同步双风轮耦合水平轴风力机气动性能风洞测试

摘要：同步双风轮耦合水平轴风力机是一种新型风力发电系统。现以同步双风轮耦合水平轴风力机为研究对象，构建了小型风力机性能测试平台，使用低速直流式风洞，研究该型风力机的功率和扭矩等气动性能。同步双风轮耦合水平轴风力机与单风轮风力机在构型上明显不同，实验结果表明，该型风力机基本气动性能与单风轮四叶片水平轴风力机相似，但有细微的差异。同步双风轮耦合水平轴风力机的风轮转速、风轮间距、风轮间相位夹角等参数共同影响风力机的气动性能。通过对实验结果间细微差异的辨析，研究了各参数对风力机气动性能的影响的具体模式和规律。

关键词：水平轴风力机;双风轮风力机;风洞实验;气动性能;转矩系数

0 引言

世界能源结构正在发生深刻变化，可再生清洁能源的比重逐年提高。风能作为一种技术成熟的新型清洁能源，最具商业化、规模化开发条件，在各国能源战略中占据举足轻重的地位。在各类风力机中，以水平轴、单风轮、上风向、三叶片和可变桨为特征的传统水平轴风力机技术日臻成熟。不同于经典风力机构型的各类新型风力机设计被不断提出，为风力机技术的发展提供了崭新的思路。传统水平轴风力机与同步双风轮耦合水平轴风力机如图1所示，同步双风轮耦合水平轴风力机是一类新型风力发电系统。同步双风轮耦合水平轴风力机装有前后串列布置的两组风轮，两组风轮同步转动，转动的方向和速度相同，风轮间保持恒定的相位关系。该型风力机的基本气动特性不同于传统的单风轮水平轴风力机。

Appa等提出了一种双排风轮反转风力机;Shen等对这种双排反转风力机的性能进行了仿真分析。Lee等采用BEM方法计算双排风轮反转风力机气动性能，并分析了某些参数对风力机性能的影响。Kanemoto等则提出一种前后风轮尺寸不同的双排风力机构型，并进行了场外测试。Jung等建造了30 kW双排反转风力机的样机。Ozbay等对双排风力机的尾流进行了风洞实验研究。以上对双风轮风力机的研究集中在双排风轮反向转动这类构型上，与双排风轮同向转动的同步双风轮耦合的构型不同。

本文利用低速直流式风洞中构建的小型风力机性能测试平台，测试同步双风轮耦合水平轴风力机整机气动性能，并研究风轮转速、风轮间距、风轮间相位角等因素对风力机整机气动性能的影响。

1 实验模型与平台

实验用风力机模型需要满足单风轮构型和双风轮构型的测试与比较，并能够测试双风轮间多个参数对风力机整机性能的影响。为简化实验和分析，风力机模型中仅使用一种定桨叶片，用该种叶片构成单风轮2叶片、单风轮4叶片和双风轮2×2叶片等多种构型。

低速直流风洞截面为1.5 m×1.5 m，风洞实验段长2.2 m。测试用风力机的后排风轮位于距离风洞前端1 m处，为风力机风轮前后的流场提供足够空间。风洞中的风速由Dantec的55P01热线探针和54N80热线风速仪提供。实验段风速V设定为4.0 m/s，测试平台如图2所示。

2 实验内容与方法

2.1    参数定义

实验中测试的风力机构型有单风轮2叶片、单风轮3叶片和双风轮2×2叶片等四类，以上构型均为定桨。其中双风轮2×2叶片定桨风力机的几何参数定义如图3所示。

相位夹角φ定义为：

2.2    测试工况

对于同步双风轮耦合风力机，4个叶片分为前后两组。无量纲风轮间隔μ从0.05开始以等间隔0.05递增到0.30，每一间隔μ中风轮间相位夹角φ从-80°开始以等角度10°递增到90°，每一组（μ，φ）构成双风轮风力机的一种工况。

