CN107076185B - 流体重新引导结构 - Google Patents

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Abstract

一种流体重新引导结构包括具有上游端、下游端和旋转轴线的刚性体，所述刚性体包含多个槽，每个槽绕所述旋转轴线从位于所述上游端处的尖端螺旋到所述下游端，且所述槽相对于所述旋转轴线张开，从而靠近所述下游端引导入射流体沿所述槽远离所述旋转轴线。

Description

流体重新引导结构
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.119(e)要求2014年8月5日提交的美国临时专利申请No.62/033,331的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
发明领域
本发明总的涉及涡轮机和螺旋桨，更具体地涉及用于涡轮机或螺旋桨的流体重新引导结构。
背景技术
用于从旋转运动发电的水平轴线风力涡轮机通常包括一个或更多个转子叶片，每个转子叶片具有从水平轴向外延伸的空气动力学形体，该水平轴由风力涡轮机机舱支撑并在风力涡轮机机舱内旋转。转子叶片是适合于横穿流体环境的结构的示例，其中，环境主要是环境空气。机舱被支撑在从地面或其它表面延伸的塔架上。入射在转子叶片上的风施加压力，从而通过使轴旋转来致使转子叶片移动，其中转子叶片绕该轴的水平旋转轴线从该轴延伸。该轴则与发电机相关联，如众所周知的，发电机将轴的旋转运动转换为用于传输、存储和/或立即使用的电流。水平轴线风力涡轮机通常是众所周知和容易理解的，但是期望的是改善其运行，以提高功率转换的效率及其总体运行特性。
即使在低速度下的入射风也会导致转子叶片非常快速地旋转。如会很好地理解的那样，对于给定的旋转速度，转子叶片的线速度在其根部(即靠近轴的转子叶片的那一部分)的区域中是最低的。类似地，转子叶片的线速度在其翼尖(即远离轴的转子叶片的那一部分)的区域中是最高的。特别是，在较高线速度下，当转子叶片沿其旋转路径快速“切”过空气时，转子叶片的各方面会产生显著的空气声学噪音。这种噪音会令在现场附近的人和动物非常不舒服。然而，噪音也可以是运行没有效率的指示，并且最大翼尖速度实际上可能受到这种低效率的限制。
水平轴线风力涡轮机包括至少两个且通常是三个转子叶片。转子叶片的总掠过路径被认为是在该平面中可用于风力涡轮机的总动能的度量。现有的风力技术能够仅提取一部分的入射风的动能。从风中提取的动能的最大理论值(其被称为贝兹(Betz)极限)在1919年由阿尔伯特贝兹(Albert Betz)根据被称为贝兹定律的原理证实。根据贝兹定律，风能动能提取的最大性能系数(Cp)，即贝兹极限为59.3％。
现有的风力技术实际上具有比贝兹极限低得多的Cp。风力涡轮机的效率近年来一直在提高，主要是通过转子叶片设计上的改进。然而，一些初始研究已经开始探索入射在转子叶片行进的平面的前方的中央轮毂部分中的风的利用，以提高效率和产量并减少噪音排放。
在转子叶片所附接的中央轮毂前方的那一部分可以被鼻锥体(nose cone)覆盖或可以不被鼻锥体覆盖。鼻锥体通常用作风力涡轮机的轮毂的保护罩。迄今为止，鼻锥体通常不构造用以辅助风力涡轮机的轴的旋转或者以任何方式作用以产生能量。为此，共识是，转子叶片的总掠过路径被认为是在该平面中可用于风力涡轮机的可能的动能的度量，并且在风力涡轮机轮毂上游的风的动能目前未得到充分利用。
Orbrecht等人的欧洲专利申请No.EP2592265公开了一种用于风力涡轮机的功率产生自旋器。该申请描述了翼型延伸的区域，该区域在连接在轮毂区域处的转子叶片的根部区域上，以及逆风翼型部分，该逆风翼型部分被设置在风力涡轮机的每个叶片的内侧部分的逆风方向；该风力涡轮机具有绕旋转轴线通过轮毂相互连接的多个叶片。该专利申请还描述了功率产生自旋器通过增加对流过功率产生自旋器的空气的轴向诱导并将在外侧的空气流引导到叶片的空气动力学有用区域而提高风力涡轮机的效率的能力。
Herr等人的美国专利No.8,287,243公开了一种风力涡轮机的自旋器。内转子部分中的空气流可能经过风力涡轮机的转子而没有用于产生能量。圆柱形的自旋器使风绕转子叶片根部偏转，使得现有的风力涡轮机的效率提高。
风力涡轮机的摇摆控制对于通过包含从转子叶片的自旋入射大致90度的风来保持最大效率来说是重要的。目前，这是通过驻留在与塔架连接的点处的机舱的基部处的主动系统来实现的，如Rosenvard等人的美国专利No.7,944,070以及Anderson的美国专利No.8,899,920中所述。这些主动系统由传感器控制，所述传感器定位于首先受到入射风的、处于后部的机舱外部。因此，这些传感器在风已经经过转子叶片之后通知风力状态，最重要地是通知速度和方向。因此，在机舱的基部处的主动摇摆系统的风速和风向的通知有延迟。
LeClair等人的欧洲专利申请公布No.EP 2048507公开了定位于鼻锥体的前面的传感器。然而，传感器将其信息发送到马达和齿轮的主动系统，该主动系统不能主动地移动涡轮机，使得最大效率在没有反馈回路和随后延迟的情况下产生。此外，这些系统类似地需要电力来运行。
传统的鼻锥体通过自旋器而被附接到轮毂。自旋器接着可以通过若干种方法来附接到轮毂，这些方法包括支柱并且使其形状绕转子叶片的根部缠绕，以将其固定就位。这些方法中的大多数要求叶片不存在自旋器附接，这对于组装新的风力涡轮机可能是好的，但是对于改装正在运行的涡轮机可能是耗时且昂贵的。
