李根生，楊宗霄，宋　磊

(河南科技大學(xué) a.低風(fēng)速風(fēng)電技術(shù)河南省工程實驗室；b.車輛與交通工程學(xué)院；c.機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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垂直軸風(fēng)輪性能檢測試驗臺

李根生a,b，楊宗霄a,b，宋磊a,c

(河南科技大學(xué) a.低風(fēng)速風(fēng)電技術(shù)河南省工程實驗室；b.車輛與交通工程學(xué)院；c.機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

為了提高垂直軸風(fēng)輪試驗數(shù)據(jù)的測控精度及其自動化水平，針對垂直軸風(fēng)輪性能檢測研發(fā)了一套試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)由風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)、信號采集與分析子系統(tǒng)和加載子系統(tǒng)3部分構(gòu)成。對每個子系統(tǒng)進(jìn)行了分析、計算和設(shè)計。以Savonius型風(fēng)輪樣機(jī)為測試對象，在風(fēng)速從5 m/s至25 m/s，負(fù)載電流從空載到0.18 A的條件下，用試驗臺對風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行實時檢測，得到功率與風(fēng)速的關(guān)系以及不同負(fù)載條件下的效率最大值。檢測結(jié)果表明：該試驗臺能夠完整地測試風(fēng)輪的性能參數(shù)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計性能。

垂直軸風(fēng)輪；風(fēng)洞試驗；風(fēng)輪性能檢測；多通道風(fēng)速檢測；調(diào)節(jié)式磁粉加載

0　引言

風(fēng)能作為一種清潔無污染的綠色可再生能源，已成為世界各國重點研發(fā)的新能源之一。垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有不受風(fēng)向影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、維護(hù)方便和環(huán)境效益好等優(yōu)點[1-2]。垂直軸風(fēng)輪是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)的設(shè)計和選取直接影響垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作性能。垂直軸風(fēng)輪的理論分析計算由于受到模型簡化和條件假設(shè)等限制，使得風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行效果與預(yù)期性能指標(biāo)有差別，因此，垂直軸風(fēng)輪在設(shè)計開發(fā)時或加工完成后都要進(jìn)行試驗驗證，以進(jìn)行性能分析和數(shù)據(jù)修正。目前，針對垂直軸風(fēng)輪的試驗性研究主要采用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真和風(fēng)洞試驗，或兩者相結(jié)合的方法[3-6]，其中，風(fēng)洞試驗為風(fēng)機(jī)整體性能參數(shù)優(yōu)化提供了有效可行的方法[6-9]。風(fēng)輪試驗臺研制水平對風(fēng)洞試驗效果起著決定性作用[10-11]，但現(xiàn)有的垂直軸風(fēng)輪測試平臺主要針對大型風(fēng)輪[12]。

為了準(zhǔn)確測量不同尺寸和不同結(jié)構(gòu)的垂直軸風(fēng)輪在一定條件下的氣動特性和工作效率等性能，需要一種有效的測量平臺。本文旨在開發(fā)可反映小型垂直軸風(fēng)輪工作特性的測試平臺，用于不同型式垂直軸風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)的自動測取和分析，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪的性能測試和發(fā)電機(jī)匹配參數(shù)的確定提供良好的試驗平臺。

1　試驗臺總體方案設(shè)計

垂直軸風(fēng)輪試驗臺的研發(fā)基于開口式回流風(fēng)洞，該風(fēng)洞由混流式風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源，混流式風(fēng)機(jī)由變頻器實現(xiàn)調(diào)速。垂直軸風(fēng)輪試驗臺總體設(shè)計方案如圖1所示。

試驗臺由風(fēng)輪支撐調(diào)整系統(tǒng)、信號采集與分析系統(tǒng)和加載系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)主要包括臺架固定部分和活動部分，用來固定和調(diào)整風(fēng)輪試件的位置。信號采集與分析子系統(tǒng)包括風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)速傳感器和盤式扭矩耦合器，主要用于自動采集風(fēng)洞出口風(fēng)速、風(fēng)輪試件的轉(zhuǎn)速和扭矩信號，并經(jīng)過模數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換自動輸出至PC端。加載子系統(tǒng)主要包括磁粉加載器及其控制器，通過PC控制加載器給風(fēng)輪試件加載，模擬風(fēng)輪在驅(qū)動電機(jī)發(fā)電時的工作特性。

圖1　垂直軸風(fēng)輪試驗臺總體設(shè)計方案

2　子系統(tǒng)設(shè)計

2.1風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)

風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)的支撐部分主要包括臺架底座、支撐立柱、固定支架、下主軸和風(fēng)輪支撐板。風(fēng)輪試件通過中心軸兩端安裝在試驗臺架上，其下端通過楔口連接下主軸，上端通過鎖緊螺母固定在支撐板上。試件旋轉(zhuǎn)部分下端通過聯(lián)軸器與安裝在下主軸上的轉(zhuǎn)速信號編碼盤和盤式扭矩耦合器相連。另有調(diào)整部分可以調(diào)節(jié)風(fēng)輪試件垂直位置和水平位置，以使風(fēng)輪下端與下主軸和傳感器對正。

