叶片结构及其应用装置的制作方法

专利名称：叶片结构及其应用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风能转换之叶片及其应用装置。
在现有技术中，各种式样和形状的叶片都被用来控制风能。如本说明书附图中

图1A至图1D所示，图1C中的箭头表示风的流动方向，这些形状不同的叶片设计是为了配合风向的，风向对叶片具有适当的冲击角度将会导致叶片上升。当空气流过传统的机翼，风对机翼的冲击会在机翼上产生一个负压力，则机翼上升。叶片或螺旋桨亦如此。作为叶片的应用，如使用风车和空气压缩机将风能转换为压缩空气储存而用来发电，等等。这些现有技术主要设计目的之一是要使叶片获得较高的转速，因此叶片的配置旨在使空气流能快速通过设备，叶片的形状及位置力求不干扰空气流动；而这些现有技术所存在的问题之一是在持续强风吹过时，设备往往因叶片的急速转动易于失控而烧毁，但当低速弱风或间歇性风吹过时，设备则无法产生持续能量，因此需稳定风速方能产生足够的能量。
本发明的目的在于提供一种可利用低速空气流产生能量、增加提升力且在持续强风下避免急转失控的叶片结构及其应用装置，该叶片应用装置可充分利用空气流以产生更多的能量。
本发明的技术方案如下本发明之叶片的形状是由中间部分、与中间部分相对两端相连接的延伸前缘及延伸尾缘所组成，其横截面形状为基本上具有凸面及凹面之平底锅状，前缘面对空气流装设，由尾缘部分向后约90°地朝向凹侧之前缘部分延伸出一凸缘部分。
本发明的叶片应用装置属于一种新的风能转换装置用来储存能量，它包括数个上述结构之叶片，每一叶片都有产生空气润滑层以降低使用叶片在空气流动中所造成的拉引的作用，每一叶片的角度范围与空气流经该装置的方向夹角约7°到45°。所述的叶片是被设置成与空气流方向呈放射状，而以该空气流方向为主轴之方向。
本发明的叶片结构为符合空气动力学的形状，可表现出更好的提升特性，能产生空气润滑层以降低使用叶片在空气流动中所造成的拉引，增加上升力。本发明之叶片应用装置及其叶片配置方式可使相邻叶片之间造成互动，因而在低速时可产生转矩，在低速空气流动中提取能量；该装置可收集空气流，而不是使之快速通过，因而可获取更多的能量。本发明之叶片形状、位置及其配置方式可防止急速失控，亦即实质上有制动的效果。
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
图1A、图1B、图1C、图1D为现有技术中四种叶片结构的截面图；图2为本发明之叶片结构的立体图；图3为图2的剖面3-3部分放大截面图；图4为本发明之叶片的效能增益图；图5为本发明之叶片的测试样品图；图6为浆叶上之高压边界图；图7为风扇调节机构的垂直立视图；图7-1为风扇调节机构的部分剖开垂直立视图；图8为图7-1之详细结构图；图9为本发明之叶片实施例的详细结构图；图10为风扇调节机构图。
图1A到图1D显示出现有技术叶片之横截面构造，图1A是使用一种轻质木材制成的，是NACA所用的形状，可用于低速飞行器的机翼以提供提升力；图1B是由塑胶制成的叶片；图1C是本申请人的美国专利(申请号为4655122)所示的叶片；图1D是一种在后方拍打的叶片。
本发明之叶片如图2和图3所示的叶片10，是一种符合空气动力学形状的风能转换叶片，在图3中的叶片10包含由中间部分(b=11.5″)和中间部分两端之前缘(a=4″)和尾缘(c=4.125″)，其形状如同一横截面具有凹凸表面的平底锅，从尾缘的凹面区域延伸出一个弯向前缘的凸缘(d=0.562″)。所谓的前缘″a″是指面对箭头A所示空气流方向的那一边缘。前缘″a″与中间部分″b″的夹角e是130°，尾缘″c″与中间部分″b″的夹角f是127°，尾缘″c″与凸缘″d″的夹角g是90°，叶片10可使用11号铝材。叶片所产生的效益如图4所示。