众所周知，风力涡轮机的轮毂和机舱由于在其内产生的热量而需要通风。已知许多技术用于使这些结构内的空气流通。
表面纹理也已知用于改善物体上的层流。这些纹理通常在性质上通常是自相似并且重复的。这些纹理可以凹进外形或从外形突出，并且/或者也可以是以有利的方式转向或曲折的U形或V形槽，或者是从外形延伸出来的涡流发生器。
发明内容
根据一方面，提供了一种流体重新引导结构，其包括具有上游端、下游端和旋转轴线的刚性体，所述刚性体包含多个槽，每个槽绕旋转轴线从上游端处的尖端螺旋到下游端，且所述槽相对于旋转轴线张开，从而靠近下游端引导入射流体沿所述槽远离旋转轴线。
本文所述的流体重新引导结构可以在中央位置上与涡轮机、例如水平轴线风力涡轮机的轮毂结构完全形成一体，或者装配并附接到该轮毂结构上，从而替换现有的鼻锥体。
当与风力涡轮机相关联时，流体重新引导结构面向从上游位置向下游位置流动的入射风，接收风，并且随着入射风在其从上游端到下游端的路径上推动抵靠并穿过槽，其响应于入射风的流动与风力涡轮机的转子叶片一致旋转。此外，流体重新引导结构将到达槽的下游端的入射风向外并在基本上垂直于旋转轴线的方向上沿槽且由此沿风力涡轮机的相应的转子叶片的前表面引导。
在流体重新引导结构的下游端处的槽部分与逆风功率产生转子叶片部分大致对准，并且在实施例中，像转子叶片一样，其可以呈现翼型的形状并且/或者可以形成转子叶片的新的前缘段并且/或者可以形成转子叶片的新的后缘段。
因此，流体重新引导结构用于利用仍然在风力涡轮机的转子叶片上游的入射风来使该自旋器旋转，从而总体上通过该流体重新引导结构的应用和使用并通过增加进行能量提取的时间来增加风力涡轮机的效率并且/或者降低风力涡轮机的噪音排放。
进一步，远离涡轮机的旋转轴线但抵靠转子叶片的入射风的动能的引导和重新分布以安静的方式提供了此前已经从轮毂区域中失去的动能源。
根据另一方面，提供了一种涡轮机的流体重新引导结构，包括刚性体，该刚性体能够附接到涡轮机的轮毂结构，并且包含多个螺旋槽，每个螺旋槽用于接收并引导抵靠对应的涡轮机叶片的前表面入射在刚性体上的风。
在实施例中，流体重新引导结构可以替代或结合的标准抛物面形鼻锥体而改装到现有的涡轮机上，从而提供效率和发电效益给现有涡轮机。
槽相对于旋转轴线螺旋的方向被选择为与驱动轴和转子叶片的旋转方向的相反方向一致。因此，转子叶片的预期的旋转的逆时针方向将与流体重新引导装置的槽绕旋转轴线的顺时针螺旋协调，而转子叶片的预期的旋转的顺时针方向将与流体重新引导装置的槽绕旋转轴线的逆时针螺旋协调。
本专利申请包括对用于风力或水力涡轮机的以及用于航空器、船舶或航天器的螺旋桨的鼻锥体的传统方面进行改进的机会的描述。独特的生物学上启发的构造可以方便地改装到处在转子叶片的移动平面前方的轮毂结构上，并且它是自定向的。本文所述的流体重新引导结构旨在使用入射流体、例如风来在涡轮机的驱动轴中产生旋转运动，该入射流体处在转子叶片行进的平面的前方，并且还旨在将处在轮毂结构的前方的入射流体引导到并经过转子叶片的功率产生区域，因此通过使用在轮毂区域周围的流体中可用的未充分利用的能量而增加了涡轮机的总效率。
通过本发明，如果被安装在现有技术的逆风方向，则现有技术的风力涡轮机将从与本发明一体形成的风力涡轮机上看到效率上的提高。如果将与本发明一体形成的一个风力涡轮机安装在与本发明一体形成的另一个风力涡轮机的逆风方向，则也可以看到效率上的一样的提高。
根据另一方面，提供了一种涡轮机的流体重新引导结构，包括刚性体，该刚性体能够附接到涡轮机的轮毂结构和转子叶片中的至少一个，并且包含多个螺旋槽，每个螺旋槽用于接收并引导抵靠对应的涡轮机叶片的前表面入射在刚性体上的流体。
根据另一方面，提供了一种螺旋桨的流体重新引导结构，包括刚性体，该刚性体能够附接到螺旋桨的轮毂结构和螺旋桨叶片中的至少一个，并且包含多个螺旋槽，每个螺旋槽用于接收并引导抵靠对应的螺旋桨叶片和/或转子叶片的前表面入射在刚性体上的流体。
本文将描述其它方面以及优点。
附图说明
现将参照附图描述本发明的实施例，附图中：
图1是根据现有技术的水平轴线风力涡轮机的侧视立面图；
图2A是根据本发明实施例的包含流体重新引导结构的水平轴线风力涡轮机的侧视立面图；
图2B是图2A的水平轴线风力涡轮机的前视透视图；
图3A是根据本发明实施例的流体重新引导结构的侧视立面图；
图3B是图3A的流体重新引导结构的前视立面图；
图4A和4B是从靠近上游端的位置(4A)和从更靠近下游端的位置(4B)截取的图3A的流体重新引导结构的横截面图；
图5A、5B、5C和5D是在槽的边缘处的保持结构的各种替代性实施例的横截面图；
图6是与风力涡轮机的轮毂结构对接的图3A的流体重新引导结构的附接结构的前视透视图；
图7是替代性附接结构的后视透视图；
图8是另一替代性附接结构的后视透视图；
图9是图8的流体重新引导结构的侧视立面图，进一步示出了附接系统以及流体重新引导结构与涡轮机的自旋器、轮毂结构和转子叶片之间的关系；
图10是根据实施例的具有表面纹理的流体重新引导结构的前视立面图；
图11是根据实施例的流体重新引导结构的前视立面图，其具有与相应的转子叶片齐平终止的槽端部；
图12是根据本发明替代性实施例的替代性流体重新引导结构的侧视立面图；
图13是图12的流体重新引导结构的侧视立面图，进一步示出了通风结构以及流体重新引导结构与涡轮机的自旋器和轮毂结构之间的关系；
图14是根据实施例的具有空气动力学横截面的槽的流体重新引导结构的前视透视图；以及
图15是包含流体重新引导结构的城市风力涡轮机的前视立面图。
具体实施方式
