葉片導(dǎo)流器的制造方法
【專利摘要】一種翼型葉片組件，包括葉片，該葉片包括一提升產(chǎn)生段，該提升產(chǎn)生段具有在壓力面與吸力面之間限定的第一異型體。該第一異型體從第一前緣延伸到第一尾緣，且該第一異型體具有從第一前緣延伸到第一尾緣并垂直于徑向方向的第一弦。至少一個(gè)導(dǎo)流器在葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著壓力面或吸力面延伸。所述至少一個(gè)導(dǎo)流器限定在第二前緣與第二尾緣之間延伸的第二異型體，且第二異型體具有在第二前緣與第二尾緣之間延伸的第二弦。第二異型體限定與相應(yīng)的壓力面或吸力面相背離的外表面，導(dǎo)流器沿著該外表面延伸。
【專利說明】葉片導(dǎo)流器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)主張對(duì)于2014年11月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/909，733號(hào)的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)的內(nèi)容通過援弓I納入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開涉及葉片。更具體地說，本公開涉及結(jié)合有導(dǎo)流器(flow deflector)的葉片。
【背景技術(shù)】
[0004]風(fēng)力禍輪機(jī)產(chǎn)生與其葉片的掃掠面積(sweptarea)以及在任何給定時(shí)間經(jīng)過葉片的氣流的量成比例的功率(power，動(dòng)力)。在風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造期間，會(huì)考慮如轉(zhuǎn)子直徑、葉片長(zhǎng)度和負(fù)載極限等多種設(shè)計(jì)選擇。在低風(fēng)力下，較長(zhǎng)的葉片會(huì)產(chǎn)生更大的能量。然而，較長(zhǎng)的葉片需要更多的材料、更高的加工和運(yùn)輸費(fèi)用、更大且更為結(jié)實(shí)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)來支撐較長(zhǎng)的葉片所增加的重量，并且由于較長(zhǎng)的葉片在高風(fēng)速下可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的損壞程度，因此還需要用于在高風(fēng)力情況下防止可能對(duì)渦輪機(jī)造成損壞的自動(dòng)防故障系統(tǒng)(failsafe system)。
[0005]相反地，使用較短的葉片具有其自身固有的缺陷。例如，在低風(fēng)力下，較短的葉片可能不具有足夠的表面積來產(chǎn)生足以使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，從而不能產(chǎn)生功率。
[0006]無論(葉片)大小如何，由于氣流所產(chǎn)生的各種不同性質(zhì)，導(dǎo)致所有的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的總體效率都受限制。由于運(yùn)轉(zhuǎn)期間葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，至少一部分沖擊葉片的氣流被轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)于從根部朝向葉片末端的葉片長(zhǎng)度的徑向運(yùn)動(dòng)分量。圖1闡示了一種標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力渦輪機(jī)10，其具有支撐著轂14的桅柱(mast)12，多個(gè)葉片16通過轂14被支撐。由于渦輪機(jī)汲取能量而使風(fēng)力必然減慢，因此受到禍輪影響的大部分空氣形成流管(stream tube)。在渦輪處被引導(dǎo)的風(fēng)W將具有由環(huán)形18所示的初始區(qū)域。隨著風(fēng)W到達(dá)葉片16，氣流具有兩個(gè)分量，即軸向流Wa和徑向流Wr，而風(fēng)的流場(chǎng)的面積因沿流管的質(zhì)量流率守恒而徑向擴(kuò)展，如環(huán)形20所示。由于尾跡(wake)中的壓力必須在因經(jīng)過轉(zhuǎn)子盤而經(jīng)歷的壓降之后返回到大氣壓，因此(風(fēng)的)流場(chǎng)繼續(xù)徑向向下擴(kuò)展，如環(huán)形22處增大的面積所示?；趧?dòng)量守恒，這一徑向流Wr會(huì)從風(fēng)所產(chǎn)生的可用的總力中產(chǎn)生徑向力，因此使渦輪機(jī)的效率降低。這種徑向力對(duì)于轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的任何轉(zhuǎn)矩或功率并無貢獻(xiàn)。
