內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 馮國(guó)英 劉志璋 包道日娜

廣州紅鷹能源科技有限公司 戴文平

一 引言

目前，大型風(fēng)力機(jī)多采用主動(dòng)變槳距進(jìn)行大風(fēng)限速，而小型風(fēng)力機(jī)的大風(fēng)限速方式卻不斷趨于多樣化。小型風(fēng)力機(jī)的大風(fēng)限速方式可分為空氣動(dòng)力控制、電磁控制和機(jī)械剎車?？諝鈩?dòng)力控制包括風(fēng)輪側(cè)偏或上仰、失速控制和變槳距控制[1,2]。電磁控制包括電磁剎車(發(fā)電機(jī)三相輸出短接)、泄荷器和漸進(jìn)式電磁控制[3]。其中空氣動(dòng)力控制和漸進(jìn)式電磁控制可進(jìn)行風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)，電磁剎車、泄荷器、機(jī)械剎車啟動(dòng)后風(fēng)力機(jī)會(huì)逐漸停止功率輸出。

采用不同空氣動(dòng)力限速方式的風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)上會(huì)有所不同，如采用風(fēng)輪側(cè)偏的風(fēng)力機(jī)其尾舵可繞尾梢轉(zhuǎn)動(dòng)，采用變槳距控制的風(fēng)力機(jī)其葉片和輪轂需要特別設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)多樣性使小型風(fēng)力機(jī)仿真模型的建立變得更為復(fù)雜。小型風(fēng)力機(jī)不同于大型風(fēng)力機(jī)的另外一個(gè)特點(diǎn)是尾舵對(duì)風(fēng)，這一性能會(huì)直接影響風(fēng)力機(jī)功率和載荷[4]。本文主要介紹小型風(fēng)力機(jī)各種空氣動(dòng)力限速機(jī)構(gòu)及其仿真模型的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，以及尾舵空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的研究進(jìn)展，為我國(guó)小風(fēng)電研究工作提供參考。

二 小型風(fēng)力機(jī)的大風(fēng)限速方式

目前，小型風(fēng)力機(jī)常見(jiàn)的大風(fēng)限速方式有風(fēng)輪側(cè)偏或上仰、被動(dòng)變槳距和被動(dòng)失速。按照歐盟小風(fēng)電發(fā)展策略項(xiàng)目組(SWIIS)[5]的研究結(jié)論，在年平均風(fēng)速Vmean小于5m/s、最大參考風(fēng)速Vref為20m/s的地區(qū)，小型風(fēng)力機(jī)可不需任何大風(fēng)限速措施；Vmean小于7m/s、Vref為30～35m/s的地區(qū)，可使用風(fēng)輪側(cè)偏或上仰限速方式；Vmean高于11m/s、Vref為60m/s的地區(qū)，需要使用變槳距限速方式。

對(duì)于直徑小于1m的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常不設(shè)空氣動(dòng)力限速裝置。這種風(fēng)力機(jī)主要用于為蓄電池充電，為了防止蓄電池過(guò)充及蓄電池充滿后風(fēng)輪發(fā)生飛車，風(fēng)力機(jī)常配有泄荷器。泄荷器也用于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，美國(guó)Abundant Renewable Energy的10kW風(fēng)力機(jī)就使用泄荷器吸收超出逆變器允許范圍的額外功率[6]。另外，泄荷器有時(shí)也被當(dāng)作“柔性”電磁剎車使用[4]。

1 風(fēng)輪側(cè)偏

配重式風(fēng)輪側(cè)偏是目前使用最普遍的一種小型風(fēng)力機(jī)限速方式。如博力公司的1kW、5kW和10kW風(fēng)力機(jī)，美國(guó)西南公司的Wisper系列風(fēng)力機(jī)，英國(guó)Marlec的1kW以下風(fēng)力機(jī)，F(xiàn)ortis的10kW、5kW和1.4kW風(fēng)力機(jī)都采用風(fēng)輪側(cè)偏限速機(jī)構(gòu)。風(fēng)輪上仰在小型風(fēng)力機(jī)上也有所應(yīng)用，如西班牙Bornay生產(chǎn)的0.6～6kW系列風(fēng)力機(jī)。