现在详细参考本发明的各种实施例，实施例的一个或多个示例在附图中示出。每个示例是为了解释本发明而提供的，并且不意味着对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以在其它实施例上使用或与其它实施例结合使用，从而产生又一实施例。意图是本发明包括这样的修改和变型。
图1是根据现有技术的水平轴线风力涡轮机10的侧视立面图。风力涡轮机10包括由表面S、例如地面支撑并从表面S延伸的塔架100。水平延伸的机舱200则由塔架100支撑。具有自旋器300的轮毂结构可旋转地安装在机舱200的前端，并且可相对于机舱200绕旋转轴线R旋转。自旋器300接收并支撑多个转子叶片400，每个转子叶片400从自旋器300向外延伸。转子叶片400捕获向风力涡轮机10流动的入射风Wi并被致使旋转。由于转子叶片400由自旋器300支撑，故转子叶片400在旋转时致使自旋器300绕旋转轴线R旋转，从而引起旋转运动，该旋转运动可以以众所周知的方式转换成可用的电力或机械功率。在这个意义上，转子叶片400各自是适合于横穿流体环境的结构，其中，流体在该实施例中是环境空气。机舱200可以可旋转地安装到塔架100，使得机舱200可以绕基本竖直的轴线(未示出)相对于塔架100旋转，从而使得转子叶片400能够自适应地面向入射风Wi在接近风力涡轮机10时所沿的方向。具有大致均匀抛物面形状的鼻锥体500被示出为安装到自旋器300的前端，以将入射风Wi远离自旋器300偏转。
图2A是包含根据本发明实施例的流体重新引导结构600的水平轴线风力涡轮机15的侧视立面图，以及图2B是水平轴线风力涡轮机15的前视透视图。
风力涡轮机15包括由表面S、例如地面支撑并从表面S延伸的塔架100。水平延伸的机舱200则由塔100支撑。具有自旋器300的轮毂结构可旋转地安装在机舱200的前端，并且可相对于机舱200绕旋转轴线R旋转。自旋器300接收并支撑多个转子叶片400，每个转子叶片400从自旋器300向外延伸。转子叶片400捕获向风力涡轮机15流动的入射风Wi并被致使旋转。由于转子叶片400由自旋器300支撑，故转子叶片400在旋转时致使自旋器300绕旋转轴线R旋转，从而引起旋转运动，该旋转运动可以以众所周知的方式转换成可用的电力或机械功率。机舱200可以可旋转地安装到塔架100，使得机舱200可以绕基本竖直的轴线(摇摆轴线，未示出)相对于塔架100旋转，从而使得转子叶片400能够自适应地面向入射风Wi在接近风力涡轮机15时所沿的方向。
在该实施例中，流体重新引导结构600被示出安装到自旋器300的前端，并且可与自旋器300和转子叶片400一起绕旋转轴线R旋转。
图3A是为了便于解释而放大的流体重新引导结构600的侧视立面图，以及图3B是流体重新引导结构600的前视立面图。流体重新引导结构600包括具有上游端602U和下游端602D的刚性体602。刚性体602包含多个槽，在该实施例中为三(3)个槽604A、604B和604C。每个槽604A、604B和604C绕旋转轴线R从在上游端602U处的尖端606螺旋到下游端602D。槽604A、604B和604C还各自相对于旋转轴线R张开，从而靠近下游端602D在基本上垂直于旋转轴线R的方向上沿槽604A、604B和604C引导入射流体，在本实例中，入射流体为入射风Wi。
在该实施例中，在上游端602U处的槽604A、604B和604C通常沿大致平行于旋转轴线R的方向从靠近尖端606的点开始，并且接着，随着它们向下游端602D螺旋前进，槽604A、604B和604C渐进地远离旋转轴线向外张开，从而重新引导入射风Wi(图3B中示出为进入页面)，使得重新引导的风WRD沿转子叶片400的前表面流动。
如图3B中具体示出的那样，槽604A、604B和604C中的每一个通常是单级式，即，螺旋的焦半径从上游端602U到下游端602D渐进地逐渐增加。此外，槽的宽度从上游端602U到下游端602D相应地逐渐增加。在该实施例中，槽604A、604B和604C中的每一个大致以抛物线的形式变宽，使得槽的宽度从上游端602U到下游端602D逐渐增加。在替代性实施例中，槽轮廓可以被成形，使得当从上游端602U行进到下游端602D时，宽度逐渐增加，接着保持稳定的宽度通过中间区域，使得槽的边缘平行延伸，然后宽度再次逐渐增加直至下游端602D。在又一替代性实施例中，槽轮廓可以被成形，使得当从上游端602U行进到下游端602D时，宽度逐渐增加，接着保持稳定的宽度通过下游区域，直至到下游端602D，而宽度不再增加。
图4A和4B是从靠近上游端的位置A(从图3A中的A所示)和从更接近下游端的位置(从图3A中的B所示)观察的流体重新引导结构600的横截面图，示出了槽604A、604B和604C的不同焦半径FR_A和FR_B，以及槽604A、604B和604C的不同宽度。应当注意，在该实施例中，每个槽604A、604B和604C的宽度与焦半径成比例地渐进。
如图3A、3B、4A和4B所示，每个槽604A、604B和604C具有从上游端602U延伸到下游端602D的相对边缘。在该实施例中，每个槽604A、604B和604C的边缘中的一个包含相应的保持结构605A、605B和605C，保持结构605A、605B和605C用于抑制入射流体(在该实施例中为入射风)离开相应的槽604A、604B和604C并用于沿槽引导该入射流体。
在该实施例中，每个保持结构605A、605B和605C是横截面大致为C形的弧形伸长壁。具体而言，沿着边缘面向入射风Wi的每个槽604A、604B和604C的表面的一部分绕其自身逐渐弯曲到二百七十(270)度的最大角度。槽127的横截面还可以具有任何有益的椭圆形或弓形形状。
