專利名稱：用于風(fēng)能渦輪轉(zhuǎn)子的葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)能渦輪轉(zhuǎn)子的葉片，并且尤其涉及一種在經(jīng)受氣流時(shí)影響葉片周圍的空氣動(dòng)力邊界層的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
提高風(fēng)能渦輪的整體性能的一個(gè)方法是改進(jìn)轉(zhuǎn)子葉片的空氣動(dòng)力特性。轉(zhuǎn)子葉片的空氣動(dòng)力性能受到葉片根部和端部的不希望產(chǎn)生的渦流以及葉片上、下表面的過(guò)渡線的位置的限制，沿著這些過(guò)渡線氣流從層流變?yōu)辇S流，并不再能用于作用在葉片上的空氣動(dòng)力提升作用。尤其是，根部和端部的渦流是不利的，不僅是就空氣動(dòng)力性能而言，而且也是就風(fēng)場(chǎng)中不希望的噪聲的產(chǎn)生和影響鄰近風(fēng)能渦輪的齋流屏蔽而言。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種用于風(fēng)能渦輪轉(zhuǎn)子的葉片。葉片包括相對(duì)的上、下表面，連接上、下表面的相對(duì)的前緣和后緣，產(chǎn)生壓縮空氣的裝置，以及至少一個(gè)空氣出口孔，該空氣出口孔與壓縮空氣產(chǎn)生裝置流體連通并且至少布置在上表面、下表面和后緣中的一者上從而將壓縮空氣排到上表面、下表面、前緣和后緣中的至少一者的周圍的空氣中。
另一方面，提供了一種影響風(fēng)能渦輪的轉(zhuǎn)子葉片周圍的空氣流動(dòng)的方法。該方法包括將壓縮空氣從至少一個(gè)空氣出口孔排出并且排到沿轉(zhuǎn)子葉片流動(dòng)的氣流的邊界層中。


圖1示出了風(fēng)能渦輪的總圖，該風(fēng)能渦輪具有用于排出壓縮空氣射流的空氣出口孔的轉(zhuǎn)子葉片，圖2以較大比例示出了轉(zhuǎn)子葉片的端部，來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的壓縮空氣產(chǎn)生裝置的基本結(jié)構(gòu)特征，圖3示出了沿轉(zhuǎn)子葉片的前緣方向在其端部處的視圖，
圖4示出了沒有按照根據(jù)本發(fā)明的建議配備空氣出口孔的情況下，風(fēng)能渦輪的轉(zhuǎn)子葉片的橫截面圖，以及圖5示出了具有空氣出口孔的風(fēng)能渦輪的轉(zhuǎn)子葉片的橫截面圖，該空氣出口孔用于朝著葉片的前緣方向?qū)⑦^(guò)渡從層流轉(zhuǎn)變成齋流。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于排出壓縮空氣的至少一個(gè)出口孔布置在相對(duì)的上、下表面和/或葉片的后緣中的至少一者上，沿該后緣連接葉片的上、下表面，就象沿葉片前緣那樣。利用產(chǎn)生壓縮空氣的裝置產(chǎn)生壓縮空氣。借助于風(fēng)扇或類似裝置，或通過(guò)接收葉片在工作過(guò)程中經(jīng)受的空氣氣流的空氣，并且通過(guò)至少一個(gè)出口孔釋放該空氣作為壓縮空氣，該裝置可操作為產(chǎn)生壓縮空氣的主動(dòng)或被動(dòng)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)出口孔布置在例如轉(zhuǎn)子葉片的端部處，且布置在轉(zhuǎn)子葉片的受沿表面流動(dòng)的空氣的吸入影響的表面中。圍繞著端部，在吸入側(cè)和葉片周圍的壓力側(cè)之間有空氣動(dòng)力捷徑。該捷徑和風(fēng)能渦輪的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)一起引起三維渦流的產(chǎn)生，該渦流則減小作用在葉片端部的空氣動(dòng)力升力。由于壓縮空氣噴向端部，就會(huì)阻止在端部周圍產(chǎn)生渦流并且使該渦流從端部移開，從而端部的空氣動(dòng)力性能增強(qiáng)。對(duì)風(fēng)能渦輪的葉片的根部也同樣如此，也會(huì)產(chǎn)生三維渦流。此外，將這至少一個(gè)出口孔或多個(gè)出口孔布置在葉片的頂端或頂面，并朝葉片的后緣噴射壓縮空氣，這樣會(huì)引起層流和齋流之間的分隔線朝后緣移動(dòng)，這對(duì)于空氣動(dòng)力用途來(lái)說(shuō)則會(huì)形成更有效使用的葉片表面。