與大型風(fēng)力機(jī)相比，小型風(fēng)力機(jī)技術(shù)發(fā)展較為緩慢。國(guó)內(nèi)關(guān)于風(fēng)輪側(cè)偏控制方式的研究文獻(xiàn)很少，肖占俊[7]根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)文獻(xiàn)[11]和[12]提出的傳統(tǒng)配重式風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法做了改進(jìn)；張維智[8]設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶折尾機(jī)構(gòu)的500W風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生折尾后輸出功率將大幅下降。

相關(guān)研究指出風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)主要有以下特點(diǎn):

(1)風(fēng)輪側(cè)偏和回位對(duì)應(yīng)的風(fēng)速具有不確定性。風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)受湍流的影響較大，風(fēng)輪側(cè)偏和回位對(duì)應(yīng)的風(fēng)速及風(fēng)輪側(cè)偏角與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有一定的不確定性。此外，風(fēng)切變也會(huì)影響風(fēng)輪側(cè)偏性能[9]。如Berger 10kW[10]風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速增加到約14.8m/s時(shí)尾舵開始發(fā)生側(cè)偏，當(dāng)風(fēng)速在13.4～17.9m/s之間變化時(shí)，尾舵處于側(cè)偏－回位－側(cè)偏的擺動(dòng)狀態(tài)，這種不斷的擺動(dòng)是我們不希望發(fā)生的。Bowen[11]認(rèn)為是湍流及其引起的尾翼對(duì)風(fēng)不準(zhǔn)確最終導(dǎo)致了風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)沒(méi)有按照設(shè)計(jì)的情況運(yùn)行。NREL對(duì)ARE442(額定功率10kW)的測(cè)試[6]也表明大風(fēng)時(shí)存在尾舵沒(méi)有偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值的情況。

(2)湍流影響風(fēng)力機(jī)的發(fā)電量和風(fēng)輪載荷。總體來(lái)說(shuō)，湍流強(qiáng)度越高，風(fēng)力機(jī)發(fā)電量越少，風(fēng)輪載荷越大[12,13]。Riziotis等[12]指出湍流是影響風(fēng)力機(jī)疲勞壽命的一個(gè)最重要的因素。

(3)功率與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系不確定。Bowen[11]、Summerville[14]、William[13]的風(fēng)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明風(fēng)力機(jī)功率散點(diǎn)圖存在上下兩個(gè)分支。Bowen和Summerville認(rèn)為其原因是尾舵回位對(duì)應(yīng)的風(fēng)速要小于尾舵折尾對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，上面的分支對(duì)應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)，下面的分支對(duì)應(yīng)于折尾狀態(tài)。但Jorge[15]的研究卻顯示了不同的結(jié)果，風(fēng)力機(jī)在負(fù)載為12V、24V和48V蓄電池時(shí)功率散點(diǎn)圖都沒(méi)有出現(xiàn)分支，但在負(fù)載為12V蓄電池并聯(lián)一個(gè)電阻時(shí)，功率散點(diǎn)圖出現(xiàn)了上下兩個(gè)分支，且并聯(lián)電阻值越小，分支越明顯。Jorge認(rèn)為功率值較低的分支是由葉片失速引起的，風(fēng)速上升時(shí)，由于風(fēng)輪重載運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升較慢，導(dǎo)致攻角較大，葉片運(yùn)行在失速狀態(tài)，從而風(fēng)力機(jī)功率較??；一旦葉片脫離了失速運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率會(huì)快速上升，從而形成功率散點(diǎn)圖上面的分支。

