CN110500240B - 小功率风力机气动特性的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小功率风力机气动特性的测量方法，依次包括如下步骤：⑴在风洞中安装风力机支架，在其顶部安装六分量天平；⑵在六分量天平上方安装共同底座，在共同底座的前部上方安装风力机底座；⑶在风力机底座的前部安装风力机，后部安装扭矩仪且与风机轴的后端通过联轴器一相连接；⑷在共同底座的后部上方安装三相异步发电机且与扭矩仪的后轴端通过联轴器二相连接；⑸安装电气系统；⑹启动风洞；⑺采集当前风速及不同转速下风力机的六种载荷分量、扭矩、叶片各测点的表面压力；⑻改变风洞风速，待风洞风速稳定后，重复步骤⑺，直至所需测量的各风速下均完成测量。该方法可以精确采集各种风速及转速下的风力机六种载荷分量和扭矩等参数。

Description

小功率风力机气动特性的测量方法

技术领域

本发明涉及一种风洞试验方法，特别涉及一种小功率风力机气动特性的测量方法，属于风力机测量技术领域。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道形状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

在现有风力机测试技术中，对风力机控制，常采用双驱式并联PWM背靠背式风电变流器，该变流器的功率大、成本高。考虑到永磁直驱风力发电系统中，全功率变流器要承载发电机发出的全部功率，变流器容量需按100%功率选取，容量体积较大，不适合应用在1.5kW以内的小功率且截面较小的风洞空气动力特性试验中。并且，若要在风洞中测量风力机的气动特性，需要使风机在不同的来流工况下转速精确控制在一定的范围内，这和市场上现有成熟的风力机控制策略不一致，现有的风力机控制策略多数是为保证风力机运行在输出功率最大位置处，且小功率风力机模型的控制存在难度，当电流不稳定或来流风速存在扰动时风机的转速难以回调至指定的转速范围内，容易发生失速，到目前为止，现有的技术还没有一套成熟可靠且成本较低的，适用于小功率风力机气动特性测量的风力机转速控制装置。

为此现阶段有关风力机气动特性的风洞试验测试，急需要一套具备高可靠性、成熟性、具有较强的容错性和安全性的小功率风力机转速控制装置，在提供有效安全保障措施的基础上，在不同的工况下，对风洞实验风力发电机运行时的转速可实时进行监控，且使得试验具备可视化和实时性，获得风力机气动特性的精确测量数据。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种小功率风力机气动特性的测量方法，可以精确采集各种风速及风力机转速下的风力机六种载荷分量和扭矩等性能参数。

为解决以上技术问题，本发明的一种小功率风力机气动特性的测量方法，依次包括如下步骤：⑴在风洞中安装风力机支架，在风力机支架顶部安装六分量天平；⑵在六分量天平上方安装共同底座，在共同底座的前部上方安装风力机底座；⑶在风力机底座的前部安装风力机，风力机包括安装在风机轴前端的轮毂，所述轮毂的圆周上安装有叶片，所述风机轴与风洞共轴线，所述风机轴的中段安装于轴承座中，所述轴承座的底部固定在风力机底座上；在风力机底座的后部安装扭矩仪，扭矩仪的前轴端与所述风机轴的后端通过联轴器一相连接；⑷在共同底座的后部上方安装三相异步发电机，三相异步发电机的转子轴与扭矩仪的后轴端通过联轴器二相连接；⑸安装电气系统，电气系统包括主回路和控制系统，主回路包括与三相异步发电机的三相输出端相连的空气开关，空气开关通过熔断器与三相全桥整流电路的输入端相连，三相全桥整流电路的输出端连接有主回路滤波电容组且通过固态继电器一与负载相连；⑹设定风洞风速大于风力机启动风速，并启动风洞；⑺设定六分量天平、扭矩仪及叶片上压力传感器的采样频率及采样时间，采集当前风速及不同转速下风力机的六种载荷分量、扭矩、叶片各测点的表面压力。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：轴承座及扭矩仪的重力位于风力机底座上，风力机底座承载的重量与三相异步发电机的重量均承载在共同底座上，共同底座的重心点置于六分量天平上，使得在风力机运转前，六分量天平处于零位状态，使测试数据更加精确。设定风洞的风速并吹向风力机，风叶在来流吹动下持续旋转，通过轮毂带动风机轴旋转，风机轴通过联轴器一带动扭矩仪转动，扭矩仪通过联轴器二带动三相异步发电机的转子轴转动，三相异步发电机的定子输出三相交流电。三相异步发电机输出的三相交流电经过三相全桥整流电路整流成直流电，经过主回路滤波电容组滤波后电压更加稳定，主回路滤波电容组可以稳定三相全桥整流电路后直流侧电压，同时缓冲交流侧和直流侧负载之间的能量交换抑制谐波；考虑到市面上，大容量、耐压较高的电解电容较少且易坏，所以将多个同类型的电容串联起来使用。固态继电器一的触头闭合时，负载接入直流回路中，便于测定三相异步发电机输出端的电压、电流并计算其输出电功率。风机轴的中段安装于轴承座中，一端安装轮毂，另一端连接扭矩仪，可以改变风机轴的单端悬臂状态，改善风机轴及轴承座的受力状态，延长轴承使用寿命，且使风力机的运转更加稳定和平衡。扭矩仪可以测量出风力机在不同来流风速及不同风力机转速下的扭矩和机械功率；六分量天平能同时测量出不同来流风速及不同风力机转速下的六种载荷分量，包括法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、轴向力及滚转力矩。

作为本发明的改进，还包括如下步骤：⑻改变风洞风速，待风洞风速稳定后，重复步骤⑺，直至所需测量的各风速下均完成测量；⑼按照式(a)计算风力机叶片在不同位置的表面压力系数，

式(a)中，Num为测量时风力机旋转圈数，定义数组Pul，用Pul（Num）表示风力机运行第Num圈压力数据序列的起始位置，PD(i)为风力机在第i圈转一圈所占压力数据的个数，测量时风力机旋转总圈数记做NumEnd；b1Angle为叶片初始状态下的角度，取值为正值；qi为来流动压，int为将一个数值向下取整的函数，j取值为1至23正整数，表示23个测压孔，1至11表示吸力面上的11个测压孔，12表示前缘点，取值13至23正整数，表示压力面上的11个测压孔；p₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下j号的零点压力数据；k取值为1至360正整数，表示平面中360度的空间方向，k以水平面竖直朝上方向取值为0，顺时针依次增加；p(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的静压；Cp(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的压力系数；⑽将实测并计算得到的压力系数与模拟仿真软件计算得到的压力系数进行同图对比。可以得到不同风速、不同转速下风力机的六种载荷分量、扭矩、叶片各测点的表面压力等完整的测试数据。利用模拟仿真软件计算得到的压力系数进行同图对比，有利于验证本发明数据的真实性和准确度。目前对风力机的表面压力测量及气动特性的研究大都停留在二维翼型段上，但风力机实际运行时处于三维旋转状态，且三维旋转效应对风力机气动特性的影响较大，三维旋转效应的物理本质是由于弦向科氏力和离心力的共同作用。利用本发明的实验测量方法，可为研究者提供较详细的风力机三维旋转状态下的表面压力分布数据，以便更深入的理解风力机流动机理。