因此，本發(fā)明的一方面涉及沿著葉片表面向著葉片周圍的空氣動(dòng)力邊界層區(qū)域的空氣射流的分布和方向，在該區(qū)域產(chǎn)生了渦流和/或齋流，這樣，葉片的總表面尺寸的能夠用作空氣動(dòng)力用途的百分比增加，使轉(zhuǎn)子葉片的空氣動(dòng)力性能更有效率。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，壓縮空氣產(chǎn)生裝置包括至少一個(gè)布置在葉片的前緣或布置在葉片或轉(zhuǎn)子的另一位置處的空氣進(jìn)口孔?？諝膺M(jìn)口孔與這至少一個(gè)空氣出口孔流體連通。作為可選的，壓縮空氣產(chǎn)生裝置包括多個(gè)布置在前緣處并且與葉片的這至少一個(gè)空氣出口孔或多個(gè)空氣出口孔流體連通的空氣進(jìn)口孔。空氣進(jìn)口孔和每個(gè)空氣出口孔的流體連通能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)流體管道來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了改善這至少一個(gè)空氣進(jìn)口孔的進(jìn)氣性能，壓縮空氣產(chǎn)生裝置還可以包括收集器，該收集器例如為狹窄通道，提供一個(gè)文丘里效應(yīng)作用在進(jìn)入空氣上以向其提供壓力。
此外，配備有用于控制從一個(gè)空氣出口孔或多個(gè)出口孔排出的壓縮空氣的特定流速和特定相對(duì)壓力的控制裝置，例如流量閥，擋板，流量調(diào)節(jié)器，流動(dòng)隔板，柔性彈性管道等。借助于該控制裝置，有利地，可選擇地關(guān)閉空氣出口孔的單個(gè)孔，這取決于圍繞葉片流動(dòng)的空氣氣流。
本發(fā)明的另一方面，壓縮空氣產(chǎn)生裝置包括將壓縮空氣吹出這至少一個(gè)空氣出口孔的風(fēng)扇。該風(fēng)扇能夠經(jīng)由布置在葉片前緣，或者布置在葉片或轉(zhuǎn)子的另一位置處的空氣進(jìn)口孔而進(jìn)氣。另一方面，除前述的主動(dòng)壓縮空氣產(chǎn)生裝置之外，風(fēng)扇也配置作為壓縮空氣產(chǎn)生裝置的一個(gè)元件。風(fēng)扇的出口孔能夠可選地進(jìn)行開啟或關(guān)閉，從而將由風(fēng)扇產(chǎn)生的壓縮空氣加到從被動(dòng)壓縮空氣產(chǎn)生裝置的空氣進(jìn)口孔產(chǎn)生的壓縮空氣的氣流中。
此外，壓縮空氣通過(guò)至少一個(gè)空氣出口孔排出，為了產(chǎn)生特定的空氣出口孔射流張開形態(tài)，或在特定渦流方向產(chǎn)生特定量的射流渦流，該空氣出口孔的特征為，具有至少一個(gè)終端或至少一個(gè)噴嘴形狀。
如上所述，本發(fā)明可應(yīng)用到作用型和反作用型的風(fēng)能渦輪中，也就是可應(yīng)用到具有水平或豎直旋轉(zhuǎn)軸線的風(fēng)能渦輪中。更具體地，圖1示出了具有根據(jù)一個(gè)實(shí)施例設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)能渦輪10的整體結(jié)構(gòu)。風(fēng)能渦輪10包括具有軸心14的轉(zhuǎn)子12，三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片16從該軸心14沿徑向延伸。在可替換的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)目，能夠多于或少于三個(gè)。轉(zhuǎn)子12布置在風(fēng)能渦輪10的機(jī)艙上(未示出)，該機(jī)艙由塔架18支承。機(jī)艙能夠圍繞一個(gè)豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，轉(zhuǎn)子12圍繞一個(gè)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，圖1的風(fēng)能渦輪10是作用型的。然而，本發(fā)明也能應(yīng)用到反作用型的風(fēng)能渦輪的轉(zhuǎn)子上。
每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片16都包括一個(gè)上表面20和一個(gè)相對(duì)的下表面22(在圖1中未示出，但在圖3至圖5中繪出了)，相對(duì)于轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動(dòng)方向28的一個(gè)前緣24以及一個(gè)相對(duì)的后緣26。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片16還包括一個(gè)根部30以及葉片16的徑向端部32，葉片16通過(guò)該根部30與軸心14連接。從圖1可以看出，出口孔40、42和44的分叉組34、36和38布置在每個(gè)葉片16的上表面20上。在可替換的實(shí)施例中，葉片16可以是多于或少于三組并且每組可以包括多于和少于圖1中所繪出的孔的數(shù)量。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，組34、36和38和孔40、42和44可以與圖1中所繪出的布置不同。