(4)高風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定功率。張維智[8]、Bikdash[10]、Bowen[11]、NREL[16]等的測(cè)試結(jié)果表明高風(fēng)速時(shí)尾舵通常會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，風(fēng)輪側(cè)偏后功率明顯下降，使得高風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定功率。但也偶爾出現(xiàn)高風(fēng)速時(shí)風(fēng)輪未發(fā)生側(cè)偏致使風(fēng)輪超速運(yùn)行的情況。

(5)具有風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速較高，這是因?yàn)槠木鄷?huì)引起風(fēng)輪對(duì)風(fēng)偏差[6,17]，從而使作用的風(fēng)輪上有效風(fēng)速降低。

2 被動(dòng)變槳距

被動(dòng)變槳距分為向順槳方向變槳距和向失速方向變槳距。向順槳方向變槳矩是指葉片向槳矩角減小的方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速在13～25m/s的范圍內(nèi)，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍通常為4?～26?；向失速方向變槳矩是指葉片向槳矩角增大的方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速在13～25m/s的范圍內(nèi)，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍為0?～?4?[5]。向失速方向變槳矩的優(yōu)點(diǎn)是葉片旋轉(zhuǎn)角度較小，缺點(diǎn)是葉片失速后的空氣動(dòng)力很難準(zhǔn)確估算[13]。

德國(guó)Superwind的350W風(fēng)力機(jī)使用離心式被動(dòng)變槳矩控制，在風(fēng)速12～60m/s范圍內(nèi)，配重的離心力驅(qū)動(dòng)葉片向順槳方向旋轉(zhuǎn)約30?，以維持額定功率輸出[5]。EOLTEC的6kW風(fēng)力機(jī)、Ampair的300W和600W風(fēng)力機(jī)使用的是向失速方向變槳距的離心式被動(dòng)變槳距限速方式。Pitchwind AB公司的PW14/30風(fēng)力機(jī)使用被動(dòng)變槳矩控制，但驅(qū)使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的是葉片的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。葉尖制動(dòng)也是一種被動(dòng)變槳距方式，如Ventera Energy公司的VT10使用葉尖制動(dòng)作為大風(fēng)限速方式，NREL的測(cè)試結(jié)果[18]表明，轉(zhuǎn)速在220～240r/min時(shí)葉尖制動(dòng)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速低于220r/min時(shí)葉尖在彈簧力的作用下回位。

關(guān)于被動(dòng)變槳距的研究文獻(xiàn)并不多。Hertel[1]的模擬仿真結(jié)果表明，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，變槳距控制的風(fēng)力機(jī)可實(shí)現(xiàn)在高風(fēng)速時(shí)輸出功率不發(fā)生明顯下降，但目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能證明這一點(diǎn)。

3 失速控制

小型風(fēng)力機(jī)的失速控制包括被動(dòng)失速和柔性失速兩種方式。被動(dòng)失速控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，90年代初該限速方法廣泛應(yīng)用于定轉(zhuǎn)速、定槳矩的中、大型風(fēng)電機(jī)組[19]。該控制方法的工作原理是風(fēng)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)速保持不變，作用于葉片上的攻角增大，氣流從葉片表面脫離，從而發(fā)生失速。

目前，大型風(fēng)電機(jī)組以變槳距控制為主，而越來(lái)越多的并網(wǎng)運(yùn)行的小型風(fēng)力機(jī)開始青睞于失速控制，但使用的仍然是定轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式。如英國(guó)Gazelle的20kW風(fēng)力機(jī)、Gaia-Wind的11kW風(fēng)力機(jī)、德國(guó)Aerodyn和SMA合作生產(chǎn)的AeroSmart 5kW風(fēng)力機(jī)、美國(guó)Endurance的5kW、35kW、50kW風(fēng)力機(jī)。失速控制要求葉片本身具有較好的失速性能，且通常使用的是異步發(fā)電機(jī)，可直接與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)就像一個(gè)大飛輪，無(wú)論風(fēng)速的大小，始終將風(fēng)輪保持在定轉(zhuǎn)速(或者轉(zhuǎn)速變化非常小)運(yùn)行狀態(tài)[20]。定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)較為成熟，其并網(wǎng)逆變器價(jià)格要遠(yuǎn)低于變轉(zhuǎn)速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)的逆變器。