图5A、5B、5C和5D是诸如槽604B的槽沿其边缘的一部分的保持结构的各种替代性实施例的横截面图。例如，图5A是保持结构607B的视图，保持结构607B是在上游方向上延伸大致90度的非常轻微弧形的壁，图5B是保持结构609B的视图，保持结构609B是具有比图5A的半径宽的半径并且在上游方向上成弧形之前在下游方向上略微下垂的轻微弧形的壁，图5C是如图4B所示的流体重新定向结构600的保持结构605B的视图，保持结构605B在弯曲之前在上游方向上延伸大致90度，而图5D是保持结构611B的视图，保持结构611B类似于保持结构605B，但像保持结构605B一样，其再次在上游成弧形之前在下游方向上略微下垂。在又一些实施例中，保持结构可以以其大致C形形状延伸，使得横截面为大致U形。
保持结构抑制入射风Wi溢出槽的边缘，从而将更多的风保持在保持结构从边缘延伸所处的区域中的槽内。
图6是呈鼻部夹具组件650形式的附接结构的前视透视图，该鼻部夹具组件650用于将流体重新引导结构600与诸如风力涡轮机15的水平轴线风力涡轮机的轮毂结构对接。鼻部夹具组件650被构造用于使得现有的轮毂结构300和转子叶片400不需要拆卸，以使用鼻部夹具组件650改装风力涡轮机15，使之具有流体重新引导结构600。如图所示，鼻部夹具组件650被附接到风力涡轮机15的现有的轮毂结构300上，并且进一步通过包括托架656、夹具652以及辊子和/或脚轮654的鼻部夹具组件650的支撑装置来稳定到转子叶片400的根部402。或者，一个或更多个夹具、一个或更多个支架、一个或更多个托架、一个或更多个支柱、一个或更多个脚轮以及一个或更多个辊子，或上述的组合可以用作附接机构。
应当注意，优选地是，辊子和/或脚轮654与流体重新引导结构600和涡轮机15对接，以使得鼻部夹具组件650能够适应相对于轮毂结构对每个转子叶片400的节距的选择性的调节。在这种情况下，辊子沿相应转子叶片400的根部402的外表面滚动，同时将流体重新引导结构600相对于轮毂结构保持在中央位置。
图7是呈鼻部夹具组件660形式的替代性附接结构的后视透视图，该鼻部夹具组件660用于将流体重定向结构600附接到仅水平轴线风力涡轮机15的转子叶片400的根部402。在该实施例中，在用流体重新引导结构600改装风力涡轮机15之前，不必移除现有的自旋器300和转子叶片500。如图所示，鼻部夹具组件660通过包括托架656、夹具652以及辊子和/或脚轮654的鼻部夹具组件660的支撑装置来稳定到转子叶片400的根部402。或者，一个或更多个夹具、一个或更多个支架、一个或更多个托架、一个或更多个支柱、一个或更多个脚轮以及一个或更多个辊子，或上述的组合可以用作附接机构。
应当注意，优选地是，辊子和/或脚轮654与流体重新引导结构600和涡轮机15对接，以使得鼻部夹具组件660能够适应相对于轮毂结构对每个转子叶片400的节距的选择性的调节。在这种情况下，辊子沿相应转子叶片400的根部402的外表面滚动，同时将流体重新引导结构600相对于轮毂结构保持在中央位置，并且将尖端606与旋转轴线R保持一致。
在替代性实施例中，附接系统可被构造用以仅与风力涡轮机的轮毂结构对接，并且由此不与其转子叶片物理接触。
图8是替代性流体重新引导结构700的后视透视图。流体重新引导结构700类似于流体重新引导结构600，其中，流体重新引导结构700包括具有上游端702U和下游端702D的刚性体702。刚性体702包含多个槽，在该实施例中为三(3)个槽704A、704B和704C。每个槽704A、704B和704C绕旋转轴线R从在上游端702U处的尖端706螺旋到下游端702D。槽704A、704B和704C还各自相对于旋转轴线R张开，从而靠近下游端702D在基本上垂直于旋转轴线R的方向上沿槽704A、704B和704C引导入射流体，在本实例中，入射流体为入射风Wi。
在该实施例中，流体重新引导结构700包括固定到流体重新引导结构700的面向后侧的一体式圆环740A、740B和740C，并且每个圆环的尺寸被设定用以在根部402与诸如风力涡轮机15的涡轮机的轮毂结构对接之前，接收和座置转子叶片400(图8中未示出)的相应根部402。仅为了清楚起见，一体式圆环740A、740B和740C示出为没有任何辊子。
图9是流体重新引导结构700的侧视立面图，进一步示出了轮毂结构670及其在流体重新引导结构700与轮毂结构的自旋器300和风力涡轮机15的转子叶片400之间的关系。轮毂结构和一体式圆环740A、740B和740C可以用于将流体重新引导结构700“螺栓固定”到风力涡轮机15的轮毂结构上，从而用流体重新引导结构改装风力涡轮机15，并且与支柱675对接，支柱675可以是原鼻锥体500和/或自旋器300的一部分。
图10是流体重新引导结构800的前视透视图，流体重新引导结构800在槽804B之一上具有表面纹理855并且示出了顺时针自旋的预期定向。其它槽804A和804C可具有类似的表面纹理855。流体重新引导结构800可以被构造成非常类似于流体重新引导结构600和700，并且在该实施例中，流体重新引导结构800被示出为终止于下游端，使得其槽804A、804B和804C与相应的转子叶片400形成一体，进而提供连续前表面，该连续前表面用于接收并重新引导在用WRD表示的方向上的入射风Wi。该连续前表面减少了流体流的中断，否则该流体流的中断可能导致不期望的流体阻力。
