CN104822937A - 用于利用马格努斯效应的涡轮机的旋转叶片主体,且所述涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于利用马格努斯效应的涡轮机(20)的旋转叶片主体(10)，且该涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，其特征在于，该叶片主体由第一部段(11)和第二部段(12)限定，所述第一部段更远离所述涡轮机的所述旋转轴线，所述第二部段连接所述第一部段(11)和涡轮机的所述旋转轴线，所述第一部段(11)被外接在Rankine-Fuhrmann构造的第一卵形内，其短轴(D1)包括在涡轮机轴线的直径(Φ)的1/5和1/6之间，并且其长轴(L1)等于所述短轴(χ)的10倍，所述第一部段(11)在其最远离涡轮机的所述旋转轴线的点处具有较大直径，并且等于D1，且其长度至少等于所述较大直径；连接在所述第一部段(11)和涡轮机的所述旋转轴线之间的所述第二部段(12)被外接在Rankine-Fuhrmann构造的第二卵形之内，其长轴(L2)对应于涡轮机的直径(0)，且其短轴(D2)等于所述长轴(L2)的1/10，所述第二部段(12)在其最远离涡轮机的所述旋转轴线的点处具有较大直径，并且其长度等于所述第一部段(D1)和涡轮机的所述旋转轴线之间的距离。
Description
技术领域
本发明涉及用于利用马格努斯效应的涡轮机的旋转叶片主体，且所述涡轮机的旋转轴线平行于运动流体(motor fluid)的方向。
更具体地说，本发明涉及叶片主体的构造技术的定义，所述叶片主体利用相对于它们的纵向轴线的旋转运动激励，安装在液力和风力轴向涡轮机中，该涡轮机根据已知为马格努斯效应的动力效应操作。
背景技术
在本文中，利用表达方式轴向涡轮机，它表示旋转轴线平行于运动流体的方向的涡轮机。
如公知的，在旋转圆柱体相对于它的纵向轴线的自转与在垂直于所述纵向轴线的方向上撞击所述圆柱体的流体流之间存在相关性。这种相关性1852年被马格努斯第一次描述，为此原因，它称为马格努斯效应。
这个相关性在圆柱体的横向裙部上通过称为“升力”的力被突出，该力沿着垂直于流体流的流线的方向，并且根据圆柱体的旋转方向，相对于所述流在顺时针或逆时针方向上旋转；更具体地说，当所述圆柱体逆时针旋转时，所述力在顺时针方向上旋转，而当所述圆柱体顺时针旋转时，所述力在逆时针方向上旋转。
定量地，圆柱体的每单位长度的升力L的模量(以N/m表示)由Kutta-Joukowski的方程给出，并且等于流体的密度ρ(以kg/m3表示)、流体丝条的渐近速度V0(以m/s表示)，即，在流体丝条未受干扰地移动的情况下流体丝条的速度，以及回路(以m2/s表示)的乘积。
在方程中，如果圆柱体具有半径R(以m表示)，由于马格努斯效应所致的升力由以下关系决定：
L＝ρ·V0·Γ＝ρ·V0·2π·ω·R2＝2π·ρ·V0·(ω·R2)
这个关系与截面的形状相关，即，对于任何截面它是有效的，截面意思为沿着穿过旋转体的旋转轴线的剖面的旋转体的轮廓。
转让给Instituut vor Aero-Hydro-en Dinamiek，发明人是Anton Flettner的美国专利第1,674,169号描述了马格努斯效应的若干可能的应用，尤其是作为船只的帆和风力发电机的叶片，并且提供旋转体的多种可替代实施方式，尤其是包括圆柱体形状(在专利中，示出了若干船只配备圆柱形的旋转体所构成的帆，但是也示出了风力发电机，该风力发电机的旋转轴线平行于风的方向，其中，每个叶片主体由圆形横截面的四个圆柱体形成，并且其直径从轮毂朝向端部增大)，椭圆形状(仅在涉及船只的图中提及，而没有描述其特性)以及由两个截锥部分构成的形状，所述两个截锥部分由圆柱形部分相互连接(在该情况下，也没有任何规定这些部分之间的特定尺寸关系的描述)。参照风力发电机，其中，涡轮机叶轮的直径和叶片主体的直径之间的比率，也成为纵横比L/D等于23。
基于这个第一个专利以及其他随后的专利，Flettner在1000吨的吨位的船只上安装有两个马格努斯效应旋转圆柱体，直径为2.75m并且15m高，由两个大约40kW的电动机驱动，750圈/min自转，并且离开Hamburg(1926年3月31日)进行其处女航，并且到达纽约(1926年5月9日)(A.Flettner,“Mein Weg Zum Rotor”1926)。
在1927年，Flettner设计了具有四个马格努斯效应圆柱体的轴向涡轮机，以给柏林的无线电站的发电厂供电。
在美国专利第4,366,386号中，TF Hanson提出轴向风力涡轮机，具有三个圆柱形叶片主体，该叶片主体根据马格努斯效应起作用。在这种情况下，纵横比L/D等于15。
1985年，J.Cousteau以与Flettner的转子船(rotoship)相同的方式为其远洋船配备了由他拥有的专利所产生的变型。