作为本发明的进一步改进，还包括如下步骤：⑾按照式(b)计算风力机所测量断面翼型在k位置时X坐标方向的切向力系数Ct(k)及Y坐标方向的法向力系数Cn(k)，

式(b)中，p取值1至12正整数，1至11表示吸力面11个测压孔，12表示前缘点，q取值1至11正整数，表示压力面11个测压孔，且以翼型的前缘点作为坐标原点，定义翼型弦长为c；ypu(p)表示取值为p的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，ypl(q)表示取值为q的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xpu(p)表示取值为p的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xp1(q)表示取值为q的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，Cp(k，p)为叶片取值为p的测压孔在k位置的压力系数，Cp(k，q)为叶片取值为q的孔在k位置的压力系数，trap为梯形求积函数。

切向力与翼型弦长同方向，法向力垂直于弦长。风力机翼型工作在旋转情况下，获得转矩是风力机的主要目的，翼型所受切向力是推动叶片旋转的原因，翼型所受法向力是引起叶片法向结构变形的主要原因，本发明得到的切向力系数和法向力系数可以很好地表征翼型的气动性能。由于翼型的上下缘曲线是连续的，采用梯形求积来估计曲线面积，这等同将要求积的区间分成多个小区间，被积的部分近似为梯形，能够快速的得较准确的数值，减少了计算误差,同时满足计算积分达到相同的精度。

作为本发明的进一步改进，还包括如下步骤：⑿按照式(d)计算风力机所测量断面翼型在k位置时的升力系数Cl(k)和阻力系数Cd(k)；

式(d)中，POA为风力机叶片与旋转平面的夹角；ω为风力机旋转角速度；S%为所测量的翼型断面占叶片展向长度的百分比；V为风洞中来流风速；

为来流速度角。

本发明将所测风力机的切向力系数与法向力系数转换成升力系数和阻力系数，便于与现有翼型研究中的静态气动系数作对比，从而了解由于三维旋转效应对风力机气动特性的影响。由于自然界中来流风速风向的不断变化，使得风力机在运行时常处于复杂的流动状态，风力机气动载荷的准确预估仍存在不少瓶颈需要克服，利用实验模拟真实的三维旋转环境，测试风力机在旋转状态下在扭矩、剖面载荷系数、表面压力分布等气动参数。通过计算风力机所测量断面翼型在k位置时的升力系数和阻力系数，可较深入理解关于三维旋转效应的物理机理，有助于分析三维旋转效应对剖面载荷和流场结构的影响机理，提高风力机建模的精度及载荷预估能力。通过测量不同工况条件下风力机的气动实验数据获得详细的风力机模型的气动与载荷实验数据，同时为进一步提高和验证计算流体力学方法的预测精度提供数据支撑。

作为本发明的进一步改进，各叶片分别设有沿自身长度方向延伸的叶片内孔道，选取某个叶片作为测压叶片，在测压叶片上选取测压截面，所述测压截面距离风机轴轴线的距离为L，L=0.5～0.7R，其中R为叶片的回转半径；测压叶片的吸力面和压力面上对应设有多个测压孔，吸力面与压力面交汇处的前缘点也设有测压孔，各测压孔的轴线均位于所述测压截面上，各测压孔中分别埋设有薄膜压力传感器；所述轮毂的前端面固定有压力数据采集器，压力数据采集器的前端面固定有无线通信装置；各薄膜压力传感器的信号线沿叶片内孔道穿行至轮毂内腔并且分别与压力数据采集器的信号输入端相连，所述压力数据采集器采集到的各测点的压力值通过所述无线通信装置发送给上位机。在测压叶片的吸力面和压力面布置多个测压孔且埋设薄膜压力传感器，薄膜压力传感器的外表面与叶片外表面相平齐，可以准确测量出叶片吸力面和压力面上各测点处的压力；各薄膜压力传感器的信号线捆扎成束后，从叶片内孔道穿行至轮毂中并且与压力数据采集器相连，不干扰气流的流动和风力机的受风状态。压力数据采集器通过无线通讯装置与上位机进行无线通讯，上位机通过触摸屏可以显示各测点的压力值。

作为本发明的进一步改进，以测压截面为中心在测压叶片的吸力面和压力面上分别开有方形窗口，在方形窗口中分别覆盖有方形窗板，方形窗板的底部分别通过玻璃胶粘接在叶片本体上，所述方形窗板的外表面与该区域叶片的形状相一致，方形窗板四周的拼缝采用玻璃胶填补至与叶片表面平滑；多个所述测压孔分布在所述方形窗板的中线上。薄膜压力传感器比较昂贵且体积很小，信号线极细，频繁拉扯容易发生断股；本发明采取在叶片表面开方形窗口，再用方形窗板覆盖，方形窗板上便于加工各测压孔，也便于安装薄膜压力传感器，各薄膜压力传感器的信号线便于整理并绑扎成束，大大降低了从叶片内孔道中的穿行难度，同时大大降低了薄膜压力传感器的安装损坏率，降低了试验难度且节约试验成本。更换方形窗板就可以改变测压孔的位置，以获取不同测点的压力值，避免更换整个叶片。

作为本发明的进一步改进，所述方形窗板在自身长度方向由一大一小的两块拼接而成，两块之间的拼接缝平行于所述方形窗口的短边，小窗板的长度为大窗板长度的1/12～1/8。小窗板位于大窗板上侧时，可以测取一组测点的压力数据，测试完毕后，可以取下小窗板，将大窗板向上推到位，将小窗板换至大窗板下侧，重新用玻璃胶粘接，此时大窗板上各测点的位置与原来的测点位置发生了一定的偏移，如此可以获得另一组测点的压力数据。这样不必更换方形窗板，不必重新钻孔，也不需要大量插拔薄膜压力传感器，可以采用同一套窗板测取两套压力数据，提高试验效率，且降低薄膜压力传感器的损坏几率。

作为本发明的进一步改进，所述风洞中位于风力机来流方向的前方0.5米处安装有静压探头和总压探头，所述静压探头和总压探头的信号输出端分别与电子压力扫描阀的风压信号输入端连接，电子压力扫描阀的风压信号输出端与控制系统CPU的风压信号输入端相连。电子压力扫描阀每个待测压力各自对应一个压力传感器接口，使用电子扫描技术，具有较快的采集速度，且精度可达0.5%，电子压力扫描阀将风洞的静压和总压信号送入CPU，使得测试结果与风洞的实验状态能保持实时性，数据更加准确可靠。CPU可以根据风洞的静压和总压数据作差计算出风洞中空气流动时产生的动压，在利用动压的计算式，计算出风力机的实时来流风速。

