CN107882678B - 一种改进型水平轴风力机及其使用方法、设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进型水平轴风力机及其使用方法、设计方法，主要包括提高风力机发电量装置，以及采用浸入边界方法和致动理论耦合的混合式设计方法。随着风力机大型化发展，风轮的叶根附近功率损失越来越明显，通过设计一个可前后移动和分离合并的导流圆盘装置，改变风轮叶根附近流场，达到提高风力机发电功率的作用；面对该装置的气动外形和尺寸是其的关键设计问题，若采用工程方法，存在精度低缺点，若采用传统计算流体力学方法，计算量大，因此，本发明还针对该装置的设计，提出浸入边界法混合致动理论的数值模拟方法，保证了数值模拟计算精度的同时，可以大大提高计算效率。
Description
技术领域
本发明属于风力机领域，具体涉及一种改进型水平轴风力机及其使用方法、设计方法。
背景技术
随着水平轴风力机的大型化发展，叶根部分区域越来越大，叶根部分为了结构强度需求，叶片基本为近圆柱外形，导致风能利用率低，从而，整个风轮发电功率会减少。针对水平轴风力机提高发电量装置研究，国内外学者对其进行了不少的研究工作，如叶片上的可变前缘装置、可变后缘装置、涡流发生器装置、叶尖小翼装置等。这些装置都需要对叶片进行改造，减弱了叶片强度和提高了叶片成本。与其配套的设计方法，工程应用主要采用叶素动量理论方法，计算速度快但设计精度低的特点；同时由于传统计算流体力学方法，计算量大和计算效率低的问题，只有进行验证性和机理性研究，较难在工程设计应用，特别是涉及气动外形优化设计。最主要的是，叶素动量理论工程方法无法实现本发明的设计，而传统CFD方法又计算效率低。
发明内容
本发明的针对现有技术中的不足，提供一种改进型水平轴风力机及其使用方法、设计方法。该风力机具有可主动控制功能的导流圆盘装置，并且由于该装置和风力机结合一体，对于整体的耦合设计，传统的工程设计方法不能实现其工程设计功能，从而，针对该装置提供一种针对该装置的高精度和高效率的数值模拟设计方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改进型水平轴风力机，其特征在于，包括：塔架、机舱、叶片、轮毂、导流罩和导流圆盘，所述机舱安装在塔架的顶端，所述轮毂安装在机舱的前端，多个叶片均匀地围绕着轮毂分布，所述导流罩安装在轮毂的侧面，所述导流圆盘可伸缩地安装在轮毂的前端。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述轮毂的前端安装有圆盘固定底板，所述圆盘固定底板上依次安装有液压泵、伸缩油缸和伸缩活塞杆固定在伸缩活塞杆的前端，其中，所述伸缩活塞杆垂直于风轮平面，圆盘固定底板和导流圆盘与风轮平面相平行。
所述导流圆盘包括上半圆盘、下半圆盘、旋转机构和支撑杆，所述支撑杆与伸缩活塞杆相垂直地固定在伸缩活塞杆的前端，所述上半圆盘和下半圆盘分别安装在支撑杆的两端，上半圆盘和支撑杆之间、下半圆盘和支撑杆之间均通过旋转机构相连，所述旋转机构用于驱动上半圆盘和下半圆盘的分离和合并；合并状态时，上半圆盘和下半圆盘拼接成一个与风轮平面相平行的圆；分离状态时，上半圆盘和下半圆盘互相平行，均与风轮平面相垂直。
所述导流圆盘和圆盘固定底板之间安装有圆盘固定支架，所述圆盘固定支架包括连接杆和插槽，所述连接杆与支撑杆相平行，连接杆的两端均安装有插槽，所述插槽的开口朝向导流圆盘，使得导流圆盘在分离状态时，上半圆盘和下半圆盘能分别向后***连接杆两端的插槽中。
