CN103306892A - 一种动力翼片 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体动力机械领域，特别是一种动力翼片，包括空心翼根、空心翼身，空心翼身的尾缘部开有喷流孔隙，所述升力型空心翼片的内腔沿长度方向间隔一空间距离安装有至少一组升力型衬翼，每组升力型衬翼由至少一片升力型衬翼构成，升力型衬翼的前缘朝向空心翼根内端一侧，后缘朝向升力型空心翼身的叶尖端，升力型衬翼的升力面朝向升力型空心翼身的旋转方向，本发明既可利用自然能流，又可利用人为输入能流，人为能流不仅可在空心翼片后缘部喷出时产生喷气推进力，而且能在空心翼片内腔离心加速流动，对衬翼产生升力并转换成动力翼片的旋转力，达到互补输入、稳定输出的目的，同时还能提高涡轮机的整体效率。

Description

一种动力翼片

技术领域

本发明涉及流体和热力机械，尤其是涉及一种涡轮机械所用动力翼片。

背景技术

涡轮是各种流体机械和热力机械的关键部件，而翼片又是各种涡轮的重要动力零件，其结构设计直接影响到能量转换效率，各种涡轮所用翼片可分为升力型、阻力型和混合型，又可分为实心型、空心型。空心型又分为封闭结构和带有喷流孔隙的开路结构。带有喷流孔隙的空心型翼片在一定程度上可以提高涡轮的效率，例如：US4197053提出了一种从空心轮毂前方被动进气，再从空心翼片尾缘喷气的方案，它降低了风力涡轮机的起动风速，从而扩大了风力涡轮机的工作范围。申请号为03134065.2的中国专利则考虑到工程需要，将翼片上的喷气孔开在正压力面上，而且喷气方向为涡轮旋转的切线方向，实验结果证明，由于涡轮旋转产生的离心力的加功，使得喷气速度大大增加，对翼片所产生的推力大大增加，因而涡轮机的输出功率显著增加，这不仅降低了涡轮机的起动风速，扩大了涡轮机的有效工作范围，而且在涡轮机的正常运行情况下明显提高了其做功能力。CN201116510Y公告了一种装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮，即在翼片的翼型尾缘或尾缘附近的压力面上开有一排喷气孔，用喷气代替常规襟翼的作用，所用喷气是由叶片的旋转离心力抽取空心轮毂前方的风而产生的，因此，称作被动喷气襟翼。在现有技术中，不论是通过空心翼片主动喷气，还是通过空心翼片被动喷气，都是利用一种高速气流喷气推进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：动力翼片可利用两种能流，既可有效利用低品位能流，又可利用高、中品位能流；即既可利用外来自然能流驱动涡轮机旋转，又可将人为能流输入空心翼片，人为能流不仅可在空心翼片后缘部喷出时产生喷气推进力，而且可将人为能流在空心翼片内腔沿翼片长度方向离心加速流动，也能转换成叶片的旋转力，起到增加和控制输出动力大小的作用，达到互补输入、稳定输出的目的，同时还能提高涡轮机的整体效率。 

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种动力翼片，是一空心翼片，包括空心翼根、空心翼身，空心翼身为升力型结构，空心翼身的尾缘部开有喷流孔隙，在所述升力型空心翼片的内腔沿长度方向间隔一空间距离安装有至少一组升力型衬翼，每组升力型衬翼由至少一片升力型衬翼构成，当由两片以上衬翼构成一组升力型衬翼时，各衬翼并排并间隔一空间距离，升力型衬翼的前缘朝向空心翼根内端一侧，后缘朝向升力型空心翼身的叶尖端，升力型衬翼的升力面朝向升力型空心翼身的旋转方向。衬翼可以安装在空心翼根内腔，也可以安装在空心翼身内腔。所谓衬翼是指在空心翼片内腔安装的附加翼片，其安装位置、角度和方向应符合流体力学和热力学的要求；将常规所称叶片称为翼片，一是因为其截面形状为翼型，二是为了与衬翼称谓相匹配。能流在空心动力翼片内腔从空心翼根流经空心翼身到达叶尖部的过程中，能流在携带原有能量的基础上被离心加速，在流经升力型衬翼时，会产生一与空心动力翼片旋转方向一致的驱动力，增加动力翼片的旋转速度和旋转力矩，能流的余压、余热、余速经空心动力翼片尾缘部的喷流孔隙喷出，进一步产生旋转推力。由于能流在空心动力翼片内腔沿长度方向各点的流速不同、各点离叶根的距离不同、旋转时能流所受科里奥利力的影响大小不同，因此，升力型衬翼所处的位置不同，其所产生的力矩和旋转速度是不同的。所称能流是指具有一定压力、流速、热力的气体或液体或两相流体。人为输入能流可以是常规由化石能源转化成的能流，也可以是其它能源机械所排能流的余压、余热，还可以是由可再生能源所转化成的气体压力能、热力能等。

由于外来自然能流和人为输入能流都属于外力，所以能流可在衬翼上产生升力是必然的，由此推理在任何一种截面形状的管道内安装上述衬翼，当有能流流过时都会产生作用力。由一片以上动力翼片与一轮毂相耦联可构成一涡轮。