纹理855可以具有减小流体阻力的任何构造，并且因此允许流体重新引导结构800的功率产生增加。例如，纹理可以包括凹凸部(dimple)。在860处可以看到纹理855的特写图，其示出了沉陷在槽的表面之下的凹凸部861和升高到表面之上的凹凸部862。在863处示出的图10的侧视立面放大子图示出了凹凸部的凹陷部861及其在表面之上的升高部862。
在实施例中，还可以有包括在鼻锥体组件的表面上的涡流发生器。表面纹理的施加可以在制造期间或安装之后通过任何方式进行。
图11是流体重新引导结构800的前视立面图，其中，表面纹理855未示出，而示出了逆时针自旋的预期定向。
应当理解，槽804A、804B和804C相对于旋转轴线R螺旋的方向与转子叶片400预期的转动所沿的相反方向一致。因此，转子叶片的预期旋转的逆时针方向将与槽804A、804B和804C绕旋转轴线R(进入页面，如图11所示)的顺时针螺旋协调，而转子叶片的预期旋转的顺时针方向将与槽804A、804B和804C绕如图10所示的旋转轴线的逆时针螺旋协调。在该实施例中，流体重新引导结构800的槽804A、804B和804C可以呈现翼型的横截面形状，其中，槽804A、804B和804C分别变成与相应的转子叶片400的逆风功率产生翼型部分对准。可替代地是，或在某一组合中，槽804A、804B和804C可形成转子叶片400的新的前缘段并且/或者可形成转子叶片400的新的后缘段。
图12是替代性流体重新引导结构900的侧视立面图。在该实施例中，流体重新引导结构900具有槽904A、904B和904C，每个槽具有从处于其上游端902U处的尖端906渐进地变宽到中点位置P的第一级S1，该中点位置P处在上游端902U与下游端902D中间。槽904A、904B和904C中的每一个还包括从中点位置P到下游端902D渐进地变宽的第二级S2。在其第二级S1中的每个槽904A、904B和904C通常比在其第一级S2中的宽。
级S1和S2中的每一个通常在形状上以抛物线方式渐进地变宽。在该实施例中，中点位置P处在上游端与下游端之间一半的位置。然而，在替代性实施例中，中点位置P可以大于上游端与下游端之间的一半，例如在四分之三(3/4)位置。此外，槽904A、904B和904C可以绕旋转轴线R在大约一百八十(180)度与大约三百六十(360)度之间螺旋。螺旋的轮廓可以经历许多偏差。例如，槽的螺旋可以始于鼻锥体的前尖端906并且继续通至下游端902D，在下游端902D处，其表面与对应的转子叶片400的逆风功率产生翼型部分齐平连接并且/或者紧密靠近。在实施例中，螺旋可以横穿其任何抛物面形状或多个抛物面形状，以具有多于两个的级。在始于尖端906之后，抛物线轮廓可接着在中点位置P附近的位置处渐缩，以达到与旋转轴线R几乎平行的线。在中点位置P附近的该位置处，抛物线轮廓可接着张开到更宽的焦点，完成焦点的一半或其九十(90)度的转弯。轮廓接着可在轮毂结构附近再次渐缩，以与驱动轴的线平行，在该点处将完成完整的一百八十(180)度的转弯。因此，这种构造允许入射风Wi以逐步的方式沿相应的槽904A、904B、904C的表面前进经过多个级S1，S2，如受到翠鸟的喙和头部启发的那样，并且被引导到对应的转子叶片400的逆风功率产生翼型部分上。
图13是图900的流体重新引导结构的侧视立面图，进一步示出了通风结构以及流体重新引导结构与涡轮机的自旋器和轮毂结构120之间的关系。通风结构包括通风入口985、柔性管和/或软管986，以及现有的轮毂结构120和鼻锥体500的相对内部位置。在该实施例中，流体重新引导结构900可在其第二级S2内的表面上包括通风入口985，以允许空气通过柔性管和/或软管986穿透进入鼻锥体500以及轮毂结构120和/或机舱200。
根据另一实施例的方面，流体重新引导结构900可以是具有结构表皮的单壳体组件，并且其被构造用以使得具有自旋器300和/或鼻锥体500的现有轮毂结构120能够被接收在流体重新引导结构900内的下游端902D。在该实施例中，流体重新引导结构是一件式单元。在替代性实施例中，流体重新引导结构可以是多件式单元。
图14是具有横截面为空气动力学式的槽1004A、1004B和1004C以及附加的空气动力学翼型段1046的流体重新引导结构1000的前视透视图。
根据该方面，这可以通过具有在流体重新引导结构1000的下游端1002D的最外部分与风力涡轮机转子叶片400的逆风功率产生翼型部分之间的间隙1043来实现。该方法覆盖了转子叶片402的根部区域，但允许有材料的柔性和/或将流体重新引导结构1000的下游端1002D的最外部分转换成翼型段的能力。这有效地延伸了转子叶片400的长度，从而产生了新的前缘404和后缘405。此外，另一空气动力学翼型段1046可以被添加在平行于转子叶片400的位置，并且略微地处在流体重新引导结构1000的下游端1002D的最外部分上方。这具有防止风入射Wi中的任何剩余动能在没有预先首先对流体重新引导结构1000做功的情况下从转子叶片的根部402之间的流体重新引导结构1000的下游端1002D的最外部分离开的效果。功在Wii处示出，在Wii处，风的入射被形成用以使其路径沿空气动力学翼型段1046转向，从而对该段做功，并且减少其在We处离开的动能。该空气动力学翼型段1046通过任何合适的方法而被附接到1005A处的槽的后部和流体重新引导结构1000的下游端1002D的最外部分的前部1005B，使得当风入射Wi经过它时产生旋转力。根据另一方面，该段1046与流体重新导向结构1000的任何其它段一起可以形成两(2)个或更多个可分离段的组合。
理论计算：
如上所述，贝兹极限是风力动能提取中的最大性能系数(Cp)，并且为59.3％。已知的风力技术实际上具有比贝兹极限低得多的Cp。贝兹定律假设：
