CN106246459A - 一种风力机导风筒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机导风筒，该导风筒采用翼型结构的翼型曲线为基础经扩大相应倍数后获得的目标翼型曲线经空间旋转而成，其包括依次相连的进口集流段、中间喉部段和出口扩散段，其中，所述进口集流段对应于目标翼型曲线中弧线曲率较大的一端，所述出口扩散段对应于目标翼型曲线中弧线曲率较小的一端，所述中间喉部段的最小直径小于进口集流段的最大直径和出口扩散段的最大直径。本发明在提高风力机效率的同时，可有效改善叶轮流场，减少脱落涡的影响区域，具有结构简单、适用范围广等优点。

Description

一种风力机导风筒
技术领域
本发明属于导风筒领域，更具体地，涉及一种风力机导风筒。
背景技术
风力机是风力发电的核心部分，广泛应用于可再生能源风能采集风力发电的场所，以此缓解因人口和经济的快速增长能源需求量急剧增加的情况，并弥补煤炭、石油等传统能源的污染性与不可再生性的劣势。
由于针对叶片的优化对风力机捕能效率的提高有限，而通过风力机外加导风筒的方案可进一步提高风力机的功率系数，所以外加导风筒的方案开始逐步应用于风力机设计中。而对于导风筒外形设计的研究，通常采用的导风筒是简单的圆弧形或者直线段形状，这些设计方案不仅效率低，而且仅在某一确定的风力机有效，适用范围小。为解决传统风力机风能捕获效率低，流场不稳定的问题，进而实现高效、稳定的工作，设计一款高效且可适用多规格风力机的导风筒具有重要意义和应用价值。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风力机导风筒，其基于风力机叶片常用翼型的设计实现功率系数最大化的目标优化，具有较好的升阻比的理论，采用叶片翼型结构参数为基础设计出新型的导风筒，进行新型风力机的探索,在保证风力机效率同时且可达到普遍适用性的特点，在提高风力机捕能效率的同时且具有稳定的风力机流场。
为实现上述目的，本发明提出了一种风力机导风筒，该导风筒采用翼型结构的翼型曲线为基础经扩大相应倍数后获得的目标翼型曲线经空间旋转而成，其包括依次相连的进口集流段、中间喉部段和出口扩散段，其中，所述进口集流段对应于目标翼型曲线中弧线曲率较大的一端，所述出口扩散段对应于目标翼型曲线中弧线曲率较小的一端，所述中间喉部段的最小直径小于进口集流段与出口扩散段的最大直径。
作为进一步优选的，所述中间喉部段的最小直径与进口集流段最大直径的比值优选为1：1.2～4。在该优选比值下，在保证进口直径与喉部直径最大范围的情况下，又可将翼型曲线弧度调整至与气流流场更适合的弧度，既保证提高风力机的捕能效率，又可改善气流周围流场流动的均匀性。
作为进一步优选的，所述中间喉部段为直线段，其由目标翼型曲线自进口集流段起的轴向方向26％～35％位置处向后截取交至后方出口扩散段处，将此段弧线变为直线，并使直线经空间旋转而成。
作为进一步优选的，所述中间喉部段为直线段，其由目标翼型曲线中***一直线，并使直线经空间旋转而成。
作为进一步优选的，所述风力机安装在喉部直线段的35％～55％位置处。
作为进一步优选的，所述导风筒的长度优选为0.8-3.5倍的风力机的叶轮直径，在该长度下即可保证气流流场的均匀性，又充分考虑了安装空间的需求。导风筒的厚度根据所用材料及相关加工工艺优选值为2-25mm，所述风力机的安装叶顶间隙根据所需工艺及安装空间要求，考虑到气流流动特性，优选范围为5-30mm。
作为进一步优选的，所述***的一直线的长度优选为26％～40％目标翼型曲线的轴向长度。
作为进一步优选的，所述目标翼型曲线先绕出口扩散段的末端点旋转一定角度后再经空间旋转。
