CN109595124B - 一种错位负压抽吸式聚风装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电领域，并具体公开了一种错位负压抽吸式聚风装置，包括依次连接的进口段、喉口段和出口段，其中进口段为入口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构；出口段为出口截面呈椭圆形或圆形并沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构；喉口段的最窄截面为圆形并且其轴线分别与入口截面和出口截面的轴线相交。本发明采用进口段与出口段错位布置的方式使得两者的工作状态互不影响，从而产生较大的抽吸力使得喉口处的流体流速大幅提升；并通过确定各段的最佳尺寸范围从而保证该装置能够高效工作；此外，本发明不仅可用于低速风场，还可以用于常规高速风场，有利于风力发电机组向小型化发展。

Description

一种错位负压抽吸式聚风装置

技术领域

本发明属于风力发电领域，更具体地，涉及一种错位负压抽吸式聚风装置。

背景技术

风能的能量密度与风场风速的三次方成正比，因此在风力发电领域如果能够提高来流风的流速，就可以极大地提升来流风的能量密度，进而提高风力发电的发电效率。低速风由于能量密度低等缺点，在风力转化上难以被利用。但是在城市等用电核心区，低速风的存在时长在全年所占的比例相当高，因而造成了严重的资源浪费。

现有技术中对低速风的利用已经提出了一些解决方案。例如，CN201510005142.1公开了一种风力发电装置及其制造方法，其中采用聚风罩提高低风速下的发电效率，CN201320643199.0公开了一种聚风型风力发电装置，其中通过设置喇叭筒形的聚风通道提高风速，扩大风速利用范围，但是上述方法的制造成本较高，并且抗风强度较低。

利用文丘里效应制成的缩放管型聚风筒是目前的主要研究重点。例如，CN201410195950.4公开了一种基于文丘里效应的万向聚风落地式微风发电机，其中通过将风力引入截面积渐缩的文丘里管用以提高风速，但是因为文丘里管与扩压管的轴线在一个水平线，均存在于均匀的来流风运动轨迹上，而出风口周围的流速低于来流风速从而降低了出风口的抽吸效果，造成采用传统文丘里型聚风筒的聚风能力并没有得到较大提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种错位负压抽吸式聚风装置，其中对其关键组成部件进口段与出口段的具体结构及其设置方式进行改进研究，同时对其整体结构布局重新做出针对性设计，相应可以提高该装置的聚风效果，因而尤其适用于低速风场和常规高速风场的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种错位负压抽吸式聚风装置，包括依次连接的进口段、喉口段和出口段，其特征在于：

所述进口段为入口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，用于加速汇聚来流风；

所述出口段为出口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线平行，使得来自所述喉口段的风顺畅过流的同时对其形成抽吸作用，从而有效提高所述喉口段流体的流速；

所述喉口段的最窄截面为圆形并且其轴线分别与所述入口截面的轴线和所述出口截面的轴线相交，使得所述进口段与所述出口段错位布置，进一步提高所述喉口段流体的流速。

作为进一步优选地，上述三段结构之间采用圆弧连接，并且各结构的弧线相切约束，使其整体符合流动特征。

作为进一步优选地，上述三段结构之间的圆弧半径为所述最窄截面直径的0.8倍～2倍。

作为进一步优选地，所述入口截面面积为所述最窄截面面积的2倍～4倍。

作为进一步优选地，所述出口截面面积为所述最窄截面面积的2倍～4倍。

作为进一步优选地，所述入口截面与所述最窄截面的中心点间距为所述最窄截面直径的0.8倍～1.5倍。

作为进一步优选地，所述最窄截面与所述出口截面的中心点间距为所述最窄截面直径的0.8倍～1.5倍。

作为进一步优选地，所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线之间的距离为所述最窄截面直径的0.5倍～1.2倍。