1.转子不具有轮毂，这是理想的转子，具有无限数目的没有阻力的叶片。任何产生的阻力都只会降低这个理想化的值。
2.进入和离开转子的流是轴向的。这是控制体积分析，并且为了构造解决方案，控制体积必须包含所有进入和离开的流，不考虑该流动将违反守恒方程。
3.流是不可压缩的。密度保持不变并且没有热传递。
4.在整个圆盘或转子区域上推力均匀。
假设存在能够以59.3％的效率提取风中的动能(Ew)的理想风力涡轮机，根据贝兹极限，上述理想涡轮机具有19.6m2的前表面面积SAf，并且风速为2.78m/s且外部温度为15℃，则由这种理想风力涡轮机提取的能量如下面的方程式1所示，其中Pw是风速的立方功率，而Da是空气密度，其在15℃下等于1.225：
Ew＝[(0.5)(Da)(SAf)(Pw)(Cp)](1)
Ew＝[(0.5)(1.225)(19.6m2)(54.5m3/s)(0.593)]
E＝387.9835瓦特＝0.3879835kW
在功率产生方面，在这些条件下经过1小时的运转，涡轮机将产生：
P(kinetic)＝0.3879835kWh
进行小规模测试，以确定在变化的风速下各种风力涡轮机构造的功率输出。这些测试准确地反映了当前大规模风力涡轮机的尺寸、形状、重量、比例、叶片速度-风速比。
作为基准，让我们假设标准水平轴线风力涡轮机在这个规模上进行测试。让我们还假设相同的条件，其中，前表面面积为19.6m2，风速为2.78m/s，外部温度为15℃。当进行实验并平均时，由这种风力涡轮机提取的能量被发现为：
E＝358.25瓦特＝0.35825kW
因此，在功率产生方面，在这些条件下经过1小时的运转，涡轮机将产生P(kinetic)＝0.35825kWh。
这等于贝兹极限的49.25％的度量，对于大多数大规模水平轴线风力涡轮机来说，这个值大约是平均值。
现在让我们采用标准的水平轴线风力涡轮机并且一体形成有本发明、能够提取在轮毂区域周围的未充分利用动能的一部分的鼻锥体组件。让我们还采取相同的条件，其中，前表面面积为19.6m2，风速为2.78m/s并且外部温度为15℃。当进行实验时，由这种风力涡轮机提取的能量被发现为：E＝439.30瓦特＝0.43930kW。
在功率产生方面，在这些条件下经过1小时的运转，涡轮机将产生：P(kinetic)＝0.43930kWh。
这等于贝兹极限的66.23％的测度，这个值大于贝兹极限+6.93％。
下面是给出由没有和具有本文所述的本发明的风力涡轮机捕获的能量的百分比相对于变化的风速的曲线图。风速在所进行的实验中以km/h设定，而接着在后面针对贝兹方程转换为m/s，并示于下表1中。
Figure BDA0001220286280000181
表1
本文所述的风力涡轮机鼻锥体组件构造希望通过利用在转子叶片的平面前方的、尤其是在轮毂区域周围的更多可用动能来提高风力涡轮机的运行效率，并且/或者增加风的可用动能到转子叶片，并且和/或者使轮毂和周围区域通风，并且/或者减少鼻锥体的运行噪音排放，并且/或者提供鼻锥体组件的快速附接方法，并且/或者减少风力涡轮机运行成本。
水平轴线风力涡轮机的鼻锥体的上述构造也可以应用于竖直轴线风力涡轮机，以及任何规模的两者。这样的改进可以加以适当的变更同样很好地适用，其中，这种变更是相关的，包括但不限于：高空风力发电(HAWP)装置，风筝风力涡轮机，能量风筝，潮汐涡轮机，城市风力涡轮机，航空器、船、滑翔机和无人机、喷气式发动机盖、船的球鼻型船首的螺旋桨等。本文描述的发明可以应用于具有比通过示例描述的风力涡轮机更少或更多叶片的风力涡轮机，以提高风力涡轮机的运行效率，减少维护成本和机械磨损，以及提高这种风力涡轮机的可扩展性和可销售性。
一些实施例可以参照方法类型的权利要求来描述，而其它实施例可以参照设备类型的权利要求描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下的描述中收集到，除非另有通知，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，还有涉及与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是在方法类型的权利要求的特征和装置类型的权利要求的特征之间的任何组合被认为通过本文献公开。
上述限定的方面和另外的方面从以下描述的实施例的示例中显而易见，并且参照实施例的示例来解释。
在阅读以下内容时，其它方面对于本领域技术人员来变得显而易见。
虽然已经参照附图描述了实施例，但是本领域技术人员应当理解，可以进行变化和修改而不脱离如由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一(a)”或“一个(an)”的使用不排除多个。而且，与不同实施例相关联描述的元件可以被组合。应当注意，权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
虽然已经参照附图描述了实施例，但是本领域技术人员应当理解，可以进行变化和修改而不脱离如由所附权利要求书限定的精神、范围和目的。
例如，流体重新引导装置的替代性构造可以采用具有包裹在聚酯织物涂层中的金属网格的“空间框架”设计。或者，设计可采用voronoi图案。