作为进一步优选的，所述目标翼型曲线旋转的角度优选为+25°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明对于导风筒型线设计中以风力机翼型结构参数为基础，通过调整翼型的弦长和厚度确定导风筒的基础设计型线，而后通过风力机叶轮的旋转轴旋转成壳体后所得，由于对于进口集流段与出口扩散段的型线选择与控制，更有利于气流的流动，并改善其周围流场，提高风力机的捕能效率，进而有效提高现有风力机效率低的问题。
2.本发明中导风筒型线设计的基础型线参考风力机翼型结构型线，由于常规型线的设计参数均为已知，所以调取参数简便，并且通过扩大不同倍数，得到合理设计曲线同时也可控制进口段与喉部位置直径比，可得到适用于不同风力机的更优方案，进而解决现有导风筒结构单一、只能一对一匹配的问题。
3.本发明考虑风力机的导风筒设计参数对风力机效率的影响程度大小不一，本发明中在导风筒外形型线、导风筒进口与喉部面积比例对于风力机性能影响较大的基础上提出合理设计导风筒外形型线并调整进出口面积比例的参数，设计出的参数可直接通过放大相对倍数适用于更多规格的风力机，从而设计出一款高效并且可具有普遍适用性的导风筒。
4.本发明将中间喉部段的圆弧变为直线段或者直接加入适当比例的直线段或者调整翼型曲线的角度，使得设计的型线更广泛的适用于不同类型的风力机，前端进口集流段与末端出口扩散段设计曲线选取设计更为合理，中间喉部位置可调整多方案选择，根据所需采取性能最佳的方案提高风力机的捕获能力，减少脱落涡的影响区域，改善周围流场，从而可选择得到一个最优方案适用于需提高效率的风力机。
附图说明
图1(a)和(b)为带导风筒风力机整体结构的主视图与左视图；
图2为对称的翼型型线结构示意图；
图3为非对称翼型型线结构示意图；
图4为实施例1采取翼型弧线拟合型线获得的导风筒的结构示意图；
图5为实施例2采取翼型弧线-直线段拟合型线获得的导风筒的结构示意图；
图6为实施例3采取翼型弧线-直线段拟合型线获得的导风筒的结构示意图；
图7为实施例4采用翼型弧线旋转角度获得的导风筒结构示意图；
图8为风力机采用数值模拟与试验测量的验证对比图；
图9为本发明实施例1应用在风力机内的特性曲线分析图；
图10为本发明实施例2应用在风力机内的特性曲线分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种风力机导风筒，该导风筒用于风力机的气流输送，其采用风力机翼型结构的翼型曲线为基础经扩大相应倍数后获得的目标翼型曲线经空间旋转而成，其包括依次相连的进口集流段1、中间喉部段2和出口扩散段3，其中，所述进口集流段1对应于目标翼型曲线中弧线曲率较大的一端，所述出口扩散段3对应于目标翼型曲线中弧线曲率较小的一端，所述进口集流段1的最大直径(即进口集流段的端口对应的直径)和出口扩散段3的最大直径(即出口扩散段的端口对应的直径)可取相同值，该直径记为R1(若取值不同，记进口集流段1最大直径为R1)，而中间喉部段2的最小直径(其为导风筒直径的最小位置)记为R2，R1>R2，同时也需保证出口扩散段的最大直径大于R2。该导风筒的喉部位置安装风力机叶轮，导风筒中心轴与风力机叶轮旋转轴重合，其水平分布记为空间直角坐标系的X轴，与X轴垂直的铅垂线记为Y轴。
