小型變槳風(fēng)力機啟動性能研究

吳勝勝， 包道日娜， 王天博， 劉智峰， 劉恒鑫， 劉 東

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司， 呼和浩特 010000)

啟動性能是風(fēng)力機的重要指標(biāo)，小型風(fēng)力機往往安裝在用戶側(cè)而不是風(fēng)資源豐富的區(qū)域，在低風(fēng)速下能否完成自啟動會直接影響風(fēng)力機的發(fā)電性能。小型水平軸風(fēng)力機普遍采用定槳距結(jié)構(gòu)，為保證低風(fēng)速時具有較好的啟動性能，通常在葉片設(shè)計之初采用較大扭角來提高啟動性能，但較大的葉片扭角往往使得風(fēng)力機高風(fēng)速時風(fēng)能利用率降低，啟動性能與輸出性能相互矛盾，因此在葉片設(shè)計時應(yīng)綜合考慮以保證風(fēng)力機良好的啟動性能[1-2]。研究表明，變槳風(fēng)力機不僅可以通過改變槳距角提高風(fēng)能利用率，還可以實現(xiàn)大風(fēng)條件下控制輸出功率、降低風(fēng)輪運行載荷。此外，啟動過程中采用較大正槳距角可以產(chǎn)生大的啟動力矩，有助于改善低風(fēng)速下的啟動性能[3-4]。

Afshar等[5]以翼弦分布、扭角和殼體厚度為變量，功率系數(shù)和起動時間的組合為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法結(jié)合葉素動量理論求解葉片幾何形狀，結(jié)果表明通過合理設(shè)置葉片弦長、扭角等參數(shù)可以縮短風(fēng)力機起動時間，同時保證功率系數(shù)小幅下降。唐新姿等[6]采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，以提高年發(fā)電量和降低啟動風(fēng)速，結(jié)果得出優(yōu)化后葉片扭角較原始葉片有所增加，風(fēng)輪啟動轉(zhuǎn)矩提高，啟動風(fēng)速降低。Zhu等[7]研究了在低速風(fēng)洞中，不同槳距角雙葉片水平軸風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的氣動性能，結(jié)果表明當(dāng)葉尖速比小于1時，隨著槳距角的增加功率系數(shù)與扭矩系數(shù)均增大，即風(fēng)力機在較大槳距角時啟動性能得以改善。Ismail等[8]研究了翼型中弦長、扭角分布對小型水平軸風(fēng)力機啟動扭矩的影響，結(jié)果表明弦長與扭角的改變都會影響葉片的啟動扭矩，但扭角對啟動扭矩的影響更顯著。

綜上所述，目前關(guān)于小型水平軸風(fēng)力機啟動性能的研究主要是通過改變定槳距風(fēng)力機葉片外形參數(shù)進(jìn)行分析，綜合考慮了啟動性能與功率輸出性能。筆者針對某小型水平軸變槳風(fēng)力機進(jìn)行啟動性能風(fēng)洞試驗研究，分析不同槳距角對風(fēng)力機啟動過程中靜態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速、啟動風(fēng)速的影響，同時通過數(shù)值模擬計算研究風(fēng)力機靜止?fàn)顟B(tài)時，槳距角變化過程中的氣動性能，對該風(fēng)力機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計具有實際工程意義。

1 基本理論

圖1給出了葉素上的作用力和速度，其中Ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，V0為風(fēng)速，W為相對速度，φ為入流角，α為攻角，β為槳距角，D為阻力，L為升力,r為輪轂半徑。槳距角是翼型弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角；攻角是相對速度與弦線的夾角；入流角是相對速度與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角，等于槳距角與攻角之和，即φ=α+β。

圖1 葉素作用力和速度

在風(fēng)洞試驗中，風(fēng)向垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面，風(fēng)力機處于靜止時，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度Ω為零，相對速度W等于V0，且速度方向與風(fēng)速方向一致，入流角φ=90°，即α+β=90°，此時阻力為D′與風(fēng)速方向一致，升力為L′與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向一致。升力和阻力通常用無量綱的升力系數(shù)和阻力系數(shù)表示，升力系數(shù)與阻力系數(shù)的比值稱為升阻比，可用來評價風(fēng)力機的氣動性能。不同翼型的風(fēng)力機均存在一個最佳攻角，在最佳攻角之前，隨著攻角增加翼型升阻比逐漸增大，超過最佳攻角以后，隨著攻角增加升阻比逐漸減小，即葉片處于最佳攻角時氣動性能最好。風(fēng)力機啟動初期風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時入流角固定，改變槳距角會直接影響攻角大小，從而影響風(fēng)力機的啟動性能。

