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CN106795863B - 具有适于横穿流体环境的刚性突起的结构 - Google Patents

具有适于横穿流体环境的刚性突起的结构 Download PDF

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CN106795863B
CN106795863B CN201580042055.1A CN201580042055A CN106795863B CN 106795863 B CN106795863 B CN 106795863B CN 201580042055 A CN201580042055 A CN 201580042055A CN 106795863 B CN106795863 B CN 106795863B
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Abstract

本发明涉及一种适于横穿流体环境的结构，包括：细长本体，该细长本体具有根部、翼尖、前缘和后缘；以及多个刚性突起，每个刚性突起从沿着前缘和/或后缘的相应位置总体上沿着与细长本体的前表面相同的平面延伸。

Description

具有适于横穿流体环境的刚性突起的结构
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于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，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及适于横穿流体环境的结构，且更具体地涉及适于横穿流体环境的具有细长本体和刚性突起的结构。
背景技术
用于从旋转运动产生电力的水平轴线风力涡轮机通常包括一个或多个转子叶片，每个转子叶片具有从由风力涡轮机机舱支撑并在风力涡轮机机舱内旋转的水平轴向外延伸的空气动力学本体。机舱被支撑在从地面或其他表面延伸的塔架上。入射在转子叶片上的风施加压力，使得转子叶片通过旋转轴而移动，转子叶片从该轴围绕轴的水平旋转轴线延伸。轴进而与发电机相关联，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熟知并被理解的，虽然改进它们的操作以提高功率转换的效率及其总体操作特性是期望的。
甚至在低速下的入射风都可能导致转子叶片非常快速地旋转。如将很好地理解的，对于给定的旋转速度，转子叶片的线速度在其根部(转子叶片的靠近轴的部分)的区域中是最低的。类似地，转子叶片的线速度在其翼尖(转子叶片的远离轴的部分)的区域中最高。特别是在较高的线速度下，当转子叶片沿着其旋转路径快速“切割(slices)”穿过空气时，转子叶片的方面可能产生显著的气动声学噪声。这种噪声可能使其附近的人和动物非常不舒服。然而，噪声也能够是操作不有效的指示，并且最大翼尖速度实际上可能受到这种低效率的限制。
近年来，作为产生可再生能源的装置的风力涡轮机日益流行。随着这种增长，对于其操作的最佳位置随后减少，这是由于这些位置是有限的。因此，风力涡轮机已经被放置得越来越靠近社区，从而使风力涡轮机产生的噪声更接近可以听到该声音的人。针对风力涡轮机发展而来自邻居的投诉和阻力可能增加，特别是在1kHz频率范围内“嘶嘶”声或“飕飕”声的投诉。仅是最近，转子叶片设计者才关注噪声排放，该设计者必须平衡许多标准以产生最佳转子叶片。然而，由于噪声是能量的一种形式，所以减少噪声排放对于能量产生也可以具有积极的益处，这是因为能量不会在声波的产生中损失。
来自转子叶片的噪声排放来自尖端或来自尖端附近但不在尖端处的后缘，其被称为尖端涡流噪声。已经发现转子叶片噪声主要包括后缘噪声，并且存在两种变化，即，钝后缘噪声或“B-TE”噪声以及湍流边界层后缘噪声或“TBL-TE”噪声，其中TBL-TE是转子叶片噪声排放的最大原因。TBL-TE是由后缘处的叶片边界层内的湍流波动的发散引起的，其导致宽频噪声的辐射。增强转子叶片的结构以试图减少TBL-TE转子叶片噪声排放将是有用的。
已经研究了作为用于减少在后缘处的叶片边界层内的湍流波动的发散的装置的沿着后缘附近的叶片吸力侧轮廓的直锯齿，并且已经显示出将总声压水平减少2dB，这主要归因于在相对低的频率下噪声的减少。Herr等人的美国专利申请公开No.2008/0166241公开了一种通过在转子叶片的后缘处应用刷毛来减少转子叶片在使用期间的噪声排放的装置。根据本发明人，为了减少后缘相关噪声，较短的刷毛对于较低频率实现更好的减少结果，而较长的刷毛倾向于对于较高频率更有效。发明人解释说，在叶片的相同区域中具有显著不同外部尺寸的刷毛的组合有助于在宽频谱中具有较高效率的减小特性。