欧洲专利N.886728描述了一种涡轮机叶片，其中，称为“手征性的”主体围绕其纵向轴线旋转，该纵向轴线围绕中心动力轴轮毂径向定位，呈现出称为“球茎形状”的大体形式。这些球茎形状的叶片主体的轮廓没有限定，即，旨在改善球茎状叶片的工程设计，这些球茎形状的叶片主体的描述缺少支持与轮廓的选择相关的流体动力学方面的优点的实现方式的几何基准。
此外，在欧洲专利第886728号中，它陈述了叶片主体的最优几何结构是通过实验模型的数值模拟由计算机提供的数据，并且将空气动力学和机械需求考虑进去而推导出的。这意味着，不时地开始CFD(计算流体动力学)的特定分析，这提供了非常复杂的计算工具，由于在真实流体的情况下，粘性介入到计算中，这会改变升力和曳力的系数。
PCT申请第WO2002/042640号的特征在于截面的几何形状方面的相同种类。实际上，在这个情况下，发明的形成叶片的物体也被描述为轴线对称主体，该轴线对称主体根据大体上“圆柱-圆锥”形式来设计，但是关于构造特征以及由于所提出的新的叶片几何形状而在流体动力学场中的改进，没有给出细节。
在2009年，风力涡轮机的其中一个最大的制造商德国Enercon开发了一个货轮，该货轮130m长、22.5m宽且10500公吨的静重(DWT)，配备有四个马格努斯效应圆柱体，该圆柱体25m高且直径为4m，与传统的推进螺旋桨成一体，获得40％的节省。
在1930年到1950年期间，Marco Todeschini研究并试验了马格努斯效应并最终编纂了“La Teoria delie Apparenze(Spazio-Dinamica&PsicoBiofisica)”(1949年由Istituto Italiano d’Arti Grafiche在bergamo出版)以及“Psico-Biofisica”，Ed.Centro Int.di Psicobiofisica,Bergomo,1949，提出了基于动力学考虑并由船模试验池中所进行的试验所验证的马格努斯效应的革新解释，确定了在两个彼此平行的圆柱体上观察的吸引和排斥效应，并且由于它们围绕它们相应的纵向轴线旋转，与地球的惯性，即，地球的自转，联系到一起。
旨在给出这种理论-试验论点的更一般的理由，可以认为Flettner的转子船被马格努斯动力学过程激励的惯性力所驱动，并且进一步，在Kutta-Joukowsky的回路的理论中考虑并在数学上解释，根据相对论解释再考虑。
这合理地意味着基于仅与流动的纵向方向共轴的坐标系的一维理论是不充分的，由于它没有考虑地球的旋转运动，即，“Campo Centro-Mosso”(CCM)(根据Todeschini所使用的命名)。
因此，为了领会马格努斯效应的意义，并且理解其内涵，需要在位于地理三点坐标系外侧的三点坐标系中移动观察点，以便如其实际上那样将共轴坐标系归结于地球的两个运动，即，它围绕太阳的旋转和它围绕其轴线的旋转(自转)。
简言之，对于一维流理论，它被局限于认为仅流动的纵向分量是起作用的，需要新的动力学模型替代，其中地球介入，且它的贡献投射到流动方向上。
如上所述，仅在观察点位于Campo Centro-Mosso外侧的三点坐标系上时才能够评估这个贡献。
那么，有可能说在马格努斯效应机器和Campo Centro-Mosso(即，地球)之间，在所产生的能量(作用)和从Campo Centro-Mosso提取的相等能量(反作用)之间毫无例外地存在相对应性。
于是，根据Todeschini的理论试验分析，仅在水中的根据马格努斯效应的工作机器，在这种情况下，被假设是不可压缩的，并且在非常关键的动力学领域中，具有107量级的雷诺数，才能够将Campo Centro-Mosso的势能，即，地球的势能转变成有用的力。
但是，在迄今为止提出的采用马格努斯效应的机器中，这个重要的功能从未被考虑在内，结果这些机器利用马格努斯效应的能力并非最佳，即，从不同的观点出发，这些机器的研究和设计，尤其是参照旋转体的形状，还没有在地球旋转的贡献方面优化。
鉴于上面情形，显然存在马格努斯效应机器的需求，该机器考虑影响马格努斯效应的所有分量来设计。
发明内容
在本文中，包括根据本发明的技术方案，旨在提供一种旋转体，考虑到它们用作具有平行于流体流动方向的旋转轴线的涡轮机叶片，也定义为叶片主体，即，叶片主体的旋转轴线垂直于流体流动方向，具有与根据现有技术考虑的不同的特别截面。这些叶片主体被提出用于构建风力或水力涡轮机，在流动的水和闭合回路中工作。
除了上面的论证外，通过随后的理论和试验分析，通过将惯性的理论与量子力学理论相比较，也可以找到通过马格努斯效应产生能量的更多的解释。
在这个方面的特别的重要性具有工程应用(如作为磁悬浮火车)，其中，有可能利用非均质磁场以及磁化率梯度，还利用“量子真空“的新解释，考虑能量和脉冲的供给者，以及，因此，宇宙中所有主体之间的连接要素，而不忘记水的物理特性。
尤其是，根据本发明，参照由它们自身的自转所激励的圆柱体在水中产生的涡旋运动的理论，这个运动能够在水中产生强磁场，为此，在叶片主体和环境之间的分离表面处，产生强大的压力梯度，导致功率的产生。