2 試驗設(shè)備

2.1 試驗風(fēng)洞簡介

本次試驗在某6 m×6 m×25 m大型多用途回流式風(fēng)洞內(nèi)6 m×6 m開口段進(jìn)行(如圖2所示)，該風(fēng)洞按照GJB 1179—1991 《高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范》設(shè)計建造，模型區(qū)氣流中心湍流度小于0.5%，動力段最大功率450 kW，開口段最高風(fēng)速可達(dá)30 m/s。

(a) 試驗段

2.2 試驗裝置

風(fēng)力機啟動過程扭矩測試試驗裝置如圖3所示，包括底板、風(fēng)輪、主軸、主軸支架、軸承、聯(lián)軸器、扭矩儀支架、扭矩儀和發(fā)電機等。

圖3 啟動過程扭矩測試裝置

試驗中風(fēng)力機翼型為NACA4412，風(fēng)輪直徑為3 060 mm，葉片長度為1 380 mm，葉片數(shù)為3，具體葉片尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 葉片尺寸參數(shù)

變槳風(fēng)力機整機啟動性能測試樣機總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該風(fēng)力機輪轂內(nèi)部安裝有3個定制加工的齒條，齒條可實現(xiàn)軸向(發(fā)電機主軸軸向)移動并與齒輪配合；齒輪通過花鍵軸固定安裝于葉片傳動件底部；葉片傳動件法蘭與變槳軸承內(nèi)圈連接，變槳軸承外圈安裝于輪轂法蘭處，以實現(xiàn)葉片與輪轂之間的相對轉(zhuǎn)動，達(dá)到改變?nèi)~片槳距角的目的；輪轂內(nèi)部變槳裝置通過傳動桿穿過發(fā)電機中空軸與風(fēng)力機尾部的導(dǎo)向與驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊與變槳動作。

圖4 變槳風(fēng)力機結(jié)構(gòu)示意圖

3 研究方法

小型水平軸變槳風(fēng)力機啟動性能試驗研究主要包括扭矩測試試驗和整機驗證試驗兩部分，其中扭矩測試試驗包括風(fēng)力機不同槳距角條件下的靜態(tài)扭矩和動態(tài)啟動過程轉(zhuǎn)速測試(以下簡稱動態(tài)試驗)。靜態(tài)扭矩試驗主要研究風(fēng)力機在不同風(fēng)速和槳距角下的最大靜態(tài)扭矩，分析槳距角對風(fēng)力機啟動扭矩的影響特性；動態(tài)試驗主要研究風(fēng)力機從靜止到穩(wěn)定運行過程中轉(zhuǎn)速變化情況。整機驗證試驗主要用于驗證扭矩測試試驗的分析測試結(jié)果，并確定該風(fēng)力機最佳啟動槳距角范圍，為后續(xù)變槳控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。

試驗參考GB/T 19068.3—2019 《小型風(fēng)力發(fā)電機組 第3部分：風(fēng)洞試驗方法》[9]進(jìn)行，風(fēng)速分別取3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s，槳距角為10°、20°、30°、40°、50°和60°。在靜態(tài)扭矩測試時，通過將發(fā)電機三相電源線短接制動，測量采集風(fēng)速穩(wěn)定在某一值時，不同槳距角下的靜態(tài)扭矩；動態(tài)試驗過程則在風(fēng)速不變的情況下，通過解除發(fā)電機制動使其處于空載狀態(tài)，記錄風(fēng)力機在該風(fēng)速下從靜止過渡到穩(wěn)定運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)速變化情況，分析不同槳距角時該風(fēng)力機的動態(tài)啟動特性。

