[发明专利]一种涡轮叶片以及由该涡轮叶片组成的涡轮

说明书

本发明提供一种涡轮叶片以及由该涡轮叶片组成的涡轮，利用与旋转轴共面且不相交的光滑无拐点的凹曲线形成第一叶片曲面、第二叶片曲面或第三叶片曲面。并由以上叶片曲面组合形成单叶片曲面、多叶片曲面、多级相连单叶片曲面、多级相连多叶片曲面、多级相连复合叶片曲面等涡轮叶片结构。本发明的涡轮是利用流体中人为制造的涡流来驱动的。本发明提出了二阶曲面的概念，并利用二阶叶片曲面形成的涡轮叶片组成涡轮和涡轮组，通过涡流流场的耦合，即叶片在流体中的旋转运动制造涡流场，流场中产生科里奥利力并通过边界层效应推动叶片加速旋转，涡流和叶片之间形成正反馈，以此达到高能量转换率。若将其用在燃气轮机的涡轮组，还可额外增加热效率。

技术领域

本发明涉及流体动力学领域，具体地说，涉及一种涡轮叶片以及由该涡轮叶片组成的涡轮。该技术也适用于船舶和飞行物等的浆翼叶片的设计。

背景技术

涡轮叶片表面是具有三维特性的空间曲面，在实际操作中，涡轮机械内部的真实流动非常复杂，在空间上表现为流动的三维性，在时间上表现为流动的非定常性，在叶片附近有附面层特征，叶片端面附近又会出现附面涡等扰流。通常用于分析流体运动的纳维-斯托克斯方程很难用在涡轮设计中解决如此复杂的问题。尽管如此，我们还是可以从基本的力学原理中发现流行的涡轮技术的共同缺陷。首先，流行的涡轮技术基本上采用涡轮叶片改变流体运动方向，同时得到反方向的推力，并以此为动力维持涡轮的转动。这种方法下，流体离开涡轮叶片的速度与涡轮叶片得到的推进力和转动的速度相关，涡轮推进力越大，转动越快，意味着流体离开得越快。流体离开越快意味着流体中剩余的动能越大。所以这种利用流体反推力的涡轮技术不可避免地带来可观的能量损失。其次，流行的涡轮技术难以避免的一个问题是随着叶片各点的旋转半径不同，线速度也不同，甚至差异巨大，尤以轮径巨大的涡轮比如风力发电的风轮为甚。比如接近风轮轴的叶片，速度很慢，风无法推动，几乎只能是绕过这里，从而难以传递能量，而在风轮的尖端，速度又快得远超过风速甚至产生背压，也就是叶片背面追上了气流，攻角造成叶片背面的气压大于了正面的气压，导致很大的旋转阻力。因此旋转线速度的不同会相当程度上降低涡轮效率。第三，流行的涡轮技术无法避免离心力带来的能量损失。流体在离心力作用下离开涡轮势必带着旋转切向上的速度分量，这部分能量无可避免地损失了。第四，燃气轮机等应用中，排放的流体含有大量的余热，未被有效转化为机械能，因此也降低了涡前温度，也降低了燃气轮机效率。第五，涡轮叶片的数目与效率之间有矛盾，尤以风力发电的风轮为突出。风轮叶片的投影总面积或称风轮实度是一个难以提高的指标，风轮实度不高，势必导致风能的流失。而提高风轮实度，又会引起风阻增加，风速减小，降低风轮效率。有鉴于此，本发明提出一种新型涡轮叶片以及由该涡轮叶片组成的涡轮，以克服以上缺陷。

发明内容