吳勝勝， 包道日娜， 王天博， 劉智峰， 劉恒鑫， 劉 東

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司， 呼和浩特 010000)

啟動(dòng)性能是風(fēng)力機(jī)的重要指標(biāo)，小型風(fēng)力機(jī)往往安裝在用戶側(cè)而不是風(fēng)資源豐富的區(qū)域，在低風(fēng)速下能否完成自啟動(dòng)會(huì)直接影響風(fēng)力機(jī)的發(fā)電性能。小型水平軸風(fēng)力機(jī)普遍采用定槳距結(jié)構(gòu)，為保證低風(fēng)速時(shí)具有較好的啟動(dòng)性能，通常在葉片設(shè)計(jì)之初采用較大扭角來(lái)提高啟動(dòng)性能，但較大的葉片扭角往往使得風(fēng)力機(jī)高風(fēng)速時(shí)風(fēng)能利用率降低，啟動(dòng)性能與輸出性能相互矛盾，因此在葉片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以保證風(fēng)力機(jī)良好的啟動(dòng)性能[1-2]。研究表明，變槳風(fēng)力機(jī)不僅可以通過改變槳距角提高風(fēng)能利用率，還可以實(shí)現(xiàn)大風(fēng)條件下控制輸出功率、降低風(fēng)輪運(yùn)行載荷。此外，啟動(dòng)過程中采用較大正槳距角可以產(chǎn)生大的啟動(dòng)力矩，有助于改善低風(fēng)速下的啟動(dòng)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(shù)和起動(dòng)時(shí)間的組合為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法結(jié)合葉素動(dòng)量理論求解葉片幾何形狀，結(jié)果表明通過合理設(shè)置葉片弦長(zhǎng)、扭角等參數(shù)可以縮短風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)間，同時(shí)保證功率系數(shù)小幅下降。唐新姿等[6]采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，以提高年發(fā)電量和降低啟動(dòng)風(fēng)速，結(jié)果得出優(yōu)化后葉片扭角較原始葉片有所增加，風(fēng)輪啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提高，啟動(dòng)風(fēng)速降低。Zhu等[7]研究了在低速風(fēng)洞中，不同槳距角雙葉片水平軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)性能，結(jié)果表明當(dāng)葉尖速比小于1時(shí)，隨著槳距角的增加功率系數(shù)與扭矩系數(shù)均增大，即風(fēng)力機(jī)在較大槳距角時(shí)啟動(dòng)性能得以改善。Ismail等[8]研究了翼型中弦長(zhǎng)、扭角分布對(duì)小型水平軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)扭矩的影響，結(jié)果表明弦長(zhǎng)與扭角的改變都會(huì)影響葉片的啟動(dòng)扭矩，但扭角對(duì)啟動(dòng)扭矩的影響更顯著。

綜上所述，目前關(guān)于小型水平軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的研究主要是通過改變定槳距風(fēng)力機(jī)葉片外形參數(shù)進(jìn)行分析，綜合考慮了啟動(dòng)性能與功率輸出性能。筆者針對(duì)某小型水平軸變槳風(fēng)力機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)研究，分析不同槳距角對(duì)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程中靜態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)風(fēng)速的影響，同時(shí)通過數(shù)值模擬計(jì)算研究風(fēng)力機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，槳距角變化過程中的氣動(dòng)性能，對(duì)該風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有實(shí)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，V0為風(fēng)速，W為相對(duì)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(zhuǎn)平面的夾角；攻角是相對(duì)速度與弦線的夾角；入流角是相對(duì)速度與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)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(fēng)洞試驗(yàn)中，風(fēng)向垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面，風(fēng)力機(jī)處于靜止時(shí)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度Ω為零，相對(duì)速度W等于V0，且速度方向與風(fēng)速方向一致，入流角φ=90°，即α+β=90°，此時(shí)阻力為D′與風(fēng)速方向一致，升力為L(zhǎng)′與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向一致。升力和阻力通常用無(wú)量綱的升力系數(shù)和阻力系數(shù)表示，升力系數(shù)與阻力系數(shù)的比值稱為升阻比，可用來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。不同翼型的風(fēng)力機(jī)均存在一個(gè)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(shí)氣動(dòng)性能最好。風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)初期風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)入流角固定，改變槳距角會(huì)直接影響攻角大小，從而影響風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能。