應(yīng)用于變轉(zhuǎn)速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)的被動(dòng)失速控制又稱為柔性失速。柔性失速在理論上可行，但與定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)相比，其并網(wǎng)所需的變頻器價(jià)格較高，且容量較大的定槳矩風(fēng)力機(jī)通常需要配置葉尖制動(dòng)裝置，這使得風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，使其相對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)的優(yōu)勢(shì)大打折扣。鑒于以上原因，該技術(shù)至今尚未應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)行的大型風(fēng)力機(jī)[19]。但該技術(shù)在小型風(fēng)力機(jī)上已有所應(yīng)用。美國(guó)西南公司的Skystream 3.7風(fēng)力機(jī)使用失速控制，與傳統(tǒng)的失速控制的風(fēng)力機(jī)不同，該風(fēng)力機(jī)可變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，且使用的是永磁發(fā)電機(jī)[21]。

柔性失速(Soft-Stall)是指大風(fēng)時(shí)通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使風(fēng)輪在較低尖速比狀態(tài)下運(yùn)行，使葉片發(fā)生失速，降低風(fēng)能利用系數(shù)，從而達(dá)到控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率的目的。Muljadi[22]從空氣動(dòng)力學(xué)角度分析了柔性失速的工作原理，但并未通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，也沒(méi)有分析該控制方法的實(shí)現(xiàn)手段。Neal[23]提出了在風(fēng)力提水機(jī)上使用調(diào)節(jié)電阻實(shí)現(xiàn)柔性失速控制的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法可提高系統(tǒng)功率輸出，增加提水量。Bourlis[24]和Bystryk[25]分析了變速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)的失速控制原理及控制方案。Ahmed[26]將柔性失速應(yīng)用于一臺(tái)垂直軸小型風(fēng)力機(jī)，并設(shè)計(jì)了控制器，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示控制器可以工作在柔性失速模式。

柔性失速主要存在以下兩個(gè)缺陷，從而影響了它的廣泛應(yīng)用。(1)控制不穩(wěn)定，在陣風(fēng)情況下控制可能失效。(2)柔性失速控制策略的實(shí)現(xiàn)有一定難度。如果控制響應(yīng)速度太慢，風(fēng)力機(jī)可能會(huì)超速運(yùn)行，甚至起不到限制轉(zhuǎn)速的作用；如果響應(yīng)速度太快，發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，影響電氣設(shè)備使用壽命；另外，發(fā)電機(jī)電流快速增大的結(jié)果是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快速下降，從而引起較大的機(jī)械載荷。

三 小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

1 風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型多是針對(duì)具有風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)建立的。Muljiadi[27]給出了風(fēng)輪側(cè)偏力矩和尾舵回位力矩的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，以及風(fēng)力機(jī)關(guān)于塔架中心軸的運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)采用風(fēng)輪側(cè)偏和柔性失速兩種方式綜合控制的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了模擬分析。Bialasiewicz[28]給出了風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、整流器、控制器(最大功率跟蹤)和帶阻尼的風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，并編寫了仿真程序，模擬結(jié)果表明增加折尾阻尼會(huì)降低折尾速度，延長(zhǎng)折尾時(shí)間，從而減小折尾過(guò)程增加的風(fēng)力機(jī)載荷，但是會(huì)降低風(fēng)能利用系數(shù)。以上研究對(duì)風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化的主要內(nèi)容為:

(1)計(jì)算風(fēng)輪側(cè)偏力矩時(shí)只考慮風(fēng)輪推力的影響，風(fēng)輪推力系數(shù)簡(jiǎn)化為只隨尖速比變化的函數(shù)。

