專利名稱：旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般性地涉及應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式葉片的旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)， 且特別涉及一種在先前葉片設(shè)計上應(yīng)用五項改進從而增加效率的旋轉(zhuǎn)式流 體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對于現(xiàn)有技術(shù)中旋轉(zhuǎn)式葉片橫截面(翼面輪廓(airfoil profiles)) 的設(shè)計的一項研究表明，只有一寬類(broad class)輪廓是使用于遍及(水 平軸的)風(fēng)車渦輪葉片、飛機推進器、直升機旋翼等工業(yè)中。作為參考，這 種寬類形應(yīng)該被稱為"B類(Class-B)旋轉(zhuǎn)式實用葉片結(jié)構(gòu)"，下文都將 這樣對其定義。
一葉片由多個基礎(chǔ)翼面(elemental airfoil) 5組成，例如，各自具 有指定輪廓的許多橫截面部件共同構(gòu)成該葉片。這些部件橫穿葉片長度的尺 寸、形狀和角度通常不同，因此為葉片提供了一扭轉(zhuǎn)，但是它們的形狀或輪 廓典型地是不變的。
現(xiàn)有技術(shù)中翼面輪廓的示例在圖l-6A中給出。注意此處以基礎(chǔ)翼面 輪廓對葉片的所有描述都是葉片的橫截面視圖，其自旋轉(zhuǎn)的中心向外，且旋 轉(zhuǎn)軸是垂直的，即使實際上旋轉(zhuǎn)軸在所有情況下均是水平的。圖1A、 IB和 1C示出了國家可再生負(fù)巨源實一弓企室(National Renewable Energy Laboratory, 簡稱NREL)S-系列翼面輪廓的三個例子，其中直線是翼弦2。圖2A示出了 NASA、 MCA和"Wart,"變形(Wartman variation)。圖2A中的虛線示 出了在NASA 0417和"Wartman"尾部截面上的凹陷區(qū)。圖2B和2C是現(xiàn)有 技術(shù)中翼面輪廓的其他示例。這些翼面輪廓被用于風(fēng)車渦輪旋翼和飛機推進器中。圖3A和3B示出了兩個示例，其中的輪廓被典型的用于推進器和風(fēng)車 的葉片， 一個輪廓通常是靠近葉片的尖端的，如圖3A所示；且第二輪廓靠近 輪轂，如圖3B所示。在圖3A和3B中，葉片螺旋(blade spin) 3的方向 指明了與空氣阻力4的相遇方向。
圖4是一基礎(chǔ)翼面輪廓5的示例，其基于飛機機翼成型，且典型地以多 種變形使用于水平軸渦輪的風(fēng)車工業(yè)中。X-X平面平行于葉片旋轉(zhuǎn)的平面， 所描述的翼面5是在其長度上任一點的橫截面。Y-Y平面平行于風(fēng)6的方向， 風(fēng)6是入射在渦輪葉片上且垂直于X-X平面。
為了研究，撞擊到葉片上的風(fēng)的第一少數(shù)力矩，在葉片角度為位于旋轉(zhuǎn) 平面X-X上的沖擊角度時被捕獲。角度①是翼弦2和X-X平面之間的葉片角 度，且在葉片旋轉(zhuǎn)時，作為基礎(chǔ)翼面沖擊旋轉(zhuǎn)平面上空氣的角度。因為該輪 廓具有曲率，所以該翼弦2用作一般性角度0)的參考。角度6是Y-Y平面和 翼弦2之間的角度，且當(dāng)沖擊的角度垂直于旋轉(zhuǎn)平面時，其作為入射風(fēng)6在 葉片上的特定點撞擊葉片的角度。為研究這個特別示例，P-Q線與翼弦2成 直角纟皮插入，以描述翼面頭部的前面14、翼面頭部的背面7和翼面頭部10。
入射風(fēng)6在翼面5的背面7產(chǎn)生兩個相反的向量(l)旋轉(zhuǎn)葉片的一向 量分量8,以及(2)抵抗該旋轉(zhuǎn)的一向量分量9。進一步地，由于翼面頭部 10的相對厚度的形狀和尺寸，對于翼弦2的長度，翼面頭部10的背面7和 前面14均相對空氣20提供了阻力表面區(qū)，因此在向量8的反向產(chǎn)生一相對 向量分量13。
翼弦2可以被定義為一虛構(gòu)線，描述翼面的翼前緣15和它的翼后緣16 之間的最短距離。翼弦2在減小角度cJ)的葉片上產(chǎn)生螺旋時，以及研究輪廓 時可用作一可用參考。
翼面5的前面14典型地是略微凸起的，但是朝向翼面頭部10方向逐漸 變得更加凸起。翼面5的背面7比前面14更加凸起。有時候，如圖1A、 1B 和1C所示，翼面5的前面14朝向翼面尾部17略孩i凸起，且在圖1A和1C中，翼面5的前面14比背面7更加凸起(用于風(fēng)車的NREL系列)。
