水平轴风力机叶尖翼型截面流场的试验研究
日期：2009-12-29 14:13:57 点击：
来源：cechinamag
作者：
来源：cechinamag
作者：
点击【 大 中 小 】放大字体.
气流通过旋转的风轮时会产生动量损失,并在风轮转子下游形成风速下降的尾迹区[1 ] . 目前,多数分析和预估水平轴风力机性能的方法中对于尾迹流 动均进行过于简单的简化和假设[2 ] . 早期,水平轴风 力机的空气动力学特性设计评估都是根据简单的叶 片叶素2动量理论(BEMT) [3 ] ,然而,随着时间变化 对叶片局部流动细节情况的要求不同,BEMT 方法 已经不能满足设计评估的要求,如叶尖附近并不满 足该理论的假设. 叶尖是升力产生的主要区域,同 时,上游空气通过叶尖时会产生叶尖涡,叶尖涡是辐 射噪声增大、功率输出减小、疲劳载荷增加的主要原 因之一,因此许多学者把研究的重点放在了叶尖附 近流场的研究上,但大多数研究者采用了一些经验 性的尾迹模型和技术方法[ 4 - 8 ] ,因此还需要对水平 轴风力机叶尖附近流场特性方面进行更加深入的 研究.
粒子图像测速技术( PIV) 是90 年代后期成熟 起来的一种先进的非接触式流动测量技术. 课题组 已利用PIV 技术研究了风力机叶片动态绕流流场 的结构,取得了较满意的结果[9 ] . 笔者利用线式互相 关PIV 系统及轴编码器锁相技术对特定叶片的叶 尖流场进行了测量,得到了叶尖尾迹区内的瞬时速 度场. 为准确描述在不同尖速比下叶尖流场的共性 与个性,笔者采用瞬时图和时均图相结合的方法分 析了结果,为研究风力机尾迹流场和CFD 数值模拟 提供了参考.
1 试验部分
图1 为水平轴风力机叶尖流场的测量设备及 PIV 测量系统示意图. 试验设备主要由低速开口直 流式风洞、PIV 测量系统和风力机等组成.
1. 1 风洞试验
在B1/ K2 直流式低速风洞中进行试验研究. 采 用数字变频技术调节风速,变频器的变频范围为0. 0 ～60. 0 Hz ,开口试验段的圆形横截面直径为2. 04 m ,风速调节范围为0～18 m/ s ;在驱动风扇和闭口 试验段间增设三级整流,以调整和降低来流的紊 流度.
1. 2 测试仪器
流场测试仪器主要采用美国TSI 公司生产的 二维粒子图像测速系统,其包括: ①美国Big Sky 公 司生产的双钕钇铝石榴石激光器,激光器的最大工 作频率为15 Hz ,每个脉冲能量高达120 MJ ,脉冲 光采用Q2Switch 触发方式,脉宽为3～10 ns ,输出 激光束波长范围为545 ～ 780 nm ; ②采用Power ViewTM2MP 自/ 互相关数字CCD 相机,分辨率为 1 200像素×1 600 像素,在相机镜头前还加有1 个 标准的28 mm 镜头(Nikon Micro Nikkor 28/ F2. 8 透镜) ,采集速度为16 帧/ s ; ③采用的9308 型烟雾 发生器系统由ROSCO 公司生产制造,粒径范围为 1～2μm ,示踪粒子由风洞的入口处加入,既保证了 粒子在测量域内的均匀散播,又不干扰流场; ④轴编 码器采用由欧姆龙(OMRON) 公司生产的E6B22 CWZ6C 型光电轴编码器,调节范围为0～360°,最 小调节刻度为1°,其与发电机同轴安装.
1. 3 试验样机
试验样机为100 W 水平轴风力机,叶片翼型为 NACA4415 ,风轮直径为1. 4 m ,定桨距,叶片数为3. 当PIV 系统工作时,利用光电轴编码器和La2 serPul seTM同步器为锁相采样技术提供触发信号, 通过计算机内Insight 3G软件控制协调各组成部件 间的工作.
2 结果与分析
试验在不同尖速比λ下对特定叶片叶尖后侧的 流场进行了测量. 逆流看风轮逆时针旋转. 风轮坐标 系示于图2. 激光由叶片的后方沿逆流方向发出,垂 直照射到风力机叶片的吸附面上,相机的位置为轮 毂一侧靠近叶根部(图2) . 相机拍摄位置示于图3. 调整、标定轴编码器分度仪和触发器,锁定风轮转角 及旋转位置.
在3 个尖速比下对叶尖流场进行了径向速度分 量和轴向速度分量的测量,在每个尖速比下得到了 60 幅PIV 瞬时速度图片. 为了完全展现叶尖流场的 共性与个性www.cechina.cn,采用时均图和瞬时图相结合的方法分 析试验结果. 通过Tecplot 软件处理瞬时速度图,可 获得相应工况下的瞬时速度云图及流线图. 在相同 工况下,通过对采集的多幅图像在相同空间位置进 行时均处理,可以消除紊流影响并提取流动结构的 共性,得到该工况下的时均图,从而获得时间意义上 的统计平均测量结果.
2. 1 尖速比λ与功率系数CP 的关系曲线
通过Matlab 程序编程计算获得尖速比λ与功 率系数CP 的关系曲线(图4) .
