CN103597205A - 具有混合的叶片加载的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

公开了一种非均匀加载的涡轮机叶片，包括能够用于从流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提取的功率通常大于向流体流动增加的功率，产生从叶片提取的净功率。向流体流动增加功率有利地产生高速流体流动的局部喷射，其提供沿着叶片长度的尾涡和梢涡的分配混合。

Description

具有混合的叶片加载的涡轮机叶片

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月27日提交的美国临时申请序列号No.61/490841的优先权，该美国临时申请整体通过引用合并在此。

技术领域

本发明涉及具有特定结构的涡轮机转子叶片，并且涉及并入这种叶片的具有壳体的涡轮机。更具体地，本发明的转子叶片设计包括非均匀加载（也称为“不对称加载”或“不平衡加载”）。

背景技术

水平轴涡轮机（HAWT）通常包括在中央毂处结合的两个至五个具有叶片的转子。常规的HAWT叶片一般被设计成在叶片的功率提取区域上提供基本上均匀的叶片加载。用于预测和评价叶片性能的一种通用数学工具是叶片元素理论（BET）。BET把叶片看作一组组成元素（也称为“站”）。每个组成元素可以由在相对于旋转轴线的径向位置（r）处的叶片的径向剖面（称为翼型）和元素的宽度（dr）限定。应用BET分析，均匀的叶片加载可以被特征化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素在操作过程中具有相同的压差（Δp）。注意

其中，ρ是流体密度，P是功率并且

是质量流率。倘若流体密度通常是恒定的，压差可以被假定为与功率除以质量流率成比例。因此，均匀的叶片加载通常也可以被特征化为叶片的沿着功率提取区域的每个组成元素呈现相同的每质量流率提取的功率。注意到常规的HAWT叶片还可以包括一个或多个非功率提取区域。例如，常规的HAWT叶片通常例如在叶片的末梢和/或根部处渐缩，以减小涡。接近叶片的末梢和/或根部的这种渐缩的区域或以其它方式最少加载的区域被认为是用于本发明目的的非功率提取区域。

站通常被设计/构造以便最大化叶片上的功率提取，同时保持恒定的每质量流率提取的功率。质量流率被限定为

其中，ρ是流体密度，υ是流动速度并且A是流动面积（“转子扫及面积”）。用于每个站的流动面积可以被计算为A=2πrdr。注意到站流动面积作为影响质量流率的径向位置的函数增大。因此，用于每个站的翼型通常被设计用以在考虑不同的质量流率的同时保持均匀的加载。可以被调节以确保针对不同质量流率的均匀加载的参数包括节距（也称为“冲角”）和/或翼型形状，例如通过弦长、最大厚度（有时表达为弦长的百分比）、平均脊线和/或类似参数表征。用于常规均匀加载的HAWT叶片的翼型通常朝向根部比朝向末梢呈现更长的弦长和更大的节距以考虑朝向末梢更高的质量流率（注意到针对常规不具有壳体的HAWT，在转子平面的中央处的流体速度和在转子平面的周边处的流体速度之差很小）。

最近的开发工作已看到具有壳体的涡轮机的实施，例如用以减小边缘涡的影响和/或增大流体流速。被授权为美国专利No.8021100的美国专利申请序列号No.12/054050中已经描述了具有壳体的混合器-喷射器风力涡轮机的一个例子，该美国专利申请的全部内容合并在此。用于功率提取的具有壳体的涡轮机的开发仍然在其初始期。因此，需要新的和改进的叶片设计和优化以在具有壳体的涡轮机环境中工作。这些和其它需要通过本发明得以解决。

发明内容

本发明涉及具有非均匀叶片加载特征的新颖的涡轮机叶片设计。本发明还涉及用于利用非均匀加载的涡轮机叶片的系统和方法以及用于制造非均匀加载的涡轮机叶片的方法。非均匀叶片加载教导偏离行业常规并且在利用非一致流动分布方面尤其有用，例如，诸如可以由壳体形成的非一致流动分布。事实上，如在这里认识到的，非均匀加载的叶片尤其在具有壳体的涡轮机环境或在转子平面上的流体流速非一致的其它涡轮机环境中相对于常规均匀加载的叶片可以提供特别的优点，例如，更大的功率提取和/或更大的效率。

在示例性实施方式中，公开了一种非均匀加载的涡轮机叶片，其包括能够用于从流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提取的功率通常大于向流体流动增加的功率，产生从叶片提取的净功率。在一种实施方式中，非均匀加载的涡轮机叶片可以被设计成沿着其长度的70%-80%从流体流提取功率，同时沿着其长度的20%-30%向流体流增加功率。在流体流中功率的产生可以有利地致使高速流体流动的局部喷射，其提供沿着叶片的长度尾涡和梢涡的分配混合。

本领域技术人员将容易认识到本发明的非均匀加载的转子叶片可以结合包括至少部分地具有壳体的涡轮机在内的众多涡轮机使用。

一个合适的例子是旋风涡轮机，其中，旋风壳体可以十分靠近或者环绕转子。旋风涡轮机结合至少一个大弯度环状翼型使用在被称为旋风器的柱形或锥形容器内建立的高速旋转流体流动以改进涡轮机效率。用于旋风涡轮机系统的最佳叶片设计是两个因素的函数：在转子站处的流动加速和在涡轮机的出口处向转子尾流增加的能量。这两个结果反映系统的物理特性。具有弯度的壳体和旋风器作用使更多的流动经过转子，允许由于更高的流率提取更多的能量。在转子平面处的更高的速度能够通过风力涡轮机叶片设计中的正常感应系数分析来描述。功率提取（总压提取分布）随着在叶片的顶部1/3处的高功率提取和在叶片根部区段处的较低功率提取或功率注入而改变。

与在转子平面的中央处的流体流的速度相比，根据一种实施方式的旋风涡轮机提供在转子平面处增大的流体流速度。适应在周边处每单位质量流率更多的能量提取和在转子平面的中央处每单位质量流率较少的能量提取或每单位质量流率的能量注入（称为非均匀叶片加载）的叶片设计与对称加载的叶片设计相比更好地适用于从流体流导出功率。

在其它示例性实施方式中，混合的叶片加载（在相同叶片的不同区域中的负和正叶片加载）可以用于减轻涡轮机操作上涡的影响并且提供更有效的流体下游混合。

如本领域技术人员理解的，涡轮机的空气动力原理不限制于特定流体，并且可以应用到任何流体，限定为任何液体、气体或其组合及由此包括水和空气。换句话说，风力涡轮机的空气动力原理适用于水力涡轮机的流体动力学原理。