导风筒进口集流段和出口扩散段均为凹型曲线，采用的翼型为风力机及其它如泵和风机等流体机械中常用的翼型结构，其以翼型结构参数为基础设计导风筒结构(例如采用NACA系列翼型，如NACA16，NACA18等，其均是常用翼型结构，翼型结构参数为已知)，因常用翼型结构均为两段弧线组成，选取翼型结构在XY平面中关于弦长位置对称分布，则可截取两条对称的翼型结构曲线中的一条，输出相关参数坐标点(X，Y)，因翼型数据库中翼型弦长长度单位为100％，经过扩大a倍X，b倍Y(a,b均为正实数，可取相同值)，从而得到适当的进口集流段与喉部位置直径比(考虑到曲线与直径比的综合因素，设计取值优选为在R1/R2＝1.2～4/1，在该比例下，即可保证在进口直径与喉部直径最大范围的情况下，又可将翼型曲线弧度调整至与气流流场的更适合的弧度，既保证提高风力机的捕能效率，又可改善气流周围流场流动的均匀性)，得到目标翼型曲线，若选取翼型结构在XY平面中不对称分布，可截取弯度相对较大的一半弧线，同样输出坐标点经过扩大所需适当倍数，得到目标翼型曲线。
目标翼型曲线即为导风筒的基础设计曲线，曲线在空间直角坐标系中绕X轴旋转成壳体，其最小直径处即为喉部段，直径最小处点对应风力机叶轮叶片前缘位置，风力机以X轴为旋转轴，以此为标准放置风力机叶轮。
目标翼型曲线中弧线曲率较小(也即圆弧弧度变化较为缓慢)的一端为出口扩散段，另一侧弧线曲率较大的为进口集流段。进口集流段因曲率较大利于收集气流，从而使得输送到风力机处气流增加，增加风力机的补能效率，并且进口集流段采用翼型结构的设计，使得风力机叶片设计理论中升阻比最大化的优点得以应用，且因为合理型线的翼型导风筒的存在增加了叶轮对气流的抽吸作用，进而提高风力机功率系数。出口扩散段弧线的曲率较小，更有利的起到风力机中气流的引导作用，又利于出口气流的动能转化为静压能。
本发明中，导风筒基础设计曲线还可将目标翼型曲线进行改进，在保证进口集流段与出口扩散段直径与弧线不变，可在目标翼型曲线轴向长度(即沿导风筒轴向的长度，也即导风筒的总长度)的26％～35％位置处(规定以进口集流段为起始端，出口扩散段为末端)，根据所选翼型情况不同，在该位置范围内择优取点向后截取交至后方出口段处，将此段弧线变为直线段(具体的是在翼型曲线轴向长度的26％～35％处选择一个点，以该点为起点水平延伸一段直线，直至该直线与目标翼型曲线相交于另一点，两点之间的曲线由该直线替代)，或者将喉部段最小直径处切开直接加入一段占总曲线轴向长度26％-40％的直线段，得到的拟合曲线，在空间直角坐标系下通过以X轴为旋转轴旋转成壳体，可得到所设计导风筒形状，此时喉部段由直线段绕轴旋转而成，形成的导风筒需保证直线喉部段的直径与进口集流段1最大直径的比值在1：1.2～4范围内。风力机(风力机叶轮叶片的前缘点)放置在喉部段直线段的35～55％左右位置处(同样以进口集流段为起始端，出口扩散段为末端)，可在保证进口风速比得到最大提高，改善气流流场分布，进一步提高导风筒效率。
图1为风力机与所设计导风筒的整机示意图的主视图与左视图，风力机的旋转轴X轴与导风筒中心轴重合。风力机叶轮安装在弧线-直线型导风筒的喉部段直线段的35％～55％左右位置处(或弧线型导风筒的喉部段)，因翼型导风筒的存在增加了叶轮对气流的抽吸作用，进而提高风力机功率系数，可在保证进口风速比得到最大提高，进一步提高导风筒效率。
图2为关于对称的翼型结构参数示例，可截取两条对称的翼型结构曲线中一条，以此作为基础设计曲线进行设计。
图3为非对称的翼型结构参数示例，可截取弯度相对较大的上半部分弧线，以此作为基础设计曲线进行设计。输出翼型型线的相关参数坐标点(X，Y)，经过扩大a倍X，b倍Y，从而得到适当的进口集流段与喉部位置直径比，得到目标翼型曲线。
图4和图5为在所得到目标翼型曲线的基础上所设计得到的两种类型的导风筒。将曲线在空间直角坐标系中绕X轴旋转成壳体，其最小直径处即为喉部段，即可得到图4所示的弧线型翼型导风筒，风力机叶轮叶片前缘位置对应放置于所设计导风筒的喉部段直径最小点处，风力机以X轴为旋转轴，以此为标准放置风力机叶轮。
而目标翼型曲线在保证进口集流段与出口扩散段直径与弧线不变，可将曲线的弧线改为直线段(或直接加入一段直线段)，得到的拟合曲线，在空间直角坐标系下通过以X轴为旋转轴旋转成壳体，即可得到图5和图6所示的弧线-直线型翼型导风筒。
