方占萍，甄 亮

（1.蘭州理工大學(xué) 新能源學(xué)院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新能源工程系，甘肅 酒泉 735000）

小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方占萍1，2，甄 亮1，2

（1.蘭州理工大學(xué) 新能源學(xué)院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新能源工程系，甘肅 酒泉 735000）

風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性是衡量風(fēng)力機(jī)性能的重要指標(biāo)，對(duì)風(fēng)力機(jī)各種工況下的氣動(dòng)特性進(jìn)行研究有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)并建造了一種三葉片可以獨(dú)立變槳，機(jī)艙可以偏航的風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)器。編制了測(cè)控系統(tǒng)軟件，可以對(duì)變槳、偏航機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，測(cè)取實(shí)驗(yàn)器增減速過(guò)程，繪制實(shí)驗(yàn)器角加速曲線、偏載特性曲線。利用本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器和測(cè)控軟件在風(fēng)洞中進(jìn)行了減速曲線測(cè)取和偏載特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)器變槳、偏航機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，葉片、機(jī)艙角度定位準(zhǔn)確，測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

風(fēng)力機(jī)；氣動(dòng)特性；平臺(tái)；變槳；偏航

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)藏量巨大，全球風(fēng)能資源總量約為2.74×109兆瓦，其中可利用的風(fēng)能為2×107兆瓦。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大[1]。

風(fēng)力機(jī)的葉片都是在設(shè)計(jì)葉尖速比λA（葉尖速度與來(lái)流風(fēng)速的比值）下設(shè)計(jì)的。但實(shí)際中風(fēng)速不斷變化，風(fēng)力機(jī)不可能總在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行。對(duì)于失速型風(fēng)力機(jī)，由于轉(zhuǎn)速恒定，故只有一個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)點(diǎn)λA。對(duì)于變槳、變速風(fēng)力機(jī)，在額定風(fēng)速以下，風(fēng)力機(jī)始終以設(shè)計(jì)葉尖速比運(yùn)行。從額定風(fēng)速開始，風(fēng)力機(jī)將變槳。此時(shí)，轉(zhuǎn)速不變。不論哪一種情況，都需要掌握設(shè)計(jì)點(diǎn)及設(shè)計(jì)點(diǎn)之外（包括變槳）葉輪的功率系數(shù)、力矩系數(shù)和推力系數(shù)等氣動(dòng)特性，以便確定風(fēng)力機(jī)的載荷、功率以及控制規(guī)律。本文設(shè)計(jì)了一種小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)，用于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究[2]。

1 風(fēng)含功率及風(fēng)力機(jī)偏載特性[2－9]

1.1 風(fēng)含功率及動(dòng)量葉素設(shè)計(jì)理論

風(fēng)速為v1時(shí)，流過(guò)一個(gè)控制流面f的風(fēng)功率為

經(jīng)理論推導(dǎo)，風(fēng)能機(jī)械可捕獲最大功率系數(shù)為：CP=0.59

風(fēng)力機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)應(yīng)保證槳葉作用的圓面上每一個(gè)環(huán)單元（見圖2）所吸取的風(fēng)功率都達(dá)到最大，即

定義葉尖速比λA為葉片葉尖的速度與來(lái)流風(fēng)速的比值，即對(duì)于三葉片風(fēng)力機(jī)，依據(jù)原始動(dòng)量葉素，給定設(shè)計(jì)葉尖速比λA后，就可以確定葉片不同半徑處最佳弦長(zhǎng)C和安裝角αBau。該設(shè)計(jì)狀態(tài)即為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

1.2 偏載特性

設(shè)計(jì)點(diǎn)之外葉輪的功率系數(shù)、力矩系數(shù)和推力系數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)稱為風(fēng)力機(jī)的偏載特性。如圖1所示，取葉片基元作為研究對(duì)象，對(duì)于不同于設(shè)計(jì)葉尖速比λA的非設(shè)計(jì)點(diǎn)，葉輪面的迎風(fēng)角α就將不同。

圖1 來(lái)流速度三角形

為計(jì)算迎風(fēng)角α，利用翼型理論和動(dòng)量定理來(lái)計(jì)算。采取迭代的方法求解（如圖2所示）。

圖2 求解迎風(fēng)角的計(jì)算框圖

把力、力矩、功率對(duì)于給定的迎風(fēng)角α進(jìn)行無(wú)量綱化處理。由這些無(wú)量綱量可以得到軸向力、驅(qū)動(dòng)力矩和功率，它們由風(fēng)速和轉(zhuǎn)速經(jīng)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化來(lái)表達(dá)。

