新型高效风力提水装置风洞实验

高翀恒++郑源李中杰程相

摘要：为了解决传统风力提水机存在的多叶片大实度、风能利用系数低下、生产成本高等问题，对所设计的具有低实度、高气动性能的新型高效风力提水装置进行实验研究。推导了适用于风力机的相似理论，建立新型风力提水装置的物理模型，在河海大学风洞实验室中进行吹风实验，测量了额定工况下风轮的风能利用系数以及不同工况下装置的流量，并绘制流量特性曲线。实验结果表明，装置在28 m/s微风下能够起动，在额定工况下风能利用系数可达043以上，达到设计要求，在设计扬程下风力机与水泵匹配性能最好，效率达到最大。

关键词：风力提水；风能利用系数；相似理论；风洞实验

中图分类号：TK89文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06019605

Wind tunnel test of a novel high efficiency wind water device

GAO Chongheng1，2，ZHENG Yuan3，LI Zhongjie1，CHENG Xiang1

（1.College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Fujian Fuchuan Investment LTD，Fuzhou 350015，China；

3.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to solve the problems of multi blade large solid，low coefficient of wind power utilization，and high production cost of traditional wind water machine，this paper investigate a novel wind water pumping machine with design of low degree and high gas dynamic performance model.Then the similarity theory was deducted which was used in wind turbine，and the physical model of the novel wind water device was established.The blowing experiment was carried out in the wind tunnel laboratory of Hohai University，to measure the wind energy utilization coefficient of wind wheel under rated condition and the flow of the device under different conditions，and draw the flow characteristic curve.Experimental results showed that the device could start at 2.8m/s，the wind energy utilization coefficient of the device could reach more than 0.43 under the rated condition，and could meet the design requirements.The wind turbine and pump could match the best performance under the design head，and the efficiency could reach the maximum under this condition.

Key words：wind water pumping；wind energy utilization coefficient；similarity theory；wind tunnel experience

在供电不便的山区或者农牧地带，常利用风力带动水泵提水灌溉，这种提水方式有两种实现方式，一种是通过风力发电提水[12]，另一种方式则是无需发电装置，只是依靠自然的风资源带动水泵来完成提水作业[34]，与风力发电装置比较其机械结构简单、成本低廉、操作和维护方便，对于偏远的、用电不便的山区地带的农业灌溉以及草原地区畜牧业的发展具有重要的作用，在世界范围内都获得了广泛的应用[510]。

[JP2]目前已经形成产业规模化的风力提水装置大多是采用多叶片、低转速、低风能利用率的系统，叶片数多使得风轮实度较大，流过风轮的气流较少，因而影响了其输出功率；同时，叶片的设计大多采用传统的平板型或者弧板型，风能利用效率较低，易造成风能资源的浪费[1112]；另一方面，风力机与水泵如何匹配也是有待进一步研究的问题，综上所述，设计一种高效的风力机叶片、提高风力提水系统的效率、降低起动风速以及设计与风力机相匹配的水泵迫在眉睫。

针对上述问题设计了一种新型高效的风力提水装置[13]，该装置采用六叶片风轮，叶片采用NACA 4412航空翼型进行优化设计，大大降低了风轮的实度，节约了制造成本，同时具有很高的风能利用率。为了验证所设计的风力提水装置是否达到设计标准，本文推导了适用于风力机的相似理论，并建立缩尺比为0286的物理模型在河海大学风洞实验室进行吹风实验，实验结果的误差在合理范围内，对小型风力提水装置的优化设计具有指导和参考价值。

3新型高效风力提水装置风洞实验

3.1新型风力提水装置物理模型

河海大学风动实验台见图1。由于风力提水装置原型尺寸较大，为了使得风洞实验段的阻塞比[18]不超过实验段横截面积的20 %，本文采用缩比模型的方法进行实验，缩尺比为0286，即模型叶片长为05 m，此时阻塞比为196 %，满足风洞实验阻塞比的要求。

