方占萍，甄 亮

（1.兰州理工大学 新能源学院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉职业技术学院 新能源工程系，甘肃 酒泉 735000）

小型风力机气动特性研究平台设计与实现

方占萍1，2，甄 亮1，2

（1.兰州理工大学 新能源学院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉职业技术学院 新能源工程系，甘肃 酒泉 735000）

风力机的气动特性是衡量风力机性能的重要指标，对风力机各种工况下的气动特性进行研究有重要的应用价值。本文设计并建造了一种三叶片可以独立变桨，机舱可以偏航的风力机实验器。编制了测控系统软件，可以对变桨、偏航机构进行控制，测取实验器增减速过程，绘制实验器角加速曲线、偏载特性曲线。利用本文设计的实验器和测控软件在风洞中进行了减速曲线测取和偏载特性测量实验，实验结果与理论分析一致。经试验验证，实验器变桨、偏航机构设计合理，叶片、机舱角度定位准确，测控系统运行稳定。

风力机；气动特性；平台；变桨；偏航

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大[1]。

风力机的叶片都是在设计叶尖速比λA（叶尖速度与来流风速的比值）下设计的。但实际中风速不断变化，风力机不可能总在设计点运行。对于失速型风力机，由于转速恒定，故只有一个风速对应设计点λA。对于变桨、变速风力机，在额定风速以下，风力机始终以设计叶尖速比运行。从额定风速开始，风力机将变桨。此时，转速不变。不论哪一种情况，都需要掌握设计点及设计点之外（包括变桨）叶轮的功率系数、力矩系数和推力系数等气动特性，以便确定风力机的载荷、功率以及控制规律。本文设计了一种小型风力机气动特性研究平台，用于在实验室进行风力机气动特性研究[2]。

1 风含功率及风力机偏载特性[2－9]

1.1 风含功率及动量叶素设计理论

风速为v1时，流过一个控制流面f的风功率为

经理论推导，风能机械可捕获最大功率系数为：CP=0.59

风力机叶轮的设计应保证桨叶作用的圆面上每一个环单元（见图2）所吸取的风功率都达到最大，即

定义叶尖速比λA为叶片叶尖的速度与来流风速的比值，即对于三叶片风力机，依据原始动量叶素，给定设计叶尖速比λA后，就可以确定叶片不同半径处最佳弦长C和安装角αBau。该设计状态即为风力机的设计点。

1.2 偏载特性

设计点之外叶轮的功率系数、力矩系数和推力系数等气动参数称为风力机的偏载特性。如图1所示，取叶片基元作为研究对象，对于不同于设计叶尖速比λA的非设计点，叶轮面的迎风角α就将不同。

图1 来流速度三角形

为计算迎风角α，利用翼型理论和动量定理来计算。采取迭代的方法求解（如图2所示）。

图2 求解迎风角的计算框图

把力、力矩、功率对于给定的迎风角α进行无量纲化处理。由这些无量纲量可以得到轴向力、驱动力矩和功率，它们由风速和转速经简单的转化来表达。

推力系数

驱动力矩系数

功率系数

取λA=7，桨叶数为Z=3，叶型为FX63－137，按照Schmitz理论设计，计算功率系数、力矩系数和推力系数，其中考虑了叶尖损失和叶型损失。

由CP=λCM，得CM=CP/λ,则有

当CM为最大时故有

在CP～λ曲线图上做过坐标原点的射线族，射线族的斜率就是不同的力矩系数CM与CP曲线相切的射线对应最大的力矩系数CM，max，切点所对应的叶尖速比λ就是力矩系数获得最大值的叶尖速比λM，max[2]。

采用同样的迭代方法，可以得出风力机不同安装角对应的功率系数曲线和力矩系数曲线（图3）。图4、图5表明增大变桨角度将产生如下的效果：①最大功率系数和最大力矩系数减小；②空载叶尖速度比降低；③启动时的力矩增大。

图3 功率系数和力矩系数的关系

图4 功率系数随变桨角度和叶尖速度比的变化

图5 力矩系数随变桨角度和叶尖速度比的变化

1.3 实验室中气动特性曲线的获取方法[10，11]

如前所述，功率系数、力矩系数等气动特性参数可以用叶尖速比λ为自变量来进行表达，因此在实验室中只要测试出不同叶尖速比 下的功率系数、力矩系数，即可获取对应的气动特性曲线。