在圆柱体和轴线对称叶片形状的当前技术选择范围内，因此，提出本发明，以提供在工业工程设计领域以及在与叶片的移动相关的被动力减小方面都提供重大改进，由此，促进了功率输出的增加。
这些和其他结果是根据本发明获得的，本发明提出一种用于利用马格努斯效应的且旋转轴线平行于运动流体的方向的涡轮机的旋转叶片主体，其截面通过参照被认为可信和可靠的信息并参照试验结果来获得，该试验结果给出圆柱体的升力作为圆柱体的自转和未受阻碍的风的速度之间的关系的函数，以便在流体动力学参数的处理之后，构成这样一种构造，该构造在卵形主体的截面上以精确的长度和宽度比率来构建，在航空工业中广泛经历，关于升力和曳力的系数，并尤其在Rankine-Fuhrmann的卵形的截面上构建，在飞艇的实现中应用。
以这种方式，可以确保在缩减轴的功率所有项上的减小，如例如：
由于在叶片主体的外表面上的流动的摩擦所导致的项；
表示电动机的损失的项，该电动机产生叶片主体的旋转；
表示传动和支撑元件：齿轮和轴承中的摩擦损失的项。
也有可能确保：
在工业生产线上应用的标准；
在两个相邻叶片主体之间的更大的表面，用于流体穿过运动中的涡轮机的叶轮；
在功率线上由于尾流分离所导致的能量耗散和损失方面的减小。
因此，本发明的目的是提供一种用于利用马格努斯效应的涡轮机的旋转叶片主体，涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，这允许克服现有技术的方案的局限性，并且获得上面描述的技术效果。
本发明的另一目的是所述叶片主体能够不仅在制造成本方面而且在管理成本方面，用基本上有限的成本制造。
本发明的另一目的是提供一种用于利用马格努斯效应的涡轮机的叶片主体，其中该涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，该叶片基本上简单、安全和可靠。
因此，本发明的特定目的是如权利要求1中所限定的一种用于利用马格努斯效应的涡轮机的叶片主体，其中该涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，以及如权利要求8中限定的利用马格努斯效应的涡轮机。
根据本发明的叶片主体和涡轮机的进一步特点在相应的从属权利要求中限定。
附图说明
现在，将特别参照附图中的图示，根据本发明优选实施方式，描述本发明，该描述用于说明性的而非限制性目的，图中：
图1示出Rankine-Fuhrmann的卵形，并具有其构造线和其特性测量值的指示；
图2示意性示出具有随机形状的叶片主体，其用于计算最大可获得功率；
图3示出根据本发明的第一实施方式的利用马格努斯效应的用于涡轮机的旋转叶片主体的基本形式的剖面图，并示出其构造线；
图4示出图3的旋转叶片主体的基本形式的透视图；
图5示出根据图3的旋转叶片主体的基本形式的利用马格努斯效应的用于涡轮机的旋转叶片主体的侧视图；
图6示出图5的旋转叶片主体的前视图；
图7示出图5的旋转叶片主体的第一透视图；
图8示出图5的旋转叶片主体的第二透视图；以及
图9示出利用根据本发明的第二实施方式的旋转叶片主体实现的利用马格努斯效应的涡轮机的转子的一部分的透视图，其中涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向。
具体实施方式
已知普通流动管道的每单位时间的动能可以转变成机械功，而该机械功可以转变成电能。
也已知对于快速三叶片马达，转换比率接近38％。
近年来的理论和实验(Badr,H.M.,Coutanceau,M.,Dennis,S.C.R.和Menard,C.,"穿过雷诺数为103和104的旋转圆柱体的不稳定流(Unsteadyflow past a rotating circular cylinder at Reynolds numbers 103and 104)",J.Fluid Mech.(1990),vol.220,459-484.；M.H.Chou,"从浸没在均匀流场中的旋转圆柱体流出的涡流的数值研究(Numerical study of vortex shedding from arotating cylinder immersed in a uniform flow field)"Int.J.Numer.Meth.Fluids(2000),vol.32,545-567；Y.T.Chew,M.Cheng,S.C.Luo:"利用混合涡流方案对穿过旋转圆柱体的流动的数值研究(A numerical study of flow past arotating circular cylinder using a hybrid vortex scheme)"J.Fluid Mech.(1995),vol.299,pp.35-71；W.M.Swonson"马格努斯效应：目前调查的总结(TheMagnus effect:A summary of investigation to date)",Trans.ASME,D,(1961),vol.83.No.3,P.461-470；N.M.Bychkov"马格努斯风力涡轮机.2.