新型高效风力提水装置物理模型分为3个机构：风轮、机械传动机构和提水机构。风轮由六片钢铁材料制成的扭曲流线型叶片构成，重量为12 Kg，为了消除叶片表面粗糙度对实验结果的影响以及更好的视觉效果，叶片表面进行喷漆处理；机械传动机构由主轴、一组齿数比为1∶2的伞形齿轮副、立轴、带槽圆盘构成，圆盘直径160 mm，其余规格为国标；提水机构由双作用活塞泵、水管和水箱构成，活塞泵直径40 mm，行程80 mm，活塞泵进出口管道直径8 mm，长30 mm，水箱尺寸为1 m×1 m×1 m的正方体，置于活塞泵进口以及出口处。风力提水装置各部分的物模图见图2。风力提水装置模型安装于风洞出口下游15 m处，风轮中心与实验段横截面中心在同一高度。

3.2实验结果分析

原型的设计扬程为105 m，额定风速为3 m/s，物模比原型缩小了35倍，根据式（1）、式（12）和式（13）可得，风力提水装置模型的扬程为3 m，实验风速应该为105 m/s，旋转角速度为40425 rad/s，转速为386 r/min。实验测量了空载时装置克服摩擦所需要的机械力矩以及不同风速、不同扬程下装置的平均流量，并根据风力机相似理论转化成可运用于原型的相似准数。实验数据整理后见表3，其中，t为装满15 L量杯所需要的时间。

由表3可计算出风轮力矩的误差率，不确定度分别为821%、01323%，风能利用系数的误差率不确定度分别为792%、01125%。

从表3中可以得出，机械传动部分克服各种机械摩擦运动所需要力矩为43（N·m），根据表1数据显示，在28 m/s风速下风轮起动力矩为1832（N·m），大于机械摩擦力矩，因此可以证明装置在28 m/s的微风下是可以起动的。另外，从表中还可以看出，实验值普遍比计算值低，误差率为821%。虽然误差率比较大，但是参阅风洞实验的参考文献[19]可知，除了精度特别高，性能特别稳定的实验室，例如美国可再生能源实验室，测量的数据具有相当高的权威性之外，自制模型进行风洞实验的结果相比计算结果都是存在一定误差，因为风洞实验有许多技术或者设备本身的误差存在，例如传感器的敏感度会随着温度、湿度的改变而改变或是人为操作失误等[20]，基于这些因素的考虑，可以认为本次实验的误差是在可以接受的范围内。

不同扬程下，风力提水装置随风速变化出水流量变化曲线见图3，不同风速下，风力提水装置随扬程变化出水流量变化曲线见图4。从图3中可以看出随着风速的增大，流量整体呈现上升的趋势；并且随着扬程的增大装置出水口的流量先减小后增大，再逐步递减，扬程在3 m时流量大于2 m、25 m以及35 m的扬程，接近扬程为15 m时的流量，这个特点在图4中表现得尤为明显，从图4中可以很明显看出随着风速的增大，流量是逐步增加的，并且流量曲线整体是随着扬程的增加逐步减小的，然而在3 m扬程时流量突然增大，根据相似理论中几何相似分析，将实验数据转化为适用于原型的相似准数可得，物模扬程为3 m相当于原型扬程105 m，而原型105 m的扬程为设计扬程，在设计扬程下风力机的输出功率与水泵的功率最为匹配，是最优工况，即整个装置的效率达到最大，因此实验中在3 m扬程下流量会增大，这个现象也进一步证明了本次实验与原型工况是相符合的。

4小结

（1）采用航空翼型设计风力提水装置风轮叶片，并且将叶片各个截面翼型扭转至最佳攻角位置，可很大程度上提高风轮的风能利用系数，同时能有效地降低起动风速，捕获更大的风能；另外，优化设计了风轮之后，即使降低风轮实度也能满足设计扬程所需力矩要求，节约了制造成本。

（2）通过推导适用于风力机的相似理论，自制新型高效风力提水装置的物理模型在河海大学风洞实验室进行实验，实验结果表明所设计的新型风力提水装置风能利用系数可达043以上，误差在允许的范围内，流量随着风速的增大呈现逐渐增大的趋势，并且在设计扬程105 m下风力机输出功率与水泵功率匹配性能最好，装置效率达到最佳。

（3）新型高效风力提水装置一改传统风力提水机的设计方法，采用低实度的扭曲流线型叶片，融合了高低速风力机的设计方法，取长补短，通过可靠实验验证，装置可在28 m/s的微风下自行起动，降低了起动风速，提高了风资源利用率，对中低扬程风力提水机的改良设计具有指导性意义。

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