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)風(fēng)洞簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)在某6 m×6 m×25 m大型多用途回流式風(fēng)洞內(nèi)6 m×6 m開口段進(jìn)行(如圖2所示)，該風(fēng)洞按照GJB 1179—1991 《高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)規(guī)范》設(shè)計(jì)建造，模型區(qū)氣流中心湍流度小于0.5%，動(dòng)力段最大功率450 kW，開口段最高風(fēng)速可達(dá)30 m/s。

(a) 試驗(yàn)段

2.2 試驗(yàn)裝置

風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程扭矩測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖3所示，包括底板、風(fēng)輪、主軸、主軸支架、軸承、聯(lián)軸器、扭矩儀支架、扭矩儀和發(fā)電機(jī)等。

圖3 啟動(dòng)過程扭矩測(cè)試裝置

試驗(yàn)中風(fēng)力機(jī)翼型為NACA4412，風(fēng)輪直徑為3 060 mm，葉片長(zhǎng)度為1 380 mm，葉片數(shù)為3，具體葉片尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 葉片尺寸參數(shù)

變槳風(fēng)力機(jī)整機(jī)啟動(dòng)性能測(cè)試樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該風(fēng)力機(jī)輪轂內(nèi)部安裝有3個(gè)定制加工的齒條，齒條可實(shí)現(xiàn)軸向(發(fā)電機(jī)主軸軸向)移動(dòng)并與齒輪配合；齒輪通過花鍵軸固定安裝于葉片傳動(dòng)件底部；葉片傳動(dòng)件法蘭與變槳軸承內(nèi)圈連接，變槳軸承外圈安裝于輪轂法蘭處，以實(shí)現(xiàn)葉片與輪轂之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到改變?nèi)~片槳距角的目的；輪轂內(nèi)部變槳裝置通過傳動(dòng)桿穿過發(fā)電機(jī)中空軸與風(fēng)力機(jī)尾部的導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊與變槳?jiǎng)幼鳌?/p>

圖4 變槳風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 研究方法

小型水平軸變槳風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能試驗(yàn)研究主要包括扭矩測(cè)試試驗(yàn)和整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)兩部分，其中扭矩測(cè)試試驗(yàn)包括風(fēng)力機(jī)不同槳距角條件下的靜態(tài)扭矩和動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速測(cè)試(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)試驗(yàn))。靜態(tài)扭矩試驗(yàn)主要研究風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速和槳距角下的最大靜態(tài)扭矩，分析槳距角對(duì)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)扭矩的影響特性；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要研究風(fēng)力機(jī)從靜止到穩(wěn)定運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速變化情況。整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證扭矩測(cè)試試驗(yàn)的分析測(cè)試結(jié)果，并確定該風(fēng)力機(jī)最佳啟動(dòng)槳距角范圍，為后續(xù)變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

試驗(yàn)參考GB/T 19068.3—2019 《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第3部分：風(fēng)洞試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行，風(fēng)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(tài)扭矩測(cè)試時(shí)，通過將發(fā)電機(jī)三相電源線短接制動(dòng)，測(cè)量采集風(fēng)速穩(wěn)定在某一值時(shí)，不同槳距角下的靜態(tài)扭矩；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程則在風(fēng)速不變的情況下，通過解除發(fā)電機(jī)制動(dòng)使其處于空載狀態(tài)，記錄風(fēng)力機(jī)在該風(fēng)速下從靜止過渡到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)速變化情況，分析不同槳距角時(shí)該風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)啟動(dòng)特性。

