渦輪葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及渦輪發(fā)電領(lǐng)域中的葉片的外形。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的渦輪葉片聯(lián)接到能源生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)組件，其中，能源生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)組件可以是渦輪轉(zhuǎn)子，當(dāng)移動(dòng)流體(流體可包括液體和/或氣體)與葉片的形狀相互作用時(shí)，形成用于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的扭矩。葉片的獨(dú)特形狀將決定產(chǎn)生多大扭矩，因而決定可從移動(dòng)流體中提取多大能量。旋轉(zhuǎn)軸線的取向也將影響移動(dòng)流體將如何與葉片相互作用?？舍槍?duì)特定應(yīng)用和包括空氣和水的流體類(lèi)型來(lái)優(yōu)化葉片形狀。
[0003]渦輪轉(zhuǎn)子(特別地，垂直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)(VAWT))的普及由于在沒(méi)有外力幫助的情況下難于啟動(dòng)并且VAWT容易動(dòng)態(tài)失速而受阻。每當(dāng)一個(gè)或更多個(gè)葉片經(jīng)歷動(dòng)態(tài)失速狀況時(shí)，VAWT發(fā)電的能力降低。因此，期望避免動(dòng)態(tài)失速狀況或至少將動(dòng)態(tài)失速狀況減至最少。轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)歷的VAWT動(dòng)態(tài)失速狀況是動(dòng)態(tài)的，因?yàn)槿~片可轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出在葉片繞著其垂直旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)失速狀況所在的區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片繞著垂直旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)歷動(dòng)態(tài)失速狀況所在的區(qū)域被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)失速區(qū)域”。
[0004]US 201110236181 A1公開(kāi)了垂直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)包括上下轉(zhuǎn)子葉片和上下軸承組件。水平構(gòu)件將上轉(zhuǎn)子葉片連接到上軸承組件，并且下葉片將上轉(zhuǎn)子葉片連接到下軸承組件。上轉(zhuǎn)子葉片可垂直地或非垂直地布置。在非垂直布置中，上轉(zhuǎn)子葉片可以是扭曲的或以筆直方式向后傾斜的。渦輪機(jī)可以是自支承的，需要連接軸承組件的連續(xù)垂直軸。掃掠射流激勵(lì)器被裝在轉(zhuǎn)子葉片中，用于將震蕩的空氣射流傳遞到轉(zhuǎn)子葉片表面，以延遲動(dòng)態(tài)失速的發(fā)生。葉片中的管道可將承壓的空氣流傳遞到激勵(lì)器。渦輪機(jī)可由能僅僅對(duì)葉片組件施加水平力和/或升力的結(jié)構(gòu)支承，以減小下軸承上的負(fù)荷。
[0005]Mobley, Benedict(2013)的“Fundamental Understanding of the Physicsof Small-Scale Vertical Axis Wind Turbine with Dynamic Blade Pitching:AnExperimental and Computat1nal Approach, 54th AIM/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics and Materials Conference (對(duì)具有動(dòng)態(tài)葉片俯仰的小型垂直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)理解:實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，第54屆AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料會(huì)議)，2013年4月8-11日，馬塞諸瑟州波士頓市，2013-1553。本論文公開(kāi)了為了研究利用動(dòng)態(tài)葉片俯仰的小型(VAWT)的性能而進(jìn)行的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)和計(jì)算(CFD)研究。CFD分析表明，葉片在圓形軌跡的前半部中提取了所有電力，但在后半部中的損失了功率。這種現(xiàn)象的一個(gè)關(guān)鍵原因是因彎曲部如何噴射而引起的大有效彎度和傾角，大有效彎度和傾角略微增強(qiáng)了前半部中的功率提取，但增加了后半部中的功率損失。已發(fā)現(xiàn)，由于因大迎角和高反彎度造成的后半部中的大量葉片失速，導(dǎo)致被研究的固定俯仰的渦輪機(jī)還表現(xiàn)出比可變俯仰的渦輪機(jī)低的效率。渦輪機(jī)的最大可實(shí)現(xiàn)功率系數(shù)(CP)隨著雷諾數(shù)變高而增大。然而，不管操作雷諾數(shù)如何，基礎(chǔ)的流動(dòng)物理現(xiàn)象保持相對(duì)相同。
[0006]US 20111028078A1公開(kāi)了一種VAWT，該VAWT包括可繞著縱軸線旋轉(zhuǎn)的軸和與軸機(jī)械聯(lián)接的多個(gè)大體剛性的葉片，這多個(gè)葉片中的每個(gè)包括具有上下端的細(xì)長(zhǎng)主體，其中，各葉片的上端和下端繞著縱軸線彼此旋轉(zhuǎn)偏離，使得每個(gè)葉片具有螺旋狀形式，垂直于縱軸線截取的各葉片的細(xì)長(zhǎng)主體的剖面被成形為具有前緣、后緣和在前緣和后緣之間限定的弧線的翼型，其特征在于，該翼型被精確成形，使得弧線沿著具有有限曲率半徑的恒定曲線。