作为本发明的进一步改进，所述扭矩仪的信号输出端通过扭矩信号通讯电路与CPU的扭矩信号输入端相连；所述六分量天平的信号输出端与CPU的数据信号输入端相连；所述三相全桥整流电路的输出端设有电流信号调理电路，电流信号调理电路的电流信号输出端与CPU的电流信号输入端相连；所述三相异步发电机的转子轴尾端安装有光电编码器，所述光电编码器的信号输出端与转速信号调理电路的输入端相连，转速信号调理电路的输出端与CPU的转速信号输入端相连；所述CPU的脉宽调制信号输出端通过PWM驱动电路控制固态继电器一的通断；CPU与所述上位机进行双向通讯。扭矩仪将风机轴的扭矩信号提供给CPU，六分量天平将六种载荷分量提供给CPU；光电编码器测量三相异步发电机的转速信号，通过转速信号调理电路提供给CPU，CPU计算出三相异步发电机的转速；电流信号调理电路将三相全桥整流电路输出端的电流信号提供给CPU。CPU根据采集到的叶片转速、负载电流进行实时PID运算，获得期望输出的PWM信号，通过PWM驱动电路控制固态继电器一的通断，以此来控制负载的电流幅值及风力机转速。上位机可以通过触摸屏进行人机交互，例如可以通过触摸屏设定风力机的转速，由上位机发送给CPU，由CPU通过PWM驱动电路控制固态继电器一的通断，使风力机的实际转速与设定转速相同，实现精确控制转速的目的。同时CPU将实时的负载电流、扭矩、来流风速、风力机转速、六种载荷分量、PWM输出占空比等信号输送至上位机，并在触摸屏上进行显示。

作为本发明的进一步改进，所述CPU采用STM32F103ZET6模块，所述电子压力扫描阀的总压信号输出端与CPU的PC4端口相连，电子压力扫描阀的静压信号输出端与CPU的PC5端口相连；所述电流信号调理电路包括串联在负载回路中的采样电阻R59，采样电阻R59的两端分别与运算放大器U1D的两输入端相连，运算放大器U1D的输出端通过相互串联的电阻R61和电阻R62与运算放大器U1B的同相输入端相连，电阻R62与模拟地VSSA之间连接有电容C29，电阻R61与运算放大器U1B的输出端之间连接有电容C30，运算放大器U1B的输出端与运算放大器U1A的同相输入端相连，运算放大器U1A的输出端AOUT0与CPU的PA0端口相连。CPU利用意法半导体STM32编程开发，采用Keilv5软件，结合水平轴风力机空气动力学理论和电机控制的原理进行编程。电子压力扫描阀将风洞的总压信号直接送入CPU的PC4端口，将风洞的静压信号直接送入CPU的PC5端口，CPU根据风洞的总压值及静压值作差计算出风洞中空气流动时产生的动压，在利用动压的计算式，计算出风力机的实时来流风速。采样电阻R59从负载回路取得微弱的电压信号，运算放大器U1D用作第一级反向放大的运放电路，电压信号被放大-6倍；电阻R61与电容C30、电阻R62与电容C29够成二阶滤波环节，并结合运算放大器U1B构成二阶巴特沃斯低通滤波电路；运算放大器U1A用作第二级反向放大的运放电路，电压信号被放大-5倍，运算放大器U1A的输出端AOUT0将模拟电压信号传输至CPU的PA0端口转换成数字信号。考虑到采样精度的高低直接影响着整个系统的控制性能，运算放大器U1D、运算放大器U1B及运算放大器U1A均采用LF347BN，调理电路中各电阻均采用误差在1%以内的精密电阻。电流调理电路选择两级放大可消除单级放大的倍数限制，增加对共模信号的抑制能力，同时避免电路陷入自激及噪声大、频率响应差等一系列问题。电流信号调理电路的设计量程为0-10A，且与CPU电连接的电压应小于芯片允许最大电压3.3V，同时考虑到需要留有裕量，故采样电阻R59取值0.01欧姆，经过两级放大后传输给CPU的模拟电压信号的幅值为3V，与采用电流霍尔传感器电路相比较，本发明的电流信号调理电路价格较低，且满足精度要求。

作为本发明的进一步改进，所述光电编码器为ERN1387光电编码器，转速信号调理电路包括增量信号调理电路和索引信号调理电路，光电编码器的正弦波信号与增量信号调理电路的A+、A-端口相连，A+、A-端口之间连接有阻抗匹配电阻R103，阻抗匹配电阻R103的两端与运算放大器U4A的两输入端相连，电阻R101与电容C56相互并联后连接在运算放大器U4A的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4A的输出端与运算放大器U5A的同相输入端相连，运算放大器U5A的输出端A与CPU的PB1端口相连；光电编码器的索引信号与索引信号调理电路的R+、R-端口相连，R+、R-端口之间连接有阻抗匹配电阻R109，阻抗匹配电阻R109的两端与运算放大器U4C的两输入端相连，电阻R107与电容C61相互并联后连接在运算放大器U4C的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4C的输出端与运算放大器U5C的同相输入端相连，运算放大器U5C的输出端R与CPU的PC1端口相连。由于风力机的来流方向始终不变，因此叶片在来流吹动下的旋转方向保持不变，不存在判断正反转的问题，因此本发明的光电编码器取A相的正弦波信号送入增量信号调理电路的A+、A-端口，由于光电编码器的输出信号为正弦差分信号，首先要对正弦差分信号进行去差分处理，利用运算放大器U4A构成差分调理电路，电阻R101与电容C56作为差分电路的反馈桥臂。A+、A-端口之间需要接一个120欧姆的阻抗匹配电阻R103，平衡A+、A-两端在传输时的信号压差；再通过电阻R104与电容C58构成的RC低通滤波器对信号进行滤波处理，去除高频噪声，滤波处理后得到正弦波信号范围为-1.5V至1.5V。由于控制芯片不能识别负值信号，需要对信号进行电压偏移处理，且为方便CPU处理信号，需要将正弦波信号进行电平调整；运算放大器U4A的输出端与运算放大器U5A的同相输入端相连，利用运算放大器U5A构成比较电路，对电压信号正偏移处理。正弦波信号通过运放U5A与+1.5V电压信号比较，当U5A的正输入端的电压信号大于1.5Ｖ时，U5A的输出端输出3.3V高电平，同时CPU的PB1端口呈高电平。当U5A的正输入端的电压信号小于1.5Ｖ时， U5A的输出端输出0V低电平，同时CPU的PB1端口呈低电平。同理，运算放大器U5C的输出端R向CPU的PC1端口输出高电平时，索引信号触发，使得与之连接的CPU外部中断输入触发计数器复位，通过计算一个索引信号周期的增量信号的脉冲数，计算风力机的实时转速，并且CPU重新计数，计算下一个时刻风力机转速。