旋转圆柱体的特性(Magnus Wind Turbine.2.Characteristics of rotating cylinder)"Thermophysics and Aeromechanics,vol.12,No.l,2005；N.M.Bychkov"马格努斯风力涡轮机.1.模型测试的结果(Magnus wind turbine.1Results ofmodel testing)"Thermophysics and Aeromechanics,vol.11,No.4,pgg.567-580(2004)；L.S.Pan,Y.T.Chew"用于计算在可压缩流动中的二维任意主体的普通方程(A general formula for calculating forces on a 2-d arbitrary body inincompressible flow)"J.of Fluids and Structures(2002)16(1),71-82；风洞测试以识别马格努斯效应风力和水利涡轮机的效率(Wind tunnel testing to identifythe efficiency of Magnus Effect wind and hydraulic turbines)(2008,A.Zasso,Politecnico di Milano,Department of Mechanics))已经表明可以利用特定形状并由其自身自转所激励的叶片主体以利用动力学马格努斯效应来改善风力涡轮机的性能，它的循环的升力由Kutta-Joukowsky的环量方程来调整。
本发明旨在优化轴线对称的叶片主体的实现方式，该叶片主体由在航空工程中广泛经历的回转面获得，如飞艇的包络表面，并且尤其是基于Todeschini的研究结果(1949)，以及更近的研究(风洞测试以识别马格努斯效应风力和水力涡轮机的效率(2008，A.Zasso,Politecnico di Milano,Department of Mechnical Engineering)，即，尤其是基于与升力(与运动方向垂直的力)以及阻力或曳力(纵向和横向上的)相关的试验，所述力是由于介质的粘性摩擦的存在以及在主体的表面上的压力场的效应，并最终由于这两个力的比率所致，称为流体动力学效率E。
对于曳力(本发明聚焦于该力的减小)，有可能明显做出三个贡献：
表层摩擦曳力，与流体的粘性相关联；
诱导曳力，与翼尖的涡流相关联；
形成曳力或压力曳力，其很大地取决于主体的形状，本发明聚焦于这个最后方面。
简言之，根据本发明，提出了叶片主体的构造，为了给出功率的良好结果，参考高升力和限制曳力的系数测试和验证的方案，并且同时参考给出具体的空气动力学和几何基准的参考文献，做出相对改进，精确和容易再现。根据本发明，这些需求已经在参照图1所示的Rankine-Fuhrmann的实心卵形体中得到确认，特征在于长轴L和短轴D之间的比率优选地等于或接近10。这个几何条件涉及复杂计算问题的研究，该问题基于一些边界条件通过迭代求解。
在所提出的方案中，在Rankine-Fuhrmann的实心卵形体的几何尺寸之间的关系仅取决于源的强度q和赋予源的均匀流的速度V之间的比率，如随后的描述中所解释的。
从Rankine-Fuhrmann的卵形导出的旋转固体已经广泛用在航空工业中，用在大型飞艇的建造中，由于它的形状沿着纵向轴线具有高的穿透系数，并且在横向方向上具有减小的曳力系数。
在本发明中，还提出了另一个重要的数据，即，涡轮机直径Φ和在叶片主体的端部处的最大直径D之间的比率，叶片主体的长度LP等于Φ/2。参照图3，称为最佳纵横比的涡轮机直径Φ和在叶片主体的端部处的最大直径D之间的这个比率参照分别在Flettner转子船、Cousteau的海洋学研究船和Enercon船的现场的统一测试，在5和6之间变化。
根据本发明的利用马格努斯效应的涡轮机的能量产出能够通过另外彼此独立地参照空气动力学力、作用在叶片主体的表面上的压力和速度的物理-数学研究、以及设计成减少每个转子主体的运动的能量消耗的特定技术手段得以进一步改进。尤其是，这些额外设计变量的应用允许能量产出优于最现代的水力涡轮机的能量产出，即使在存在适中的静液载荷(在Kutta-Joukowsky的环量的作用下，类似于更大的马达水力落差)以及流体流的速度场的情况下，后者根据马格努斯效应，转变成压力场。
根据本发明，需要参照Kutta-Joukowsky的理论，由于这个理论，可以将作用在被流体流撞击的主体上的承载力连接到沿着围绕主体的线的速度的环量上。简言之，如果环量是零，升力是零，而如果环量不为零，则升力不为零。
此外，根据本发明，所有参数的最佳值将被限定为利用马格努斯效应最影响涡轮机性能的值，它们是：
Rankine-Fuhrmann的卵形的纵横比L/D，其中，叶片主体的不同部段被包括(inscribe)，如下面将解释的；
叶片主体围绕其自身纵向轴线的旋转(自转)速度；