本发明的这些和其它非限制性特点或特征将在下面进一步描述。

附图说明

以下是附图的简要说明，附图是出于图示这里提及的公开的目的而不是出于限制这里提及的公开的目的提供的。

图1是现有技术的示例水平风力涡轮机的右前方立体图。

图2是描绘表示图1的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。

图3是表示图2的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。

图4图示图2和3的转子叶片的功率提取区域的均匀叶片加载。

图5是图4中表示的每站的压差（叶片加载）的图示表示。

图6是本发明的示例性涡轮机实施方式的前方透视图。

图7是图6中表示的涡轮机的剖视图。

图8是描绘表示图6和7的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。

图9是表示图8的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。

图10图示图8和9的转子叶片的非均匀叶片加载。

图11是图10中表示的每站的压差（叶片加载）的图示表示。

图12是本发明的另一示例性涡轮机实施方式的剖视图。

图13是描绘表示图12的涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。

图14是表示图13的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。

图15图示图13至14的转子叶片的混合的叶片加载。

图16是图15中表示的每站的压差（叶片加载）的图示表示。

图17是用于另一示例性叶片实施方式的每站的压差（叶片加载）的图示表示。

图18是本发明的另一示例性涡轮机实施方式的前方透视图。

图19是图18中表示的涡轮机的局部剖视图。

图20是图18的涡轮机的正交侧面剖视图。

图21是描绘表示图18至20的流体涡轮机的转子叶片之一的站的勾划的截面的立体图。

图22是表示图21的转子叶片的每个站的勾划的截面的正交端视图。

图23图示图21至22的转子叶片的混合的叶片加载。

图24是图23中表示的每站的压差（叶片加载）的图示表示。

图25是本发明的涡轮机转子叶片的另一示例性实施方式的剖视图。

图26是本发明的涡轮机转子叶片的另一示例性实施方式的剖视图。

图27是本发明的涡轮机转子叶片和壳体的另一示例性实施方式的剖视图。

图28是图27的示例涡轮机转子叶片的细节剖视图。

图29描绘示例性涡轮机场。

图30至32是根据本发明的实施方式的另一示例性具有壳体的涡轮机的前方立体图。

具体实施方式

这里公开的部件、过程和设备的更完整理解能够通过参照附图获得。这些附图意于展示本发明，并且不意于显示相对大小和尺寸或者限制公开的实施方式的范围。

虽然在下面的描述中使用了特定术语，但这些术语意于仅指代附图中的具体结构并且不意于限制本发明的范围。可以理解，相同的附图表示指代相同功能的部件。

由术语“大约”或术语“基本上”修正的值应当被解释为公开所述值以及在由上下文指示的意义内并且如本领域普通技术人员容易理解的接近所述值的值的范围。例如，由术语“大约”或术语“基本上”修正的值应当被解释为公开考虑到至少与所述值有关的误差度，例如基于影响所述值的设计/制造公差和/或测量误差，接近所述值的值的范围。

涡轮机可以用于从诸如空气（例如风力涡轮机）和水（例如，水力涡轮机）的各种合适的流体提取能量，例如用以发电。一般而言，不论流体类型如何，与诸如这里描述的涡轮机设计和操作有关的原理保持一致。例如，风力涡轮机的空气动力学原理也适用于水力涡轮机的流体动力学原理。因此，虽然本发明的部分可以指向涡轮机的一个或多个示例实施方式，本领域普通技术人员将理解这些教导可以被普遍地应用，例如不论流体类型如何。

混合器-喷射器涡轮机（MET）提供一种从流动流体提取功率的改进的方式。主壳体容纳从主流体流提取功率的转子。混合器-喷射器泵被包括，其摄取旁路用于为主流体流动供能。该混合器-喷射器泵可以促进前述两个流体流的紊流混合。该混合通过增加流经系统的流体的量、增大转子平面处的速度用于更多的功率可获量并且减小转子平面的下风侧上的压力且给转子尾流供能来增强从MET系统的功率提取。如本领域技术人员理解的，MET的空气动力学原理不限于特定流体，可以适用于任何流体，限定为任何液体、气体或其组合及由此包括水和空气。换句话说，混合器喷射器风力涡轮机的空气动力学原理适用于混合器喷射器水力涡轮机中的流体动力学原理。

根据本发明的示例性转子可以包括常规的螺旋桨状转子、转子/定子组件、多区段螺旋桨状转子或本领域技术人员理解的任何类型的转子。在示例性实施方式中，转子可以与诸如这里描述的涡轮机壳体相关联，并且可以包括附接到旋转轴或毂的诸如这里描述的一个或多个转子叶片，例如一个或多个非均匀加载的转子叶片。如这里所使用的，术语“叶片”不意于限制范围并且应当被视为包括合适的叶片（包括具有多个相关联的叶片区段的叶片）的所有方面。

涡轮机叶片的前缘和/或涡轮机壳体的前缘可以被认为是涡轮机的前部。涡轮机叶片的后缘和/或喷射器壳体的后缘可以被认为是涡轮机的后部。涡轮机的更靠近涡轮机前部定位的第一部件可以被认为在更靠近涡轮机后部定位的第二部件的“上游”。换句话说，第二部件在第一部件的“下游”。

在示例性实施方式中，本发明涉及用于从非一致流速提取功率的涡轮机。在一种示例性实施方式中，涡轮机可以被构造成用于影响流体中的非一致流速（例如，涡轮机可以是包括十分靠近或环绕转子的涡轮机壳体和十分靠近或环绕涡轮机壳体的出口的喷射器壳体的MET）。更特别地，本发明涉及非均匀加载的转子叶片的设计和实施（例如，在具有壳体的涡轮机中）。在一种示例性实施方式中，每质量流率提取的功率中末梢与毂的变差在40%和90%之间，或者换句话说，朝向转子的末梢区域的面积比朝向在转子叶片的毂处的根部区域的面积每质量流率提取多40%和90%之间的更多功率。有利地，从上游面积到下游面积的质量平均总压降可以保持相同。

图1是现有技术的常规HAWT100的实施方式的立体图。HAWT100包括在中央毂141处结合并且围绕中央轴线105旋转的转子叶片112。毂结合到与毂和吊舱150同轴的轴。吊舱150容纳发电设备（未示出）。转子平面由虚线115表示。