对于与转子叶片的边缘对齐并垂直于该边缘行进的入射压力波，来自转子叶片的辐射噪声是最大的。当压力波通过该边缘时，其遇到声阻抗的突然变化，这导致噪声的发散。刷毛可以被视为在一定的有限距离上分布这种阻抗的突然变化的装置，由此降低发散过程的强度。然而，直锯齿还导致在高频(>2000Hz)下的噪声的显著增加。因此，本领域技术人员将认识到，使用直锯齿需要仔细放置和仔细考虑宽度和长度，以便获得期望的效果。此外，湍流流入噪声可能有助于在低频下的风力涡轮机的噪声频谱。因此，本领域技术人员必须管理进入和离开的空气流，以便获得期望的效果。
发明内容
根据一个方面，提供了一种适于横穿流体环境的结构，该结构包括：细长本体，所述细长本体具有根部、翼尖、前缘和后缘；以及多个刚性突起，每个刚性突起从沿着前缘和/或后缘的相应位置大致沿着与本体的前表面相同的平面延伸。
在一个实施例中，细长本体是用于风力涡轮机的转子叶片。本文描述的结构提供用于减少在转子叶片的后缘处的边界层内的湍流波动的发散的观点。因此，提供了用于风力涡轮机的转子叶片突起，该突起通过其应用和使用而降低噪声排放和/或整体上提高风力涡轮机的效率。
根据实施例，提供在特定位置处产生声波的结构，使得其可以相消干涉另一声波。在实施例中，这通过提供具有多个变化长度和宽度的刚性突起的结构来实现，该多个变化长度和宽度与期望减小的来自转子叶片的噪声排放的特定数量对应。
根据本专利申请的一个实施例，其中，该结构是用于风力涡轮机的转子叶片，突起可以被安装到转子叶片的前缘和/或后缘上。
根据一个方面，转子叶片突起应用于转子叶片的40-96％的范围中，其中转子叶片的根部表示0％，叶片尖端表示100％。
根据另一方面，转子叶片突起可以在长度和宽度上交替，并且不均匀地分散。
根据再一方面，转子叶片突起朝向叶片尖端移动而在长度和宽度上总体上减小。
根据又一方面，转子叶片突起交替其长度和宽度的模式，这具体地由期望减小的声波的特性来确定。
根据再又一方面，转子叶片突起可以由基于生物基或非生物基材料构成。
根据再又一方面，转子叶片突起的长度与为该突起限定的局部流动流线大致平行。
根据另一方面，转子叶片突起可以由具有在1.0×10-4m/m·℃至7.0×10-4m/m·℃之间的线性热膨胀系数(CLTE)的材料制成。
根据本发明的另一实施例，转子叶片突起可以是柔性的或刚性的和/或具有曲线或直线结构。
根据一个方面，曲线转子叶片突起可以位于为该突起限定的局部流动流线的弧线中。
根据本发明的另一实施例，与前缘相反，转子叶片突起在后缘上可具有不同的构造。
根据一个方面，与后缘相比，前缘上的转子叶片突起可具有更大的表面积。
根据另一方面，转子叶片突起可以仅应用在后缘的区域中。
根据另一方面，转子叶片突起可以仅应用在前缘的区域中。
根据本发明的另一实施例，转子叶片的转子叶片突起和空气动力学本体可以是单一结构。
根据一个方面，转子叶片的转子叶片突起和空气动力学本体可以是彼此连接的两(2)件或更多件。
根据本发明的实施例，转子叶片突起可以是锯齿、刷子、梳子、肋状物、槽纹或毛条等。
根据本发明的另一实施例，转子叶片突起可以由嵌入基体内的纤维材料制成，并且可以来自生物或非生物原料。
根据一个方面，由生物基材料构成的转子叶片突起可以具有纤维，其可包括胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、α-几丁质、β-几丁质、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角质、纤维素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中胶层、角蛋白纤维大豆(KFS)、鸡羽纤维(CFF)和/或多糖，并且存在于包括丙烯酸酯环氧化大豆油(AESO)树脂、多糖凝胶、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基体中。
根据一个方面，由生物基材料构成的转子叶片突起可以与胶原型纤维相比具有更高百分比的弹性蛋白型纤维和/或与纤维相比具有更高百分比的基体。
根据另一方面，由非生物基材料构成的转子叶片突起可具有可包括玻璃纤维、塑料纤维和/或碳纤维，并且存在于可以包括硅树脂、环氧树脂和/或聚酯树脂的基体中。
根据另一方面，由非生物基材料构成的转子叶片突起可具有与纤维相比更高百分比的基体。
根据另一实施例，一种用于提高包括毂和转子叶片的操作的风力涡轮机的效率和/或降低其噪声排放的方法，其中至少一个转子叶片连接至毂并且由空气动力学本体限定，该空气动力学本体具有压力侧、吸力侧、前缘、后缘和叶片尖端，该方法包括：安装由空气动力学本体上的猫头鹰翼产生的多个突起，所述多个突起在前缘和/或后缘附近延伸，将这些突起应用在转子叶片的40-96％的范围内，其中转子叶片的根部代表0％，且叶片尖端代表100％，并且使长度和宽度相应于所述突起而交替。