叶片主体的数量n；
叶片主体所设置的轮毂的尺寸z；
连接到涡轮机的发电机的负载G。
所有这些量将存在于相对能量平衡，由描述功率的产生过程的方程表示，并且计算投入到叶片主体的旋转运动(自转)中的被动功率。
此外，在能量平衡中，总是参照叶片主体的旋转，以及参照衍生的动力学系数。在对利用马格努斯效应的轴向或径向涡轮机有效的这些关系中，如果它们以开环工作(由于风或流动的水驱动)，以及如果它们以闭环操作，均出现：纵横系数Ψ，涡轮机的直径和叶片主体的直径之间的比率；动力学系数λ，涡轮机叶轮的圆周速度和相互作用的未干扰的流体的速度(也称为渐近速度)之间的比率；流体动力学系数α，表示叶片主体的切向自转速度和相互作用的未干扰的流体的速度之间的比率；以及流体动力学系数的空气动力学系数E(升力系数CL和曳力系数CD之间的比率)。
初步地，对于这些参数，如具体科学文献所建议的，值能够从计算和试验中归结得出，这是因为它们的数值是由于不稳定性和涡流分离(假设随机类型的特性)的现象所致。在第二阶段，有可能将原型结果与通过CFD类型(计算流体动力学)的计算程序获得的那些相比较，并且借助于随后的迭代并借助于控制涡轮机操作模式的动力学参数，有可能识别出粘性和温度(热动力学参数)的最适当值。
在下面的描述中，将详细处理迄今期望的概念。
如已经提到的，本发明的基础是选择在具有优选地等于或接近10的纵横比L/D的Rankine-Fuhrmann的卵形的对称截面上成形的叶片主体的截面，这个方法在最近已经广泛用于飞艇的构造，由于它对于面对飞行路线的前部并且对于横截面确保了低的曳力系数，同时为侧流线提供更大的面积。
首先要提到的是，从物理角度来看，在运动的开始阶段期间，建立围绕截面的流体流的循环分量并且产生马格努斯效应的机制是由于在真实流体的限制层处的粘性力的作用。随后，一旦已经产生循环运动，能够借助于不可压缩和不可转动的流的描述，来研究产生升力的流体的静止运动。
为了描述本发明，参照物理数学模式，利用该物理数学模式，对主体的形式建模，该主体与快速流动的流相互作用。
用于模拟主体的空气动力学特性的动力学事实的研究的基本原理是源和井与流体流相互作用，该流体流被激励有具有渐近速度V∞的规则运动。
源被表示为物理数学点实体，从该物理数学点实体，流开启在被具有规则运动的流体的流穿过的区域中扩散，而井(沉(sinks))被归纳为数学物理点实体，在该处，流消失。
在具有均匀速度V∞的流仅仅投入给定强度的源时，它在源的上游开放，并且在流线的新的轨迹之间，在平行于流的方向的轴线z上示出流线，该流线从位于源的上游的驻点开始，穿过源，它布置成绘出一条开口的截面，称为Rankine的半无限拱形(ogive)。
如果具有渐近速度V∞的流体流首先遇到指定强度的源，并随后遇到相等且相反强度的沉，源和沉被绘制在z轴上，流线开放然后封闭，即，有可能获得两个奇点，称为驻点，第一个在源的上游，而第二个在沉的下游，并且流线流过两个驻点并在这些驻点之前和之后与z轴重合。
通过围绕z轴旋转这个流线360度得到的封闭表面限定了预定长度的三维轴线对称主体的形状，该主体定位在所考虑的流中，在所述流线外侧精确地再现运动的场。这意味着，通过源和沉的存在所产生的流线的回转形成的这个主体的截面如果进入到流体流中的话不会改变源和沉的流动所改变的流动图案。具有这种形式的主体被称为Rankine固体或Rankine卵形体。
如果沉以沉的无限序列分布，称为沉片(sheet of sinks)，以逐点吸收通过无限数量的源(称为源片)分布的相同的流动，在这个源片-沉片组合之内绘制的主体，由渐近速度V∞的平流(plain stream)投入，具有对称的截面，该截面是穿过驻点的流线。这个截面被称为Rankine-Fuhrmann的对称截面。
该截面的普通方程，鉴于它的难度，推测每次由源片所分布的并且由沉片所吸收的每单位长度的流量的值能够满足截面的积分方程，通过迭代求解它。这个方法由Rankine推导出来并然后由Fuhrmann以系统化方式应用，Fuhrmann确定了对应于不同分布的形式。所谓的Fuhrmann的穿透固体也被识别，并且这个命名是由于表征这些固体的低曳力系数，由于伴随流的它们的截面逐渐并最终具有非常有限的尾流，不同于钝体，如圆柱体，后者呈现非常大的尾流，特征为涡流的存在，该涡流会分离和消减主体在流体中穿透的能量。
为了进一步提高根据本发明的叶片主体的升力能力，也可以通过将其横向表面覆盖小的足迹(凹坑)，如用于高尔夫球的那样，旨在制造边界层涡旋，并因此减小曳力。
所有的前面的内容构成理论基础，支持根据本发明的利用马格努斯效应的用于涡轮机的旋转叶片主体的实现，其中所述涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，在下面的描述中将对其更加详细的介绍，尤其是参照图3至8中所示的第一实施方式，图9示出利用马格努斯效应的涡轮机，其旋转轴线平行于运动流体的方向，其上应用了根据本发明第二实施方式的旋转叶片主体。
