[发明专利]一种双叶轮水平轴风力机设计优化方法

说明书

本发明提供一种双叶轮水平轴风力机设计优化方法，包括以下步骤：建立DRWT设计优化模型；对DRWT设计优化模型进行求解；通过耦合AL理论与CFD对DRWT设计优化模型求解过程中DRWT的气动性能进行预测。本发明针对DRWT的模型设计，以DRWT桨距角组合、两级叶轮间距、两级叶轮尺寸、两级叶轮转速为设计变量，以DRWT输出功率最大为优化设计目标，以塔架所受载荷等为约束，提出采用AL理论和CFD相耦合的数值模拟方法对两级叶轮间的详细流场进行求解，方便设计变量的寻优，并对双叶轮风力机气动性能进行预测评估，大幅度提高了DRWT气动性能预测的精度和速度，从而提高了DRWT的设计效率，为DRWT的工程设计和DRWT的工程应用奠定了基础。

技术领域

本发明涉及一种设计优化方法，具体涉及一种双叶轮水平轴风力机设计优化方法，属于风力机技术领域。

背景技术

水平轴风力机(Horizontal Axis Wind Turbine,HAWT)可分为升力型和阻力型两类，升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置(也称偏航系统)，能随风向改变而转动，当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能；对于大型风力机，则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动装置，同时也构成风力发电机机舱的组成部分。

传统的水平轴风力机均为单叶轮结构，单叶轮水平轴风力机(Single-Rotor WindTurbine,SRWT)最多可吸收来流风能中59.3％的能量，即Betz极限。为提高风力机的气动效率，多级叶轮的概念被引入水平轴风力机，但出于成本考虑，双叶轮水平轴风力机(Dual-Rotor Wind Turbine,DRWT)最具应用潜能。DRWT具有如下特征：(1)双叶轮风力机的气动效率可超过Betz极限；Newman基于风力机多级致动盘理论分析得到两级相同尺寸风力机叶轮的最大功率系数为64％。(2)在保证功率输出的同时双叶轮风力机可减小单个叶片的长度和重量；相对较短的叶片可大大降低单个叶轮上的极限载荷和弹性变形；换言之，双叶轮风力机可规避通过增大单叶轮风机叶片长度来提高发电功率所带来的风险。(3)双叶轮风力机可比单叶轮风力机输出更多的能量，因而具有降低单位电能生产成本的潜能。(4)双叶轮风力机具有较高的功率密度，可使采用双叶轮风力机的风电场布置更紧凑。