[发明专利]具有混合的叶片加载的涡轮机叶片

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月27日提交的美国临时申请序列号No.61/490841的优先权，该美国临时申请整体通过引用合并在此。

技术领域

本发明涉及具有特定结构的涡轮机转子叶片，并且涉及并入这种叶片的具有壳体的涡轮机。更具体地，本发明的转子叶片设计包括非均匀加载（也称为“不对称加载”或“不平衡加载”）。

背景技术

水平轴涡轮机（HAWT）通常包括在中央毂处结合的两个至五个具有叶片的转子。常规的HAWT叶片一般被设计成在叶片的功率提取区域上提供基本上均匀的叶片加载。用于预测和评价叶片性能的一种通用数学工具是叶片元素理论（BET）。BET把叶片看作一组组成元素（也称为“站”）。每个组成元素可以由在相对于旋转轴线的径向位置（r）处的叶片的径向剖面（称为翼型）和元素的宽度（dr）限定。应用BET分析，均匀的叶片加载可以被特征化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素在操作过程中具有相同的压差（Δp）。注意其中，ρ是流体密度，P是功率并且是质量流率。倘若流体密度通常是恒定的，压差可以被假定为与功率除以质量流率成比例。因此，均匀的叶片加载通常也可以被特征化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素呈现相同的每质量流率提取的功率。注意到常规的HAWT叶片还可以包括一个或多个非功率提取区域。例如，常规的HAWT叶片通常例如在叶片的末梢和/或根部处渐缩，以减小涡。接近叶片的末梢和/或根部的这种渐缩的区域或以其它方式最少加载的区域被认为是用于本发明目的的非功率提取区域。

站通常被设计/构造以便最大化叶片上的功率提取，同时保持恒定的每质量流率提取的功率。质量流率被限定为其中，ρ是流体密度，υ是流动速度并且A是流动面积（“转子扫及面积”）。用于每个站的流动面积可以被计算为A=2πrdr。注意到站流动面积作为影响质量流率的径向位置的函数增大。因此，用于每个站的翼型通常被设计用以在考虑不同的质量流率的同时保持均匀的加载。可以被调节以确保针对不同质量流率的均匀加载的参数包括节距（也称为“冲角”）和/或翼型形状，例如通过弦长、最大厚度（有时表达为弦长的百分比）、平均脊线和/或类似参数表征。用于常规均匀加载的HAWT叶片的翼型通常朝向根部比朝向末梢呈现更长的弦长和更大的节距以考虑朝向末梢更高的质量流率（注意到针对常规不具有壳体的HAWT，在转子平面的中央处的流体速度和在转子平面的周边处的流体速度之差很小）。

最近的开发工作已看到具有壳体的涡轮机的实施，例如用以减小边缘涡的影响和/或增大流体流速。被授权为美国专利No.8021100的美国专利申请序列号No.12/054050中已经描述了具有壳体的混合器-喷射器风力涡轮机的一个例子，该美国专利申请的全部内容合并在此。用于功率提取的具有壳体的涡轮机的开发仍然在其初始期。因此，需要新的和改进的叶片设计和优化以在具有壳体的涡轮机环境中工作。这些和其它需要通过本发明得以解决。

发明内容

本发明涉及具有非均匀叶片加载特征的新颖的涡轮机叶片设计。本发明还涉及用于利用非均匀加载的涡轮机叶片的系统和方法以及用于制造非均匀加载的涡轮机叶片的方法。非均匀叶片加载教导偏离行业常规并且在利用非一致流动分布方面尤其有用，例如，诸如可以由壳体形成的非一致流动分布。事实上，如在这里认识到的，非均匀加载的叶片尤其在具有壳体的涡轮机环境或在转子平面上的流体流速非一致的其它涡轮机环境中相对于常规均匀加载的叶片可以提供特别的优点，例如，更大的功率提取和/或更大的效率。

在示例性实施方式中，公开了一种非均匀加载的涡轮机叶片，其包括能够用于从流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提取的功率通常大于向流体流动增加的功率，产生从叶片提取的净功率。在一种实施方式中，非均匀加载的涡轮机叶片可以被设计成沿着其长度的70%-80%从流体流提取功率，同时沿着其长度的20%-30%向流体流增加功率。在流体流中功率的产生可以有利地致使高速流体流动的局部喷射，其提供沿着叶片的长度尾涡和梢涡的分配混合。

本领域技术人员将容易认识到本发明的非均匀加载的转子叶片可以结合包括至少部分地具有壳体的涡轮机在内的众多涡轮机使用。