2.2信號采集與分析子系統(tǒng)

信號采集與分析子系統(tǒng)主要包括風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機(jī)及相應(yīng)的信號分析軟件。

2.2.1風(fēng)速測量裝置

風(fēng)速測量裝置用來測量風(fēng)洞出口的平均風(fēng)速。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流在流經(jīng)風(fēng)洞時雖經(jīng)過消湍整流處理得到相對均勻穩(wěn)定的風(fēng)源，但在試驗段截面上，風(fēng)速大小仍不均勻，因而需要在風(fēng)洞出風(fēng)口不同位置放置多個風(fēng)速傳感器，以測定其平均風(fēng)速。本試驗系統(tǒng)在出風(fēng)口均布5個風(fēng)速測量點。

試驗臺風(fēng)速測量裝置的選擇主要考慮多通道同時自動采集風(fēng)速，并有相應(yīng)的計算機(jī)接口，以實現(xiàn)自動化，在滿足量程要求的前提下，其靈敏度和精度也應(yīng)滿足試驗需要。試驗臺配套的回流風(fēng)洞由30 kW混流式風(fēng)機(jī)(SWF-II-12)提供風(fēng)源，可產(chǎn)生的最大風(fēng)速為30 m/s。

試驗臺風(fēng)速測量裝置選用沈陽加野科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的 KANOMAX KA12(KM12)型4通道風(fēng)速儀，選用風(fēng)速探頭為0963-00型，可測風(fēng)速范圍0.1～50.0 m/s，在常用風(fēng)速范圍10.0～24.9 m/s內(nèi)，測量精度為±0.5 m/s。4通道可同時采集風(fēng)速，每個通道具有模擬輸出功能，并配有RS-232C通信接口。同時，為了便于對比和多點測量，試驗臺還配備了一臺中葉輪手持式風(fēng)速儀，型號為Kimo LV107S(法國凱茂儀器公司)，可測風(fēng)速范圍0.3～35.0 m/s。圖2為KM12型和LV107S型兩種風(fēng)速儀在同樣條件下測量風(fēng)速的對比結(jié)果。

圖2　KM12型和LV107S型風(fēng)速儀風(fēng)速測量值

由圖2可以看出：KM12型和LV107S型風(fēng)速儀風(fēng)速測量的結(jié)果吻合很好，測量結(jié)果的相對誤差很小，說明所選風(fēng)速儀測量的準(zhǔn)確性滿足要求。

2.2.2轉(zhuǎn)速與扭矩測量裝置

扭矩傳感器分為接觸式和非接觸式兩種，由于試驗臺常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而采用非接觸式扭矩傳感器。非接觸式扭矩傳感器采用微電子測量，轉(zhuǎn)換精度高、可靠性高、無磨損、使用壽命長，可在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行扭矩測量。非接觸式扭矩傳感器主要包括應(yīng)變式、磁彈性式、磁電式和光電式，其中以應(yīng)變式應(yīng)用最為廣泛[13]。

市售的扭矩傳感器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和尺寸上均無法完全滿足試驗臺要求，因此，本文所用的扭矩傳感器是由河北省三河市華欣機(jī)電有限公司在其原產(chǎn)品HX-906基礎(chǔ)上定制加工，其量程為100 N·m，精度為0.5%，適用轉(zhuǎn)速為6 000 r/min以下，而試驗臺測試扭矩不超過20 N·m，轉(zhuǎn)速不超過1 000 r/min，各項指標(biāo)均滿足要求。

轉(zhuǎn)速傳感器按照工作原理的不同可以分為:磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等。其中，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，無需供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強(qiáng)，因此，在實際工程中具有廣泛的應(yīng)用[14]。

圖3　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速測試示意圖

轉(zhuǎn)速傳感器的選擇要考慮其采用頻率滿足試驗臺最高轉(zhuǎn)速的采樣要求，同時在不同轉(zhuǎn)速下測量精度和可靠性要高。試驗臺選用上海索能自動化有限公司SN08-02BP型磁電式傳感器探頭，采用齒輪盤式結(jié)構(gòu)和扭矩傳感器一起通過螺栓連接到風(fēng)輪試件下端的聯(lián)軸器上產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號源。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速測試示意圖如圖3所示。

SN08-02BP型磁電式傳感器探頭的采樣頻率f=2 000 Hz，試驗臺設(shè)計齒輪編碼盤齒數(shù)z=30，所以試驗臺轉(zhuǎn)速測量裝置能夠測量的最大轉(zhuǎn)速nmax=4 000 r/min。根據(jù)參數(shù)計算風(fēng)輪最大轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min，滿足試驗臺轉(zhuǎn)速測試要求。