翼面5的瞬時方向3垂直于風(fēng)6的方向。當(dāng)入射風(fēng)慢下來或停止時，翼 面5產(chǎn)生一正升力18,其具有一相對于葉片的旋轉(zhuǎn)的向量分量19，且產(chǎn)生 了一前向推力，因此，當(dāng)風(fēng)速變化時，降低了葉片的效率。
在現(xiàn)有技術(shù)中，翼面的翼前緣15典型地向前指向翼弦2的角度。 圖5大體上示出了當(dāng)前飛機機翼的橫截面的一個示例，示出了一翼面輪 廓5,其中翼面背面7的長度大于翼面前面14的長度。飛機沿方向3移動， 因此產(chǎn)生一相對方向的空氣20,其在翼面頂部的空氣21比在翼面底部的空 氣22移動要快，所以在翼面背面7產(chǎn)生了相比于產(chǎn)生升力18的翼面前面 14的一較低壓力，該升力18垂直于機翼的移動方向，這至少是根據(jù)一種廣 泛支持但仍有爭議的理論得到的。由于翼面相對于移動方向的定向，仍然存 在另一個涉及的因素穩(wěn)定性。如果機翼被反轉(zhuǎn)，仍然存在升力，失去穩(wěn)定 性，此時銳利的翼前緣趨向于非常輕易的移動上升或下降。仍然有一定量的 壓力和阻力23產(chǎn)生在翼面頭部。
對于一旋轉(zhuǎn)式實用葉片結(jié)構(gòu)，因為葉片總是通過一輪轂固定在一軸上， 所以葉片穩(wěn)定性的因素是懸而未決的。因此，通過反轉(zhuǎn)翼面的定向，可以消 除伴隨著現(xiàn)有技術(shù)的翼面定向的不足，如圖4和5所示。這樣，除了通過結(jié) 合本發(fā)明的 一個或多個方面進行現(xiàn)有技術(shù)的葉片的改進以外，反轉(zhuǎn)定向是本 發(fā)明的一個主要部分。反轉(zhuǎn)定向通過將最大翼面厚度24從翼面的前部11移 位到翼面的中間截面25至翼面的末端截面26之間的范圍中來實現(xiàn)，如圖 6A所示。圖6A、 6B和6C利用一般的葉片在方向3上旋轉(zhuǎn)移動進行圖解示 例。圖6A示出了最大翼面厚度24的一典型的現(xiàn)有技術(shù)的定位。圖6B和6C 示出了從中間截面25到末端截面26的定位范圍，其可稱為有效區(qū)域。
對于現(xiàn)有技術(shù)的檢索，沒有公開任何文獻或?qū)＠芍苯永斫鉃楸景l(fā)明的 權(quán)利要求。然而，下述美國專利可相關(guān)的進行參考專利號 發(fā)明人 公布日
6,800,956 Bartlett 2004年10月5日
5,474,425 Lawlor 1995年12月12日
4,408, 958 Schacle 1983年10月11日
6， 800, 956號專利y〉開了一種采用改進的600瓦特(watt)至900瓦特
(watt )風(fēng)力渦輪系統(tǒng)的電力發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 一采用單一方向碳纖
維渦輪葉片陣列的風(fēng)力驅(qū)動發(fā)電機， 一空氣管道(air-ducting)鼻錐，以
及一支撐塔結(jié)構(gòu)。另外，還公開了一種采用膨脹泡沫的葉片制造方法，以實
現(xiàn)改進的葉片邊緣強度。該支撐塔采用壓縮配合，允許標(biāo)準(zhǔn)柵欄管道不用焊
接或鉆孔即可連接。
5, 474, 425號專利公開了風(fēng)力渦輪旋翼葉片，具有一水平軸自由偏航， 且其可以自動調(diào)節(jié)。這些葉片通過采用定義的NREL向內(nèi)側(cè)的(inboard)、 中跨的(midspan)和向夕卜側(cè)的(outboard)翼面輪廓來設(shè)計，且通過在已 定義的輪廓之間和從后者到葉片的根部和尖端之間插入輪廓來設(shè)計。
4, 408, 958號專利公開了一種大尺寸風(fēng)力渦輪葉片，用于具有三個葉片 的風(fēng)力渦輪，且被用于發(fā)電。葉片的橫截面從輪轂?zāi)┒说慕Y(jié)構(gòu)開始逐漸變細， 具有朝著以低速提供高升力的風(fēng)的方向的實質(zhì)的翼前緣和翼后緣偏轉(zhuǎn)。
為了介紹背景技術(shù)以及作為本發(fā)明所涉及技術(shù)的表示，在檢索中找到的 下面的剩余專利可以作為參考
專利號發(fā)明人公布曰
6, 752, 595Murakami2004年6月22日
6， 582， 196Andersen等2003年6月24日
6, 302, 652Roberts2001年10月16日
6， 132, 181McCabe2000年10月17曰
5,161， 953Burtis1992年11月10日