此外，為驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，得到風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，槳距角變化過程中的相關(guān)氣動(dòng)性能，采用Creo建模軟件建立不同槳距角風(fēng)輪三維模型，利用Ansys CFX模塊對(duì)不同槳距角風(fēng)力機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)風(fēng)輪扭矩值進(jìn)行模擬計(jì)算。圖5給出了計(jì)算域幾何尺寸(圖中d為風(fēng)輪直徑)。整個(gè)計(jì)算域分為外部流場(chǎng)域和內(nèi)部加密域，流場(chǎng)域中來(lái)流方向定義為速度入口(Inlet)，出口為壓力出口(Outlet)，壁面為無(wú)滑移壁面(Wall)，外部流場(chǎng)域與內(nèi)部加密域的交界面設(shè)置為Interface，并將內(nèi)部加密域模型設(shè)置為靜止。為保證計(jì)算精度，在網(wǎng)格劃分過程中，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片及周圍局域不斷加密，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。當(dāng)整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)達(dá)到864萬(wàn)后風(fēng)輪模擬扭矩趨于平穩(wěn)。

圖5 計(jì)算域幾何尺寸

4 結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)輪靜態(tài)扭矩分析

風(fēng)力機(jī)完成自啟動(dòng)過程需要克服系統(tǒng)的靜態(tài)阻力矩，主要包括永磁發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、軸承摩擦力矩等，而風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的氣動(dòng)扭矩是使風(fēng)力機(jī)克服上述阻力完成自啟動(dòng)的動(dòng)力源，此外風(fēng)力機(jī)在啟動(dòng)開始階段的靜態(tài)阻力矩往往比開始運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)阻力矩大得多，分析不同槳距角、風(fēng)速條件下風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)扭矩，對(duì)進(jìn)一步了解該風(fēng)力機(jī)不同工況下的啟動(dòng)特性至關(guān)重要[10-11]。

圖6給出了不同風(fēng)速條件下，風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的變化曲線。從圖6可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)一致，在同一風(fēng)速下，風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；不同風(fēng)速條件下靜態(tài)扭矩均在10°槳距角時(shí)處于最小值，在50°槳距角時(shí)達(dá)到最大；風(fēng)速分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s時(shí)，50°槳距角下的靜態(tài)扭矩約為10°槳距角下的靜態(tài)扭矩的2.2倍，且40°槳距角與50°槳距角下的靜態(tài)扭矩值變化不大；當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，槳距角分別為30°、40°、50°和60°時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果比模擬結(jié)果顯著偏低，二者相對(duì)誤差最大為22%左右，造成這種現(xiàn)象的主要原因是：以上工況條件下，由于發(fā)電機(jī)制動(dòng)力矩有限，在測(cè)量時(shí)風(fēng)輪出現(xiàn)滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)得的并非靜態(tài)扭矩，而屬于動(dòng)態(tài)扭矩，所以試驗(yàn)結(jié)果比模擬結(jié)果偏低；其他工況下，發(fā)電機(jī)制動(dòng)均能保證風(fēng)輪不發(fā)生滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均在14%以內(nèi)，所以認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。

圖6 風(fēng)輪靜態(tài)扭矩隨槳距角的變化

4.2 啟動(dòng)過程風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分析

風(fēng)力機(jī)在啟動(dòng)過程中，風(fēng)輪從靜止過渡到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化受風(fēng)速、槳距角以及風(fēng)輪實(shí)度的影響較大，因此重點(diǎn)研究槳距角和風(fēng)速對(duì)該風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的影響。試驗(yàn)過程中采集得到70 s內(nèi)不同風(fēng)速、槳距角條件下，風(fēng)力機(jī)在空載狀態(tài)下從靜止過渡到穩(wěn)定運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況。在某一穩(wěn)定風(fēng)速給定后，采用發(fā)電機(jī)三相電源線短接制動(dòng)，使風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)(0～30 s)，30 s時(shí)解除發(fā)電機(jī)制動(dòng)，記錄空載狀態(tài)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的變化情況(30～70 s)。