根据一个方面，提供一种用于提高运行的风力涡轮机的效率和/或降低其噪声排放的方法，其通过使在转子叶片上的较长突起的长度长出在给定温度下由较短突起产生的声波的波长的1/2来实现。
根据一个方面，一种用于提高运行的风力涡轮机的效率和/或降低其噪声排放的方法通过利用与由转子叶片的任何部件发出的相邻声波对应的某一波长的声波的主动作用而引起声波的相消干涉来实现。
根据本发明的另一实施例，给出了制造这些转子叶片突起的方法，由此它们可以由嵌入基体中的纤维材料制成。
根据一个方面，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中纤维材料是生物基材料，并且可以包括胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、α-几丁质、β-几丁质、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角质、纤维素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中胶层、角蛋白纤维大豆(KFS)、鸡羽纤维(CFF)和/或多糖，并存在于包括丙烯酸酯环氧化大豆油(AESO)树脂、多糖凝胶、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基体中。
根据另一方面，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中纤维材料是生物基材料，并且包含与胶原型纤维相比具有更高百分比的弹性蛋白型纤维和/或与纤维相比具有更高百分比的基体。
根据另一方面，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中纤维材料不是生物基材料，并且可以包括玻璃纤维、塑料纤维和/或碳纤维，并且存在于可以包括硅树脂、环氧树脂和/或聚酯树脂的基体中。
根据另一方面，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中纤维材料不是生物基材料，并且包含与纤维相比具有更高百分比的基体。
根据本发明的另一实施例，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中这些突起可以通过使用3D打印机来打印，且更具体地使用多材料3D打印机来打印。
根据另一方面，给出了制造这些转子叶片突起的方法，其中该方法可以包括预浸渍技术、拉挤成型，自动纤维铺放(AFP)和/或注入成型。
根据本发明的另一实施例，可以执行将转子叶片突起应用于空气动力学转子叶片本体的任何方法，并且可以在其制造期间应用于现有的风力涡轮机和/或风力涡轮机。
根据最后一个实施例，本发明可以应用于任意机翼，而不取决于其空气动力学设计。
附图说明
在包括参考附图的本说明书的其余部分中，更具体地对本领域技术人员阐述了本发明的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，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图；
图2是独立的图1的风力涡轮机的转子叶片中的一个的前透视图；
图3是独立的根据本发明的实施例的结构的前透视图；
图4是具有各种后缘突起的结构的后缘的透视截面图；
图5A是具有各种后缘突起的结构的后缘的透视截面图；
图5B是具有各种后缘突起的结构的后缘的透视截面图；
图6是具有各种前缘突起的结构的后缘的透视截面图；
图7示出了结构的后缘的俯视图，其示出了各种突起及其各自的长度；
图8示出了从结构的后缘突起发出的声波的侧视图，其包括声波的相消干涉；以及
图9示出了在从诸如风力涡轮机转子叶片的结构的后缘发出的声波的频率范围内的不同频率的各个声波的两个侧视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，在附图中示出了本发明的一个或多个示例。每个实施例为了解释本发明而提供，且并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，以产生另一实施例。本发明旨在包括这样的修改和变化。
本专利申请包括用于在风力涡轮机的叶片构造的传统方面进行改进的机会的描述。本专利申请产生了具有独特的仿生突起的叶片构造，该仿生突起可以根据需要方便地改装到叶片部分上，并且其产生相消干涉，使得发射的声波减少，因此增加风力涡轮机的总体效率。