风首先会流过前缘″a″之上方。实际测试，一风车的叶片在36°时，需每小时7英哩之速度方能克服惯性使风车转动。一旦风车转动后，需以每小时3英哩的风速维持其继续转动。当角度增大时，边界速度提高而转速加快。为获得最佳的低速效果，则叶片角度不宜过大。理论上说，叶片之形状及位置宜使之捕集空气而不是使空气自由通过，目的在于产生两种效果，第一是引起空气动力之提升，第二是相邻之叶片有助于提升力的增加。考虑白努力及快速流动空气，这速度是不同，但是空气不是沿着同一直线路径，也许部分会凝聚及附着于表面。
叶片须被空气流推动至快过它自己落下之速度，才能有更广的应用，不只是较好的叶片形状，而且必须能从大气压力中获得上升力。
对于具有小弯度、薄角度的叶片，包括那些风筝、帆船、滑翔机的翼以及超薄翼、高速翼等，其本质上，空气流经其上表面及下表面的距离是相同的。不断向下的弯曲看起来好象只有使空气流更快或更慢，任何可以造成压差的方式即可。将下方的空气流搬移至上方亦可。当抽起或推动在被举起物体下的空气时，基本上，只要移动表面的空气层使其快过表面上方之空气，就可以拉回来，这就是目的。当叶片减慢时(空气加速度仍然保持不变)，垂直降落流经叶片(冲击角度)会更快。空气动力的提升是最终目标，它是主要两种力量结合的其中一种过程。当上层加速超过落下之空气时，底层表面受压，而向下施力于空气而且滑过它(牛顿第一定律)。这会造成一个放大增益。因为被时差惯性加强之上升力作用于其本身。大部分飞机引擎推进力不会使飞机提升，但是空气动力学之提升力的产生将使引擎力量透过另一种媒介而使额外的提升力扩增。
尾缘的折板是使叶片提供一长期而连续地追逐其自身的空气柱。增加表面的曲度(通常是波浪状)使其远离加速中的空气柱会得到更大的提升力。应用白努力原理，由于曲面会增加距离，而使上下层的空气流动速率不同，被加速的空气？有较低之压力，这个空气动力的差异设计可以允许机翼以外的各种不同装置。
毫无疑问，地面效应可以被用来补充白努力原理的不足。似乎加速的倾斜空气柱(依着自身的惯性)会因其邻近的空气之引导而减慢其加速。正常情况之下，在大气空间下，这是正常不变的，但是当上升的设备接近其它表面时，尤其是地面时，可以改变空气运动。如果邻近的空气几乎无法被拉引，这个产生更多压差的接近过程变慢，请参照图5和图6。图5中的详细参数是5A=1″；5B=2.875″；5C=1.031″；5D=0.256″(LIP)；5E=1.500(r)；5θ=30°。图6中的6A为高压边界层。
在风车中，例如，相邻的叶片可以增强上升力。这个装置无法持续地加速和抽取，因为由于旋转造成的相对风改变减弱上升力，就如同撞击角度接近零上升角度。在操作上，这就表示这装置尽可能地收集许多力量，即使它在变慢而不是变快，如同现有技术。例如，在每小时60至65英哩的风速中，最小风车的最大速度大约是每分钟100转(rpm)。众所周知，较少的叶片会有较大的速度，而使用较多叶片的装置会有较大的转矩及较小的速度。
图4反映了3种叶片相对空气流的特定设置角度(横座标)和叶片组成的装置所获得的提升力(纵座标)的对应关系，体现了叶片的效能增益；图中最下面的一条曲线是反映现有技术中标准″NACA 12″叶片结构的效能增益，上面两条曲线分别是本发明之叶片结构的#6叶片和#8叶片结构的效能增益。图4的实际测试数据更具体地表现了本发明所增加的效能。
本发明之叶片结构，其形状可以为螺旋桨、推进器或风车扇叶产生所需的提升力。叶片可以被锥形及被从中心较慢(风车的速度范围)的形状到令人满意的弯向面对尾端较近的尖端(移动较快)的有角平底锅状所提高增大。这种空气动力形状会在底部建立压力，而不会在上方建立负压力，因为可推论空气是被叶片的外形所控制。
