同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能風(fēng)洞測(cè)試

摘要：同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)是一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)?，F(xiàn)以同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建了小型風(fēng)力機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，使用低速直流式風(fēng)洞，研究該型風(fēng)力機(jī)的功率和扭矩等氣動(dòng)性能。同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)與單風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)在構(gòu)型上明顯不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該型風(fēng)力機(jī)基本氣動(dòng)性能與單風(fēng)輪四葉片水平軸風(fēng)力機(jī)相似，但有細(xì)微的差異。同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪間距、風(fēng)輪間相位夾角等參數(shù)共同影響風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果間細(xì)微差異的辨析，研究了各參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響的具體模式和規(guī)律。

關(guān)鍵詞：水平軸風(fēng)力機(jī);雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī);風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);氣動(dòng)性能;轉(zhuǎn)矩系數(shù)

0 引言

世界能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變化，可再生清潔能源的比重逐年提高。風(fēng)能作為一種技術(shù)成熟的新型清潔能源，最具商業(yè)化、規(guī)模化開發(fā)條件，在各國(guó)能源戰(zhàn)略中占據(jù)舉足輕重的地位。在各類風(fēng)力機(jī)中，以水平軸、單風(fēng)輪、上風(fēng)向、三葉片和可變槳為特征的傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力機(jī)技術(shù)日臻成熟。不同于經(jīng)典風(fēng)力機(jī)構(gòu)型的各類新型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)被不斷提出，為風(fēng)力機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新的思路。傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力機(jī)與同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)如圖1所示，同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)是一類新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)裝有前后串列布置的兩組風(fēng)輪，兩組風(fēng)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度相同，風(fēng)輪間保持恒定的相位關(guān)系。該型風(fēng)力機(jī)的基本氣動(dòng)特性不同于傳統(tǒng)的單風(fēng)輪水平軸風(fēng)力機(jī)。

Appa等提出了一種雙排風(fēng)輪反轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī);Shen等對(duì)這種雙排反轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的性能進(jìn)行了仿真分析。Lee等采用BEM方法計(jì)算雙排風(fēng)輪反轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能，并分析了某些參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。Kanemoto等則提出一種前后風(fēng)輪尺寸不同的雙排風(fēng)力機(jī)構(gòu)型，并進(jìn)行了場(chǎng)外測(cè)試。Jung等建造了30 kW雙排反轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的樣機(jī)。Ozbay等對(duì)雙排風(fēng)力機(jī)的尾流進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。以上對(duì)雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)的研究集中在雙排風(fēng)輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)這類構(gòu)型上，與雙排風(fēng)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)的同步雙風(fēng)輪耦合的構(gòu)型不同。

本文利用低速直流式風(fēng)洞中構(gòu)建的小型風(fēng)力機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)整機(jī)氣動(dòng)性能，并研究風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪間距、風(fēng)輪間相位角等因素對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)模型需要滿足單風(fēng)輪構(gòu)型和雙風(fēng)輪構(gòu)型的測(cè)試與比較，并能夠測(cè)試雙風(fēng)輪間多個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)性能的影響。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)和分析，風(fēng)力機(jī)模型中僅使用一種定槳葉片，用該種葉片構(gòu)成單風(fēng)輪2葉片、單風(fēng)輪4葉片和雙風(fēng)輪2×2葉片等多種構(gòu)型。

低速直流風(fēng)洞截面為1.5 m×1.5 m，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)2.2 m。測(cè)試用風(fēng)力機(jī)的后排風(fēng)輪位于距離風(fēng)洞前端1 m處，為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪前后的流場(chǎng)提供足夠空間。風(fēng)洞中的風(fēng)速由Dantec的55P01熱線探針和54N80熱線風(fēng)速儀提供。實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速V設(shè)定為4.0 m/s，測(cè)試平臺(tái)如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 ? ?參數(shù)定義

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的風(fēng)力機(jī)構(gòu)型有單風(fēng)輪2葉片、單風(fēng)輪3葉片和雙風(fēng)輪2×2葉片等四類，以上構(gòu)型均為定槳。其中雙風(fēng)輪2×2葉片定槳風(fēng)力機(jī)的幾何參數(shù)定義如圖3所示。

相位夾角φ定義為：

2.2 ? ?測(cè)試工況

對(duì)于同步雙風(fēng)輪耦合風(fēng)力機(jī)，4個(gè)葉片分為前后兩組。無量綱風(fēng)輪間隔μ從0.05開始以等間隔0.05遞增到0.30，每一間隔μ中風(fēng)輪間相位夾角φ從-80°開始以等角度10°遞增到90°，每一組（μ，φ）構(gòu)成雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)的一種工況。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試所得單風(fēng)輪2葉片、3葉片和4葉片三種構(gòu)型的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)CP-λ特性曲線如圖4所示。