参照图2至4，示出示例性转子叶片112（例如，用于图1的HAWT100）。截面160、162、164…180沿着中央叶片轴线107相对于旋转轴线（例如，相对于图1的中央轴线）在不同径向位置处勾划。每个截面160、162、164…180表示沿着叶片112的站并且限定翼型。根据图示的实施方式，每种翼型可以基于翼型的前缘和后缘之间的绳的长度和节距来特征化（注意这仅仅是图示性实施方式，但是，与翼型的形状和/或节距有关的任何数量的参数可以被识别并且用于特征化翼型）。截面160限定弦161。类似地，截面180限定弦181。参照图3，每个弦具有如在弦161和181之间的长度和相对节距角中看到的长度和节距。每个截面的弦长度和节距影响在相应站处叶片上的加载。图4描绘叶片112的不同区域上的叶片加载（Δp）。叶片加载（Δp）使用水平散列标记图示，其中，散列标记之间的间距与叶片加载成反比。如图4中描绘的，常规HAWT叶片被设计成当在流体流中操作时在叶片112的功率提取区域上的每个站处具有均匀的叶片加载。注意叶片112包括靠近叶片的根部和末梢的两个非功率提取区域（分别参照截面160和180）。非功率提取区域可以通过在图4中由在叶片112的根部和末梢处的稀疏水平散列标记表示的突加的最小叶片加载识别。

图5描绘用于叶片112的如图4中表示的每站叶片加载的图示表示。如针对图5注意的，对于叶片112的功率提取区域中的站（参照例如截面162、164、166和178），均匀叶片加载明显。对于叶片112的根部和末梢附近的非能量提取区域中的站（分别参照例如截面160和180），最小叶片加载明显。沿着轴线107的截面160、162、164…180的位置沿着图示的竖直轴线表示。由压差（Δp）（磅每平方英尺（psf））特征化的叶片加载沿着图示的水平轴表示。来自叶片112的功率提取区域的竖直对准截面表示基本上相同或均匀的叶片加载。

图6是本发明的具有壳体的涡轮机200的示例性实施方式的立体图。图7是图6的具有壳体的涡轮机的剖视图。参照图6，具有壳体的涡轮机200包括涡轮机壳体210、吊舱主体250、转子239和喷射器壳体220。涡轮机壳体210包括前端212，也称为入口端或前缘。涡轮机壳体210还包括后端216，也称为排出端或后缘。喷射器壳体220包括前端、入口端或前缘222和后端、排出端或后缘224。支承构件206被显示为将涡轮机壳体210连接到喷射器壳体220。

转子239与吊舱主体250操作地相关联。转子239包括在一个或多个转子叶片240的近端处的中央毂241并且限定流体流动与叶片240交叉的转子平面。中央毂241与吊舱主体250转动地接合。吊舱主体250和涡轮机壳体210由塔架202支承。在本实施方式中，转子239、涡轮机壳体210和喷射器壳体220彼此同轴，即，它们共有共同的中央轴线205。

参照图7。涡轮机壳体210具有翼型的截面形状，其中，抽吸侧（即，低压侧）在壳体的内部。涡轮机壳体的后端216还具有包括转子流动（低能）混合凸角215和旁路流动（高能）混合凸角217的混合凸角。混合凸角向下游延伸超出转子叶片240。换句话说，涡轮机壳体的后缘216被成形为形成两个不同的混合凸角组。高能混合凸角217朝向混合器壳体的中央轴线205向内延伸。低能混合凸角215远离中央轴线205向外延伸。侧壁219中在低能凸角215和高能混合凸角217之间的开口增加高能流和低能流之间的混合。

混合器-喷射器泵通过与涡轮机壳体210上的高能混合凸角217和低能混合凸角215的环流体连通的喷射器壳体220形成。混合凸角217朝向喷射器壳体220的入口端222向下游延伸。该混合器-喷射器泵提供增加操作效率的方式。较高速度流体流动的面积通常由阴影面积245（图7）描绘。根据本发明，混合器-喷射器涡轮机中的转子叶片可以被适当地设计以利用由旁路流和转子尾流之间的混合产生的能量传输。该混合极大地由凸角215和217的高度和形状确定。

参照图8至10，示出示例转子叶片240（例如，用于图6至7的混合器-喷射器涡轮机200）。叶片240有利地包括适用于每质量流率径向改变（相对于旋转轴线）的功率提取的功率提取区域。截面260、262、264…284沿着叶片的中央轴线207在相对于旋转轴线（例如，相对于图6至7的轴线205）的不同径向位置处勾划。每个截面260、262、264…284表示沿着叶片240的站并且限定翼型。根据图示的实施方式，每种翼型可以基于在翼型的前缘和后缘之间的绳的长度和节距来特征化（注意这仅仅是图示性实施方式，但是，与翼型的形状和/或节距有关的任何数量的参数可以被识别并且用于特征化翼型）。截面260限定弦261。类似地，截面284限定弦283。

在一种示例性实施方式中，转子叶片240可以使用多个叶片区段（例如，诸如在截面之间限定的）构造和/或模制，其中，每个叶片区段实际上具有或被假定具有恒定的翼型形状和节距（例如，恒定的弦长度和弦节距）。在该实施方式中，一个区段的翼型形状和/或节距不必与相邻区段的翼型形状和/或节距连续。在另一示例性实施方式中，转子叶片240可以被构造和/或模制为连续结构，例如，其中，翼型的形状和节距针对径向位置连续地改变。因此，例如，转子叶片240可以被模制为宽度（dr）接近零的无限数量的叶片区段。力和/或结构参数的分析能够通过在叶片240的长度上（0至R）求积分来实现。

参照图9，每个弦具有如在弦261和283之间的长度和相对节距角中看到的长度和节距。诸如每个截面的弦长度和节距的翼型特征影响在相应的站处在叶片上的加载。因此，对于叶片240，在例如截面284的第一截面处的翼型的节距和/或形状被构造成使得在第一截面处的叶片240的每质量流率功率提取不同于在例如截面260的第二截面处的叶片240的每质量流率功率提取。叶片240被有利地构造成利用由图6至7的涡轮机200的混合器-喷射器泵产生的非一致流动分布，其中，朝向末梢具有更大的加载以利用具有更大流体流速的区域（图7的阴影面积245）。叶片240图示非均匀加载的叶片的功率提取区域可以针对第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速最佳化的方式。在示例性实施方式中，非均匀加载的叶片的功率提取区域可以基于用于每个径向位置的最佳升阻比（诸如停止之前或选择的安全阈值之前的最大升阻比）最佳化。如叶片240图示的，径向位置处的相对流速越大，在该位置处的最佳升阻比越大，并且在该位置处的每质量流率功率提取越大。在示例性实施方式中，两个径向位置之间的相对流速可以例如与两个径向位置之间的每质量流率相对功率提取成比例地相关。

图10描绘叶片240的不同区域上的叶片加载（Δp）。叶片加载（Δp）使用水平散列标记图示，其中，散列标记之间的间距与叶片加载成反比例。如图10中描绘的，叶片240被设计成当在图6至7的涡轮机200的流体流中操作时在叶片240的功率提取区域上的每个站处具有非均匀叶片加载。更特别地，叶片240被构造成朝向末梢呈现更大的加载，以利用具有更大流体流速的区域。注意对于图4中描绘的实施方式，功率提取区域包括叶片的从截面260到截面284的部分，例如，朝向末梢或根部没有非功率提取区域。