4， 976， 587Johns ton等1990年12月11日
4, 969， 800Parry等1990年11月13日
4, 698, OilLamalle等1987年10月6日

發(fā)明內(nèi)容
在大多數(shù)基本設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)是由下述主要部件組成至少兩個葉片，其中每個葉片包括
1、 多個基礎(chǔ)翼面，形成所述至少兩個葉片的各自的縱向長度，
2、 一基座，
3、 一尖端,
4、 一前面，
5、 一背面，
6、 一翼前緣，
7、 一翼后緣，以及
8、 一縱向4丑轉(zhuǎn)。
至少兩個葉片等距離地連接到一輪轂上，且該輪轂具有連接到一旋轉(zhuǎn)軸上 的裝置。除了主要部件之外，每個基礎(chǔ)翼面包括
1、 一頭部，
2、 一尾部，
3、 一翼前緣，
4、 一翼后緣，5、 一背面，
6、 一前面，以及
7、 一輪廓。
該旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)在先前常規(guī)旋轉(zhuǎn)式葉片結(jié)構(gòu)之上提供了五項 重要的改進。這些改進是
1 、葉片的反轉(zhuǎn)定向，例如葉片橫截面或基礎(chǔ)翼面輪廓在水平面內(nèi)反轉(zhuǎn);
2、 三維翼面成型；
3、 恰當(dāng)葉片尖端曲率設(shè)計；
4、 改進的翼前緣和翼后緣范圍；以及
5、 改進的縱向葉片質(zhì)量分布。對于風(fēng)車使用，為了使腐蝕和侵蝕最小化，每個葉片至少部分被涂覆有一 適當(dāng)?shù)牟牧希缈捎媒饘倩蚍墙饘俨牧霞捌浠旌衔镏械囊粋€，包括樹脂、人
造含氟樹脂、聚亞安酯和紫外線抑制系統(tǒng)，例如樹脂添加劑和其他紫外線(uv)屏障。
鑒于上述公開內(nèi)容，本發(fā)明的主要目的是提供一種動力學(xué)葉片的旋轉(zhuǎn)式流 體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)式葉片應(yīng)用的任何領(lǐng)域，該動力學(xué)葉片都具有較高 性能效率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)
其能夠被用于小船(boat)和輪船(ship)的推進器、風(fēng)車葉片、水力
發(fā)電渦輪、飛機推進器、直升機旋翼、風(fēng)扇、模型飛機和任何其他可應(yīng)用的用
途；
其能夠由不同應(yīng)用的各種尺寸和形狀的葉片來制成； 其能夠由各種材料制成，例如金屬、木材、塑膠、玻璃纖維、碳纖維或 復(fù)合材料等；
其能夠以高效成本來制造，并且
其能夠容易地被改型為現(xiàn)存結(jié)構(gòu)或交通工具(例如風(fēng)車和飛機)。 本發(fā)明的這些和其他目的及優(yōu)點將結(jié)合附圖，通過隨后的優(yōu)選實施例和附 加的權(quán)利要求的詳細描述變得更加明確。


圖1A-1C是具有NREL、 S系列翼面輪廓的風(fēng)車葉片的橫截面圖； 圖2 A-2C是示出了現(xiàn)有技術(shù)葉片的翼面輪廓的示例的橫截面圖； 圖3A和3B是示出了常規(guī)飛機推進器的翼面輪廓的橫截面圖； 圖4是一典型葉片的橫截面圖，示出了用于風(fēng)車和飛機推進器的基礎(chǔ)翼面 輪廓；
圖5是飛機機翼的橫截面圖，圖示了升力和空氣阻力；圖6A-6C是示出了最大翼面厚度布置的橫截面圖，其對照于在三維成型之 前的常規(guī)布置；
圖7A-7D是示出了三維翼面成型的橫截面圖8是示出了在三維成型之前的翼前緣和翼后緣終止范圍的橫截面圖； 圖9A-9C是示出了在三維成型之前的為風(fēng)車設(shè)計的基礎(chǔ)翼面的橫截面圖； 圖10A-10D是在三維成型之前的為飛機設(shè)計的各種葉片的橫截面圖； 圖11A-IID是在三維成型之前的為飛機設(shè)計的另一葉片的橫截面圖； 圖12A-12E是在三維成型之前的線形輪廓葉片的示例； 圖13A-13E是具有各種尖端設(shè)計的常規(guī)葉片的正視圖； 圖14A-14C是葉片的正視圖，示出了恰當(dāng)?shù)募舛饲时澈蟮脑恚?圖15是旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用葉片結(jié)構(gòu)的正視圖。
具體實施例方式
