高翀恒++鄭源李中杰程相

摘要：為了解決傳統(tǒng)風(fēng)力提水機(jī)存在的多葉片大實(shí)度、風(fēng)能利用系數(shù)低下、生產(chǎn)成本高等問題，對(duì)所設(shè)計(jì)的具有低實(shí)度、高氣動(dòng)性能的新型高效風(fēng)力提水裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。推導(dǎo)了適用于風(fēng)力機(jī)的相似理論，建立新型風(fēng)力提水裝置的物理模型，在河海大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了額定工況下風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)以及不同工況下裝置的流量，并繪制流量特性曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置在28 m/s微風(fēng)下能夠起動(dòng)，在額定工況下風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)043以上，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下風(fēng)力機(jī)與水泵匹配性能最好，效率達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力提水；風(fēng)能利用系數(shù)；相似理論；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK89文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2016）06019605

Wind tunnel test of a novel high efficiency wind water device

GAO Chongheng1，2，ZHENG Yuan3，LI Zhongjie1，CHENG Xiang1

（1.College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Fujian Fuchuan Investment LTD，F(xiàn)uzhou 350015，China；

3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to solve the problems of multi blade large solid，low coefficient of wind power utilization，and high production cost of traditional wind water machine，this paper investigate a novel wind water pumping machine with design of low degree and high gas dynamic performance model.Then the similarity theory was deducted which was used in wind turbine，and the physical model of the novel wind water device was established.The blowing experiment was carried out in the wind tunnel laboratory of Hohai University，to measure the wind energy utilization coefficient of wind wheel under rated condition and the flow of the device under different conditions，and draw the flow characteristic curve.Experimental results showed that the device could start at 2.8m/s，the wind energy utilization coefficient of the device could reach more than 0.43 under the rated condition，and could meet the design requirements.The wind turbine and pump could match the best performance under the design head，and the efficiency could reach the maximum under this condition.

Key words：wind water pumping；wind energy utilization coefficient；similarity theory；wind tunnel experience

在供電不便的山區(qū)或者農(nóng)牧地帶，常利用風(fēng)力帶動(dòng)水泵提水灌溉，這種提水方式有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是通過風(fēng)力發(fā)電提水[12]，另一種方式則是無需發(fā)電裝置，只是依靠自然的風(fēng)資源帶動(dòng)水泵來完成提水作業(yè)[34]，與風(fēng)力發(fā)電裝置比較其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作和維護(hù)方便，對(duì)于偏遠(yuǎn)的、用電不便的山區(qū)地帶的農(nóng)業(yè)灌溉以及草原地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展具有重要的作用，在世界范圍內(nèi)都獲得了廣泛的應(yīng)用[510]。

[JP2]目前已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模化的風(fēng)力提水裝置大多是采用多葉片、低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)能利用率的系統(tǒng)，葉片數(shù)多使得風(fēng)輪實(shí)度較大，流過風(fēng)輪的氣流較少，因而影響了其輸出功率；同時(shí)，葉片的設(shè)計(jì)大多采用傳統(tǒng)的平板型或者弧板型，風(fēng)能利用效率較低，易造成風(fēng)能資源的浪費(fèi)[1112]；另一方面，風(fēng)力機(jī)與水泵如何匹配也是有待進(jìn)一步研究的問題，綜上所述，設(shè)計(jì)一種高效的風(fēng)力機(jī)葉片、提高風(fēng)力提水系統(tǒng)的效率、降低起動(dòng)風(fēng)速以及設(shè)計(jì)與風(fēng)力機(jī)相匹配的水泵迫在眉睫。

針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了一種新型高效的風(fēng)力提水裝置[13]，該裝置采用六葉片風(fēng)輪，葉片采用NACA 4412航空翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了風(fēng)輪的實(shí)度，節(jié)約了制造成本，同時(shí)具有很高的風(fēng)能利用率。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的風(fēng)力提水裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文推導(dǎo)了適用于風(fēng)力機(jī)的相似理論，并建立縮尺比為0286的物理模型在河海大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)，對(duì)小型風(fēng)力提水裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)和參考價(jià)值。

3新型高效風(fēng)力提水裝置風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

3.1新型風(fēng)力提水裝置物理模型

河海大學(xué)風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)見圖1。由于風(fēng)力提水裝置原型尺寸較大，為了使得風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的阻塞比[18]不超過實(shí)驗(yàn)段橫截面積的20 %，本文采用縮比模型的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，縮尺比為0286，即模型葉片長(zhǎng)為05 m，此時(shí)阻塞比為196 %，滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)阻塞比的要求。

新型高效風(fēng)力提水裝置物理模型分為3個(gè)機(jī)構(gòu)：風(fēng)輪、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和提水機(jī)構(gòu)。風(fēng)輪由六片鋼鐵材料制成的扭曲流線型葉片構(gòu)成，重量為12 Kg，為了消除葉片表面粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響以及更好的視覺效果，葉片表面進(jìn)行噴漆處理；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主軸、一組齒數(shù)比為1∶2的傘形齒輪副、立軸、帶槽圓盤構(gòu)成，圓盤直徑160 mm，其余規(guī)格為國(guó)標(biāo)；提水機(jī)構(gòu)由雙作用活塞泵、水管和水箱構(gòu)成，活塞泵直徑40 mm，行程80 mm，活塞泵進(jìn)出口管道直徑8 mm，長(zhǎng)30 mm，水箱尺寸為1 m×1 m×1 m的正方體，置于活塞泵進(jìn)口以及出口處。風(fēng)力提水裝置各部分的物模圖見圖2。風(fēng)力提水裝置模型安裝于風(fēng)洞出口下游15 m處，風(fēng)輪中心與實(shí)驗(yàn)段橫截面中心在同一高度。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