推力系數(shù)

驅(qū)動(dòng)力矩系數(shù)

功率系數(shù)

取λA=7，槳葉數(shù)為Z=3，葉型為FX63－137，按照Schmitz理論設(shè)計(jì)，計(jì)算功率系數(shù)、力矩系數(shù)和推力系數(shù)，其中考慮了葉尖損失和葉型損失。

由CP=λCM，得CM=CP/λ,則有

當(dāng)CM為最大時(shí)故有

在CP～λ曲線圖上做過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的射線族，射線族的斜率就是不同的力矩系數(shù)CM與CP曲線相切的射線對(duì)應(yīng)最大的力矩系數(shù)CM，max，切點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的葉尖速比λ就是力矩系數(shù)獲得最大值的葉尖速比λM，max[2]。

采用同樣的迭代方法，可以得出風(fēng)力機(jī)不同安裝角對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)曲線和力矩系數(shù)曲線（圖3）。圖4、圖5表明增大變槳角度將產(chǎn)生如下的效果：①最大功率系數(shù)和最大力矩系數(shù)減?。虎诳蛰d葉尖速度比降低；③啟動(dòng)時(shí)的力矩增大。

圖3 功率系數(shù)和力矩系數(shù)的關(guān)系

圖4 功率系數(shù)隨變槳角度和葉尖速度比的變化

圖5 力矩系數(shù)隨變槳角度和葉尖速度比的變化

1.3 實(shí)驗(yàn)室中氣動(dòng)特性曲線的獲取方法[10，11]

如前所述，功率系數(shù)、力矩系數(shù)等氣動(dòng)特性參數(shù)可以用葉尖速比λ為自變量來(lái)進(jìn)行表達(dá)，因此在實(shí)驗(yàn)室中只要測(cè)試出不同葉尖速比 下的功率系數(shù)、力矩系數(shù)，即可獲取對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)特性曲線。

實(shí)驗(yàn)室中，不同葉尖速比下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取方法有穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法和瞬態(tài)測(cè)量方法。表1將兩種數(shù)據(jù)測(cè)量方式從各個(gè)方面進(jìn)行了比較。

表1 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量和瞬態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量的比較[9]

基于簡(jiǎn)便的目的，本文采用瞬態(tài)測(cè)量的方法?；谶@種測(cè)量方法的模型相對(duì)易于設(shè)計(jì)和建造，并且測(cè)量過(guò)程節(jié)省時(shí)間和成本，最為重要的是這種方法的測(cè)量效果與穩(wěn)態(tài)測(cè)量的效果幾乎相同。

瞬態(tài)測(cè)量方法可以控制風(fēng)洞中風(fēng)速不變，讓實(shí)驗(yàn)器自由增速，從而獲取不同的葉尖速比，進(jìn)而測(cè)出對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)特性曲線。

2 實(shí)驗(yàn)器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)主要用于小型風(fēng)力機(jī)在各種工況條件下的氣動(dòng)特性測(cè)量。據(jù)此，制定了如下四點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

（1）可滿足瞬態(tài)方法測(cè)量氣動(dòng)數(shù)據(jù)；

（2）三葉片可獨(dú)立變槳，用于研究不同變槳角度、葉片氣動(dòng)不平衡條件下的氣動(dòng)特性；

（3）機(jī)艙可偏航，用于研究不同偏航角度下的氣動(dòng)特性；

（4）實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)上易于拆卸，定位準(zhǔn)確，便于加工。

2.2 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12，13]

風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)由傳動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)總裝圖

2.2.1 偏航機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏航系統(tǒng)由偏航電機(jī)、偏航軸承、偏航脹套、電磁剎車機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如圖7所示。需要偏航時(shí)，電磁剎車松開，偏航電機(jī)帶動(dòng)機(jī)艙偏航，偏航結(jié)束后電磁剎車機(jī)構(gòu)吸合，避免機(jī)艙與塔筒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖7 偏航機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 變槳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

變槳系統(tǒng)由變槳電機(jī)、變槳軸、變槳軸承、輪轂、葉片夾具構(gòu)成，如圖8所示。變槳信號(hào)由滑環(huán)引電器送入輪轂，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中三葉片獨(dú)立變槳。

圖8 變槳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 葉輪支撐軸系設(shè)計(jì)