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，按照旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)(Rotary Fluid Dynamic Utility Structure,以下筒稱RFDUS 1)的優(yōu)選、第二、 第三和第四實施例被呈現(xiàn)。優(yōu)選實施例示于圖6B、 6C、 7C、 7D、 8、 9A、 14C 和15中。第二實施例示于圖6B、 6C、 7C、 7D、 8、 IOC、 14C和15中。第三 實施例示于圖8、 12E、 14C和15中。第四實施例示于圖8、 12B、 14C和15中。
RFDUS 1是旋轉(zhuǎn)式葉片設(shè)計的一個改進，能應(yīng)用到廣泛的用途中，包括 小船和輪船推進器、風(fēng)車和水力電渦輪葉片、飛機推進器葉片、直升機旋翼、 風(fēng)扇、模型飛機和任何其他類似的采用旋轉(zhuǎn)式葉片的應(yīng)用中。
RFDUS 1在先前的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計上提供了五項重要的改進。如在前的描 述，盡管五項重要改進都包括RFDUS 1,但是改進中的任何一項或多項都可 以被采用。另外，為了提高它的效率，五項改進中的任何一項或多項能夠被 結(jié)合到現(xiàn)有技術(shù)葉片的設(shè)計中。RFDUS 1的優(yōu)選實施例包括至少兩個葉片，每個葉片均遵照A類(Class A)葉片的參數(shù)1-7。請注意A類葉片、B類葉片和C類(Class C)葉片 的參數(shù)均在下文公開。
在第二實施例中，每個葉片均遵照A類葉片的參數(shù)1-6和8。 在第三實施例中，每個葉片均是線形輪廓且遵照A類葉片的參數(shù)3、 5、 6和7。
在第四實施例中，每個葉片均是線形輪廓且遵照A類葉片的參數(shù)3、 5、 6和8。
這些實施例各自由至少兩個葉片構(gòu)成，圖15中示出的具有三個葉片， 除了本發(fā)明及其變形所涵蓋的之外，根據(jù)用戶的需求，它們的尺寸和參數(shù)是 必需的、可變的，所有現(xiàn)有技術(shù)中通常就是這樣。
應(yīng)該注意的是，此處公開的RFDUS 1可以被使用于任何用于旋轉(zhuǎn)式葉片 的葉片結(jié)構(gòu)中，這些旋轉(zhuǎn)式葉片在流體中運轉(zhuǎn)，可以是用來產(chǎn)生電能的流體 驅(qū)動，或者是用來產(chǎn)生推進力的電動機驅(qū)動。
對于一旋轉(zhuǎn)式實用葉片結(jié)構(gòu)，葉片穩(wěn)定性的因素是懸而未決的，因為葉 片經(jīng)常是通過一輪轂固定在一軸上的。所以，通過反轉(zhuǎn)翼面定向，可以消除 伴隨著現(xiàn)有技術(shù)的翼面定向的，如圖4和5所示的不足。因此，除了通過本 發(fā)明的一個或多個方面來改進現(xiàn)有技術(shù)葉片以外，反轉(zhuǎn)定向是本發(fā)明的 一個 主要的組成部分。反轉(zhuǎn)定向通過將最大翼面厚度，如圖6A中的多個橫截面 所示，從翼面的前部移位到翼面中間截面至翼面末端截面之間的范圍來界 定。圖6A、 6B和6C是利用一般葉片在一方向上旋轉(zhuǎn)移動的橫截面。圖6A 示出了葉片的最大厚度的一典型現(xiàn)有技術(shù)定位。圖6B和6C示出了從中間截 面變化到末端截面的定位的范圍，其可稱為有效區(qū)域。作為一般性的表述， 除了最大翼面厚度的布置范圍之外，描述可取的尺寸、比例或形狀是沒有必 要意義的。這可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)中葉片的任一應(yīng)用。
用于飛機和風(fēng)車的旋轉(zhuǎn)式葉片的現(xiàn)有翼面輪廓典型地是二維成型，這對于直線運動是優(yōu)選的。因為旋轉(zhuǎn)式葉片為圓周運動，所以最有效的成型要求
葉片為三維成型，如圖7A-7D所示。圖7A為單個二維成型的基礎(chǔ)翼面的俯 視圖，圖7B是它的側(cè)視圖。旋轉(zhuǎn)式葉片的翼面5的旋轉(zhuǎn)路徑27示于圖7A 和7C中。如圖7C和7D所示的基礎(chǔ)葉片具有一半徑"r，，，起始自它的旋轉(zhuǎn) 中心。圖7C是俯視圖，圖7D是根據(jù)本發(fā)明采用相同半徑"r"進行三維成 型的單個基礎(chǔ)葉片的側(cè)視圖。從而，完整的旋轉(zhuǎn)式實體葉片可以由三維成型 的葉片構(gòu)成，這使得葉片動力性和效率更高。
