CN102227556A - 具有减小的雷达信号的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带有外罩的风力涡轮机，其各个部件上覆盖有雷达波吸收材料。所得到的风力涡轮机与常规的风力涡轮机相比具有减小的雷达信号。

Description

具有减小的雷达信号的风力涡轮机
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年10月6日提交的美国临时专利No.61/195,307的优先权。该临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及风力涡轮机。具体地说，本风力涡轮机具有与常规风力涡轮机相比减小的雷达信号。
背景技术
常规的敞开螺旋叶片式风力涡轮机典型地包括围绕轴旋转的长度长达150英尺或以上的叶片，从而产生直径300英尺的扫射面积并导致非常大的雷达散射截面。已经发现，由于涡轮机叶片在风中的运动或转动而在风力涡轮机所在地产生突然或间歇性雷达接触，所以现有的敞开叶片式风力涡轮机会降低空中交通控制和防空雷达的性能。如果该风力涡轮机位于雷达天线的雷达视线以内，尤其当风力涡轮机位于雷达天线周围5英里的范围以内时，则性能下降非常严重。风力涡轮机叶片的运动或者涡轮机沿风向的转向会给多普勒雷达系统带来非常大的麻烦。
另外，风力涡轮机可能因高反射性而导致直接干扰，从而降低雷达的灵敏性，并且可能产生错误的图像(鬼影)或阴影区域(盲区)。大转子叶片的运动或者涡轮机为沿风向的转向还可能使多普勒雷达系统产生错误的目标。
反射雷达信号的强度不仅取决于雷达系统的能量级，还取决于雷达能量反射器作为反射物体的大小和效率。该大小或尺寸因素通常被称为雷达散射截面(RCS)。对于相同大小的雷达能量，与具有小RCS的物体相比，具有大RCS的物体成正比地反射更大的雷达能量，从而更容易被检测到。RCS通常表述为分贝平方米(dBsm)的形式，其是物体的雷达反射表面的对数表达式。
期望的是，提供一种具有比现有叶片敞开的风力涡轮机更小的雷达信号的风力涡轮机。
发明内容
本发明描述了一种具有减小的雷达散射截面的风力涡轮机。本发明还描述了通过在风力涡轮机表面施加雷达波吸收材料的表面覆层来减小雷达信号，以便使所传输的雷达信号的反射率最小。具体地说，雷达吸收材料覆层可以包括含有羰基铁氧体的覆层。在另一种形式中，雷达吸收材料覆层可以是相对薄的片的形式，所述片由其中散布有铁化合物的颗粒的合成聚合物基质形成。合成聚合物材料可以是氯丁橡胶。还可以通过喷涂来施加雷达吸收材料覆层。
在实施例中披露了一种风力涡轮机，包括：风扇；外罩，其设置在风扇周围；以及雷达吸收材料覆层。该风力涡轮机还可以是三叶片水平轴式风力涡轮机(HAWT)，其中覆层施加在整个涡轮机、涡轮机叶片或叶片的一部分上。
雷达吸收材料覆层可以包含羰基铁氧体材料。可以通过喷涂来施加雷达吸收材料覆层。覆层还可以由至少一个片形成，所述片包括其中散布有铁化合物颗粒的合成聚合物基质。合成聚合物基质可以包含氯丁橡胶。
雷达吸收材料覆层可以设置在外罩的前缘；外罩的外部；转子或定子的至少一个叶片上；喷射器的前缘；和/或喷射器的外部。在一些实施例中，雷达吸收材料覆层设置在外罩的前缘、外罩的外部、喷射器的前缘和喷射器的外部。
在其他实施例中披露了一种带有喷射器外罩的风力涡轮机，其包括：外罩，其后缘具有多个瓣；风扇，其设置在外罩内；喷射器外罩，其后缘具有多个瓣，喷射器外罩设置在外罩的下游；以及雷达波吸收材料覆层，其设置在涡轮机上。
雷达吸收材料覆层可以设置在外罩和/或喷射器外罩上。
还披露了一种减小风力涡轮机的雷达信号的方法，包括：提供具有包围风扇组件的外罩的风力涡轮机；以及在风力涡轮机上施加雷达波吸收材料覆层。
可以通过在风力涡轮机的表面上层压由其中散布有铁化合物的颗粒的合成聚合物基质所形成的片，或者通过将覆层喷涂到涡轮机的表面上来施加覆层。
在实施例中还披露了一种水平轴式风力涡轮机，其包括发动机发电机舱和叶片，以及设置在涡轮机上的雷达波吸收材料覆层。雷达波吸收材料覆层可以设置在涡轮机叶片上或者发动机发电机舱上。
