一种垂直轴风轮平均启动力矩的测量方法技术领域
本发明涉及一种垂直轴风轮平均启动力矩的测量方法。
背景技术
随着石化能源的日益枯竭，风能等清洁可再生能源的开发利用不断受到关注，风
力发电已成为世界许多国家的可持续发展战略的重要组成部分。与水平轴风力发电机相
比，垂直轴风力发电机具有结构简单、360°迎风等明显优势，越来越受到各国的普遍重视。
永磁发电机技术因其高效率和高可靠性，在风力发电领域具有很大的发展空间，风力发电
机主要分为水平轴和垂直轴两种，垂直轴风力机直驱永磁发电机，是今后风力发电领域的
一个重要发展趋势。
无论是水平轴还是垂直轴，转矩都是关系到风轮功率、效率的重要工作参数，使机
械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。随着永磁发电机技术的发展，一种轴向主磁路
结构永磁风力发电机（专利号：201110215832.1）可在1.0~25m/s风速范围内工作。在“转动
即发电”思路的指导下，一种垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮（专利号：
201010140707.4）可实现低风速运转并使直驱的上述永磁发电机持续发电，鱼脊线风轮在
低风速工况下受负载作用时的启动特性成为一个重要的性能指标。由于垂直轴风轮迎风角
度不同时，受力状况也不同，目前对于垂直轴风轮的平均启动力矩的测量，主要采用在风轮
一个整周回转周期内均布测量点，进行多次测量取平均值的方法进行，该方法因需多次测
量，操作繁琐，且测量精度受测量次数影响。因此，如何方便、准确地测量垂直轴风轮的有效
转矩，一直是研究风轮性能时所要解决的重要问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种垂直轴风轮平均启动力矩的测量方法，
能够方便、准确地测量垂直轴风轮的有效转矩。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种垂直轴风轮平均启动力矩的测
量方法，包括以下步骤：
步骤一、利用垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，对垂直轴风轮在不同风速工况和
不同负载工况下的运转性能进行风洞试验，通过试验风洞产生并逐渐增大风速，当垂直轴
风轮能够发生转动并保持均匀转动时，利用试验台检测仪器测量并记录此时的风速和垂直
轴风轮的转速数据；
步骤二、根据步骤一得到的风速和垂直轴风轮的转速数据，利用计算流体动力学对垂
直轴风轮进行瞬态仿真分析，得到垂直轴风轮在一个360°运转周期内的动态力矩变化曲
线，并在该曲线中标定垂直轴风轮的力矩曲线—迎风角度值关系；
步骤三、在垂直轴风轮的一个360°运转周期内的动态力矩变化曲线中，计算得到平均
力矩值，平均力矩值与动态力矩变化曲线的交叉位置对应为迎风角度值，将该迎风角度位
置作为垂直轴风轮平均启动力矩发生的位置；
步骤四、利用垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，将风速设定为步骤一的风速值，将
垂直轴风轮的迎风位置角设置为步骤三中得到的迎风角度值，按照力矩平衡原理，以拉力
计测量垂直轴风轮的平均阻力矩，此即为垂直轴风轮在该风速工况和负载工况下的平均启
动力矩。
进一步地，所述步骤二中，利用垂直轴风轮的计算流体动力学进行瞬态仿真分析
的方法为：在Fluent软件中设定界面设置边界条件，根据力矩系数Cm计算公式
，在Fluent软件中作出垂直轴风轮在一个360°运转周期内的动态力矩变化
曲线，其中，M为力矩，ρ为气体密度，V为气体速度，A为扫风面积，L为特征长度。
本发明中，步骤三的具体步骤为：利用计算流体动力学中的测量软件生成的360°
运转周期内动态力矩的变化表格，计算得到平均力矩值及其对应的迎风角度值，平均力矩
值与动态力矩变化曲线的交叉位置对应为迎风角度值，由于垂直轴风轮具有多个叶片，各
叶片在360°运转周期内存在形状重复情况，因此，平均力矩值的发生位置有多个，任选一平
均力矩值发生位置，将该位置作为垂直风轮平均启动力矩的发生位置。
进一步地，所述的步骤四中，以拉力计测量垂直轴风轮的平衡阻力矩的具体操作
方法为：将垂直轴风轮处于步骤三中任一迎风角度值的等值点位置的转子角，用手持拉力
