[发明专利]空气动力学结构的主动循环控制

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力学结构的主动循环控制。更具体地，本发明 涉及用于例如风力涡轮机叶片或燃气涡轮机叶片的空气动力学结构 的主动循环控制，相比较不具有主动循环控制的相同叶片而言，通过 使用经由合成射流或脉冲射流的非稳定或振荡流来改善升力、流旋转 特征，或非设计工况的处理。

背景技术

现在参考图13，如横截面中所见，翼型件或翼面件200具有机翼 或叶片(螺旋桨、转子或涡轮机的)或帆的外形。与翼型件200相关的 一些用语将得到描述。翼型件200的中弧线206是在上表面202和下 表面204中间画的线。弦线208是在中弧线206的末端处连接翼型件 200的前缘210和后缘212的直线。弦长214是弦线208的长度，并 且是翼剖面的基准尺寸。最大厚度216和最大厚度的位置通常以弦长 214的百分率表示。同样地，最大弯度218和最大弯度的位置通常以 弦长214的百分率表示。对于对称的翼型件，中弧线206和弦线208 经过翼型件200的重心并接近翼型件200的前缘210和后缘212。空 气动力学中心是弦向长度，变桨力矩关于该弦向长度独立于升力系数 和攻角220，攻角220是弦线208和表示翼型件200和空气(以箭头表 示)之间相对运动的矢量之间的角度。压力中心是弦向位置，变桨力矩 关于该弦向位置为零。

移动通过流体的翼型状主体产生垂直于运动的称为升力的力。亚 音速飞行翼型件具有特征性形状，该形状带倒圆前缘，前缘后接着尖 锐的后缘，并常具有不对称的曲面。设计成以水作为工作流体的翼型 件也被称为水翼。

固定翼飞机的机翼，水平的和垂直的稳定器建造成具有翼型状的 横截面，与直升机转子叶片一样。翼型件也可在螺旋桨、风扇、压缩 机和涡轮机中发现。帆也是翼型件，并且帆船的水下表面(例如活动船 板和龙骨)在横截面方面是相似的，且以与翼型件相同的原理工作。会 游泳和飞行的动物、甚至许多植物和固着生物都使用翼型件；常见的 例子是：鸟的翅膀、鱼的身体和海胆的形状。翼型状翼可在汽车或其 它机动车辆上产生向下的力，从而改善牵引。

流体射流将其自身附着到邻近表面上并保持附着的效应最初被 Henri Marie Coandǎ发现，该效应以他的名字命名。“Coandǎ效应” 不仅能将自由射流附着到表面上，而且能够使切线射流通过并保持附 着到高度弯曲的壁上。该效应产生非常强的周围流体夹带 (entrainment)，而不管外部流体是移动还是静止，并且明显地降低射流 下的表面静压力。二维情况下流从曲面分离的点可通过射流喷吹动量 (blowing momentum)来控制。该效应的详细物理原理仍然并未被完全 理解。

Coandǎ效应在飞机上的各种高升力装置中具有重要的应用，其中 在机翼上移动的空气可使用拍打和吹过机翼顶部曲面的喷射平面(jet sheet)而朝着地面“向下弯曲”。流的弯曲导致其加速，并且作为牛顿 第三定律的结果压力降低，空气动力学升力增加。来自安装在机翼上 方的吊舱中的高速喷气式发动机的流通过急剧地增加边界层中剪切 流中的速度梯度而产生增强的升力。在此速度梯度中，微粒被从表面 上吹开，因此降低了那里的压力。

该效应在美国空军AMST项目期间第一次在实践意义进行实施。 几架飞机，特别是波音YC-14(利用该效应的首个现代型号)已经被建 造来利用此效应，其通过在机翼的顶部安装涡轮风扇以便即使在低飞 行速度下也提供高速空气，但迄今为止，将此系统使用到主要程度并 投入生产的唯一飞机是安东诺夫An-72“煤船”。麦道YC-15和它的 继承者波音C-17全球霸王III也使用该效应，尽管只使用到实质上少 得多的程度。NOTAR直升机用Coandǎ效应尾部替代了传统的螺旋桨 尾旋翼。

Coandǎ效应的一个重要实际用途是用于倾斜的水电屏板(screen)， 其将碎片、鱼等分开，否则它们将在输入中流向涡轮机。由于泥浆、 碎片从屏板落下而无需机械清除，并且由于优化Coandǎ效应的屏板 的金属线，水流过屏板到达将水引向涡轮机的压力水管。Coandǎ效应 也用来制造汽车的挡风玻璃清洗器，该清洗器没有移动部件而起作 用，并同时用来产生气动逻辑回路。