图1是根据现有技术的水平轴线风力涡轮机10的侧视图。风力涡轮机10包括由例如地表面的表面S支撑并从该表面延伸的塔架100。进而，由塔架100支撑的是水平延伸的机舱200。具有旋转器300的毂能够旋转地安装在机舱200的前端，并且能够围绕旋转轴线R相对于机舱200旋转。旋转器300接收和支撑多个转子叶片400，每个转子叶片从旋转器300向外延伸。转子叶片400捕获朝向风力涡轮机10流动的入射风Wi并使转子叶片旋转。由于其由旋转器300支撑，转子叶片400在旋转时使得旋转器300围绕旋转轴线R旋转，由此引起旋转运动，该旋转运动能够以熟知的方式转换成可用的电功率或机械功率。在这个意义上，转子叶片400均是适于横穿流体环境的结构，其中该实施例中的流体是环境空气。机舱200可以被能够旋转地安装至塔架100，使得机舱200可以相对于塔架100围绕基本竖直的轴线(未示出)旋转，由此使得转子叶片400能够自适应地面向入射风Wi正靠近风力涡轮机10的方向。通常均匀抛物面形状的鼻锥500被示出为安装到旋转器300的前端，以将入射风Wi偏转离开旋转器300。
图2是独立的转子叶片400中的一个的前透视图。转子叶片400包括细长本体，其从根部410延伸通过主区段412并且终止于翼尖414处。根部410在附接至机舱200或与其一体形成时从机舱延伸，而翼尖414是细长本体的远离机舱200的部分。细长本体具有前缘420和后缘430，其中当转子叶片400在与机舱200一起围绕旋转轴线R在方向D上旋转的运动中时，前缘420在后缘430前面。在图2中示出了细长本体的吸力侧440，并且以虚线示出的压力侧450与细长本体的吸力侧440相反。
图3是独立的根据本发明的实施例的结构400A的前透视图。结构400A的详细透视图限定了具有压力侧450、吸力侧440、前缘420、后缘430和翼尖414的空气动力学本体，叶片本体进一步包括在转子叶片的40-96％的范围139中的应用，其中转子叶片的根部140表示0％，并且叶片尖端141表示100％。以前缘145和后缘150为轮廓的两个区域示出了用于突起的可能的附接区域。
图4示出了风力涡轮机转子叶片的后缘150的透视剖视图，其示出了作为示例的直线151或曲线152结构的各种柔性或刚性突起。曲线突起152位于为该突起限定的局部流动流线的弧线中，并且所述多个突起中的每一个的长度与为该突起限定的局部流动线大致平行。相对于线性突起151示出了局部流动流线153。突起可以被称为梳子、刷子、锯齿、肋状物、槽纹或毛条，并且可以通过各种方法来应用。突起具有朝向叶片尖端154移动在总体上减小的长度和宽度。
图5A示出了风力涡轮机转子叶片的后缘150的另一透视剖视图，其示出了具有比图4的表面积更大的表面积的各种突起152b。在制造期间，突起152b可以与在后缘处的叶片本体137一体形成，使得突起152b和后缘处的叶片本体137是单一结构，或者可替代地可以是在形成叶片本体137之后施加以改进风力涡轮机的操作的元件。在这种可替代构造中，重要的是，由于在点150处的突起152b和叶片本体137之间的接缝/不连续性，所以沿着叶片前表面的风的流动被尽可能少地中断。
图5B示出了风力涡轮机转子叶片的后缘150的另一透视剖视图，其示出了各种示例性突起，诸如附接至叶片本体137的刷子152c和锯齿l52d。刷子152c可优选地类似于从猫头鹰式翼的后缘延伸的所述多个突起。这些突起是各种长度和尺寸的羽毛的破碎组件。从叶片的后缘延伸的突起可以相对于其直径独立地具有任何长度，并且可以是相对于其长度的任何厚度，使得所产生的作用有益于减少噪声排放和/或整体上提高风力涡轮机单元的效率。
图6示出了风力涡轮机转子叶片130的前缘145的透视剖视图，其示出了各种突起155。这些突起用于将入射在前缘145上的风中的湍流分解成较小的微湍流组，由此减小风力涡轮机的噪声排放的总量，并且整体上提高风力涡轮机的效率。从叶片的前缘延伸的突起必须是锥形的，并且必须至少间隔开其各自的直径和/或宽度156，使得所产生的作用有益于减少噪声排放和/或整体上提高风力涡轮机单元的效率。前缘上的突起155与后缘上的突起不同，并且可以比图5的突起更大，并且其可以仅应用于后缘或者仅应用于前缘。突起155朝向翼尖138的区域而表面积减小，使得突起155a比155b大。从这些突起中可以看出，它们可以具有球根状的性质。
下面参考图7至图9解释通过各种量改变相邻突起的长度的技术原因。这些距离基于在转子叶片的变化区域处产生的声波的波长，其进而基于在该点的流体的速度。图7示出了风力涡轮机转子叶片的后缘150的俯视图，其示出了各种突起151b及其各自的长度。这些后缘突起在长度和宽度上交替，并且不均匀分散，如在151b和151c处的突起可以看到的。相邻突起的长度的差151d基于待最小化的声波的波长距离。