如圖8所示，葉輪支撐系統(tǒng)由輪轂、主軸、主軸承、滑環(huán)引電器、慣性輪構(gòu)成。主軸通過(guò)兩個(gè)主軸承支撐于機(jī)艙上。滑環(huán)引電器通過(guò)空心軸將變槳控制信號(hào)引入輪轂。

2.2.4 慣性輪

為減緩轉(zhuǎn)子增速過(guò)程，采用增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法實(shí)現(xiàn)。由式M=IZ·β（IZ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，β為轉(zhuǎn)子角加速度），在轉(zhuǎn)子所受力矩M不變的情況下，增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IZ，可以減小轉(zhuǎn)子角加速度β，從而減緩轉(zhuǎn)子增速過(guò)程。本文采用加裝慣性輪的方法來(lái)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.3 實(shí)驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，用于變槳、偏航系統(tǒng)控制，以及轉(zhuǎn)速、風(fēng)速信號(hào)的采集。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集控制卡、光電傳感器、信號(hào)調(diào)理器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)速變送儀組成。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)器測(cè)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集、分析準(zhǔn)確，并能通過(guò)圖形繪制技術(shù)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以視圖的形式直觀的顯示出來(lái)。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)選擇Windows XP平臺(tái)，采Visual C++編制采集和I/O口控制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，采用Visual basic.net進(jìn)行程序的編寫。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 測(cè)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

硬件初始化模塊運(yùn)行于系統(tǒng)的起始階段用于偏航步進(jìn)電機(jī)位置初始化。變槳偏航控制部分能夠分別控制三個(gè)葉片的角度以及機(jī)艙的角度。減速曲線是測(cè)定實(shí)驗(yàn)器在自由減速時(shí)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系圖。增速曲線工作流程同減速曲線采集流程，由于增速曲線需要的時(shí)間比減速曲線時(shí)間長(zhǎng)，速度變化比減速曲線慢。加速度曲線繪制模塊將實(shí)驗(yàn)器在增速過(guò)程中角加速度計(jì)算并繪制出來(lái)。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行微分的方法來(lái)計(jì)算出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的角加速度，并將其放入加速度數(shù)組，再通過(guò)繪圖程序?qū)⑵淅L出。偏載特性曲線的繪制模塊分為未修正摩擦系數(shù)的偏載特性曲線繪制和修正摩擦系數(shù)的偏載特性曲線繪制兩部分。未修正摩擦系數(shù)的偏載特性曲線繪制模塊通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算計(jì)算出功率系數(shù)，并計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的葉尖速比，將對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)和葉尖速比存入二維數(shù)組，并通過(guò)繪圖程序繪制出來(lái)。修正摩擦系數(shù)的偏載特性曲線繪制模塊通過(guò)對(duì)加速度值進(jìn)行修正，計(jì)算出修正后的功率系數(shù)，然后計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的葉尖速比，將對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)和葉尖速比存入二維數(shù)組，并通過(guò)繪圖程序繪制出來(lái)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[12]

為了對(duì)試驗(yàn)器進(jìn)行考核驗(yàn)證，本文首先通過(guò)減速曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)獲取不同轉(zhuǎn)速下的阻尼，然后利用瞬態(tài)測(cè)量的方法獲取實(shí)驗(yàn)器的氣動(dòng)特性，并利用減速曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)擬合的阻尼曲線對(duì)每一轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最后對(duì)比了葉片處于不同安裝角下的氣動(dòng)特性。

3.1 減速曲線測(cè)定

實(shí)驗(yàn)時(shí)去掉實(shí)驗(yàn)器的葉片，使用電機(jī)將實(shí)驗(yàn)器轉(zhuǎn)子加速至1800rpm時(shí)將電機(jī)松開，讓實(shí)驗(yàn)器自由減速，采集實(shí)驗(yàn)器減速數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而擬合出轉(zhuǎn)速與阻尼加速度的表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)獲取的原始數(shù)據(jù)如圖10所示，通過(guò)微分方式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲取對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的角加速度。將三次實(shí)驗(yàn)的角加速度與轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)繪制于圖表11中?？梢娙螌?shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)基本一致，取實(shí)驗(yàn)3數(shù)據(jù)并進(jìn)行線性擬合（如圖12），得到擬合關(guān)系式：a=0.0061r+1.985（a為角加速度，r為轉(zhuǎn)速）。

圖10 減速曲線轉(zhuǎn)速時(shí)間關(guān)系圖

圖11 減速曲線加速度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖12 減速加速度與轉(zhuǎn)速關(guān)系擬合圖