(2)假設(shè)風(fēng)輪側(cè)偏角與尾舵偏轉(zhuǎn)角相等。

(3)假設(shè)尾翼氣動(dòng)中心到尾銷的距離與尾翼氣動(dòng)中心到塔架中心軸的距離相等。

(4)尾舵回位力矩簡(jiǎn)化為尾舵偏轉(zhuǎn)角的一次函數(shù)。

以上簡(jiǎn)化使仿真模型無(wú)法用于分析各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)側(cè)偏性能的影響。Bikdash[10]和Audierne等[29]建立了廣義坐標(biāo)下的風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)的拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程，在計(jì)算風(fēng)輪側(cè)偏力矩時(shí)采用了以BEM為基礎(chǔ)的風(fēng)輪葉片空氣動(dòng)力學(xué)模型，不同的是Audierne等建立模型是沒(méi)有考慮風(fēng)輪上仰角，而Bikdash沒(méi)有考慮風(fēng)輪尾流對(duì)作用在尾翼上的風(fēng)速的影響。Audierne等[29]采用其建立的風(fēng)輪側(cè)偏機(jī)構(gòu)模型詳細(xì)分析了風(fēng)輪側(cè)偏特性及其影響因素，并且給出了處于風(fēng)輪尾流區(qū)域中尾翼上風(fēng)速的計(jì)算方法。

2004年，F(xiàn)AST風(fēng)力機(jī)模擬仿真平臺(tái)[30]中加入了風(fēng)輪側(cè)偏的計(jì)算模型，其中包括目前小風(fēng)機(jī)常用的風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。FAST是目前考慮因素最為全面、源代碼對(duì)公眾開放的小型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，并且是通過(guò)專業(yè)認(rèn)證[31]的可用于小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的仿真軟件。

2 被動(dòng)變槳距風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

目前，關(guān)于被動(dòng)變槳距風(fēng)輪結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究成果較少。Hertel等[1]建立了偏心式被動(dòng)變槳距(向順槳方向)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)變槳距風(fēng)輪在穩(wěn)態(tài)和湍流風(fēng)況下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明變槳阻尼有助于增加變槳機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，葉片變槳后風(fēng)輪推力減小，但是沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

四 尾舵對(duì)風(fēng)的數(shù)學(xué)模型

1 尾翼空氣動(dòng)力學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模型包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架及尾流模型，用于大型風(fēng)力機(jī)的模型基本也適用于小型風(fēng)力機(jī)，如葉素動(dòng)量理論、葉尖輪轂修正。但與大型風(fēng)力機(jī)不同的是，小型風(fēng)力機(jī)采用尾舵對(duì)風(fēng)，尾翼空氣動(dòng)力學(xué)是專屬于小風(fēng)電的一個(gè)研究方向。

小型風(fēng)力機(jī)利用作用在尾翼上的風(fēng)壓力實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)，而尾流風(fēng)速是影響尾翼風(fēng)壓力的關(guān)鍵因素。動(dòng)量葉素理論[20]給出的風(fēng)輪正對(duì)風(fēng)時(shí)尾流風(fēng)速為:

其中，V為來(lái)流風(fēng)速；α為軸向誘導(dǎo)因子。當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行在最佳尖速比狀態(tài)時(shí)，α為0.33，UW為0.67V。Ackerman[32]給出風(fēng)輪在對(duì)風(fēng)偏差角為θ時(shí)尾流風(fēng)速的表達(dá)式:

其中，ε為氣流膨脹角；Ψ為風(fēng)輪葉片方位角。當(dāng)考慮輪轂對(duì)尾流的影響時(shí)，Magnusson[33]指出風(fēng)輪后的氣流損失呈現(xiàn)“雙峰分布”的形式，由于輪轂的阻擋，“雙峰”的峰谷出現(xiàn)在輪轂后方約1/4風(fēng)輪直徑的位置。但是，在風(fēng)輪后方約一倍的風(fēng)輪直徑的位置，風(fēng)速損失呈“拋物體”分布，風(fēng)速損失的最大值出現(xiàn)在風(fēng)輪中心位置。該“拋物體”與風(fēng)向垂直的截面形狀為橢圓。Audierne等[29]對(duì)Magnusson給出的“拋物體”分布的尾流損失模型進(jìn)行了進(jìn)一步分析，給出了“拋物體”幾何形狀的計(jì)算公式和作用在尾翼上的水平風(fēng)速的表達(dá)式。