图8示出了这种距离的进一步推理，该距离是待最小化的声波的波长的1/2。这里，可以看到从本发明的风力涡轮机转子叶片的后缘突起151b发出的声波160的侧视图，其示出了声波的相消干涉的方法。根据本发明的实施例，非均匀长度151b、151d基于在风力涡轮机的操作期间从各种突起发出的声波160、161。
图8进一步示出了相消干涉，以及当发生这种现象时产生的声波162。图9也示出了在从可操作的风力涡轮机转子叶片的后缘发出的声波的范围内的不同频率的两个声波160a、160b的侧视图。在接近叶片尖端时，所发出的声波的波长减小，并且因此需要不同长度的突起。这里，这被示出为波长160a比160b长，并且因此靠近尖端发出。这些突起可以由生物或非生物基材料构成，其中它们由具有在1.0×10-4m/m·℃与7.0×10-4m/m·℃之间，并且更优选为5.87×10-4m/m·℃的线性热膨胀系数(CLTE)。这种材料可以由嵌入基体中的纤维材料制成。在纤维材料是生物基材料的情况下，其可以包括胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、α-几丁质、β-几丁质、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角质、纤维素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中胶层、角蛋白纤维大豆(KFS)、鸡羽纤维(CFF)和/或多糖，并且存在于可以包括丙烯酸酯环氧化大豆油(AESO)树脂、多糖凝胶、水、糖胺聚糖(GAG)和/或蛋白聚糖的基体中。在纤维材料不是生物基材料的情况下，其可以包括玻璃纤维、塑料纤维和/或碳纤维，并且存在于可以包括硅树脂、环氧树脂和/或聚酯树脂的基体中。此外，在纤维是生物基纤维的情况下，可以存在与胶原型纤维相比具有更高百分比的弹性蛋白型纤维和/或与纤维相比具有更高百分比的基体。在纤维是非生物基纤维的情况下，可以存在与纤维相比具有更高百分比的基体。
理论注意事项：
给定声波的波长(w)随温度而较大程度变化，随着仰角而较小程度变化。在5000英尺以下发出和接收的声波可以被认为是标准的，并且由于大多数商业风电场低于该高度，所以本考虑因素将认为高度相对于声音波长具有微不足道的重要性。然而，温度对声音波长的影响较大，如下表1所示。给定声波的波长(w)由波的速度(v)(其取决于空气的温度)除以频率(f)的结果来确定，如下列等式1：
w＝v/f (1)
因此，在15℃且低于5000英尺的海拔处，声速为约340.276米每秒(m/s)，1000赫兹(Hz)的声波的波长为约34厘米(cm)，如下列等式2所示：
w＝340.276m/s/1000hz＝34.028cm (2)
从风力涡轮机转子叶片发出的声音相对于流动流线相对于旋转轴线经过的机翼的位置而变化，其中远离该轴线的区域经历较高频率且具有较高局部流速。这种比例关系以流体速度的五次方(U5)增加噪声强度。1kHz内或约1kHz的频率被听到声音的人描述为听起来像“哗哗”声，2kHz听起来像“嗡嗡”声，并且20kHz(人类听力的极限)听起来像刺耳的“振铃”声。由风力涡轮机转子叶片发出的频率通常落在1-20kHz的频率范围内是本发明的主要关注点。如下表1所示，我们还可以看到，变化波长以约四十(40)微米(μm)的量级增加。波长相对于温度的平均变化被确定为0.0587cm。因此，用于该应用的理想材料将具有α＝5.87×10-4m/m·℃的线性热膨胀系数(CLTE)。
表1
如上所述，优选的CLTE是α＝5.87×10-4m/m·℃。这可进一步从材料的线性膨胀方程导出，如下列等
式(3)所示：
ΔL＝α·L0·(T-T0) (3)
其中：
ΔL是长度的增加；
α是线性膨胀系数；
L0是原始长度；
T0是原始温度；并且
T是被加热到的温度。
后缘噪声的理论比例法则已经建立了一段时间。例如，对于低速气流(>马赫数0.3)的噪声强度具有实验验证的关系，如下列等式4所示：
其中：
p2是在与后缘相距距离r处观察到的声压强度；
ρ0是流体密度；
c0是声速；
U是边缘附近的流体速度；
L是流动的翼展范围(例如，叶片部分的长度)；
δ是边缘处的边界层厚度的度量；并且
D是方向性函数，其是观察者与边缘的角度的函数。
可以看出，噪声强度的五次方(U5)的缩放突出了气动噪声作为风力涡轮机的设计约束所起的作用。在半径R处的叶片截面上的局部速度为其中Ω是转子的旋转速度。这个速度在尖端处可以高达320公里/小时。考虑到U5比例关系，旋转速度增加15％将由此使噪声增加约3dB。相反，通过设计变化使气动噪声降低3dB将允许涡轮机转速增加15％。当与叶片结构设计改进结合时，这种旋转速度的增加可以减少系统负载并且使得更轻、更便宜的转子叶片和传动系成为可能。