在現(xiàn)有技術(shù)中，葉片的翼前緣和翼后緣典型地沿著翼弦2終止或在整個 基礎(chǔ)翼面5的一般傾斜面方向上的點處終止。在非典型情況下，翼后緣16 稍微朝向旋轉(zhuǎn)平面終止(即稍微遠離翼弦2，且朝向旋轉(zhuǎn)平面)，如圖1C 和圖2C所示的示例中那樣。本發(fā)明要求一葉片的兩端相對于各端均終止在 一特定效率范圍內(nèi)，可以降低翼前緣上的空氣阻力和翼后緣上的湍流，在某 種意義上減小了拖拽(被稱為有效范圍)。圖8是終止的有效范圍的一示例。 傾斜的翼面示出了翼面頭部10上的兩個終止位置和角度，以及在翼面尾部 17上的三個位置。對于葉片的所有用途翼面頭部的終止范圍是
從翼面頭部10的背面7 (即從此測量)，是從相對于旋轉(zhuǎn)平面X-X的 零度28開始(即平行于X-X)到翼面5的一般傾斜面Z-Z的任一角度29(或
者角度①-翼弦到旋轉(zhuǎn)平面的角度)的范圍。 根據(jù)應(yīng)用，尾部終止是不相同的
1、 為了動能轉(zhuǎn)換(例如風(fēng)車)，該范圍是
從翼面尾部17的前面14，是從相對于旋轉(zhuǎn)平面的零度30 (平行于X-X 平面)到翼弦的傾斜面，或到翼面5的一般傾斜面Z-Z位置。
2、 為了作為推進器，該范圍是
如圖8所示，從翼面的一般傾斜面，如虛線Z-Z所示(或翼弦的角度)， 到相對于旋轉(zhuǎn)平面的90° ，或到與鄰接翼面尾部17的背面7的Y-Y軸平行 的一傾斜面31。實際終止角度依賴于幾個因素，例如所使用的葉片角度、每分鐘轉(zhuǎn)速(rpm，s)、葉片尺寸和風(fēng)速等。
從翼面前部開始的翼面的最大厚度的布置在前部產(chǎn)生空氣阻力，類似于 模仿飛機機翼樣式的任一現(xiàn)有技術(shù)葉片。因此，最大翼面厚度的布置的移位 解決了常規(guī)翼面設(shè)計中固有的問題。進一步地，如圖9A-9C所示，當(dāng)翼面前 面14被制作的比翼面背面7長時，在葉片的旋轉(zhuǎn)方向3上的一實質(zhì)的負(fù)升 力向量33，如圖9A所示，將輔助葉片的旋轉(zhuǎn)。總的負(fù)升力向量34由箭頭 指明和風(fēng)向6也示于圖9A中。
在用于轉(zhuǎn)換流體動能的旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)中，利用飛機機翼橫截面模型的 一種 誤解是翼面前面和背面之間的壓力差別。當(dāng)這種葉片被用于轉(zhuǎn)換動能時，如 在風(fēng)車中，已經(jīng)證明了不論任何葉片造型，在翼面5的背面7上都沒有低壓。 實際上在翼面5的背面7上存在一比前面14上高的壓力，當(dāng)葉片加速時， 在不變的風(fēng)速下，這種(壓力)將會減小和標(biāo)準(zhǔn)化。翼面5的前面14上的 壓力增加，且對于飛機推進器，該壓力反轉(zhuǎn)。因此，基礎(chǔ)翼面5的背面7和 前面14將根據(jù)本發(fā)明來進行造型。
圖9A-9C示出了用于風(fēng)車上的本發(fā)明葉片結(jié)構(gòu)的三個實例。圖9A和9B 是凹的翼面背面7的實例，圖9C中背面7稍微凸起的。請注意反轉(zhuǎn)定向 將需要翼面尾部的一定量斷面收縮至一點(reverse orientation will require a certain amount of narrowing of the airfoil tail to a point)， 為了減小湍流，以及消除尾隨葉片出現(xiàn)的低壓，在某種意義上減小拖拽。圖 9A和9B中的虛線示出了翼面背面輪廓的另外的實例。
請注意圖9、 10和11為圖解方便是從二維來描述的，所以沒有描述
葉片的實際橫截面，其將有第三維度增加到輪廓上。
圖10A-10D示出了用于推進飛機的本發(fā)明葉片結(jié)構(gòu)的實例。圖10A、 IOC 和IOD示出了凸起的翼面前面14的實例，圖10B示出了一凹的翼面前面14， 其帶有指明旋轉(zhuǎn)方向3的箭頭。圖11A-11D示出了用于推進飛機的本發(fā)明葉 片結(jié)構(gòu)的另外的實例。由于葉片速度、風(fēng)速等(變量)的變化，設(shè)計輪廓的背面和前面的曲率 以引起沖擊角度的改變，以便在更大范圍的變量之上提供更恒定的葉片效 率，例如，對于風(fēng)車的風(fēng)速率和對于飛機的加速度。
當(dāng)升力相對于空氣阻力的凈增益為負(fù)時(即當(dāng)改變翼面厚度的任一升力 設(shè)計產(chǎn)生比所需負(fù)升力更大的空氣阻力時)，線形造型在動能轉(zhuǎn)換中是特別 有用的。線形造型對于模型飛機、風(fēng)扇等也是有效的。當(dāng)翼面背面和前面的 長度相等時，線形輪廓被定義為葉片的基礎(chǔ)翼面輪廓，因此產(chǎn)生具有不變厚 度的翼面，當(dāng)根據(jù)輪廓曲率、葉片角度旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生所期望的升力，并且其可