在现有技术中，一般叶片可以在开始时被设置在15°到26°的冲击角度，超出这个角度范围就不能正常工作。本发明的叶片结构，在更低时是可以启动的，例如7°到45°。此外，在现有技术中，如果依上升力和冲击角度作曲线图，这个曲线在过了26°后一般会掉下来。而本发明的叶片，则这个曲线基本上是一个平滑的曲线，经观察从25°到45°大约有7.5％的偏差。愈使冲击角度变浅，会使叶片之动作愈象正常的飞机翼形状。当角度小于或等于32°时，更多的空气被叶片外围所捕捉；特别是后倾叶片，因此它会提供更大的向上推力。在30°到45°的陡峭角度，可以确信叶片将不会表现得和飞机叶片一样，沿着机翼上方的负压力会因为力量被分掉而变小。翼片便被空气所抬起。
在实际测试中，在风速为每小时25英哩及六个不同的冲击角度(由15°到40°，每隔5°递增)下，本发明的叶片产生的上升力要比″NACA 12″叶片高78％。而且使用本发明的叶片在冲击角度34°时会达到最大的上升力，该上升力大于″NACA 12″叶片在冲击角度28°所产生的最大上升力。
以下对本发明之叶片及其应用装置的运作进行解释。以下称用于移动空气的叶片为风扇；用于移动和该叶片相连的任何活动物，称该叶片为推进器；使用空气或风来推动的叶片称为风车。
本发明之叶片的用途之一是风车。本发明之叶片形状比其它的叶片有更好的表现，它是一个低速高上升力的叶片，其独特之处在于它是一个两段上升的装置。传统的叶片如″NACA 12″，是使用白努力效应来达到上升。
大气压力施加相等之力于一静止不动的物体，流动的空气流过一个物体会使物体上之大气压力减轻。在翼片上的风速比翼片下的风速要快，所以利用翼片下方高于翼片上方的压力使得翼片上升。
当同样的翼片在接近地面时，会产生一种所谓的地面效应。它是一个两阶段的上升效应。在翼片上方的空气被加速，使得大气压力降低。但是在翼片下方，即将到来的空气被夹在翼片和地面间，这会导致大气压力高于静止不动的物体，因此会增加上升力。这也就是鸟可以毫不费力地掠过水面的原理。在飞行中，在翼片上的空气被加速，因此翼片上的压力减低，而翼片下方的情况则有点复杂。参见图6。
本发明之叶片下方的空气撞击着尾缘之边缘，导致翼弦长度四分之三的地方产生一被加压的边界层。这个边界层延伸到尾缘的顶端，如图中尾缘的边缘顶端是由叶片经过空气的速度决定。较慢的速度需要一个较长的顶端及较快的速度需要一个较短的顶端。空气的速度压迫着边界层，而且，接着将流经翼片下方的空气向后推。这个被施压的边界层将即将到来的空气推离翼片表面下方，并推至尾缘的顶端，所以尾缘的顶端不会变成一个拉引的因素，因此不会增加拉引。事实上，拖引会降低，而且由于这个被施压的边界层高于大气压力，所以这个上升力会比″NACA 12″叶片高两倍。
冲击角度对风车而言是关键性的，因为风车叶片在冲击角度为50°时产生最大的转矩及最强的风力，使叶片达到最高转速。然后，叶片的效率会变得很低，被施压的边界层被压至低于尾缘边缘，使旋转变慢，一旦风车的刹车不能正常工作，会导致风车失速而损坏。本发明的风车不需要刹车，而且比较安全。
就噪音方面而言，本发明的风车由于速度慢，所以很安静，地面上不会听到顶端噪音。本发明的风车可以产生传统风车两倍以上的转矩，也就是说，该风车直径做得较小，而仍能产生相当的能量。
参见图7至图9，本发明的风扇扇片在外形上和风车叶片相似，但是在作用上则完全不同。除了尾缘边缘的长度较小外，所有的尺寸皆相同。当风扇转动时，扇片会将空气捕捉到边缘而加强风的流量。冲击角度变得不那么重要。冲击角度从15°到20°，表现相同，但是转速不同，20°时的转速比15°时的转速慢。也就是说，本发明的风扇的旋转比传统的风扇慢，但是产生更多的能量及较少的噪音。本发明的风扇产生的推进力超过所有的现有风扇。很多现有风扇被置入具有外部百叶窗的钟嘴，当电源启动时，风扇转动而且在风扇和百叶叶片间产生一个压力；这个钟嘴就是用来作为受压的空气的空间；当压力建立时，百叶叶片会打开以排除压力，但是重力会驱使它们关闭，这个平衡会在当风扇产生的压力打开这个叶片时达到；这并不是全开，而风扇受到压力使得其不仅移动空气，而且施压制造压力来打开百叶窗以便可以让空气移动。在本发明中，风扇驱动风扇箱，而这风扇并不是正规地被用来完全开放百叶窗，并没有钟嘴可以限制风扇边缘不要吸入，而风扇流量被相当地增加；由于风扇箱设有一个连结闩，故当电源关闭时，没有人可以用手来打开百叶窗以便进入建筑物。图7-1显示了一个风扇及调节装置。
