[发明专利]旋转式流体动力学实用结构

说明书

技术领域

本发明一般性地涉及应用于旋转式叶片的旋转式流体动力学实用结构，且特别涉及一种在先前叶片设计上应用五项改进从而增加效率的旋转式流体动力学实用结构。

背景技术

对于现有技术中旋转式叶片横截面(翼面轮廓(airfoil profiles))的设计的一项研究表明，只有一宽类(broad class)轮廓是使用于遍及(水平轴的)风车涡轮叶片、飞机推进器、直升机旋翼等工业中。作为参考，这种宽类形应该被称为“B类(Class-B)旋转式实用叶片结构”，下文都将这样对其定义。

一叶片由多个基础翼面(elemental airfoil)5组成，例如，各自具有指定轮廓的许多横截面部件共同构成该叶片。这些部件横穿叶片长度的尺寸、形状和角度通常不同，因此为叶片提供了一扭转，但是它们的形状或轮廓典型地是不变的。

现有技术中翼面轮廓的示例在图1-6A中给出。注意：此处以基础翼面轮廓对叶片的所有描述都是叶片的横截面视图，其自旋转的中心向外，且旋转轴是垂直的，即使实际上旋转轴在所有情况下均是水平的。图1A、1B和1C示出了国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，简称NREL)S-系列翼面轮廓的三个例子，其中直线是翼弦2。图2A示出了NASA、NACA和“Wartman”变形(Wartman variation)。图2A中的虚线示出了在NASA 0417和“Wartman”尾部截面上的凹陷区。图2B和2C是现有技术中翼面轮廓的其他示例。这些翼面轮廓被用于风车涡轮旋翼和飞机推进器中。图3A和3B示出了两个示例，其中的轮廓被典型的用于推进器和风车的叶片，一个轮廓通常是靠近叶片的尖端的，如图3A所示；且第二轮廓靠近轮毂，如图3B所示。在图3A和3B中，叶片螺旋(blade spin)3的方向指明了与空气阻力4的相遇方向。

图4是一基础翼面轮廓5的示例，其基于飞机机翼成型，且典型地以多种变形使用于水平轴涡轮的风车工业中。X-X平面平行于叶片旋转的平面，所描述的翼面5是在其长度上任一点的横截面。Y-Y平面平行于风6的方向，风6是入射在涡轮叶片上且垂直于X-X平面。

为了研究，撞击到叶片上的风的第一少数力矩，在叶片角度为位于旋转平面X-X上的冲击角度时被捕获。角度Φ是翼弦2和X-X平面之间的叶片角度，且在叶片旋转时，作为基础翼面冲击旋转平面上空气的角度。因为该轮廓具有曲率，所以该翼弦2用作一般性角度Φ的参考。角度θ是Y-Y平面和翼弦2之间的角度，且当冲击的角度垂直于旋转平面时，其作为入射风6在叶片上的特定点撞击叶片的角度。为研究这个特别示例，P-Q线与翼弦2成直角被插入，以描述翼面头部的前面14、翼面头部的背面7和翼面头部10。

入射风6在翼面5的背面7产生两个相反的向量：(1)旋转叶片的一向量分量8，以及(2)抵抗该旋转的一向量分量9。进一步地，由于翼面头部10的相对厚度的形状和尺寸，对于翼弦2的长度，翼面头部10的背面7和前面14均相对空气20提供了阻力表面区，因此在向量8的反向产生一相对向量分量13。

翼弦2可以被定义为一虚构线，描述翼面的翼前缘15和它的翼后缘16之间的最短距离。翼弦2在减小角度φ的叶片上产生螺旋时，以及研究轮廓时可用作一可用参考。

翼面5的前面14典型地是略微凸起的，但是朝向翼面头部10方向逐渐变得更加凸起。翼面5的背面7比前面14更加凸起。有时候，如图1A、1B和1C所示，翼面5的前面14朝向翼面尾部17略微凸起，且在图1A和1C中，翼面5的前面14比背面7更加凸起(用于风车的NREL系列)。

翼面5的瞬时方向3垂直于风6的方向。当入射风慢下来或停止时，翼面5产生一正升力18，其具有一相对于叶片的旋转的向量分量19，且产生了一前向推力，因此，当风速变化时，降低了叶片的效率。

在现有技术中，翼面的翼前缘15典型地向前指向翼弦2的角度。