实验室中，不同叶尖速比下的实验数据获取方法有稳态测量方法和瞬态测量方法。表1将两种数据测量方式从各个方面进行了比较。

表1 稳态数据测量和瞬态数据测量的比较[9]

基于简便的目的，本文采用瞬态测量的方法。基于这种测量方法的模型相对易于设计和建造，并且测量过程节省时间和成本，最为重要的是这种方法的测量效果与稳态测量的效果几乎相同。

瞬态测量方法可以控制风洞中风速不变，让实验器自由增速，从而获取不同的叶尖速比，进而测出对应的气动特性曲线。

2 实验器设计

2.1 风力机气动特性研究平台设计原则

小型风力机气动特性研究平台主要用于小型风力机在各种工况条件下的气动特性测量。据此，制定了如下四点设计原则：

（1）可满足瞬态方法测量气动数据；

（2）三叶片可独立变桨，用于研究不同变桨角度、叶片气动不平衡条件下的气动特性；

（3）机舱可偏航，用于研究不同偏航角度下的气动特性；

（4）实验器结构上易于拆卸，定位准确，便于加工。

2.2 风力机气动特性研究平台结构设计[12，13]

风力发电模拟系统由传动系统、变桨系统、偏航系统、测控系统构成，如图6所示。

图6 风力发电模拟系统总装图

2.2.1 偏航机构设计

偏航系统由偏航电机、偏航轴承、偏航胀套、电磁刹车机构构成，如图7所示。需要偏航时，电磁刹车松开，偏航电机带动机舱偏航，偏航结束后电磁刹车机构吸合，避免机舱与塔筒之间产生相对运动。

图7 偏航机构结构图

2.2.2 变桨机构设计

变桨系统由变桨电机、变桨轴、变桨轴承、轮毂、叶片夹具构成，如图8所示。变桨信号由滑环引电器送入轮毂，可实现旋转过程中三叶片独立变桨。

图8 变桨机构结构图

2.2.3 叶轮支撑轴系设计

如图8所示，叶轮支撑系统由轮毂、主轴、主轴承、滑环引电器、惯性轮构成。主轴通过两个主轴承支撑于机舱上。滑环引电器通过空心轴将变桨控制信号引入轮毂。

2.2.4 惯性轮

为减缓转子增速过程，采用增大转子转动惯量的方法实现。由式M=IZ·β（IZ为转子转动惯量，β为转子角加速度），在转子所受力矩M不变的情况下，增大转动惯量IZ，可以减小转子角加速度β，从而减缓转子增速过程。本文采用加装惯性轮的方法来增大转动惯量。

2.3 实验器测控系统

实验器测控系统分为硬件系统和软件系统，用于变桨、偏航系统控制，以及转速、风速信号的采集。

2.3.1 实验器测控系统硬件构成

测控系统硬件由数据采集控制卡、光电传感器、信号调理器、步进电机、步进电机驱动器、风速变送仪组成。

2.3.2 实验器测控系统软件构成

软件系统设计原则为操作方便，运行稳定、可靠，数据采集、分析准确，并能通过图形绘制技术将实验数据以视图的形式直观的显示出来。本系统的软件开发选择Windows XP平台，采Visual C++编制采集和I/O口控制动态链接库，采用Visual basic.net进行程序的编写。软件系统结构图如图9所示。

图9 测控系统软件结构图

硬件初始化模块运行于系统的起始阶段用于偏航步进电机位置初始化。变桨偏航控制部分能够分别控制三个叶片的角度以及机舱的角度。减速曲线是测定实验器在自由减速时转速与时间的关系图。增速曲线工作流程同减速曲线采集流程，由于增速曲线需要的时间比减速曲线时间长，速度变化比减速曲线慢。加速度曲线绘制模块将实验器在增速过程中角加速度计算并绘制出来。通过对转速进行微分的方法来计算出对应转速下的角加速度，并将其放入加速度数组，再通过绘图程序将其绘出。偏载特性曲线的绘制模块分为未修正摩擦系数的偏载特性曲线绘制和修正摩擦系数的偏载特性曲线绘制两部分。未修正摩擦系数的偏载特性曲线绘制模块通过相应的运算计算出功率系数，并计算出相应转速下的叶尖速比，将对应的功率系数和叶尖速比存入二维数组，并通过绘图程序绘制出来。修正摩擦系数的偏载特性曲线绘制模块通过对加速度值进行修正，计算出修正后的功率系数，然后计算出相应转速下的叶尖速比，将对应的功率系数和叶尖速比存入二维数组，并通过绘图程序绘制出来。

