风力机叶片气动载荷的实验测量

第三部分 研究创新性实验

第27章 风力机叶片气动载荷的实验测量

27.1 实验目的和要求

风力发电机是通过风轮叶片汲取风能， 将机械能转化为电能的装置。风轮叶片是风力发电机能量转化的关键动力部件， 其气动性能是风力机最为关键的设计参数之一。因此，设计良好气动性能的叶片十分重要。该实验的目的就是掌握表征风力机性能的各项参数；掌握风能利用系数各项的含义。并利用空气动力学理论知识，学会设计气动性能优良的风力机翼型叶片并进行气动性能测试。

27.2 实验原理与实验装置

27.2.1 风力机分类及几何参数

风力机种类较多，最主要的分类方法有两种：按照风力机风轮转轴与风向的位置分为水平轴与垂直轴风力机；按照风力机叶片的工作原理分为升力型和阻力型风力机。水平轴升力型风力机是主流机型。

影响风力机空气动力特性的几何参数如下： 1) 叶片参数

叶片参数包括叶片翼型、叶片长度、叶片面积、叶片扭角。

风力机叶片翼型及叶片气动外形的设计理论是决定风力机功率特性和气动载荷特性的根本因素。

2) 风轮参数

风轮参数包括叶片数、风轮直径、风轮中心高、风轮扫掠面积、风轮锥角、风轮仰角、风轮偏航角、风轮实度等。

风轮参数的设计影响到风力机输出转矩、风轮功率等。 27.2.2 风力机性能评价参数

风力机的基本功能是利用风轮接收风能，并将其转换成机械能，再由风轮轴将它输送出去。风力机的基本工作原理是利用空气流经风轮叶片产生的升力或阻力推动叶片转动，将风能转化为机械能。评价风力机的性能参数主要有风能利用系数（功率系数）、力矩系数、推力系数和尖速比等。

1) 风能利用系数

当风速为v吹向风轮时，它所具有的功率为：

E?121?v??Av3 (27-1) m22式中：

?-空气质量流量；v-风速； ?-空气密度；A- E-某风速时风所具有的功率；m风轮扫掠面积。

这些能量不可能全被风轮所捕获而转化为机械能。风力机实际可获得的功率P与最大可获得的功率E之比称为风能利用系数（功率系数）Cp，即

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流体力学实验指导书

Cp?PP （27-2） ?1E?Av32式中：

Cp-功率系数；P-风力机实际获得的功率。

2) 力矩系数

使风力机旋转的转矩（旋转力），称为力矩M，CM称为力矩系数，力矩系数是衡量在风所产生的旋转力中，风力机到底能从中获得多少可以作为力矩来利用的性能评价指标，有如下公式：

CM?M1?Av2R2 （27-3）

式中：

CM-风轮旋转的力矩系数；M-风轮力矩；R-风轮半径。 3) 推力系数

风向后推风力机的力称为推力T，CT为推力系数，推力系数是衡量在由风所产生的力中有多少是作为将风力机向后推的推力来作用的性能评价指标，有如下公式：

CT?T1?Av22 （27-4）

式中：

CT-推力系数；T-风向后推风力机的力。 4) 最大风能利用系数

利用流体力学的基本理论可以推导出升力型风力机能够从风中获得的理论最大功率系数Cpmax=0.593，0.593就是最大风能利用系数，又称贝茨极限。这说明风力机从风中所获得能量的最高效率不会超过60%。 27.2.3 实验装置

如图27.1所示风力机是安装在低速风洞中的水平轴风力机,系统主要由风力机、控

图27.1是安装在低速风洞试验段中的水平轴风力机 图27.2 风力机实验系统连接示意图

制器和蓄电池组成,包括风轮、传动装置（增速齿轮箱）、做功装置（发电机）、控制系统

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第三部分 研究创新性实验

（调速机构、风向标及控制器）、蓄能装置（蓄电池）、塔架，以及附属装置等，控制器与风力机及蓄电池连接如图27.2所示。 风力机型号为NE300型,额定功率：300W，额定电压：24V。控制器型号为SSWC-06-1224-TA，可控制风力发电机对蓄电池进行安全高效的充电，同时提供两路均有3种输出控制方式的直流输出，以供不同的特性负载灵活使用。控制器带LCD液晶显示，可显示蓄电池当前电压与电量，显示风机当前整流后电压与充电电流等参数，还可以显示设备异常情况及设置有关参数等。 27.2.4 翼型叶片设计

风力机的效率主要是由叶片决定的,因此,设计气动性能良好的风力机叶片极为重要。目前国内外用不同设计方法设计出各种厚度风力机翼型,针对形状复杂的风力机翼型及叶片展开了具有普遍意义的研究工作。设计并加工新叶片后，可通过本实验装置测试不同翼型叶片气动性能参数风能利用系数（功率系数）Cp,通过风洞测力天平还可以测试不同翼型叶片气动性能参数风轮旋转的力矩系数CM和推力系数CT等参数。

27.3 实验方法与步骤

a) 按图27.2所示连接各组件后仔细检查每个端子的正负极是否正确，接线端子是

否都拧紧。

b) 开启蓄电池开关，给控制器供电。控制器初始化后夜晶显示器显示蓄电池当前

电压及电量。

c) 开启风洞,将风速设定为5m/s、8m/s、11m/s。分别观察和记录风力机发电产生

的充电电流与风力机当前电压。数据记录到表27.1中。

d) 更换叶片，重复步骤3，比较不同叶片风力发电效果（功率系数）。

e) 将不同叶片安装到风洞测力天平上，测试不同翼型叶片产生的力矩与推力，得

到风力机力矩系数与推力系数。数据记录到表27.2中。

27.4 实验结果及要求

记录及计算数据至下表中：

表27.1 风力机风能利用系数测定数据表 风速 叶片 型号 1#叶片 2#叶片 Uw (V) v= m/s Iw C(A) p Uw (V) v= m/s Iw Cp (A) Uw (V) v= m/s Iw Cp (A) 表中: Uw-风力机当前电压；Iw-充电电流；Cp-功率系数。

表27.2风力机力矩系数与推力系数测定数据表（v= m/s） 风速 力矩系数 推力系数 叶片 型号 1#叶片 2#叶片 UM (mV) (N．m) MCM UT (mV) (N) TCT 表中: UM-风洞天平滚转力矩单元电压输出变化量；M-使风力机旋转的转矩；CM-风力机力矩系数；UT-风洞天平阻力单元电压输出变化量；T-风向后推风力机的力；CT-风力机推力系数。

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27.5 实验分析与讨论

1) 影响风轮功率的因素有哪些？分析2组叶片构成的风力机功率系数有何不同，为什

么？

2) 风力机力矩系数与风能利用系数之间有何关联？

3) 风力机翼型设计的要求是什么？试设计1组额定功率为600W的风力机翼型叶片并

测试其气动性能，要求风能利用系数高、推力系数小。

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