图11描绘用于叶片240的如图10中表示的每站的叶片加载的图示表示。如针对图10注意的，对于叶片240的站（参照例如从站284到站260叶片加载的逐渐减小），非均匀叶片加载明显。沿着中央叶片轴线207的截面260、262、264…284的位置沿着图示的竖直轴线表示。由压差（Δp）（磅每平方英尺（psf））特征化的叶片加载沿着图示的水平轴表示。在一些实施方式中，在表示叶片末梢的站（截面284）处的载荷比在平均截面（截面270）处的载荷大20%和45%之间，类似地，在表示叶片根部的站（截面260）处的载荷比平均截面（截面270）处的载荷低20%至45%。注意图6至7的混合器/喷射器涡轮机200仅是具有壳体的涡轮机的一个例子，其可以根据本发明的设备、系统和方法使用以在转子平面上产生非一致流动分布。事实上，具有壳体的涡轮机的其它实施，例如，具有或不具有喷射器壳体和/或具有或不具有混合器凸角也可以替代使用以在转子平面上产生非一致流动分布。参照例如描绘能够在转子平面上产生非一致流动分布的另一示例性具有壳体的涡轮机实施方式的图30至32。

图30是包括由环状翼型特征化的涡轮机壳体1010的具有壳体的涡轮机1000的另一示例实施方式的立体图。和图6至7的涡轮机200不同，涡轮机1000不包括喷射器壳体。涡轮机1000也包括吊舱主体1050和包括多个转子叶片1040的转子1039。和图6至7的涡轮机200不同，图12的实施方式中的涡轮机1000不包括喷射器壳体。涡轮机壳体1010有利地在转子平面上引发非一致流动分布。涡轮机壳体1010还包括混合元件1015和1017。混合元件1015和1017包括朝向中央轴线1005向内转的向内转混合元件1017和从中央轴线1005向外转的向外转混合元件1015。涡轮机壳体1010包括前端1012，也称为入口端或前缘。混合元件1015和1017包括后端1016，也称为排出端或后缘。支承结构1006在近端处与吊舱主体1050接合并且在远端处与涡轮机壳体1010接合。转子1039、吊舱主体1050和涡轮机壳体1010围绕公共轴线1005（其为转子1039的旋转轴线）同心并且由塔架结构1002支承。

图31描绘具有壳体的涡轮机1100的另一示例实施方式的剖视图。涡轮机1100包括由环状翼型特征化的具有壳体的涡轮机1110。涡轮机1100还包括吊舱主体1150和包括多个转子叶片1140的转子1139。类似于图30的涡轮机1000，图31中描绘的涡轮机1100不包括喷射器壳体。涡轮机壳体1110有利地在转子平面1109上引发非一致流动分布。和图30中的涡轮机壳体1010不同，图31的实施方式中的涡轮机壳体1110不包括混合元件。涡轮机壳体1110包括前端1112（也称为入口端或前缘）和后端1116（也称为排出端或后缘）。支承结构1106在近端处与吊舱主体1150接合并且在远端处与涡轮机壳体1110接合。转子1139、吊舱主体1150和涡轮机壳体1110围绕公共轴线1105（其为转子1139的旋转轴线）同心并且由塔架结构1102支承。

图32描绘具有壳体的涡轮机1200的另一示例实施方式的剖视图。涡轮机1200包括由环状翼型特征化的具有壳体的涡轮机1210。涡轮机1200也包括吊舱主体1250和包括多个转子叶片1240的转子1239。类似于图30至31的涡轮机1000和1100，图32中描绘的涡轮机1200不包括喷射器壳体。涡轮机壳体1210有利地在转子平面1209上引发非一致流动分布。代替包括混合凸角，涡轮机壳体1210有利地限定从涡轮机壳体1210的外表面延伸到内表面的多个通道1219。通道1219用作旁路管道，其提供旁路流动1203和从转子平面1209向下游经过涡轮机1200的流体流动之间的混合，由此向出口流动引入高能流动体积。涡轮机壳体1210包括前端1212（也称为入口端或前缘）和后端1216（也称为排出端或后缘）。支承结构1206在近端处与吊舱主体1250接合并且在远端处与涡轮机壳体1210接合。转子1250、吊舱主体1250和涡轮机壳体1210围绕公共轴线1205（其为转子1250的旋转轴线）同心并且由塔架结构1202支承。

可以设想涡轮机壳体可以不是涡轮机中用于在涡轮机的转子平面上引起非一致流动分布的仅有机构。事实上，任何适当的机构可以用于代替涡轮机壳体或除了涡轮机壳体之外操纵流体流动。

图12是具有壳体的涡轮机300的另一示例性实施方式的立体图。涡轮机300包括涡轮机壳体310、吊舱主体350、转子339和喷射器壳体320。涡轮机壳体310包括前端312，也称为入口端或前缘。涡轮机壳体310还包括后端316，也称为排出端或后缘。喷射器壳体320包括前端、入口端或前缘322和后端、排出端或后缘324。支承构件306被显示为将涡轮机壳体310连接到喷射器壳体320。

转子339与吊舱主体350操作地相关联。转子339包括在一个或多个转子叶片340的近端处的中央毂341并且限定流体流动与叶片340交叉的转子平面。中央毂341与吊舱主体350转动地接合。吊舱主体350和涡轮机壳体310由塔架302支承。在本实施方式中，转子339、涡轮机壳体310和喷射器壳体320彼此同轴，即，它们共有共同的中央轴线305。

涡轮机壳体310具有翼型的截面形状，其中，抽吸侧（即，低压侧）在壳体的内部。涡轮机壳体的后端316还具有包括转子流动（低能）混合凸角315和旁路流动（高能）混合凸角317的混合凸角。混合凸角向下游延伸超出转子叶片340。换句话说，涡轮机壳体的后缘316被成形为形成两个不同的混合凸角组。高能混合凸角317朝向混合器壳体的中央轴线305向内延伸。低能混合凸角315远离中央轴线305向外延伸。侧壁319中在低能凸角315和高能混合凸角317之间的开口增加高能流和低能流之间的混合。

混合器-喷射器泵通过与涡轮机壳体310上的高能混合凸角317和低能混合凸角315的环流体连通的喷射器壳体320形成。混合凸角317朝向喷射器壳体320的入口端322向下游延伸。该混合器-喷射器泵提供增加操作效率的方式。较高速度流体流动的面积通常由阴影面积345描绘。根据本发明，混合器-喷射器涡轮机中的转子叶片可以被适当地设计以利用由旁路流和转子尾流之间的混合产生的能量传输。该混合极大地由混合凸角315和317的高度和形状确定。