下面将对本发明的这些和其他非限制性的特征或特性进行进一步说明。
附图说明
下面是附图的简要说明，其目的是用来示出所列举的公开内容，而不是用来限制公开内容。
图1示出安装在桅杆上的风力涡轮机的一个实施例的侧视图和立体图。
图2示出采用混合器瓣的风力涡轮机的另一个实施例的侧视图和立体图。
图3示出采用混合器瓣和喷射器的风力涡轮机的另一个实施例的侧视图和立体图。
图4A是以下风力涡轮机的立体图，其中喷射器具有设置在其下游边缘的混合器瓣。
图4B是图4A中的风力涡轮机的分解图。
图5示出采用三叶片叶轮的风力涡轮机的另一个实施例的正视图和立体图。
图6A是将具有敞开叶片的常规风力涡轮机与本发明的带有外罩的风力涡轮机的雷达散射截面进行对比的正视图，两个涡轮机具有相同的发电能力。
图6B是图6A所示的常规风力与本发明的带有外罩的风力涡轮机的侧视图。
图7是示出冲击叶片敞开式风力涡轮机并从叶片敞开式风力涡轮机反射的雷达波的侧视图。
图8是示出冲击本发明的带有外罩的风力涡轮机并从该带有外罩的风力涡轮机反射的雷达波的侧视图。
图9是本发明的风力涡轮机的实施例的剖视图，其中该风力涡轮机的一部分被放大以示出雷达吸收覆层。
图10示出包括常规的1.5MW叶片敞开式风力涡轮机在内的各种物体的雷达散射截面。
具体实施方式
参考附图可以更完全地理解本文所披露的方法和装置。这些附图仅仅是为了方便或者便于展示现有技术和/或目前发展状况的示意图，因此，这些附图不用于指示其组件或部件的相对大小和尺寸。
尽管在下述说明中为了清楚的目的而使用特定的术语，但是这些术语仅仅用于指代为说明附图而选择的实施例的特定结构，并不用于定义或限定公开内容的范围。在下述附图和说明中，应理解，相同附图标记指代相同作用的部件。
总体而言，本发明包括一种具有减小的雷达信号的风力涡轮机。雷达信号的减小是由于几个因素而实现的，这些因素包括：减小的叶片直径，没有外部运动部分，以及在风力涡轮机上使用雷达能量吸收表面。
参考图1，示出风力涡轮机100的第一实施例的侧视图和立体图。
涡轮机100包括由外罩102所包围的风扇。风扇通常可以是任何这样的组件，其中叶片与轴连接并且能够旋转，以允许从使叶片旋转的风中产生电力或能量。如图所示，风扇是转子-定子组件。定子106具有多个叶片或风叶107，并且定子由外罩102所包围，外罩102向下游方向延伸并超出位于定子106的下游并紧邻定子106的多叶片转子(未示出)。涡轮机100被支撑在桅杆101上，位于支撑基体上方的期望距离处，支撑基体可以是建筑物的表面或诸如水运工具的船上的结构，或者是地面。根据需要，桅杆101可以构造为允许涡轮机100可以围绕桅杆的轴自由地旋转。
参考图2，示出风力涡轮机200的另一个实施例的侧视图和立体图。涡轮机200具有由外罩202所包围的多叶片定子204，外罩202的尾部或下游边缘构造有用于使离开涡轮机的空气和流经外罩202的外部的空气进行混合的瓣208。转子(未示出)设置在定子204的下游并且紧邻定子204。涡轮机200类似地支撑在桅杆201上。
参考图3，示出风力涡轮机300的另一个实施例的侧视图和立体图。涡轮机300具有由外罩302所包围的定子306，外罩302具有形成在其下游边缘的混合器瓣308。转子(未示出)设置在定子306的下游并且紧邻定子306。涡轮机300还包括围绕具有瓣308的外罩的喷射器304，其用于使通过定子叶片306和转子的额外自由流空气进行混合。图3的涡轮机300类似地支撑在与外罩302相连的桅杆301上。
图4A是本发明的风力涡轮机的另一个实施例，其具有被称为喷射器外罩风力涡轮机(MEWT)的形式。该MEWT是一种新型风力涡轮机，其采用带有外罩的叶轮、支架(prop)或者转子/定子以提高风力涡轮机的效率，从而与其他现有类型的风力涡轮机相比，可以对相同面积的涡轮机提取更多的电力。与最常见的风力涡轮机，即水平轴式风力涡轮机(HAWT)相比，MEWT通过从更大的面积中抽吸空气来实现这个目的。
风力涡轮机理论上最大可以获得从风力涡轮机中经过的风的潜在能量的59.3％，该最大值被称为贝兹极限。风力涡轮机所获得的能量的多少也可以被称为涡轮机的效率。MEWT可以超过贝兹极限。
