小型風力機氣動特性研究平臺設(shè)計與實現(xiàn)

方占萍，甄 亮

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

小型風力機氣動特性研究平臺設(shè)計與實現(xiàn)

方占萍1，2，甄 亮1，2

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

風力機的氣動特性是衡量風力機性能的重要指標，對風力機各種工況下的氣動特性進行研究有重要的應(yīng)用價值。本文設(shè)計并建造了一種三葉片可以獨立變槳，機艙可以偏航的風力機實驗器。編制了測控系統(tǒng)軟件，可以對變槳、偏航機構(gòu)進行控制，測取實驗器增減速過程，繪制實驗器角加速曲線、偏載特性曲線。利用本文設(shè)計的實驗器和測控軟件在風洞中進行了減速曲線測取和偏載特性測量實驗，實驗結(jié)果與理論分析一致。經(jīng)試驗驗證，實驗器變槳、偏航機構(gòu)設(shè)計合理，葉片、機艙角度定位準確，測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

風力機；氣動特性；平臺；變槳；偏航

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

風力機的葉片都是在設(shè)計葉尖速比λA（葉尖速度與來流風速的比值）下設(shè)計的。但實際中風速不斷變化，風力機不可能總在設(shè)計點運行。對于失速型風力機，由于轉(zhuǎn)速恒定，故只有一個風速對應(yīng)設(shè)計點λA。對于變槳、變速風力機，在額定風速以下，風力機始終以設(shè)計葉尖速比運行。從額定風速開始，風力機將變槳。此時，轉(zhuǎn)速不變。不論哪一種情況，都需要掌握設(shè)計點及設(shè)計點之外（包括變槳）葉輪的功率系數(shù)、力矩系數(shù)和推力系數(shù)等氣動特性，以便確定風力機的載荷、功率以及控制規(guī)律。本文設(shè)計了一種小型風力機氣動特性研究平臺，用于在實驗室進行風力機氣動特性研究[2]。

1 風含功率及風力機偏載特性[2－9]

1.1 風含功率及動量葉素設(shè)計理論

風速為v1時，流過一個控制流面f的風功率為

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

風力機葉輪的設(shè)計應(yīng)保證槳葉作用的圓面上每一個環(huán)單元（見圖2）所吸取的風功率都達到最大，即

定義葉尖速比λA為葉片葉尖的速度與來流風速的比值，即對于三葉片風力機，依據(jù)原始動量葉素，給定設(shè)計葉尖速比λA后，就可以確定葉片不同半徑處最佳弦長C和安裝角αBau。該設(shè)計狀態(tài)即為風力機的設(shè)計點。

1.2 偏載特性

設(shè)計點之外葉輪的功率系數(shù)、力矩系數(shù)和推力系數(shù)等氣動參數(shù)稱為風力機的偏載特性。如圖1所示，取葉片基元作為研究對象，對于不同于設(shè)計葉尖速比λA的非設(shè)計點，葉輪面的迎風角α就將不同。

圖1 來流速度三角形

為計算迎風角α，利用翼型理論和動量定理來計算。采取迭代的方法求解（如圖2所示）。

圖2 求解迎風角的計算框圖

把力、力矩、功率對于給定的迎風角α進行無量綱化處理。由這些無量綱量可以得到軸向力、驅(qū)動力矩和功率，它們由風速和轉(zhuǎn)速經(jīng)簡單的轉(zhuǎn)化來表達。

推力系數(shù)

驅(qū)動力矩系數(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，計算功率系數(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CM為最大時故有

在CP～λ曲線圖上做過坐標原點的射線族，射線族的斜率就是不同的力矩系數(shù)CM與CP曲線相切的射線對應(yīng)最大的力矩系數(shù)CM，max，切點所對應(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，可以得出風力機不同安裝角對應(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)減小；②空載葉尖速度比降低；③啟動時的力矩增大。

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 實驗室中氣動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)等氣動特性參數(shù)可以用葉尖速比λ為自變量來進行表達，因此在實驗室中只要測試出不同葉尖速比 下的功率系數(shù)、力矩系數(shù)，即可獲取對應(yīng)的氣動特性曲線。

實驗室中，不同葉尖速比下的實驗數(shù)據(jù)獲取方法有穩(wěn)態(tài)測量方法和瞬態(tài)測量方法。表1將兩種數(shù)據(jù)測量方式從各個方面進行了比較。

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

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

瞬態(tài)測量方法可以控制風洞中風速不變，讓實驗器自由增速，從而獲取不同的葉尖速比，進而測出對應(yīng)的氣動特性曲線。

2 實驗器設(shè)計

2.1 風力機氣動特性研究平臺設(shè)計原則

小型風力機氣動特性研究平臺主要用于小型風力機在各種工況條件下的氣動特性測量。據(jù)此，制定了如下四點設(shè)計原則：

（1）可滿足瞬態(tài)方法測量氣動數(shù)據(jù)；

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

（3）機艙可偏航，用于研究不同偏航角度下的氣動特性；

（4）實驗器結(jié)構(gòu)上易于拆卸，定位準確，便于加工。

2.2 風力機氣動特性研究平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[12，13]

風力發(fā)電模擬系統(tǒng)由傳動系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、測控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 風力發(fā)電模擬系統(tǒng)總裝圖

2.2.1 偏航機構(gòu)設(shè)計

偏航系統(tǒng)由偏航電機、偏航軸承、偏航脹套、電磁剎車機構(gòu)構(gòu)成，如圖7所示。需要偏航時，電磁剎車松開，偏航電機帶動機艙偏航，偏航結(jié)束后電磁剎車機構(gòu)吸合，避免機艙與塔筒之間產(chǎn)生相對運動。

