新型高效風力提水裝置風洞實驗

高翀恒++鄭源李中杰程相

摘要：為了解決傳統風力提水機存在的多葉片大實度、風能利用系數低下、生產成本高等問題，對所設計的具有低實度、高氣動性能的新型高效風力提水裝置進行實驗研究。推導了適用于風力機的相似理論，建立新型風力提水裝置的物理模型，在河海大學風洞實驗室中進行吹風實驗，測量了額定工況下風輪的風能利用系數以及不同工況下裝置的流量，并繪制流量特性曲線。實驗結果表明，裝置在28 m/s微風下能夠起動，在額定工況下風能利用系數可達043以上，達到設計要求，在設計揚程下風力機與水泵匹配性能最好，效率達到最大。

關鍵詞：風力提水；風能利用系數；相似理論；風洞實驗

中圖分類號：TK89文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06019605

Wind tunnel test of a novel high efficiency wind water device

GAO Chongheng1，2，ZHENG Yuan3，LI Zhongjie1，CHENG Xiang1

（1.College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Fujian Fuchuan Investment LTD，Fuzhou 350015，China；

3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to solve the problems of multi blade large solid，low coefficient of wind power utilization，and high production cost of traditional wind water machine，this paper investigate a novel wind water pumping machine with design of low degree and high gas dynamic performance model.Then the similarity theory was deducted which was used in wind turbine，and the physical model of the novel wind water device was established.The blowing experiment was carried out in the wind tunnel laboratory of Hohai University，to measure the wind energy utilization coefficient of wind wheel under rated condition and the flow of the device under different conditions，and draw the flow characteristic curve.Experimental results showed that the device could start at 2.8m/s，the wind energy utilization coefficient of the device could reach more than 0.43 under the rated condition，and could meet the design requirements.The wind turbine and pump could match the best performance under the design head，and the efficiency could reach the maximum under this condition.

Key words：wind water pumping；wind energy utilization coefficient；similarity theory；wind tunnel experience

在供電不便的山區或者農牧地帶，常利用風力帶動水泵提水灌溉，這種提水方式有兩種實現方式，一種是通過風力發電提水[12]，另一種方式則是無需發電裝置，只是依靠自然的風資源帶動水泵來完成提水作業[34]，與風力發電裝置比較其機械結構簡單、成本低廉、操作和維護方便，對于偏遠的、用電不便的山區地帶的農業灌溉以及草原地區畜牧業的發展具有重要的作用，在世界范圍內都獲得了廣泛的應用[510]。

[JP2]目前已經形成產業規模化的風力提水裝置大多是采用多葉片、低轉速、低風能利用率的系統，葉片數多使得風輪實度較大，流過風輪的氣流較少，因而影響了其輸出功率；同時，葉片的設計大多采用傳統的平板型或者弧板型，風能利用效率較低，易造成風能資源的浪費[1112]；另一方面，風力機與水泵如何匹配也是有待進一步研究的問題，綜上所述，設計一種高效的風力機葉片、提高風力提水系統的效率、降低起動風速以及設計與風力機相匹配的水泵迫在眉睫。

針對上述問題設計了一種新型高效的風力提水裝置[13]，該裝置采用六葉片風輪，葉片采用NACA 4412航空翼型進行優化設計，大大降低了風輪的實度，節約了制造成本，同時具有很高的風能利用率。為了驗證所設計的風力提水裝置是否達到設計標準，本文推導了適用于風力機的相似理論，并建立縮尺比為0286的物理模型在河海大學風洞實驗室進行吹風實驗，實驗結果的誤差在合理范圍內，對小型風力提水裝置的優化設計具有指導和參考價值。

3新型高效風力提水裝置風洞實驗

3.1新型風力提水裝置物理模型

河海大學風動實驗臺見圖1。由于風力提水裝置原型尺寸較大，為了使得風洞實驗段的阻塞比[18]不超過實驗段橫截面積的20 %，本文采用縮比模型的方法進行實驗，縮尺比為0286，即模型葉片長為05 m，此時阻塞比為196 %，滿足風洞實驗阻塞比的要求。