作为进一步优选地，所述最窄截面的轴线与所述入口截面的轴线之间的夹角优选为18°～25°。

作为进一步优选地，所述最窄截面的轴线与所述出口截面的轴线之间的夹角优选为18°～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.本发明采用进口段与出口段错位布置的方式使得两者的工作状态互不影响，出口壁面外侧的流速与内侧的流速梯度得到提高，从而产生较大的抽吸力使得喉口处的流体流速大幅提升；

2.尤其是，本发明通过数值模拟仿真确定各段的最佳尺寸范围从而保证该装置能够高效工作，其中入口截面积与最窄截面积的比值和出口截面积与最窄截面积的比值越大，喉口处的风速越大；而入口截面的轴线与出口截面的轴线间距过小会使得出口段被阻挡过多，抽吸效果不佳，轴线间距过大则会增加沿程损失和冲击损失，降低风能密度；入口截面与最窄截面的中心点间距和出口截面与最窄截面的中心点间距较小时，导流效果不明显，过大时则会造成流动损失增大；当入口截面积和出口截面积为最窄截面积的4倍，入口截面和出口截面与最窄截面的中心点间距为最窄截面直径的1.5倍，入口截面的轴线与出口截面的轴线的间距为最窄截面直径的1.2倍时，该聚风装置能够使流动速度提高到原来的2.33倍以上，风能密度提高到原来的12.7倍以上，因而具有较强的聚风能力；

3.此外，本发明不仅可用于低速风场，实现资源的充分利用，还可以用于常规风场，使得在风速条件一般的情况下也可满足风力发电机达到额定功率的需要；同时该错位负压抽吸式聚风装置通过提高来流风的风能密度，能够使风力发电机组在承担较高风力发电任务的同时向小型化发展。

附图说明

图1是本发明提供的错位负压抽吸式聚风装置的正等轴测图；

图2是该错位负压抽吸式聚风装置左视图的剖视图；

图3是该错位负压抽吸式聚风装置的主视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1：进口段、2：喉口段、3：出口段。

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。

图1～图3是按照本发明所构建的错位负压抽吸式聚风装置，该装置包括依次连接的进口段1、喉口段2和出口段3，其中所述进口段1为入口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，用于加速汇聚来流风；

更具体地，如图2的左视图所示，所述进口段1采用双圆弧设计，对来流风起到导流作用的同时可减小来流风的二次流影响；

所述出口段3为出口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线平行，使得来自所述喉口段2的风顺畅过流的同时对其形成抽吸作用，从而有效提高所述喉口段2流体的流速；

更具体地，来自所述喉口段2的风经过所述出口段3的扩口结构时，由于截面积增大使得风速逐步下降，而靠近壁面位置的压强与靠近轴线位置的压强相比较低，因而吸引轴线附近的流体靠近使得来自该喉口段2的风顺畅过流；此外，在所述出口段3出口处的壁面外侧，有与来流速度相当的大量流体过流，该流体会在流体分子间力的作用下影响该出口段3出口处的流体，使其流速得到提升，并且该影响逐渐延伸至所述喉口段2，进而对该喉口段2的流体形成一定的抽吸作用；因所述出口段3与所述进口段1形成错位，使得该出口段3出口处的壁面外侧与壁面内侧的流体流速梯度更大，从而形成更大的抽吸力使得所述喉口段2的流体流速大幅提升。

所述喉口段2为所述进口段1与所述出口段3之间的过渡段，所述喉口段2的最窄截面为圆形并且其轴线分别与所述入口截面的轴线和所述出口截面的轴线相交，使得所述进口段1与所述出口段3错位布置，进一步提高所述喉口段2流体的流速。

进一步，上述三段结构之间采用圆弧连接，并且各结构的弧线相切约束，使其整体符合流动特征。

进一步，上述三段结构之间连接的圆弧半径为所述喉口段2的最窄截面直径的0.8倍～2倍。

进一步，所述进口段1的入口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的2倍～4倍，所述出口截面面积为所述最窄截面面积的2倍～4倍；该倍数越大，所述喉口段2的风速越大，但过大时则会趋于饱和，同时还会增加制造成本，减低风能的汇聚效率。