以由一線條來描述。圖12A-12E中給出了線形造型的葉片的橫截面的實例。 請注意翼前緣和翼后緣被指出且在終止有效范圍之內(nèi)。圖12B是一正升力 線形輪廓的實例，圖12D和圖12E示出了負(fù)升力的輪廓。
圖13A-13E示出了常規(guī)葉片的實例。為這些葉片而成型的尖端35是從 平直的，如圖13A所示；平且成角度的，如圖13E所示；至一些任意曲率的， 如圖13B、 13C和13D所示的范圍內(nèi)變化。
圖14A-14C示出了尖端流體動力學(xué)的基本要素葉片旋轉(zhuǎn)路徑是27， 并且"r"是葉片旋轉(zhuǎn)的半徑，其是從旋轉(zhuǎn)中心到葉片尖端35的距離。圖 14A示出了一平尖端葉片，圖14B示出了一具有任意曲率的葉片。字母"a" 表示在尖端35的一側(cè)上空氣壓縮，且"b"表示在另一側(cè)上空氣的稀薄區(qū)。 空氣壓縮抵抗葉片的旋轉(zhuǎn)，稀薄區(qū)具有一向量分量"c，，，其與旋轉(zhuǎn)的方向 相反。這引起了對于葉片旋轉(zhuǎn)的阻力，其值被旋轉(zhuǎn)半徑與葉片每分鐘圈數(shù) (rpm)的乘積所;改大。
圖14C示出了從前視圖來看，具有半徑"r"的曲率的葉片。作為本發(fā) 明曲率的結(jié)果，尖端35的阻力被相當(dāng)大的減小，由此增加了實體葉片的效 率。
圖15是采用三個葉片系統(tǒng)的RFDUS l的一實例。
為了增加葉片對施加于其上的動力的響應(yīng)，它的質(zhì)量分布必須符合公式
xy=c
其中，x-—基礎(chǔ)翼面的質(zhì)量，或者-一葉片在旋轉(zhuǎn)半徑或平均旋轉(zhuǎn)半 徑為y (即，起始自旋轉(zhuǎn)中心的距離)的點處的小單位截面的質(zhì)量，c是貫 穿葉片長度的常數(shù)。換言之，沿著葉片相對于旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)慣量必須是不 變的。這減小了啟動葉片旋轉(zhuǎn)時以及葉片加速和減速時的延遲，因此，當(dāng)用 作推進器時減小了燃料消耗，當(dāng)用作風(fēng)車旋翼時減小了啟動風(fēng)速。現(xiàn)有技術(shù) 已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)沒有完全符合這個公式。至少葉片的三分之一截面應(yīng)該符合這個 質(zhì)量分布。具有縱向恒定慣量的葉片不具有固有慣性拖拽，因此使得這種葉 片動力性更強。在風(fēng)車應(yīng)用中，例如，從突然一陣風(fēng)中捕獲的能量實質(zhì)上被 增加了，這樣突然一陣風(fēng)在城市設(shè)置中是典型存在的。另外，至少各葉片的 一部分具有縱向扭轉(zhuǎn)。葉片的縱向扭轉(zhuǎn)具有相對于尖端的角度d)的減少率 (The longitudinal twist of a blade has a reducing rate of angle cj) to the tip)。
為了將作為 一類葉片的常規(guī)旋轉(zhuǎn)式葉片和作為另 一類的本發(fā)明的旋轉(zhuǎn) 式實體葉片進行區(qū)分，A類、B類和C類參數(shù)定義如下 A類類別的葉片
1、 葉片定向是一飛機機翼的反轉(zhuǎn)，至少在具有尖端細的、鋒利的用于 提高效率的翼前緣和翼后緣的一水平平面上。(翼面頭部一靠近翼面尖端， 的背面和前面之間的角度是足夠小的以至于不會在相對空氣的方向上提供 一較大的阻力表面。)
2、 所有葉片基礎(chǔ)翼面朝著翼面尾部的方向是較厚的，且在翼面頭部的 一點處是窄的，因此，最大翼面厚度布置在有效區(qū)域內(nèi)。
3、 至少三分之一的葉片的質(zhì)量分布遵守公式xy = c。
4、 基礎(chǔ)翼面是三維成型的。
5、 從其正視圖來看，葉片尖端以它的旋轉(zhuǎn)半徑被彎曲(blade tip iscurved by its rotational radius)。
6、 基礎(chǔ)翼面的兩端均終止于翼面終止有效范圍內(nèi)。
7、 除了直線造型(如圖12A所示)的以外，只有負(fù)升力翼面造型用于 能量轉(zhuǎn)換的目的。
8、 除了直線造型(如圖12A所示)的以外，只有正升力翼面造型用于 推進目的。