作为本发明的进一步改进，CPU的PA11端口与PWM驱动电路的输入端PWN-IN相连，电阻R86与电容C54并联后连接在PWN-IN端口与三极管Q1的基极之间，电阻R84与电容C53并联后连接在三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极之间，三极管Q2的集电极与输入端推挽电路的基极相连，输入端推挽电路的发射极通过隔直电容C52与变压器T1的原边相连，变压器T1的副边通过位移电容C51与输出端推挽电路的基极相连，输出端推挽电路的发射极与固态继电器一控制端相连。CPU输出的PWM信号，为防止振荡和干扰，需经过电阻R86和电容C54并联传输，三极管Q2基极电压由三极管Q1调节；同理电阻R84与电容C53并联进一步防止振荡和干扰，两级调节的方式可以使得PWM输出信号与驱动信号同相。输入端推挽电路由三极管Q3和三极管Q4组成，两者交替导通、关断；变压器T1原边的隔直电容C52可以滤除信号中直流分量。能量传递到变压器T1的副边，变压器T1副边的位移电容C51用以保持磁通复位维持伏秒平衡，实现了去磁目的。三极管Q5和三极管Q6构成输出端推挽电路，三极管Q5和三极管Q6的发射极通过G+端口与固态继电器一控制端的正极连接，三极管Q6的集电极通过G-端口与固态继电器一控制端的负极连接。PWM信号为高电平时，固态继电器一的控制端得电，主触头闭合，负载回路接通；PWM信号为低电平时，固态继电器一的控制端失电，主触头断开，负载回路断开。同时由于信号电路中不可避免地存在着寄生分布电感，使得继电器触头在导通或者关断的瞬间电压电流不能够突变，且在高频运行下反向恢复时间较长，从而产生高电压大电流的短暂重叠，为此变压器副边电路中增加四个二极管D1、D2、D3、D4，即在三极管Q5和三极管Q6的基极及集电极与位移电容C51之间分别串联有二极管，防止开关信号误动作，损坏功率器件。本发明的PWM驱动电路干扰较小，高频噪声少，开关时间短，输入功耗很低，输入电路与输出电路之间采用变压器隔离，具有保护功能，且负载能力强。

作为本发明的进一步改进，所述扭矩信号通讯电路包括MAX3232C模块和MAX3485模块，扭矩仪的信号输出端通过九针串口接头(DB1)与MAX3232C模块及MAX3485模块相连，MAX3232C模块的R1OUT端口及MAX3485模块的RO端口共同与CPU的PA10端口相连，MAX3232C模块的T1IN端口及MAX3485模块的DI端口共同与CPU的PA9端口相连；所述上位机与CPU采用基于PL2303HX芯片的USB转TTL串口模块电连接，所述上位机的USB接口与CPU的PD5端口及PD6端口电连接。扭矩仪预留有九针串口接头，并通过RS232(短距离)或RS485(长距离)协议通讯。考虑在实际的风力机测试应用中，现场的扭矩仪串口接口的情况并不能确定，这样就要求设计的通讯电路，同时具备RS232和RS485两种接口的功能。本发明的扭矩信号通讯电路可兼容两种协议，无需额外的通讯协议转换电路，节省空间与成本，可实现风力机扭矩参数的实时监控与显示。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明中风洞装置的结构示意图。

图2为图1中风洞中试验设备的放大图。

图3为图2中测压叶片实施例一的放大图。

图4为图2中测压叶片实施例二的两种工作状态图。

图5为测压叶片上各测点的分布图。

图6为本发明中风力机气动特性测量装置的控制原理图。

图7为图6中CPU及其外围电路图。

图8为图6中扭矩信号通讯电路的原理图。

图9为图6中转速信号调理电路的原理图。

图10为图6中电流信号调理电路的原理图。

图11为图6中PWM驱动电路的原理图。

图12为本发明中叶片在0°位置表面压力系数实验数据与模拟仿真软件计算数据的对比图。

图13为本发明的风力机扭矩实验数据与模拟仿真软件计算数据的对比图。

图中：1.风力机；1a.叶片；1a1.叶片内孔道；1b.方形窗板；1b1.大窗板；1b2.小窗板；1c.轮毂；1d.风机轴；1e.轴承座；1f.椭圆形导流罩；1g.筒状护罩；2.联轴器一；3.扭矩仪；4.联轴器二；5.三相异步发电机；5a.光电编码器；6.风力机底座；7.共同底座；8.六分量天平；9.风力机支架；10.压力数据采集器；11.风洞；12.三相全桥整流电路；HK.空气开关；RX.熔断器；C0.主回路滤波电容组；J1.固态继电器一；J2.固态继电器二；FX1.负载；FX2.制动电阻；SA.紧急制动按钮。

具体实施方式

本发明的一种小功率风力机气动特性的测量方法，依次包括如下步骤：⑴在风洞11中安装风力机支架9，在风力机支架9顶部安装六分量天平8；⑵在六分量天平8上方安装共同底座7，在共同底座7的前部上方安装风力机底座6；⑶在风力机底座6的前部安装风力机1，风力机1包括安装在风机轴1d前端的轮毂1c，轮毂1c的圆周上安装有叶片1a，风机轴1d与风洞11共轴线，风机轴1d的中段安装于轴承座1e中，轴承座1e的底部固定在风力机底座6上；在风力机底座6的后部安装扭矩仪3，扭矩仪3的前轴端与风机轴1d的后端通过联轴器一2相连接；⑷在共同底座7的后部上方安装三相异步发电机5，三相异步发电机5的转子轴与扭矩仪3的后轴端通过联轴器二4相连接，安装完毕的试验装置如图1、图2所示；⑸安装电气系统，电气系统包括主回路和控制系统，主回路包括与三相异步发电机5的三相输出端相连的空气开关HK，空气开关HK通过熔断器RX与三相全桥整流电路12的输入端相连，三相全桥整流电路12的输出端连接有主回路滤波电容组C0且通过固态继电器一J1与负载FX1相连；⑹设定风洞风速大于风力机启动风速，并启动风洞；⑺设定六分量天平8、扭矩仪3及叶片上压力传感器的采样频率及采样时间，采集当前风速及不同转速下风力机的六种载荷分量、扭矩、叶片各测点的表面压力。

还包括如下步骤：⑻改变风洞风速，待风洞风速稳定后，重复步骤⑺，直至所需测量的各风速下均完成测量；⑼按照式(a)计算风力机叶片在不同位置的表面压力系数，

式(a)中，Num为测量时风力机旋转圈数，定义数组Pul，用Pul（Num）表示风力机运行第Num圈压力数据序列的起始位置，PD(i)为风力机在第i圈转一圈所占压力数据的个数，测量时风力机旋转总圈数记做NumEnd；b1Angle为叶片初始状态下的角度，取值为正值；qi为来流动压，int为将一个数值向下取整的函数，j取值为1至23正整数，表示23个测压孔，1至11表示吸力面上的11个测压孔，12表示前缘点，取值13至23正整数，表示压力面上的11个测压孔；p₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下j号的零点压力数据；k取值为1至360正整数，表示平面中360度的空间方向，k以水平面竖直朝上方向取值为0，顺时针依次增加；p(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的静压；Cp(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的压力系数；⑽将实测并计算得到的压力系数与模拟仿真软件计算得到的压力系数进行同图对比。

还包括如下步骤：⑾按照式(b)计算风力机所测量断面翼型在k位置时X坐标方向的切向力系数Ct(k)及Y坐标方向的法向力系数Cn(k)，

式(b)中，p取值1至12正整数，1至11表示吸力面11个测压孔，12表示前缘点，q取值1至11正整数，表示压力面11个测压孔，且以翼型的前缘点作为坐标原点，定义翼型弦长为c；ypu(p)表示取值为p的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，ypl(q)表示取值为q的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xpu(p)表示取值为p的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xp1(q)表示取值为q的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，Cp(k，p)为叶片取值为p的测压孔在k位置的压力系数，Cp(k，q)为叶片取值为q的孔在k位置的压力系数，trap为梯形求积函数。