3 实验验证[12]

为了对试验器进行考核验证，本文首先通过减速曲线测定实验获取不同转速下的阻尼，然后利用瞬态测量的方法获取实验器的气动特性，并利用减速曲线测定实验拟合的阻尼曲线对每一转速下的数据进行修正，最后对比了叶片处于不同安装角下的气动特性。

3.1 减速曲线测定

实验时去掉实验器的叶片，使用电机将实验器转子加速至1800rpm时将电机松开，让实验器自由减速，采集实验器减速数据，将数据进行处理，从而拟合出转速与阻尼加速度的表达式。实验获取的原始数据如图10所示，通过微分方式对原始数据进行处理，从而获取对应转速下的角加速度。将三次实验的角加速度与转速关系数据绘制于图表11中。可见三次实验所得数据基本一致，取实验3数据并进行线性拟合（如图12），得到拟合关系式：a=0.0061r+1.985（a为角加速度，r为转速）。

图10 减速曲线转速时间关系图

图11 减速曲线加速度与转速关系

图12 减速加速度与转速关系拟合图

3.2 偏载特性试验

本文偏载特性实验采用瞬态实验数据测量的方法，即在风洞中获取实验器在一定风速下自然增速的过程的转速与时间关系曲线，然后由自然增速过程获取的转速数据计算出对应转速下的角加速度，进而计算出此时的功率，从而画出对应的偏载特性曲线。

3.2.1 实验原理[7]

由功率系数的定义P=CPPref，可得

式中：P为实际获取的功率；Pref为通过叶片的扫风面积的风能的总能量；CP为功率系数。

3.2.2 实验过程及数据处理

将三个叶片尖部角度调至3°，风速13m/s在风洞中进行吹风实验，测得升速过程曲线如图13所示。由微分方法计算出角加速度，并对所得的角加速度按减速实验拟合出的公式进行修正（如图14）。进而可以得功率系数与叶尖速比的关系图（如图15），力矩系数与叶尖速比关系图（如图16）。

图13 实验器增速过程

图14 修正前和修正后的角加速度曲线

图15 修正前和修正后的功率系数曲线

图16 修正前和修正后的力矩系数

将实验器三个叶片尖部角度调至7°，风速13m/s在风洞中进行吹风实验，并将叶片尖部角度为7°和3°时的修正后的角加速度曲线（如图17）、功率系数曲线（如图18）、力矩系数曲线进行对比（如图19）。

图17 不同安装角下的角加速度曲线

图18 不同安装角下的功率系数曲线

图19 不同安装角下的力矩系数曲线

3.2.3 实验结果分析

（1）由实验所得功率系数曲线和力矩系数曲线与理论所得曲线趋势一致，修正后所得最大功率系数与理论所得最大功率系数接近。此实验所得功率系数曲线是合理的。

（2）随着安装角的增大，最大功率系数和力矩系数减小，启动时的力矩系数增大，与理论分析的结论一致。

4 结论

本文设计并建造了小型风力机气动特性研究平台，基于该平台进行了理论分析及实验验证，得到如下结论：

（1）设计建造了小型风力机气动特性研究平台，结构设计合理，测控系统功能完善，能够模拟风力机的启动、变桨、偏航等工况。

（2）实验得出的偏载特性曲线与理论曲线趋势吻合，叶片不同安装角的功率系数、力矩系数变化趋势与理论分析结论一致。

本文设计建造的小型风力机气动特性研究平台，能够用于风力机相关技术的研究工作及教学试验（如风力机偏载特性、气动不平衡故障、偏航故障、独立变桨等研究），具有较大的工程应用价值。

[1]http：//www.windpower－china.cn.

[2]廖明夫，R.Gasch，J.Twele.风力发电技术[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

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[12]刘吴月.风力机实验器结构设计与偏载特性研究[D].西安：西北工业大学，2010.

[13]杨法利.风力机叶片设计及功率控制研究[D].西安：西北工业大学，2011.

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，从事风电技术与装备研究。E－mail：310771740＠qq.com