而将所选择翼型曲线以出口扩散段末端点(即图7中的最右端)为旋转点，在XY平面内旋转一定角度后得到目标翼型曲线，再在空间直角坐标系中以X轴为旋转轴旋转成壳体，即可得到图7所示的翼型弧线旋转型翼型导风筒。其中，中间喉部段的最小直径与进口集流段最大直径的比值优选为1：1.2～4，在该优选比值下，旋转角度可根据翼型曲线不同优选为+25°(本发明中规定以顺时针为“+”)，顺时针旋转时进口集流段1的最大直径变小，逆时针旋转时进口集流段1的最大直径变大。
图8为经过CFD数值计算进行分析所得与试验测试所得数据的分析对比，计算和试验功率随风速的变化趋势相同，计算和试验的误差在14％左右，考虑到数值计算时轮毂和叶片连接部位等结构进行简化处理，所以误差值在可接受的范围之内。这表明本次研究设计所采用的数值计算方法、边界条件的设置都是合理的，数值计算结果是可靠的。故而在加工前进行必要的模拟从而得到的结果一方面可验证所设计导风筒是否更匹配需改善的风力机，另一方面又可节省成本避免不必要的时间与资源的浪费。
以下给出具体实施例：
实施例1
本实施例中的风力机叶轮直径为1130mm，叶片数6叶，翼型导风筒设计翼型基础采用NACA16的相关参数。调出NACA16的翼型型线中的一条型线参数200个坐标点(为保证翼型结构的准确性，亦可采用大于200数量的坐标点)，在XY平面中的坐标点如下：(0.000000.00000)，(0.00620 0.18690)，(0.02490 0.37240)，(0.05610 0.55670)，(0.099700.73970)，(0.15570 0.92140)，(0.22410 1.10180)，(0.30500 1.28070)，(0.398201.45830)，(0.50380 1.63450)，(0.62180 1.80910)，(0.75200 1.98240)，(0.894502.15410)，(1.04930 2.32420)，(1.21620 2.49270)……(99.248000.30800)，(99.378200.28390)，(99.49620 0.26200)，(99.60180 0.24230)，(99.69500 0.22500)，(99.775900.20990)，(99.84430 0.19710)，(99.90030 0.18660)，(99.94390 0.17850)，(99.975100.17270)，(99.99380 0.16920)，(100.00000 0.16800)因实施例中涉及的为风力机常用翼型，在此只为详细分析设计方法理论，故坐标点不一一列举。
取得翼型曲线后，通过(20X，30Y)的坐标变换，得到目标翼型曲线，也即得到导风筒的基础设计曲线坐标：(0 0)，(0.124 5.607)，(0.498 11.172)，(1.122 16.701)，(1.99422.191)，(3.114 27.642)，(4.482 33.054)，(6.1 38.421)，(7.964 43.749)，(10.07649.035)，(12.436 54.273)，(15.04 59.472)，(17.89 64.623)，(20.986 69.726)，(24.32474.781)……(1984.96 9.24)，(1987.564 8.517)，(1989.924 7.86)，(1992.036 7.269)，(1993.9 6.75)，(1995.518 6.297)，(1996.886 5.913)，(1998.006 5.598)，(1998.8785.355)，(1999.502 5.181)，(1999.876 5.076)，(2000 5.04)。从而得到导风筒的基础设计曲线，调整曲线方向使其与X轴方向平行，因叶轮直径D为1130mm，本实施例中安装叶顶间隙为5mm，因此应保证曲线的最高点到X轴的距离为本实施例通过上移X轴，使其上移570+y(该y值为曲线最高点的y坐标)然后使基础设计曲线绕X轴旋转成壳体后即可得到图4所示的弧线型翼型导风筒，导风筒厚度2mm。而后将风力机叶轮叶片前缘位置对应放置于所得导风筒的喉部段直径最小点处，风力机以X轴为旋转轴，以此为标准放置风力机叶轮。
