带有具有襟翼的环形翼护罩的风力涡轮的制造方法
【专利摘要】一种环形翼，其带有宽大的前缘区域、中间区域、包括襟翼的尾缘区域。当使用膜中间表面来形成翼的一部分中间区域时，与刚性的尾缘区域结合的环形结构的前缘区域提供足够的刚性以支撑尾缘区域上的襟翼，所述刚性的尾缘区域具有在其与环形结构的前缘区域之间延伸的中间离散支撑部分。
【专利说明】带有具有襟翼的环形翼护罩的风力涡轮机 [0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请分别要求于2012年4月5日提交的美国临时申请序列No. 61/620792和于 2013年2月12日提交的美国临时申请序列No. 61/763805的优先权，其公开内容通过引用 整体合并于此。
【背景技术】
[0003] 本发明涉及环形翼的【技术领域】，并且更特别地，涉及包括独特翼特性的护罩式涡 轮机。更具体地，本发明教授的为针对改进的环形翼的实施例，所述改进的环形翼提供用于 在维持性能同时减少侧向载荷和减少材料的使用的减小的横截面积。带有与大致的弯曲平 面表面接合的结构前缘的翼常见于轻型飞机和帆船领域。弯曲平面表面定义为具有大致平 行于下表面的上表面的那些。与带有在上表面和下表面之间连续变化的距离的翼的横截面 积相比，这种翼具有减小的横截面积。用于发电机设备的公用级风力涡轮机具有包括转子 的一至五个开放式叶片。转子将风能转换成驱动至少一个发电机的转矩，所述发电机直接 地或通过传输装置可旋转地联结至转子以将机械能转化成电能。
[0004] 在美国专利申请序列No. 12/054050中已经描述了一种护罩式风力涡轮机，其公 开内容通过引用整体合并于此。
【发明内容】
[0005] 本发明教授的实施例涉及一种带有横截面的环形翼，其横截面包括前缘部分（带 有在上下表面之间变化的距离）、对称区域（关于穿过所述对称区域的弦线具有对称性，其 中，在一种实施例中上表面大致平行于下表面）以及尾缘区域（在尾缘上设置有大致垂直 于翼的弦线的襟翼）。与传统翼相比，在这种翼的尾缘上设置襟翼进一步减小了翼的横截面 积。
[0006] 当襟翼垂直于由此产生的翼的弦线设置时，中间对称区域中缺乏支撑结构将不允 许襟翼发挥作用。这样的在弯曲平面表面的尾缘上的襟翼将会弯曲，直到襟翼不能对越过 翼的流动产生任何影响。在本发明教授的一种实施例中，襟翼的定向相对于环形翼的弦线 可以是固定的。例如，在一种实施例中，环形翼可包括为襟翼提供足够结构的刚性尾缘，所 述襟翼大致地垂直于翼的弦设置。
[0007] 在一种实施例中，披露了一种空气动力学外形的环形翼。绕中心轴线周向地延伸 的主体具有由外表面和内表面形成的空气动力学结构。外表面和内表面沿弧线相对于中 心轴线轴向地延伸。主体包括前缘区域、尾缘区域以及在前缘区域和尾缘区域之间延伸的 中间区域。前缘区域具有沿由主体的外表面和内表面限定的弧线延伸的不均匀的横截面厚 度。尾缘区域包括从其延伸并相对于主体的弦线成角度定向的襟翼，以允许流体流沿内表 面流动来保持依附在内表面。
[0008] 在一种示例的实施例中，披露了一种能量提取护罩式流体涡轮机，其包括能量提 取总成和翼。能量提取总成包括绕中心轴线径向地设置的转子。翼具有绕中心轴线周向地 延伸的主体。主体具有由外表面和内表面形成的空气动力学结构。外表面和内表面沿弧线 关于中心轴线轴向地延伸。主体包括前缘区域、尾缘区域以及在前缘区域和尾缘区域之间 延伸的中间区域。前缘区域具有沿由主体的外表面和内表面限定的弧线延伸的不均匀的横 截面厚度。尾缘区域包括从其延伸并相对于主体的弦线成角度定向的襟翼，以允许流体流 沿内表面流动来保持依附在内表面。