尤其是，如图3至8所示的根据本发明的第一实施方式的或者如图9所示的根据本发明的第二实施方式的具有卵形截面的叶片主体在两种情况下都用附图标记10标识，并且由两个部段构成，第一部段11定位在叶片主体10的外部，即，在更远离轮毂13的部分内，该轮毂在利用马格努斯效应的涡轮机中支撑所述叶片主体10，而第二部段12定位在所述第一部段11和所述轮毂13之间，具有连接所述两个元件的功能。
所述叶片主体10的实现是根据相互连接的三个连续的步骤来开发的：
首先，从项目数据的处理开始，流体流量(以m3/s表示)和高度(以m表示)，涉及涡轮机叶轮直径Φ的计算；
第二，最终以叶片主体10的所述第一部段11的实现，参照理论试验结果，该实现涉及在涡轮机叶轮的直径Φ和卵形叶片主体的最大直径D1之间的纵横比Φ/D1的选择，并且用于Rankine-Fuhrmann固体的绘制，且短轴被设定为等于D1，其外接叶片主体10的所述第一部段11，即，它被用在(即使部分地被用在)所述第一部段11的构建上(图3-4)；
第三，连接到针对Rankine-Fuhrmann的内部卵形选择的几何比率，用于构建所述第二部段12，所述第二部段12用于连接在所述第一部段11和轮毂13之间(图3)。
更准确地说，作为设计的事项，在固定涡轮机叶轮直径Φ之后，叶片主体在Rankine-Fuhrmann的构造的两个卵形截面上研发，第一：长轴L1和短轴D1的比率等于10的大的和外部的卵形截面，以及第二：长轴L1和短轴D1的比率仍等于10(图3)的小的内部的卵形截面，它们的差异在下面强调。
参照图3，叶片主体10的第一部段11的截面的短轴D1是通过流体动力学考虑而获得，该流体动力学考虑指示纵横比Φ/D1等于5至6。这个纵横比已经被广泛测试，作为圆柱形转子帆(roto-sail)的高度和它们的直径之间的最佳比率：在Flettner的转子船；在Cousteau的远洋船只Alcyone中；并且在Enercon的货轮中。
然后，固定的
Φ/D1＝5；
由此：
D1＝Φ/5
有可能绘制出Rankine-Fuhrmann的构造的外部卵形，其中，长轴L1等于10·D1，由此获得方程：
L1＝10·D1＝10·Φ/5＝2Φ
因此，可以绘出该构造的第一卵形，即，较大的卵形，它外接叶片主体10的第一部段11，即，在叶片主体10的端部处的部段，所述构造的卵形具有短轴D1＝Φ/5且长轴L1＝2Φ。
根据本发明的第一实施方式，涡轮机叶片20的主体10的第一部段11沿着较大卵形的截面获得，且它的最远离涡轮机的旋转轴线的部分从穿过短轴D1并垂直于长轴L1的平面开始，并沿着卵形的截面持续等于短轴D1的长度(图3)。
以这种方式，在卵形的叶片主体的最外部和最有效部分中实现了伪四边形(mixtilinear quadrangol)，由于马格努斯效应的作用的推力中心远离功率轴线，即，远离轮毂13，因此，具有较长的臂可以具有更高的马达扭矩。
连接第一部段11和轮毂13的叶片主体10的第二部分12能够仅从用于Rankine-Fuhrmann的卵形的几何比率L2/D2＝10中推导出，并且在较小卵形的截面上绘制，设定L2等于Φ(或者L2/2＝Φ/2且D2＝Φ/10)，直到它到达轮毂13(图3和图5)。
为了理解并验证产生根据本发明的利用马格努斯效应的用于涡轮机的旋转叶片主体的形状的选择，其中该涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，应该指出的是在旋转叶片主体上的入射通量的效力是不均匀的，而是沿着从轮毂13开始并指向叶片主体10的端部的径向方向变化。
这个变化取决于特定参数，如涡轮机的圆周速度，属于两个相邻叶片主体的相邻元件之间的角距离，以及距轮毂13的轴线的等距离，表面的粗糙度状态。
根据本发明的涡轮机在选择Rankine和Fuhrmann的卵形的截面的情况下，提供高的积分表面面积，因此，可以考虑海军概念机器(naval conceptionmachine)，它的特征为L/D的低值(处于已经用于Flettener的动力船的关系)，以及在模型中在1500和3500转每分钟的慢的自转，而在实际尺寸的机器中，自转在200和650转每分钟(在空气中)之间或更高(在水中)逐渐变化。
参照原型机器，该分析允许确定该关系，利用该关系，可以预测最大可提取功率。
在理想非粘性流体的条件下有效的从和到积分移动的相同方程允许计算功率因数，利用该功率因数，可以在不同叶片主体之间进行比较。
显而易见地说，在真实粘性流体的情况下，升力和曳力系数将具有与理想值不同的值，但是总是可以使用试验结果。
最终，最大可提取的功率的表达式必须被考虑为理想的，由于它没有考虑粘性效应和边界效应。但是这将不会影响叶片主体对形状和几何的相关性的表达。
已知，在文献中，给出很多试验数据，这给出了与圆柱体的旋转的圆周速度和风速V∞之间的比率相关的圆柱体的升力。
为了归纳在任何形状的叶片情况下的升力的计算，可以根据以下的简化假设进行近似：
a)叶片可以被表示，并然后被分成圆柱形状的(3-6)部段；