在图7和图7-1中7A=21.75″；7B为支撑架；7C为导轨；7D为马达；7F为调节器支架；7G为扇叶；7H=28″；7I=31″；7J=1.75″；7K为拉升柱；7L为水平臂；7M为转轴；7P为马达转轴。在图8中8A=4.092″；8B=0.437″；8C=0.81″；8D=0.196″；8E=5.37″；8F=0.25R；8G=10°；8H=1.625″；8I=0.312″；8J=0.625″；8K=0.375″；8L=0.377″DIA.HOLFS；8M=0.100″；8N=2.53″。在图9中9A=4.676″；9B=0.235″；9C=TAN 0.727；9D=31°；9E=1.031″；9F=2.862″；9G=0.300″；9H=0.19″；9I=20°；9J=TAN 0.413；9K=1.000″(R)。在图10中，10A为重负载之门滚轮及导轨，10B为调节器，10C为叶片。
另外，在测试中观察到如果使角度变得越浅，则本发明之叶片的行为就越像一般的叶片。有一个较大的压力在翼片下，而导致上升。当角度到达约32°时，更多的空气被捕捉；特别是，由于向后弯的凸缘及较大的向上推进力。一般情况，翼片会在30°，此处，上升力会持续甚至到45°。理论上来说，产生一停置的薄层，这个薄层会提供润滑，因此可以减少拉引。由于这个原因，它向下偏斜广大的空气流80°，而不象传统叶片偏移较少的空气流，而且偏移角度只有15°。因此，它增加了上升力。这个上升力是NACA形状的两倍以上。
在叶片设计时，横越凹面区域的距离是“翼弦”，所以凸面区域的空气行程比凹面区域的空气行程远。
基本上，翼片是一个可以产生上升力的形状，它可以是推进器或螺旋桨。
本发明的推进器可以使用二、三或四个叶片而不会影响其表现。叶片的规格有两处更改，其中有两个30°末端的推进器形状，半径不如风扇大。而且由于转速增加，故尾缘的顶端非常低。推进器的一个重要因素为顶端噪音，传统推进器的顶端速度有时会超过音速，产生噪音。在实际测试中，将本发明的60″二叶推进器与空气船的60″Sensenich木推进器相比较，Sensenich木推进器在1960rpm时产生了200磅的推进力，而且噪音非常大，而本发明的60″二叶推进器在1000rpm时产生200磅的推进力，两个推进器产生同样的力量。因此，本发明的推进器更为安静和安全，磨损较小并不会撕裂设备。
权利要求
1.一种用于风能转换的叶片，其特征在于该叶片的形状是由中间部分、与中间部分相对两端相连接的延伸前缘及延伸尾缘所组成，其横截面形状为基本上具有凸面及凹面之平底锅状，前缘面对空气流装设，由尾缘部分向后约90°地朝向凹侧之前缘部分延伸出一凸缘部分。
2.一种利用数个权利要求1所述之叶片所构成的装置，其特征在于该装置中的每一叶片的角度范围与空气流经该装置的方向夹角约7°到45°。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的叶片是被设置成与空气流方向呈放射状，而以该空气流方向为主轴之方向。
全文摘要
一种用于风能转换的叶片及其应用装置,该叶片的横截面为倒置之平底锅状,包含有中间部分、中间部分两端的延伸前缘及延伸尾缘,前缘面对空气流装设,尾缘具有二次折向前缘的凸缘;叶片应用装置包括数个叶片,每一叶片的角度范围与空气流经该装置的方向夹角约7°到45°。本发明的叶片结构能产生空气润滑层以降低使用叶片在空气流动中所造成的拉引,增加上升力,本发明的应用装置可利用低速空气流产生能量并可避免急转失控。
文档编号B64C27/32GK1233577SQ9811245
公开日1999年11月3日 申请日期1998年4月28日 优先权日1998年4月28日
发明者J.M.法兰西斯 申请人:黄颂华