[0009] 在一些实施例中，襟翼从尾缘区域垂直于弦线延伸，具有弦线长度的约十分之一 至约三分之一的长度，并且/或者包括允许流体流过襟翼的至少一个穿孔。
[0010] 在一些实施例中，襟翼从翼的尾缘延伸。
[0011] 在一些实施例中，襟翼在第一环形结构和第二环形结构之间延伸，第一和第二环 形结构向襟翼提供环向强度。
[0012] 在一些实施例中，第一环形结构向主体的尾缘区域提供环向强度。
[0013] 在一些实施例中，中间区域包括在前缘区域与尾缘区域之间延伸的至少一个中间 支撑部分。在一些实施例中，中间支撑部分由刚性材料构成，并且/或者具有沿由主体的外 表面和内表面限定的中弧线延伸的均匀的横截面厚度。
[0014] 在一些实施例中，中间区域包括在前缘区域与尾缘区域之间延伸的至少一个中间 膜部分。在一些实施例中，中间膜部分具有沿由主体的外表面和内表面限定的中弧线延伸 的均匀的横截面厚度，并且/或者由非刚性材料构成。
[0015] 在一些实施例中，中间支撑部分向中间膜部分提供结构支撑。
[0016] 实施例的任何结合或变换都是可以预想的。其它目的和特征从以下结合附图考虑 的详细说明将会变得显而易见。然而应该理解的是，附图仅作为示例说明而设计，并不作为 本发明的范围的限定。
[0017] 简要说明
[0018] 本发明涉及一种环形翼，其具有在前缘和尾缘处带有刚性部分的独特的翼截面形 状，提供支撑膜中间部分并顾及到尾缘襟翼的环向强度。在一些实施例中，结合刚性结构部 分和非刚性膜部分可用来形成示例性的环形翼（为在翼的尾缘处控制边界层和为相比于 传统的环形翼的通过所述环形翼的中心增加的吸力提供）。这种翼提供了在产生引起环形 翼内部相比于翼外部的压力差的空气动力循环时，使用轻量材料的方法。
[0019] 在一种实施例中，环形翼围绕护罩式流体涡轮机的转子和发电设备。流体涡轮机 可具有单一护罩，或可包括多重护罩。护罩通常由可包括涡轮机护罩和喷射护罩的环形翼 组成。
[0020] 在一种实施例中，涡轮机护罩覆盖转子并包括在环形翼的尾缘处的混合元件（与 提供混合-喷射泵的喷射护罩流体流流体连通）。护罩产生在涡轮机护罩的内侧上引起吸 力的空气动力循环，并且所述护罩是与混合-喷射泵结合的紧密结合系统的一部分，其允 许相比于无护罩式设计通过涡轮机转子的更多的空气的加速，从而增加可由转子提取的能 量的量。
[0021] 在流体动力学领域，术语"失速"指流体流分离发生的条件。也就是说，紧密地围 绕翼流动的流体开始从表面分离并变为湍流。本文所教授的实施例基于只有混合器的实施 例和混合-喷射涡轮机实施例。本领域的技术人员会意识到本发明的示例性实施例可容易 地应用于包括任何数量的管道式或护罩式流体涡轮机应用的任何环形翼。只有混合器的实 施例和混合-喷射涡轮机实施例的描述不旨在限制本发明的范围，其仅仅是为了便于说明 本发明的示例实施例。通过混合涡轮机和/或混合-喷射涡轮机（MET)可以基本上防止气 流从空气动力表面的分离，以有利地维持涡轮机的效率并有利地缓和扩压器失速。
[0022] Kutta-Joukowski定理描述了任何封闭表面周围的循环。所述循环引起升力并增 加通过护罩式涡轮机的气流。所述定理确定由封闭体内一个单位范围所产生的升力并说明 当环量Γ ~为已知时，柱体的每单位范围的升力L(或L'）可使用下式计算：
[0023] Lj = P ^V00 Γ ^
[0024] 公式 1
[0025] 这里P 和V00分别为柱体的远上游的流体密度和流体速度。环量Γ "在下式中 定义为线性积分：
【权利要求】