原型的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為105 m，額定風(fēng)速為3 m/s，物模比原型縮小了35倍，根據(jù)式（1）、式（12）和式（13）可得，風(fēng)力提水裝置模型的揚(yáng)程為3 m，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速應(yīng)該為105 m/s，旋轉(zhuǎn)角速度為40425 rad/s，轉(zhuǎn)速為386 r/min。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了空載時(shí)裝置克服摩擦所需要的機(jī)械力矩以及不同風(fēng)速、不同揚(yáng)程下裝置的平均流量，并根據(jù)風(fēng)力機(jī)相似理論轉(zhuǎn)化成可運(yùn)用于原型的相似準(zhǔn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后見表3，其中，t為裝滿15 L量杯所需要的時(shí)間。

由表3可計(jì)算出風(fēng)輪力矩的誤差率，不確定度分別為821%、01323%，風(fēng)能利用系數(shù)的誤差率不確定度分別為792%、01125%。

從表3中可以得出，機(jī)械傳動(dòng)部分克服各種機(jī)械摩擦運(yùn)動(dòng)所需要力矩為43（N·m），根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示，在28 m/s風(fēng)速下風(fēng)輪起動(dòng)力矩為1832（N·m），大于機(jī)械摩擦力矩，因此可以證明裝置在28 m/s的微風(fēng)下是可以起動(dòng)的。另外，從表中還可以看出，實(shí)驗(yàn)值普遍比計(jì)算值低，誤差率為821%。雖然誤差率比較大，但是參閱風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的參考文獻(xiàn)[19]可知，除了精度特別高，性能特別穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室，例如美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室，測(cè)量的數(shù)據(jù)具有相當(dāng)高的權(quán)威性之外，自制模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比計(jì)算結(jié)果都是存在一定誤差，因?yàn)轱L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)有許多技術(shù)或者設(shè)備本身的誤差存在，例如傳感器的敏感度會(huì)隨著溫度、濕度的改變而改變或是人為操作失誤等[20]，基于這些因素的考慮，可以認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)的誤差是在可以接受的范圍內(nèi)。

不同揚(yáng)程下，風(fēng)力提水裝置隨風(fēng)速變化出水流量變化曲線見圖3，不同風(fēng)速下，風(fēng)力提水裝置隨揚(yáng)程變化出水流量變化曲線見圖4。從圖3中可以看出隨著風(fēng)速的增大，流量整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；并且隨著揚(yáng)程的增大裝置出水口的流量先減小后增大，再逐步遞減，揚(yáng)程在3 m時(shí)流量大于2 m、25 m以及35 m的揚(yáng)程，接近揚(yáng)程為15 m時(shí)的流量，這個(gè)特點(diǎn)在圖4中表現(xiàn)得尤為明顯，從圖4中可以很明顯看出隨著風(fēng)速的增大，流量是逐步增加的，并且流量曲線整體是隨著揚(yáng)程的增加逐步減小的，然而在3 m揚(yáng)程時(shí)流量突然增大，根據(jù)相似理論中幾何相似分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適用于原型的相似準(zhǔn)數(shù)可得，物模揚(yáng)程為3 m相當(dāng)于原型揚(yáng)程105 m，而原型105 m的揚(yáng)程為設(shè)計(jì)揚(yáng)程，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下風(fēng)力機(jī)的輸出功率與水泵的功率最為匹配，是最優(yōu)工況，即整個(gè)裝置的效率達(dá)到最大，因此實(shí)驗(yàn)中在3 m揚(yáng)程下流量會(huì)增大，這個(gè)現(xiàn)象也進(jìn)一步證明了本次實(shí)驗(yàn)與原型工況是相符合的。

4小結(jié)

（1）采用航空翼型設(shè)計(jì)風(fēng)力提水裝置風(fēng)輪葉片，并且將葉片各個(gè)截面翼型扭轉(zhuǎn)至最佳攻角位置，可很大程度上提高風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)，同時(shí)能有效地降低起動(dòng)風(fēng)速，捕獲更大的風(fēng)能；另外，優(yōu)化設(shè)計(jì)了風(fēng)輪之后，即使降低風(fēng)輪實(shí)度也能滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程所需力矩要求，節(jié)約了制造成本。

（2）通過推導(dǎo)適用于風(fēng)力機(jī)的相似理論，自制新型高效風(fēng)力提水裝置的物理模型在河海大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的新型風(fēng)力提水裝置風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)043以上，誤差在允許的范圍內(nèi)，流量隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并且在設(shè)計(jì)揚(yáng)程105 m下風(fēng)力機(jī)輸出功率與水泵功率匹配性能最好，裝置效率達(dá)到最佳。

（3）新型高效風(fēng)力提水裝置一改傳統(tǒng)風(fēng)力提水機(jī)的設(shè)計(jì)方法，采用低實(shí)度的扭曲流線型葉片，融合了高低速風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，通過可靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，裝置可在28 m/s的微風(fēng)下自行起動(dòng)，降低了起動(dòng)風(fēng)速，提高了風(fēng)資源利用率，對(duì)中低揚(yáng)程風(fēng)力提水機(jī)的改良設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

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