此外，还提出了该改进型水平轴风力机的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：当检测到一定时间段平均风速小于额定风速时，导流圆盘处于合并状态，液压泵和伸缩油缸驱动伸缩活塞杆移动，使得导流圆盘与风轮平面处于该平均风速下的最优距离位置；
步骤二：当检测到一定时间段平均风速大于或者等于额定风速时，导流圆盘处于分离状态，旋转机构开始工作，上半圆盘和下半圆盘旋转分离至均与风轮平面相垂直；
步骤三：液压泵和伸缩油缸工作，使伸缩活塞杆向风轮平面靠近，直到上半圆盘和下半圆盘分别***连接杆两端的插槽中，实现圆盘的收紧固定状态；
步骤四：当检测到平均风速又小于额定风速时，反向进行以上操作。
以及该改进型水平轴风力机的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：进行流场网格的划分，对导流圆盘位置和风轮位置区域进行网格加密；
步骤二：结合遗传优化算法，计算导流圆盘的半径、导流圆盘与风轮之间的距离；
步骤三：通过浸入边界和致动理论的体积力耦合求解，计算风力机导流圆盘的气动力；
步骤四：基于导流圆盘的气动力，计算所在风速下的风力机功率系数，判断风力机功率系数是否达到最优，如果没有达到最优的风力机功率系数，则重新改变导流圆盘的半径、导流圆盘与风轮之间的距离；
步骤五：进行优化迭代，如果风力机功率系数达到最大值，已经优化收敛，则得到导流圆盘的最优半径、导流圆盘与风轮之间的最优距离。
所述步骤三具体包括：
提出适合该发明风力机装置的数值模拟计算的NS方程表达式：
其中，虚拟项fi表示由物体边界的存在而出现的外力，方程右边除此项之外的各项综合表示为RHS；Ui、Uj表示为速度张量，xi、xj表示位移分量，i，j＝1、2、3；t为离散时间，v表示流体粘性系数，vt是动粘性系数；
将方程坐标的速度离散成如下式：
其中，n、n+1表示时间步长前后关系；
通过上式中速度和受力的传递关系，结合物体表面已知速度求解外力大小：
其中，表示外力大小，fAD表示风轮叶片体积力，ρ为空气密度，c为叶素弦长，CL和CD分别为升力系数和阻力系数；
求得的外力重复代入具有浸入边界体积力和致动理论体积力耦合的动量方程中，计算出新的速度场，新的速度场又对外力进行更新，如此循环往复直至结果满足精度要求。
本发明的有益效果是：设计了具有提高风轮发电功率的改进型风力机的导流圆盘装置，通过风轮上游方向的导流圆盘装置，改变风轮叶根附近的流场特性，以及甚至整个叶片流场特性，从而，达到整个风轮利用效率的提高。与此同时，针对该装置与风轮耦合一体的工程设计特殊情况，给出了相应的浸入边界和致动理论混合设计方法。由于传统工程风力机叶素理论设计方法，无法解决导流圆盘和风力机耦合设计的情况，并且传统计算流体力学方法，计算量大，不适合该装置的工程设计。因此，基于本发明设计的混合方法，解决了导流圆盘装置的高精度和高效率的关键参数设计问题。
附图说明
图1是本发明在合并状态下的整体结构示意图。
图2是本发明在合并状态下的整体前视图。
图3是本发明在分离状态下的整体结构示意图。
图4是本发明在分离状态下的整体前视图。
图5a-5d是本发明在合并状态下的局部示意图。
图6a-6d是本发明在分离状态下的局部示意图。
图7a-7b是本发明的导流圆盘数值模拟的网格图。
图8是本发明的导流圆盘设计方法的流程图。
图9是是否加装导流圆盘的2.5MW风力机10m/s风速来流的流场对比速度云图。
图10是是否加装导流圆盘的2.5MW风力机叶片10m/s风速来流的叶片轴向速度曲线图。