进一步，所述进口段1的入口截面圆心与所述喉口段2的最窄截面圆心的距离(即中心点间距)为所述喉口段2的最窄截面直径的0.8倍～1.5倍，所述喉口段2的最窄截面圆心与所述出口段3的出口截面圆心的距离(即中心点间距)为所述喉口段2的最窄截面直径的0.8倍～1.5倍；该中心点间距过小会造成导流效果不明显，而中心点间距过大则会造成流动损失。

进一步，所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线之间的距离为所述喉口段2的最窄截面直径的0.5倍～1.2倍；该距离过小会导致出口段3被阻挡过多，抽吸效果不够，而距离过大则会使沿程损失和冲击损失提高。

进一步，所述喉口段2最窄截面的轴线与所述进口段1入口截面的轴线之间的夹角优选为18°～25°，所述喉口段2最窄截面的轴线与所述出口段3出口截面的轴线之间的夹角优选为18°～25°。

本发明所构建的错位负压抽吸式聚风装置的安装方式为：将风力发电机安装在所述喉口段2的最窄截面位置，并且风力发电机的叶轮轴线与该喉口段2的轴线重合，其叶轮直径略小于所述喉口段2的最窄截面直径。

所述喉口段2最窄截面的确定方法为：在该聚风装置的上型线和下型线上各取一个点连接成直线，两个点的位置变化时所连成的直线段长度也发生变化，当所连接的直线段长度值为最小值时，过该直线段做所述喉口段2轴线的垂面并与所述聚风装置的壁面相交，即得到所述喉口段2的最窄截面。

现以具体的错位负压抽吸式聚风装置在风场模拟的结果为例，对本发明做进一步说明。

实施例1

所述错位负压抽吸式聚风装置包括沿水平方向依次连接的进口段1、喉口段2和出口段3，其中所述进口段1被设计为入口截面为圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，该进口段1的入口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的2.9倍，所述入口截面与所述最窄截面的中心点间距为该喉口段2的最窄截面直径的1.2倍；

所述喉口段2的最窄截面为圆形并且其轴线与所述入口截面的轴线之间的夹角为21°，其与所述出口截面的轴线之间的夹角为21°；

所述出口段3被设计为出口截面呈圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且该出口截面的轴线与所述入口截面的轴线平行且间距为所述喉口段2的最窄截面直径的0.9倍，该出口段3的出口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的2.9倍，所述最窄截面与所述出口截面的中心点间距均为该喉口段2的最窄截面直径的1.2倍；

上述三段结构之间采用圆弧连接，并且圆弧半径为喉口段2的最窄截面直径的1.5倍；

模拟将该错位负压抽吸式聚风装置置于3m/s的均匀来流环境下，所述喉口段2最窄截面位置可以获得风速为6.35m/s以上的速度场，流动速度提高到2.12倍以上，根据风能计算公式，该装置能够将来流风风能密度提高到9.5倍以上；喉口段具有的速度能与进口段的理论速度能(面积和进口段相同，风速大小为3m/s的圆形区域具有的能量)的比值(p＝(u_喉口^3*A_喉口)/(u_来流^3*A_进口))为3.28。

实施例2

所述错位负压抽吸式聚风装置包括沿水平方向依次连接的进口段1、喉口段2和出口段3，其中所述进口段1被设计为入口截面为椭圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，该进口段1的入口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的2倍，所述入口截面与所述最窄截面的中心点间距为该喉口段2的最窄截面直径的0.8倍；

所述喉口段2的最窄截面为圆形并且其轴线与所述入口截面的轴线之间的夹角为18°，其与所述出口截面的轴线之间的夹角为18°；

所述出口段3被设计为出口截面呈椭圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且该出口截面的轴线与所述进口截面的轴线平行且间距为所述喉口段2的最窄截面直径的0.5倍，该出口段3的出口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的2倍，所述最窄截面与所述出口截面的中心点间距均为该喉口段2的最窄截面直径的0.8倍；