圖7給出了風(fēng)速分別為4 m/s、5 m/s和6 m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化。從圖7可以看出，整個(gè)啟動(dòng)過程大致分為加速和穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)階段，即在發(fā)電機(jī)解除制動(dòng)后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速逐漸上升，然后趨于穩(wěn)定。

(a) 風(fēng)速4 m/s

對(duì)比不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)過程，風(fēng)速為4 m/s時(shí)，10°、20°和60°槳距角下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速始終為零，即風(fēng)力機(jī)在該狀態(tài)下無(wú)法完成自啟動(dòng)；風(fēng)速為5 m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)只在10°槳距角下無(wú)法完成自啟動(dòng)；風(fēng)速為6 m/s各槳距角下均可完成自啟動(dòng)過程。因此，該風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速條件下，槳距角保持在較大角度更容易啟動(dòng)；在6 m/s時(shí)由于發(fā)電機(jī)制動(dòng)力矩不足，其在制動(dòng)過程中存在2～4 r/min的旋轉(zhuǎn)速度。

在同一風(fēng)速下，槳距角越大風(fēng)輪達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速越低，風(fēng)速為4 m/s時(shí)，30°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為42.46 r/min，50°槳距角穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為17.33 r/min，轉(zhuǎn)速降低了59%；而在同一槳距角時(shí)，風(fēng)速越高穩(wěn)定階段達(dá)到的轉(zhuǎn)速越高，槳距角為30°時(shí)，風(fēng)速6 m/s時(shí)其穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)速平均值為74.60 r/min，比風(fēng)速為4 m/s時(shí)提高了75.7%。

4.3 啟動(dòng)過程葉片氣動(dòng)性能分析

為分析風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)過程中，不同槳距角條件下的葉片氣動(dòng)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)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(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，且越靠近葉尖分離渦越明顯，流動(dòng)分離點(diǎn)越靠近前緣，這表現(xiàn)出與風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)截然相反的氣動(dòng)性能。主要原因是：葉片槳距角一定，風(fēng)力機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，葉根處無(wú)明顯流動(dòng)分離現(xiàn)象，此時(shí)該區(qū)域氣動(dòng)性能較好，為啟動(dòng)力矩的主要?jiǎng)恿Ξa(chǎn)生區(qū)域；而風(fēng)力機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的切向速度，且越靠近葉尖旋轉(zhuǎn)切向速度越大，此時(shí)葉素合速度方向與風(fēng)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(zhuǎn)時(shí)葉尖處為主要?jiǎng)恿Ξa(chǎn)生區(qū)域，葉片靜止時(shí)葉根區(qū)域?yàn)橹饕獎(jiǎng)恿υ碵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(shí)，氣流從翼型吸力面前緣開始脫離壁面，出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象，且在后緣位置出現(xiàn)較大漩渦，40°時(shí)流動(dòng)分離點(diǎn)向吸力面后緣區(qū)域轉(zhuǎn)移，50°時(shí)未發(fā)生明顯流動(dòng)分離現(xiàn)象；即槳距角較小時(shí)，葉片葉根處流動(dòng)分離區(qū)域越大，分離點(diǎn)越靠近前緣，失速越嚴(yán)重。

圖9給出了風(fēng)速為4 m/s時(shí)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(fēng)面為正壓(壓力面)，背風(fēng)面為負(fù)壓(吸力面)；當(dāng)槳距角一定時(shí)，葉根到葉尖各截面最大壓力值均出現(xiàn)在壓力面前緣區(qū)域，最小壓力值出現(xiàn)在葉根R=375 mm截面葉素吸力面前緣區(qū)域。隨著槳距角的增加，壓力面最大壓力區(qū)域向前緣集中，且最大壓力值均為10 Pa左右，吸力面最大負(fù)壓區(qū)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(shí)最小壓力分別為-45 Pa和-35 Pa左右，而槳距角為20°和30°時(shí)最小壓力均為-12 Pa左右。風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)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(shí)，該風(fēng)力機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)氣動(dòng)性能較好，能夠產(chǎn)生較大的靜態(tài)啟動(dòng)力矩。