附图标记如下：塔架1、机舱2、叶片3、轮毂4、导流罩5、导流圆盘6、圆盘固定底板7、液压泵8、伸缩油缸9、伸缩活塞杆10、上半圆盘11、下半圆盘12、旋转机构13、支撑杆14、圆盘固定支架15、连接杆16、插槽17。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的改进型水平轴风力机，包括：塔架1、机舱2、叶片3、轮毂4、导流罩5和导流圆盘6，机舱2安装在塔架1的顶端，轮毂4安装在机舱2的前端，多个叶片3均匀地围绕着轮毂4分布，导流罩5安装在轮毂4的侧面。轮毂4的前端安装有圆盘固定底板7，圆盘固定底板7上依次安装有液压泵8、伸缩油缸9和伸缩活塞杆10，液压泵8为导流圆盘6的伸缩功能提供动力，伸缩活塞杆10实现导流圆盘6与风轮平面距离的控制。导流圆盘6固定在伸缩活塞杆10的前端，其中，伸缩活塞杆10垂直于风轮平面，圆盘固定底板7和导流圆盘6与风轮平面相平行。
进一步参见图2-4，导流圆盘6包括上半圆盘11、下半圆盘12、旋转机构13和支撑杆14，支撑杆14与伸缩活塞杆10相垂直地固定在伸缩活塞杆10的前端，上半圆盘11和下半圆盘12分别安装在支撑杆14的两端，上半圆盘11和支撑杆14之间、下半圆盘12和支撑杆14之间均通过旋转机构13相连，旋转机构13用于驱动上半圆盘11和下半圆盘12的分离和合并。图1、图2所示的合并状态时，上半圆盘11和下半圆盘12拼接成一个与风轮平面相平行的圆。图3、图4所示的分离状态时，上半圆盘11和下半圆盘12互相平行，均与风轮平面相垂直。
导流圆盘6和圆盘固定底板7之间还安装有圆盘固定支架15，实现分离上下半圆盘的固定功能，使得上下半圆盘具有较好的稳定性。圆盘固定支架15包括连接杆16和插槽17，连接杆16与支撑杆14相平行，连接杆16的两端均安装有插槽17，插槽17的开口朝向导流圆盘6，使得导流圆盘6在分离状态时，上半圆盘11和下半圆盘12能分别向后***连接杆16两端的插槽17中。
图5a-5d展示出了合并状态下导流圆盘6、圆盘固定支架15等的各方向视图。图6a-6d展示出了分离状态下导流圆盘6、圆盘固定支架15等的各方向视图。导流圆盘6在伸缩活塞杆10的作用下下，可实现圆盘前后水平距离移动；在旋转机构13的作用下，圆盘被分为两半，并且实现每半圆盘的旋转，使得圆盘表面与地面平行。
在工程应用中，风电场的风力机叶根风能利用损失较明显，导致风电场整体发电功率减少。因此，针对叶根风能损失，给出了相应的导流圆盘相应主动控制策略，并且给出了该装置的关键参数的设计方法。
主动控制策略是：当平均风速小于额定风速时，导流圆盘6处于闭合状态，并通过主动控制***实现伸缩机构的运行，使得圆盘和风轮的距离处于最佳位置；当平均风速大于或者等于额定风速时，导流圆盘6处于分开状态。具体使用方法，包括以下步骤：
步骤一：当传感器检测到一定时间段平均风速小于额定风速时，导流圆盘6处于合并状态，实现提高叶根风能利用效率功能。液压泵8开始提供伸缩活塞杆10移动的动力来源，使得导流圆盘6与风轮平面处于该平均风速下的最优距离位置。
步骤二：当传感器检测到一定时间段平均风速大于或者等于额定风速时，为了减少圆盘带来的风荷载，这时导流圆盘6处于分离状态。旋转机构13开始工作，实现上半圆盘11和下半圆盘12的旋转分离，使得其与风轮平面垂直。
步骤三：然后，液压***开始工作，伸缩活塞杆10向风轮平面靠近，直到上半圆盘11和下半圆盘12分别***圆盘固定支架15中，实现圆盘收紧固定状态，抵抗高风速的风荷载，维持较好的稳定性。
步骤四：如果传感器检测到平均风速又到小于额定风速，导流圆盘6反向步骤三、步骤二、步骤一的操作。
导流圆盘的数值模拟设计方法，即浸入边界(IB)耦合致动理论的设计方法，包括如下步骤：(设风轮半径为R，导流圆盘的半径为CR，导流圆盘与风轮的距离设为L，如图1所示)
