[發(fā)明專利]一種確定非常規(guī)風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811569307.8
• 申請(qǐng)日: 2018-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109505742B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱建勇;莊林學(xué)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D17/00
• 分類號(hào): F03D17/00;F03D3/06;F03D3/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種確定非常規(guī)風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)的方法，步驟為：設(shè)定風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速、切入風(fēng)速、額定風(fēng)速及切出風(fēng)速；在啟動(dòng)風(fēng)速下，通過(guò)數(shù)值模擬獲取不同尖速比下的扭矩系數(shù)和推力系數(shù)，將扭矩系數(shù)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的推力系數(shù)作為啟動(dòng)風(fēng)速下的推力系數(shù)；在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬獲取額定風(fēng)速時(shí)不同尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)和推力系數(shù)，取最大風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)應(yīng)尖速比下的推力系數(shù)作為切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間的推力系數(shù)；在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，保持額定功率，通過(guò)推力系數(shù)隨尖速比的變化曲線得到相應(yīng)尖速比下的推力系數(shù)，同時(shí)通過(guò)流動(dòng)控制手段誘導(dǎo)產(chǎn)生附加推力系數(shù)；當(dāng)超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)停機(jī)，擬合出風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的推力系數(shù)曲線。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種確定非常規(guī)風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)的方法。

背景技術(shù)

環(huán)境和能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，化石能源的巨量消耗會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，只有積極開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源，才能更好的緩解能源和環(huán)境問(wèn)題。

風(fēng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，而風(fēng)力機(jī)則是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的優(yōu)劣直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，而風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)又是表征風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能指標(biāo)之一，其表示的是風(fēng)力機(jī)所受推力的大小，推力系數(shù)在風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面具有重要作用。

目前，對(duì)于常規(guī)的水平軸風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，可以利用現(xiàn)有的動(dòng)量-葉素理論來(lái)確定風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)；對(duì)于常規(guī)的垂直軸達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，可以利用現(xiàn)有的流管法確定風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)。

然而，隨著風(fēng)能技術(shù)的日益發(fā)展，涌現(xiàn)出各種新穎型式的非常規(guī)風(fēng)力機(jī)，現(xiàn)階段，對(duì)于非常規(guī)風(fēng)力機(jī)尚沒(méi)有成熟的確定推力系數(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種確定非常規(guī)風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)的方法，適用于各種型號(hào)的非常規(guī)風(fēng)力機(jī)，能夠獲取不同風(fēng)速下的非常規(guī)風(fēng)力機(jī)的推力系數(shù)，進(jìn)而為風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種確定非常規(guī)風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)的方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，先對(duì)風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速、切入風(fēng)速、額定風(fēng)速及切出風(fēng)速進(jìn)行設(shè)定；

步驟二：在設(shè)定的啟動(dòng)風(fēng)速下，通過(guò)數(shù)值模擬方式獲取不同尖速比下的扭矩系數(shù)和推力系數(shù)，并將扭矩系數(shù)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的推力系數(shù)作為啟動(dòng)風(fēng)速下的推力系數(shù)；

步驟三：當(dāng)風(fēng)速處于設(shè)定的切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬方式獲取額定風(fēng)速時(shí)不同尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)和推力系數(shù)，并取最大風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)應(yīng)尖速比下的推力系數(shù)作為切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間的推力系數(shù)；

步驟四：當(dāng)風(fēng)速超出設(shè)定的額定風(fēng)速且處于設(shè)定的額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，為了使風(fēng)力機(jī)功率保持在額定功率，風(fēng)力機(jī)的尖速比逐漸減小，通過(guò)推力系數(shù)隨尖速比的變化曲線得到相應(yīng)尖速比下的推力系數(shù)；同時(shí)，為了使風(fēng)力機(jī)功率保持在額定功率，通過(guò)流動(dòng)控制手段對(duì)風(fēng)力機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，且流動(dòng)控制手段會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生風(fēng)力機(jī)的附加推力系數(shù)；

步驟五：當(dāng)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定的切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)停機(jī)；

步驟六：根據(jù)步驟三至步驟五獲取的推力系數(shù)數(shù)據(jù)，擬合出風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的推力系數(shù)曲線。

采用的數(shù)值模擬方式為風(fēng)力機(jī)計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并通過(guò)滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；采用計(jì)算流體力學(xué)軟件求解非定常不可壓縮的時(shí)均N-S方程，湍流方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型，采用有限體積法離散上述方程，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，通過(guò)SIMPLE算法耦合壓力與速度；邊界條件采用速度入口邊界、壓力出口以及壁面無(wú)滑移邊界。

風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)、風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)及尖速比的計(jì)算公式為