在圖2和圖3中更詳細(xì)地示出了在葉片16的端部32處的組34的空氣出口孔40的布置。從圖3可以看出，在葉片16的端部32處有布置在葉片16的前緣24中的空氣進(jìn)口孔46。然而，需要注意的是，該空氣進(jìn)口孔46也可以布置在前緣24的不同部分中?？諝膺M(jìn)口孔46與每個(gè)空氣出口孔40流體連通，在圖2中用通道48示出，單個(gè)流體導(dǎo)管從該通道48延伸，通向單個(gè)空氣出口孔40。作為可替換地，所有的空氣出口孔40都能布置在一個(gè)公共空氣通道內(nèi)。尤其從圖3可以看出，空氣進(jìn)口孔40被引導(dǎo)到葉片16的端部32上。在轉(zhuǎn)子12的工作過(guò)程中，空氣通過(guò)空氣進(jìn)口孔46進(jìn)入端部32并且被引導(dǎo)著通過(guò)流體管道50，并如圖3中的箭頭52所示流出空氣出口孔40。單個(gè)空氣氣流52防止葉片16的端部32周圍的渦流的產(chǎn)生，從而端部32周圍的上、下表面20和22的空氣氣流更成層流化，并且，因此，能夠有效地用作空氣動(dòng)力升力。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在空氣進(jìn)口孔46處布置一個(gè)文丘里收集器54來(lái)改善空氣進(jìn)氣性能和對(duì)通過(guò)孔引入的空氣的壓縮。經(jīng)由該變窄通道結(jié)構(gòu)空氣被推入通道48內(nèi)，就改善空氣的壓縮。
在一個(gè)實(shí)施例中，選擇性地關(guān)閉和開啟單個(gè)空氣出口孔。因此，如圖2所示，布置多個(gè)與每個(gè)空氣出口孔40相關(guān)的閥56。在一個(gè)實(shí)施例中，用一個(gè)控制單元58控制閥56。
此外，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片16包括風(fēng)扇60，該風(fēng)扇布置在轉(zhuǎn)子葉片16內(nèi)、或軸心14內(nèi)、或風(fēng)能渦輪10的內(nèi)部或外部的任何其它位置中的一者中，用來(lái)產(chǎn)生引導(dǎo)到空氣出口孔40中的主動(dòng)空氣氣流。控制風(fēng)扇60和關(guān)/開擋板62的控制單元在圖2的實(shí)施例中也控制閥56。當(dāng)然還需要注意，在沒有風(fēng)扇60的情況下，由空氣進(jìn)口孔56和空氣出口孔40連同通道48和流體管道50構(gòu)成的壓縮空氣產(chǎn)生裝置64也能夠工作。
如圖2和圖3所示，用于將壓縮空氣排出空氣出口孔40的內(nèi)部流體連通系統(tǒng)與主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)的組合相關(guān)。在沒有風(fēng)扇等的情況下，被動(dòng)型流體連通系統(tǒng)包括位于進(jìn)口孔46和出口孔40之間的流體連通；而主動(dòng)型流體連通系統(tǒng)包括與空氣進(jìn)口孔46和出口孔40流體連通的裝電動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇。不考慮主動(dòng)或被動(dòng)型流體連通系統(tǒng)，在一個(gè)實(shí)施例中，將出口孔40設(shè)計(jì)成噴嘴，以象空氣噴射一樣噴射壓縮空氣。
沿著葉片16的上表面20且垂直于轉(zhuǎn)子葉片16所經(jīng)受的氣流，從空氣出口孔40噴出壓縮空氣射流52，通過(guò)這種壓縮空氣射流52，減少和/或阻止在轉(zhuǎn)子葉片16的端部32產(chǎn)生渦流。將圖1的空氣出口孔42布置在上表面20中，距離后緣26比距離前緣24更近，通過(guò)這種空氣出口孔42，可能沿葉片16朝著它的后緣26，將過(guò)渡從層流轉(zhuǎn)移成齋流。在圖4和圖5中描述了該現(xiàn)象。在圖4中示出了沒有出口孔46時(shí)的正常狀態(tài)。作為層流的氣流66沿上表面20和下表面22向上流到層流變?yōu)辇S流的過(guò)渡68、70。圖5示出了借助于空氣出口孔42，壓縮空氣射流72沿上表面20噴向后緣28，從而上表面20處的過(guò)渡68朝著后緣26向后轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致用作空氣動(dòng)力提升的表面積百分比增加。
在葉片16的前緣24中布置附加空氣進(jìn)口孔(未示出)，和/或由風(fēng)扇60或配備在風(fēng)能渦輪10中的另一風(fēng)扇主動(dòng)產(chǎn)生空氣，通過(guò)這些方式，能夠吸入通過(guò)空氣出口孔42而噴出的空氣。
