用于流体涡轮机的环形箔片的气动改进的制作方法
【专利摘要】本申请描述了一种环形流体箔片，其包括用于单罩式流体涡轮机和多罩式流体涡轮机的改进的后部，单罩式流体涡轮机和多罩式流体涡轮机包括该环形流体箔片。后部的改进增加了由流体箔片引起的流动转向，而在流体箔片的抽吸侧上不存在或存在减少的边界层分离。
【专利说明】用于流体涡轮机的环形箔片的气动改进
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年10月20日提交的美国临时专利申请N0.61/549，465的优先权和权益，其全部内容在此以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及流体涡轮机领域，以及更具体地涉及用于罩式涡轮机的环形翼型件。【背景技术】
[0004]用于发电的实用规模的风力涡轮机具有转子，其通常包括一个至五个开放的叶片。各风力涡轮机的转子将风能转变为旋转扭矩，该旋转扭矩驱动以旋转方式直接或经由传动装置联接至转子的至少一个发电机，以将机械能转换为电能。一些风力涡轮机包括环形翼型件形式的一个或多个罩，其可通过吸收更多的空气穿过风力涡轮机而增加风力涡轮机的效率，例如，美国专利N0.8，021，100中描述的多罩式风力涡轮机。
【发明内容】
[0005]本文描述的示例实施例包括但不限于用于罩式流体涡轮机的环形流体箔片，并且罩式流体涡轮机包括一个或多个环形流体箔片。一个实施例包括一种用在能量获取流体涡轮机中的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片。环形流体箔片包括:抽吸面，其面朝所述环形流体箔片的中心纵向轴线；以及压力面，其与所述抽吸面相对。所述环形流体箔片还包括陡直形突起，其位于所述环形流体箔片的后部，所述陡直形突起从所述压力面向外且远离所述环形流体箔片的非突起部分的弦延伸。
[0006]在一些实施例中，所述环形流体箔片的侧向截面具有所述陡直形突起的纵向轴线，该纵向轴线相对于所述环形流体箔片的非突起部分的弦成85度至120度之间的角度取向。在一些实施例中，所述环形流体箔片的侧向截面具有所述陡直形突起的纵向轴线，该纵向轴线大约垂直于所述环形流体箔片的非突起部分的弦取向。
[0007]在一些实施例中，所述陡直形突起的高度是弦长度的0.5%至30%之间。在一些实施例中，所述陡直形突起的高度是弦长度的1%至10%之间。
[0008]在一些实施例中，所述陡直形突起具有构造为在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起处产生反向旋转的一对流体涡系的形状。在一些实施例中，在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起处产生的所述反向旋转的一对流体涡系使来自所述抽吸面的流动流偏向远离所述中心轴线。在一些实施例中，在所述陡直形突起下游且接近陡直形突起处产生所述反向旋转的一对流体涡系，而不存在所述抽吸面上的边界层流动分离。
[0009]在一些实施例中，所述陡直形突起限定从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。在一些实施例中，所述通道包括至少部分地将所述陡直形突起和所述环形流体箔片的非突起部分分离的狭槽。
[0010]一个实施例包括能量获取流体涡轮机，其具有:转子，其构造为围绕中心纵向轴线旋转；以及环形流体箔片，其具有所述转子下游处的后缘。所述环形流体箔片包括:抽吸面，其面朝所述中心轴线；以及压力面，其与所述抽吸面相对。位于所述环形流体箔片的后部处的陡直形突起从所述压力面向外且远离所述环形流体箔片的非突起部分的弦延伸。
[0011]另一实施例包括一种用在能量获取流体涡轮机中的具有轮廓的环形流体箔片。环形流体箔片包括:抽吸面，其面朝所述环形流体箔片的中心轴线；以及压力面，其与所述抽吸面相对。所述压力面和所述抽吸面由所述环形流体箔片后部处的钝形表面接合。所述环形流体箔片具有带中弧线的截面构型，该中弧线在所述后部比在所述环形流体箔片的前部具有更大的曲率。
[0012]在一些实施例中，所述钝形表面和所述构型构造为在所述后部下游且接近所述后部处形成反向旋转的涡系，其使来自所述抽吸面的流动流偏向为远离所述中心轴线。在一些实施例中，来自所述抽吸面的流动流被偏向为远离所述中心轴线，而不存在所述抽吸面上的边界层分离。
[0013]在一些实施例中，所述中弧线在所述后部的曲率是所述中弧线在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之间。
[0014]另一实施例包括一种能量获取流体涡轮机，其具有:转子，其构造为围绕中心轴线旋转；以及环形流体箔片，其具有所述转子下游处的后缘。所述环形流体箔片包括:抽吸面，其面朝所述中心轴线；以及压力面，其与所述抽吸面相对。所述压力面和所述抽吸面由所述环形流体箔片后部处的钝形表面接合。所述环形流体箔片具有带中弧线的截面构型，该中弧线在所述后部比在所述环形流体箔片的前部具有更大的曲率。
