，所述至少一个涡轮机叶片具有能够用于向流体流动增加功率的第一区域和能够用于从流体流动提取功率的第二区域。2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，涡轮机叶片能够使得从流体流动提取的功率大于向流体流动增加的功率。3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，叶片的第一区域构成叶片的总长度的不超过大约30%。4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域能够使得向流体流动增加的功率提供尾涡和梢涡的分配混合。5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域包括叶片的末梢区域。6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域包括叶片的根部区域。7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域能够用以控制围绕涡轮机的吊舱的层流。8.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，叶片能够包括在第一区域和第二区域之间的具有减小的叶片加载的过渡区域。9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在第一区域处的叶片翼型是基于用以影响负叶片加载的节距或形状构造的，并且在第二区域处的叶片翼型是基于用以影响正叶片加载的节距或形状构造的。10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第二区域是能够从转子平面上的非一致流体速度分布提取能量的非均匀加载的功率提取区域，使得在相对于旋转轴线的第一径向位置处的每质量流率功率提取不同于在相对于旋转轴线的第二径向位置处的每质量流率功率提取。11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，在第一径向位置和第二径向位置中的每个处的叶片翼型是基于用以影响在第一径向位置处的每质量流率功率提取和在第二径向位置处的每质量流率功率提取之差的翼型的节距或形状构造的。12.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，非一致速度分布在第一径向位置处比在第二径向位置处包括更大的流速，并且其中，在第一径向位置处的每质量流率功率 提取比在第二径向位置处的每质量流率功率提取大。13.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，叶片的功率提取区域是基于第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速构造的。14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，功率提取区域是基于用于第一径向位置和第二径向位置的特定升阻比构造的。15.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，每个特定升阻比是(i)停止之前的最大升阻比和(ii)选择的安全阈值之前的最大升阻比中的一个。16.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，转子平面上的非一致流体速度分布是由涡轮机引起的。17.根据权利要求16所述的涡轮机，还包括涡轮机壳体，其中，转子平面上的非一致流动速度分布部分地由涡轮机壳体形成。18.根据权利要求17所述的涡轮机，其中，涡轮机壳体包括布置在转子下游并且向下游延伸的一个或多个混合装置。19.根据权利要求17所述的涡轮机，还包括在涡轮机壳体下游的喷射器壳体。20.根据权利要求19所述的涡轮机，其中，具有一个或多个混合装置的涡轮机壳体和喷射器壳体形成混合器-喷射器泵，并且其中，在转子平面处的非一致流动速度分布部分地由混合器-喷射器泵形成。21.根据权利要求16所述的涡轮机，还包括回旋轮叶阵列，其中，转子平面上的非一致流动速度分布部分地由产生气旋气流的回旋轮叶形成。22.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括在转子下游的壳体，其能够将附加的功率注入离开叶片的第一区域的流体流动的至少一部分。23.一种用于涡轮机的转子叶片，转子叶片包括能够用于向流体流动增加功率的第一区域和能够用于从流体流动提取功率的第二区域。24.根据权利要求23所述的叶片，其中，涡轮机叶片能够使得从流体流动提取的功率大于向流体流动增加的功率。25.根据权利要求23所述的叶片，其中，涡轮机叶片的第一区域构成叶片的总长度的不超过大约30%。26.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域能够使得向流体流动增加的功率提供尾涡和梢涡的分配混合。27.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域包括叶片的末梢区域。28.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域包括叶片的根部区域。29.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域能够用以控制围绕涡轮机的吊舱的层流。30.根据权利要求23所述的·叶片，其中，叶片包括在第一区域和第二区域之间的具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·M·小普雷兹，M·J·威尔，R·多尔德，T·希基，
申请(专利权)人：弗洛设计风力涡轮机公司，
类型：
国别省市：