经过转子平面的气流由箭头390、392和394表示。转子叶片340被有利地设计成包括能够用于从流体流动提取功率的第一区域和能够用于向流体流动增加功率的第二区域。从流体流动提取的功率通常大于产生到流体流动内的功率，致使从叶片340提取的净功率。在一种实施方式中，叶片340可以被设计成沿着其长度的70%-80%从流体流提取功率，同时沿着其长度的20%-30%向流体流增加功率。如图12中描绘的，叶片340被设计成包括靠近叶片340的根部用于向流体流动增加功率的第一区域，由此增加经过涡轮机中央的流动。由箭头390表示的沿着吊舱350流动的空气能够具有沿着吊舱350的表面与层流面积分离的趋势。增加吊舱上方的流动能够控制层流。转子叶片340能够向根部区域中的流体流动390增加功率（也可以被描述为加速流体流动），并且从末梢区域中的流体流动394提取功率，靠近流体流动392具有过渡区域。在转子339的顶部1/3部分中的流动394通过低能凸角315并且被旁路流动快速供能。由转子功率提取建立的任何涡通过凸角布置减小，使得凸角用作整流器。本领域技术人员容易认识到非均匀加载的转子339的功率提取分布可以替代地使得转子被设计成从通过叶片的根部区域的流体流动390提取能量并且向通过叶片的末梢区域的流体流动394增加能量。此外，本领域技术人员容易认识到叶片设计可以包括或不包括在能量提取区域和能量注入区域之间的过渡区域（例如，流体流动392的区域）。

参照图13至15，描绘了示例转子叶片340（例如，用于图12的混合器-喷射器涡轮机300）。叶片240有利地包括用于从流体流动提取功率的功率提取区域和用于向流体流动增加功率或加速流体流动的功率注入区域。截面360、362、364…380沿着叶片的中央轴线307在相对于旋转轴线（例如，相对于图12的轴线303）的不同径向位置处勾划。每个截面360、362、364…380表示沿着叶片240的站并且限定翼型。根据图示的实施方式，每种翼型可以基于在翼型的前缘和后缘之间的绳的长度和节距来特征化（注意这仅仅是图示性实施方式，但是，与翼型的形状和/或节距有关的任何数量的参数可以被识别并且用于特征化翼型）。截面360限定弦361。类似地，截面380限定弦383。

在一种示例性实施方式中，转子叶片340可以使用多个叶片区段（例如，诸如在截面之间限定的）构造和/或模制，其中，每个叶片区段实际上具有或被假定具有恒定的翼型形状和节距（例如，恒定的弦长度和弦节距）。在该实施方式中，一个区段的翼型形状和/或节距不必与相邻区段的翼型形状和/或节距连续。在另一示例性实施方式中，转子叶片340可以被构造和/或模制为连续结构（例如，假设翼型的形状和节距针对径向位置连续地改变）。因此，例如，转子叶片340可以被模制为宽度（dr）接近零的无限数量的叶片区段。力和/或结构参数的分析能够通过在叶片340的长度上（0至R）求积分来实现。

参照图14，每个弦具有如在弦361和383之间的长度和相对节距角中看到的长度和节距。每个截面的弦长度和节距影响在相应的站处在叶片上的加载。诸如每个截面的弦长度和节距的翼型特征影响在相应的站处在叶片上的加载。因此，对于叶片340，在例如截面380的第一截面处的翼型的节距和/或形状被构造成从流动提取功率（或者换句话说，具有正载荷），并且在例如截面360的第二截面处的翼型的节距和/或形状被构造成向流动增加功率（或者换句话说，具有负载荷）。在描绘的实施方式中，转子叶片340被构造成使用叶片340的根部附近的区域向流动增加功率并且使用叶片340的剩余功率提取区域从流动提取功率。本实施方式的图示的非均匀加载的叶片340不意于限制范围并且本领域技术人员将容易认识到负加载和正加载可以定位在沿着叶片340的长度的多个区域处。

在示例性实施方式中，叶片340的功率提取区域可以被非均匀加载，即，适用于每质量流率径向改变（相对于旋转轴线）的功率提取。因此，叶片340可以被有利地构造成利用由图12的涡轮机300的混合器-喷射器泵产生的非一致流动分布，其中，朝向末梢具有更大的加载以利用具有更大流体流速的区域（图12的阴影面积345）。叶片340图示非均匀加载的叶片的功率提取区域可以这对第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速最佳化或以其它方式调节的方式。在示例性实施方式中，非均匀加载的叶片的功率提取区域可以基于用于每个径向位置的最佳升阻比（诸如停止之前或选择的安全阈值之前的高或最大升阻比）调节或最佳化。如叶片340图示的，径向位置处的相对流速越大，在该位置处的最佳升阻比越大，并且在该位置处的每质量流率功率提取越大。在示例性实施方式中，两个径向位置之间的相对流速可以例如与两个径向位置之间的每质量流率相对功率提取成比例地相关。

图15描绘叶片340的不同区域上的叶片加载（Δp）。叶片加载（Δp）使用用以图示正加载（功率提取）区域的水平散列标记和用以图示负加载（功率注入）区域的对角散列标记图示。关于功率提取区域，散列标记之间的间距与叶片加载成反比例。如图15中描绘的，叶片340被设计成具有靠近叶片340的根部的负加载区域（截面360和362）。此外，如图15中描绘的，叶片340可被设计为当在图12的涡轮机300的流体流中操作时在叶片340的功率提取区域上的每个站处具有非均匀叶片加载。更特别地，功率提取区域被构造成朝向末梢呈现更大的加载，以利用具有更大流体流速的区域。注意对于图15中描绘的实施方式，功率提取区域包括叶片的超出过渡区域的部分（例如，截面364到截面380）。注意在图示的实施方式中，朝向末梢没有非功率提取区域。

图16描绘用于叶片340的如图15中表示的每站的叶片加载的图示表示。如针对图10注意的，对于叶片340的靠近根部的站（参照例如截面360和362），负加载明显。此外，对于叶片240的在功率提取区域中的站（参照例如从站380到至少站370叶片加载逐渐减小），非均匀叶片加载明显。沿着中央叶片轴线307的截面360、362、364…380的位置沿着图示的竖直轴线表示。由压差（Δp）（磅每平方英尺（psf））特征化的叶片加载沿着图示的水平轴表示。

图16描绘用于另一示例性叶片440的每站的叶片加载的图示表示。同样，对于叶片440的靠近根部的站（参照例如截面460和462），负加载明显。此外，对于叶片240的在功率提取区域中的站（参照例如从站480到站470叶片加载逐渐减小），非均匀叶片加载明显。所沿着的截面360、362、364…380的位置沿着图示的竖直轴线表示。由压差（Δp）（磅每平方英尺（psf））特征化的叶片加载沿着图示的水平轴表示。注意图17图示由相对于叶片440的功率提取区域（区段470-480）的叶片加载的剧烈变化特征化的过渡区域（区段464-470）。