新型高效風力提水裝置物理模型分為3個機構：風輪、機械傳動機構和提水機構。風輪由六片鋼鐵材料制成的扭曲流線型葉片構成，重量為12 Kg，為了消除葉片表面粗糙度對實驗結果的影響以及更好的視覺效果，葉片表面進行噴漆處理；機械傳動機構由主軸、一組齒數比為1∶2的傘形齒輪副、立軸、帶槽圓盤構成，圓盤直徑160 mm，其余規格為國標；提水機構由雙作用活塞泵、水管和水箱構成，活塞泵直徑40 mm，行程80 mm，活塞泵進出口管道直徑8 mm，長30 mm，水箱尺寸為1 m×1 m×1 m的正方體，置于活塞泵進口以及出口處。風力提水裝置各部分的物模圖見圖2。風力提水裝置模型安裝于風洞出口下游15 m處，風輪中心與實驗段橫截面中心在同一高度。

3.2實驗結果分析

原型的設計揚程為105 m，額定風速為3 m/s，物模比原型縮小了35倍，根據式（1）、式（12）和式（13）可得，風力提水裝置模型的揚程為3 m，實驗風速應該為105 m/s，旋轉角速度為40425 rad/s，轉速為386 r/min。實驗測量了空載時裝置克服摩擦所需要的機械力矩以及不同風速、不同揚程下裝置的平均流量，并根據風力機相似理論轉化成可運用于原型的相似準數。實驗數據整理后見表3，其中，t為裝滿15 L量杯所需要的時間。

由表3可計算出風輪力矩的誤差率，不確定度分別為821%、01323%，風能利用系數的誤差率不確定度分別為792%、01125%。

從表3中可以得出，機械傳動部分克服各種機械摩擦運動所需要力矩為43（N·m），根據表1數據顯示，在28 m/s風速下風輪起動力矩為1832（N·m），大于機械摩擦力矩，因此可以證明裝置在28 m/s的微風下是可以起動的。另外，從表中還可以看出，實驗值普遍比計算值低，誤差率為821%。雖然誤差率比較大，但是參閱風洞實驗的參考文獻[19]可知，除了精度特別高，性能特別穩定的實驗室，例如美國可再生能源實驗室，測量的數據具有相當高的權威性之外，自制模型進行風洞實驗的結果相比計算結果都是存在一定誤差，因為風洞實驗有許多技術或者設備本身的誤差存在，例如傳感器的敏感度會隨著溫度、濕度的改變而改變或是人為操作失誤等[20]，基于這些因素的考慮，可以認為本次實驗的誤差是在可以接受的范圍內。

不同揚程下，風力提水裝置隨風速變化出水流量變化曲線見圖3，不同風速下，風力提水裝置隨揚程變化出水流量變化曲線見圖4。從圖3中可以看出隨著風速的增大，流量整體呈現上升的趨勢；并且隨著揚程的增大裝置出水口的流量先減小后增大，再逐步遞減，揚程在3 m時流量大于2 m、25 m以及35 m的揚程，接近揚程為15 m時的流量，這個特點在圖4中表現得尤為明顯，從圖4中可以很明顯看出隨著風速的增大，流量是逐步增加的，并且流量曲線整體是隨著揚程的增加逐步減小的，然而在3 m揚程時流量突然增大，根據相似理論中幾何相似分析，將實驗數據轉化為適用于原型的相似準數可得，物模揚程為3 m相當于原型揚程105 m，而原型105 m的揚程為設計揚程，在設計揚程下風力機的輸出功率與水泵的功率最為匹配，是最優工況，即整個裝置的效率達到最大，因此實驗中在3 m揚程下流量會增大，這個現象也進一步證明了本次實驗與原型工況是相符合的。

4小結

（1）采用航空翼型設計風力提水裝置風輪葉片，并且將葉片各個截面翼型扭轉至最佳攻角位置，可很大程度上提高風輪的風能利用系數，同時能有效地降低起動風速，捕獲更大的風能；另外，優化設計了風輪之后，即使降低風輪實度也能滿足設計揚程所需力矩要求，節約了制造成本。

（2）通過推導適用于風力機的相似理論，自制新型高效風力提水裝置的物理模型在河海大學風洞實驗室進行實驗，實驗結果表明所設計的新型風力提水裝置風能利用系數可達043以上，誤差在允許的范圍內，流量隨著風速的增大呈現逐漸增大的趨勢，并且在設計揚程105 m下風力機輸出功率與水泵功率匹配性能最好，裝置效率達到最佳。

（3）新型高效風力提水裝置一改傳統風力提水機的設計方法，采用低實度的扭曲流線型葉片，融合了高低速風力機的設計方法，取長補短，通過可靠實驗驗證，裝置可在28 m/s的微風下自行起動，降低了起動風速，提高了風資源利用率，對中低揚程風力提水機的改良設計具有指導性意義。

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