参考图4A，涡轮机400包括位于混合器外罩402的进气端的风扇。风扇通常可以是任何这样的组件，其中叶片与轴连接并且能够旋转，以允许从使叶片旋转的风中产生电力或能量。如图所示，风扇是转子-定子组件。定子406与外罩402接合，并且转子(未示出)与电动机/发电机(未示出)接合。定子406具有在空气达到转子前将空气偏转的静止叶片407。然后，转子的叶片旋转，从而在发电机中产生电力。外罩402包括环形翼，换句话说，外罩402大致呈圆筒形并且具有翼的形状，该翼构造为在外罩内侧(即外罩的内部)产生相对较低的压力并且在外罩外侧(即外罩的外部)产生相对较高的压力。风扇和电动机/发电机容纳在外罩内。外罩402还可以具有混合器瓣408。混合器瓣通常使外罩的空气排出的排气端具有环绕其圆周的基本呈波峰-波谷的形状。换句话说，瓣408沿着外罩的后缘而设置。
涡轮机400还包括与外罩接合的喷射器外罩404。喷射器外罩包括环形翼，换句话说，喷射器外罩大致呈圆筒形并且具有翼的形状，该翼构造为在喷射器外罩内侧(即混合器外罩402与喷射器外罩404之间的环形区域)产生相对较高的压力并且在喷射器404的外侧产生相对较低的压力。喷射器还可以具有混合器瓣410，在这种情况下，喷射器还被称作混合器-喷射器外罩。混合器瓣通常使喷射器的空气排出的排气端具有环绕其圆周的基本呈波峰-波谷的形状。换句话说，混合器瓣沿着喷射器404的后缘而设置。
喷射器外罩404的直径大于混合器外罩402的直径。外罩402与喷射器外罩404接合。换句话说，混合器外罩的排气端配合在喷射器外罩的进气端中，或者喷射器外罩的进气端包围混合器外罩的排气端。混合器外罩402和喷射器外罩404的尺寸设计为使空气可以从二者之间流过。换句话说，喷射器外罩404同轴地设置在外罩402的周围，并且设置在外罩402的下游。风扇、混合器外罩402和喷射器外罩404一起共用共同轴。
混合器瓣408、410允许前进流混合和控制。混合器外罩和喷射器外罩与用于飞机制造业的类似的形状不同，这是因为，在MEWT中气流路径将高能空气提供到喷射器外罩中。(在能量已被转子提取之后)混合器外罩将低能空气提供到喷射器外罩中，并且高能空气向外环绕、抽吸并与低能空气混合。
当风驱动转子时，可以利用电动机/发电机来发电。涡轮机上的发电机还可以用作驱动风扇的电动机，从而当风不足以驱动转子时将空气吸入并使空气通过涡轮机400。
参考图4B，示出风力涡轮机400的分解图。转子411具有由环412所包围的多个径向叶片413，环412与叶片413的外端连接。混合器外罩402的混合瓣408通常这样配合在喷射器外罩404的前端之内，使得气流可以流过混合器外罩402与喷射器外罩404之间的空间。
参考图5，示出风力涡轮机500的另一个实施例的正视图和立体图。涡轮机500包括具有空气动力学构造的叶片的叶轮518，以便有效地从自由气流中提取能量。叶轮518由具有下游混合瓣508的混合器外罩502所包围，下游混合瓣508设置在混合器外罩的后缘上。瓣508由具有混合瓣510的喷射器外罩504所包围，混合瓣510设置在喷射器外罩504的下游周围或者末端周边。图5的风力涡轮机500支撑在适当的桅杆501上，桅杆501可以延伸穿过外罩502以支撑电动机/发电机520和叶轮518。
图6A是将具有敞开叶片的常规风力涡轮机(左手侧)与本发明的带有外罩的风力涡轮机(右手侧)的雷达散射截面进行对比的正视图，两个涡轮机具有相同的发电能力。现有技术的叶片敞开式风力涡轮机650安装在桅杆601上，并且当叶片620旋转时具有一定直径605的扫射面积，因而以虚线表示雷达散射截面。与之对比，本发明的风力涡轮机600具有直径603小得多的扫射面积，因而雷达散射截面较小。
图6B是将具有敞开叶片的常规风力涡轮机(左手侧)与本发明的带有外罩的风力涡轮机(右手侧)的雷达散射截面进行对比的侧视图，两个涡轮机具有相同的发电能力。同样，具有敞开叶轮叶片620的常规风力涡轮机650的雷达散射面基于具有直径605的扫射面积，该风力涡轮机650驱动安装在桅杆601上并且位于发电机舱612内的发电机。带有外罩的风力涡轮机600具有直径603更小的扫射面积。定子、混合器外罩602和喷射器外罩604防止带有外罩的风力涡轮机的叶片被雷达“看见”。