图18是根据本发明的具有壳体的涡轮机500的另一示例性实施方式的立体图。图19是图18的具有壳体的涡轮机500的局部剖视立体图。图20是图示经过图18至19的涡轮机500的气流的侧面剖视图。参照图18至20，具有壳体的涡轮机500包括涡轮机壳体520、吊舱主体550、包括一个或多个转子叶片540的转子539、以及回旋轮叶阵列543。涡轮机壳体520包括前端522（也称为入口端或前缘），并且还包括后端524（也称为排出端或后缘）。

转子539靠近或环绕吊舱主体250定位。转子539包括在转子叶片540的近端处的中央毂541。中央毂541与吊舱主体550转动地接合。吊舱主体250和涡轮机壳体520通过塔架502支承。在本实施方式中，转子539、涡轮机壳体520和回旋轮叶阵列543彼此同轴（即，它们共有共同的中央轴线505，其也是转子539的旋转轴线）。

如图18至20图示的，涡轮机壳体520可以具有翼型的截面形状，其中，抽吸侧（即，低压侧）在壳体的内部。回旋轮叶543引起在入口侧522处由箭头594表示的流体流中的旋转涡。流体流594中的旋转涡随着其离开出口524分散且与周围空气混合。

这种旋转流体运动通过为更多的功率可获量增大转子平面处的流体流的速度并且通过减小转子平面的下游侧上的压力来增强系统的功率输出。注意旋转流体运动导致转子平面上的非一致流速分布，其中，靠近壳体的内表面的区域具有较高速度。

涡轮机壳体520内的流体流的涡形成沿着涡轮机壳体520的内壁提供较大速度的气旋作用（由箭头594表示）。由于涡轮机壳体520缩小，气旋流体流动594的速度随着其接近转子539增大（即，随着流体从入口522流至排出口524，漩涡流594的速度增大）。转子平面上的流体流动的最高速度区域通常朝向叶片540的末梢。根据本发明，转子叶片540可以被适当地设计成利用由气旋流动594产生的能量传输。

由箭头590表示的沿着吊舱550流动的空气能够具有沿着吊舱550的表面与层流面积分离的趋势。增加吊舱上方的流动能够控制层流。叶片540被设计成向根部区域中的流体流动590增加功率，并且从末梢区域中的流体流动594提取能量。本领域技术人员将容易认识到叶片设计可以包括或可以不包括能量提取区域和能量注入区域之间的过渡区域。

参照图21至22，描绘了示例转子叶片540（例如，用于图18至20的具有壳体的涡轮机500）。叶片540有利地包括用于从流体流动提取功率的功率提取区域和用于向流体流动增加功率的功率注入区域。截面560、562、564…580沿着叶片的中央轴线507在相对于旋转轴线（例如，相对于图18至20的轴线505）的不同径向位置处勾划。每个截面560、562、564…580表示沿着叶片540的站并且限定翼型。根据图示的实施方式，每种翼型可以基于在翼型的前缘和后缘之间的绳的长度和节距来特征化（注意这仅仅是图示性实施方式，但是，与翼型的形状和/或节距有关的任何数量的参数可以被识别并且用于特征化翼型）。截面560限定弦561。类似地，截面580限定弦583。

在一种示例实施方式中，转子叶片540可以使用多个叶片区段（例如，诸如在截面之间限定的）构造和/或模制，其中，每个叶片区段实际上具有或被假定具有恒定的翼型形状和节距（例如，恒定的弦长度和弦节距）。在该实施方式中，一个区段的翼型形状和/或节距不必与相邻区段的翼型形状和/或节距连续。在另一示例性实施方式中，转子叶片540可以被构造和/或模制为连续结构，例如，其中，翼型的形状和节距针对径向位置连续地改变。因此，例如，转子叶片540可以被模制为宽度（dr）接近零的无限数量的叶片区段。力和/或结构参数的分析能够通过在叶片540的长度上（0至R）求积分来实现。

参照图22，每个弦具有如在弦561和583之间的长度和相对节距角中看到的长度和节距。诸如每个截面的弦长度和节距的翼型特征影响在相应的站处在叶片上的加载。因此，对于叶片540，在例如截面580的第一截面处的翼型的节距和/或形状被构造成从流动提取功率（或者换句话说，具有正载荷），并且在例如截面560的第二截面处的翼型的节距和/或形状被构造成向流动增加功率（或者换句话说，具有负载荷）。在描绘的实施方式中，转子叶片540被构造成使用叶片540的根部附近的区域向流动增加功率并且使用叶片540的剩余功率提取区域从流动提取功率。本实施方式的图示的非均匀加载的叶片540不意于限制范围并且本领域技术人员将容易认识到负加载和正加载可以定位在沿着叶片540的长度的多个区域处。

在示例性实施方式中，叶片540的功率提取区域可以被非均匀加载（即，被构造成用于相对于旋转轴线径向改变的每质量流率功率提取）。因此，叶片540可以被有利地构造成利用由图18至20的涡轮机500的气旋气流产生的非一致流动分布，其中，朝向末梢具有更大的加载以利用具有更大流体流速的区域。叶片540图示非均匀加载的叶片的功率提取区域可以针对第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速构造或最佳化的方式。在示例性实施方式中，非均匀加载的叶片的功率提取区域可以基于用于每个径向位置的期望、特定或最佳升阻比（诸如停止之前或选择的安全阈值之前的最大升阻比）构造。如叶片540图示的，径向位置处的相对流速越大，在该位置处的可能升阻比越大，并且在该位置处的每质量流率功率提取越大。在示例性实施方式中，两个径向位置之间的相对流速可以例如与两个径向位置之间的每质量流率相对功率提取成比例地相关。

图23描绘叶片540的不同区域上的叶片加载（Δp）。叶片加载（Δp）使用用以图示正加载（功率提取）区域的水平散列标记和用以图示负加载（功率注入）区域的对角散列标记图示。关于功率提取区域，散列标记之间的间距与叶片加载成反比例。如图23中描绘的，叶片540被设计成具有靠近叶片540的根部的负加载区域（截面560和562）。此外，如图23中描绘的，叶片540被设计为当在图18至20的涡轮机500的流体流中操作时在叶片540的功率提取区域上的每个站处具有非均匀叶片加载。更特别地，功率提取区域被构造成朝向末梢呈现更大的加载，以利用具有更大流体流速的区域。注意对于图23中描绘的实施方式，功率提取区域包括叶片的超出过渡区域的部分（例如，截面564到截面580）。注意在图示的实施方式中，朝向末梢没有非功率提取区域。

