同步雙風輪耦合水平軸風力機氣動性能風洞測試

摘要：同步雙風輪耦合水平軸風力機是一種新型風力發電系統?，F以同步雙風輪耦合水平軸風力機為研究對象，構建了小型風力機性能測試平臺，使用低速直流式風洞，研究該型風力機的功率和扭矩等氣動性能。同步雙風輪耦合水平軸風力機與單風輪風力機在構型上明顯不同，實驗結果表明，該型風力機基本氣動性能與單風輪四葉片水平軸風力機相似，但有細微的差異。同步雙風輪耦合水平軸風力機的風輪轉速、風輪間距、風輪間相位夾角等參數共同影響風力機的氣動性能。通過對實驗結果間細微差異的辨析，研究了各參數對風力機氣動性能的影響的具體模式和規律。

關鍵詞：水平軸風力機;雙風輪風力機;風洞實驗;氣動性能;轉矩系數

0 引言

世界能源結構正在發生深刻變化，可再生清潔能源的比重逐年提高。風能作為一種技術成熟的新型清潔能源，最具商業化、規模化開發條件，在各國能源戰略中占據舉足輕重的地位。在各類風力機中，以水平軸、單風輪、上風向、三葉片和可變槳為特征的傳統水平軸風力機技術日臻成熟。不同于經典風力機構型的各類新型風力機設計被不斷提出，為風力機技術的發展提供了嶄新的思路。傳統水平軸風力機與同步雙風輪耦合水平軸風力機如圖1所示，同步雙風輪耦合水平軸風力機是一類新型風力發電系統。同步雙風輪耦合水平軸風力機裝有前后串列布置的兩組風輪，兩組風輪同步轉動，轉動的方向和速度相同，風輪間保持恒定的相位關系。該型風力機的基本氣動特性不同于傳統的單風輪水平軸風力機。

Appa等提出了一種雙排風輪反轉風力機;Shen等對這種雙排反轉風力機的性能進行了仿真分析。Lee等采用BEM方法計算雙排風輪反轉風力機氣動性能，并分析了某些參數對風力機性能的影響。Kanemoto等則提出一種前后風輪尺寸不同的雙排風力機構型，并進行了場外測試。Jung等建造了30 kW雙排反轉風力機的樣機。Ozbay等對雙排風力機的尾流進行了風洞實驗研究。以上對雙風輪風力機的研究集中在雙排風輪反向轉動這類構型上，與雙排風輪同向轉動的同步雙風輪耦合的構型不同。

本文利用低速直流式風洞中構建的小型風力機性能測試平臺，測試同步雙風輪耦合水平軸風力機整機氣動性能，并研究風輪轉速、風輪間距、風輪間相位角等因素對風力機整機氣動性能的影響。

1 實驗模型與平臺

實驗用風力機模型需要滿足單風輪構型和雙風輪構型的測試與比較，并能夠測試雙風輪間多個參數對風力機整機性能的影響。為簡化實驗和分析，風力機模型中僅使用一種定槳葉片，用該種葉片構成單風輪2葉片、單風輪4葉片和雙風輪2×2葉片等多種構型。

低速直流風洞截面為1.5 m×1.5 m，風洞實驗段長2.2 m。測試用風力機的后排風輪位于距離風洞前端1 m處，為風力機風輪前后的流場提供足夠空間。風洞中的風速由Dantec的55P01熱線探針和54N80熱線風速儀提供。實驗段風速V設定為4.0 m/s，測試平臺如圖2所示。

2 實驗內容與方法

2.1 ? ?參數定義

實驗中測試的風力機構型有單風輪2葉片、單風輪3葉片和雙風輪2×2葉片等四類，以上構型均為定槳。其中雙風輪2×2葉片定槳風力機的幾何參數定義如圖3所示。

相位夾角φ定義為：

2.2 ? ?測試工況

對于同步雙風輪耦合風力機，4個葉片分為前后兩組。無量綱風輪間隔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）構成雙風輪風力機的一種工況。

3 ? ?實驗結果與分析

測試所得單風輪2葉片、3葉片和4葉片三種構型的風力機功率系數CP-λ特性曲線如圖4所示。

對于同步雙風輪耦合水平軸風力機構型，其CP-λ曲線與單風輪4葉片風力機基本相似。當μ=0.10，φ=0°時，雙風輪2×2葉片風力機與單風輪4×1葉片風力機CP-λ曲線的比較與ΔCP-λ曲線如圖5所示，雙風輪2×2構型風力機在某一工況下CP-λ曲線與單風輪4葉片構型風力機相似。這一差別相對于風力機整體效率CP并不顯著，但表征了前后風輪間空間位置關系（μ，φ）對風力機性能的影響。以圖4中單風輪4葉片風力機CP4×1-λ曲線為基準對雙風輪風力機CP2×2-λ作差值，定義ΔCP為：