對(duì)于同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)型，其CP-λ曲線與單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)基本相似。當(dāng)μ=0.10，φ=0°時(shí)，雙風(fēng)輪2×2葉片風(fēng)力機(jī)與單風(fēng)輪4×1葉片風(fēng)力機(jī)CP-λ曲線的比較與ΔCP-λ曲線如圖5所示，雙風(fēng)輪2×2構(gòu)型風(fēng)力機(jī)在某一工況下CP-λ曲線與單風(fēng)輪4葉片構(gòu)型風(fēng)力機(jī)相似。這一差別相對(duì)于風(fēng)力機(jī)整體效率CP并不顯著，但表征了前后風(fēng)輪間空間位置關(guān)系（μ，φ）對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。以圖4中單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)CP4×1-λ曲線為基準(zhǔn)對(duì)雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)CP2×2-λ作差值，定義ΔCP為：

ΔCP（λ，μ，φ）=CP2×2（λ，μ，φ）-CP4×1（λ）（6）

對(duì)風(fēng)力機(jī)扭矩系數(shù)CQ定義為：

ΔCQ（λ，μ，φ）=CQ2×2（λ，μ，φ）-CQ4×1（λ） （7）

圖5為雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)在μ=0.10，φ=-70°時(shí)風(fēng)力機(jī)ΔCP-λ關(guān)系，在葉尖速比λ從3增至8的過程中，ΔCP呈現(xiàn)先增后減的波動(dòng)。對(duì)同步雙風(fēng)輪耦合風(fēng)力機(jī)的整機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到前后風(fēng)輪的空間相對(duì)位置參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)扭矩的影響ΔCQ。以μ=0.10的一系列工況為例，說明φ對(duì)ΔCQ的影響。當(dāng)μ=0.10時(shí)φ取各值的ΔCQ-λ曲線如圖6所示，圖6標(biāo)示的三個(gè)區(qū)間體現(xiàn)了風(fēng)輪間相位夾角φ影響ΔCQ的三類情況。

（1）區(qū)間Ⅰ：尾流干擾，CQ有升降波動(dòng)。

區(qū)間Ⅰ所涵蓋的特征現(xiàn)象可由曲線AE表征，從A到E過程中，風(fēng)力機(jī)葉尖速比逐漸增大。在AC段ΔCQ為正值，ΔCQ先升高后降低，并在B點(diǎn)達(dá)到最大值;在CE段ΔCQ為負(fù)值，ΔCQ先降低后升高，并在D點(diǎn)達(dá)到最小值。當(dāng)φ位于-80°～-40°范圍內(nèi)，ΔCQ先升后降的干擾模式較為明顯。區(qū)間Ⅰ所涵蓋的工況，與單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)比較，雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下有更高的效率，而轉(zhuǎn)速較高時(shí)雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)的效率則有損失。

將區(qū)間Ⅰ中的各曲線ΔCQ最大值位置連線有M1M2和M2M3;將各曲線ΔCQ最小值位置連線有N1N2;將各曲線ΔCQ=0位置連線有Z1Z2和Z2Z3;可以看到隨著雙風(fēng)輪間的相位夾角φ的減小，由上述各條線表征的ΔCQ波動(dòng)向葉尖速比λ更高的方向小幅度偏移。此時(shí)雙風(fēng)輪間的相位夾角φ<0°，后排風(fēng)輪的相位滯后于前排，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著后排風(fēng)輪的相位更為滯后于前排風(fēng)輪的相位，在高轉(zhuǎn)速下風(fēng)輪構(gòu)型帶來的影響更為顯著。

（2）區(qū)間Ⅱ：低葉尖速比，CQ損失。

在φ位于-20°～10°范圍內(nèi)，風(fēng)力機(jī)在低葉尖速比λ的工況下，ΔCQ為負(fù)值，如圖6中FG段曲線所示。在區(qū)間Ⅱ內(nèi)，相比單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)，低轉(zhuǎn)速下的雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)效率有損失。

（3）區(qū)間Ⅲ：高葉尖速比，CQ增加。

在φ位于0°～70°范圍內(nèi)，風(fēng)力機(jī)在高葉尖速比λ的工況下，ΔCQ為正值，如圖6中HJ段曲線所示。在區(qū)間Ⅲ內(nèi)，相比單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)，高轉(zhuǎn)速下的雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)效率有所增加。

以上三類區(qū)間，分別展現(xiàn)了前后風(fēng)輪間的相位夾角φ影響ΔCQ的三種特征現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以同步雙風(fēng)輪耦合水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，在風(fēng)洞中進(jìn)行了整機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試，用以研究該型風(fēng)力機(jī)的基本氣動(dòng)性能和多類參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。

（1）通過比較實(shí)驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)在多種構(gòu)型下的基本氣動(dòng)性能發(fā)現(xiàn)，雙風(fēng)輪2×2葉片構(gòu)型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能與單風(fēng)輪4葉片風(fēng)力機(jī)相似，但有差別。

（2）研究了前后風(fēng)輪位置參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)性能的影響，通過ΔCQ-λ曲線辨析不同參數(shù)下風(fēng)力機(jī)性能的細(xì)微差別，總結(jié)了影響雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)ΔCQ的多種模式及其規(guī)律。

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收稿日期：2020-01-19

作者簡(jiǎn)介：楊沾沛（1990—），男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)。