小型變槳風力機啟動性能研究

吳勝勝， 包道日娜， 王天博， 劉智峰， 劉恒鑫， 劉 東

(1. 內蒙古工業大學 能源與動力工程學院， 呼和浩特 010051；2. 內蒙古能源發電投資集團有限公司， 呼和浩特 010000)

啟動性能是風力機的重要指標，小型風力機往往安裝在用戶側而不是風資源豐富的區域，在低風速下能否完成自啟動會直接影響風力機的發電性能。小型水平軸風力機普遍采用定槳距結構，為保證低風速時具有較好的啟動性能，通常在葉片設計之初采用較大扭角來提高啟動性能，但較大的葉片扭角往往使得風力機高風速時風能利用率降低，啟動性能與輸出性能相互矛盾，因此在葉片設計時應綜合考慮以保證風力機良好的啟動性能[1-2]。研究表明，變槳風力機不僅可以通過改變槳距角提高風能利用率，還可以實現大風條件下控制輸出功率、降低風輪運行載荷。此外，啟動過程中采用較大正槳距角可以產生大的啟動力矩，有助于改善低風速下的啟動性能[3-4]。

Afshar等[5]以翼弦分布、扭角和殼體厚度為變量，功率系數和起動時間的組合為目標函數，采用遺傳算法結合葉素動量理論求解葉片幾何形狀，結果表明通過合理設置葉片弦長、扭角等參數可以縮短風力機起動時間，同時保證功率系數小幅下降。唐新姿等[6]采用多目標遺傳算法進行全局優化，以提高年發電量和降低啟動風速，結果得出優化后葉片扭角較原始葉片有所增加，風輪啟動轉矩提高，啟動風速降低。Zhu等[7]研究了在低速風洞中，不同槳距角雙葉片水平軸風力機轉子的氣動性能，結果表明當葉尖速比小于1時，隨著槳距角的增加功率系數與扭矩系數均增大，即風力機在較大槳距角時啟動性能得以改善。Ismail等[8]研究了翼型中弦長、扭角分布對小型水平軸風力機啟動扭矩的影響，結果表明弦長與扭角的改變都會影響葉片的啟動扭矩，但扭角對啟動扭矩的影響更顯著。

綜上所述，目前關于小型水平軸風力機啟動性能的研究主要是通過改變定槳距風力機葉片外形參數進行分析，綜合考慮了啟動性能與功率輸出性能。筆者針對某小型水平軸變槳風力機進行啟動性能風洞試驗研究，分析不同槳距角對風力機啟動過程中靜態扭矩、轉速、啟動風速的影響，同時通過數值模擬計算研究風力機靜止狀態時，槳距角變化過程中的氣動性能，對該風力機變槳控制系統設計具有實際工程意義。

1 基本理論

圖1給出了葉素上的作用力和速度，其中Ω為風輪旋轉角速度，V0為風速，W為相對速度，φ為入流角，α為攻角，β為槳距角，D為阻力，L為升力,r為輪轂半徑。槳距角是翼型弦線與旋轉平面的夾角；攻角是相對速度與弦線的夾角；入流角是相對速度與風輪旋轉平面的夾角，等于槳距角與攻角之和，即φ=α+β。

圖1 葉素作用力和速度

在風洞試驗中，風向垂直于風輪旋轉平面，風力機處于靜止時，風輪旋轉角速度Ω為零，相對速度W等于V0，且速度方向與風速方向一致，入流角φ=90°，即α+β=90°，此時阻力為D′與風速方向一致，升力為L′與風輪旋轉方向一致。升力和阻力通常用無量綱的升力系數和阻力系數表示，升力系數與阻力系數的比值稱為升阻比，可用來評價風力機的氣動性能。不同翼型的風力機均存在一個最佳攻角，在最佳攻角之前，隨著攻角增加翼型升阻比逐漸增大，超過最佳攻角以后，隨著攻角增加升阻比逐漸減小，即葉片處于最佳攻角時氣動性能最好。風力機啟動初期風輪處于靜止狀態，此時入流角固定，改變槳距角會直接影響攻角大小，從而影響風力機的啟動性能。

2 試驗設備

2.1 試驗風洞簡介

本次試驗在某6 m×6 m×25 m大型多用途回流式風洞內6 m×6 m開口段進行(如圖2所示)，該風洞按照GJB 1179—1991 《高速風洞和低速風洞流場品質規范》設計建造，模型區氣流中心湍流度小于0.5%，動力段最大功率450 kW，開口段最高風速可達30 m/s。

