垂直軸風(fēng)輪性能檢測試驗臺

李根生，楊宗霄，宋　磊

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

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垂直軸風(fēng)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(xué) a.低風(fēng)速風(fēng)電技術(shù)河南省工程實驗室；b.車輛與交通工程學(xué)院；c.機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

為了提高垂直軸風(fēng)輪試驗數(shù)據(jù)的測控精度及其自動化水平，針對垂直軸風(fēng)輪性能檢測研發(fā)了一套試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)由風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)、信號采集與分析子系統(tǒng)和加載子系統(tǒng)3部分構(gòu)成。對每個子系統(tǒng)進行了分析、計算和設(shè)計。以Savonius型風(fēng)輪樣機為測試對象，在風(fēng)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(fēng)速、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行實時檢測，得到功率與風(fēng)速的關(guān)系以及不同負載條件下的效率最大值。檢測結(jié)果表明：該試驗臺能夠完整地測試風(fēng)輪的性能參數(shù)，達到了預(yù)期設(shè)計性能。

垂直軸風(fēng)輪；風(fēng)洞試驗；風(fēng)輪性能檢測；多通道風(fēng)速檢測；調(diào)節(jié)式磁粉加載

0　引言

風(fēng)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(fā)的新能源之一。垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有不受風(fēng)向影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、維護方便和環(huán)境效益好等優(yōu)點[1-2]。垂直軸風(fēng)輪是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)的設(shè)計和選取直接影響垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作性能。垂直軸風(fēng)輪的理論分析計算由于受到模型簡化和條件假設(shè)等限制，使得風(fēng)機實際運行效果與預(yù)期性能指標(biāo)有差別，因此，垂直軸風(fēng)輪在設(shè)計開發(fā)時或加工完成后都要進行試驗驗證，以進行性能分析和數(shù)據(jù)修正。目前，針對垂直軸風(fēng)輪的試驗性研究主要采用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真和風(fēng)洞試驗，或兩者相結(jié)合的方法[3-6]，其中，風(fēng)洞試驗為風(fēng)機整體性能參數(shù)優(yōu)化提供了有效可行的方法[6-9]。風(fēng)輪試驗臺研制水平對風(fēng)洞試驗效果起著決定性作用[10-11]，但現(xiàn)有的垂直軸風(fēng)輪測試平臺主要針對大型風(fēng)輪[12]。

為了準(zhǔn)確測量不同尺寸和不同結(jié)構(gòu)的垂直軸風(fēng)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(fā)可反映小型垂直軸風(fēng)輪工作特性的測試平臺，用于不同型式垂直軸風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)的自動測取和分析，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪的性能測試和發(fā)電機匹配參數(shù)的確定提供良好的試驗平臺。

1　試驗臺總體方案設(shè)計

垂直軸風(fēng)輪試驗臺的研發(fā)基于開口式回流風(fēng)洞，該風(fēng)洞由混流式風(fēng)機提供風(fēng)源，混流式風(fēng)機由變頻器實現(xiàn)調(diào)速。垂直軸風(fēng)輪試驗臺總體設(shè)計方案如圖1所示。

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

圖1　垂直軸風(fēng)輪試驗臺總體設(shè)計方案

2　子系統(tǒng)設(shè)計

2.1風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)

風(fēng)輪支撐調(diào)整子系統(tǒng)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(fēng)輪支撐板。風(fēng)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(zhuǎn)部分下端通過聯(lián)軸器與安裝在下主軸上的轉(zhuǎn)速信號編碼盤和盤式扭矩耦合器相連。另有調(diào)整部分可以調(diào)節(jié)風(fēng)輪試件垂直位置和水平位置，以使風(fēng)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(tǒng)

信號采集與分析子系統(tǒng)主要包括風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機及相應(yīng)的信號分析軟件。

2.2.1風(fēng)速測量裝置

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

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

試驗臺風(fēng)速測量裝置選用沈陽加野科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的 KANOMAX KA12(KM12)型4通道風(fēng)速儀，選用風(fēng)速探頭為0963-00型，可測風(fēng)速范圍0.1～50.0 m/s，在常用風(fēng)速范圍10.0～24.9 m/s內(nèi)，測量精度為±0.5 m/s。4通道可同時采集風(fēng)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(fēng)速儀，型號為Kimo LV107S(法國凱茂儀器公司)，可測風(fēng)速范圍0.3～35.0 m/s。圖2為KM12型和LV107S型兩種風(fēng)速儀在同樣條件下測量風(fēng)速的對比結(jié)果。

圖2　KM12型和LV107S型風(fēng)速儀風(fēng)速測量值

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

2.2.2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)狀態(tài)，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(zhuǎn)換精度高、可靠性高、無磨損、使用壽命長，可在高轉(zhuǎn)速下進行扭矩測量。非接觸式扭矩傳感器主要包括應(yīng)變式、磁彈性式、磁電式和光電式，其中以應(yīng)變式應(yīng)用最為廣泛[13]。

市售的扭矩傳感器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)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(chǎn)品HX-906基礎(chǔ)上定制加工，其量程為100 N·m，精度為0.5%，適用轉(zhuǎn)速為6 000 r/min以下，而試驗臺測試扭矩不超過20 N·m，轉(zhuǎn)速不超過1 000 r/min，各項指標(biāo)均滿足要求。

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器是一種機-電能量轉(zhuǎn)換型傳感器，無需供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強，因此，在實際工程中具有廣泛的應(yīng)用[14]。