表1為試驗臺轉(zhuǎn)速傳感器和手持式轉(zhuǎn)速儀測量結(jié)果比較。由表1可知：兩者相對誤差平均只有2.37%，表明了試驗臺轉(zhuǎn)速傳感器所測轉(zhuǎn)速是準(zhǔn)確的。

表1　試驗臺轉(zhuǎn)速傳感器和手持式轉(zhuǎn)速儀測量結(jié)果比較

轉(zhuǎn)速、扭矩的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換采用扭矩傳感器HX-906配套的HX-90D型USB虛擬扭矩儀(華欣機(jī)電有限公司)，包括USB數(shù)據(jù)采集盒(A/D轉(zhuǎn)換模塊)和虛擬儀器軟件兩部分?？梢杂脭?shù)字和曲線兩種方式顯示試驗風(fēng)輪的實時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率參數(shù)，所有數(shù)據(jù)可以隨時以Microsoft Excel格式存儲，便于分析和研究。

2.3加載子系統(tǒng)

為模擬垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實際工作中因驅(qū)動發(fā)電機(jī)所承載的載荷，為試驗臺設(shè)計了加載子系統(tǒng)。

圖4　磁粉加載器結(jié)構(gòu)簡圖

常見的機(jī)械運(yùn)動加載方式有磁粉制動器加載、電動機(jī)電控加載和電液伺服制動器加載3種。電動機(jī)電控加載和電液伺服制動器加載通常用于功率較大的場合，而對于小功率加載系統(tǒng)，通常采用磁粉制動器加載。磁粉制動器具有激磁功率小、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、無沖擊、無振動和無噪音等優(yōu)點[9，15-16]。試驗臺研究對象為小型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其功率不超過2 kW，因此采用磁粉制動器對風(fēng)輪試件進(jìn)行加載。在結(jié)構(gòu)上，主要考慮加載器的連接與固定。因為加載器轉(zhuǎn)速輸入來自扭矩耦合器轉(zhuǎn)子，且下主軸從中間穿過，因此考慮選用蘭菱機(jī)電FZ12.AK型空心聯(lián)軸結(jié)、止口支撐和立式磁粉制動器。但該產(chǎn)品聯(lián)軸結(jié)尺寸不符合試驗臺要求，因此在其基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，磁粉加載器結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。為了固定加載器，設(shè)計了專門的支架，一端連接于加載器固定外殼上，另一端通過螺栓將加載器固定在試驗臺固定支架上。圖4中磁粉制動器外徑D為 42.8 mm，盤厚度L0為 192.0 mm，其他數(shù)據(jù)的單位均為mm。

磁粉制動器的主要參數(shù)包括額定轉(zhuǎn)矩、滑差功率和許用轉(zhuǎn)速。其中，額定轉(zhuǎn)矩是指制動器在激磁電流下所產(chǎn)生的制動力矩，應(yīng)大于試驗臺風(fēng)輪試件最大轉(zhuǎn)矩(一般為起動轉(zhuǎn)矩)。由于加載器模擬發(fā)電機(jī)負(fù)荷，因此常常處于滑差狀態(tài)，試驗臺實際滑差功率Ps不能超過磁粉制動器許用滑差功率。該型磁粉制動器滑差功率的大小由式(1)確定：

Ps=λTns，

(1)

其中：λ為磁粉制動器滑差功率因數(shù)，一般取λ=0.105；T為滑差狀態(tài)傳遞的扭矩；ns為滑差轉(zhuǎn)速，即風(fēng)輪試件的實際轉(zhuǎn)速。這里滑差功率相當(dāng)于試驗臺風(fēng)力機(jī)功率。若實際滑差轉(zhuǎn)速較高，則許用轉(zhuǎn)矩下降。風(fēng)輪試件的最大轉(zhuǎn)速不能超過磁粉制動器最大許用轉(zhuǎn)速。經(jīng)過相關(guān)計算與仿真，試驗臺實際轉(zhuǎn)速一般不超過600 r/min，最大功率不超過100 W。為了滿足試驗臺轉(zhuǎn)速、加載扭矩和功率等需求，最終確定磁粉制動器相關(guān)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)矩為 23 N·m，滑差功率為100 W，激磁電流0.8 A，許用轉(zhuǎn)速為650 r/min。加載試驗得到的磁粉制動器加載力矩特性曲線表明：其輸出力矩與激磁電流呈良好的線性關(guān)系。

3　試驗臺檢測分析

圖5　垂直軸風(fēng)輪試驗臺

根據(jù)上述分析與設(shè)計，研制出垂直軸風(fēng)輪試驗臺，如圖5所示。以一臺Savonius型風(fēng)輪樣機(jī)為測試對象，對其進(jìn)行性能測試。該風(fēng)輪樣機(jī)為雙葉片對稱布置型，葉片曲率半徑D=205 mm，試件高度H=700 mm，高徑比H/D=1，試件材料為鋁。