(a) 試驗段

2.2 試驗裝置

風力機啟動過程扭矩測試試驗裝置如圖3所示，包括底板、風輪、主軸、主軸支架、軸承、聯軸器、扭矩儀支架、扭矩儀和發電機等。

圖3 啟動過程扭矩測試裝置

試驗中風力機翼型為NACA4412，風輪直徑為3 060 mm，葉片長度為1 380 mm，葉片數為3，具體葉片尺寸參數如表1所示。

表1 葉片尺寸參數

變槳風力機整機啟動性能測試樣機總體結構如圖4所示。該風力機輪轂內部安裝有3個定制加工的齒條，齒條可實現軸向(發電機主軸軸向)移動并與齒輪配合；齒輪通過花鍵軸固定安裝于葉片傳動件底部；葉片傳動件法蘭與變槳軸承內圈連接，變槳軸承外圈安裝于輪轂法蘭處，以實現葉片與輪轂之間的相對轉動，達到改變葉片槳距角的目的；輪轂內部變槳裝置通過傳動桿穿過發電機中空軸與風力機尾部的導向與驅動機構實現鎖緊與變槳動作。

圖4 變槳風力機結構示意圖

3 研究方法

小型水平軸變槳風力機啟動性能試驗研究主要包括扭矩測試試驗和整機驗證試驗兩部分，其中扭矩測試試驗包括風力機不同槳距角條件下的靜態扭矩和動態啟動過程轉速測試(以下簡稱動態試驗)。靜態扭矩試驗主要研究風力機在不同風速和槳距角下的最大靜態扭矩，分析槳距角對風力機啟動扭矩的影響特性；動態試驗主要研究風力機從靜止到穩定運行過程中轉速變化情況。整機驗證試驗主要用于驗證扭矩測試試驗的分析測試結果，并確定該風力機最佳啟動槳距角范圍，為后續變槳控制系統設計提供參考依據。

試驗參考GB/T 19068.3—2019 《小型風力發電機組 第3部分：風洞試驗方法》[9]進行，風速分別取3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s，槳距角為10°、20°、30°、40°、50°和60°。在靜態扭矩測試時，通過將發電機三相電源線短接制動，測量采集風速穩定在某一值時，不同槳距角下的靜態扭矩；動態試驗過程則在風速不變的情況下，通過解除發電機制動使其處于空載狀態，記錄風力機在該風速下從靜止過渡到穩定運行狀態的轉速變化情況，分析不同槳距角時該風力機的動態啟動特性。

此外，為驗證試驗數據的可靠性，得到風力機啟動時，槳距角變化過程中的相關氣動性能，采用Creo建模軟件建立不同槳距角風輪三維模型，利用Ansys CFX模塊對不同槳距角風力機靜止狀態風輪扭矩值進行模擬計算。圖5給出了計算域幾何尺寸(圖中d為風輪直徑)。整個計算域分為外部流場域和內部加密域，流場域中來流方向定義為速度入口(Inlet)，出口為壓力出口(Outlet)，壁面為無滑移壁面(Wall)，外部流場域與內部加密域的交界面設置為Interface，并將內部加密域模型設置為靜止。為保證計算精度，在網格劃分過程中，對風力機葉片及周圍局域不斷加密，并對其進行網格無關性驗證。當整個計算域網格數達到864萬后風輪模擬扭矩趨于平穩。

圖5 計算域幾何尺寸

4 結果與分析

4.1 風輪靜態扭矩分析

風力機完成自啟動過程需要克服系統的靜態阻力矩，主要包括永磁發電機齒槽轉矩、軸承摩擦力矩等，而風作用在葉片上產生的氣動扭矩是使風力機克服上述阻力完成自啟動的動力源，此外風力機在啟動開始階段的靜態阻力矩往往比開始運動后產生的動態阻力矩大得多，分析不同槳距角、風速條件下風輪處于靜止狀態時產生的氣動扭矩，對進一步了解該風力機不同工況下的啟動特性至關重要[10-11]。