图9为实例1及无导风筒风力机所进行数值模拟进行分析所得到捕能系数Cp随着叶尖速比λ的变化趋势对比，及叶轮增速比ε与叶尖速比λ的变化趋势对比图。图中可看出，实施例1的风力机的捕能系数Cp及入口处风速值均随着叶尖速比λ的变化增加量较于未加导风筒的风力机更多，实施例1相对于不加导风筒的F0方案其捕能系数最大提高了13％，最大叶尖速比增加量达到32％。由于设计的翼型导风筒型线及进口集流段与喉部直径的合理控制，使得叶轮周围流场产生负压，增加了叶轮对气流的抽吸作用，从而使得叶轮对气流的利用率增加，又因为合理的曲线设计使得叶尖涡脱落区域减少，改善风力机周围流场，故而使得在较为宽广的转速范围内能保持高效率。
实施例2
本实施例中的风力机叶轮直径为1100mm，叶片数6叶，翼型导风筒设计翼型基础采用NACA18的相关参数，调出NACA18的翼型型线中的一条型线参数200个坐标点(为保证翼型结构的准确性，亦可采用大于200数量的坐标点)，取得翼型曲线后，通过(25X，25Y)的坐标变换，得到目标翼型曲线也即导风筒的基础设计曲线坐标点，调整曲线方向使其与X轴方向平行，因叶轮直径D为1100mm，本实施例中安装叶顶间隙为15mm，因此应保证曲线的最高点到X轴的距离为本实施例通过上移X轴，使其上移565+y(该y值为曲线最高点的y坐标)，保证曲线的最高点到X轴的距离为565mm(即最高点的y坐标为-565mm)，从而得到导风筒的基础设计曲线，在导风筒最小直径喉部段处将曲线切开为两段(即在曲线的最高点处)，加入长度为曲线轴向总长度36％的直线段，保证进口集流段与喉部段直径比不变，所得的曲线拟合成一条曲线后绕X轴旋转成壳体，即可得到图5所示的弧线-直线型翼型导风筒，加工导风筒厚度15mm，风力机叶轮叶片的前缘点放置在喉部直线段的37％的位置处。
图10为实施例2及无导风筒风力机所进行数值模拟进行分析所得到捕能系数Cp随着叶尖速比λ的变化趋势对比，及叶轮增速比ε与叶尖速比λ的变化趋势对比图。可看出与实施例1变化趋势接近，均可提高风力机对于风能的捕能系数，且增加风速，进而提高风力机效率。
实施例3
本实施例中的风力机叶轮直径为1130mm，叶片数6叶，翼型导风筒设计翼型基础采用NACA16的相关参数。调出NACA16的翼型型线中的一条型线参数200个坐标点(为保证翼型结构的准确性，亦可采用大于200数量的坐标点)，取得翼型曲线后，通过(30X，40Y)的坐标变换，得到目标翼型曲线也即导风筒的基础设计曲线坐标点。调整曲线方向使其与X轴方向平行，因叶轮直径D为1130mm，本实施例中安装叶顶间隙为30mm，因此应保证曲线的最高点到X轴的距离为本实施例通过上移X轴，使其上移595+y(该y值为曲线最高点的y坐标)，保证曲线的最高点到X轴的距离为595mm(即最高点的y坐标为-595mm)，本实施例将曲线的一段改为直线段，其具体在导风筒自起始位置轴向长度的35％处以直线段(该直线段与X轴平行)水平延伸直至与曲线相交，此时进口集流段与喉部段直径比R1/R2＝1.4，然后曲线段与直线段拟合成一条导风筒的基础设计曲线，使导风筒的基础设计曲线绕X轴旋转成壳体，即可得到如图6所示的弧线-直线型翼型导风筒，本实例中导风筒厚度25mm，风力机叶轮叶片的前缘点放置在喉部段直线段的35.5％的位置处。
