水平轴风力机的高效集风罩及其设计方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，更具体涉及一种水平轴风力机的高效集风罩及其设计方法。

背景技术：

随着城镇化和工业化的发展，对能源的需求与日俱增，世界各地急需更安全的、有保证的、经济的以及环境友好的能源，积极开发和利用新能有助于降低世界碳排放。风能是一种可再生的清洁能源，风能的主要利用形式是通过风力机将其转化为电能。目前，大型风力机发电场已经初具规模，单机发电功率也逐渐增大，然而随着单机发电功率的增大，风力机叶片的尺寸也急剧增大，这将对叶片的结构强度、生产工艺等方面提出更高的要求。

集风罩是一种沿来流方向先收缩后扩张的罩体，能够使得来流通过收缩段进行加速，另外集风罩对风力机叶片的叶尖损失也有一定抑制作用。相对于孤立风力机，将集风罩环绕风力机能够明显提高风力机的发电功率，也可以说若实现相同的功率，带有集风罩的风力机的气动外形尺寸明显小于孤立风力机的尺寸。

技术实现要素：

针对大型风力机较大的单机发电功率引起的较大叶片气动外形尺寸，本发明提供一种适用于水平轴风力机的高效集风罩，所设计的集风罩具有较高的集风系数，能够明显提高风力机的输出功率。

根据本发明的一个方面，提供了水平轴风力机的高效集风罩包括进风口与出风口，进风口与出风口由单侧型线以轴线为中心旋转360°而成，单侧型线包括圆弧和一段边缘直线组合而成，边缘直线设于出风口处。

根据本发明的一个方面，提供了水平轴风力机的高效集风罩的设计方法包括如下设计步骤：

步骤一：根据设计功率、设计风速以及预计风能利用系数0.7，带入p＝1/2ρv³πr²cp公式，进而确定风力机叶轮的旋转直径d。

步骤二：考虑集风罩的结构变形，在风力机叶轮旋转直径d的基础上增大200mm得到集风罩最小截面直径d0；

根据集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值为0.2～0.25，确定集风罩长度l；

根据集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.2～1.3，确定集风罩进口截面直径d1；

根据集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.3～1.35，确定集风罩出口截面直径d2；

根据边缘直线长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.05～0.1，确定边缘直线长度l0。

步骤三：在直径坐标系建立集风罩的型线，以集风罩中心轴线为x轴，以任意径向为y轴，集风罩的最小截面的x坐标为0，集风罩进口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为集风罩长度l的9/19，集风罩出口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为集风罩长度l的10/19。

根据集风罩进口截面、最小截面和出口截面的直径和轴向长度确定集风罩型线的三个坐标点a(-9l/19,d1/2)、b(0,d0/2)和c(10l/19,d2/2)，集风罩的边缘直线与集风罩的出口截面共面，集风罩边缘直线的两点坐标分别为c(10l/19,d2/2)和d(10l/19,d2/2+l0)。

过a、b、c三点作圆弧，然后连接c和d两点得到集风罩的型线，然后将型线沿着x轴旋转360°得到集风罩的三维气动外形。

在一些实施方式中，集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值0.22。

在一些实施方式中，集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.25。

在一些实施方式中，集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.32。

在一些实施方式中，边缘直线长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.075。

本发明在给定设计风速下，能够利用本发明方法快速确定集风罩的气动外形，设计出的集风罩具有较高的集风系数，另外集风罩对于风力机叶片的叶尖损失也有较好抑制作用，在两方面的共同作用下，本发明的集风罩能够促使风力机产生的更大的发电功率。

附图说明

图1是本发明水平轴风力机的高效集风罩气动外形示意图；

图2是本发明水平轴风力机的高效集风罩的型线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述水平轴风力机的高效集风罩，包括进风口3与出风口4，进风口3与出风口4由单侧型线5以轴线为中心旋转360°而成，单侧型线5包括圆弧2和一段边缘直线1组合而成，边缘直线1设于出风口4处。

如图2示，所述集风罩轴向单侧型线5由圆弧2和一段边缘直线1组合而成，将型线绕着轴线旋转一周得到集风罩气动外形。

一种适用于水平轴风力机的高效集风罩的设计方法，包括如下设计步骤：

步骤一：根据设计功率、设计风速以及预计风能利用系数0.7，带入p＝1/2ρv³πr²cp公式，进而确定风力机叶轮的旋转直径d。

步骤二：考虑集风罩的结构变形，在风力机叶轮旋转直径d的基础上增大200mm得到集风罩最小截面直径d0；

根据集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值为0.2～0.25，确定集风罩长度l；

根据集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.2～1.3，确定集风罩进口截面直径d1；

根据集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.3～1.35，确定集风罩出口截面直径d2；

根据边缘直线1长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.05～0.1，确定边缘直线1长度l0。

步骤三：在直径坐标系建立集风罩的型线，以集风罩中心轴线为x轴，以任意径向为y轴，集风罩的最小截面的x坐标为0，集风罩进口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为集风罩长度l的9/19，集风罩出口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为集风罩长度l的10/19。

