[发明专利]用于利用马格努斯效应的涡轮机的旋转叶片主体，且所述涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向

说明书

技术领域

本发明涉及用于利用马格努斯效应的涡轮机的旋转叶片主体，且所述涡轮机的旋转轴线平行于运动流体(motor fluid)的方向。

更具体地说，本发明涉及叶片主体的构造技术的定义，所述叶片主体利用相对于它们的纵向轴线的旋转运动激励，安装在液力和风力轴向涡轮机中，该涡轮机根据已知为马格努斯效应的动力效应操作。

背景技术

在本文中，利用表达方式轴向涡轮机，它表示旋转轴线平行于运动流体的方向的涡轮机。

如公知的，在旋转圆柱体相对于它的纵向轴线的自转与在垂直于所述纵向轴线的方向上撞击所述圆柱体的流体流之间存在相关性。这种相关性1852年被马格努斯第一次描述，为此原因，它称为马格努斯效应。

这个相关性在圆柱体的横向裙部上通过称为“升力”的力被突出，该力沿着垂直于流体流的流线的方向，并且根据圆柱体的旋转方向，相对于所述流在顺时针或逆时针方向上旋转；更具体地说，当所述圆柱体逆时针旋转时，所述力在顺时针方向上旋转，而当所述圆柱体顺时针旋转时，所述力在逆时针方向上旋转。

定量地，圆柱体的每单位长度的升力L的模量(以N/m表示)由Kutta-Joukowski的方程给出，并且等于流体的密度ρ(以kg/m3表示)、流体丝条的渐近速度V0(以m/s表示)，即，在流体丝条未受干扰地移动的情况下流体丝条的速度，以及回路(以m2/s表示)的乘积。

在方程中，如果圆柱体具有半径R(以m表示)，由于马格努斯效应所致的升力由以下关系决定：

L＝ρ·V0·Γ＝ρ·V0·2π·ω·R2＝2π·ρ·V0·(ω·R2)

这个关系与截面的形状相关，即，对于任何截面它是有效的，截面意思为沿着穿过旋转体的旋转轴线的剖面的旋转体的轮廓。

转让给Instituut vor Aero-Hydro-en Dinamiek，发明人是Anton Flettner的美国专利第1,674,169号描述了马格努斯效应的若干可能的应用，尤其是作为船只的帆和风力发电机的叶片，并且提供旋转体的多种可替代实施方式，尤其是包括圆柱体形状(在专利中，示出了若干船只配备圆柱形的旋转体所构成的帆，但是也示出了风力发电机，该风力发电机的旋转轴线平行于风的方向，其中，每个叶片主体由圆形横截面的四个圆柱体形成，并且其直径从轮毂朝向端部增大)，椭圆形状(仅在涉及船只的图中提及，而没有描述其特性)以及由两个截锥部分构成的形状，所述两个截锥部分由圆柱形部分相互连接(在该情况下，也没有任何规定这些部分之间的特定尺寸关系的描述)。参照风力发电机，其中，涡轮机叶轮的直径和叶片主体的直径之间的比率，也成为纵横比L/D等于23。

基于这个第一个专利以及其他随后的专利，Flettner在1000吨的吨位的船只上安装有两个马格努斯效应旋转圆柱体，直径为2.75m并且15m高，由两个大约40kW的电动机驱动，750圈/min自转，并且离开Hamburg(1926年3月31日)进行其处女航，并且到达纽约(1926年5月9日)(A.Flettner,“Mein Weg Zum Rotor”1926)。

在1927年，Flettner设计了具有四个马格努斯效应圆柱体的轴向涡轮机，以给柏林的无线电站的发电厂供电。

在美国专利第4,366,386号中，TF Hanson提出轴向风力涡轮机，具有三个圆柱形叶片主体，该叶片主体根据马格努斯效应起作用。在这种情况下，纵横比L/D等于15。

1985年，J.Cousteau以与Flettner的转子船(rotoship)相同的方式为其远洋船配备了由他拥有的专利所产生的变型。

欧洲专利N.886728描述了一种涡轮机叶片，其中，称为“手征性的”主体围绕其纵向轴线旋转，该纵向轴线围绕中心动力轴轮毂径向定位，呈现出称为“球茎形状”的大体形式。这些球茎形状的叶片主体的轮廓没有限定，即，旨在改善球茎状叶片的工程设计，这些球茎形状的叶片主体的描述缺少支持与轮廓的选择相关的流体动力学方面的优点的实现方式的几何基准。

此外，在欧洲专利第886728号中，它陈述了叶片主体的最优几何结构是通过实验模型的数值模拟由计算机提供的数据，并且将空气动力学和机械需求考虑进去而推导出的。这意味着，不时地开始CFD(计算流体动力学)的特定分析，这提供了非常复杂的计算工具，由于在真实流体的情况下，粘性介入到计算中，这会改变升力和曳力的系数。