上述三段结构之间采用圆弧连接，并且圆弧半径为喉口段2的最窄截面直径的0.8倍；

模拟将该错位负压抽吸式聚风装置置于3m/s的均匀来流环境下，所述喉口段2最窄截面位置可以获得风速为5.5m/s以上的速度场，流动速度提提高到1.83倍以上，根据风能计算公式，该装置能够将来流风风能密度提高到6.1倍以上；喉口段具有的速度能与进口段的理论速度能的比值为3.05。

实施例3

所述错位负压抽吸式聚风装置包括沿水平方向依次连接的进口段1、喉口段2和出口段3，其中所述进口段1被设计为入口截面为圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，该进口段1的入口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的4倍，所述入口截面与所述最窄截面的中心点间距为该喉口段2的最窄截面直径的1.5倍；

所述喉口段2的最窄截面为圆形并且其轴线与所述入口截面的轴线之间的夹角为25°，其与所述出口截面的轴线之间的夹角为25°；

所述出口段3被设计为出口截面呈圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且该出口截面的轴线与所述入口截面的轴线平行且间距为所述喉口段2的最窄截面直径的1.2倍，该出口段3的出口截面面积为所述喉口段2的最窄截面面积的4倍，所述最窄截面与所述出口截面的中心点间距均为该喉口段2的最窄截面直径的1.5倍；

上述三段结构之间采用圆弧连接，并且圆弧半径为喉口段2的最窄截面直径的2倍；

模拟将该错位负压抽吸式聚风装置置于3m/s的均匀来流环境下，所述喉口段2最窄截面位置可以获得风速为7m/s以上的速度场，流动速度提高到2.33倍以上，根据风能计算公式，该装置能够将来流风风能密度提高到12.7倍以上；喉口段具有的速度能与进口段的理论速度能的比值为3.17。

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)

1.一种错位负压抽吸式聚风装置，包括依次连接的进口段(1)、喉口段(2)和出口段(3)，其特征在于：

所述进口段(1)为入口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑收缩的腔道结构，用于加速汇聚来流风；

所述出口段(3)为出口截面呈椭圆形或圆形并且沿气体流动方向逐渐光滑扩大的腔道结构，并且所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线平行，使得来自所述喉口段(2)的风顺畅过流的同时对其形成抽吸作用，从而有效提高所述喉口段(2)流体的流速；

所述喉口段(2)的最窄截面为圆形并且其轴线分别与所述入口截面的轴线和所述出口截面的轴线相交，使得所述进口段(1)与所述出口段(3)错位布置，进一步提高所述喉口段(2)流体的流速；

上述三段结构之间采用圆弧连接，并且各结构的弧线相切约束；工作时，将风力发电机安装在所述喉口段(2)的最窄截面位置，并且风力发电机的叶轮轴线与该喉口段(2)的轴线重合。

2.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，上述三段结构之间的圆弧半径为所述最窄截面直径的0.8倍～2倍。

3.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述入口截面面积为所述最窄截面面积的2倍～4倍。

4.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述出口截面面积为所述最窄截面面积的2倍～4倍。

5.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述入口截面与所述最窄截面的中心点间距为所述最窄截面直径的0.8倍～1.5倍。

6.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述最窄截面与所述出口截面的中心点间距为所述最窄截面直径的0.8倍～1.5倍。

7.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述入口截面的轴线与所述出口截面的轴线之间的距离为所述最窄截面直径的0.5倍～1.2倍。

8.如权利要求1所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述最窄截面的轴线与所述入口截面的轴线之间的夹角为18°～25°。

9.如权利要求1～8任意一项所述的错位负压抽吸式聚风装置，其特征在于，所述最窄截面的轴线与所述出口截面的轴线之间的夹角为18°～25°。

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