CN104131940A - 流体动力提供系统推进器叶片 - Google Patents

Abstract

流体动力提供系统推进器叶片，为类似螺旋形叶片，由一个面沿着球面与圆柱面的相贯线轨迹上升的同时还绕定轴迴转形成的实体，球面与圆柱面的相贯线与运动方向夹角是45度，叶片上弦处的黄金分割点一直在相贯线上，叶片上弦的翼型攻角α为6度～16度，叶片与迴转半径夹角β为70度~110度。本发明的流体动力提供系统推进器叶片，属于升力型，球面与圆柱面的相贯线与运动方向夹角是45度，在这一方向上叶片将有最大的劈开流体的作用力，从而有效地减少了叶片的前进阻力；球面上的任何一点的曲率都是相同的，因此球面就具备接受来自任何方向流体能量的特性，该叶片具备了能够接受任何方向流体的能量。

Description

流体动力提供系统推进器叶片

技术领域

本发明涉及水力发电、潮汐发电、废气利用和风力发电领域，尤其涉及一种发电用的叶片装置。

背景技术

现在的潮汐发电、风力发电技术都普遍存在一个问题，即仅能接受来自某一个方向的流体能量，如：风力机分为“水平式、垂直式”两大类，潮汐的波浪涌进和涌出不能充分地利用，从而导致能量利用率低，效率低等问题。

发明内容

为了现有潮汐发电、风力发电技术存在的能量利用率低的问题，本发明提供了一种流体动力提供系统推进器叶片。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：流体动力提供系统推进器叶片，为类似螺旋形叶片，所述叶片是由一个面沿着球面2与圆柱面1的相贯线3轨迹上升的同时还绕定轴迴转形成的实体，球面2与圆柱面1的相贯线3与运动方向夹角是45度，叶片上弦处的黄金分割点一直在相贯线上。

所述叶片上弦的翼型攻角α为6度～16度，叶片与迴转半径夹角β为70度~110度。

所述叶片为玻璃钢、碳素纤维、树脂、铝合金或铜材料。 

本发明的流体动力提供系统推进器叶片，该叶片的横截面形状是根据流体力学理论而设计的，属于升力型，球面与圆柱面的相贯线与运动方向夹角是45度，在这一方向上叶片将有最大的劈开流体的作用力，从而有效地减少了叶片的前进阻力；球面上的任何一点处的曲率都是相同的，根据这个特性，我们选定了“球面与柱面”的相贯线作为基础，在此基础上形成了叶片，所以该叶片具备了能够接受任何方向流体的能量。例如：流体从上、下方向来，叶片都可以捕获流体能量，使自然能源的利用得以大大提高。

附图说明

图1是球面与圆柱面相贯线的俯视图。

图2是球面与圆柱面相贯线的示意图。

图3是球面与圆柱面相贯线的主视图。

图4是球面与圆柱面相贯线的右视图。

图5是本发明流体动力提供系统推进器叶片部分结构图。

图6是本发明流体动力提供系统推进器叶片形成原理图。

图7是本发明球面和柱面相贯线坐标系示意图。

图8是本发明球面和柱面相贯线X-Y平面坐标系示意图。

图9 是实施例1的双叶片风力发电装置结构图。

图10是实施例2的双叶片风力发电装置结构图。

图11是实施例3的双叶片风力发电装置结构图。

图12是实施例4的双叶片风力发电装置结构图。

具体实施方式

本发明的流体动力提供系统推进器叶片为类似螺旋形叶片，最关键部分是球面与圆柱面的相贯线，这是该叶片形成的基础，采用画法几何的方法，绘制出球面与圆柱面的相贯线，如图1~ 图4所示。 

本发明的叶片是由一个面沿着球面2与圆柱面1的相贯线3轨迹上升的同时还绕定轴迴转形成的实体，如图6所示，该运动是个复合运动，球面2与圆柱面1的相贯线3与运动方向夹角是45度，叶片上弦处的黄金分割点一直在相贯线上，上弦是指叶片的凸部分，扫掠出该“翼型”沿“球面与圆柱面的相贯线”的移动轨迹,叶片上弦的翼型攻角α为6度～16度，叶片与迴转半径夹角β为70度~110度，如图5所示。叶片可以为玻璃钢、碳素纤维、树脂材料或铝合金、铜等金属材料。

流体速度快，则压强就小，这是佰努利定律的一个重要概念，此叶片的上弦部分流速比下弦的大，所以下弦的压力大于上弦，下弦压力减去上弦的压力（压力差）就是升力。该叶片的横截面形状就是根据流体力学这一定律而设计的，所以此叶片属于“升力型”。

球面与圆柱面的相贯线与运动方向（圆周运动的切向方向）之夹角是45度，在这一方向上叶片将有最大的劈开流体的作用力（力学应力圆理论：在与主作用力之夹角的45⁰方向上有最大的主应力），从而有效地减少了叶片的前进阻力；如果用在高寒地域的风力发电，其就能有效地防止雪堆积在风叶上，应为叶片与回转方向的夹角为45⁰，所以叶片上有最大的下滑力，这就有效防止了积雪的形成。球面上的任何一点的曲率都是相同的，这就给了流体动力提供系统推进器叶片能够接受任何方向流体的能力，从而使自然能源的利用得以大大提高。例如：流体从上、下方向来，叶片都可以捕获流体能量。

球面与圆柱面的相贯线形成的数学模型如下：在解析几何上，它是个三元二次方程组，

 球面方程： （x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²=R ；  

式中，(-D/2                                                xD/2),(-D/2YD/2),(-D/2ZD/2),R为一个常数；【1】