[0015]在一些实施例中，所述环形流体箔片是喷射器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述喷射器罩上游处的混合器罩。在一些实施例中，所述环形流体箔片是混合器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述混合器罩下游处的喷射器罩。
[0016]提供上述概要仅用于引入构思的选择，这些构思会在下述的说明书中进一步描述。该概要不用于定义所要求保护主题的关键或必要特征，也不用于辅助限定所要求保护主题的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]参照附图可获得对本文描述的部件、过程和设备更完整的理解。这些附图用于示出实施例而不是示出相对大小和尺寸、或限制实例或实施例的范围。在附图中，相同的附图标记用于表示所有图中相似特征和相似功能的部件。
[0018]图1是根据一个实施例的罩式风力涡轮机的前立体图；
[0019]图2是图1的罩式风力涡轮机的侧截面图；
[0020]图3示意性描述常规环形箔片上部的侧截面；
[0021]图4示意性描述围绕图3的常规环形箔片的流场，示出后缘附近抽吸侧上的流动分离；
[0022]图5示意性描述根据一个实施例的包括在远离中心轴延伸的压力面上的突起的环形箔片上部的侧截面；
[0023]图6示意性描述图5的环形箔片周围的流场，示出突起下游的一对反向旋转涡系，并示出在抽吸侧没有流动分离；[0024]图7示意性描述根据一个实施例的具有气动改进区域后部的环形箔片上部的侧截面；
[0025]图8示意性描述图7的环形箔片周围的流场；
[0026]图9示意性描述根据一个实施例具有高度改进的后部的环形箔片上部的侧截面；
[0027]图10示意性描述根据一个实施例包括带有突起的抽吸面的环形箔片上部的侧截面，突起具有通道；
[0028]图11示意性描述根据一个实施例具有图10的环形箔片形式的喷射器的混合器-喷射器流体涡轮机的立体图；
[0029]图12示意性描述根据一个实施例具有向外的混合器凸瓣的单个混合器罩流体涡轮机的立体图，混合器凸瓣包括改进为具有增加弧度的后部；
[0030]图13示意性描述图12的混合器罩流体涡轮机的侧截面图；
[0031]图14示意性描述根据一个实施例具有向外的混合器凸瓣的单个混合器罩流体涡轮机的立体图，每个混合器凸瓣包括压力面的突起；
[0032]图15示意性描述图14的流体涡轮机的侧截面图。
【具体实施方式】
[0033]本发明的实施例涉及流体涡轮机罩(例如，风力涡轮机罩、水力涡轮机罩、水轮机罩等)和包括该罩的流体涡轮机，流体涡轮机罩包括具有改进的后缘部分的环形流体箔片(例如，环形翼型件、环形水翼件)，该改进的后缘部分通过增加流体动力循环而增加经过环形流体箔片的流量，并且不会引起箔片抽吸侧上的流动分离。环形流体箔片也称为环形的流体箔片或环形箔片，其为至少部分环绕中心轴的结构，并且当由包括中心轴的平面切开时，其具有上横截面流体箔片轮廓和下横截面流体箔片轮廓。示例性实施例包括流体涡轮机罩、具有单个罩的罩式流体涡轮机，以及包括多个罩的罩式流体涡轮机。在一些实施例中，环形箔片压力面上的陡直形突起增加了环形箔片的流动转向和流体动力循环。如本文所使用的，词语“陡直形”指非流线型形状，其必然地产生该形状尾部的非层流区域。在一些实施例中，箔片的陡直形后部是环形箔片后部的钝形后表面和增加曲率的弧线的形式，箔片的陡直形后部增加了环形箔片的流动转向和流体动力循环。如本文所使用的，“钝形后表面”或“钝形后缘”指不同的表面，其在环形箔片的后部处将箔片的压力面与箔片的抽吸面分开。
[0034]虽然本文描述的几个实施例涉及风、风力涡轮机和翼型件，其构思同样适用其他类型的流体涡轮机的其它类型的流体箔片，诸如具有环形水翼件的水力涡轮机或水轮机等。因此，本领域技术人员考虑到本发明，应理解本文描述的各个实施例中的词语流体、水或水力可由空气或风力代替，并且词语箔片或水翼件可由翼型件代替，反之亦然。
[0035]在罩式流体涡轮机中，一个或多个罩用于增加经过流体涡轮机的流量。罩包括具有抽吸侧(例如高速侧)和压力侧(例如低速侧)的环形箔片(例如翼型件或水翼件)，抽吸侧面对流体涡轮机的中心旋转轴，压力侧背离中心轴。通过使环形箔片下游的流体流动转向为远离中心轴，环形箔片吸收经过涡轮机转子的附加流体，增加由流体涡轮机获取的功率。为进一步增加箔片下游的流体流动转向，并进一步增加流经流体涡轮机的流体涡轮机吸收量，可增加箔片的冲角和/或增大箔片的弧度。遗憾的是，箔片冲角的显著增加和/或箔片弧度的显著增加会导致失速。在流体力学领域中，术语“失速”是指发生流动分离的情况。在流动分离中，紧紧围绕箔片表面流动的流体(即，边界层流)开始与表面分离并变为湍流(即，产生旋涡和涡系)，这通常会增加阻力并减少转向箔片下游的流动。一些实施例包括具有在后部改进轮廓的环形箔片，用于增加转向箔片下游的流体，而不会在环形箔片的抽吸侧产生边界分离。