圖3　風(fēng)輪轉(zhuǎn)速測試示意圖

轉(zhuǎn)速傳感器的選擇要考慮其采用頻率滿足試驗臺最高轉(zhuǎn)速的采樣要求，同時在不同轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和扭矩傳感器一起通過螺栓連接到風(fēng)輪試件下端的聯(lián)軸器上產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號源。風(fēng)輪轉(zhuǎn)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(shè)計齒輪編碼盤齒數(shù)z=30，所以試驗臺轉(zhuǎn)速測量裝置能夠測量的最大轉(zhuǎn)速nmax=4 000 r/min。根據(jù)參數(shù)計算風(fēng)輪最大轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min，滿足試驗臺轉(zhuǎn)速測試要求。

表1為試驗臺轉(zhuǎn)速傳感器和手持式轉(zhuǎn)速儀測量結(jié)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(zhuǎn)速傳感器所測轉(zhuǎn)速是準(zhǔn)確的。

表1　試驗臺轉(zhuǎn)速傳感器和手持式轉(zhuǎn)速儀測量結(jié)果比較

轉(zhuǎn)速、扭矩的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集盒(A/D轉(zhuǎn)換模塊)和虛擬儀器軟件兩部分?？梢杂脭?shù)字和曲線兩種方式顯示試驗風(fēng)輪的實時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率參數(shù)，所有數(shù)據(jù)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(tǒng)

為模擬垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在實際工作中因驅(qū)動發(fā)電機所承載的載荷，為試驗臺設(shè)計了加載子系統(tǒng)。

圖4　磁粉加載器結(jié)構(gòu)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(tǒng)，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(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、無沖擊、無振動和無噪音等優(yōu)點[9，15-16]。試驗臺研究對象為小型垂直軸風(fēng)力機，其功率不超過2 kW，因此采用磁粉制動器對風(fēng)輪試件進行加載。在結(jié)構(gòu)上，主要考慮加載器的連接與固定。因為加載器轉(zhuǎn)速輸入來自扭矩耦合器轉(zhuǎn)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(lián)軸結(jié)、止口支撐和立式磁粉制動器。但該產(chǎn)品聯(lián)軸結(jié)尺寸不符合試驗臺要求，因此在其基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，磁粉加載器結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。為了固定加載器，設(shè)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(shù)據(jù)的單位均為mm。

磁粉制動器的主要參數(shù)包括額定轉(zhuǎn)矩、滑差功率和許用轉(zhuǎn)速。其中，額定轉(zhuǎn)矩是指制動器在激磁電流下所產(chǎn)生的制動力矩，應(yīng)大于試驗臺風(fēng)輪試件最大轉(zhuǎn)矩(一般為起動轉(zhuǎn)矩)。由于加載器模擬發(fā)電機負荷，因此常常處于滑差狀態(tài)，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(shù)，一般取λ=0.105；T為滑差狀態(tài)傳遞的扭矩；ns為滑差轉(zhuǎn)速，即風(fēng)輪試件的實際轉(zhuǎn)速。這里滑差功率相當(dāng)于試驗臺風(fēng)力機功率。若實際滑差轉(zhuǎn)速較高，則許用轉(zhuǎn)矩下降。風(fēng)輪試件的最大轉(zhuǎn)速不能超過磁粉制動器最大許用轉(zhuǎn)速。經(jīng)過相關(guān)計算與仿真，試驗臺實際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、加載扭矩和功率等需求，最終確定磁粉制動器相關(guān)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)矩為 23 N·m，滑差功率為100 W，激磁電流0.8 A，許用轉(zhuǎn)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(guān)系。

3　試驗臺檢測分析

圖5　垂直軸風(fēng)輪試驗臺

根據(jù)上述分析與設(shè)計，研制出垂直軸風(fēng)輪試驗臺，如圖5所示。以一臺Savonius型風(fēng)輪樣機為測試對象，對其進行性能測試。該風(fēng)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(fēng)輪試件將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，風(fēng)速儀采集來流風(fēng)速V，盤式耦合器同步檢測風(fēng)輪試件的輸出扭矩T，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n通過安裝在盤式耦合器上的轉(zhuǎn)速傳感器測量得到，磁粉加載器施加加載力矩Td以模擬發(fā)電機的工況。性能測試參數(shù)通過A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)采集元件變換為計算機可讀式數(shù)字信號，計算機放置在試驗臺架外側(cè)，試驗人員通過顯示器讀取數(shù)據(jù)處理信息或直接記錄數(shù)據(jù)在存儲器內(nèi)。

風(fēng)能功率Ew可根據(jù)空氣密度ρ、風(fēng)輪掠風(fēng)面積A和風(fēng)速V來計算：

(2)

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

(3)

風(fēng)輪效率η：

(4)

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

圖6　Savonius型風(fēng)輪樣機在試驗臺上的試驗結(jié)果

4　結(jié)束語

本文基于回流風(fēng)洞設(shè)計了垂直軸風(fēng)輪試驗臺，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同工況下對高度不超過900 mm的不同型號垂直軸風(fēng)輪進行性能試驗，風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)實時處理，同步檢測分析風(fēng)能功率和機械功率，結(jié)果具有真實性和可比性。該垂直風(fēng)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(yōu)點，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪性能測試和發(fā)電機匹配參數(shù)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(xù)改進：(Ⅰ)風(fēng)輪試件僅上端固定,對風(fēng)輪中心軸的垂直度要求苛刻，從而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)試難度較大。(Ⅱ)試驗臺經(jīng)常需要高速運轉(zhuǎn)，出于安全考慮，應(yīng)加裝防護網(wǎng)。(Ⅲ)為了操作方便，信號采集應(yīng)更加自動化，將風(fēng)速采集和扭矩等信號分析軟件整合在一起，并設(shè)計控制柜將系統(tǒng)各項控制功能集中到一個終端。

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國家自然科學(xué)基金項目(71071078)；河南省重點科技攻關(guān)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)和車輛電子技術(shù);楊宗霄(1957-),男,通信作者,河南靈寶人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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