圖7 偏航機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 變槳機構(gòu)設(shè)計

變槳系統(tǒng)由變槳電機、變槳軸、變槳軸承、輪轂、葉片夾具構(gòu)成，如圖8所示。變槳信號由滑環(huán)引電器送入輪轂，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過程中三葉片獨立變槳。

圖8 變槳機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 葉輪支撐軸系設(shè)計

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。主軸通過兩個主軸承支撐于機艙上?；h(huán)引電器通過空心軸將變槳控制信號引入輪轂。

2.2.4 慣性輪

為減緩轉(zhuǎn)子增速過程，采用增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的方法實現(xiàn)。由式M=IZ·β（IZ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，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)子增速過程。本文采用加裝慣性輪的方法來增大轉(zhuǎn)動慣量。

2.3 實驗器測控系統(tǒng)

實驗器測控系統(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、風速信號的采集。

2.3.1 實驗器測控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

測控系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集控制卡、光電傳感器、信號調(diào)理器、步進電機、步進電機驅(qū)動器、風速變送儀組成。

2.3.2 實驗器測控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)設(shè)計原則為操作方便，運行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集、分析準確，并能通過圖形繪制技術(shù)將實驗數(shù)據(jù)以視圖的形式直觀的顯示出來。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)選擇Windows XP平臺，采Visual C++編制采集和I/O口控制動態(tài)鏈接庫，采用Visual basic.net進行程序的編寫。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

硬件初始化模塊運行于系統(tǒng)的起始階段用于偏航步進電機位置初始化。變槳偏航控制部分能夠分別控制三個葉片的角度以及機艙的角度。減速曲線是測定實驗器在自由減速時轉(zhuǎn)速與時間的關(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間比減速曲線時間長，速度變化比減速曲線慢。加速度曲線繪制模塊將實驗器在增速過程中角加速度計算并繪制出來。通過對轉(zhuǎn)速進行微分的方法來計算出對應(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相應(yīng)的運算計算出功率系數(shù)，并計算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的葉尖速比，將對應(yīng)的功率系數(shù)和葉尖速比存入二維數(shù)組，并通過繪圖程序繪制出來。修正摩擦系數(shù)的偏載特性曲線繪制模塊通過對加速度值進行修正，計算出修正后的功率系數(shù)，然后計算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的葉尖速比，將對應(yīng)的功率系數(shù)和葉尖速比存入二維數(shù)組，并通過繪圖程序繪制出來。

3 實驗驗證[12]

為了對試驗器進行考核驗證，本文首先通過減速曲線測定實驗獲取不同轉(zhuǎn)速下的阻尼，然后利用瞬態(tài)測量的方法獲取實驗器的氣動特性，并利用減速曲線測定實驗擬合的阻尼曲線對每一轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)進行修正，最后對比了葉片處于不同安裝角下的氣動特性。

3.1 減速曲線測定

實驗時去掉實驗器的葉片，使用電機將實驗器轉(zhuǎn)子加速至1800rpm時將電機松開，讓實驗器自由減速，采集實驗器減速數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行處理，從而擬合出轉(zhuǎn)速與阻尼加速度的表達式。實驗獲取的原始數(shù)據(jù)如圖10所示，通過微分方式對原始數(shù)據(jù)進行處理，從而獲取對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的角加速度。將三次實驗的角加速度與轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)繪制于圖表11中。可見三次實驗所得數(shù)據(jù)基本一致，取實驗3數(shù)據(jù)并進行線性擬合（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

本文偏載特性實驗采用瞬態(tài)實驗數(shù)據(jù)測量的方法，即在風洞中獲取實驗器在一定風速下自然增速的過程的轉(zhuǎn)速與時間關(guān)系曲線，然后由自然增速過程獲取的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的角加速度，進而計算出此時的功率，從而畫出對應(yīng)的偏載特性曲線。

3.2.1 實驗原理[7]

由功率系數(shù)的定義P=CPPref，可得

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

3.2.2 實驗過程及數(shù)據(jù)處理

將三個葉片尖部角度調(diào)至3°，風速13m/s在風洞中進行吹風實驗，測得升速過程曲線如圖13所示。由微分方法計算出角加速度，并對所得的角加速度按減速實驗擬合出的公式進行修正（如圖14）。進而可以得功率系數(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 實驗器增速過程

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)

將實驗器三個葉片尖部角度調(diào)至7°，風速13m/s在風洞中進行吹風實驗，并將葉片尖部角度為7°和3°時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)曲線進行對比（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 實驗結(jié)果分析

（1）由實驗所得功率系數(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。此實驗所得功率系數(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，啟動時的力矩系數(shù)增大，與理論分析的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并建造了小型風力機氣動特性研究平臺，基于該平臺進行了理論分析及實驗驗證，得到如下結(jié)論：

（1）設(shè)計建造了小型風力機氣動特性研究平臺，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，測控系統(tǒng)功能完善，能夠模擬風力機的啟動、變槳、偏航等工況。

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

本文設(shè)計建造的小型風力機氣動特性研究平臺，能夠用于風力機相關(guān)技術(shù)的研究工作及教學試驗（如風力機偏載特性、氣動不平衡故障、偏航故障、獨立變槳等研究），具有較大的工程應(yīng)用價值。

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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，從事風電技術(shù)與裝備研究。E－mail：310771740＠qq.com