实施例4
本实施例中的风力机叶轮直径为1130mm，叶片数6叶，翼型导风筒设计翼型基础采用NACA16的相关参数。调出NACA16的翼型型线中的一条型线参数200个坐标点(为保证翼型结构的准确性，亦可采用大于200数量的坐标点)，取得翼型曲线后，通过(20X，25Y)的坐标变换，得到目标翼型曲线也即导风筒的基础设计曲线坐标点。调整曲线方向使其与X轴方向平行，因叶轮直径D为1130mm，本实施例中安装叶顶间隙为10mm，因此应保证曲线的喉部段到X轴的距离为本实施例通过上移X轴，使其上移575+y(该y值为曲线最高点的y坐标)，保证曲线的最高点到X轴的距离为575mm(即最高点的y坐标为-575mm)，然后将翼型曲线在XY平面内逆时针旋转25°，其旋转点为出口扩散段末端点，此时进口集流段与喉部段直径比R1/R2＝1.7，所得曲线即为导风筒的基础设计曲线，然后使导风筒的基础设计曲线绕X轴旋转成壳体，即可得到如图7所示的翼型旋转角度的翼型导风筒，本实例中导风筒厚度15mm，风力机叶轮叶片的前缘点放置在直径最小的喉部段位置处。
综上，本发明根据常用风力机叶片翼型为基础设计而得到，通过放大不同倍数的弦长与最大厚度得到相应型线，或在保证最大厚度不变时在翼型中部增加相应比例的直线段，所得到翼型旋转成壳体即为翼型导风筒，其根据相应风力机的尺寸以所需的叶顶间隙大小，将设计出的翼型导风筒按照风力机相关工艺制造进行加工，检验合格即可投入使用。该翼型导风筒因结构的合理及所采用基准为升阻比较大的翼型型线，故而可高效的提高风力机的风能捕获能力，改善周围流场分布。且因为设计参数可根据所需调整。故而与风力机更为匹配。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风力机导风筒，其特征在于，该导风筒采用翼型结构的翼型曲线为基础经扩大相应倍数后获得的目标翼型曲线经空间旋转而成，其包括依次相连的进口集流段(1)、中间喉部段(2)和出口扩散段(3)，其中，所述进口集流段(1)对应于目标翼型曲线中弧线曲率较大的一端，所述出口扩散段(3)对应于目标翼型曲线中弧线曲率较小的一端，所述中间喉部段(2)的最小直径小于进口集流段(1)的最大直径和出口扩散段(3)的最大直径。
2.如权利要求1所述的风力机导风筒，其特征在于，所述中间喉部段(2)的最小直径与进口集流段(1)最大直径的比值优选为1：1.2～4。
3.如权利要求1或2所述的风力机导风筒，其特征在于，所述中间喉部段(2)为直线段，其优选由目标翼型曲线自进口集流段(1)起的轴向方向26％～35％位置处向后截取交至后方出口扩散段处，将此段弧线变为直线，并使直线经空间旋转而成。
4.如权利要求3所述的风力机导风筒，其特征在于，所述中间喉部段(2)为直线段，其由目标翼型曲线中***一直线，并使直线经空间旋转而成。
5.如权利要求4所述的风力机导风筒，其特征在于，所述风力机安装位置优选在喉部直线段的35％～55％位置处。
6.如权利要求5所述的风力机导风筒，其特征在于，所述导风筒的长度优选为0.8～3.5倍的风力机的叶轮直径，厚度优选为2～25mm，所述风力机的安装叶顶间隙优选为5～30mm。
7.如权利要求6所述的风力机导风筒，其特征在于，所述***的一直线的长度优选为26％～40％目标翼型曲线的轴向长度。
8.如权利要求1所述的风力机导风筒，其特征在于，所述目标翼型曲线先绕出口扩散段(3)的末端点旋转一定角度后再经空间旋转。
9.如权利要求1-8任一项所述的风力机导风筒，其特征在于，所述目标翼型曲线旋转的角度优选为±25°。
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