圖6給出了不同風速條件下，風輪靜態扭矩隨槳距角的變化曲線。從圖6可以看出，試驗結果與模擬結果變化趨勢一致，在同一風速下，風輪靜態扭矩隨槳距角的增加呈先增大后減小的趨勢；不同風速條件下靜態扭矩均在10°槳距角時處于最小值，在50°槳距角時達到最大；風速分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s時，50°槳距角下的靜態扭矩約為10°槳距角下的靜態扭矩的2.2倍，且40°槳距角與50°槳距角下的靜態扭矩值變化不大；當風速為6 m/s時，槳距角分別為30°、40°、50°和60°時的試驗結果比模擬結果顯著偏低，二者相對誤差最大為22%左右，造成這種現象的主要原因是：以上工況條件下，由于發電機制動力矩有限，在測量時風輪出現滑動轉動現象，導致試驗測得的并非靜態扭矩，而屬于動態扭矩，所以試驗結果比模擬結果偏低；其他工況下，發電機制動均能保證風輪不發生滑動轉動，模擬結果與試驗結果的相對誤差均在14%以內，所以認為試驗數據是可靠的。

圖6 風輪靜態扭矩隨槳距角的變化

4.2 啟動過程風輪轉速分析

風力機在啟動過程中，風輪從靜止過渡到運動狀態，轉速變化受風速、槳距角以及風輪實度的影響較大，因此重點研究槳距角和風速對該風力機啟動過程轉速的影響。試驗過程中采集得到70 s內不同風速、槳距角條件下，風力機在空載狀態下從靜止過渡到穩定運行過程中轉速隨時間的變化情況。在某一穩定風速給定后，采用發電機三相電源線短接制動，使風輪處于靜止狀態(0～30 s)，30 s時解除發電機制動，記錄空載狀態風力機啟動過程轉速的變化情況(30～70 s)。

圖7給出了風速分別為4 m/s、5 m/s和6 m/s時，風力機啟動過程風輪轉速的變化。從圖7可以看出，整個啟動過程大致分為加速和穩定運行2個階段，即在發電機解除制動后，風輪轉速逐漸上升，然后趨于穩定。

(a) 風速4 m/s

對比不同風速下風力機自啟動過程，風速為4 m/s時，10°、20°和60°槳距角下的風輪轉速始終為零，即風力機在該狀態下無法完成自啟動；風速為5 m/s時，風力機只在10°槳距角下無法完成自啟動；風速為6 m/s各槳距角下均可完成自啟動過程。因此，該風力機在低風速條件下，槳距角保持在較大角度更容易啟動；在6 m/s時由于發電機制動力矩不足，其在制動過程中存在2～4 r/min的旋轉速度。

在同一風速下，槳距角越大風輪達到穩定的轉速越低，風速為4 m/s時，30°槳距角穩定階段轉速平均值為42.46 r/min，50°槳距角穩定階段轉速平均值為17.33 r/min，轉速降低了59%；而在同一槳距角時，風速越高穩定階段達到的轉速越高，槳距角為30°時，風速6 m/s時其穩定階段轉速平均值為74.60 r/min，比風速為4 m/s時提高了75.7%。

4.3 啟動過程葉片氣動性能分析

為分析風力機啟動過程中，不同槳距角條件下的葉片氣動性能，模擬得到不同工況下葉素流線圖及壓力云圖，如圖8和圖9所示。圖8(a)為50°槳距角下葉片不同截面處流線圖，R為葉素所在截面距風輪旋轉中心的距離。從圖8(a)可以看出，由葉根向葉尖翼型吸力面逐漸出現流動分離現象，且越靠近葉尖分離渦越明顯，流動分離點越靠近前緣，這表現出與風力機高速旋轉運動時截然相反的氣動性能。主要原因是：葉片槳距角一定，風力機處于靜止狀態時，葉根處無明顯流動分離現象，此時該區域氣動性能較好，為啟動力矩的主要動力產生區域；而風力機在高速旋轉過程中產生旋轉的切向速度，且越靠近葉尖旋轉切向速度越大，此時葉素合速度方向與風速方向不一致，使入流角減小，攻角隨之減小，因此葉片高速旋轉時葉尖處為主要動力產生區域，葉片靜止時葉根區域為主要動力源[12-14]。