ΔCP（λ，μ，φ）=CP2×2（λ，μ，φ）-CP4×1（λ）（6）

對風力機扭矩系數CQ定義為：

ΔCQ（λ，μ，φ）=CQ2×2（λ，μ，φ）-CQ4×1（λ） （7）

圖5為雙風輪風力機在μ=0.10，φ=-70°時風力機ΔCP-λ關系，在葉尖速比λ從3增至8的過程中，ΔCP呈現先增后減的波動。對同步雙風輪耦合風力機的整機氣動性能測試數據進行分析后得到前后風輪的空間相對位置參數對風力機氣動扭矩的影響ΔCQ。以μ=0.10的一系列工況為例，說明φ對ΔCQ的影響。當μ=0.10時φ取各值的ΔCQ-λ曲線如圖6所示，圖6標示的三個區間體現了風輪間相位夾角φ影響ΔCQ的三類情況。

（1）區間Ⅰ：尾流干擾，CQ有升降波動。

區間Ⅰ所涵蓋的特征現象可由曲線AE表征，從A到E過程中，風力機葉尖速比逐漸增大。在AC段ΔCQ為正值，ΔCQ先升高后降低，并在B點達到最大值;在CE段ΔCQ為負值，ΔCQ先降低后升高，并在D點達到最小值。當φ位于-80°～-40°范圍內，ΔCQ先升后降的干擾模式較為明顯。區間Ⅰ所涵蓋的工況，與單風輪4葉片風力機比較，雙風輪風力機在較低的轉速下有更高的效率，而轉速較高時雙風輪風力機的效率則有損失。

將區間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;可以看到隨著雙風輪間的相位夾角φ的減小，由上述各條線表征的ΔCQ波動向葉尖速比λ更高的方向小幅度偏移。此時雙風輪間的相位夾角φ<0°，后排風輪的相位滯后于前排，實驗結果表明，隨著后排風輪的相位更為滯后于前排風輪的相位，在高轉速下風輪構型帶來的影響更為顯著。

（2）區間Ⅱ：低葉尖速比，CQ損失。

在φ位于-20°～10°范圍內，風力機在低葉尖速比λ的工況下，ΔCQ為負值，如圖6中FG段曲線所示。在區間Ⅱ內，相比單風輪4葉片風力機，低轉速下的雙風輪風力機效率有損失。

（3）區間Ⅲ：高葉尖速比，CQ增加。

在φ位于0°～70°范圍內，風力機在高葉尖速比λ的工況下，ΔCQ為正值，如圖6中HJ段曲線所示。在區間Ⅲ內，相比單風輪4葉片風力機，高轉速下的雙風輪風力機效率有所增加。

以上三類區間，分別展現了前后風輪間的相位夾角φ影響ΔCQ的三種特征現象。

4 結語

本文以同步雙風輪耦合水平軸風力機為研究對象，構建了風力機性能測試平臺，在風洞中進行了整機氣動性能測試，用以研究該型風力機的基本氣動性能和多類參數對風力機性能的影響。

（1）通過比較實驗用風力機在多種構型下的基本氣動性能發現，雙風輪2×2葉片構型風力機氣動性能與單風輪4葉片風力機相似，但有差別。

（2）研究了前后風輪位置參數對風力機整機性能的影響，通過ΔCQ-λ曲線辨析不同參數下風力機性能的細微差別，總結了影響雙風輪風力機ΔCQ的多種模式及其規律。

[參考文獻]

[1] SHEN W Z，ZAKKAM V A K，S？準RENSEN J N，et al.Analysis of Counter-Rotating Wind Turbines[J].Journal of Physics：Conference Series，2007，75：1-9.

[2] LEE S，KIM H，LEE S.Analysis of aerodynamic characteristics on a counter-rotating wind turbine[J].Current Applied Physics，2010，10（2）：339-342.

[3] LEE S，KIM H，SON E，et al.Effects of design parameters on aerodynamic performance of a counter-rotating wind turbine[J].Renewable Energy，2012，42：140-144.

[4] KANEMOTO T，GALAL A M.Development of Intelligent Wind Turbine Generator with tandem wind rotors and double rotational armatures-（1st report，superior operation of tandem wind rotors）[J].Jsme Int J B-Fluid T，2006，49（2）：450-457.

[5] JUNG S N，NO T S，RYU K W.Aerodynamic performance prediction of a 30 kW counter-rotating wind turbine system[J].Renewable Energy，2005，30（5）：631-644.

[6] OZBAY A，TIAN W，HU H.A Comparative Study of the Wind Loads and Wake Characteristics of a Single-Rotor Wind Turbine and Dual-Rotor Wind Turbines [C]//ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting，2014：1-15.

[7] GASCH R，TWELE J.Blade geometry according to Betz and Schmitz[M].Heidelberg：Wind Power Plants，2012.

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：風力發電機。