[0036]流经箔片的流体在箔片和流体上都会产生气动或水力的力。垂直于流体流动方向的箔片上气动或水力的力分量称为升力，而平行于流体流动方向的箔片上气动或水力的力分量称为阻力。箔片具有抽吸侧和压力侧。对于很多箔片，压力面和抽吸面由弯曲的前缘和尖锐的后缘连接，意味着压力侧和抽吸侧在后缘相交并没有通过后缘处的附加表面分离。箔片的弧线在一端处剖开后缘并延伸至前缘的顶点。由于箔片的存在，流经箔片的流体偏向可描述为转向并沿着弯曲路径的流体流动。气动或水力循环是流动转向的结果，并且通常由箔片抽吸侧上的流动分离限制。
[0037]Kutta-Jouko wski定理描述了围绕任何封闭表面的流体循环。该循环引起翼型件上的升力并增加通过罩式流体涡轮机的流体流动。该定理确定了由封闭体中的一个跨度单元产生的升力并阐述了当循环量gamma ∞ 已知时，柱体的每单位跨度的升力(或L’ )可由下述公式计算:
[0038]V=P ^V00 gamma ∞ 公式 I
[0039]其中P ?和V00是柱体上游远处的流体密度和流体速度，而gamma ∞是由公式2中的线积分限定的循环量:
【权利要求】
1.一种用在能量获取流体涡轮机中的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，包括: 抽吸面，其面朝所述环形流体箔片的中心纵向轴线； 压力面，其与所述抽吸面相对；以及 陡直形突起，其位于所述环形流体箔片的后部，所述陡直形突起从所述压力面向外且远离所述环形流体箔片的非突起部分的弦延伸。
2.根据权利要求1所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述环形流体箔片的侧 向截面具有所述陡直形突起的纵向轴线，该纵向轴线相对于所述环形流体箔片的非突起部分的弦成85度至120度之间的角度取向。
3.根据权利要求2所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述环形流体箔片的侧向截面具有所述陡直形突起的纵向轴线，该纵向轴线大约垂直于所述环形流体箔片的非突起部分的弦取向。
4.根据权利要求1所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述陡直形突起的高度是弦长度的0.5%至30%之间。
5.根据权利要求4所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述陡直形突起的高度是弦长度的1%至10%之间。
6.根据权利要求1所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述陡直形突起具有能够在所述陆直形突起的下游且接近所述陆直形突起处产生反向旋转的一对流体涡系的形状。
7.根据权利要求6所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，在所述陡直形突起的下游且接近所述陡直形突起处产生的所述反向旋转的一对流体涡系使来自所述抽吸面的流动流偏转远离所述中心轴线。
8.根据权利要求7所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起处产生所述反向旋转的一对流体涡系，而不存在所述抽吸面上的边界层流动分离。
9.根据权利要求1所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述陡直形突起限定从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.根据权利要求9所述的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，其中，所述通道包括至少部分地将所述陡直形突起和所述环形流体箔片的非突起部分分离的狭槽。
11.一种能量获取流体涡轮机,包括: 转子，其能够围绕中心纵向轴线旋转；以及 环形流体箔片，其具有所述转子下游处的后缘，所述环形流体箔片包括: 抽吸面，其面朝所述中心轴线； 压力面，其与所述抽吸面相对；以及 陡直形突起，其位于所述环形流体箔片的后部，所述陡直形突起从所述压力面向外且远离所述环形流体箔片的非突起部分的弦延伸。
12.根据权利要求11所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述环形流体箔片的侧向截面具有所述陡直形突起的纵向轴线，该纵向轴线相对于所述环形流体箔片的非突起部分的弦成85度至120度之间的角度取向。