图24描绘用于叶片540的如图23中表示的每站的叶片加载的图示表示。如针对图23注意的，对于叶片540的靠近根部的站（参照例如截面560和562），负加载明显。此外，对于叶片540的在功率提取区域中的站（参照例如从站580到至少站570叶片加载逐渐减小），非均匀叶片加载明显。沿着中央叶片轴线507的截面560、562、564…580的位置沿着图示的竖直轴线表示。由压差（Δp）（磅每平方英尺（psf））特征化的叶片加载沿着图示的水平轴表示。

参照图25，描绘了示例性涡轮机叶片640的局部剖视图。叶片640的混合的叶片加载（例如，部分正和部分负）的作用被图示。迎面而来的流体流的一致速度由箭头692表示。在描绘的实施方式中，转子叶片640包括被设计成向流体流692增加功率的根部区域681和末梢区域682。自转子平面的下游，转子叶片640在流体流692上的作用由箭头697、680、691、686和688表示。更特别地，箭头697和691表示具有分别通过末梢区域687和根部区域681向流体流692增加功率的流动。箭头680表示具有通过叶片640的功率提取区域从流体流692提取的功率的流动。混合涡688和686分别出现在面积682和684中（在提取功率的流动680和增加功率的流动697和691中的每个之间）。有利地，由于增加功率的流动697和691，混合涡688和686出现在与没有增加功率的流动相比更下游处，由此减轻混合涡在叶片操作上的作用。

参照图26，描绘了另一示例性涡轮机叶片740的局部剖视图。叶片740的混合的叶片加载（例如，部分正和部分负）的作用被图示。迎面而来的流体流的一致速度由箭头792表示。在描绘的实施方式中，转子叶片740包括被构造成向流体流792增加功率（或加速）的根部区域781、末梢区域782和两个中间区域783、785。自转子平面的下游，转子叶片742在流体流792上的作用由箭头797、795、793、791、780、798、790、788和782表示。更特别地，箭头797、795、793和791表示具有分别通过末梢区域787、中间区域783和785和根部区域781向流体流792增加的功率的流动。箭头780表示具有通过叶片740的功率提取区域从流体流792提取的功率的流动。混合涡798、790、788和782分别出现在面积796、794、786和784中（在提取功率的流动780和增加功率的流动797、795、793和791中的每个之间）。有利地，由于增加功率的流动797、795、793和791，混合涡798、790、788和782出现在与没有增加功率的流动相比更下游处，由此减轻混合涡在叶片操作上的作用。

参照图27，描绘了示例性涡轮机叶片840的局部剖视图。叶片840的混合的叶片加载（例如，部分正和部分负）的作用被图示。迎面而来的流体流的一致速度由箭头892表示。在描绘的实施方式中，转子叶片840包括被设计成向流体流892增加功率的根部区域881和末梢区域882。自转子平面的下游，转子叶片840在流体流892上的作用由箭头897、880、891、886和888表示。更特别地，箭头897和891表示具有分别通过末梢区域887和根部区域881向流体流892增加的功率的流动。箭头880表示具有通过叶片840的功率提取区域从流体流892提取的功率的流动。混合涡886出现在面积896中（在提取功率的流动880和增加功率的流动897之间）。有利地，由于增加功率的流动897，混合涡886出现在与没有增加功率的流动相比更下游处，由此减轻混合涡在叶片操作上的作用。在图27的实施方式中，包括靠近转子叶片840的后缘的壳体860。壳体860限定环状翼型，其具有在壳体840的内部侧上的抽吸侧。由箭头899表示的速度增大的流动出现在翼型的表面上方。由具有混合涡884的锥形面积882表示的混合出现在速度相对较高的流动899和流动891之间。混合还出现在后缘流动880和速度增大的流动899之间，由具有混合涡888的锥形面积886表示。

参照图28，示出了图27的涡轮机叶片840和壳体860的分解图。壳体860提供用于包括永久磁体864和线圈862的阵列的环状发电机的外壳。出于发电的目的，轴将转子叶片840与线圈862的阵列接合。

参照图29，描绘了包括多个涡轮机的涡轮机场900。风力涡轮机场图示使用例如如针对图25至27描述的混合的叶片加载产生的混合涡910的一个优点。特别地，混合涡910使得涡轮机下游的流体流动能够更快速混合，由此改进下游涡轮机的性能（较短尾流）。这使得在涡轮机场900中能够装配更多数量的涡轮机。

已经参照示例性实施方式描述了本发明。显然，其他人在阅读和理解之前的详细描述后会想到变型和修改。本发明的意图是被解释为包括在落入所附权利要求或其等效的范围内的所有这些变型和修改。

Claims (41)

1.一种包括转子的涡轮机，所述转子包括至少一个涡轮机叶片，所述至少一个涡轮机叶片具有能够用于向流体流动增加功率的第一区域和能够用于从流体流动提取功率的第二区域。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，涡轮机叶片能够使得从流体流动提取的功率大于向流体流动增加的功率。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，叶片的第一区域构成叶片的总长度的不超过大约30%。

4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域能够使得向流体流动增加的功率提供尾涡和梢涡的分配混合。

5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域包括叶片的末梢区域。

6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域包括叶片的根部区域。

7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第一区域能够用以控制围绕涡轮机的吊舱的层流。

8.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，叶片能够包括在第一区域和第二区域之间的具有减小的叶片加载的过渡区域。

9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在第一区域处的叶片翼型是基于用以影响负叶片加载的节距或形状构造的，并且在第二区域处的叶片翼型是基于用以影响正叶片加载的节距或形状构造的。

10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，第二区域是能够从转子平面上的非一致流体速度分布提取能量的非均匀加载的功率提取区域，使得在相对于旋转轴线的第一径向位置处的每质量流率功率提取不同于在相对于旋转轴线的第二径向位置处的每质量流率功率提取。

11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，在第一径向位置和第二径向位置中的每个处的叶片翼型是基于用以影响在第一径向位置处的每质量流率功率提取和在第二径向位置处的每质量流率功率提取之差的翼型的节距或形状构造的。

12.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，非一致速度分布在第一径向位置处比在第二径向位置处包括更大的流速，并且其中，在第一径向位置处的每质量流率功率提取比在第二径向位置处的每质量流率功率提取大。

13.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，叶片的功率提取区域是基于第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速构造的。

14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，功率提取区域是基于用于第一径向位置和第二径向位置的特定升阻比构造的。

15.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，每个特定升阻比是（i）停止之前的最大升阻比和（ii）选择的安全阈值之前的最大升阻比中的一个。

16.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，转子平面上的非一致流体速度分布是由涡轮机引起的。