梯形求积函数trap有两个输入变量，前者是进行积分的维向量，后者是沿维的被积分函数，具体计算如式(c)所示：

式(c)中，ypu(p+1)表示取值为p+1的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，ypl(q+1)表示取值为q+1的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xpu(p+1)表示取值为p+1的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xpl(q+1)表示取值为q+1的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，Cp(k,q+1)为叶片取值为q+1的测压孔在k位置的压力系数，Cp(k,p+1)为叶片取值为p+1的测压孔在k位置的压力系数。

⑿按照式(d)计算风力机所测量断面翼型在k位置时的升力系数Cl(k)和阻力系数Cd(k)；

式(d)中，POA为风力机叶片与旋转平面的夹角；ω为风力机旋转角速度；S%为所测量的翼型断面占叶片展向长度的百分比；V为风洞中来流风速；

为来流速度角。

轴承座1e设有油浴腔，油浴腔的前后两端分别设有支撑风机轴1d的轴承，两轴承的外侧分别设有轴封。轴承座1e及扭矩仪3的重力位于风力机底座6上，风力机底座6承载的重量与三相异步发电机5的重量均承载在共同底座7上，共同底座7的重心点置于六分量天平8上，使得在风力机1运转前，六分量天平8处于零位状态，使测试数据更加精确。设定风洞11的风速并吹向风力机1，风叶在来流吹动下持续旋转，通过轮毂1c带动风机轴1d旋转，风机轴1d通过联轴器一2带动扭矩仪3转动，扭矩仪3通过联轴器二4带动三相异步发电机5的转子轴转动，三相异步发电机5的定子输出三相交流电。风机轴1d的中段安装于轴承座1e中，一端安装轮毂1c，另一端连接扭矩仪3，可以改变风机轴1d的单端悬臂状态，改善风机轴1d及轴承座1e的受力状态，延长轴承使用寿命，且使风力机1的运转更加稳定和平衡。扭矩仪3可以测量出风力机1在不同来流风速及不同风力机转速下的扭矩和机械功率；六分量天平8能同时测量出不同来流风速及不同风力机转速下的六种载荷分量，包括法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、轴向力及滚转力矩。

无线通信装置及压力数据采集器10的外周覆盖有椭圆形导流罩1f，以减少对来流的阻力，避免在叶片1a前方形成涡流，椭圆形导流罩1f的根部固定在轮毂1c的前端面上。

轮毂1c的后端面外周连接有筒状护罩1g，筒状护罩1g与风机轴1d共轴线，联轴器、扭矩仪3和三相异步发电机5均位于筒状护罩1g的内腔，以改善风叶后方的气流状态，提高风力机气动特性测试的准确性。提高风力机运行效率，提高叶轮旋转平面的进流速度，使得平面的风压分布更加均匀。

三相异步发电机5输出的三相交流电经过三相全桥整流电路12整流成直流电，经过主回路滤波电容组C0滤波后电压更加稳定，主回路滤波电容组C0可以稳定三相全桥整流电路后直流侧电压，同时缓冲交流侧和直流侧负载之间的能量交换抑制谐波；考虑到市面上，大容量、耐压较高的电解电容较少且易坏，所以将多个同类型的电容串联起来使用。固态继电器一J1的触头闭合时，负载FX1接入直流回路中，便于测定三相异步发电机5输出端的电压、电流并计算其输出电功率。

各叶片1a分别设有沿自身长度方向延伸的叶片内孔道1a1，选取某个叶片作为测压叶片，在测压叶片上选取测压截面，测压截面距离风机轴轴线的距离为L，L=0.5～0.7R，其中R为叶片的回转半径；测压叶片的吸力面和压力面上对应设有多个测压孔，吸力面与压力面交汇处的前缘点也设有测压孔，各测压孔的轴线均位于测压截面上，各测压孔中分别埋设有薄膜压力传感器；轮毂1c的前端面固定有压力数据采集器10，压力数据采集器10的前端面固定有无线通信装置；各薄膜压力传感器的信号线沿叶片内孔道1a1穿行至轮毂内腔并且分别与压力数据采集器10的信号输入端相连，压力数据采集器10采集到的各测点的压力值通过无线通信装置发送给上位机。

在测压叶片的吸力面和压力面布置多个测压孔且埋设薄膜压力传感器，薄膜压力传感器的外表面与叶片外表面相平齐，可以准确测量出叶片吸力面和压力面上各测点处的压力；各薄膜压力传感器的信号线捆扎成束后，从叶片内孔道1a1穿行至轮毂中并且与压力数据采集器10相连，不干扰气流的流动和风力机的受风状态。压力数据采集器10与上位机进行无线通讯，上位机通过触摸屏可以显示各测点的压力值。

如图3所示，以测压截面为中心在测压叶片的吸力面和压力面上分别开有方形窗口，在方形窗口中分别覆盖有方形窗板1b，方形窗板1b的底部分别通过玻璃胶粘接在叶片本体上，方形窗板1b的外表面与该区域叶片的形状相一致，方形窗板1b四周的拼缝采用玻璃胶填补至与叶片表面平滑；多个测压孔分布在方形窗板1b的中线上。薄膜压力传感器比较昂贵且体积很小，信号线极细，频繁拉扯容易发生断股；本发明采取在叶片表面开方形窗口，再用方形窗板1b覆盖，方形窗板1b上便于加工各测压孔，也便于安装薄膜压力传感器，各薄膜压力传感器的信号线便于整理并绑扎成束，大大降低了从叶片内孔道1a1中的穿行难度，同时大大降低了薄膜压力传感器的安装损坏率，降低了试验难度且节约试验成本。更换方形窗板1b就可以改变测压孔的位置，以获取不同测点的压力值，避免更换整个叶片。

如图4所示，方形窗板1b在自身长度方向由一大一小的两块拼接而成，两块之间的拼接缝平行于方形窗口的短边，小窗板1b2的长度为大窗板1b1长度的1/12～1/8。小窗板1b2位于大窗板1b1上侧时，可以测取一组测点的压力数据，测试完毕后，可以取下小窗板1b2，将大窗板1b1向上推到位，将小窗板1b2换至大窗板1b1下侧，重新用玻璃胶粘接，此时大窗板1b1上各测点的位置与原来的测点位置发生了一定的偏移，如此可以获得另一组测点的压力数据。这样不必更换方形窗板1b，不必重新钻孔，也不需要大量插拔薄膜压力传感器，可以采用同一套窗板测取两套压力数据，提高试验效率，且降低薄膜压力传感器的损坏几率。

如图5至图11所示，风洞11中位于风力机来流方向的前方0.5米处安装有静压探头和总压探头，静压探头和总压探头的信号输出端分别与电子压力扫描阀的风压信号输入端连接，电子压力扫描阀的风压信号输出端与控制系统CPU的风压信号输入端相连。电子压力扫描阀每个待测压力各自对应一个压力传感器接口，使用电子扫描技术，具有较快的采集速度，且精度可达0.5%，电子压力扫描阀将风洞的静压和总压信号送入CPU，使得测试结果与风洞的实验状态能保持实时性，数据更加准确可靠。CPU可以根据风洞的静压和总压数据作差计算出风洞中空气流动时产生的动压，在利用动压的计算式，计算出风力机的实时来流风速。