计水平拉住垂直轴风轮的叶片的外缘，记录拉力计的读数，垂直轴风轮的叶片半径与各转
子角位置的拉力计读数的乘积，即为垂直轴风轮的平均启动力矩。
有益效果：本发明解决了现有技术中需多次测量、操作繁琐、测量精度受测量次数
影响的问题，本发明在风洞试验获得垂直轴风轮在某确定风速和转速条件的基础上，通过
计算流体动力学仿真分析方法得到风轮的动态力矩变化曲线，依据曲线得到风轮平均力矩
发生的转角位置，然后依据力矩平衡原理测量风轮在该位置的阻力矩，从而得到风轮的平
均启动力矩值。
该方法的优点是：通过计算流体动力学仿真分析的方法，得到垂直轴风轮平均启
动力矩发生的迎风角度值，从而实现一次测量即可得到垂直轴风轮的平均启动力矩值。由
于垂直轴风轮的结构特点，其在一个360°回转周期的不同迎风位置，受风状况不同，从而导
致垂直轴风轮平均启动力矩测量必须采取一个回转周期内离散化多位置、测量取平均值的
方法进行，且测量点位越多，测量精度越接近真实值。
本发明仅通过一次测量，即可得到风轮平均启动力矩测量值，大大简化了现有技
术中，需通过风轮不同转角位置多次测量取平均值，测量次数多且影响测量结果精度的缺
陷；操作方便快捷、测量精度受外界影响因素少，可实现垂直轴风轮平均启动力矩的快速测
量。
附图说明
图1是本发明的垂直轴风轮仿真分析流场设置图。
图2是本发明步骤二得到的动态力矩变化曲线图。
图3是本发明步骤四的垂直轴风轮平均启动力矩测量方法图。
图中：X、Y为建立的垂直轴风轮坐标系，以垂直轴风轮的中心轴线为坐标原点；α为
垂直轴风轮的迎风角度，选取某标定叶片外端点与坐标系原点连线与风向之间的夹角，初
始迎风位置角为0°；Ta为仿真动态的平均力矩值；αi为仿真动态的平均力矩发生的迎风角
度，i=1，2，...，n；R为垂直轴风轮的叶片半径；F为拉力计的测量读数；Tw为风能对风轮的驱
动力矩。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的垂直轴风轮平均启动力矩的测量方法作进一步
说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为
对本发明的限定。
一种垂直轴风轮平均启动力矩的测量方法，包括以下步骤：步骤一、利用垂直轴风
轮性能检测通用试验台装置，对垂直轴风轮在不同风速工况和不同负载工况下的运转性能
进行风洞试验，通过试验风洞产生并逐渐增大风速，当垂直轴风轮能够发生转动并保持均
匀转动时，利用试验台检测仪器测量并记录此时的风速和垂直轴风轮的转速数据；
步骤二、根据步骤一得到的风速和垂直轴风轮的转速数据，利用计算流体动力学对垂
直轴风轮进行瞬态仿真分析，得到垂直轴风轮在一个360°运转周期内的动态力矩变化曲
线，并在该曲线中标定垂直轴风轮的力矩曲线—迎风角度值关系；
步骤三、在垂直轴风轮的一个360°运转周期内的动态力矩变化曲线中，计算得到平均
力矩值，平均力矩值与动态力矩变化曲线的交叉位置对应为迎风角度值，将该迎风角度位
置作为垂直轴风轮平均启动力矩发生的位置；
步骤四、利用垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，将风速设定为步骤一的风速值，将
垂直轴风轮的迎风位置角设置为步骤三中得到的任一迎风角度值，按照力矩平衡原理，以
拉力计测量垂直轴风轮的平均阻力矩，此即为垂直轴风轮在该风速工况和负载工况下的平
均启动力矩。
在具体应用中的测量方法为：
（1）、利用本申请人在先申请的、专利号为201110324732.2公开的垂直轴风轮性能检测
通用试验台装置，通过磁粉加载器或扭矩加载器等加载装置给风轮施加某确定力矩值，以
模拟垂直轴风轮所带动的风力发电机负载工况；通过试验风洞产生并逐渐增大风速，使得
风轮能够发生转动并保持均匀转动；利用试验台检测仪器测量并记录风轮的风速和转速数
据；
（2）、利用图形生成软件如AutoCAD等进行垂直轴风轮二维仿真流场绘制，流域大小选
择以兼顾计算准确性和计算时间为准则；风向选取与X轴正向相同，并选取垂直轴风轮的某
个叶片作为垂直轴风轮的迎风位置角的标定，如图1所示，标定叶片外端点与坐标系原点连
线与风向之间的夹角α，初始迎风位置角为0°；
利用ICEM—CFD软件进行流域离散网格划分，并利用Fluent软件进行垂直轴风轮仿真
分析，Fluent分析中设定界面设置边界条件，将入口边界设为速度入口边界条件类型，将出