風(fēng)輪推力系數(shù)的大小是影響尾流風(fēng)速的一個(gè)重要因素。Magnusson[33]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)輪推力系數(shù)越大，尾流損失越大，尾流風(fēng)速越小。當(dāng)風(fēng)輪重載運(yùn)行時(shí)，風(fēng)輪推力系數(shù)較大，動(dòng)量理論不再適用，需要對(duì)α進(jìn)行修正，使用較多的是Glauert經(jīng)驗(yàn)修正公式[20]。

Larwood[34]測(cè)試了直徑為10m的風(fēng)輪在正對(duì)風(fēng)和側(cè)偏狀態(tài)下的尾流切向速度和軸向速度，為小型風(fēng)力機(jī)尾流模型的修正提供了依據(jù)；另外，測(cè)試結(jié)果也表明尾流速度的不穩(wěn)定程度很大程度上取決于風(fēng)輪葉尖速比，受風(fēng)輪對(duì)風(fēng)狀態(tài)影響較小。

2 尾舵對(duì)風(fēng)運(yùn)動(dòng)方程

小型風(fēng)力機(jī)多采用尾舵對(duì)風(fēng)，這種被動(dòng)對(duì)風(fēng)方式最大的缺點(diǎn)是對(duì)風(fēng)速度較難確定。Ebert[35]采用位勢(shì)理論建立了Delta(尾翼的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分析了尾翼面積和形狀、尾桿長(zhǎng)度對(duì)尾舵阻尼、固有頻率的影響。

最簡(jiǎn)單的尾翼模型為Kristensen[36]給出的“偽靜態(tài)(pseudo-static)”假設(shè)模型，該模型假設(shè)在一定的攻角范圍內(nèi)，作用在尾翼上的升力和阻力是靜態(tài)的。Ebert的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果[35]表明了“偽靜態(tài)”假設(shè)理論的局限性。Ebert將尾舵(不包括風(fēng)輪和機(jī)體)以一定的側(cè)偏角放置于風(fēng)洞之中，保持風(fēng)速不變，然后放開尾舵使其可自由旋轉(zhuǎn)，“偽靜態(tài)”認(rèn)為此時(shí)尾翼會(huì)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，但實(shí)驗(yàn)中尾翼受到很大的阻尼作用。

Katz[37]和Leishman[38]在“偽靜態(tài)”假設(shè)模型的基礎(chǔ)上建立了“非穩(wěn)態(tài)細(xì)長(zhǎng)體(USB)”模型。該模型同樣假設(shè)作用在尾翼上的升力是穩(wěn)態(tài)的，阻力忽略不計(jì)，但增加了阻尼作用，即由和尾翼一起運(yùn)動(dòng)的空氣引起的“附加質(zhì)量”。Bechly等[39]采用USB理論推導(dǎo)了尾翼氣動(dòng)力矩的計(jì)算方法，并建立了尾舵對(duì)風(fēng)運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)證明了風(fēng)輪椎角有助于增加風(fēng)輪對(duì)風(fēng)穩(wěn)定性。Wright A K[17]測(cè)試了各種形狀尾翼的升力、阻力系數(shù)，建立了尾舵對(duì)風(fēng)動(dòng)力學(xué)模型，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果作比較，表明風(fēng)力機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性要高于風(fēng)力機(jī)發(fā)電狀態(tài)下的一致性。

五 結(jié)論

本文綜述了小型風(fēng)力機(jī)的大風(fēng)限速方法及其仿真模型的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了尾舵對(duì)風(fēng)的空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的研究進(jìn)展。

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