垂直軸風輪性能檢測試驗臺

李根生，楊宗霄，宋　磊

(河南科技大學 a.低風速風電技術河南省工程實驗室；b.車輛與交通工程學院；c.機電工程學院，河南 洛陽 471003)

?

垂直軸風輪性能檢測試驗臺

李根生a,b，楊宗霄a,b，宋磊a,c

(河南科技大學 a.低風速風電技術河南省工程實驗室；b.車輛與交通工程學院；c.機電工程學院，河南 洛陽 471003)

為了提高垂直軸風輪試驗數據的測控精度及其自動化水平，針對垂直軸風輪性能檢測研發了一套試驗系統，系統由風輪支撐調整子系統、信號采集與分析子系統和加載子系統3部分構成。對每個子系統進行了分析、計算和設計。以Savonius型風輪樣機為測試對象，在風速從5 m/s至25 m/s，負載電流從空載到0.18 A的條件下，用試驗臺對風速、轉速和轉矩等參數進行實時檢測，得到功率與風速的關系以及不同負載條件下的效率最大值。檢測結果表明：該試驗臺能夠完整地測試風輪的性能參數，達到了預期設計性能。

垂直軸風輪；風洞試驗；風輪性能檢測；多通道風速檢測；調節式磁粉加載

0　引言

風能作為一種清潔無污染的綠色可再生能源，已成為世界各國重點研發的新能源之一。垂直軸風力發電系統具有不受風向影響、結構簡單、成本較低、維護方便和環境效益好等優點[1-2]。垂直軸風輪是垂直軸風力發電系統的重要部件之一，其結構參數及性能參數的設計和選取直接影響垂直軸風力發電系統的工作性能。垂直軸風輪的理論分析計算由于受到模型簡化和條件假設等限制，使得風機實際運行效果與預期性能指標有差別，因此，垂直軸風輪在設計開發時或加工完成后都要進行試驗驗證，以進行性能分析和數據修正。目前，針對垂直軸風輪的試驗性研究主要采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)仿真和風洞試驗，或兩者相結合的方法[3-6]，其中，風洞試驗為風機整體性能參數優化提供了有效可行的方法[6-9]。風輪試驗臺研制水平對風洞試驗效果起著決定性作用[10-11]，但現有的垂直軸風輪測試平臺主要針對大型風輪[12]。

為了準確測量不同尺寸和不同結構的垂直軸風輪在一定條件下的氣動特性和工作效率等性能，需要一種有效的測量平臺。本文旨在開發可反映小型垂直軸風輪工作特性的測試平臺，用于不同型式垂直軸風輪轉速、轉矩和功率等參數的自動測取和分析，為垂直軸風力發電系統風輪的性能測試和發電機匹配參數的確定提供良好的試驗平臺。

1　試驗臺總體方案設計

垂直軸風輪試驗臺的研發基于開口式回流風洞，該風洞由混流式風機提供風源，混流式風機由變頻器實現調速。垂直軸風輪試驗臺總體設計方案如圖1所示。

試驗臺由風輪支撐調整系統、信號采集與分析系統和加載系統3個子系統組成。風輪支撐調整子系統主要包括臺架固定部分和活動部分，用來固定和調整風輪試件的位置。信號采集與分析子系統包括風速儀、轉速傳感器和盤式扭矩耦合器，主要用于自動采集風洞出口風速、風輪試件的轉速和扭矩信號，并經過模數(analog to digital,A/D)轉換自動輸出至PC端。加載子系統主要包括磁粉加載器及其控制器，通過PC控制加載器給風輪試件加載，模擬風輪在驅動電機發電時的工作特性。

圖1　垂直軸風輪試驗臺總體設計方案

2　子系統設計

2.1風輪支撐調整子系統

風輪支撐調整子系統的支撐部分主要包括臺架底座、支撐立柱、固定支架、下主軸和風輪支撐板。風輪試件通過中心軸兩端安裝在試驗臺架上，其下端通過楔口連接下主軸，上端通過鎖緊螺母固定在支撐板上。試件旋轉部分下端通過聯軸器與安裝在下主軸上的轉速信號編碼盤和盤式扭矩耦合器相連。另有調整部分可以調節風輪試件垂直位置和水平位置，以使風輪下端與下主軸和傳感器對正。

2.2信號采集與分析子系統

信號采集與分析子系統主要包括風速儀、轉速傳感器、扭矩傳感器、A/D轉換器、計算機及相應的信號分析軟件。

2.2.1風速測量裝置

風速測量裝置用來測量風洞出口的平均風速。風機產生的氣流在流經風洞時雖經過消湍整流處理得到相對均勻穩定的風源，但在試驗段截面上，風速大小仍不均勻，因而需要在風洞出風口不同位置放置多個風速傳感器，以測定其平均風速。本試驗系統在出風口均布5個風速測量點。