上述用于横穿流体环境的结构的构造可以与Ryan Church同日提交的名称为“STRUCTURE WITH RIGID WINGLET ADAPTED TO TRAVERSE A FLUID ENVIRONMENT(具有适于横穿流体环境的刚性小翼的结构)”的待审的PCT专利申请No.PCT/CA2015/050740(其全部内容通过引用并入本文)或者Ryan Church同日提交的名称为“FLUID-REDTRECTINGSTRUCTURE(流体再引导结构)”的待审的PCT专利申请No.PCT/CA2015/050739(其全部内容通过引用并入本文)中公开的一个或多个构造结合地应用。
此外，上述水平轴线风力涡轮机的转子叶片的构造还可以应用于竖直轴线风力涡轮机，以及任何比例的这两种风力涡轮机。这样的改进可以等同地适用于任意机翼，而不取决于其经过必要修改的具有相关性变化的气动设计，包括但不限于高空风力(HAWP)装置、风筝式风力涡轮机、能量风筝、城市风力涡轮机、飞机机翼、滑翔机、无人机等。本文描述的发明可以应用于具有比通过示例描述的叶片更少或更多叶片的风力涡轮机，以便增加风力涡轮机的操作效率和降噪能力，以减少振动、负载、维护成本和机械磨损，以及增加这种风力涡轮机的可扩展性和可销售性。
对于城市风力涡轮机，这种装置可以全部受益于在其机翼上具有前缘和后缘突起。对于“螺杆”型装置(http://inhabitat.com/eddy-gt-wind-turbine-is-sleek- silent-and-designed-for-the-city)，它们将被放置在前缘和后缘两者上。
一些实施例可以参考方法类权利要求来描述，而其他实施例可以参考装置型权利要求描述。然而，本领域技术人员将从上述和以下描述中得到，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，特别是在方法类权利要求的特征和装置类权利要求的特征之间的任何组合被认为是本文献所公开的。
以上定义的方面和另外的方面从下文将要描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例对其进行解释。
在阅读以下内容之后，其他方面对于本领域技术人员来说是显而易见的。
虽然已经参照附图描述了实施例，但本领域技术人员将理解，在不偏离由所附权利要求限定的精神和范围的前提下，可以进行变化和修改。
用于水平轴线风力涡轮机的上述转子叶片构造还可以应用于能够用于竖直轴线风力涡轮机的一个或多个转子叶片，并且可以应用于任何尺寸的这两者的转子叶片，或者可以应用于可用于水电坝涡轮机、燃气涡轮机、潮汐涡轮机或航空风能涡轮机或者处理气体或液体的流体流动的其它类型的涡轮机中的一个或多个转子叶片。
上述转子叶片构造可替代地用于诸如为商用飞机、军用喷气飞行器、直升机叶片、直升机机翼、民用飞机、无人机和其他类似飞行器的飞行器中。本文描述的发明可以应用于具有比通过示例描述的叶片更少或更多叶片的风力涡轮机，以便提高风力涡轮机的操作效率、降低维护成本、以及增加这种风力涡轮机的可扩展性和可销售性。
观察到的是，商用飞机、民用飞机、无人机、直升机机翼将具有与现代商用飞机相似尺寸比的翼，其具有向后弯曲超过后缘线的结构。
如本文所述的结构可以包含降低雨雪的冲击力从而限制侵蚀和叶片故障的微型突起。
此外，诸如本文所述的结构可以设置有表面处理，诸如一系列凹部和/或一系列六边形图案和/或一系列凹陷或凹槽，所有这些都可以陷入小翼的表面中或在小翼的表面上方突起，诸如在上述的Ryan Church的名称为“STRUCTURE WITH RIGID WINGLET ADAPTEDTO TRAVERSE A FLUID ENVIRONMENT(具有适于横穿流体环境的刚性小翼的结构)”的待审PCT申请中所描述的。
诸如本文所述的那些结构可以加上必要的变更而适当地应用于相关的变化，包括但不限于商用飞机、军用喷气飞行器、直升机叶片、直升机机翼、民用飞机、航天器、无人机等。
此外，本文所公开的结构可用于除环境空气之外的其它流体环境，诸如水环境，油环境等。
适于横穿流体环境的结构可以应用于竖直轴线风力涡轮机。
适于横穿流体环境的结构可以应用于水电坝涡轮机。
适于横穿流体环境的结构可以应用于燃气涡轮机。
适于横穿流体环境的结构可以应用于潮汐涡轮机。
适于横穿流体环境的结构可以应用于航空风能涡轮机。
适于横穿流体环境的结构可应用于商用飞机。
适于横穿流体环境的结构可以应用于军用喷气飞行器和航天器。
适于横穿流体环境的结构可以应用于直升机叶片。
适于横穿流体环境的结构可以应用于直升机机翼。
适于横穿流体环境的结构可以应用于民用飞机的机翼。