图7是安装在桅杆713上并且具有敞开叶片736的常规风力涡轮机700的侧视图。以实线示出入射雷达波734，并且入射雷达波734冲击叶片736。以虚线示出反射波732。反射能量或反射波732还可能导致被称为“多重反射”的次级弱返回(second fainter return)，当入射波734在返回雷达源之前被涡轮机叶片736反射，然后被涡轮机塔713反射，继而又被叶片736反射时产生多重反射。
图8是本发明的带有外罩的风力涡轮机800的侧视图。涡轮机800同样安装在桅杆802上。以实线示出入射雷达波810，并且在与涡轮机800接触之后产生如虚线所示的反射波812。风力涡轮机的外罩和喷射器消除了图7的常规涡轮机的多重反射。此外，由于带有外罩的风力涡轮机800的叶片(未示出)更小，因此反射波812也更小，从而减小了雷达信号。
带有外罩的风力涡轮机的一个优点是其比常规的叶片敞开式风力涡轮机效率更高。具体地说，具有混合器喷射器的带有外罩的涡轮机(MEWT)可以提供超过59.3％的贝兹极限的效率。从而，带有外罩的风力涡轮机的转子直径可以比叶片敞开式风力涡轮机的转子直径小得多，但是却能够提取相同量的风能。从而，由于长的转子叶片的间隙被消除，带有喷射器外罩的风力涡轮机(MEWT)可以安装在建筑物的顶部或者安装地面附近。
图9是带有外罩的风力涡轮机1000的剖视图。涡轮机1000具有设置在定子1006上的叶片1008和多叶片转子1012。混合器外罩1002包围定子1006和转子1012，并且具有围绕混合器外罩1002的下游周边设置的一圈混合器瓣1016。混合器外罩1002的下游侧具有围绕混合器外罩并与其相邻设置的环形流线型喷射器外罩1004，喷射器外罩1004还具有围绕其下游周边设置的多个混合器瓣1018。
参考图9中作为局部放大图的由圆圈所包围的部分，喷射器外罩1004的上游部分或前缘部分具有设置于其上的雷达吸收材料覆层1014。材料1014有效吸收入射或透射的雷达波1010，雷达波随后如图9中的螺旋箭头1018所表示的那样以热的形式消散在材料中。
雷达吸收材料覆层1014可以包括诸如羰基铁氧体等羰基铁化合物。覆层可以以喷涂物的形式施加到风力涡轮机上，或者先结合到聚合物基质中然后以叠层片的形式施加到风力涡轮机上。在一些实施例中，叠层片由诸如氯丁橡胶等合成聚合物基质以及散布在其中的铁化合物颗粒形成。雷达吸收覆层可以施加在风力涡轮机的任何部分或所有部分上，包括例如外罩的前缘和/或外部、喷射器的前缘和/或外部、定子的叶片、转子的叶片和/或桅杆。这些部分的任意期望的组合可以由雷达吸收覆层所覆盖。
在操作中，当雷达波遇到覆层1014时，在覆层的金属元素中生成磁场。该磁场具有交替变换的极性，并且通过将雷达能量的主要部分转换为热量来分散雷达信号的能量。鉴于涡轮机自身所产生风/气流的冷气效果，虽然未预料到有明显的热量产生，但是在本发明的范围内也可以预见到冷却机构。例如，外罩和/或喷射器可以包括用于在雷达吸收覆层上喷洒诸如水等液体的喷涂机构。
应该认识到，常规的风力涡轮机采用例如长度为约150英尺的大叶片。这种叶片在风力作用下会发生挠曲和弯曲，并且在叶片的外侧高速区域中受到非常高的离心力。因此，雷达吸收覆层在这种叶片上难以保持粘附。与之对比，带有外罩的风力涡轮机的混合器外罩和喷射器外罩较小，并且基本为刚性、静止的物体，因此更容易施加这种覆层。然而，雷达吸收覆层可以应用于具有适当表面处理和适当聚合物的HAWT，从而将羰基铁氧体附着在HAWT叶片上。覆层可以应用于整个涡轮机、涡轮机的电动机舱或主体、涡轮机叶片的前表面、涡轮机叶片的前缘、转子或它们的任意组合。
图10示出包括1.5MW风力涡轮机在内的各种物体的雷达散射截面。
已经参考示例性实施例对本发明的系统和方法进行了说明。显然，在阅读和理解上述详细说明的基础上，本领域技术人员可以进行修改和变形。示例性实施例应解释为包括落入所附权利要求书及其等同内容所限定的范围以内的所有修改与变形。

Claims (22)

1.一种风力涡轮机，包括：
风扇；