上述的一种动力翼片，可供选择的技术方案是，在所述升力型衬翼前缘的空间处设有导流栅，导流栅由至少一片导流叶片构成，当由两片以上导流叶片构成导流栅时，各叶片并排并间隔一空间距离。安装导流栅是当能流在空心动力翼片内腔流动有涡流存在时，或流动方向与升力型衬翼前缘的攻角达不到要求时，或能流含有热能可膨胀释放时，导流栅可对能流品质和流向进行调整，使热能转换成速度能。

上述的一种动力翼片，可供选择的技术方案是，在所述升力型衬翼前缘的空间处设有喷流器，喷流器的喷流口的中心线对应于衬翼的弦线所形成的攻角在5～30度之间，喷流器的进流端接有输流管道，输流管道的进流口处管壁周边与空心翼根或空心翼身内壁周边密封连贴在一起。设置内壁光滑的输流管道，特别有利于在输送较高温度和压力能流时，减少对空心翼片的膨胀和温度影响，减少流动阻力。

上述的一种动力翼片，可供选择的技术方案是，所述空心翼身的尾缘部开有喷流孔隙，是指喷流孔隙开在空心翼身的叶尖部的后缘处的正压力面上。喷流孔隙还可以开在空心翼身的叶尖部的升力面与正压力面后缘结合处，也可以开在叶尖部的顶端。能流经空心动力翼片尾缘部的喷流孔隙喷出时可对空心翼片产生旋转推动力，提高涡轮机的输出功率。

上述的一种动力翼片，可供选择的技术方案是，在所述升力型衬翼与空心翼身内腔之间装有升力型衬翼变桨调角装置。所述升力型衬翼变桨调角装置，既可调整升力型衬翼与来流攻角的大小，又可以调整衬翼升力面的法线方向。动力翼片可以定桨安装，也可以变桨安装，升力型衬翼同样可以定桨安装，也可以变桨安装；升力型衬翼上安装变桨调角装置是为了保证在任何状态下升力型衬翼上产生的升力合力的方向都与空心翼片的旋转方向一致，或偏向空心翼片的外部自然来流方向；升力型衬翼上产生的升力合力方向偏向空心翼片的外部自然来流方向时，会抵消或部分抵消外部自然来流对空心动力翼片的正压力，从而减轻对主轴承的压力和对涡轮机支撑塔的弯曲载荷。当升力型衬翼采用定桨安装时，无论空心动力翼片定桨安装还是变桨安装，升力型衬翼的升力面朝向升力型空心翼身的旋转方向，最好是对应于涡轮启动流速点上空心翼片升阻比最高时对应的安装角或攻角，此时如果涡轮运行于较高流速，为了使涡轮运行于最佳状态，空心翼片在定桨安装时需要设置成较大安装角或在变桨时需要调整成较大安装角时，定桨安装或变桨成较大安装角时的升力型衬翼的升力面的法线方向会偏向于空心动力翼片的外部自然来流的方向，在升力型衬翼上所产生的升力一部分用于增加转矩，另一部分用于部分抵消外部自然来流对空心动力翼片产生的正压力。

本发明与现有技术相比，其各种技术方案所实现的动力翼片，可与轮毂一起形成各种涡轮机，各种涡轮机既可人为输入能流驱动工作机械运行，也可利用外来自然能流驱动工作机械运行；既可吸收人为输入能流沿径向离心流动过程中的能量，也可吸收能流在翼片尾缘部喷出时产生的反推力。调整人为输入能流的的大小与外来自然能流大小相匹配平衡，可达到稳定输出动力的目的；当外来自然能流较小时，人为输入能流可有效启动涡轮机，扩大风速利用范围；人为输入能流在空心翼片内腔的流动方向与流体质点所受到的离心力方向基本相同，还可减少了能量损失。

 附图说明

图1是一种带有升力型衬翼的动力翼片的结构示意图。

图2是一种带有升力型衬翼的动力翼片的受力示意图。

图3是一种动力翼片用于多种能流驱动时的应用产品结构示意图。

图4是一种动力翼片用于自然能流驱动时的应用产品结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示的一种带有升力型衬翼的空心动力翼片，主要由空心翼根1，空心翼身2，升力型衬翼3、4、5构成，升力型衬翼3、4、5定桨固定在空心翼身2的内腔，空心翼身2为升力型结构，空心翼身2的尾缘部开有喷流孔隙6，升力型衬翼4、5间隔一定距离、并排安装在空心翼身2的内腔靠近空心翼根1处，在远离升力型衬翼4、5并沿空心翼身2的长度方向，靠近叶尖部的空心翼身2内腔装有升力型衬翼3，升力型衬翼3、4、5的前缘朝向翼根1一侧，后缘朝向升力型空心翼身2的叶尖端，升力型衬翼3、4、5的升力面朝向升力型空心翼身2的旋转方向D。工作时，外部自然来流V2流经翼身2时产生升力F2，驱动空心动力翼片旋转；同时向空心动力翼片的内腔输入能流Vi，Vi首先流经升力型衬翼4、5并分别产生升力F4、F5；之后，Vi被离心力加速并流经升力型衬翼3，产生升力F6，最后乏流VO经喷流口6喷出产生旋转力矩。由于Vi是从外部输入的能流，所以对升力型衬翼3、4、5所产生的升力和喷射所产生的反推力都属于外力。

