[发明专利]一种改进型水平轴风力机及其使用方法、设计方法

权利要求书

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)能分别向后插入连接杆(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)分别插入连接杆(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f_i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；U_i、U_j表示为速度张量，x_i、x_j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，ν_t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，f_AD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。