b)鉴于旋转运动缓慢的事实，可以将各种部段的圆形运动近似为平移运动，其速度Vh是相当于其质量中心的速度；部段的质量中心的这个速度被加到实际风速V∞上，识别一个虚拟速度Vf，利用该虚拟速度，可以计算每个部段的升力；
c)叶片的周边点的速度是叶片的自转的速度；
基于前述方面，对于远离涡轮机的旋转中心(即，轮毂)的叶片距离h的第h部段，与空气动力学力相关联，该空气动力学力通常分解成与虚拟速度Vf垂直和平行的两个分量，它们分别是升力和曳力。
为了比较不同形状在从涡轮机可提取的功率的产生方面的效果，可以如下进行。
参照单个叶片主体(图2)，可以写成：
a)在虚拟速度Vf的力系数的有用分量Cu的函数中，从一般元素可提取的功率的产生的有用基本力dA：
dFu＝1/2ρVf 2CudA (1)
其中，dA＝2Rp dh；
Cu＝CLcosΦ-CDsinΦ＝CL(V∞/Vf)-CD(Ωh/Vf)
Vf 2＝V∞ 2+Ω2h2
b)力的基本扭矩dFu：
dM＝(dFu)h (2)
c)基本功率
dP＝(dFu)hΩ (3)
d)对于整个叶片主体的功率
PW＝1/2pΩ∫Vf 2Cu dA h (4)
其中，积分扩展至极限的有效面积。
在关系(4)中替代先前的表达式(参照图2获得)，可以得到：
Pw＝1/2pΩ∫(V∞ 2+Ω2h2)(CL V∞/√(Ω2h2+V∞ 2)-CDΩh/√(Ω2h2+V∞ 2))h 2Rp(h)dh (5)
其中，h在0和Rcp(叶片主体的半径)之间积分，升力系数CL和曳力系数通过在圆柱体，即，在叶片主体的整个表面上积分压力系数Cp和摩擦系数Cf而获得。
在理想非粘性流体的条件下，结果Cf＝0，且积分Cp得出CD＝0，由此，系数CL可以表示为：
CL＝(2πω/νf)Rp(h)
由此：
CL＝(2πω/√(Ω2h 2+V∞ 2))Rp(h)
系数CL和CD的使用允许从palar叶片主体获得独立值(并且仅由数量Re、M和Fr相关)。
关系(5)随后在如下关系中被缩短：
Pw＝1/2ρΩ2πωV∞∫RP 2(h)h dh (6)
替代积分并且用β表示乘积项：
β＝1/2ρΩ2πωV∞
可以得出：
Pw＝β∑i(RP 2(h)hΔhi)
其中，i＝1，N；N是涡轮机的叶片主体被分成的部段的数量，并且Δhi是第i个部段的幅度，其中，被叶片主体投影的面积被除(在矩形部段的情况下，容易得出Δhi＝2RP(h))。
比率PW/β被称为功率因数，并且表示叶片主体的性能。
显然，末端的头部是用于产生功率的最重要的元件，而其他部段的贡献可以忽略。
为此原因，根据本发明的叶片主体除了关切提供对沉降流体的减小阻力的截面之外，关切最远离轮毂的部段。
图3允许分辨出构成根据本发明的利用马格努斯效应的涡轮机20的叶片主体10的结构的两个部段11、12.
第一部段11，即，相对于轮毂13的大部分周边，遵循较大卵形的截面，该较大卵形从先前描述的试验流体动力考虑中推导出。
第二部段12遵循较小卵形的截面，并且作为第一部段11和功率的轴线(即，轮毂13)之间的联接部。
参照图5至8，叶片主体10通过端部盘14完成，该端部盘14具有大于D1的直径D3，并且优选地在1.25和1.3D1之间，更优选地等于1.3D1，在其指向外侧的侧面上配备一系列叶片15，该叶片成形为以便从产生推力的流动中获取能量，通过该推力，叶片参与叶片主体的自转的运动中，由此减小发动机的能量消耗，这些叶片结合到叶片主体中，专用于叶片主体自身围绕它们的轴线的旋转。
端部板14和小翼15与端部的先前实施方式(Flettner转子船；N.M.Bychkow“马格努斯风力涡轮机2.旋转圆柱体的特性”,Thermophysics andAeromechanics Vol.12No.1,2005)相比是改进的改造。尤其是，端部板具有增加叶片主体的升力，减小末端的流体束的涡旋的目的，并且其直径D3等于k·D1，其中k取决于旋转的叶片主体的自转速度和入射到叶片主体上的合成速度VR之间的比率，该合成速度是相互作用的流体的未干扰速度V∞和涡轮机叶轮的圆周端部的圆周速度的矢量和，VR 2＝V∞ 2+Ω2·R2。
以这种方式，实现了良好稳固性的叶片主体，其与舰船推进器相当，具有纵横比L/D＝5-6的较低值，低自转值(平均在300和700rpm之间包括300和700rpm，且对于直径等于三米的原型具有大约2000rpm的峰值)。
两个部段之间的明显分离，一个部段从轮毂13开始，这是第二部段12，一个在端部，这是第一部段11，强化了端部盘14的目的，当主涡旋被分离并且向下游移动时，导致二次涡旋快速衰减，退化成鼓起部，用于增大自转(M.H.Chou“从浸没在均匀流场内的旋转圆柱体流出的涡流的数值研究(Numerical study of vortex shedding from a rotating cylinder immersed in auniform flow field)”)。
重要的是指出叶片主体的运动的决定性阶段的两个方面。