垂直軸風(fēng)輪試件將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)速儀采集來流風(fēng)速V，盤式耦合器同步檢測風(fēng)輪試件的輸出扭矩T，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n通過安裝在盤式耦合器上的轉(zhuǎn)速傳感器測量得到，磁粉加載器施加加載力矩Td以模擬發(fā)電機(jī)的工況。性能測試參數(shù)通過A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)采集元件變換為計算機(jī)可讀式數(shù)字信號，計算機(jī)放置在試驗臺架外側(cè)，試驗人員通過顯示器讀取數(shù)據(jù)處理信息或直接記錄數(shù)據(jù)在存儲器內(nèi)。

風(fēng)能功率Ew可根據(jù)空氣密度ρ、風(fēng)輪掠風(fēng)面積A和風(fēng)速V來計算：

(2)

磁粉加載器施加加載力矩Td以模擬發(fā)電機(jī)的工況，此時，風(fēng)輪輸出功率EM可根據(jù)盤式耦合傳感器所檢測得到的風(fēng)輪扭矩T和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n來計算：

(3)

風(fēng)輪效率η：

(4)

圖6為本文設(shè)計的垂直軸風(fēng)輪性能檢測試驗臺對Savonius型風(fēng)輪樣機(jī)的試驗結(jié)果，測試了加載電流從空載到0.18 A的情況下，風(fēng)速與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率及效率之間的關(guān)系。圖6a表明：風(fēng)輪在不同的加載電流(即不同的載荷)下，風(fēng)速從5 m/s增加到25 m/s時，轉(zhuǎn)速從50 r/min線性增加到600 r/min，且同一風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速隨載荷的增大而減小，在低風(fēng)速區(qū)更為明顯，進(jìn)而說明試驗臺風(fēng)速、轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)工作和加載系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。圖6b顯示了風(fēng)速與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，在大電流下(即大負(fù)載條件下)，隨著風(fēng)速的提高，輸出轉(zhuǎn)矩有所下降；而在小電流下，風(fēng)速增加后輸出轉(zhuǎn)矩基本趨于穩(wěn)定。圖6c表明風(fēng)輪輸出功率隨著風(fēng)速的增加而增大，在大電流下，輸出功率增加更為明顯。圖6d顯示了風(fēng)輪效率隨風(fēng)速的變化關(guān)系，表明在不同載荷下，風(fēng)輪都存在最大效率點，即存在最優(yōu)工作風(fēng)速值，載荷越大，最優(yōu)工作風(fēng)速值也越大。試驗結(jié)果表明：本文研發(fā)的垂直軸風(fēng)輪試驗臺可以全面地檢測風(fēng)輪性能，為新型垂直軸風(fēng)輪性能檢測提供了良好平臺。

圖6　Savonius型風(fēng)輪樣機(jī)在試驗臺上的試驗結(jié)果

4　結(jié)束語

本文基于回流風(fēng)洞設(shè)計了垂直軸風(fēng)輪試驗臺，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同工況下對高度不超過900 mm的不同型號垂直軸風(fēng)輪進(jìn)行性能試驗，風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和加載力矩等所有性能參量均采用非接觸采集及計算機(jī)數(shù)據(jù)實時處理，同步檢測分析風(fēng)能功率和機(jī)械功率，結(jié)果具有真實性和可比性。該垂直風(fēng)輪試驗臺具有安全、自動化、操作簡便、檢測精度高、試件更換性強(qiáng)、易于安裝維護(hù)以及成本低等優(yōu)點，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪性能測試和發(fā)電機(jī)匹配參數(shù)確定提供良好的自動化通用試驗平臺。

該試驗臺需要在以下方面繼續(xù)改進(jìn)：(Ⅰ)風(fēng)輪試件僅上端固定,對風(fēng)輪中心軸的垂直度要求苛刻，從而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)試難度較大。(Ⅱ)試驗臺經(jīng)常需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)，出于安全考慮，應(yīng)加裝防護(hù)網(wǎng)。(Ⅲ)為了操作方便，信號采集應(yīng)更加自動化，將風(fēng)速采集和扭矩等信號分析軟件整合在一起，并設(shè)計控制柜將系統(tǒng)各項控制功能集中到一個終端。

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國家自然科學(xué)基金項目(71071078)；河南省重點科技攻關(guān)基金項目(112102310394)

李根生(1982-),男,河南洛陽人,講師,博士,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和車輛電子技術(shù);楊宗霄(1957-),男,通信作者,河南靈寶人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析與集成.

2016-03-24

1672-6871(2016)06-0016-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.004

V211.74

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