步骤一：进行流场网格的划分，对导流圆盘位置和风轮位置区域进行网格加密，如图7a-7b所示。
步骤二：结合遗传优化算法，计算导流圆盘CR和L。
步骤三：IB和致动理论的体积力耦合求解，此处用于计算风力机导流圆盘的气动力。
提出NS方程式(1)：
其中，虚拟项fi表示由物体边界的存在而出现的外力，方程右边除此项之外的各项综合表示为RHS；Ui、Uj表示为速度张量，xi、xj表示位移分量，i，j＝1、2、3；t为离散时间，v表示流体粘性系数，vt是动粘性系数；
在某一时刻，方程坐标的速度可以离散成如下式(2)：
其中，n、n+1表示时间步长前后关系；
通过上式中速度和受力的传递关系，结合物体表面已知速度可以求得在中间步骤的外力大小：
其中，表示外力大小，fAD表示风轮叶片体积力，ρ为空气密度，c为叶素弦长，CL和CD为叶片翼型气动数据，分别为升力系数和阻力系数；
求得的外力重复代入具有IB体积力和致动理论体积力耦合的动量方程中，计算出新的速度场，新的速度场又对外力进行更新，如此循环往复直至结果满足精度要求。
步骤四：计算所在风速下的风力机功率系数Cp值，判断Cp是否达到最优，如果没有达到最优Cp，则重新改变导流圆盘的半径CR和距离L。
步骤五：在优化迭代步数中，如果Cp达到最大值，已经优化收敛，则得到导流圆盘的最优半径为CR和距离L。
基于MW级风力机，通过该方法，以风力机发电功率为优化目标，得出一组4m/s、6m/s、8m/s、10m/s的水平轴风力机主动导流圆盘较优半径CR和距离L分别为(0.085R，0.14R)、(0.085R，0.17R)、(0.085R，0.18R)、(0.085R，0.2R)。
该尺寸数据可以用于导流圆盘的主动控制***的控制律设计。
以某2.5MW的风力机为例，风轮半径40m，来流风速为10m/s。导流圆盘半径CR＝3.4m，距离L＝8m，。图9给出了来流风速为10m/s时，加了导流圆盘和未加导流圆盘的流场速度云图，从图中可以看出加了导流圆盘后，叶片叶根处的速度减少了，并且风力机尾流区域速度也减弱了，表明风轮吸收风能的效率提高了。图10为来流风速为10m/s时，叶片上的轴向速度的变化曲线图，从图中也可以看出，叶根出速度有明显降低，叶片其他区域变化较小。通过10m/s来流风速工况的计算，风力机发电功率提高了1.6％。
本发明具有很大应用前景，可以用于陆地和海上水平轴风力机，特别对于风资源较低的风电场风力机，通过本发明的主动控制导流圆盘，使得风力机具有提高发电功率的效果，因此，对于提高整个风电场的发电功率和降低发电成本具有重要意义。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种改进型水平轴风力机，其特征在于，包括：塔架(1)、机舱(2)、叶片(3)、轮毂(4)、导流罩(5)和导流圆盘(6)，所述机舱(2)安装在塔架(1)的顶端，所述轮毂(4)安装在机舱(2)的前端，多个叶片(3)均匀地围绕着轮毂(4)分布，所述导流罩(5)安装在轮毂(4)的侧面，所述导流圆盘(6)可伸缩地安装在轮毂(4)的前端；
所述轮毂(4)的前端安装有圆盘固定底板(7)，所述圆盘固定底板(7)上依次安装有液压泵(8)、伸缩油缸(9)和伸缩活塞杆(10)，导流圆盘(6)固定在伸缩活塞杆(10)的前端，其中，所述伸缩活塞杆(10)垂直于风轮平面，圆盘固定底板(7)和导流圆盘(6)与风轮平面相平行；