扭矩仪3的信号输出端通过扭矩信号通讯电路与CPU的扭矩信号输入端相连，扭矩仪3将风机轴1d的扭矩信号提供给CPU。六分量天平8的信号输出端与CPU的数据信号输入端相连，六分量天平将六种载荷分量提供给CPU。三相全桥整流电路12的输出端设有电流信号调理电路，电流信号调理电路的电流信号输出端与CPU的电流信号输入端相连，电流信号调理电路将三相全桥整流电路12输出端的电流信号提供给CPU。三相异步发电机5的转子轴尾端安装有光电编码器5a，光电编码器5a的信号输出端与转速信号调理电路的输入端相连，转速信号调理电路的输出端与CPU的转速信号输入端相连。光电编码器5a测量三相异步发电机5的转速信号，通过转速信号调理电路提供给CPU，CPU计算出三相异步发电机5的转速。

CPU的脉宽调制信号输出端通过PWM驱动电路控制固态继电器一J1的通断；CPU与上位机进行双向通讯。CPU根据采集到的叶片转速、负载电流进行实时PID运算，获得期望输出的PWM信号，通过PWM驱动电路控制固态继电器一J1的通断，以此来控制负载FX1的电流幅值及风力机转速。上位机可以通过触摸屏进行人机交互，例如可以通过触摸屏设定风力机的转速，由上位机发送给CPU，由CPU通过PWM驱动电路控制固态继电器一J1的通断，使风力机的实际转速与设定转速相同，实现精确控制转速的目的。同时CPU将实时的负载电流、扭矩、来流风速、风力机转速、六种载荷分量、PWM输出占空比等信号输送至上位机，并在触摸屏上进行显示。

如图7所示，CPU采用STM32F103ZET6模块，CPU利用意法半导体STM32编程开发，采用Keilv5软件，结合水平轴风力机空气动力学理论和电机控制的原理进行编程。

电子压力扫描阀的总压信号输出端与CPU的PC4端口相连，电子压力扫描阀的静压信号输出端与CPU的PC5端口相连；电子压力扫描阀将风洞11的总压信号直接送入CPU的PC4端口，将风洞11的静压信号直接送入CPU的PC5端口，CPU根据风洞11的总压值及静压值作差计算出风洞中空气流动时产生的动压，在利用动压的计算式，计算出风力机的实时来流风速。

如图8所示，扭矩信号通讯电路包括MAX3232C模块和MAX3485模块，扭矩仪3的信号输出端通过九针串口接头(DB1)与MAX3232C模块及MAX3485模块相连，MAX3232C模块的R1OUT端口及MAX3485模块的RO端口共同与CPU的PA10端口相连，MAX3232C模块的T1IN端口及MAX3485模块的DI端口共同与CPU的PA9端口相连；上位机与CPU采用基于PL2303HX芯片的USB转TTL串口模块电连接，上位机的USB接口与CPU的PD5端口及PD6端口电连接。扭矩仪3预留有九针串口接头，并通过RS232(短距离)或RS485(长距离)协议通讯。考虑在实际的风力机测试应用中，现场的扭矩仪串口接口的情况并不能确定，这样就要求设计的通讯电路，同时具备RS232和RS485两种接口的功能。本发明的扭矩信号通讯电路可兼容两种协议，无需额外的通讯协议转换电路，节省空间与成本，可实现风力机扭矩参数的实时监控与显示。

如图9所示，光电编码器5a为ERN1387光电编码器，转速信号调理电路包括增量信号调理电路和索引信号调理电路，光电编码器5a的正弦波信号与增量信号调理电路的A+、A-端口相连，A+、A-端口之间连接有阻抗匹配电阻R103，阻抗匹配电阻R103的两端与运算放大器U4A的两输入端相连，电阻R101与电容C56相互并联后连接在运算放大器U4A的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4A的输出端与运算放大器U5A的同相输入端相连，运算放大器U5A的输出端A与CPU的PB1端口相连；光电编码器5a的索引信号与索引信号调理电路的R+、R-端口相连，R+、R-端口之间连接有阻抗匹配电阻R109，阻抗匹配电阻R109的两端与运算放大器U4C的两输入端相连，电阻R107与电容C61相互并联后连接在运算放大器U4C的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4C的输出端与运算放大器U5C的同相输入端相连，运算放大器U5C的输出端R与CPU的PC1端口相连。

由于风力机的来流方向始终不变，因此叶片在来流吹动下的旋转方向保持不变，不存在判断正反转的问题，因此本发明的光电编码器5a取A相的正弦波信号送入增量信号调理电路的A+、A-端口，由于光电编码器的输出信号为正弦差分信号，首先要对正弦差分信号进行去差分处理，利用运算放大器U4A构成差分调理电路，电阻R101与电容C56作为差分电路的反馈桥臂。A+、A-端口之间需要接一个120欧姆的阻抗匹配电阻R103，平衡A+、A-两端在传输时的信号压差；再通过电阻R104与电容C58构成的RC低通滤波器对信号进行滤波处理，去除高频噪声，滤波处理后得到正弦波信号范围为-1.5V至1.5V。由于控制芯片不能识别负值信号，需要对信号进行电压偏移处理，且为方便CPU处理信号，需要将正弦波信号进行电平调整；运算放大器U4A的输出端与运算放大器U5A的同相输入端相连，利用运算放大器U5A构成比较电路，对电压信号正偏移处理。正弦波信号通过运放U5A与+1.5V电压信号比较，当U5A的正输入端的电压信号大于1.5Ｖ时， U5A的输出端输出3.3V高电平，同时CPU的PB1端口呈高电平。当U5A的正输入端的电压信号小于1.5Ｖ时， U5A的输出端输出0V低电平，同时CPU的PB1端口呈低电平。同理，运算放大器U5C的输出端R向CPU的PC1端口输出高电平时，索引信号触发，使得与之连接的CPU外部中断输入触发计数器复位，通过计算一个索引信号周期的增量信号的脉冲数，计算风力机的实时转速，并且CPU重新计数，计算下一个时刻风力机转速。

如图10所示，电流信号调理电路包括串联在负载回路中的采样电阻R59，采样电阻R59的两端分别与运算放大器U1D的两输入端相连，运算放大器U1D的输出端通过相互串联的电阻R61和电阻R62与运算放大器U1B的同相输入端相连，电阻R62与模拟地VSSA之间连接有电容C29，电阻R61与运算放大器U1B的输出端之间连接有电容C30，运算放大器U1B的输出端与运算放大器U1A的同相输入端相连，运算放大器U1A的输出端AOUT0与CPU的PA0端口相连。