B類類別的葉片
B類類別的葉片定義為用在旋轉(zhuǎn)式葉片系統(tǒng)中的常規(guī)葉片，且滿足下述 標(biāo)準(zhǔn)
1、 葉片定向是基于飛機機翼的，且與飛機機翼的葉片相同，即，每個 葉片的橫截面朝著翼前緣的方向是較厚的，且朝著翼后緣的方向逐漸變細。
(各翼面頭部的背面和前面之間的角度，朝著翼面尖端的方向，是足夠大的，
以顯著增加前向空氣阻力，因此有助于停轉(zhuǎn)的情形。)
2、 葉片是由基礎(chǔ)翼面輪廓構(gòu)成的，是將飛機機翼的一般性基礎(chǔ)翼面輪 廓在它們的定向上進行組裝。即，翼面頭部比翼面尾部更厚，無論飛機的背 面是否比其前面更長。
3、 葉片質(zhì)量分布不遵守公式xy = c。
4、 基礎(chǔ)翼面只是二維成型的。
5、 葉片尖端形狀不符合半徑r的曲率，其中，r-從前視圖來看，尖端 上任一點的旋轉(zhuǎn)半徑。
6、 至少一個基礎(chǔ)翼面端部不終止于翼面終止有效范圍內(nèi)。 C類類別的葉片
為了本發(fā)明的目的，C類葉片被定義為通過A類葉片的一個或多個方面 進行改進的B類葉片。
包含葉片螺旋的一葉片的特定形狀和尺寸有很多，無論用作風(fēng)扇、推進 器或風(fēng)車旋翼等。支配上述設(shè)計的因素包括(除了上述已涵蓋的因素)市場或用戶需求以及其他此處未包括但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的準(zhǔn)則。然而， 此處涵蓋的準(zhǔn)則和此處給出的參數(shù)的有效范圍等，在設(shè)計中允許更廣泛的選 擇。
雖然本發(fā)明已經(jīng)被詳細描述，并且形象化地示于附圖中，但是，本發(fā)明 并不限制于這些細節(jié)，因為對本發(fā)明所作的諸多變形和修改均未脫離本發(fā)明 的精神和范圍。因此，任何和所有修改，以及可能來源于本發(fā)明權(quán)利要求的 語言和范圍之中的形式均被描述為涵蓋在本發(fā)明之中。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)，包括a)至少兩個葉片，其中每個葉片包括(1)多個基礎(chǔ)翼面，沿所述至少兩個葉片各自的縱向長度延伸；(2)一基座；(3)一尖端；(4)一前面；(5)一背面；(6)一翼前緣；(7)一翼后緣；以及(8)一縱向扭轉(zhuǎn)；b)一輪轂，所述至少兩個葉片等距離地連接到該輪轂上；以及c)將所述輪轂連接到一旋轉(zhuǎn)軸上的裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中每個基礎(chǔ)翼面包括a) —頭部；b) —尾部；c) 一翼前緣；d) —翼后緣；e) —背面；f ) 一前面；以及 g) —輪廓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述輪廓包括a) —反轉(zhuǎn)定向，其朝著該翼前緣的方向逐漸變細；以及b) —最大厚度，其位于一有效區(qū)域的范圍內(nèi)，該有效區(qū)域包括從該翼面 的大體上的中心到它的端截面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的最大厚度在該有效區(qū)域之內(nèi)。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼前緣和翼后緣分別終止于流體動 能轉(zhuǎn)換和推進的有效范圍內(nèi)。
6 、根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中用于流體動能轉(zhuǎn)換和推進的翼前緣終 止的有效范圍是當(dāng)從翼面頭部的背面測量時，從相對于旋轉(zhuǎn)平面的零度到翼 面的 一般傾斜面的任一角度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中用于流體動能轉(zhuǎn)換的翼后緣終止的有 效范圍是當(dāng)從翼面尾部的前面測量時，從相對于旋轉(zhuǎn)平面的零度到翼面的一 般傾斜面或葉片角度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中用于推進的翼后緣終止的有效范圍是 當(dāng)從翼面尾部的背面測量時，從翼面一般傾斜面或葉片角度到相對于旋轉(zhuǎn)平面 的90。。