外罩，其设置为包围所述风扇；以及
雷达吸收材料覆层。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收覆层包括羰基铁氧体材料。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层由至少一个片形成，所述片包括其中散布有铁化合物颗粒的合成聚合物基质。
4.如权利要求3所述的风力涡轮机，其中，所述合成聚合物基质包括氯丁橡胶。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述外罩的前缘。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述外罩的外部。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风扇是转子-定子组件，并且所述雷达吸收材料覆层设置在所述定子的至少一个叶片上。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述风扇是转子-定子组件，并且所述雷达吸收材料覆层设置在所述转子的至少一个叶片上。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机，还包括设置在所述外罩的下游的喷射器，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述喷射器的前缘。
10.如权利要求1所述的风力涡轮机，还包括设置在所述外罩的下游的喷射器，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述喷射器的外部。
11.如权利要求1所述的风力涡轮机，还包括设置在所述外罩的下游的喷射器，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述外罩的前缘、所述外罩的外部、所述喷射器的前缘和所述喷射器的外部。
12.一种带有喷射器外罩的风力涡轮机，包括：
外罩，其后缘具有多个瓣；
风扇，其设置在所述外罩内；
喷射器外罩，其后缘具有多个瓣，其中，所述喷射器外罩设置在所述外罩的下游；以及
雷达波吸收材料覆层，其设置在所述涡轮机上。
13.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收覆层包括羰基铁氧体材料。
14.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层由至少一个片形成，所述片包括其中散布有铁化合物颗粒的合成聚合物基质。
15.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述外罩上。
16.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述喷射器外罩上。
17.如权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述雷达吸收材料覆层设置在所述外罩和所述喷射器外罩上。
18.一种减小风力涡轮机的雷达信号的方法，包括：
提供具有包围风扇组件的外罩的风力涡轮机；以及
在所述风力涡轮机上施加雷达波吸收材料覆层。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述施加步骤包括将片层压在所述风力涡轮机的表面上，所述片由其中散布有铁化合物的颗粒的合成聚合物基质形成。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述施加步骤包括将所述覆层喷涂在所述风力涡轮机的表面上。
21.一种水平轴式风力涡轮机，包括发动机发电机舱和叶片，以及设置在所述涡轮机上的雷达波吸收材料覆层。
22.如权利要求21所述的涡轮机，其中，所述雷达波吸收材料覆层设置在所述涡轮机的叶片上。
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