圆柱面方程： （x-x₁)²+(y-y₁)²+z=C ；       

(0xd),(-d/2Yd/2),(-D/2ZD/2),  C为一个常数；【2】

【2】式中的一次变量z(-D/2ZD/2)，d_圆端面的直径，D_球的直径；d=D/2；这是一个至关重要的数据，且圆柱面上的仅仅是一根素线通过该球面之中心点，这个条件是求相贯线叶片之关键；

将【1】、【2】两个方程联立，求解，即得到了“球面与圆柱面的相贯线”；

该【1】、【2】联立的三元二次方程组，就是“相贯线叶片”的成形理论基础。

这个相贯线是个二次空间曲线，在此提供了两种数值逼近的方法，这些联立方程将为数控机床建立数学模型提供理论基础。

第一种方法：

首先，把变量z,做为主控制量，设步长设为1mm, x₀、y₀、x₁、y₁,这四个常量为待定常数，视具体的数控加工设备而定；此时方程组就变成二元二次方程了，并且是有量纲的运算，如下所示：

设：z的步长为1 mm，即,则

球面方程： （x-x₀)²+(y-y₀)²+(1*)²=R   

    (-D/2xD/2),(-D/2YD/2),(-D/2ZD/2),R为一个常数；【1】

圆柱面方程：（x-x₁)²+(y-y₁)²+1*=C        

    (0xd),(-d/2Yd/2),(-D/2ZD/2),  C为一个常数；【2】

式中的一次变量：z(-D/2ZD/2)，d_圆柱端面的直径，D_球的直径；

再，进行z=两个步长时，

球面方程： （x-x₀)²+(y-y₀)²+(2*)²=R   

  (-D/2xD/2),(-D/2YD/2),(-D/2ZD/2), R为一个常数；【1】

圆柱面方程：（x-x₁)²+(y-y₁)²+2*=C        

            (0xd),(-d/2Yd/2),(-D/2ZD/2),  C为一个常数；【2】

【2】式中的一次变量：z(-D/2ZD/2)；d_圆柱端面的直径，D_球的直径。

做N次逼近运算，......，不再陈述；

同理，一直进行到z=D时，

球面方程： （x-x₀)²+(y-y₀)²+D²=R   

            (0xD/2),(0YD/2),(0ZD/2),R为一个常数；【1】

圆柱面方程：（x-x₁)²+(y-y₁)²+D=C        

            (0xd),(-d/2Yd/2),(-D/2ZD/2),  C为一个常数；【2】

【2】式中的一次变量：z(-D/2ZD/2)，d_圆柱端面的直径，D_球的直径；

     到此，数值逼近过程结束。

第二种方法：

参数法，即引进一个参数θ，(图形绕Z轴逆时针方向旋转；)其为廻转半径r _i与X轴的夹角；

设坐标系如图7所示；R为球半径；

则球面方程： x²+y²+z²=R²                                            [1]

式中，（-RxR)、（-RyR)、（-RzR)；

圆柱面方程：(x-R/2)²+y²+z=（R/2)²                     [2]

式中，（0xR)、（-R/2yR/2)、（-RzR)；

再观察x-y 平面，见图8；

图中，r_i_廻转半径；图形绕Z轴逆时针方向旋转,|r_i|(0,R)；r_i的一端在Z轴上，另一端在圆柱面上，所以变量r_i仅仅是θ的函数，即，r_i=f(θ)；

      r_i=Rcos(θ)   （-90⁰ θ90⁰)                         [3]

     且，R²=ri²+zi²                                                         [3-1]

      x_i=r_icos(θ)=[Rcos(θ)]cos(θ)=Rcos²(θ)                   [4]

      y_i=r_isin(θ)=Rcos(θ)sin(θ)                             [5]

将[4]、[5]式代入[1] 、[2] 式中，得到

      （Rcos²(θ)）²+(Rsin(θ)cos(θ))²+z²=R²                          [6]

       (Rcos²(θ)-R/2)²+(Rsin(θ)cos(θ))²+z=(R/2⁾²                     [7]

这样就把相贯线方程变成了 z、θ 的二元二次方程了；

由  [3-1]式可得到：zi=                         [8]

我们可以把参数θ做为控制量，令θ的步长为1⁰  ，即 ⁰

由【8】式，可得到z₁的数值；

由【4】式，可得到x₁的数值；

由【5】式，可得到y₁的数值；

在上述步长（即， ⁰）情况下，共做了180次的数值逼近。若需要提高精度，可进一步缩小步长，当然运算量也随之增大。

结果如下所示：

z₁、x₁、y₁

z₂、x₂、y₂

z₃、x₃、y₃

... ... ... ...

z_i、x_i、y_i

... ... ... ...

z₁₈₀、x₁₈₀、y₁₈₀

至此，运算结束。

本发明的流体动力提供系统推进器叶片5安装于轴4上形成发电装置，其叶片形状结构和安装方式如图9~图12所示，它能接受来自任何方向的运动流体的能量，从而把其转换成绕定轴转动，最终为工作机提供了动力。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.流体动力提供系统推进器叶片，其特征在于：为类似螺旋形叶片，所述叶片是由一个面沿着球面（2）与圆柱面（1）的相贯线（3）轨迹上升的同时还绕定轴迴转形成的实体，球面（2）与圆柱面（1）的相贯线（3）与运动方向夹角是45度，叶片上弦处的黄金分割点一直在相贯线上。

2.根据权利要求1所述的流体动力提供系统推进器叶片，其特征在于：所述叶片上弦的翼型攻角（α）为6度～16度，叶片与迴转半径夹角（β）为70度~110度。

3.根据权利要求1所述的流体动力提供系统推进器叶片，其特征在于：所述叶片为玻璃钢、碳素纤维、树脂、铝合金或铜材料。