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中各所述葉片的長度的至少三分之一具 有根據(jù)公式xy-c來分布的質(zhì)量，其中x-基礎(chǔ)翼面或所述葉片的單位截面的 質(zhì)量，y是該J^出翼面旋轉(zhuǎn)半徑或該單位截面的平均旋轉(zhuǎn)半徑，以及c是相對 于該葉片長度的常數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該基礎(chǔ)翼面被以三維成型。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中各所述葉片具有一反轉(zhuǎn)定向。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中各所述葉片是線形成型的，且符合A 類類別參數(shù)3、 5、 6和7。
13、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中各所述葉片符合A類類別參數(shù)l-6 和8,或者符合1-7。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中各所述葉片能夠被設(shè)計成具有一正升 力或一負(fù)升力。
15、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中該基座與該輪轂一體成型。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該尖端按它的旋轉(zhuǎn)半徑被彎曲。
17、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的前面的形狀從凸起的、大體上凸起的、凹的、大體上凹的、平的、大體上平的或其組合的形狀組成的組中 選擇。
18、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的背面的形狀從凸起的、大體 上凸起的、凹的、大體上凹的、平的、大體上平的或其組合的形狀組成的組中 選擇。
19、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的背面的長度大于該翼面的前 面的長度。
20、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的背面的長度小于該翼面的前 面的長度。
21、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中該翼面的翼前緣和翼后緣終止于有一 效范圍之內(nèi)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述翼面尾部終止于一般減小拖拽的rf^、 一匕o
23、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述葉片的至少一部分還包括一涂層。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中各葉片的至少一部分具有一縱向扭轉(zhuǎn)， 該縱向扭轉(zhuǎn)具有相對于該尖端的角度①的減少率。
25、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中該旋轉(zhuǎn)軸由一電動機驅(qū)動，或由一運 動流體作用其上的所迷葉片驅(qū)動。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)式流體動力學(xué)實用結(jié)構(gòu)(1)，包括至少兩個葉片，其中每個葉片包括多個基礎(chǔ)翼面(S)、一基座、一尖端(35)、一前面(14)、一背面(7)、一翼前緣(IS)、一翼后緣(16)和一縱向扭轉(zhuǎn)。至少兩個葉片等距離地連接到一輪轂上，該輪轂具有用于被連接到一旋轉(zhuǎn)軸上的裝置。該結(jié)構(gòu)(1)在先前的葉片結(jié)構(gòu)上提供了五項重要改進。第一項改進是本發(fā)明的葉片的定向被反轉(zhuǎn)，第二項是基礎(chǔ)翼面(5)是三維成型的，第三項是一改進的葉片尖端(35)曲率設(shè)計，第四是改進的翼前緣和翼后緣范圍，以及第五是改進的葉片的質(zhì)量分布。
文檔編號B64C11/16GK101472795SQ200780009397
公開日2009年7月1日 申請日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者薩爾布蘭德·卡翰 申請人:薩爾布蘭德·卡翰