圖8(b)為不同槳距角下，葉片在R=375 mm截面處的流線圖。從圖8(b)可以看出，槳距角為20°和30°時，氣流從翼型吸力面前緣開始脫離壁面，出現明顯的流動分離現象，且在后緣位置出現較大漩渦，40°時流動分離點向吸力面后緣區域轉移，50°時未發生明顯流動分離現象；即槳距角較小時，葉片葉根處流動分離區域越大，分離點越靠近前緣，失速越嚴重。

圖9給出了風速為4 m/s時葉片不同槳距角葉素壓力云圖。由圖9可知，各截面葉素迎風面為正壓(壓力面)，背風面為負壓(吸力面)；當槳距角一定時，葉根到葉尖各截面最大壓力值均出現在壓力面前緣區域，最小壓力值出現在葉根R=375 mm截面葉素吸力面前緣區域。隨著槳距角的增加，壓力面最大壓力區域向前緣集中，且最大壓力值均為10 Pa左右，吸力面最大負壓區域隨著槳距角的增加同樣向前緣集中，但不同槳距角下的最小壓力值存在明顯差異，槳距角為40°和50°時最小壓力分別為-45 Pa和-35 Pa左右，而槳距角為20°和30°時最小壓力均為-12 Pa左右。風力機葉輪旋轉的驅動力矩主要由壓力面與吸力面之間的壓差決定，故槳距角為40°和50°時，該風力機在靜止狀態氣動性能較好，能夠產生較大的靜態啟動力矩。

圖9 風速4 m/s時葉素壓力云圖

4.4 不同槳距角啟動風速測試

為驗證理論分析結果，同時保證試驗數據可靠，測試變槳風力機整機測試設備與扭矩測試設備2種條件下風力機啟動風速。試驗首先在扭矩測試設備條件下進行，然后拆下扭矩測量裝置，組裝完成變槳調節機構，進行整機啟動性能測試，如圖10所示。

圖10 變槳風力機整機啟動性能測試裝置

測試過程中使發電機處于空載狀態，然后逐漸提高風速，記錄不同槳距角下風輪開始轉動一周時的風速，即為該狀態下風力機啟動風速。圖11給出了扭矩測試設備條件與變槳風力機整機測試條件下，各槳距角下的啟動風速測試結果。

圖11 不同槳距角下的啟動風速

風力機在2種測試條件下的啟動風速隨槳距角變化趨勢一致，均在槳距角為40°和50°時擁有較低啟動風速，但整機設備測試結果較扭矩設備測試結果低，造成該現象的原因主要是由于整機測試時，風輪與發電機直接相連，啟動過程風力機主要克服發電機齒槽轉矩，而扭矩測試設備除了需克服發電機齒槽轉矩外，還要克服各軸安裝不對中導致的阻力矩以及外加的主軸承摩擦力矩。

根據風洞測試以及理論分析結果表明，所測試樣機在槳距角為40°和50°時擁有較低的啟動風速，但槳距角為40°時可兼顧最小的啟動風速和較大的旋轉速度，試驗條件測得最低啟動風速為3.7 m/s。

5 結 論

(1) 在風速一定時，靜態扭矩隨槳距角增加呈先增大后減小的趨勢，且試驗結果與模擬結果吻合較好；風速在3～6 m/s時，50°槳距角下的靜態扭矩約為10°槳距角下靜態扭矩的2.2倍。

(2) 在同一風速時，槳距角越大風輪達到穩定階段的轉速越低；4 m/s時30°槳距角穩定階段轉速平均值為42.46 r/min，50°槳距角穩定階段轉速平均值為17.33 r/min，轉速降低了59%。

(3) 風力機處于靜止狀態時，表現出與高速旋轉狀態下截然相反的氣動性能。當槳距角不變時，越靠近葉尖流動分離現象越明顯；槳距角越小，葉片葉根處流動分離區域越大，分離點越靠近前緣。

(4) 槳距角變化時，壓力面最大壓力值變化較小，而吸力面最小壓力值存在明顯差異，且在槳距角40°和50°時，葉片葉根區域壓力面與吸力面壓差較大，此時該區域氣動性能較好，為啟動力矩的主要動力產生區域。

(5) 在2種測試條件下測得風力機啟動風速隨槳距角的增大變化趨勢一致，均在槳距角為40°、50°時擁有較低啟動風速，試驗測得最低啟動風速為3.7 m/s。

分析結果對該型變槳風力機控制系統設計具有實際意義，同時對研究變槳風力機不同槳距角下的啟動特性具有重要參考價值。