螺旋推进式测风仪：原理与应用

螺旋推进式测风仪发明于18世纪80年代，复兴于在20世纪40年代，被广泛应用于各种环境领域。20世纪60年代，基于螺旋推进概念的单风向叶片推进测风仪和双平行风向叶片推进测风仪被用于对湍流的测量。典型设计如图8-16所示。

图8-16 单风向叶片（左)和双平行风向叶片（右)螺旋推进式测风仪

螺旋推进的设计原理是旋转速度（超越轴承摩擦效应时)与风速成线性正比。例如最初的四叶片吉尔螺旋推进测风仪每英尺（0.305m)的空气通过时可以旋转360°，对风的攻角呈余弦响应方式。这就意味着旋转推进器主要对风矢量平行于旋转轴的部分响应。与杯式风速仪不同，为了实际测量水平风速，旋转推进式测风仪需要一个尾部风向叶片，使旋转推进器始终迎着风向。

为了测量总风速，可以采取两个风向叶片垂直的结构增加一个风向调整自由度。这种仪器既可以用来测量风速标量，又可以测量风速矢量。总风速矢量还可以用3个正交固定排列的螺旋推进（三轴推进)测风仪进行测量。为了达到测量精度，需要对测量数据进行修正，来弥补各个方向余弦敏感度的偏差和仪器支撑结构对风流的畸变效应。

螺旋推进测风仪的优点是在单一仪器上同时实现了对风速和风向的测量。理论上螺旋推进测风仪不需要风洞标定，但实际上必须对其进行定期标定，以确定低风速的性能，及察觉由于磨损造成的拖曳力增加。螺旋推进测风仪在非常低的启动风速下可以产生较大的空气动力转矩，优于杯式风速仪，但是这个性能通常在风能应用中并不重要。螺旋推进测风仪虽然同样存在过速效应，但通常认为不重要。经验还表明，这种测风仪可以较好地测量湍流，至少可以确定湍流强度和水平风速标准偏差。(www.xing528.com)

风向推进测风仪的一个显著的缺点是，风向不能完美跟踪湍流动态风向变化。惯性效应可以导致方向过冲，使旋桨偏离风向而低估风速。在低风速不稳定风流时，这种现象更加显著，因为风向角度由于大的对流涡旋通过而迅速变化。在高风速下，水平方向的轴偏离误差会显著降低，因为此时尾叶对空气动力存在很大的阻尼效应。

垂直方向的轴偏离气流也是造成风速测量误差的原因。当把螺旋推进测风仪安装在有坡度的地形，或特征骤变的地形地貌时，这种现象尤为明显。

三轴正交螺旋推进测风仪的主要问题与轴偏离现象和支臂遮挡效应有关，有较大的固有不确定性。不确定性的来源之一是，螺旋体对风速的动态响应随着攻角增加而降低。例如，当风向与转轴的夹角达到85°时，距离常数增加到原来的三倍。在高湍流的风况下，螺旋推进测风仪还可能发生叶片失速。这是由于风速的迅速升高超过了旋转体的响应能力。

不建议把螺旋推进测风仪应用于风力发电机功率性能的测量中，尤其对于多排排布的风场。经验表明，在一定的空气流动条件下，在密集排布的风场中，这种仪器对水平风速的测量误差可能超过25%。