根据集风罩进口截面、最小截面和出口截面的直径和轴向长度确定集风罩型线的三个坐标点a(-9l/19,d1/2)、b(0,d0/2)和c(10l/19,d2/2)，集风罩的边缘直线1与集风罩的出口截面共面，集风罩边缘直线1的两点坐标分别为c(10l/19,d2/2)和d(10l/19,d2/2+l0)。

过a、b、c三点作圆弧2，然后连接c和d两点得到集风罩的型线，然后将型线沿着x轴旋转360°得到集风罩的三维气动外形。

集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值0.22。

集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.25。

集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.32。

边缘直线1长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.075。

实施例一：

设计300kw的水平轴风力机的高效集风罩，根据设计功率300kw、设计风速9.5m/s以及预计风能利用系数0.7，带入p＝1/2ρv³πr²cp公式，进而确定风力机叶轮的旋转直径d＝32.4m。

步骤二：考虑集风罩的结构变形，在风力机叶轮旋转直径d的基础上增大200mm得到集风罩最小截面直径d0＝32.6m；

根据集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值0.22，确定集风罩长度l＝7.17m；

根据集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.25，确定集风罩进口截面直径d1＝36.5m；

根据集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.32，确定集风罩出口截面直径d2＝37.5m；

根据边缘段长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.075，确定边缘段长度l0＝2.45m。

步骤三：在直径坐标系建立集风罩的型线，以集风罩中心轴线为x轴，以任意径向为y轴，集风罩的最小截面的x坐标为0，集风罩进口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为3.4m，集风罩出口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为3.77m。

根据集风罩进口截面、最小截面和出口截面的直径和轴向长度确定集风罩型线的三个坐标点a(-3.4,18.25)、b(0,16.3)和c(3.77,18.75)，集风罩的边缘段与集风罩的出口截面共面，集风罩边缘段的两点坐标分别为c(3.77,18.75)和d(3.77,21.2)。

过a、b、c三点做圆弧2，然后连接c和d两点得到集风罩的型线，然后将型线沿着x轴旋转360°得到集风罩的三维气动外形。

实施例二：

设计400kw的水平轴风力机的高效集风罩，根据设计功率400kw、设计风速9.5m/s以及预计风能利用系数0.7，带入p＝1/2ρv³πr²cp公式，进而确定风力机叶轮的旋转直径d＝37.4m。

步骤二：考虑集风罩的结构变形，在风力机叶轮旋转直径d的基础上增大200mm得到集风罩最小截面直径d0＝37.6m；

根据集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值0.22，确定集风罩长度l＝8.27m；

根据集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.25，确定集风罩进口截面直径d1＝42m；

根据集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.32，确定集风罩出口截面直径d2＝43m；

根据边缘段长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.075，确定边缘段长度l0＝2.82m。

步骤三：在直径坐标系建立集风罩的型线，以集风罩中心轴线为x轴，以任意径向为y轴，集风罩的最小截面的x坐标为0，集风罩进口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为3.92m，集风罩出口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为4.35m。

根据集风罩进口截面、最小截面和出口截面的直径和轴向长度确定集风罩型线的三个坐标点a(-3.92,21)、b(0,18.8)和c(4.35,21.5)，集风罩的边缘段与集风罩的出口截面共面，集风罩边缘段的两点坐标分别为c(4.35,21.5)和d(4.35,24.32)。

过a、b、c三点做圆弧2，然后连接c和d两点得到集风罩的型线，然后将型线沿着x轴旋转360°得到集风罩的三维气动外形。

实施例三：

设计500kw的水平轴风力机的高效集风罩，根据设计功率500kw、设计风速9.5m/s以及预计风能利用系数0.7，带入p＝1/2ρv³πr²cp公式，进而确定风力机叶轮的旋转直径d＝40.8m。

步骤二：考虑集风罩的结构变形，在风力机叶轮旋转直径d的基础上增大200mm得到集风罩最小截面直径d0＝41m；

根据集风罩最小截面直径d0与集风罩长度l的比值0.22，确定集风罩长度l＝9m；

根据集风罩进口截面直径d1与集风罩最小截面直径d0的比值1.25，确定集风罩进口截面直径d1＝46m；

根据集风罩出口截面直径d2与集风罩最小截面直径d0的比值1.32，确定集风罩出口截面直径d2＝47.1m；

根据边缘段长度l0与集风罩最小截面直径d0的比值0.075，确定边缘段长度l0＝3.07m。

步骤三：在直径坐标系建立集风罩的型线，以集风罩中心轴线为x轴，以任意径向为y轴，集风罩的最小截面的x坐标为0，集风罩进口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为4.26m，集风罩出口截面距离集风罩最小截面的轴线距离为4.74m。

根据集风罩进口截面、最小截面和出口截面的直径和轴向长度确定集风罩型线的三个坐标点a(-4.26,23)、b(0,20.5)和c(4.74,23.55)，集风罩的边缘段与集风罩的出口截面共面，集风罩边缘段的两点坐标分别为c(4.74,23.55)和d(4.74,26.62)。

过a、b、c三点做圆弧2，然后连接c和d两点得到集风罩的型线，然后将型线沿着x轴旋转360°得到集风罩的三维气动外形。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。