此外，為驗證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，得到風(fēng)力機啟動時，槳距角變化過程中的相關(guān)氣動性能，采用Creo建模軟件建立不同槳距角風(fēng)輪三維模型，利用Ansys CFX模塊對不同槳距角風(fēng)力機靜止?fàn)顟B(tài)風(fēng)輪扭矩值進(jìn)行模擬計算。圖5給出了計算域幾何尺寸(圖中d為風(fēng)輪直徑)。整個計算域分為外部流場域和內(nèi)部加密域，流場域中來流方向定義為速度入口(Inlet)，出口為壓力出口(Outlet)，壁面為無滑移壁面(Wall)，外部流場域與內(nèi)部加密域的交界面設(shè)置為Interface，并將內(nèi)部加密域模型設(shè)置為靜止。為保證計算精度，在網(wǎng)格劃分過程中，對風(fēng)力機葉片及周圍局域不斷加密，并對其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。當(dāng)整個計算域網(wǎng)格數(shù)達(dá)到864萬后風(fēng)輪模擬扭矩趨于平穩(wěn)。

圖5 計算域幾何尺寸

4 結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)輪靜態(tài)扭矩分析

風(fēng)力機完成自啟動過程需要克服系統(tǒng)的靜態(tài)阻力矩，主要包括永磁發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩、軸承摩擦力矩等，而風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的氣動扭矩是使風(fēng)力機克服上述阻力完成自啟動的動力源，此外風(fēng)力機在啟動開始階段的靜態(tài)阻力矩往往比開始運動后產(chǎn)生的動態(tài)阻力矩大得多，分析不同槳距角、風(fēng)速條件下風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)時產(chǎn)生的氣動扭矩，對進(jìn)一步了解該風(fēng)力機不同工況下的啟動特性至關(guān)重要[10-11]。

圖6給出了不同風(fēng)速條件下，風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的變化曲線。從圖6可以看出，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢一致，在同一風(fēng)速下，風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的增加呈先增大后減小的趨勢；不同風(fēng)速條件下靜態(tài)扭矩均在10°槳距角時處于最小值，在50°槳距角時達(dá)到最大；風(fēng)速分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s時，50°槳距角下的靜態(tài)扭矩約為10°槳距角下的靜態(tài)扭矩的2.2倍，且40°槳距角與50°槳距角下的靜態(tài)扭矩值變化不大；當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時，槳距角分別為30°、40°、50°和60°時的試驗結(jié)果比模擬結(jié)果顯著偏低，二者相對誤差最大為22%左右，造成這種現(xiàn)象的主要原因是：以上工況條件下，由于發(fā)電機制動力矩有限，在測量時風(fēng)輪出現(xiàn)滑動轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗測得的并非靜態(tài)扭矩，而屬于動態(tài)扭矩，所以試驗結(jié)果比模擬結(jié)果偏低；其他工況下，發(fā)電機制動均能保證風(fēng)輪不發(fā)生滑動轉(zhuǎn)動，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差均在14%以內(nèi)，所以認(rèn)為試驗數(shù)據(jù)是可靠的。

圖6 風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的變化

4.2 啟動過程風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分析

風(fēng)力機在啟動過程中，風(fēng)輪從靜止過渡到運動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化受風(fēng)速、槳距角以及風(fēng)輪實度的影響較大，因此重點研究槳距角和風(fēng)速對該風(fēng)力機啟動過程轉(zhuǎn)速的影響。試驗過程中采集得到70 s內(nèi)不同風(fēng)速、槳距角條件下，風(fēng)力機在空載狀態(tài)下從靜止過渡到穩(wěn)定運行過程中轉(zhuǎn)速隨時間的變化情況。在某一穩(wěn)定風(fēng)速給定后，采用發(fā)電機三相電源線短接制動，使風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)(0～30 s)，30 s時解除發(fā)電機制動，記錄空載狀態(tài)風(fēng)力機啟動過程轉(zhuǎn)速的變化情況(30～70 s)。

圖7給出了風(fēng)速分別為4 m/s、5 m/s和6 m/s時，風(fēng)力機啟動過程風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化。從圖7可以看出，整個啟動過程大致分為加速和穩(wěn)定運行2個階段，即在發(fā)電機解除制動后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速逐漸上升，然后趨于穩(wěn)定。