适于横穿流体环境的结构可以应用于无人机的机翼。
本文所述的结构可以通过各种方法形成，包括对突起使用3D打印，或者利用预浸渍技术、拉挤成型、自动化纤维铺放(AFP)和/或注入成型来制造突起。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联描述的元件。应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (34)

1.一种适于横穿流体环境的结构，所述结构包括：
细长本体，所述细长本体具有根部、翼尖、前缘和后缘；和
多个刚性突起，每个刚性突起从沿着所述前缘和/或所述后缘的相应位置大致沿着与所述本体的前表面相同的平面延伸；
其中，所述突起包括从所述后缘延伸的第一组突起和第二组突起，所述多个突起中的每个突起具有一定长度；
其中，所述第一组突起和第二组突起中的突起是沿着所述后缘延伸的、彼此交替的离散突起；
其中，从所述后缘延伸的相邻突起的长度彼此不同；并且
其中，所述第一组和第二组中的相邻突起的长度相差目标声频的波长距离的一半，所述第一组中的突起和所述第二组中的突起与所述后缘上的入射气流相互作用，以引起从与所述入射气流相互作用的所述前缘产生的声波的相消干涉。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述刚性突起朝向所述翼尖延伸。
3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述刚性突起和所述细长本体一体地形成。
4.根据权利要求2所述的结构，其中，所述刚性突起是在形成所述细长本体之后被施加到所述细长本体的元件。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的结构，其中，所述刚性突起从所述前缘的大致整个跨度延伸。
6.根据权利要求1至4中的一项所述的结构，其中，所述突起从比所述前缘的整个跨度小的所述前缘的一部分延伸。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述刚性突起从所述细长本体的40％至96％之间从所述前缘延伸，其中，所述细长本体的根部表示0％，且所述翼尖表示100％。
8.根据权利要求1、2、4中的一项所述的结构，其中，所述突起和所述细长本体彼此连接。
9.根据权利要求1至4中的一项所述的结构，其中，所述细长本体是机翼。
10.根据权利要求1至4中的一项所述的结构，其中，所述结构是转子叶片。
11.根据权利要求1至4中的一项所述的结构，其中，所述结构是用于飞行器的固定翼。
12.一种涡轮机，所述涡轮机包括至少一个根据权利要求10所述的结构。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述涡轮机选自由风力涡轮机、潮汐涡轮机、水电坝涡轮机和航空风能涡轮机组成的组。
14.一种飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求9所述的结构。
15.根据权利要求14所述的飞行器，其中，所述飞行器选自由直升机、无人机、飞机和航天器组成的组。
16.一种被构造成安装在风力涡轮机上的转子叶片，其中，所述转子叶片限定了空气动力学本体，所述空气动力学本体具有压力侧、吸力侧、前缘、后缘和叶片尖端，所述转子叶片进一步包括：
多个突起，所述多个突起从所述空气动力学本体延伸，所述多个突起在所述前缘和/或所述后缘附近；
在所述转子叶片的40-96％的范围内的应用，其中，所述转子叶片的根部表示0％，且所述叶片尖端表示100％；
相对于所述突起朝向所述叶片尖端移动的总体上减小的长度和宽度；
相对于所述突起的不均匀的长度和宽度的交替图案，所述交替图案具体地由期望减小的声波的特性确定；
柔性的或刚性的和/或曲线的或直线的结构；
生物基材料或非生物基材料的组合；
其中，所述多个突起中的每一个突起的长度与为所述突起限定的局部流动流线大致平行；
其中，是曲线的且刚性的所述突起位于为所述突起限定的局部流动流线的弧线中；并且
其中，所述刚性突起由具有在1.0×10-4m/m·℃至7.0×10-4m/m·℃之间的线性热膨胀系数的材料制成；
其中，所述突起包括从所述后缘延伸的第一组突起和第二组突起，所述多个突起中的每个突起具有一定长度；
其中，所述第一组突起和第二组突起中的突起是沿着所述后缘延伸的、彼此交替的离散突起；
其中，从所述后缘延伸的相邻突起的长度彼此不同；并且
其中，所述第一组和第二组中的相邻突起的长度相差目标声频的波长距离的一半，所述第一组中的突起和所述第二组中的突起与所述后缘上的入射气流相互作用，以引起从与所述入射气流相互作用的所述前缘产生的声波的相消干涉。