[0007]US 2009129928A1涉及一種渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括當(dāng)暴露于流體流時(shí)在單個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)的多個(gè)葉片，其中，這多個(gè)葉片通過(guò)與中軸大體垂直設(shè)置的多個(gè)徑向輻條與中軸接合，以致旋轉(zhuǎn)的多個(gè)葉片致使軸旋轉(zhuǎn)。這多個(gè)葉片具有均一的翼型橫截面，其中，翼型橫截面表現(xiàn)出相對(duì)于涌流的非零迎角。這多個(gè)葉片以螺旋軌跡蜿蜒，繞著中軸旋轉(zhuǎn)并且具有沿著中軸長(zhǎng)度的可變半徑，使得測(cè)得的從多個(gè)葉片到中軸的距離在靠近渦輪機(jī)的中心比在任一端部更大。
[0008]Andrzei Fiedler, Stephen, Tulles (2009)的“Blade Offset and Pitch Effecton High Solidity Vertical Axis Wind Turbine (葉片偏置和俯仰對(duì)高實(shí)度的垂直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的影響)"(Wind Engineering(《風(fēng)力工程》)，2009年第3期第33卷，第237-246頁(yè))公開(kāi)了一種高實(shí)度的、小型(2.5米的直徑，3米的高度)VAWT (該VAWT由三個(gè)NACA0015翼型葉片組成，每個(gè)葉片的跨度為3米且弦長(zhǎng)是0.4米)在戶(hù)外風(fēng)洞設(shè)施中測(cè)試，以研究預(yù)設(shè)的內(nèi)束和外弦渦輪葉片俯仰的影響。還研究葉片安裝點(diǎn)偏置的影響。針對(duì)一定范圍的葉尖速比得到這些測(cè)試的結(jié)果，將這些結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)風(fēng)速10米/秒時(shí)得到的廣泛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行比較。結(jié)果表明，相對(duì)于零預(yù)設(shè)俯仰的情況，對(duì)于內(nèi)束而言測(cè)得的性能降低高達(dá)47%，而對(duì)于外弦而言測(cè)得的性能增加高達(dá)29%。另外，葉片安裝點(diǎn)偏置測(cè)試表明，由于固有的內(nèi)束狀況，導(dǎo)致當(dāng)安裝位置從中弦向著前緣移動(dòng)時(shí)性能降低。觀測(cè)結(jié)果表明，在外弦預(yù)設(shè)俯仰的情況下，通過(guò)補(bǔ)償，可使因葉片安裝偏置造成的這些性能降低的程度最小。預(yù)設(shè)葉片俯仰測(cè)試的趨勢(shì)與見(jiàn)于關(guān)于實(shí)度低得多的渦輪機(jī)的文獻(xiàn)中的趨勢(shì)一致。
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種渦輪翼型，其解決了上述問(wèn)題中的至少一些，產(chǎn)生相比于已知的渦輪翼型更有效且可接受的設(shè)計(jì)和性能。
[0010]定義
[0011]在提供一定范圍的值的情況下，要理解，在該范圍的上限和下限之間的各居間值(達(dá)下限單位的十分之一，除非上下文另外清楚指明)和在該所述范圍內(nèi)的任何其它所述值或居間值被包含在本發(fā)明內(nèi)。可獨(dú)立地包括在這些較小范圍內(nèi)的較小范圍的上限和下限也被包含在本發(fā)明內(nèi)，經(jīng)受所述范圍內(nèi)任何特別排除的極限。在所述范圍包括極限中的一者或二者的情況下，排除了被包括的這些極限中的任一者或二者的范圍也被包括在本發(fā)明中。
[0012]除非另外定義，否則本文中使用的所有技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員一般理解的含義相同的含義。盡管在實(shí)踐或測(cè)試本發(fā)明時(shí)還可使用與本文中描述的方法和材料類(lèi)似或等同的任何方法和材料，但現(xiàn)在描述優(yōu)選的方法和材料。
[0013]必須注意，如本文中使用并且在隨附的權(quán)利要求書(shū)中，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)指代，除非上下文另外清楚指明。
[0014]如本文中定義的，“NACA”是美國(guó)國(guó)家航空咨詢(xún)委員會(huì)。
[0015]如本文中定義的，NACA XWYY是分派給翼型的四位數(shù)字值。在
【發(fā)明內(nèi)容】
中并且如在圖13中進(jìn)一步詳細(xì)描繪的，第一位數(shù)字描述作為弦的百分?jǐn)?shù)的最大彎度，翼型的頂表面和底表面之間的不對(duì)稱(chēng)度。第二位數(shù)字描述是以弦的百分之幾十表示的最大彎度與翼型前緣的距離。后兩位數(shù)字描述作為弦的百分?jǐn)?shù)的翼型的最大厚度。例如，NACA 8412翼型具有在與弦的前緣相距40% (0.4弦)處8%的最大彎度，具有12%的最大厚度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0016]本文中提供了能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)所需的高速度的能源生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)組件或渦輪轉(zhuǎn)子的翼型葉片外形和葉片構(gòu)造。
[0017]能源生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)組件或渦輪轉(zhuǎn)子包括翼型葉片。