同步双风轮耦合水平轴风力机气动性能风洞测试

（清华大学机械工程系，北京100084）

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

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30kW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。

图1

传统水平轴风力机与同步双风轮耦合水平轴风力机

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

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

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

助工具收纳盒。3.2.3

安全性

研制的魔术挂板主要部件采用高强度环氧树脂玻璃纤维板制作，且经过了45kV、3min的出厂试验检测，满足10kV带电作业的绝缘要求。

5结语本文介绍的魔术工具挂板可以有效解决10kV配电线路

不停电作业中的工具存放问题，大大提高了作业效率和作业安全性。经统计，2016年福州地区共完成配网带电作业3012次，平均每次作业时长为41.3min，若作业过程中使用魔术工具挂板每次作业时长大约可节省5min，全年共计节省15060min，折合可增加作业次数约430次，平均每次按多增供电量2万kWh计算，则每年可减少售电损失860余万kWh，具有较高的经济效益。

本项目研制的魔术工具挂板可广泛应用于配网架空线路的运维、抢修、带电作业中，大大优化了作业流程，有效缩短了用户的停电时间，提高了供电可靠性，保证了电网运行的安全性和供电连续性，具有较大的实用价值和推广意义。

4现场操作实验及结果我们先后利用研制的配电带电作业用魔术工具挂板进行

了8次不同项目的使用测试，分别为：（1）加装或拆除接触设备套管、横担、故障指示器及附件；（2）更换避雷器；（3）断、接高压隔离开关上引线；（4）断、接支接线路引线；（5）断、接耐张线路引线；（6）更换高压隔离开关；（7）更换直线杆绝缘子及横担；（8）更换耐张绝缘子串。现场使用情况表明，该魔术工具挂板设计合理，拆装方便，固定牢靠，且能适应目前配电带电作业所有作业项目，大大减少了作业人员作业过程中拿取辅助工具的时间，提高了作业效率，实际运用效果十分明显，达到了预期目标。魔术挂板使用效果如图3所示。

图3

魔术挂板使用效果

收稿日期：2020-01-14

作者简介：杨程（1992—），男，河南新野人，助理工程师，从事高压带电检修工作。

37装备应用与研究◆ZhuangbeiYingyongyuYanjiu

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1.5m×1.5m，风洞实验段长2.2m。测试用风力机的后排风轮位于距离风洞前端1m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4.0m/s，测试平台如图2所示。

图2测试平台示意图

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。

图3双风轮风力机的参数定义

相位夹角渍定义为：

渍=追2-追1

（1）

式中，追1和追2分别为前后排风轮的相位角。

风轮间隔滋定义为：

滋=LD（2）

式中，L为前后排风轮间距；D为风轮直径。

叶尖速比姿定义为：

姿=赘VR（3）

式中，赘为风轮转速；R为风轮半径；V为来流风速。

风力机功率系数CP定义为：

CP=

1Q赘籽V（4）32A

D

式中，Q为风轮气动扭矩；AD为风轮面积。

风力机转矩系数CQ定义为：

CQ=C姿P（5）

382.2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

纲风轮间隔滋从0.05开始以等间隔0.05递增到0.30，每一间隔滋中风轮间相位夹角渍从-80毅开始以等角度10毅递增到90毅，每一组（滋，渍）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-姿特性曲线如图4所示。

图4

实验测得单风轮风力机CP-姿曲线

对于同步双风轮耦合水平轴风力机构型，其CP-姿曲线与单风轮4叶片风力机基本相似。当滋=0.10，渍=0毅时，双风轮2×2叶片风力机与单风轮4×1叶片风力机C驻CP-姿曲线的比较与

P-姿曲线如图5所示，双风轮2×2构型风力机在某一工况下CP-姿曲线与单风轮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（滋，渍）对风力机性能的影响。以图4中单风轮4叶片风力机CP4×1-姿曲线为基准对双风轮风力机CP2×2-姿作差值，定义驻C驻CP为：

（P姿，滋，渍）=CP2×（2姿，滋，渍）-CP4×（1姿）

（6）对风力机扭矩系数C驻CQ定义为：

Q（姿，滋，渍）=CQ2×（2姿，滋，渍）-CQ4×（1姿）

（7）

图5

当

=0.10，=-70毅时，双风轮2×2叶片风力机与单风轮4×1叶片风力机

P-曲线的比较与驻

P-曲线

图5为双风轮风力机在滋=0.10，渍=-70毅时风力机驻CP-姿关系，在叶尖速比姿从3增至8的过程中，驻CP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驻CQ。以滋=0.10的一系列工况为例，说明渍对驻CQ的影响。当滋=0.10时渍取各值的驻CQ-姿曲线如图6所示，图6标示的三

个区间体现了风轮间相位夹角渍影响驻CQ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段驻CQ为正值，驻CQ先升高后降低，并在B点达到最大值；在CE段驻CQ为负值，驻CQ先降低后升高，并在D点达到最小值。当渍位于-80毅～-40毅范围内，驻CQ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中的各曲线驻CQ最大值位置连线有M1M2和M2M3；

将各曲线驻CQ最小值位置连线有N1N2；将各曲线驻CQ=0位置连

线有Z1Z2和Z2Z3；可以看到随着双风轮间的相位夹角渍的减小，由上述各条线表征的驻CQ波动向叶尖速比姿更高的方向小幅度偏移。此时双风轮间的相位夹角渍＜0毅，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。

在渍位于-20毅～10毅范围内，风力机在低叶尖速比姿的工况下，驻CQ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。

在渍位于0毅～70毅范围内，风力机在高叶尖速比姿的工况下，驻CQ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渍影响驻CQ的三种特征现象。

图6

实验测得当

=0.10时

取各值的驻

Q-曲线ZhuangbeiYingyongyuYanjiu◆装备应用与研究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，通过驻CQ-姿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驻CQ的多种模式及其规律。

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收稿日期：2020-01-19

作者简介：杨沾沛（1990—），男，山东滨州人，硕士研究生，研

究方向：风力发电机。

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