虽然上面的描述主要是关于水平轴线风力涡轮机的流体重新引导结构，但所描述的结构可以应用于其它装置，例如风力涡轮机、潮汐涡轮机、水电站涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)装置、风筝风力涡轮机、能量风筝和城市风力涡轮机。在附接转子叶片的需求内，所有这些装置都可以用诸如本文所述的流体重新引导装置来改进。例如，鼻锥体可以放置在圆形结构内，以便旋转。具体而言，图15是以这样的方式包含流体重新引导结构的城市风力涡轮机的前视立面图。
所有提及的装置都使用相同装置，其中尺寸上有变化。
航空器(例如滑翔机、民用航空器、无人机或喷气式发动机盖)、船舶、航天器、涡轮增压器等的螺旋桨可采用上述流体重新引导结构，除了功率将用于该装置的旋转之外，并且因此其将在相反方向上旋转，以诱导流体向该结构的背部流动。螺旋将具有对这种构造有利的方向。
根据另一方面，为了驱逐任何飞行动物离开水平或垂直轴线风力涡轮机，超声噪音诱导器可以与诸如本文所述的流体重新引导结构形成一体，或者一体形成到标准抛物面鼻锥体或其它结构中。根据本发明人的所知，没有令人满意的解决方案来阻止或防止任何种类的飞行动物与转子叶片或使用超声波的风力涡轮机的任何其它部分接触，以减少或防止动物死亡和对风力涡轮机的损坏。
根据第一方面，为了防止飞行动物撞击水平轴线或竖直轴线风力涡轮机，具有在1米95-102dB的声压的15KHz或更大的超声噪音诱导器被装配在鼻锥体或机舱单元或者不影响水平轴线风力涡轮机的空气动力性能的任何其它区域内，其中，超声噪音诱导器被放置在风力涡轮机周围的任何附近位置中或风力涡轮机中，使得期望的驱逐飞行动物的效果可以实现并且风力涡轮机的空气动力性能不受影响，其中，超声噪音诱导器的安设发生在水平轴线风力涡轮机的安设期间或之后，其中，超声噪音诱导器的功率来自风力涡轮机本身或外部源。

Claims (36)

1.一种流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体具有上游端、下游端以及旋转轴线，
所述刚性体包含多个槽，每个槽绕所述旋转轴线从位于所述上游端处的尖端螺旋到所述下游端，且所述槽相对于所述旋转轴线以抛物线的形式渐进地张开，从而靠近所述下游端引导入射流体沿所述槽远离所述旋转轴线，其中所述流体重新引导结构在所述流体重新引导结构的中心轴线处附接到涡轮机并且包括三个槽，使得这些槽中的每一个在它们的下游段中变成与所述涡轮机的相应的转子叶片的逆风功率产生翼型部分对准，与这个叶片的前缘紧密靠近，产生在所述流体重新引导装置的下游端的这个最外部分与所述叶片之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽大致从所述上游端到所述下游端渐进地变宽。
3.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽包括焦半径从上游端到下游端渐进地增加的单级。
4.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽包括：
第一级，所述第一级从所述上游端到处在所述上游端和所述下游端中间的中点位置渐进地变宽；以及
第二级，所述第二级从所述中点位置到所述下游端渐进地变宽，其中，所述第二级比所述第一级宽。
5.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽包括：
第一级，所述第一级从所述上游端到处在所述上游端和所述下游端中间的中点位置渐进地变宽；以及
第二级，所述第二级接着保持这个宽度并且在宽度不再增加的情况下前进到下游端，并且所述第二级具有翼型的横截面形状。
6.根据权利要求4所述的流体重新引导结构，其中所述中点位置处在所述上游端与所述下游端之间一半的位置。
7.根据权利要求4所述的流体重新引导结构，其中所述中点位置大于所述上游端与所述下游端之间的一半。
8.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽绕所述旋转轴线从180度螺旋到360度。
9.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中从所述上游端延伸到所述下游端的每个槽的至少一个边缘包含保持结构，所述保持结构用于抑制入射流体在所述至少一个边缘处离开所述槽并沿所述至少一个边缘引导所述入射流体。
10.根据权利要求9所述的流体重新引导结构，其中所述保持结构包括弧形伸长壁。
11.根据权利要求10所述的流体重新引导结构，其中所述弧形伸长壁形成大致U形的横截面。
12.根据权利要求10所述的流体重新引导结构，其中所述弧形伸长壁形成大致C形的横截面。
13.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中所述槽形成所述流体重新引导结构的新的前缘段或者形成所述流体重新引导结构的新的后缘段。
14.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，还包括：
附接机构，所述附接机构用于将所述流体重新引导结构旋转地附接到水平轴线涡轮机的轮毂结构。
15.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，还包括：
附接机构，所述附接机构用于将所述流体重新引导结构旋转地附接到水平轴线涡轮机的转子叶片的根部，其中，所述附接机构提供相对于所述水平轴线涡轮机的轮毂结构对每个转子叶片的节距进行的选择性调节，所述附接机构包括辊子，所述辊子沿相应的转子叶片的根部的外表面滚动，以引起对所述节距的选择性调节。
16.根据权利要求15所述的流体重新引导结构，其中所述附接机构选自如下组，所述组包括：一个或更多个夹具、一个或更多个支架、一个或更多个脚轮或一个或更多个辊子，以及上述的组合。