17.根据权利要求16所述的涡轮机，还包括涡轮机壳体，其中，转子平面上的非一致流动速度分布部分地由涡轮机壳体形成。

18.根据权利要求17所述的涡轮机，其中，涡轮机壳体包括布置在转子下游并且向下游延伸的一个或多个混合装置。

19.根据权利要求17所述的涡轮机，还包括在涡轮机壳体下游的喷射器壳体。

20.根据权利要求19所述的涡轮机，其中，具有一个或多个混合装置的涡轮机壳体和喷射器壳体形成混合器-喷射器泵，并且其中，在转子平面处的非一致流动速度分布部分地由混合器-喷射器泵形成。

21.根据权利要求16所述的涡轮机，还包括回旋轮叶阵列，其中，转子平面上的非一致流动速度分布部分地由产生气旋气流的回旋轮叶形成。

22.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括在转子下游的壳体，其能够将附加的功率注入离开叶片的第一区域的流体流动的至少一部分。

23.一种用于涡轮机的转子叶片，转子叶片包括能够用于向流体流动增加功率的第一区域和能够用于从流体流动提取功率的第二区域。

24.根据权利要求23所述的叶片，其中，涡轮机叶片能够使得从流体流动提取的功率大于向流体流动增加的功率。

25.根据权利要求23所述的叶片，其中，涡轮机叶片的第一区域构成叶片的总长度的不超过大约30%。

26.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域能够使得向流体流动增加的功率提供尾涡和梢涡的分配混合。

27.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域包括叶片的末梢区域。

28.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域包括叶片的根部区域。

29.根据权利要求23所述的叶片，其中，第一区域能够用以控制围绕涡轮机的吊舱的层流。

30.根据权利要求23所述的叶片，其中，叶片包括在第一区域和第二区域之间的具有最小叶片加载的过渡区域。

31.根据权利要求23所述的叶片，其中，在第一区域处的叶片翼型是基于用以影响负叶片加载的节距或形状构造的，并且在第二区域处的叶片翼型是基于用以影响正叶片加载的节距或形状构造的。

32.根据权利要求23所述的叶片，其中，第二区域是能够从非一致流体速度分布提取能量的非均匀加载的功率提取区域，使得在相对于旋转轴线的第一径向位置处的每质量流率功率提取不同于在相对于旋转轴线的第二径向位置处的每质量流率功率提取。

33.根据权利要求32所述的叶片，其中，在第一径向位置和第二径向位置中的每个处的叶片翼型是基于用以影响第一径向位置处的每质量流率功率提取和第二径向位置处的每质量流率功率提取之差的翼型的节距或形状构造的。

34.根据权利要求32所述的涡轮机，其中，非一致速度分布在第一径向位置处比在第二径向位置处包括更大的流速，并且其中，第一径向位置处的每质量流率功率提取比第二径向位置处的每质量流率功率提取大。

35.根据权利要求32所述的涡轮机，其中，叶片的功率提取区域是基于第一径向位置处的流体流动和第二径向位置处的流体流动之间的期望的相对流速构造的。

36.根据权利要求35所述的涡轮机，其中，功率提取区域是基于用于第一径向位置和第二径向位置的特定升阻比构造的。

37.根据权利要求36所述的涡轮机，其中，每个特定升阻比是（i）停止之前的最大升阻比和（ii）选择的安全阈值之前的最大升阻比中的一个。

38.一种具有壳体的轴流式流体涡轮机，包括：

空气动力学轮廓的涡轮机壳体，其具有入口并且能够在暴露于流体流动时在转子平面上产生非一致流体速度分布；和

转子，其布置在入口的下游并且能够从经过转子平面的流体提取能量，转子包括：

中央毂；和

多个叶片，每个叶片包括：

具有叶片根部的根部区域；

具有叶片末梢的末梢区域；

布置在根部区域和末梢区域之间的中间区域；和

从叶片根部径向地延伸到叶片末梢的叶片轴线；

每个叶片能够在暴露于非一致流体速度分布时具有在沿着叶片轴线的径向位置处的每质量流率功率提取值，该值在叶片的末梢区域中的第一半径处比在叶片的中间区域中的第二半径处大，并且每个叶片能够使流过叶片的根部区域的流体加速。

39.一种轴流式流体涡轮机，包括：

空气动力学轮廓的涡轮机壳体，其具有入口并且能够在暴露于流体流动时在转子平面上产生非一致流体速度分布；和

转子，其布置在涡轮机壳体的入口的下游并且能够从经过转子平面的流体提取能量，转子包括：

具有中央旋转轴线的中央毂；和

多个叶片，每个叶片包括：

包括叶片根部的根部区域；

包括叶片末梢的末梢区域；

布置在根部区域和末梢区域之间的中间区域；和

从叶片根部延伸到叶片末梢的叶片轴线；

其中，每个叶片能够在暴露于非一致流体速度分布时具有在沿着末梢区域中的叶片轴线的径向位置上平均的每质量流率功率提取正值和在沿着根部区域中的叶片轴线的径向位置上平均的每质量流率功率提取负值。

40.一种能够联接到具有壳体的流体涡轮机的转子的转子叶片，该流体涡轮机具有在暴露于流体流动时在转子平面上产生非一致流体速度分布的涡轮机壳体，转子包括能够接收一个或多个转子叶片的中央毂，转子叶片包括：

具有叶片根部的根部区域；

具有叶片末梢的末梢区域；

布置在根部区域和末梢区域之间的中间区域；和

从叶片根部延伸到叶片末梢的叶片轴线；

其中，叶片能够在与中央毂连接时在暴露于非一致流体速度分布时具有在沿着末梢区域中的叶片轴线的径向位置上平均的每质量流率功率提取正值和在沿着根部区域中的叶片轴线的径向位置上平均的每质量流率功率提取负值。

41.一种操作具有壳体的轴流式流体涡轮机的方法，该流体涡轮机包括具有入口的空气动力学轮廓的涡轮机壳体和布置在涡轮机壳体入口的下游的转子，转子包括多个叶片，每个叶片具有包括叶片根部的根部区域、包括叶片末梢的末梢区域以及布置在根部区域和末梢区域之间的中间区域，所述方法包括：

建立经过转子平面的非一致流体流动，其中，流过与每个叶片的末梢区域相关联的转子平面面积的流体的平均速度大于流过与每个叶片的中间区域相关联的转子平面面积的流体的平均速度；

通过利用每个叶片的根部区域使流体流动加速来将功率注入与每个叶片的根部区域相关联的转子平面面积中的非一致流体流动；以及

通过在每个叶片的末梢区域上提取比在每个叶片的中间区域上提取的每质量流率平均功率大的每质量流率平均功率，利用多个叶片从非一致流体流动提取功率。

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