1. 一种空气动力学地成形的环形翼，其包括： 主体，其绕中心轴线周向地延伸，具有由外表面和内表面形成的空气动力学结构，所述 外表面和内表面沿弧线相对于中心轴线轴向地延伸，所述主体包括前缘区域、尾缘区域以 及在前缘区域与尾缘区域之间延伸的中间区域； 前缘区域，其具有沿着由主体的外表面和内表面限定的弧线延伸的非均匀的截面厚 度；以及 尾缘区域，其包括从其延伸并且相对于主体的弦线成角度定向的襟翼，以允许流体流 沿内表面流动来保持依附在内表面。
2. 根据权利要求1所述的翼，其中，襟翼从尾缘区域垂直于弦线延伸。
3. 根据权利要求1所述的翼，其中，襟翼的长度为弦线长度的约十分之一至约三分之 〇
4. 根据权利要求1所述的翼，其中，襟翼包括至少一个穿孔以允许流体流过襟翼。
5. 根据权利要求1所述的翼，其中，襟翼从翼的尾缘延伸。
6. 根据权利要求1所述的翼，其中，襟翼在第一环形结构与第二环形结构之间延伸，第 一环形结构和第二环形结构向襟翼提供环向强度。
7. 根据权利要求6所述的翼，其中，第一环形结构向主体的尾缘区域提供环向强度。
8. 根据权利要求1所述的翼，其中，中间区域包括在前缘区域与尾缘区域之间延伸的 至少一个中间支撑部分。
9. 根据权利要求8所述的翼，其中，中间支撑部分由刚性材料组成。
10. 根据权利要求8所述的翼，其中，中间支撑部分具有沿中弧线延伸的均匀的截面厚 度，所述中弧线由主体的外表面和内表面限定。
11. 根据权利要求8所述的翼，其中，中间区域包括在前缘区域与尾缘区域之间延伸的 至少一个中间膜部分。
12. 根据权利要求11所述的翼，其中，中间膜部分具有沿中弧线延伸的均匀的截面厚 度，所述中弧线由主体的外表面和内表面限定。
13. 根据权利要求11所述的翼，其中，中间区域由非刚性材料组成。
14. 根据权利要求11所述的翼，其中，中间支撑部分向中间膜部分提供结构性支撑。
15. -种能量提取护罩式流体涡轮机，其包括： 能量提取总成，其包括绕中心轴线径向地设置的转子；以及 翼，其具有绕中心轴线周向地延伸的主体，主体具有由外表面和内表面形成的空气动 力结构，外表面和内表面沿弧线相对于中心轴线轴向地延伸，主体包括前缘区域、尾缘区域 以及在所述前缘区域与尾缘区域之间延伸的中间区域； 前缘区域具有沿弧线延伸的非均匀的截面厚度，所述弧线由主体的外表面和内表面限 定；以及 尾缘区域包括从其延伸并相对于主体的弦线成角度定向的襟翼，以允许流体流沿内表 面流动来保持依附在内表面。
16. 根据权利要求15所述的流体涡轮机，其中，襟翼从尾缘区域垂直于弦线延伸。
17. 根据权利要求15所述的流体涡轮机，其中，襟翼的长度为弦线长度的约十分之一 至约三分之一。
18. 根据权利要求16所述的流体涡轮机，其中，襟翼包括至少一个穿孔以允许流体流 过襟翼。
19. 根据权利要求15所述的流体涡轮机，其中，襟翼从翼的尾缘区域延伸，襟翼在第一 环形结构与第二环形结构之间延伸，第一环形结构和第二环形结构向襟翼提供环向强度， 并且第一环形结构向主体的尾缘区域提供环向强度。
20. 根据权利要求15所述的流体涡轮机，其中，中间区域包括由刚性材料组成的至少 一个中间支撑部分和由非刚性材料组成的至少一个中间膜部分，中间支撑部分和中间膜部 分在前缘区域与尾缘区域之间延伸。
21. 根据权利要求20所述的流体涡轮机，其中，至少中间支撑部分或中间膜部分之一 具有沿中弧线延伸的均匀截面厚度，所述中弧线由主体的外表面和内表面限定。
【文档编号】F03D1/04GK104334872SQ201380027360
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年4月5日 优先权日:2012年4月5日
【发明者】W·M·小普雷兹, M·J·威尔, R·H·多尔德, E·达姆鲁皮纳 申请人:奥金公司