17.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中每个槽的内表面被纹理化，以减小流体阻力。
18.根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中通风结构从所述槽的内表面的至少一部分向所述下游端延伸。
19.一种涡轮机，包括根据权利要求14所述的流体重新引导结构，其中所述流体重新引导结构通过所述附接机构而被附接到所述涡轮机的轮毂结构。
20.一种涡轮机，包括根据权利要求15所述的流体重新引导结构，其中所述流体重新引导结构通过所述附接机构而被附接到所述涡轮机的转子叶片。
21.一种涡轮机，包括根据权利要求1所述的流体重新引导结构，其中所述流体重新引导结构与所述涡轮机的轮毂结构形成一体。
22.根据权利要求19所述的涡轮机，其中所述涡轮机为高空风力发电(HAWP)装置。
23.一种螺旋桨，包括根据权利要求1所述的流体重新引导结构。
24.根据权利要求23所述的螺旋桨，其中所述流体重新引导结构通过附接机构而被附接到所述螺旋桨的转子叶片。
25.根据权利要求23所述的螺旋桨，其中所述流体重新引导结构通过附接机构而被附接到所述螺旋桨的轮毂结构。
26.根据权利要求23所述的螺旋桨，其中所述流体重新引导结构与所述螺旋桨的轮毂结构形成一体。
27.根据权利要求23所述的螺旋桨，其中所述螺旋桨选自如下组，所述组包括航空器螺旋桨、船舶螺旋桨、航天器螺旋桨。
28.根据权利要求27所述的螺旋桨，其中所述螺旋桨是选自包括滑翔机、无人机和喷气式飞机的组的航空器螺旋桨。
29.一种用于涡轮机的流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体能够附接到所述涡轮机的轮毂结构和转子叶片中的至少一个，并且所述刚性体包含多个螺旋槽，每个螺旋槽用于接收并引导抵靠对应的涡轮机叶片的前表面入射在所述刚性体上的流体，其中所述流体重新引导结构在所述流体重新引导结构的中心轴线处附接到涡轮机并且包括三个槽，使得这些槽中的每一个在它们的下游段中变成与所述涡轮机的相应的转子叶片的逆风功率产生翼型部分对准，与这个叶片的前缘紧密靠近，产生在所述流体重新引导装置的下游端的这个最外部分与所述叶片之间的间隙。
30.一种用于螺旋桨的流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体能够附接到所述螺旋桨的轮毂结构和转子叶片中的至少一个，并且所述刚性体包含多个螺旋槽，每个螺旋槽用于接收并引导抵靠对应的螺旋桨叶片的前表面入射在所述刚性体上的流体，其中所述流体重新引导结构在所述流体重新引导结构的中心轴线处附接到涡轮机并且包括三个槽，使得这些槽中的每一个在它们的下游段中变成与所述涡轮机的相应的转子叶片的逆风功率产生翼型部分对准，与这个叶片的前缘紧密靠近，产生在所述流体重新引导装置的下游端的这个最外部分与所述叶片之间的间隙。
31.根据权利要求22所述的涡轮机，其中所述涡轮机选自如下组，所述组包括潮汐涡轮机、水电站涡轮机、发电风筝或城市风力涡轮机。
32.一种流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体具有上游端、下游端以及旋转轴线，
所述刚性体包含多个槽，每个槽绕所述旋转轴线从位于所述上游端处的尖端螺旋到所述下游端，且所述槽相对于所述旋转轴线以抛物线的形式渐进地张开，从而靠近所述下游端引导入射流体沿所述槽远离所述旋转轴线，
其中每个槽包括：
第一级，所述第一级从所述上游端到处在所述上游端和所述下游端中间的中点位置渐进地变宽；以及
第二级，所述第二级接着保持这个宽度并且在宽度不再增加的情况下前进到下游端，并且所述第二级具有翼型的横截面形状。
33.一种流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体具有上游端、下游端以及旋转轴线，
所述刚性体包含多个槽，每个槽绕所述旋转轴线从位于所述上游端处的尖端螺旋到所述下游端，且所述槽相对于所述旋转轴线以抛物线的形式渐进地张开，从而靠近所述下游端引导入射流体沿所述槽远离所述旋转轴线，
其中从所述上游端延伸到所述下游端的每个槽的至少一个边缘包含保持结构，所述保持结构用于抑制入射流体在所述至少一个边缘处离开所述槽并沿所述至少一个边缘引导所述入射流体。
34.根据权利要求33所述的流体重新引导结构，其中所述保持结构包括弧形伸长壁，其中所述弧形伸长壁形成大致U形的横截面。
35.根据权利要求33所述的流体重新引导结构，其中所述保持结构包括弧形伸长壁，其中所述弧形伸长壁形成大致C形的横截面。
36.一种流体重新引导结构，包括：
刚性体，所述刚性体具有上游端、下游端以及旋转轴线，
所述刚性体包含多个槽，每个槽绕所述旋转轴线从位于所述上游端处的尖端螺旋到所述下游端，且所述槽相对于所述旋转轴线以抛物线的形式渐进地张开，从而靠近所述下游端引导入射流体沿所述槽远离所述旋转轴线，以及
附接机构，所述附接机构用于将所述流体重新引导结构旋转地附接到水平轴线涡轮机的转子叶片的根部，其中，所述附接机构提供相对于所述水平轴线涡轮机的轮毂结构对每个转子叶片的节距进行的选择性调节，所述附接机构包括辊子，所述辊子沿相应的转子叶片的根部的外表面滚动，以引起对所述节距的选择性调节。
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