[發明專利]一種改進型水平軸風力機及其使用方法、設計方法

有效

• 申請號: 201711120180.7
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107882678B
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 朱衛軍;曹九發;徐浩然;孫振業;楊華
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: F03D1/00
• 分類號: F03D1/00;F03D1/04;F03D7/02;G06F17/50
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

1.一種改進型水平軸風力機，其特征在于，包括：塔架(1)、機艙(2)、葉片(3)、輪轂(4)、導流罩(5)和導流圓盤(6)，所述機艙(2)安裝在塔架(1)的頂端，所述輪轂(4)安裝在機艙(2)的前端，多個葉片(3)均勻地圍繞著輪轂(4)分布，所述導流罩(5)安裝在輪轂(4)的側面，所述導流圓盤(6)可伸縮地安裝在輪轂(4)的前端；

所述輪轂(4)的前端安裝有圓盤固定底板(7)，所述圓盤固定底板(7)上依次安裝有液壓泵(8)、伸縮油缸(9)和伸縮活塞桿(10)，導流圓盤(6)固定在伸縮活塞桿(10)的前端，其中，所述伸縮活塞桿(10)垂直于風輪平面，圓盤固定底板(7)和導流圓盤(6)與風輪平面相平行；

所述導流圓盤(6)包括上半圓盤(11)、下半圓盤(12)、旋轉機構(13)和支撐桿(14)，所述支撐桿(14)與伸縮活塞桿(10)相垂直地固定在伸縮活塞桿(10)的前端，所述上半圓盤(11)和下半圓盤(12)分別安裝在支撐桿(14)的兩端，上半圓盤(11)和支撐桿(14)之間、下半圓盤(12)和支撐桿(14)之間均通過旋轉機構(13)相連，所述旋轉機構(13)用于驅動上半圓盤(11)和下半圓盤(12)的分離和合并；合并狀態時，上半圓盤(11)和下半圓盤(12)拼接成一個與風輪平面相平行的圓；分離狀態時，上半圓盤(11)和下半圓盤(12)互相平行，均與風輪平面相垂直。

2.如權利要求1所述的一種改進型水平軸風力機，其特征在于：所述導流圓盤(6)和圓盤固定底板(7)之間安裝有圓盤固定支架(15)，所述圓盤固定支架(15)包括連接桿(16)和插槽(17)，所述連接桿(16)與支撐桿(14)相平行，連接桿(16)的兩端均安裝有插槽(17)，所述插槽(17)的開口朝向導流圓盤(6)，使得導流圓盤(6)在分離狀態時，上半圓盤(11)和下半圓盤(12)能分別向后插入連接桿(16)兩端的插槽(17)中。

3.一種如權利要求2所述的改進型水平軸風力機的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：當檢測到一定時間段平均風速小于額定風速時，導流圓盤(6)處于合并狀態，液壓泵(8)和伸縮油缸(9)驅動伸縮活塞桿(10)移動，使得導流圓盤(6)與風輪平面處于該平均風速下的最優距離位置；

步驟二：當檢測到一定時間段平均風速大于或者等于額定風速時，導流圓盤(6)處于分離狀態，旋轉機構(13)開始工作，上半圓盤(11)和下半圓盤(12)旋轉分離至均與風輪平面相垂直；

步驟三：液壓泵(8)和伸縮油缸(9)工作，使伸縮活塞桿(10)向風輪平面靠近，直到上半圓盤(11)和下半圓盤(12)分別插入連接桿(16)兩端的插槽(17)中，實現圓盤的收緊固定狀態；

步驟四：當檢測到平均風速又小于額定風速時，反向進行以上操作。

4.一種如權利要求2所述的改進型水平軸風力機的設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：進行流場網格的劃分，對導流圓盤位置和風輪位置區域進行網格加密；

步驟二：結合遺傳優化算法，計算導流圓盤的半徑、導流圓盤與風輪之間的距離；

步驟三：通過浸入邊界和致動理論的體積力耦合求解，計算風力機導流圓盤的氣動力；

步驟四：基于導流圓盤的氣動力，計算所在風速下的風力機功率系數，判斷風力機功率系數是否達到最優，如果沒有達到最優的風力機功率系數，則重新改變導流圓盤的半徑、導流圓盤與風輪之間的距離；

步驟五：進行優化迭代，如果風力機功率系數達到最大值，已經優化收斂，則得到導流圓盤的最優半徑、導流圓盤與風輪之間的最優距離。

5.如權利要求4所述的設計方法，其特征在于：所述步驟三具體包括：

提出適合該風力機的數值模擬計算的NS方程表達式(1)：

其中，虛擬項f_i表示由物體邊界的存在而出現的外力，方程右邊除此項之外的各項綜合表示為RHS；U_i、U_j表示為速度張量，x_i、x_j表示位移分量，i,j＝1、2、3；t為離散時間，ν表示流體粘性系數，ν_t是動粘性系數；

將方程坐標的速度離散成如下式(2)：

其中，n、n+1表示時間步長前后關系；

通過上式中速度和受力的傳遞關系，結合物體表面已知速度求解外力大?。?/p>

其中，表示外力大小，f_AD表示風輪葉片體積力，ρ為空氣密度，c為葉素弦長，CL和CD分別為升力系數和阻力系數；

求得的外力重復代入具有浸入邊界體積力和致動理論體積力耦合的動量方程中，計算出新的速度場，新的速度場又對外力進行更新，如此循環往復直至結果滿足精度要求。