[0007]本公開解決了由傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的這些問題和其它類似的問題。其通過重新定向徑向流Wr而使葉片能夠?qū)⒉糠謴较蛄D(zhuǎn)變?yōu)榍邢蛄?，從而使得由渦輪機(jī)汲取的轉(zhuǎn)矩和功率增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在至少一個(gè)實(shí)施例中，本公開描述了一種翼型葉片組件，該翼型葉片組件包括從根部沿徑向朝末端延伸的葉片。該葉片包括一提升產(chǎn)生段(lift generat1n sect1n)，該提升產(chǎn)生段具有限定在壓力面與吸力面之間的第一異型體(profiled body，輪廓體)。該第一異型體從第一前緣延伸到第一尾緣，且該第一異型體具有從第一前緣延伸到第一尾緣并且垂直于徑向方向的第一弦(chord)。至少一個(gè)導(dǎo)流器在葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著壓力面或吸力面延伸。上述至少一個(gè)導(dǎo)流器限定了在第二前緣與第二尾緣之間延伸的第二異型體，且該第二異型體具有在第二前緣與第二尾緣之間延伸的第二弦。該第二異型體限定了與相應(yīng)的壓力面或吸力面相背離的一外表面，導(dǎo)流器沿著該外表面延伸。
[0009]在至少一個(gè)實(shí)施例中，本公開描述了一種風(fēng)力渦輪機(jī)組件，該風(fēng)力渦輪機(jī)組件包括:轂，配置成沿一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)；以及多個(gè)葉片組件，連接到轂組件，并且包括連接到這些葉片的導(dǎo)流器。這些導(dǎo)流器被配置成用以改變?nèi)肷錃饬?incident airflow)從而沿旋轉(zhuǎn)的方向產(chǎn)生附加的力，進(jìn)而產(chǎn)生附加的功率。這些導(dǎo)流器并不局限于風(fēng)力渦輪機(jī)，而是可以設(shè)置到在例如直升機(jī)、水輪機(jī)、飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和工業(yè)渦輪機(jī)等多種應(yīng)用中使用的葉片上。
【附圖說明】
[0010]現(xiàn)將參照下列附圖來描述多個(gè)實(shí)施例，在附圖中相同附圖標(biāo)記表示相同部件，并且其中:
[0011]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的示例以及該風(fēng)力渦輪機(jī)附近的對(duì)應(yīng)的典型氣流的立體圖。
[0012]圖2是具有包含根據(jù)本公開的一實(shí)施例的導(dǎo)流器的葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)的示例的立體圖。
[0013]圖3是根據(jù)本公開的一實(shí)施例的包含導(dǎo)流器的葉片的示例的立體圖。
[0014]圖4是沿著圖3中的線4-4的剖視圖。
[0015]圖5是沿著圖3中的線5-5的剖視圖。
[0016]圖6是圖3的葉片的一部分的俯視平面圖。
[0017]圖7是根據(jù)本公開的一實(shí)施例的包含導(dǎo)流器的葉片并闡示其上的合力的俯視平面圖。
[0018]圖8是根據(jù)本公開的一實(shí)施例的包含導(dǎo)流器的另一葉片并闡示其上的合力的俯視平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本公開并不局限于特定的系統(tǒng)、設(shè)備和方法，因?yàn)檫@些因素可能改變。在說明書中所用的術(shù)語的作用僅在于描述特定的變型或?qū)嵤├?，而非旨在限制其范圍?br>[0020]本文中所用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包含復(fù)數(shù)的引述，除非上下文中另有具體說明。若非另有限定，這里使用的所有技術(shù)或科學(xué)用語均具有與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常的理解相同的意義。本文中所用的用語“包括”是指“包括、但并不局限于”。
[0021]本公開涉及設(shè)置在葉片的壓力面或吸力面上的導(dǎo)流器(deflector)。這里將結(jié)合風(fēng)力渦輪機(jī)來描述葉片，但是本公開并不局限于此，而是該導(dǎo)流器可以設(shè)置在例如直升機(jī)、水輪機(jī)、飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和工業(yè)渦輪機(jī)等多種應(yīng)用中使用的葉片上。
[0022]參照?qǐng)D2至圖6，現(xiàn)將描述根據(jù)本公開的一實(shí)施例的包含導(dǎo)流器50的葉片30。葉片30被闡示為安置在風(fēng)力渦輪機(jī)10的轂14上，且轂14由桅柱12支撐。轂14和葉片30繞旋轉(zhuǎn)軸線AR旋轉(zhuǎn)。每個(gè)葉片30沿著徑向軸線RA從根部40徑向延伸到末端42。每個(gè)葉片30通常包括三段，即根部段32、傳輸段36以及提升產(chǎn)生段34。根部段32將葉片30連接到轂14。提升產(chǎn)生段34距離轂14最遠(yuǎn)并且包括在壓力面39與吸力面38之間延伸的異型體37。該異型體37在前緣31與尾緣33之間延伸。從前緣31到尾緣33限定一弦35，并且弦35垂直于徑向軸線RA。弦35具有長(zhǎng)度L，并且異型體37具有高度H。