采样电阻R59从负载回路取得微弱的电压信号，运算放大器U1D用作第一级反向放大的运放电路，电压信号被放大-6倍；电阻R61与电容C30、电阻R62与电容C29够成二阶滤波环节，并结合运算放大器U1B构成二阶巴特沃斯低通滤波电路；运算放大器U1A用作第二级反向放大的运放电路，电压信号被放大-5倍，运算放大器U1A的输出端AOUT0将模拟电压信号传输至CPU的PA0端口转换成数字信号。考虑到采样精度的高低直接影响着整个系统的控制性能，运算放大器U1D、运算放大器U1B及运算放大器U1A均采用LF347BN，调理电路中各电阻均采用误差在1%以内的精密电阻。电流调理电路选择两级放大可消除单级放大的倍数限制，增加对共模信号的抑制能力，同时避免电路陷入自激及噪声大、频率响应差等一系列问题。电流信号调理电路的设计量程为0-10A，且与CPU电连接的电压应小于芯片允许最大电压3.3V，同时考虑到需要留有裕量，故采样电阻R59取值0.01欧姆，经过两级放大后传输给CPU的模拟电压信号的幅值为3V，与采用电流霍尔传感器电路相比较，本发明的电流信号调理电路价格较低，且满足精度要求。

如图11所示，CPU的PA11端口与PWM驱动电路的输入端PWN-IN相连，电阻R86与电容C54并联后连接在PWN-IN端口与三极管Q1的基极之间，电阻R84与电容C53并联后连接在三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极之间，三极管Q2的集电极与输入端推挽电路的基极相连，输入端推挽电路的发射极通过隔直电容C52与变压器T1的原边相连，变压器T1的副边通过位移电容C51与输出端推挽电路的基极相连，输出端推挽电路的发射极与固态继电器一J1控制端相连。

CPU输出的PWM信号，为防止振荡和干扰，需经过电阻R86和电容C54并联传输，三极管Q2基极电压由三极管Q1调节；同理电阻R84与电容C53并联进一步防止振荡和干扰，两级调节的方式可以使得PWM输出信号与驱动信号同相。输入端推挽电路由三极管Q3和三极管Q4组成，两者交替导通、关断；变压器T1原边的隔直电容C52可以滤除信号中直流分量。能量传递到变压器T1的副边，变压器T1副边的位移电容C51用以保持磁通复位维持伏秒平衡，实现了去磁目的。三极管Q5和三极管Q6构成输出端推挽电路，三极管Q5和三极管Q6的发射极通过G+端口与固态继电器一J1控制端的正极连接，三极管Q6的集电极通过G-端口与固态继电器一J1控制端的负极连接。PWM信号为高电平时，固态继电器一J1的控制端得电，主触头闭合，负载回路接通；PWM信号为低电平时，固态继电器一J1的控制端失电，主触头断开，负载回路断开。同时由于信号电路中不可避免地存在着寄生分布电感，使得继电器触头在导通或者关断的瞬间电压电流不能够突变，且在高频运行下反向恢复时间较长，从而产生高电压大电流的短暂重叠，为此变压器副边电路中增加四个二极管D1、D2、D3、D4，即在三极管Q5和三极管Q6的基极及集电极与位移电容C51之间分别串联有二极管，防止开关信号误动作，损坏功率器件。本发明的PWM驱动电路干扰较小，高频噪声少，开关时间短，输入功耗很低，输入电路与输出电路之间采用变压器隔离，具有保护功能，且负载能力强。

三相全桥整流电路12的输出端通过固态继电器二J2与制动电阻FX2相连，固态继电器二J2的控制回路中串联有紧急制动按钮SA。制动电阻采用散热效果好，功率较大的水泥电阻，当测试完毕，或风洞试验发生意外或供电电源突然中断时，按下紧急制动按钮SA，则制动电阻FX2接入三相异步发电机5的输出电路，制动电阻将风力机快速制动过程中的再生电能直接转化为热能，这样电能就不会反馈到交流测，而造成直流电压波动，同时使风力机急停，防止风力机飞车导致机械损坏、供电电路过流损坏及测试所用扭矩仪及六分量天平的过载损坏，可以保证整个试验的安全性。

叶片翼型采用丹麦技术大学开发的DTU-LN221翼型，叶片数为3，弦长为0.75m。在测压叶片展向长度60%处的吸力面和压力面上各布置11个测压孔，定义前缘点坐标为(0，0)，测压叶片上各测点的分布如图5所示，各测点的坐标如表1所示：

图12为本发明中叶片在0°位置表面压力系数实验数据与模拟仿真软件计算数据的对比图。实验与数值模拟所用风力机弦长0.75m，运行转速为800R/min，正对来流风速为8m/s，实验采用的动态压力传感器采样频率5kHz，叶片初始状态下的角度b1Angle为169.7°，实际测量时采样时间为4s，风力机旋转54圈。纵坐标为压力系数，横坐标为测点弦长占总弦长的百分比，从图12可以看出，利用本发明测量装置所得数据和利用Fluent数值模拟仿真软件计算所得数据较为接近。

图13为本发明的风力机扭矩实验数据与模拟仿真软件计算数据的对比图。测试来流风速为8m/s，转速从200r/min至700r/min，每隔100r/min测量一次，由图6可以看出，利用本发明测量装置所得数据和利用Fluent数值模拟仿真软件计算所得数据较为接近。

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (11)

1.一种小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于，依次包括如下步骤：⑴在风洞中安装风力机支架，在风力机支架顶部安装六分量天平；⑵在六分量天平上方安装共同底座，在共同底座的前部上方安装风力机底座；⑶在风力机底座的前部安装风力机，风力机包括安装在风机轴前端的轮毂，所述轮毂的圆周上安装有叶片，所述风机轴与风洞共轴线，所述风机轴的中段安装于轴承座中，所述轴承座的底部固定在风力机底座上；在风力机底座的后部安装扭矩仪，扭矩仪的前轴端与所述风机轴的后端通过联轴器一相连接；⑷在共同底座的后部上方安装三相异步发电机，三相异步发电机的转子轴与扭矩仪的后轴端通过联轴器二相连接；⑸安装电气系统，电气系统包括主回路和控制系统，主回路包括与三相异步发电机的三相输出端相连的空气开关，空气开关通过熔断器与三相全桥整流电路的输入端相连，三相全桥整流电路的输出端连接有主回路滤波电容组且通过固态继电器一与负载相连；⑹设定风洞风速大于风力机启动风速，并启动风洞；⑺设定六分量天平、扭矩仪及叶片上压力传感器的采样频率及采样时间，采集当前风速及不同转速下风力机的六种载荷分量、扭矩、叶片各测点的表面压力；各叶片分别设有沿自身长度方向延伸的叶片内孔道，选取某个叶片作为测压叶片，在测压叶片上选取测压截面，所述测压截面距离风机轴轴线的距离为L，L＝0.5～0.7R，其中R为叶片的回转半径；测压叶片的吸力面和压力面上对应设有多个测压孔，吸力面与压力面交汇处的前缘点也设有测压孔，各测压孔的轴线均位于所述测压截面上，各测压孔中分别埋设有薄膜压力传感器；所述轮毂的前端面固定有压力数据采集器，压力数据采集器的前端面固定有无线通信装置；各薄膜压力传感器的信号线沿叶片内孔道穿行至轮毂内腔并且分别与压力数据采集器的信号输入端相连，所述压力数据采集器采集到的各测点的压力值通过所述无线通信装置发送给上位机；以测压截面为中心在测压叶片的吸力面和压力面上分别开有方形窗口，在方形窗口中分别覆盖有方形窗板，方形窗板的底部分别通过玻璃胶粘接在叶片本体上，所述方形窗板的外表面与该方形窗板所在区域的叶片形状相一致，方形窗板四周的拼缝采用玻璃胶填补至与叶片表面平滑；多个所述测压孔分布在所述方形窗板的中线上。

