穆安乐：独辟蹊径 探索马格努斯风力机

 “风电行业正处在快速发展阶段,如何在低风速区域实现高效利用是我们必须解决的难题。”西安理工大学教授穆安乐如是说。长期以来,他带领团队不断探索创新,在我国率先提出并成功研制“广谱风力机”,大大提升了风电设备的适用范围和效率。

穆安乐教授团队合影(前排左起第五人)

 1 独辟蹊径,自主攻关核心技术

 “这是一个非常有趣的物理现象,气流吹过旋转圆柱体时会产生明显的横向升力。”穆教授向我们介绍马格努斯效应的基本原理时眼中透着兴奋,“这给我们在风电领域的创新提供了全新的思路。”

 根据他的设想,采用旋转圆柱桨叶结构的风轮可以大幅提升低风速下的启动性能和高风速下的稳定性。这种“广谱风力机”运行范围将可以扩大一倍以上,达到微风顺畅启动、疾风依旧发电的效果。

 “当时没有现成的技术可供借鉴,我们只能自主探索。”穆教授坦言起步并不容易,需要解决从气动特性预测、传动系统设计到整机控制等一系列核心技术难题。正是围绕这些关键问题,他带领团队展开了理论与实验相结合的持续攻关。

 为克服这些技术难题,穆教授组建了一个由资深专家和青年人才组成的创新团队。他们深入研究流体力学和传动理论,构建精细的数学模型,预测桨叶在不同条件下的气动性能。同时,设计高精度的传感设备,开展大量风洞试验,验证模型的准确性。在预测和测量数据的交互反馈中,逐步优化设计方案。

 此外,团队还自主开发了高性能传动装置和智能控制系统。前者确保稳定传递高转矩,后者实时调节转速,实现系统的最佳匹配。

 2 流动控制,建立气动-结构动力学模型

 为精确预测桨叶在复杂环境下的气动性能,穆教授带领团队开展流体数值计算与优化。基于高级CFD软件,建立了考虑旋转效应的三维非定常湍流模型。

 “建模难点在于桨叶是可变形体,存在强烈的流固相互作用。”穆教授解释道。为了处理这一多物理场耦合问题,团队采用了新颖的过渡层模型描述流体与结构之间的动量传递和应变分布。

 大量模拟结果表明,该模型可以准确再现不同攻角和转速下桨叶周围的速度场和压力分布。这为后续优化桨叶结构提供了可靠参考。

 此外,研究人员还构建了考虑气动力和控制的全系统动力学模型。该模型充分描述桨叶,发电机,变速系统在不同输入条件下的耦合运动学特性和出力响应规律。

 “这是一个高度非线性的问题,难以通过经验预测。”穆教授说。基于该模型的仿真为控制策略设计提供精准指导,有助于实现系统全局最优,确保广谱特性。

 通过上述理论与实验研究的有机结合,穆教授团队在“广谱风力机”技术路线上取得重要进展,为后续实现规模化应用奠定坚实基础。

 3 挑战极限,多点突破实现广谱特性

 为了验证设想,穆教授团队制作完成两台小型“广谱风力机”样机并进行了连续3个月的风洞试验。结果表明,这种新结构在2米/秒的微风环境下即可顺利启动发电,并在模拟的30米/秒强风条件下保持高效稳定运行,这极大鼓舞了大家的信心。

 鉴于前期试验获得圆满成功,研究团队决定在已有基础上进行全面技术升级,实际突破系统极限。主要从桨叶材质、传动系统和控制策略三个层面入手。目标是打造一台适应风速范围更广,转换效率更高的2KW样机。

 经过持续工程化改造,团队生产出多组升级版样机。其中,一台配置优化最为成功:采用流线型空心桨叶结构降低风阻,同时添加碳纤维外壳提高强度;配备高精度磁悬浮轴承传动系统,确保转动平稳;采用高度集成的FPGA控制器,200Hz速率实时调节桨叶转速,优化系统输出。

 最终测试表明,这台样机的工作风速范围从3-25m/s扩大到2-30m/s,转换效率提高10个百分点。“广谱”特征初步确立,为后续产业化奠定坚实基础。

 4 严谨验证,积累标准制定数据

 “任何科研成果离不开严谨的验证。”穆教授向我们强调。在关键技术研发的基础上,他还带领团队构建了独特的风洞测试平台,可以高保真模拟不同风力等级的环境。在此基础上,他们使用多组样机对系统进行全面的工作特性评估,为标准确立积累了大量有效数据。

 该测试平台采用数值模拟技术重构I至IV级风环境,系统配置多通道检测设备,精确记录各项指标。

 平台上安装的2KW级样机经过80余轮测试,涵盖可变桨叶、传动比、控制参数等多个维度。

 测试结果显示,当前2KW样机在6米/秒平均风速下可稳定发电,为后续“广谱风力机”的标准制定提供了可靠依据。穆教授表示,团队将继续积累测试数据,推动相关标准尽快确立。这将有力促进“广谱风力机”实现规模化商业应用。

 5 立足产学研,实现技术成果转化

 在原创性核心技术研发的同时,穆教授也十分关注产学研结合,直接带领培养了大批优秀人才,同时将部分研发成果转化应用于某重点风机制造企业的产品开发中。这不仅带动了产业链快速成长,也使他的团队能够立足实际需求进行技术创新。

 与行业龙头企业的合作无疑开拓了“广谱风力机”的应用前景。一方面,企业可借助样机技术推出中低风速风电机组新品,快速占领这一细分市场;另一方面,研究团队也获得宝贵的工程经验反馈,更好地完善技术方案。

 除产品研发外,穆教授还通过项目支持培养博士和硕士研究生。这些青年科技人才将推动相关理论和技术在产学研领域的传播与应用。相信未来他们也将在风电行业中创造出色业绩。

 展望未来,穆安乐教授表示,他将继续致力于关键技术攻关,使“广谱风力机”的转换效率和稳定性不断提升。他相信通过持之以恒的科研探索,这一具有自主知识产权的风电设备必将在我国风电产业转型中发挥重要作用,为国家节能减排目标贡献力量。(文/张霞)

穆安乐教授在国际学术会议上做主题报告

 专家简介:

 穆安乐教授是西安理工大学著名的机械工程专家,长期致力于新能源和智能机电系统领域的研究工作。在他的带领下,团队先后获得多项国家级项目资助,并在顶级期刊上发表高质量论文100余篇,有多篇论文进入全球1% ESI高被引论文。他还成功申请了30多项发明专利,并有多项发明技术得到了转化推广。

 除了科研成就凸显,穆教授还培养出大批优秀学生。他同时还担任多本国内外期刊的编委或审稿人,为学术交流做出了积极贡献。在国际学术交流中,他也曾赴日本、美国进修或从事博士后研究工作。目前,穆教授还兼任多项学术界与行业组织重要职务。通过多年奋斗,他已经成长为同行公认的风能与能源储备领域专家。