3.2 偏載特性試驗(yàn)

本文偏載特性實(shí)驗(yàn)采用瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的方法，即在風(fēng)洞中獲取實(shí)驗(yàn)器在一定風(fēng)速下自然增速的過(guò)程的轉(zhuǎn)速與時(shí)間關(guān)系曲線，然后由自然增速過(guò)程獲取的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的角加速度，進(jìn)而計(jì)算出此時(shí)的功率，從而畫出對(duì)應(yīng)的偏載特性曲線。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理[7]

由功率系數(shù)的定義P=CPPref，可得

式中：P為實(shí)際獲取的功率；Pref為通過(guò)葉片的掃風(fēng)面積的風(fēng)能的總能量；CP為功率系數(shù)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

將三個(gè)葉片尖部角度調(diào)至3°，風(fēng)速13m/s在風(fēng)洞中進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得升速過(guò)程曲線如圖13所示。由微分方法計(jì)算出角加速度，并對(duì)所得的角加速度按減速實(shí)驗(yàn)擬合出的公式進(jìn)行修正（如圖14）。進(jìn)而可以得功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系圖（如圖15），力矩系數(shù)與葉尖速比關(guān)系圖（如圖16）。

圖13 實(shí)驗(yàn)器增速過(guò)程

圖14 修正前和修正后的角加速度曲線

圖15 修正前和修正后的功率系數(shù)曲線

圖16 修正前和修正后的力矩系數(shù)

將實(shí)驗(yàn)器三個(gè)葉片尖部角度調(diào)至7°，風(fēng)速13m/s在風(fēng)洞中進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，并將葉片尖部角度為7°和3°時(shí)的修正后的角加速度曲線（如圖17）、功率系數(shù)曲線（如圖18）、力矩系數(shù)曲線進(jìn)行對(duì)比（如圖19）。

圖17 不同安裝角下的角加速度曲線

圖18 不同安裝角下的功率系數(shù)曲線

圖19 不同安裝角下的力矩系數(shù)曲線

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由實(shí)驗(yàn)所得功率系數(shù)曲線和力矩系數(shù)曲線與理論所得曲線趨勢(shì)一致，修正后所得最大功率系數(shù)與理論所得最大功率系數(shù)接近。此實(shí)驗(yàn)所得功率系數(shù)曲線是合理的。

（2）隨著安裝角的增大，最大功率系數(shù)和力矩系數(shù)減小，啟動(dòng)時(shí)的力矩系數(shù)增大，與理論分析的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并建造了小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)，基于該平臺(tái)進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)建造了小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，測(cè)控系統(tǒng)功能完善，能夠模擬風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)、變槳、偏航等工況。

（2）實(shí)驗(yàn)得出的偏載特性曲線與理論曲線趨勢(shì)吻合，葉片不同安裝角的功率系數(shù)、力矩系數(shù)變化趨勢(shì)與理論分析結(jié)論一致。

本文設(shè)計(jì)建造的小型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究平臺(tái)，能夠用于風(fēng)力機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究工作及教學(xué)試驗(yàn)（如風(fēng)力機(jī)偏載特性、氣動(dòng)不平衡故障、偏航故障、獨(dú)立變槳等研究），具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Research platform and realization of aerodynamic characteristics for small wind turbine

FANG Zhanping1,2,ZHEN Liang1,2
（1.Lanzhou University of Technology,Jiuquan 735000, Gansu China;2.Jiuquan Vocational and Technical College, Jiuquan 735000,Gansu China）

A simulated instrument of wind turbine with three pieces of independent pitching blades has been designed and built,the cabin of which can yaw.The software of testing system has been established.The pitching and yawing unit have been controlled.The increasing and decreasing of the instrument speed has been tested.The angular acceleration curve and partial loading behavior of the instrument have been drawn.The decreasing curve test and partial loading behavior have been conducted in the wind cave by use of simulated instrument and testing software.The experimental results agree with the theoretical analysis.It is verified that the pitching and yawing unit are reasonable in design and blade&cabin angular location is accurate,while the testing system runs stably.

Wind turbines;Aerodynamic characteristics;Platform;Pitch;Yaw

TM614

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.036

1672－0121（2016）04－0123－07

2016－04－15；

2016－06－30

方占萍（1979－），女，副教授，從事風(fēng)電技術(shù)與裝備研究。E－mail：310771740＠qq.com