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

        2020-07-04 02:41:00楊沾沛
        機(jī)電信息 2020年5期

        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)?;_發(fā)條件,在各國能源戰(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)行了場外測試。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)性能測試平臺(tái),測試同步雙風(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)型的測試與比較,并能夠測試雙風(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2.2 m。測試用風(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

        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)性能測試平臺(tái),在風(fēng)洞中進(jìn)行了整機(jī)氣動(dòng)性能測試,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)。

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