(a) 風(fēng)速4 m/s

對比不同風(fēng)速下風(fēng)力機自啟動過程，風(fēng)速為4 m/s時，10°、20°和60°槳距角下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速始終為零，即風(fēng)力機在該狀態(tài)下無法完成自啟動；風(fēng)速為5 m/s時，風(fēng)力機只在10°槳距角下無法完成自啟動；風(fēng)速為6 m/s各槳距角下均可完成自啟動過程。因此，該風(fēng)力機在低風(fēng)速條件下，槳距角保持在較大角度更容易啟動；在6 m/s時由于發(fā)電機制動力矩不足，其在制動過程中存在2～4 r/min的旋轉(zhuǎn)速度。

在同一風(fēng)速下，槳距角越大風(fēng)輪達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速越低，風(fēng)速為4 m/s時，30°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為42.46 r/min，50°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為17.33 r/min，轉(zhuǎn)速降低了59%；而在同一槳距角時，風(fēng)速越高穩(wěn)定階段達(dá)到的轉(zhuǎn)速越高，槳距角為30°時，風(fēng)速6 m/s時其穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為74.60 r/min，比風(fēng)速為4 m/s時提高了75.7%。

4.3 啟動過程葉片氣動性能分析

為分析風(fēng)力機啟動過程中，不同槳距角條件下的葉片氣動性能，模擬得到不同工況下葉素流線圖及壓力云圖，如圖8和圖9所示。圖8(a)為50°槳距角下葉片不同截面處流線圖，R為葉素所在截面距風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心的距離。從圖8(a)可以看出，由葉根向葉尖翼型吸力面逐漸出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，且越靠近葉尖分離渦越明顯，流動分離點越靠近前緣，這表現(xiàn)出與風(fēng)力機高速旋轉(zhuǎn)運動時截然相反的氣動性能。主要原因是：葉片槳距角一定，風(fēng)力機處于靜止?fàn)顟B(tài)時，葉根處無明顯流動分離現(xiàn)象，此時該區(qū)域氣動性能較好，為啟動力矩的主要動力產(chǎn)生區(qū)域；而風(fēng)力機在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的切向速度，且越靠近葉尖旋轉(zhuǎn)切向速度越大，此時葉素合速度方向與風(fēng)速方向不一致，使入流角減小，攻角隨之減小，因此葉片高速旋轉(zhuǎn)時葉尖處為主要動力產(chǎn)生區(qū)域，葉片靜止時葉根區(qū)域為主要動力源[12-14]。

圖8(b)為不同槳距角下，葉片在R=375 mm截面處的流線圖。從圖8(b)可以看出，槳距角為20°和30°時，氣流從翼型吸力面前緣開始脫離壁面，出現(xiàn)明顯的流動分離現(xiàn)象，且在后緣位置出現(xiàn)較大漩渦，40°時流動分離點向吸力面后緣區(qū)域轉(zhuǎn)移，50°時未發(fā)生明顯流動分離現(xiàn)象；即槳距角較小時，葉片葉根處流動分離區(qū)域越大，分離點越靠近前緣，失速越嚴(yán)重。

圖9給出了風(fēng)速為4 m/s時葉片不同槳距角葉素壓力云圖。由圖9可知，各截面葉素迎風(fēng)面為正壓(壓力面)，背風(fēng)面為負(fù)壓(吸力面)；當(dāng)槳距角一定時，葉根到葉尖各截面最大壓力值均出現(xiàn)在壓力面前緣區(qū)域，最小壓力值出現(xiàn)在葉根R=375 mm截面葉素吸力面前緣區(qū)域。隨著槳距角的增加，壓力面最大壓力區(qū)域向前緣集中，且最大壓力值均為10 Pa左右，吸力面最大負(fù)壓區(qū)域隨著槳距角的增加同樣向前緣集中，但不同槳距角下的最小壓力值存在明顯差異，槳距角為40°和50°時最小壓力分別為-45 Pa和-35 Pa左右，而槳距角為20°和30°時最小壓力均為-12 Pa左右。風(fēng)力機葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩主要由壓力面與吸力面之間的壓差決定，故槳距角為40°和50°時，該風(fēng)力機在靜止?fàn)顟B(tài)氣動性能較好，能夠產(chǎn)生較大的靜態(tài)啟動力矩。