所述导流圆盘(6)包括上半圆盘(11)、下半圆盘(12)、旋转机构(13)和支撑杆(14)，所述支撑杆(14)与伸缩活塞杆(10)相垂直地固定在伸缩活塞杆(10)的前端，所述上半圆盘(11)和下半圆盘(12)分别安装在支撑杆(14)的两端，上半圆盘(11)和支撑杆(14)之间、下半圆盘(12)和支撑杆(14)之间均通过旋转机构(13)相连，所述旋转机构(13)用于驱动上半圆盘(11)和下半圆盘(12)的分离和合并；合并状态时，上半圆盘(11)和下半圆盘(12)拼接成一个与风轮平面相平行的圆；分离状态时，上半圆盘(11)和下半圆盘(12)互相平行，均与风轮平面相垂直。
2.如权利要求1所述的一种改进型水平轴风力机，其特征在于：所述导流圆盘(6)和圆盘固定底板(7)之间安装有圆盘固定支架(15)，所述圆盘固定支架(15)包括连接杆(16)和插槽(17)，所述连接杆(16)与支撑杆(14)相平行，连接杆(16)的两端均安装有插槽(17)，所述插槽(17)的开口朝向导流圆盘(6)，使得导流圆盘(6)在分离状态时，上半圆盘(11)和下半圆盘(12)能分别向后***连接杆(16)两端的插槽(17)中。
3.一种如权利要求2所述的改进型水平轴风力机的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：当检测到一定时间段平均风速小于额定风速时，导流圆盘(6)处于合并状态，液压泵(8)和伸缩油缸(9)驱动伸缩活塞杆(10)移动，使得导流圆盘(6)与风轮平面处于该平均风速下的最优距离位置；
步骤二：当检测到一定时间段平均风速大于或者等于额定风速时，导流圆盘(6)处于分离状态，旋转机构(13)开始工作，上半圆盘(11)和下半圆盘(12)旋转分离至均与风轮平面相垂直；
步骤三：液压泵(8)和伸缩油缸(9)工作，使伸缩活塞杆(10)向风轮平面靠近，直到上半圆盘(11)和下半圆盘(12)分别***连接杆(16)两端的插槽(17)中，实现圆盘的收紧固定状态；
步骤四：当检测到平均风速又小于额定风速时，反向进行以上操作。
4.一种如权利要求2所述的改进型水平轴风力机的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：进行流场网格的划分，对导流圆盘位置和风轮位置区域进行网格加密；
步骤二：结合遗传优化算法，计算导流圆盘的半径、导流圆盘与风轮之间的距离；
步骤三：通过浸入边界和致动理论的体积力耦合求解，计算风力机导流圆盘的气动力；
步骤四：基于导流圆盘的气动力，计算所在风速下的风力机功率系数，判断风力机功率系数是否达到最优，如果没有达到最优的风力机功率系数，则重新改变导流圆盘的半径、导流圆盘与风轮之间的距离；
步骤五：进行优化迭代，如果风力机功率系数达到最大值，已经优化收敛，则得到导流圆盘的最优半径、导流圆盘与风轮之间的最优距离。
5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤三具体包括：
提出适合该风力机的数值模拟计算的NS方程表达式(1)：
其中，虚拟项fi表示由物体边界的存在而出现的外力，方程右边除此项之外的各项综合表示为RHS；Ui、Uj表示为速度张量，xi、xj表示位移分量，i,j＝1、2、3；t为离散时间，ν表示流体粘性系数，νt是动粘性系数；
将方程坐标的速度离散成如下式(2)：
其中，n、n+1表示时间步长前后关系；
通过上式中速度和受力的传递关系，结合物体表面已知速度求解外力大小：
其中，表示外力大小，fAD表示风轮叶片体积力，ρ为空气密度，c为叶素弦长，CL和CD分别为升力系数和阻力系数；
求得的外力重复代入具有浸入边界体积力和致动理论体积力耦合的动量方程中，计算出新的速度场，新的速度场又对外力进行更新，如此循环往复直至结果满足精度要求。
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