試驗臺風速測量裝置的選擇主要考慮多通道同時自動采集風速，并有相應的計算機接口，以實現自動化，在滿足量程要求的前提下，其靈敏度和精度也應滿足試驗需要。試驗臺配套的回流風洞由30 kW混流式風機(SWF-II-12)提供風源，可產生的最大風速為30 m/s。

試驗臺風速測量裝置選用沈陽加野科學儀器有限公司生產的 KANOMAX KA12(KM12)型4通道風速儀，選用風速探頭為0963-00型，可測風速范圍0.1～50.0 m/s，在常用風速范圍10.0～24.9 m/s內，測量精度為±0.5 m/s。4通道可同時采集風速，每個通道具有模擬輸出功能，并配有RS-232C通信接口。同時，為了便于對比和多點測量，試驗臺還配備了一臺中葉輪手持式風速儀，型號為Kimo LV107S(法國凱茂儀器公司)，可測風速范圍0.3～35.0 m/s。圖2為KM12型和LV107S型兩種風速儀在同樣條件下測量風速的對比結果。

圖2　KM12型和LV107S型風速儀風速測量值

由圖2可以看出：KM12型和LV107S型風速儀風速測量的結果吻合很好，測量結果的相對誤差很小，說明所選風速儀測量的準確性滿足要求。

2.2.2轉速與扭矩測量裝置

扭矩傳感器分為接觸式和非接觸式兩種，由于試驗臺常處于高速旋轉狀態，因而采用非接觸式扭矩傳感器。非接觸式扭矩傳感器采用微電子測量，轉換精度高、可靠性高、無磨損、使用壽命長，可在高轉速下進行扭矩測量。非接觸式扭矩傳感器主要包括應變式、磁彈性式、磁電式和光電式，其中以應變式應用最為廣泛[13]。

市售的扭矩傳感器產品在結構和尺寸上均無法完全滿足試驗臺要求，因此，本文所用的扭矩傳感器是由河北省三河市華欣機電有限公司在其原產品HX-906基礎上定制加工，其量程為100 N·m，精度為0.5%，適用轉速為6 000 r/min以下，而試驗臺測試扭矩不超過20 N·m，轉速不超過1 000 r/min，各項指標均滿足要求。

轉速傳感器按照工作原理的不同可以分為:磁電式、光電式、離心式、電渦流式和霍爾式等。其中，磁電式轉速傳感器是一種機-電能量轉換型傳感器，無需供電電源，電路簡單，性能穩定，輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛的應用[14]。

圖3　風輪轉速測試示意圖

轉速傳感器的選擇要考慮其采用頻率滿足試驗臺最高轉速的采樣要求，同時在不同轉速下測量精度和可靠性要高。試驗臺選用上海索能自動化有限公司SN08-02BP型磁電式傳感器探頭，采用齒輪盤式結構和扭矩傳感器一起通過螺栓連接到風輪試件下端的聯軸器上產生轉速信號源。風輪轉速測試示意圖如圖3所示。

SN08-02BP型磁電式傳感器探頭的采樣頻率f=2 000 Hz，試驗臺設計齒輪編碼盤齒數z=30，所以試驗臺轉速測量裝置能夠測量的最大轉速nmax=4 000 r/min。根據參數計算風輪最大轉速小于1 000 r/min，滿足試驗臺轉速測試要求。

表1為試驗臺轉速傳感器和手持式轉速儀測量結果比較。由表1可知：兩者相對誤差平均只有2.37%，表明了試驗臺轉速傳感器所測轉速是準確的。

表1　試驗臺轉速傳感器和手持式轉速儀測量結果比較

轉速、扭矩的數據采集與轉換采用扭矩傳感器HX-906配套的HX-90D型USB虛擬扭矩儀(華欣機電有限公司)，包括USB數據采集盒(A/D轉換模塊)和虛擬儀器軟件兩部分。可以用數字和曲線兩種方式顯示試驗風輪的實時轉速、轉矩和功率參數，所有數據可以隨時以Microsoft Excel格式存儲，便于分析和研究。