17.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，所述刚性突起由具有5.87×10-4m/m·℃的线性热膨胀系数的材料制成。
18.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，与所述前缘相对地，应用所述后缘上的突起，所述后缘上的突起具有彼此不同的构造。
19.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，所述突起和所述空气动力学本体是单一结构。
20.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，所述突起和所述空气动力学本体彼此连接。
21.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，所述突起是锯齿、刷子、梳子、肋状物、槽纹或毛条。
22.根据权利要求16所述的转子叶片，其中，所述转子叶片由嵌入基体内的纤维材料制成。
23.根据权利要求22所述的转子叶片，其中，所述纤维材料是生物基材料，所述纤维材料包括胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、α-几丁质、β-几丁质、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角质、纤维素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中胶层、角蛋白纤维大豆、鸡羽纤维和/或多糖，并且所述纤维材料存在于包括丙烯酸酯环氧化大豆油树脂、多糖凝胶、水、糖胺聚糖和/或蛋白聚糖的基体中。
24.根据权利要求22所述的转子叶片，其中，所述纤维材料不是生物基材料，所述纤维材料包括玻璃纤维、塑料纤维和/或碳纤维，并且所述纤维材料存在于包括硅树脂、环氧树脂和/或聚酯树脂的基体中。
25.根据权利要求18所述的转子叶片，其中，与所述后缘相比，所述前缘具有更大表面积的突起。
26.根据权利要求22所述的转子叶片，其中，存在与胶原型纤维相比更高百分比的弹性蛋白型纤维。
27.根据权利要求22所述的转子叶片，其中，存在与纤维相比更高百分比的基体。
28.一种用于提高操作的风力涡轮机的效率和/或降低其噪声排放的方法，所述风力涡轮机包括毂和转子叶片，其中，至少一个转子叶片连接至所述毂并且由空气动力学本体限定，所述空气动力学本体具有压力侧、吸力侧、前缘、后缘和叶片尖端，
所述方法包括：
安装所述空气动力学本体上的多个突起，所述多个突起在所述前缘和/或所述后缘附近延伸；
将所述突起应用在所述转子叶片的40-96％的范围内，其中，所述转子叶片的根部表示0％，并且所述叶片尖端表示100％；
使长度和宽度相应于所述突起而交替；
其中，较长突起的长度比较短突起的长度长出在给定温度下由较短突起产生的声波的波长的1/2；
其中，这引起声波的相消干涉；
其中，这通过主动地产生与由所述转子叶片的任何部件发出的相邻声波相对应的特定波长的声波来完成。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述突起由嵌入在基体内的纤维材料制成。
30.权利要求29所述的方法，其中，所述纤维材料是生物基材料，并且所述纤维材料包括胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、α-几丁质、β-几丁质、α-角蛋白、β-角蛋白、硫酸角质、纤维素、基底膜蛋白多糖、聚集蛋白、中胶层、角蛋白纤维大豆、鸡羽纤维和/或多糖，并且所述纤维材料存在于包括丙烯酸酯环氧化大豆油树脂、多糖凝胶、水、糖胺聚糖和/或蛋白聚糖的基体中。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述纤维材料不是生物基材料，并且所述纤维材料包括玻璃纤维、塑料纤维和/或碳纤维，并且所述纤维材料存在于包括硅树脂、环氧树脂和/或聚酯树脂的基体中。
32.根据权利要求30所述的方法，存在与胶原型纤维相比更高百分比的弹性蛋白型纤维，和/或存在与纤维相比更高百分比的基体。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，存在与纤维相比更高百分比的基体。
34.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求16至27中的任一项所述的转子叶片。
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