[科普中国]-风杯式风速计

简介

风杯式风速计是风电机组功率特性测试中最常用的测风设备,其测量准确度直接影响到风机功率曲线的测试结果。根据风杯式风速计测量风速的原理,温度会对其测量准确度产生影响。利用风电机组功率特性实际测量数据,证明了温度对风杯式风速计测量风电机组功率特性产生的影响,并介绍了IEC新版风电机组功率特性测试标准中对测试过程中风速信号的修正方法。1

原理介绍旋转式风速仪的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有风杯式风速计、螺旋桨 式风速计。

前普遍采用的测定风速的仪器是风杯式风速计，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。

当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯2与3同风向成60度角相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。

风杯开始转动后，由于杯2顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯3迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。

当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。目前新型转杯风速表均是采用三杯的，并且锥形杯的性能比半球形的好,当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度,风速减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降,旋转式风速表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应（产生的平均误差约为10%）

风速风向传感器在风机控制中的应用与研究研究了多种风速传感器测量风速的原理,比较了各种风速传感器测风速的特点,分析了风力发电对风速测量的要求。并且通过对风杯式风速计测风速的误差分析,得出利用三杯式风速传感器是比较适用于控制风力发电机发电的。并且提出了一种对风速数据处理的新方法,使其更好的用于风力发电的控制。对风力发电控制技术的发展具有重要意义。2

意义风杯式风速计是应用极为广泛的测风传感器,它具有测风范围大、强度高、耐腐蚀等优点。目前所使用的三杯式风速计的测风元件——风杯,大多是凭经验和试验确定的,并没有完善的理论基础作指导,以至于没有明确风速计的线性度(即风速计的转速和实际风速的线性关系)都受风杯哪些参数的影响,具体影响的大小以及哪些参数是主要的影响因素。本论文通过优化风杯的几何形状、回转半径等参数,明确风速计的线性度以及其动态响应特性都受哪些参数的影响,以便设计出线性度更好的风杯结构;同时改善风速计的动力学特性,以便能比较准确地测量风速,并为三杯式风速计的实际应用与使用维护提供理论依据。本文利用流场仿真软件ADINA,对风杯在大气中的运动进行仿真,通过改变风杯结构参数,如回转半径和杯口直径,模拟出不同结构参数的风杯在大气中的运动特性,并据此结果分析结构参数对风杯动静态特性的影响。长春气象仪器研究所希望改变现有的EC9-1风速计杯套的材料和尺寸,以降低其生产成本,其主要目的是改善风速计的动静态特性。而风速计的动静态特性与风速计转动体的转动惯量有关,为此本文利用三线扭摆法测量了风杯的转动惯量,以验证利用Pro/E软件求得的转动惯量,为分析风杯的动静态特性提供依据;同时改变风杯结构参数,通过风洞实验求得不同转动惯量下的风速计动静态特性,并对仿真结果进行验证。3