口边界条件设为流出边界条件。外流场外边界壁面，即矩形流场的两侧边界，在实际的工作
环境中是与大气直接连通的，将其设为symmety对称边界型。叶片壁面和风轮中心轴为无滑
移壁面，均设为wall型。
根据风轮特性，将计算区域划分为静止区域和转动区域，其中静止区域为外流场，
转动区域为内流场。采用滑移网格法进行风轮瞬态仿真分析，对于垂直轴风轮，叶片运动范
围始终在一个圆周之内，叶片界面运动轨迹是一个圆平面，图1中滑移边界为一圆形，将包
围叶片截面的圆面设定为内流场；外流场为左边界距风轮中心的距离为5倍风轮直径，上下
边界距风轮中心的距离为5倍风轮直径，右边界由左上下边界构成的正方形右移一倍形成
的矩形，如图1中的矩形。Fluent分析中，采用RNG湍流模型，基于压力的隐式Couplek-ε算
法求解，选用二阶迎风差分格式离散，模拟风速和风轮转速采用步骤（1）得到的相应数据，
通过Fluent仿真分析，根据力矩系数Cm计算公式，在Fluent软件中作出垂直
轴风轮在某风速工况和负载工况下的一个360°运转周期内的动态力矩变化曲线，形如图2
所示。其中，M为力矩，ρ为气体密度，V为气体速度，A为扫风面积，L为特征长度。
（3）、根据图2所示动态力矩变化曲线，利用仿真过程中测量软件生成的360°运转
周期内力矩变化表格，可以计算得到平均力矩Ta的值及其对应的迎风角度值。平均力矩值
与动态力矩变化曲线的交叉位置对应为迎风角度值。由于垂直轴风轮具有多个叶片，多叶
片风轮在一整周回转周期内有形状重复情况，故Ta发生位置有多个（α1、...、αi、...αn）。任
选一平均力矩Ta发生位置如αi，在该位置上，风轮受风达到启动转动和风轮受风静力平衡两
种状态下，风轮受风的受力状况相同。风轮平均启动力矩指风轮受风能产生的平均驱动力
矩超过该值即可使风轮转动，根据相似性原理，该位置可作为风轮平均启动力矩发生的位
置。因此，平均力矩值的发生位置有多个，任选一平均力矩值发生位置，将该位置作为垂直
风轮平均启动力矩的发生位置。
（4）、利用垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，将风轮迎风位置角设置为步骤
（3）中得到的角度αi，设定风洞风速为步骤（1）的风速值，风轮受力如图3所示，Tw为风能产生
的驱动力矩。
将垂直轴风轮处于步骤（3）中的任选一个迎风角度值的等值点位置的转子角，用
手持拉力计水平拉住垂直轴风轮的叶片的外缘，将风速设定为步骤（1）的风速值，记录拉力
计的读数F，单位为N；垂直轴风轮的叶片半径为R，单位为m，按照力矩平衡原理，垂直轴风轮
在该风速工况和负载工况下的平均启动力矩Td可按公式计算。Td即为垂
直轴风轮在各转子角位置的阻力矩，即为垂直轴风轮的平均启动力矩。
垂直轴风轮在其它风速工况和负载工况下的平均启动力矩，均可按以上步骤进行
测量得到，从而形成垂直轴风轮在各种工况下的平均启动力矩特性曲线。
本发明利用的专利号为201110324732.2公开的垂直轴风轮性能检测通用试验台
装置，开口回流式风洞可为风轮试件提供最大风速为30m/s的模拟自然风；电控磁粉加载器
可以对风轮试件在0~18N·m内准确加载，模拟风轮各种载荷工况。
在现有技术中的启动力矩测量方法为：垂直轴风轮的中心轴上装配有同轴联动的
皮带轮，皮带轮上绕装有皮带，皮带的陵端分别通过调整螺栓与固定设置的基座连接，通过
皮带连接吧皮带轮和测力计相连接，将静止的垂直轴风轮的转子角设置为每隔30°，在各转
子角位置，利用测力计读出风轮在某一风速下瞬时运转的力，该力值与垂直轴风轮的叶片
半径值的乘积，即为启动力矩；求各转子角位置的启动力矩的平均值，即为平均启动力矩。
在9.55m/s、10.6m/s和11.6m/s三种风速下，利用现有技术的测量方法和本发明的测量方法
对萨瓦纽斯风轮进行平均转矩的测量，测量结果如下表所示：
与传统多次测量取平均值的方法相比，该方法测量结果完全达到精度要求，且测量次
数少、方便快捷。
本文所阐述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。由于实现本发明各步
骤的方法不唯一，本发明所属技术领域的技术人员可以对具体实施例中的各步骤实施各种
补充、修改或采用类似的方式替代，但不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定
义的范围。