葉片16的根部30處的空氣出口孔44可進(jìn)行與圖4和圖5所示的、通過(guò)空氣出口孔42的過(guò)渡的轉(zhuǎn)移類似的操作。
盡管根據(jù)各個(gè)具體實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)可以做出各種修改來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
零件明細(xì)表


權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)能渦輪(10)的轉(zhuǎn)子(12)的葉片(16)，所述葉片包括相對(duì)的上、下表面(20，22)；連接所述上、下表面的相對(duì)的前緣和后緣(24，26)；產(chǎn)生壓縮空氣的裝置(64)；以及至少一個(gè)空氣出口孔(40)，其與所述壓縮空氣產(chǎn)生裝置流體連通并且至少布置在所述上表面、所述下表面和所述后緣中的一者上，從而將壓縮空氣排到所述上、下表面和所述前緣、后緣中的至少一者的周圍的空氣中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(16)，還包括布置在所述前緣、后緣(24，26)的端部處的根部(30)和端部(32)，所述至少一個(gè)空氣出口孔(40)布置在所述根部和所述端部中的至少一者的所述上、下表面(20，22)中的至少一者上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(16)，其中，所述壓縮空氣產(chǎn)生裝置(64)包括至少一個(gè)布置在所述前緣(24)上并且與所述至少一個(gè)空氣出口孔(40)流體連通的空氣進(jìn)口孔(46)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片(16)，其中，有多個(gè)空氣出口孔(40)，每個(gè)所述出口孔通過(guò)至少一個(gè)流體管道(50)與所述至少一個(gè)空氣進(jìn)口孔(46)流體連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片(16)，其中，所述壓縮空氣產(chǎn)生裝置(64)還包括一個(gè)布置在所述至少一個(gè)空氣進(jìn)口孔(46)處的收集器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片(16)，其中，所述壓縮空氣產(chǎn)生裝置(64)還包括一個(gè)布置在所述至少一個(gè)空氣進(jìn)口孔(46)處的收集器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(16)，其中，所述壓縮空氣產(chǎn)生裝置(64)包括用于將壓縮空氣從所述至少一個(gè)空氣出口孔(40)吹出的風(fēng)扇(60)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片(16)，其中，所述風(fēng)扇(60)的出口與所述至少一個(gè)空氣出口孔(40)流體連通，并且其中，為用所述風(fēng)扇吸入空氣而配置所述風(fēng)扇的進(jìn)口孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片(16)，其中，所述風(fēng)扇(60)的所述進(jìn)口孔與壓縮空氣產(chǎn)生裝置(64)的所述至少一個(gè)空氣進(jìn)口孔(46)中的至少一個(gè)流體連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的葉片(16)，其中，所述風(fēng)扇(60)的出口與所述至少一個(gè)空氣出口孔(40)流體連通，并且其中，為用所述風(fēng)扇吸入空氣配置所述風(fēng)扇的進(jìn)口孔。
全文摘要
一種用于風(fēng)能渦輪(10)的轉(zhuǎn)子(12)的葉片(16)包括相對(duì)的上、下表面(20，22)，連接上、下表面的相對(duì)的前緣和后緣(24，26)，產(chǎn)生壓縮空氣的裝置(64)，以及至少一個(gè)空氣出口孔(40)，該空氣出口孔(40)與壓縮空氣產(chǎn)生裝置流體連通并且至少布置在上表面、下表面和后緣中的一者上，從而將壓縮空氣排到上、下表面和前緣、后緣中的至少一者的周圍的空氣中。
文檔編號(hào)F03D11/00GK1955459SQ20061014953
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者L·博內(nèi) 申請(qǐng)人:通用電氣公司