[0023]在提升產(chǎn)生段34內(nèi)沿著壓力面39、吸力面38或者壓力面39和吸力面38兩者設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流器50、50 ’。導(dǎo)流器50、50 ’可被設(shè)置為靠近前緣31、尾緣33或者兩者之間的任一位置。在所示實(shí)施例中，沿著每個(gè)葉片30的吸力面38設(shè)置一對(duì)導(dǎo)流器50，而沿著每個(gè)葉片30的壓力面39設(shè)置一單個(gè)導(dǎo)流器50’。導(dǎo)流器50、50’的數(shù)量和位置并不局限于所示出的實(shí)施例，而是可以基于葉片30的構(gòu)造和工作環(huán)境來選擇。導(dǎo)流器50、50’可以與葉片30—體成型，或者可以單獨(dú)成型并連接到其上。例如，導(dǎo)流器50、50’可以利用厚度約為微米級(jí)的航天雙面膠帶或者利用小型平頭鉚釘連接到葉片30而使拖拉阻力最小化。還可以利用多種其它連接機(jī)構(gòu)。此外，導(dǎo)流器50、50’可以在葉片30的最初制造期間沿著表面設(shè)置，或者可通過改造裝配(retro-fit)的方式連接到現(xiàn)有的葉片30。此外，導(dǎo)流器50、50’可被可調(diào)節(jié)地安置，使其位置和取向可以被調(diào)節(jié)成符合當(dāng)前的操作條件(例如，更多或更少的風(fēng))。
[0024]每個(gè)導(dǎo)流器50、50’均具有異型體52，該異型體52從前緣51延伸到尾緣53。從前緣51到尾緣53限定一弦55，且該弦55垂直于徑向軸線RA或者與徑向軸線RA成角度α，如后文所述。弦55具有長(zhǎng)度I，并且異型體52具有高度h和寬度W。每個(gè)異型體52具有外表面54和接觸表面56、56 ’，并且限定一流線型體，例如平板或薄翼型。導(dǎo)流器50、50 ’大體上延伸為使其延伸超出溢出葉片30上的邊界層流。
[0025]導(dǎo)流器50、50’可以具有與葉片30成比例的尺寸。例如，導(dǎo)流器可以具有弦長(zhǎng)I，該弦長(zhǎng)I為葉片弦長(zhǎng)L的1/8至I倍之間，且更優(yōu)選地為長(zhǎng)度L的1/4到1/2之間。并且，導(dǎo)流器可以具有高度h，該高度h為葉片高度H的1/10至I倍之間，且更優(yōu)選地為高度H的1/8到1/2之間。并且，導(dǎo)流器的寬度w還可以與葉片30的弦長(zhǎng)L成比例，且該寬度w為葉片弦長(zhǎng)L的大約1-10%之間。應(yīng)理解的是，如果超過一個(gè)導(dǎo)流器50、50’安置在葉片30上，則導(dǎo)流器50、50’可具有不同的構(gòu)造。例如，吸力面導(dǎo)流器50可以具有與壓力側(cè)導(dǎo)流器50’不同的尺寸，然而也存在這樣的可能:多個(gè)吸力面導(dǎo)流器50或多個(gè)吸入壓力導(dǎo)流器50’之間的構(gòu)造可具有差異。
[0026]參照?qǐng)D6，每個(gè)導(dǎo)流器50、50’可設(shè)置成相對(duì)于葉片30成角度α。更具體地說，每個(gè)導(dǎo)流器的弦55可以相對(duì)于葉片30的弦35成角度α。該角度α可以介于大約-5°到45°之間，且更優(yōu)選地介于0°到15°之間。如果多個(gè)導(dǎo)流器50、50’沿著任一表面38、39被設(shè)置，則它們可以成不同的角度α。導(dǎo)流器50、50’沿徑向軸線RA的方向彼此間隔距離D。在一給定表面上且在多個(gè)表面之間，導(dǎo)流器50、50’之間的該距離D可變化。如一個(gè)示例所述，該距離D可等于弦長(zhǎng)L0
[0027]參照?qǐng)D7和圖8，現(xiàn)將描述通過導(dǎo)流器50、50’的合成增大效率的圖示說明。圖7示出由具有導(dǎo)流器50的葉片30生成的力矩M+MD1以及力FT+FD1。由導(dǎo)流器貢獻(xiàn)于渦輪機(jī)葉片的附加力是Fd1。此力產(chǎn)生附加力矩Md1，該力矩為渦輪機(jī)生成的總功率做出貢獻(xiàn)。圖8示出具有導(dǎo)流器50的面內(nèi)彎曲的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片30’。提升產(chǎn)生段36’的構(gòu)造與圖7中的葉片的構(gòu)造不同。具有導(dǎo)流器50的葉片的這種構(gòu)造產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩MD2，該轉(zhuǎn)矩Md2為所產(chǎn)生的功率做出貢獻(xiàn)，這是由于導(dǎo)流器50產(chǎn)生的正交力Fd2所致。
[0028]將導(dǎo)流器50、50’集成到現(xiàn)有渦輪機(jī)上，或者將它們的設(shè)計(jì)合并到新渦輪機(jī)中，將會(huì)提高渦輪機(jī)的整體效率。導(dǎo)流器可以作為被動(dòng)流量控制器，而不需要任何額外的控制或監(jiān)控設(shè)備。通過將導(dǎo)流器引入到沿著葉片長(zhǎng)度的若干位置，進(jìn)入氣流的速度的徑向分量可被重新定向而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩量，從而增大渦輪機(jī)所產(chǎn)生的總功率。
