[发明专利]具有向前喷吹槽的涡轮机叶片和系统

说明书

技术领域

本发明在美国能源部门授权的DE-AR0000022下由政府支持而做出。该政府对该发明享有某些权利。

背景技术

翼面(或翼型)是机翼或叶片或帆状物的横截面形状。在流体中运动的翼面成形体可以产生气动力。该力的垂直于运动方向的分量可以叫做升力。该力的平行于运动方向的分量可以叫做阻力。

涡轮机是一种可以从流体流提取能量并将能量转化成功的旋转式发动机。涡轮机可以具有一个或更多个运动部件——包括旋转式组件，所述旋转式组件是具有叶片的轴或转鼓。

风力涡轮机(或风力发电机)是可以将来自风或其他运动流体的动能转化成机械能的装置，该机械能随后可以用来发电。

发明内容

存在有现有技术中可获得的用于从风发电的叶片和风力涡轮机。然而，这种叶片和风力涡轮机的局限性在于，在至少一些情况下，用于制造这种叶片的能力、资源和成本使得这种叶片用于商业用途是不切实际的。特别地，在某些情况下，用于制造风力涡轮机的成本超出了可以从它们的使用实现的任何成本效益。尽管空气污染的减少和温室气体的减少是个巨大的益处，然而如果用于制造叶片的成本不减少，那么其他的更常规的能源比如化石燃料燃烧会是更优选的。除了各种制造问题之外，至少一些现存风力涡轮机在机械结构上是复杂的并且需要日常维护和修理。特别地，某些风力涡轮机需要用于调节叶片响应于风速加速的速度的复杂的制动系统。这种制动系统制造和维护是昂贵的。

鉴于与现存涡轮机叶片和系统相关联的各种局限性，本文中意识到对用于减少制造风力涡轮机(并且因而制造风力涡轮机的成本)所需要的资源的系统和方法的需要。也存在对更高效且在机械结构上更简单的风力涡轮机的需要，这能够有利地提供经改进的风力涡轮机输出和减少的操作和维护成本和费用。

一些实施方式描述了下述叶片(例如，涡轮机叶片)：该叶片在机械结构上简单、高效、结构紧固、具有成本效益并且可控制成用于从流动流体比如周围环境风有效地提取能量。在一些情况下，这通过使用从叶片出来的气动喷吹增加或控制涡轮机叶片的空气动力学性能来实现，这可以产生力并且甚至在明显低的风速下提取能量。同时，喷吹叶片翼面结构坚固并且由这种叶片所产生的升力、阻力和扭矩可以相对独立于局部相对风向角，因而消除了叶片俯仰和俯仰控制机构的复杂问题。此外，本文中提供的装置在专门喷吹叶片上可以实现：明显高的升力；阻力根据需要的增加(制动)或减小(效率)；对这些叶片的空气动力学力矩的控制；防止在这些叶片上的流动分离(除将需要流动分离时，比如用于制动)；以及在不需要相对于到来的流的局部叶片迎角的任何物理变化的情况下执行所有这些性能的能力。这些性能允许在较宽范围的风速和在叶片上的局部风流迎角下从周围环境风提取能量。例如，这通过位于单独的叶片翼面的任意端部上(前缘或尾缘)和翼面的任意一侧(压力侧或吸入侧)上的一个喷吹槽或多个切向喷吹槽来实现。除了很高的升力和减小的阻力并且因而高空气动力学升力/阻力比和效率之外，这些特征可以通过仅调节在这些槽处的叶片喷吹速率或喷吹压力而变化。本文中提供的叶片、系统和方法能够——如果不能消除的话——减小：对叶片扭角的需要；叶弦变化或局部平面图面积变化(逐渐减小)；叶片拱度；以及叶片可变翼面几何形状，所有这些通常将沿着叶片翼展改变以解释在多个叶片径向位置处的不同的局部风速和风向角。在一些情形下，提供该类型的喷吹翼面的变化来解释各种局部条件。

本文中描述了构造成与机械迎角变化无关地产生空气动力学升力的气动式叶片。在一些情况下，叶片构造成与风力涡轮机一起使用。在其他情况下，叶片构造成与直升机、飞机、机动车辆和使用空气动力学升力的其他装置或结构一起使用。这些气动式叶片也可以用来产生负升力(即，从叶片部段的压力侧向下的升力)，以产生空气动力学制动力。在一些实施方式中，气动力在不需要机械叶片俯仰变化的情况下改变叶片部段特性的空气动力学性能，这能够在不需要任何机械叶片俯仰变化的情况下使涡轮机叶片空气动力学特征沿着转子叶片变化。