13.根据权利要求11所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述陡直形突起的高度是弦长度的0.5%至30%之间。
14.根据权利要求13所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述陡直形突起的高度是弦长度的1%至10%之间。
15.根据权利要求11所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述陡直形突起具有能够在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起处产生反向旋转的一对流体涡系的形状。
16.根据权利要求15所述的能量获取流体涡轮机，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起处产生的所述反向旋转的一对流体涡系使来自所述抽吸面的流动流偏转远离所述中心轴线。
17.根据权利要求16所述的能量获取流体涡轮机，其中，在所述陡直形突起下游且接近所述陡直形突起处产生所述反向旋转的一对流体涡系，而不存在所述抽吸面上的边界层流动分离。
18.根据权利要求11所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述陡直形突起限定从所述突起的前表面向所述突起的后表面延伸的通道。
19.根据权利要求18所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述通道包括至少部分地将所述陡直形突起和所述环形流体箔片的非突起部分分离的狭槽。
20.根据权利要求11所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述环形流体箔片是喷射器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述喷射器罩上游处的混合器罩。
21.根据权利要求11 所述的能量获取流体涡轮机，其中，所述环形流体箔片是混合器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述混合器罩下游处的喷射器罩。
22.—种用在能量获取流体涡轮机中的具有空气动力性轮廓的环形流体箔片，包括: 抽吸面，其面朝所述环形流体箔片的中心轴线；以及 压力面，其与所述抽吸面相对，所述压力面和所述抽吸面由所述环形流体箔片后部处的钝形表面接合，所述环形流体箔片具有带中弧线的截面构型，该中弧线在所述后部比在所述环形流体箔片的前部具有更大的曲率。
23.根据权利要求22所述的环形流体箔片，其中，所述钝形表面和所述构型能够在所述后部下游且接近所述后部处形成反向旋转的涡系，其使来自所述抽吸面的流动流偏转远离所述中心轴线。
24.根据权利要求23所述的环形流体箔片，其中，来自所述抽吸面的流动流被偏转远离所述中心轴线，而不存在所述抽吸面上的边界层分离。
25.根据权利要求22所述的环形流体箔片，其中，所述中弧线在所述后部的曲率是所述中弧线在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之间。
26.一种能量获取流体涡轮机，包括: 转子，其能够围绕中心轴线旋转；以及 环形流体箔片，其具有所述转子下游处的后缘，所述环形流体箔片包括: 抽吸面，其面朝所述中心轴线；以及 压力面，其与所述抽吸面相对，所述压力面和所述抽吸面由所述环形流体箔片后部处的钝形表面接合，所述环形流体箔片具有带中弧线的截面构型，该中弧线在所述后部比在所述环形流体箔片的前部具有更大的曲率。
27.根据权利要求26所述的流体涡轮机，其中，所述钝形表面和所述构型能够在所述后部下游且接近所述后部处形成反向旋转的涡系，其使来自所述抽吸面的流动流偏转远离所述中心轴线。
28.根据权利要求26所述的流体涡轮机，其中，所述中弧线在所述后部的曲率是所述中弧线在所述前部的曲率的1.5倍至2.5倍之间。
29.根据权利要求26所述的流体涡轮机，其中，所述环形流体箔片是喷射器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述喷射器罩上游处的混合器罩。
30.根据权利要求26所述的流体涡轮机，其中，所述环形流体箔片是混合器罩，并且所述流体涡轮机还包括在所述混合器罩下游处的喷射器罩。
【文档编号】F03D1/04GK104011376SQ201280062361
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年10月22日 优先权日:2011年10月20日
【发明者】W·M·普雷兹, M·J·威尔, E·达姆鲁皮纳 申请人:奥金公司