[0029]通過上述說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將易見本發(fā)明的這些和其它優(yōu)勢(shì)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會(huì)的是，在不背離本發(fā)明的寬泛的創(chuàng)造性理念的情況下，可對(duì)上述實(shí)施例做出改變或修改。因此應(yīng)理解的是，本發(fā)明并不局限于本文所述的特殊實(shí)施例，而是旨在包括在如權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍和精神中的所有改變和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種翼型葉片組件，包括: 葉片，從根部沿徑向朝末端延伸，所述葉片包括提升產(chǎn)生段，所述提升產(chǎn)生段具有限定在壓力面與吸力面之間的第一異型體，所述第一異型體從第一前緣延伸到第一尾緣，并且所述第一異型體具有從所述第一前緣延伸到所述第一尾緣并且垂直于徑向方向的第一弦；以及 至少一個(gè)導(dǎo)流器，在所述葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著所述壓力面或所述吸力面延伸，所述至少一個(gè)導(dǎo)流器限定在第二前緣與第二尾緣之間延伸的第二異型體，所述第二異型體具有在所述第二前緣與所述第二尾緣之間延伸的第二弦，所述第二異型體限定與相應(yīng)的壓力面或吸力面相背離的外表面，所述導(dǎo)流器沿著所述外表面延伸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述第二弦相對(duì)于所述第一弦成介于-5°至|J45°之間的角度α。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述第二弦相對(duì)于所述第一弦成介于0°至|J15°之間的角度α。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中多個(gè)導(dǎo)流器在所述葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著所述壓力面或所述吸力面延伸。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的翼型葉片組件，其中所述多個(gè)導(dǎo)流器彼此間隔一給定距離。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的翼型葉片組件，其中所述給定距離等于所述第一弦的長(zhǎng)度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中至少一個(gè)導(dǎo)流器在所述葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著所述壓力面延伸，并且至少一個(gè)導(dǎo)流器在所述葉片的提升產(chǎn)生段內(nèi)沿著所述吸力面延伸。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器沿著所述葉片被設(shè)置在所述第一前緣與所述第一尾緣之間。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述第一異型體具有第一高度，而所述第二異型體具有第二高度，并且其中所述第二高度介于所述第一高度的1/10至I倍之間。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述第一異型體具有第一高度，而所述第二異型體具有第二高度，并且其中所述第二高度介于所述第一高度的1/8至1/2之間。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述第二異型體的寬度等于所述第一弦的長(zhǎng)度的大約1-10%。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器與所述第一異型體一體形成。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器與所述第一異型體分開地形成并且連接到所述第一異型體。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器利用航天雙面膠帶連接到所述第一異型體。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器利用平頭鉚釘連接到所述第一異型體。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述至少一個(gè)導(dǎo)流器被可調(diào)節(jié)地連接到所述異型體。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼型葉片組件，其中所述葉片具有面內(nèi)彎曲的構(gòu)造。18.—種渦輪機(jī)組件，包括: 轂，配置成用以沿旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)； 多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片組件，連接到轂組件， 其中多個(gè)導(dǎo)流器被配置成用以改變?nèi)肷錃饬?，從而沿旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生附加力，以及產(chǎn)生附加功率。
【文檔編號(hào)】F01D5/14GK105940189SQ201480074236
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2014年11月26日
【發(fā)明人】F·J·迪茨-加里亞斯, A·V·瓦克羅
【申請(qǐng)人】新澤西魯特格斯州立大學(xué)