2.3加載子系統

為模擬垂直軸風力發電機在實際工作中因驅動發電機所承載的載荷，為試驗臺設計了加載子系統。

圖4　磁粉加載器結構簡圖

常見的機械運動加載方式有磁粉制動器加載、電動機電控加載和電液伺服制動器加載3種。電動機電控加載和電液伺服制動器加載通常用于功率較大的場合，而對于小功率加載系統，通常采用磁粉制動器加載。磁粉制動器具有激磁功率小、響應速度快、結構簡單、性價比高、無沖擊、無振動和無噪音等優點[9，15-16]。試驗臺研究對象為小型垂直軸風力機，其功率不超過2 kW，因此采用磁粉制動器對風輪試件進行加載。在結構上，主要考慮加載器的連接與固定。因為加載器轉速輸入來自扭矩耦合器轉子，且下主軸從中間穿過，因此考慮選用蘭菱機電FZ12.AK型空心聯軸結、止口支撐和立式磁粉制動器。但該產品聯軸結尺寸不符合試驗臺要求，因此在其基礎上優化結構和尺寸設計，磁粉加載器結構簡圖如圖4所示。為了固定加載器，設計了專門的支架，一端連接于加載器固定外殼上，另一端通過螺栓將加載器固定在試驗臺固定支架上。圖4中磁粉制動器外徑D為 42.8 mm，盤厚度L0為 192.0 mm，其他數據的單位均為mm。

磁粉制動器的主要參數包括額定轉矩、滑差功率和許用轉速。其中，額定轉矩是指制動器在激磁電流下所產生的制動力矩，應大于試驗臺風輪試件最大轉矩(一般為起動轉矩)。由于加載器模擬發電機負荷，因此常常處于滑差狀態，試驗臺實際滑差功率Ps不能超過磁粉制動器許用滑差功率。該型磁粉制動器滑差功率的大小由式(1)確定：

Ps=λTns，

(1)

其中：λ為磁粉制動器滑差功率因數，一般取λ=0.105；T為滑差狀態傳遞的扭矩；ns為滑差轉速，即風輪試件的實際轉速。這里滑差功率相當于試驗臺風力機功率。若實際滑差轉速較高，則許用轉矩下降。風輪試件的最大轉速不能超過磁粉制動器最大許用轉速。經過相關計算與仿真，試驗臺實際轉速一般不超過600 r/min，最大功率不超過100 W。為了滿足試驗臺轉速、加載扭矩和功率等需求，最終確定磁粉制動器相關參數為：額定轉矩為 23 N·m，滑差功率為100 W，激磁電流0.8 A，許用轉速為650 r/min。加載試驗得到的磁粉制動器加載力矩特性曲線表明：其輸出力矩與激磁電流呈良好的線性關系。

3　試驗臺檢測分析

圖5　垂直軸風輪試驗臺

根據上述分析與設計，研制出垂直軸風輪試驗臺，如圖5所示。以一臺Savonius型風輪樣機為測試對象，對其進行性能測試。該風輪樣機為雙葉片對稱布置型，葉片曲率半徑D=205 mm，試件高度H=700 mm，高徑比H/D=1，試件材料為鋁。

垂直軸風輪試件將風能轉化為機械能，風速儀采集來流風速V，盤式耦合器同步檢測風輪試件的輸出扭矩T，風輪轉速n通過安裝在盤式耦合器上的轉速傳感器測量得到，磁粉加載器施加加載力矩Td以模擬發電機的工況。性能測試參數通過A/D轉換等數據采集元件變換為計算機可讀式數字信號，計算機放置在試驗臺架外側，試驗人員通過顯示器讀取數據處理信息或直接記錄數據在存儲器內。

風能功率Ew可根據空氣密度ρ、風輪掠風面積A和風速V來計算：

(2)

磁粉加載器施加加載力矩Td以模擬發電機的工況，此時，風輪輸出功率EM可根據盤式耦合傳感器所檢測得到的風輪扭矩T和風輪轉速n來計算：

(3)

風輪效率η：

(4)

圖6為本文設計的垂直軸風輪性能檢測試驗臺對Savonius型風輪樣機的試驗結果，測試了加載電流從空載到0.18 A的情況下，風速與轉速、轉矩、功率及效率之間的關系。圖6a表明：風輪在不同的加載電流(即不同的載荷)下，風速從5 m/s增加到25 m/s時，轉速從50 r/min線性增加到600 r/min，且同一風速下，轉速隨載荷的增大而減小，在低風速區更為明顯，進而說明試驗臺風速、轉速測試系統工作和加載系統之間的相互關系。圖6b顯示了風速與輸出轉矩之間的關系，在大電流下(即大負載條件下)，隨著風速的提高，輸出轉矩有所下降；而在小電流下，風速增加后輸出轉矩基本趨于穩定。圖6c表明風輪輸出功率隨著風速的增加而增大，在大電流下，輸出功率增加更為明顯。圖6d顯示了風輪效率隨風速的變化關系，表明在不同載荷下，風輪都存在最大效率點，即存在最優工作風速值，載荷越大，最優工作風速值也越大。試驗結果表明：本文研發的垂直軸風輪試驗臺可以全面地檢測風輪性能，為新型垂直軸風輪性能檢測提供了良好平臺。