第一个方面是自转的消耗相对于投入卵形叶片的流体的速度不变，如从反复的试验循环中所理解到的。
第二个方面涉及如下事实：为了允许操作中的连续性以及限制运动所致的能量消耗，方便地是使得围绕其自身轴线自身旋转的运动元件的每个叶片主体配有可变速度，以覆盖工作范围，而与其结合有更困难的构造无关。
根据本发明的可替代实施方式，尤其参照图9中所示，叶片主体10的构造被沿着较大卵形的截面绘出，从中心线开始，绘制等于黄金矩形(aureusrectangle)的长边的长度，使得卵形的短轴D1作为短边。
这个第二实施方式优选地用于具有大于或等于3m直径的涡轮机。
根据这个实施方式并对于前述实施方式，沿着轴线测量的第一部段的长度的选择导致叶片主体特征为与外部介质冲击的大表面，这涉及到较慢的自转旋转，因此，与使用马格努斯效应的其他形式的涡轮机相比具有更长的使用寿命和更高的可提取功率。
而且，根据本发明的这个第二实施方式，如对于前述实施方式的，叶片主体10被设置有端部盘14，该端部盘的直径D3优选地等于1.3D1，伴随有一圈端部叶片15，该端部叶片15成形为从流动中获取能量，并利用其推力参与自转运动，由此减少嵌入叶片主体中的多极电动机的能量消耗。
再次参照图9，在利用马格努斯效应的涡轮机的现场的先前试验阶段提供的结果提供了六个叶片涡轮机的指示，其中，叶片主体的数量确保在起动期间推力的更大连续性，以及作为电力负载的需求的函数的功率的连续性；但是，在流体跨过涡轮机的致动器盘的区域时流体脉络不会被打断或阻挡(refused)，即使在叶片主体已经达到围绕中心轮毂的最大怠速速度时。
出于说明而非限制的目的，已经根据其优选实施方式描述了本发明，但是要理解的是在不背离所附权利要求书限定的保护的相关范围的前提下本领域技术人员可以采用变型和/或修改。
Claims (9)
1.一种用于利用马格努斯效应的涡轮机(20)的旋转叶片主体(10)，且该涡轮机的旋转轴线平行于运动流体的方向，其特征在于，该叶片主体由第一部段(11)和第二部段(12)限定，所述第一部段更远离所述涡轮机的所述旋转轴线，所述第二部段连接所述第一部段(11)和涡轮机的所述旋转轴线，所述第一部段(11)被外接在Rankine-Fuhrmann构造的第一卵形内，其短轴(D1)包括在涡轮机轴线的直径(Φ)的1/5和1/6之间，并且其长轴(L1)等于所述短轴(D1)的10倍，所述第一部段(11)在其最远离涡轮机的所述旋转轴线的点处具有较大直径，并且等于D1，且其长度至少等于所述较大直径；连接在所述第一部段(11)和涡轮机的所述旋转轴线之间的所述第二部段(12)被外接在Rankine-Fuhrmann构造的第二卵形之内，其长轴(L2)对应于涡轮机的直径(Φ)，且其短轴(D2)等于所述长轴(L2)的1/10，所述第二部段(12)在其最远离涡轮机的所述旋转轴线的点处具有较大直径，并且其长度等于所述第一部段(D1)和涡轮机的所述旋转轴线之间的距离。
2.如权利要求1所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，在所述第一部段(11)的周边端部处，存在端部盘(14)，该端部盘(14)具有大于所述第一部段(11)的所述较大直径的直径(D3)。
3.如权利要求2所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，所述端部盘的直径(D3)在所述第一部段(11)的所述较大直径的1.2和1.3倍之间，并且优选地等于所述第一部段(11)的所述较大直径的1.3倍。
4.如前述权利要求中任一项所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，在其最远离涡轮机的所述旋转轴线的端部处，所述叶片主体包括一系列叶片(15)，所述一系列叶片(15)被成形以产生推力，该推力有助于所述叶片主体(10)围绕其自身轴线旋转。
5.如权利要求1至4中任一项所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，所述第一部段(11)具有等于所述较大直径的长度。
6.如权利要求1至4中任一项所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，所述第一部段(11)具有等于黄金矩形的长边的长度，该黄金矩形以所述第一部段(11)的所述较大直径作为短边。
7.如前述权利要求中任一项所述的旋转叶片主体(10)，其特征在于，所述第一部段(11)的横向表面和/或所述第二部段(12)的横向表面存在一系列凹坑。
8.一种利用马格努斯效应的涡轮机(20)，其旋转轴线平行于运动流体的方向，其特征在于，它包括如权利要求1至7中限定的多个旋转叶片主体(10)。
9.如权利要求8所述的利用马格努斯效应的涡轮机，其特征在于，所述旋转叶片主体(10)数量是6个。
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