如图2是一种带有升力型衬翼的动力翼片的受力示意图，图中V2为外部自然来流，O1—O2为叶片旋转平面，F1为外来自然来流V2对空心动力翼片产生的轴推力，F2为外来自然来流V2对空心动力翼片产生的驱动升力，F3为外来自然来流对空心动力翼片产生的气动合力，F4、F5、F6、F7、F8、F9分别为输入能流对各升力型衬翼产生的升力，F4～F9的方向与F2的方向相同，VO为喷出的乏流。

如图3所示，是一种动力翼片用于多种能流驱动工作机械运行的案例，主要由动力翼片10、轮毂20、输流管道30、工作机械40等相互耦联构成；两支动力翼片10对称安装在轮毂20的外围，轮毂20的进流口12与输流管道30的出流口11之间相互旋转密封耦联，工作机械40的传动轴通过联轴器50穿过输流管道30与固定在轮毂20内腔上的轮辐21上的传动轴22相耦联，带有升力型衬翼组3、4和导流栅7、8的动力翼片10为空心翼片，空心动力翼片10的内腔与轮毂20的内腔相连通。空心翼片为升力型结构，空心翼片的尾缘部开有喷流孔隙6，工作时，外部自然来流V2流经空心翼片10时产生升力，驱动空心动力翼片10旋转；同时向空心动力翼片10的内腔输入能流Vi，Vi流经输流管道30、出流口11进入轮毂20内腔，继而进入空心动力翼片10的内腔，能流在空心动力翼片10的内腔先后流经导流栅7、升力型衬翼组4、导流栅8、升力型衬翼组3并分别产生升力，之后被离心力加速的乏流VO经喷流口6喷出，驱动叶轮旋转，继而驱动工作机械40工作。由于Vi是从外部输入的能流，所以对升力型衬翼所产生的升力和喷射所产生的推力属于外力。

如图4所示，是一种动力翼片用于自然能流驱动工作机械运行的案例，主要由动力翼片10、轮毂20、进流器30、工作机械40、增速齿轮箱80等相互耦联构成；两支动力翼片10对称安装在轮毂20的外围，轮毂20的进流口12与进流器30的出流口11之间相连通，工作机械40的传动轴通过联轴器50、增速齿轮箱80、联轴器60与固定在轮毂20上的轮辐21上的传动轴22相耦联，带有升力型衬翼组4、3的动力翼片10为空心翼片，空心动力翼片10的内腔与轮毂20的内腔相连通。空心翼片10为升力型结构，空心翼片10的尾缘部开有喷流孔隙6，工作时，外部自然来流的一部分V2流经空心翼片10时产生升力，驱动空心动力翼片10旋转；同时外部自然来流的另一部分Vi流入进流器30，流经过滤网23进入轮毂20内腔，继而进入空心动力翼片10的内腔，能流在空心动力翼片10的内腔首先流经升力型衬翼组4、3并分别产生升力，之后被离心力加速的乏流VO经喷流口6喷出，驱动叶轮旋转，继而经增速齿轮箱80增速后驱动工作机械40工作。由于Vi是从外部输入的能流，所以对升力型衬翼所产生的升力和喷射所产生的推力属于外力。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置和用途，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明的思路和范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。

Claims (5)

1.一种动力翼片，是一空心翼片，包括空心翼根、空心翼身，空心翼身为升力型结构，空心翼身的尾缘部开有喷流孔隙，其特征在于，在所述升力型空心翼片的内腔沿长度方向间隔一空间距离安装有至少一组升力型衬翼，每组升力型衬翼由至少一片升力型衬翼构成，升力型衬翼的前缘朝向空心翼根内端一侧，后缘朝向升力型空心翼身的叶尖端，升力型衬翼的升力面朝向升力型空心翼身的旋转方向。

2.根据权利要求1所述的一种动力翼片，其特征在于，在所述升力型衬翼前缘的空间处设有导流栅，导流栅由至少一片导流叶片构成。

3.根据权利要求1所述的一种动力翼片，其特征在于，在所述升力型衬翼前缘的空间处设有喷流器，喷流器的喷流口的中心线对应于衬翼的弦线所形成的攻角在5～30度之间，喷流器的进流端接有输流管道，输流管道的进流口处管壁周边与空心翼根或空心翼身内壁周边连贴在一起。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种动力翼片，其特征在于，所述空心翼身的尾缘部开有喷流孔隙，是指喷流孔隙开在空心翼身的叶尖部的后缘处的正压力面上。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种动力翼片，其特征在于，在所述升力型衬翼与空心翼身内腔之间装有升力型衬翼变桨调角装置。

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