3    实验结果与分析

测试所得单风轮2叶片、3叶片和4叶片三种构型的风力机功率系数CP-λ特性曲线如图4所示。

对于同步双风轮耦合水平轴风力机构型，其CP-λ曲线与单风轮4叶片风力机基本相似。当μ=0.10，φ=0°时，双风轮2×2叶片风力机与单风轮4×1叶片风力机CP-λ曲线的比较与ΔCP-λ曲线如图5所示，双风轮2×2构型风力机在某一工况下CP-λ曲线与单风轮4叶片构型风力机相似。这一差别相对于风力机整体效率CP并不显著，但表征了前后风轮间空间位置关系（μ，φ）对风力机性能的影响。以图4中单风轮4叶片风力机CP4×1-λ曲线为基准对双风轮风力机CP2×2-λ作差值，定义ΔCP为：

ΔCP（λ，μ，φ）=CP2×2（λ，μ，φ）-CP4×1（λ）（6）

对风力机扭矩系数CQ定义为：

ΔCQ（λ，μ，φ）=CQ2×2（λ，μ，φ）-CQ4×1（λ） （7）

圖5为双风轮风力机在μ=0.10，φ=-70°时风力机ΔCP-λ关系，在叶尖速比λ从3增至8的过程中，ΔCP呈现先增后减的波动。对同步双风轮耦合风力机的整机气动性能测试数据进行分析后得到前后风轮的空间相对位置参数对风力机气动扭矩的影响ΔCQ。以μ=0.10的一系列工况为例，说明φ对ΔCQ的影响。当μ=0.10时φ取各值的ΔCQ-λ曲线如图6所示，图6标示的三个区间体现了风轮间相位夹角φ影响ΔCQ的三类情况。

（1）区间Ⅰ：尾流干扰，CQ有升降波动。

区间Ⅰ所涵盖的特征现象可由曲线AE表征，从A到E过程中，风力机叶尖速比逐渐增大。在AC段ΔCQ为正值，ΔCQ先升高后降低，并在B点达到最大值;在CE段ΔCQ为负值，ΔCQ先降低后升高，并在D点达到最小值。当φ位于-80°～-40°范围内，ΔCQ先升后降的干扰模式较为明显。区间Ⅰ所涵盖的工况，与单风轮4叶片风力机比较，双风轮风力机在较低的转速下有更高的效率，而转速较高时双风轮风力机的效率则有损失。

将区间Ⅰ中的各曲线ΔCQ最大值位置连线有M1M2和M2M3;将各曲线ΔCQ最小值位置连线有N1N2;将各曲线ΔCQ=0位置连线有Z1Z2和Z2Z3;可以看到随着双风轮间的相位夹角φ的减小，由上述各条线表征的ΔCQ波动向叶尖速比λ更高的方向小幅度偏移。此时双风轮间的相位夹角φ<0°，后排风轮的相位滞后于前排，实验结果表明，随着后排风轮的相位更为滞后于前排风轮的相位，在高转速下风轮构型带来的影响更为显著。

（2）区间Ⅱ：低叶尖速比，CQ损失。

在φ位于-20°～10°范围内，风力机在低叶尖速比λ的工况下，ΔCQ为负值，如图6中FG段曲线所示。在区间Ⅱ内，相比单风轮4叶片风力机，低转速下的双风轮风力机效率有损失。

（3）区间Ⅲ：高叶尖速比，CQ增加。

在φ位于0°～70°范围内，风力机在高叶尖速比λ的工况下，ΔCQ为正值，如图6中HJ段曲线所示。在区间Ⅲ内，相比单风轮4叶片风力机，高转速下的双风轮风力机效率有所增加。

以上三类区间，分别展现了前后风轮间的相位夹角φ影响ΔCQ的三种特征现象。

4 结语

本文以同步双风轮耦合水平轴风力机为研究对象，构建了风力机性能测试平台，在风洞中进行了整机气动性能测试，用以研究该型风力机的基本气动性能和多类参数对风力机性能的影响。

（1）通过比较实验用风力机在多种构型下的基本气动性能发现，双风轮2×2叶片构型风力机气动性能与单风轮4叶片风力机相似，但有差别。

（2）研究了前后风轮位置参数对风力机整机性能的影响，通过ΔCQ-λ曲线辨析不同参数下风力机性能的细微差别，总结了影响双风轮风力机ΔCQ的多种模式及其规律。

[参考文献]

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[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.

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[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：杨沾沛（1990—），男，山东滨州人，硕士研究生，研究方向：风力发电机。