圖9 風(fēng)速4 m/s時葉素壓力云圖

4.4 不同槳距角啟動風(fēng)速測試

為驗證理論分析結(jié)果，同時保證試驗數(shù)據(jù)可靠，測試變槳風(fēng)力機整機測試設(shè)備與扭矩測試設(shè)備2種條件下風(fēng)力機啟動風(fēng)速。試驗首先在扭矩測試設(shè)備條件下進(jìn)行，然后拆下扭矩測量裝置，組裝完成變槳調(diào)節(jié)機構(gòu)，進(jìn)行整機啟動性能測試，如圖10所示。

圖10 變槳風(fēng)力機整機啟動性能測試裝置

測試過程中使發(fā)電機處于空載狀態(tài)，然后逐漸提高風(fēng)速，記錄不同槳距角下風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動一周時的風(fēng)速，即為該狀態(tài)下風(fēng)力機啟動風(fēng)速。圖11給出了扭矩測試設(shè)備條件與變槳風(fēng)力機整機測試條件下，各槳距角下的啟動風(fēng)速測試結(jié)果。

圖11 不同槳距角下的啟動風(fēng)速

風(fēng)力機在2種測試條件下的啟動風(fēng)速隨槳距角變化趨勢一致，均在槳距角為40°和50°時擁有較低啟動風(fēng)速，但整機設(shè)備測試結(jié)果較扭矩設(shè)備測試結(jié)果低，造成該現(xiàn)象的原因主要是由于整機測試時，風(fēng)輪與發(fā)電機直接相連，啟動過程風(fēng)力機主要克服發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩，而扭矩測試設(shè)備除了需克服發(fā)電機齒槽轉(zhuǎn)矩外，還要克服各軸安裝不對中導(dǎo)致的阻力矩以及外加的主軸承摩擦力矩。

根據(jù)風(fēng)洞測試以及理論分析結(jié)果表明，所測試樣機在槳距角為40°和50°時擁有較低的啟動風(fēng)速，但槳距角為40°時可兼顧最小的啟動風(fēng)速和較大的旋轉(zhuǎn)速度，試驗條件測得最低啟動風(fēng)速為3.7 m/s。

5 結(jié) 論

(1) 在風(fēng)速一定時，靜態(tài)扭矩隨槳距角增加呈先增大后減小的趨勢，且試驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好；風(fēng)速在3～6 m/s時，50°槳距角下的靜態(tài)扭矩約為10°槳距角下靜態(tài)扭矩的2.2倍。

(2) 在同一風(fēng)速時，槳距角越大風(fēng)輪達(dá)到穩(wěn)定階段的轉(zhuǎn)速越低；4 m/s時30°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為42.46 r/min，50°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為17.33 r/min，轉(zhuǎn)速降低了59%。

(3) 風(fēng)力機處于靜止?fàn)顟B(tài)時，表現(xiàn)出與高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下截然相反的氣動性能。當(dāng)槳距角不變時，越靠近葉尖流動分離現(xiàn)象越明顯；槳距角越小，葉片葉根處流動分離區(qū)域越大，分離點越靠近前緣。

(4) 槳距角變化時，壓力面最大壓力值變化較小，而吸力面最小壓力值存在明顯差異，且在槳距角40°和50°時，葉片葉根區(qū)域壓力面與吸力面壓差較大，此時該區(qū)域氣動性能較好，為啟動力矩的主要動力產(chǎn)生區(qū)域。

(5) 在2種測試條件下測得風(fēng)力機啟動風(fēng)速隨槳距角的增大變化趨勢一致，均在槳距角為40°、50°時擁有較低啟動風(fēng)速，試驗測得最低啟動風(fēng)速為3.7 m/s。

分析結(jié)果對該型變槳風(fēng)力機控制系統(tǒng)設(shè)計具有實際意義，同時對研究變槳風(fēng)力機不同槳距角下的啟動特性具有重要參考價值。