2.根据权利要求1所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：⑻改变风洞风速，待风洞风速稳定后，重复步骤⑺，直至所需测量的各风速下均完成测量；⑼按照式(a)计算风力机叶片在不同位置的表面压力系数，

式(a)中，Num为测量时风力机旋转圈数，定义数组Pul，用Pul(Num)表示风力机运行第Num圈压力数据序列的起始位置，PD(i)为风力机在第i圈转一圈所占压力数据的个数，测量时风力机旋转总圈数记做NumEnd；b1Angle为叶片初始状态下的角度，取值为正值；qi为来流动压，int为将一个数值向下取整的函数，j取值为1至23正整数，表示23个测压孔，1至11表示吸力面上的11个测压孔，12表示前缘点，取值13至23正整数，表示压力面上的11个测压孔；p₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下j号的零点压力数据；k取值为1至360正整数，表示平面中360度的空间方向，k以水平面竖直朝上方向取值为0，顺时针依次增加；p(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的静压；Cp(k,j)为叶片表面上j号测压孔在k位置的压力系数；⑽将实测并计算得到的压力系数与模拟仿真软件计算得到的压力系数进行同图对比。

3.根据权利要求2所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：⑾按照式(b)计算风力机所测量断面翼型在k位置时X坐标方向的切向力系数Ct(k)及Y坐标方向的法向力系数Cn(k)，

式(b)中，p取值1至12正整数，1至11表示吸力面11个测压孔，12表示前缘点，q取值1至11正整数，表示压力面11个测压孔，且以翼型的前缘点作为坐标原点，定义翼型弦长为c；

ypu(p)表示取值为p的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，ypl(q)表示取值为q的孔对应的y轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xpu(p)表示取值为p的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，xp1(q)表示取值为q的孔对应的x轴坐标值除以弦长c所得的无量纲量，Cp(k，p)为叶片取值为p的测压孔在k位置的压力系数，Cp(k，q)为叶片取值为q的孔在k位置的压力系数，trap为梯形求积函数。

4.根据权利要求3所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：⑿按照式(d)计算风力机所测量断面翼型在k位置时的升力系数Cl(k)和阻力系数Cd(k)；

式(d)中，POA为风力机叶片与旋转平面的夹角；ω为风力机旋转角速度；S％为所测量的翼型断面占叶片展向长度的百分比；V为风洞中来流风速；

为来流速度角。

5.根据权利要求1所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述方形窗板在自身长度方向由一大一小的两块拼接而成，两块之间的拼接缝平行于所述方形窗口的短边，小窗板的长度为大窗板长度的1/12～1/8。

6.根据权利要求1所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述风洞中位于风力机来流方向的前方0.5米处安装有静压探头和总压探头，所述静压探头和总压探头的信号输出端分别与电子压力扫描阀的风压信号输入端连接，电子压力扫描阀的风压信号输出端与控制系统CPU的风压信号输入端相连。

7.根据权利要求6所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述扭矩仪的信号输出端通过扭矩信号通讯电路与CPU的扭矩信号输入端相连；所述六分量天平的信号输出端与CPU的数据信号输入端相连；所述三相全桥整流电路的输出端设有电流信号调理电路，电流信号调理电路的电流信号输出端与CPU的电流信号输入端相连；所述三相异步发电机的转子轴尾端安装有光电编码器，所述光电编码器的信号输出端与转速信号调理电路的输入端相连，转速信号调理电路的输出端与CPU的转速信号输入端相连；所述CPU的脉宽调制信号输出端通过PWM驱动电路控制固态继电器一的通断；CPU与所述上位机进行双向通讯。

8.根据权利要求7所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述CPU采用STM32F103ZET6模块，所述电子压力扫描阀的总压信号输出端与CPU的PC4端口相连，电子压力扫描阀的静压信号输出端与CPU的PC5端口相连；所述电流信号调理电路包括串联在负载回路中的采样电阻R59，采样电阻R59的两端分别与运算放大器U1D的两输入端相连，运算放大器U1D的输出端通过相互串联的电阻R61和电阻R62与运算放大器U1B的同相输入端相连，电阻R62与模拟地VSSA之间连接有电容C29，电阻R61与运算放大器U1B的输出端之间连接有电容C30，运算放大器U1B的输出端与运算放大器U1A的同相输入端相连，运算放大器U1A的输出端AOUT0与CPU的PA0端口相连。

9.根据权利要求8所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述光电编码器为ERN1387光电编码器，转速信号调理电路包括增量信号调理电路和索引信号调理电路，光电编码器的正弦波信号与增量信号调理电路的A+、A-端口相连，A+、A-端口之间连接有阻抗匹配电阻R103，阻抗匹配电阻R103的两端与运算放大器U4A的两输入端相连，电阻R101与电容C56相互并联后连接在运算放大器U4A的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4A的输出端与运算放大器U5A的同相输入端相连，运算放大器U5A的输出端A与CPU的PB1端口相连；光电编码器的索引信号与索引信号调理电路的R+、R-端口相连，R+、R-端口之间连接有阻抗匹配电阻R109，阻抗匹配电阻R109的两端与运算放大器U4C的两输入端相连，电阻R107与电容C61相互并联后连接在运算放大器U4C的反相输入端与输出端之间，运算放大器U4C的输出端与运算放大器U5C的同相输入端相连，运算放大器U5C的输出端R与CPU的PC1端口相连。

10.根据权利要求8所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：CPU的PA11端口与PWM驱动电路的输入端PWN-IN相连，电阻R86与电容C54并联后连接在PWN-IN端口与三极管Q1的基极之间，电阻R84与电容C53并联后连接在三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极之间，三极管Q2的集电极与输入端推挽电路的基极相连，输入端推挽电路的发射极通过隔直电容C52与变压器T1的原边相连，变压器T1的副边通过位移电容C51与输出端推挽电路的基极相连，输出端推挽电路的发射极与固态继电器一控制端相连。

11.根据权利要求8所述的小功率风力机气动特性的测量方法，其特征在于：所述扭矩信号通讯电路包括MAX3232C模块和MAX3485模块，扭矩仪的信号输出端通过九针串口接头(DB1)与MAX3232C模块及MAX3485模块相连，MAX3232C模块的R1OUT端口及MAX3485模块的RO端口共同与CPU的PA10端口相连，MAX3232C模块的T1IN端口及MAX3485模块的DI端口共同与CPU的PA9端口相连；所述上位机与CPU采用基于PL2303HX芯片的USB转TTL串口模块电连接，所述上位机的USB接口与CPU的PD5端口及PD6端口电连接。

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