圖9 風(fēng)速4 m/s時(shí)葉素壓力云圖

4.4 不同槳距角啟動(dòng)風(fēng)速測(cè)試

為驗(yàn)證理論分析結(jié)果，同時(shí)保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，測(cè)試變槳風(fēng)力機(jī)整機(jī)測(cè)試設(shè)備與扭矩測(cè)試設(shè)備2種條件下風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速。試驗(yàn)首先在扭矩測(cè)試設(shè)備條件下進(jìn)行，然后拆下扭矩測(cè)量裝置，組裝完成變槳調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行整機(jī)啟動(dòng)性能測(cè)試，如圖10所示。

圖10 變槳風(fēng)力機(jī)整機(jī)啟動(dòng)性能測(cè)試裝置

測(cè)試過程中使發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，然后逐漸提高風(fēng)速，記錄不同槳距角下風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)的風(fēng)速，即為該狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速。圖11給出了扭矩測(cè)試設(shè)備條件與變槳風(fēng)力機(jī)整機(jī)測(cè)試條件下，各槳距角下的啟動(dòng)風(fēng)速測(cè)試結(jié)果。

圖11 不同槳距角下的啟動(dòng)風(fēng)速

風(fēng)力機(jī)在2種測(cè)試條件下的啟動(dòng)風(fēng)速隨槳距角變化趨勢(shì)一致，均在槳距角為40°和50°時(shí)擁有較低啟動(dòng)風(fēng)速，但整機(jī)設(shè)備測(cè)試結(jié)果較扭矩設(shè)備測(cè)試結(jié)果低，造成該現(xiàn)象的原因主要是由于整機(jī)測(cè)試時(shí)，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)直接相連，啟動(dòng)過程風(fēng)力機(jī)主要克服發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，而扭矩測(cè)試設(shè)備除了需克服發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩外，還要克服各軸安裝不對(duì)中導(dǎo)致的阻力矩以及外加的主軸承摩擦力矩。

根據(jù)風(fēng)洞測(cè)試以及理論分析結(jié)果表明，所測(cè)試樣機(jī)在槳距角為40°和50°時(shí)擁有較低的啟動(dòng)風(fēng)速，但槳距角為40°時(shí)可兼顧最小的啟動(dòng)風(fēng)速和較大的旋轉(zhuǎn)速度，試驗(yàn)條件測(cè)得最低啟動(dòng)風(fēng)速為3.7 m/s。

5 結(jié) 論

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

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

(3) 風(fēng)力機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，表現(xiàn)出與高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下截然相反的氣動(dòng)性能。當(dāng)槳距角不變時(shí)，越靠近葉尖流動(dòng)分離現(xiàn)象越明顯；槳距角越小，葉片葉根處流動(dòng)分離區(qū)域越大，分離點(diǎn)越靠近前緣。

(4) 槳距角變化時(shí)，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(shí)，葉片葉根區(qū)域壓力面與吸力面壓差較大，此時(shí)該區(qū)域氣動(dòng)性能較好，為啟動(dòng)力矩的主要?jiǎng)恿Ξa(chǎn)生區(qū)域。

(5) 在2種測(cè)試條件下測(cè)得風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速隨槳距角的增大變化趨勢(shì)一致，均在槳距角為40°、50°時(shí)擁有較低啟動(dòng)風(fēng)速，試驗(yàn)測(cè)得最低啟動(dòng)風(fēng)速為3.7 m/s。

分析結(jié)果對(duì)該型變槳風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，同時(shí)對(duì)研究變槳風(fēng)力機(jī)不同槳距角下的啟動(dòng)特性具有重要參考價(jià)值。