紧凑式聚风型风机及其大型化研究

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1、2009年第3期上海电力紧凑式聚风型风机及其大型化研究大屋裕二，乌谷隆，张兴(1．日本九州大学应用力学研究所，日本九州816-8580；2．清华大学航天航空学院，北京)摘要：日本九州大学聚风型风机研究项目致力于开发适用于低风速地区，可将发电效率进一步提高的紧凑式聚风型风机。文章介绍了该风机的原理，进行了发电性能风洞实验验证。关键词：聚风型风机；聚风罩；性能测试；风洞中图分类号：TK83文献标识码：B了在低风速地域也可充分发电、可将发电效率进l引言一步提高的新型风力发电系统一“带边扩张管式随着全球气温不断变暖和化石能源的枯竭，风

2、机”l】]。被称为聚风型的这种风机，由于风机清洁可再生的风力资源的利用得到了飞速发展，周围加上聚风罩后，可使进口处附近的风速增加。在新能源领域已发挥着愈来愈大的作用。日本设根据发电量和风速的3次方关系，聚风型风机大计中的10MW级风机和l0MW级数台风机组幅提升了风力发电效力，聚风型风机周围的流动成的海上发电渔场分别如图1、图2所示。原理如图3所示。“边沿”即为旋涡形成板，形成的强旋涡使扩风筒出口附近形成低压区，风就朝着低压区不断流入。为此在扩风筒人口附近能得到很大的增速效果。聚风型风机的l号机安装了较长扩风筒的500W样机(

3、旋翼直径为0．7m)，并实现了实用化，如图4所示。500W聚风型风机的出力系数为C一P／O．SpAU(P为发电量、A为旋翼回转面积、p为空气密度)创造了最大值C一1．4的记录。室外实验也得出此C值的记录。验证了其发电性能是相同尺寸旋翼普通风机的5倍如图5所示。由边沿形成的涡旋图1设计中的lOMw级风机(旋翼直径112m)聚风罩风_、1簦吴辱。／二：：二==：彳＼风机舱(轴)由扩散器产生的压力恢复I·一边沿图3聚风型机周围的流动J泉理目前的研究正致力于将聚风型风机大型化。但是，500W聚风型风机所安装的聚风罩长度L与聚风罩内径D

4、相比L一1．47D过长(聚风罩内径D是指聚风罩颈部直径。)。因此，将聚风型风机大型化时就面临着构造重量和风负荷的问题。图210MW级数台风机组成的海上发电渔场通过大幅度缩短聚风罩长度L，聚风罩内径D相日本九州大学聚风型风机研究小组研究开发比例也就克服了上述问题的紧凑式(L<0．4D)一207—上海电力2009年第3期聚风罩长度L与聚风罩内径D之比L。／D，和聚风罩出口面积与聚风罩颈部面积之比。4种聚风罩长度L接近相等(表里将长度为L一0．22D的聚风罩表述为il型)，不同的是聚风罩出口附近的曲率。S型聚风罩是将500W样机的直

5、线扩风筒进行缩短，从颈部设有12。开角的直线型聚风罩。对此A型是由出口面积等同带有固定曲率的曲面聚风罩。比A型，S型聚风罩的出口面积更大的带有固定曲率的曲面聚风罩是B型和C型聚风罩。图4500W风机样机(旋翼直径0．7m)表1聚风罩形状的参数扩散器500W机样AjBjCjS_'L／D1．4700．2250．2210．2210．2252．3451．1731．2881．2941．119C形曲面采用了摆线曲线，图7表示了各聚R弓

6、风罩的断面形状。其轴颈比都为D／D一13％，蟋翼壁间隙S为10mm。』)(1速／(m·S)—I』■一●—

7、-—一图5500W风机的室外实验500W样机AiiBiCiiSii聚风罩。开发制作了从相对紧凑式聚风罩到近于图7聚风罩断面形状环状型聚风罩的数种类聚风罩(带边沿扩风筒)，2．2发电性能实验进行了聚风型风机的发电性能风洞实验验证，同实验方法为在风机后方连接转矩测试器，作时也进行了野外实验验证，并得出报告如下。为负荷在其后方又设置了AC伺服电动机，测量2风洞实验法从无负荷到逐渐加负荷的状态下风机的扭矩Q和回转数。计算出发电量P一2兀·Q，并得出2．1风洞及聚风罩模型发电性能曲线。风机输出系数用C一P／0．实验所使用的是日本九州大学

8、应用力学研究5pAUi来定义，周速比以一，一∞／U。来定义。其中所的大型境界层风洞。其测量器宽3．6m×高2A为旋翼回转面积，∞一2n，r为旋翼回转半径，ITIx长15m，最大风速为30m／s。实验为避免J0为空气密度。聚风型风机样机设置在离后方的风阻的影响，拆除了风洞测量部分的顶部与侧壁，转矩测试器与伺服电动机座床较远处风洞实验测作为开放型来进行实验测定。本次实验所用聚定部的中央，并设置一个单臂支柱来支撑。图8风罩的大小为内径1表示了发电性能测试实验概要。020mm，其中安装了本研究所用的风机翼片使用了产业技术研究旋翼直径为

9、lm的风所开发的MEL翼型为基本形状的风机翼片。机。紧凑式聚风型风机MEL翼片的各断面翼型，从翼根断面向翼端方向概要如图6所示。制作按顺序配置了MEL20M01、MEL18M31、并命名了断面形状不同MEL12M843种翼型。MEL翼型具有失速特性较的A、B、C、S四种聚风平