圖6　Savonius型風輪樣機在試驗臺上的試驗結果

4　結束語

本文基于回流風洞設計了垂直軸風輪試驗臺，能夠實現在不同工況下對高度不超過900 mm的不同型號垂直軸風輪進行性能試驗，風速、轉速、轉矩和加載力矩等所有性能參量均采用非接觸采集及計算機數據實時處理，同步檢測分析風能功率和機械功率，結果具有真實性和可比性。該垂直風輪試驗臺具有安全、自動化、操作簡便、檢測精度高、試件更換性強、易于安裝維護以及成本低等優點，為垂直軸風力發電系統風輪性能測試和發電機匹配參數確定提供良好的自動化通用試驗平臺。

該試驗臺需要在以下方面繼續改進：(Ⅰ)風輪試件僅上端固定,對風輪中心軸的垂直度要求苛刻，從而導致系統調試難度較大。(Ⅱ)試驗臺經常需要高速運轉，出于安全考慮，應加裝防護網。(Ⅲ)為了操作方便，信號采集應更加自動化，將風速采集和扭矩等信號分析軟件整合在一起，并設計控制柜將系統各項控制功能集中到一個終端。

[1]POPE K,DINCER I,NATERER G F.Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines[J].Renewable energy,2010,35(9):2102-2113.

[2]楊益飛,潘偉,朱熀秋.垂直軸風力發電機技術綜述及研究進展[J].中國機械工程,2013,24(5):703-709.

[3]KUMBERNUSS J,CHEN J,YANG H X.Investigation into the relationship of the overlap ratio and shift angle of double stage three bladed vertical axis wind turbine (VAWT)[J].Journal of wind engineering and industrial serodynamics,2012,107:57-75.

[4]TETSUYA W,RYOHEI Y.Wind speed sensorless performance monitoring based on operating behavior for stand-alone vertical axis wind turbine[J].Renewable energy,2013,53:49-59.

[5]JOSHUAY,NOORA.Improvingsafetyandperformanceofsmall-scaleverticalaxiswindturbines[J].Procediaengineering,2012,49:99-106.

[6]張洛明,王巧紅,張楠.小型垂直軸風力發電機風輪效率的試驗研究[J].中國機械工程,2009,20(18):2186-2189.

[7]ROBERTH,NINGQ,JONATHANE.Windtunnelandnumericalstudyofasmallverticalaxiswindturbine[J].Renewableenergy,2010,35(2):412-422.

[8]PETERM,BERTB,JANC.Indicatorsfortheevaluationofwindtunneltestsectionflowqualityandapplicationtoanumericalclosed-circuitwindtunnel[J].Journalofwindengineeringandindustrialaerodynamics,2007,95(9):1289-1314.

[9]宋磊,楊宗霄,楊航航.垂直軸風輪性能檢測通用試驗臺裝置:102507184A[P].2012-06-20.

[10]鄧瑞濤,常治元,楊曉光.簡捷型垂直軸風輪試驗裝置的研發[J].河南科技大學學報(自然科學版),2012,33(6):20-23,34.

[11]楊宗霄,宋磊,張春陽.垂直軸風力發電系統的多場耦合試驗系統:202305217U[P].2012-07-04.

[12]王榮愛,郝建紅,邵志偉.垂直軸風力發電機組應力與效率分析[J].聊城大學學報(自然科學版),2007,20(1):38-39.

[13]宋春華,徐光衛.扭矩傳感器的發展研究綜述[J].微特電機,2012,40(11):58-60.

[14]徐光衛,宋春華.磁電式轉速傳感器的優化設計[J].傳感器與微系統,2013,32(2):93-95.

[15]劉京亮,宋影,劉飛.磁粉制動器加載特性研究[J].航空精密制造技術,2013,49(2):52-56.

[16]侯書奇,王軍,楊宗霄.垂直軸風力發動機的三戟消渦風輪:101260864[P].2008-09-10.

國家自然科學基金項目(71071078)；河南省重點科技攻關基金項目(112102310394)

李根生(1982-),男,河南洛陽人,講師,博士,主要研究方向為風力發電技術和車輛電子技術;楊宗霄(1957-),男,通信作者,河南靈寶人,教授,博士,博士生導師,主要研究方向為風力發電系統分析與集成.

2016-03-24

1672-6871(2016)06-0016-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.004

V211.74

A