由图可知,风轮在λ= 5 附近具有最大输出功率 系数0. 32. 这与本课题组所进行的风轮外特性试验 结果基本吻合[10 ] .
2. 2 不同尖速比下的瞬时流场
叶尖尾迹中旋涡结构的捕捉是比较困难的,因 为风力机尾迹流场具有非稳定性和随机性,同时,由 于各叶片旋转时相互干涉以及机舱的影响,并不是在任何情况下都能拍摄到叶尖涡的结构. 通过大量 的图片分析可知:在高尖速比下,叶尖涡出现的频率 较高,对风轮的功率输出影响较大;随着尖速比的减 小,叶尖涡出现的频率较低,对风轮的功率输出影响 也减小.
试验在3 个尖速比下共得到180 幅图片,从处 理的图片中可以发现,在每个尖速比下,尾迹流场大 致具有2 种特点:一种是尾迹中存在明显漩涡结构 或是存在漩涡形成趋势;另一种是尾迹速度大致以 轴向速度为主,不存在明显的涡结构. 因此在每个工 况下选择2 幅最具有代表性的图片进行分析.
图5 (a) 和图5 ( b) 所示为λ= 6 的工况下,叶尖 轴向二维瞬时速度矢量图. 对比2 幅图片可以发现, 图5 (a) 中的速度矢量箭头分布不均匀,存在明显的 旋涡结构. 图6 (a) 和图6 (b) 是分别通过Tecplot 软 件处理图5 (a) 和图5 (b) 速度矢量图所得到相应的 速度云图及流线图. 在λ= 6 的工况下,比较图6 (a) 和图6 (b) 可看出,在图6 (a) 中,尾迹中存在叶尖涡 结构,深色区域加大,流场变得杂乱无章,尾迹速度 亏损区范围增大,上游空气来流通过叶尖时,旋涡吸 收了空气的动能所有,从而影响了风轮的功率输出. 在图 6 (b) 中没有出现叶尖涡,尾迹流场中的大部分区域 依然是以轴向速度为主,对风轮的功率输出影响较 小. 同时,图6 (a) 和图6 (b) 的对比还说明了风力机尾 迹流场是非定常的,具有非稳定性和随机性的特点.
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
粒子图像测速技术( PIV) 是90 年代后期成熟 起来的一种先进的非接触式流动测量技术. 课题组 已利用PIV 技术研究了风力机叶片动态绕流流场 的结构,取得了较满意的结果[9 ] . 笔者利用线式互相 关PIV 系统及轴编码器锁相技术对特定叶片的叶 尖流场进行了测量,得到了叶尖尾迹区内的瞬时速 度场. 为准确描述在不同尖速比下叶尖流场的共性 与个性,笔者采用瞬时图和时均图相结合的方法分 析了结果,为研究风力机尾迹流场和CFD 数值模拟 提供了参考.
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
1 试验部分
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
图1 为水平轴风力机叶尖流场的测量设备及 PIV 测量系统示意图. 试验设备主要由低速开口直 流式风洞、PIV 测量系统和风力机等组成.
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
1. 1 风洞试验
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
在B1/ K2 直流式低速风洞中进行试验研究. 采 用数字变频技术调节风速,变频器的变频范围为0. 0 ～60. 0 Hz ,开口试验段的圆形横截面直径为2. 04 m ,风速调节范围为0～18 m/ s ;在驱动风扇和闭口 试验段间增设三级整流,以调整和降低来流的紊 流度.
plcjs.技.术_网
1. 2 测试仪器
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
流场测试仪器主要采用美国TSI 公司生产的 二维粒子图像测速系统,其包括: ①美国Big Sky 公 司生产的双钕钇铝石榴石激光器,激光器的最大工 作频率为15 Hz ,每个脉冲能量高达120 MJ ,脉冲 光采用Q2Switch 触发方式,脉宽为3～10 ns ,输出 激光束波长范围为545 ～ 780 nm ; ②采用Power ViewTM2MP 自/ 互相关数字CCD 相机,分辨率为 1 200像素×1 600 像素,在相机镜头前还加有1 个 标准的28 mm 镜头(Nikon Micro Nikkor 28/ F2. 8 透镜) ,采集速度为16 帧/ s ; ③采用的9308 型烟雾 发生器系统由ROSCO 公司生产制造,粒径范围为 1～2μm ,示踪粒子由风洞的入口处加入,既保证了 粒子在测量域内的均匀散播,又不干扰流场; ④轴编 码器采用由欧姆龙(OMRON) 公司生产的E6B22 CWZ6C 型光电轴编码器,调节范围为0～360°,最 小调节刻度为1°,其与发电机同轴安装.
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
1. 3 试验样机
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
试验样机为100 W 水平轴风力机,叶片翼型为 NACA4415 ,风轮直径为1. 4 m ,定桨距,叶片数为3. 当PIV 系统工作时,利用光电轴编码器和La2 serPul seTM同步器为锁相采样技术提供触发信号, 通过计算机内Insight 3G软件控制协调各组成部件 间的工作.
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
2 结果与分析
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
试验在不同尖速比λ下对特定叶片叶尖后侧的 流场进行了测量. 逆流看风轮逆时针旋转. 风轮坐标 系示于图2. 激光由叶片的后方沿逆流方向发出,垂 直照射到风力机叶片的吸附面上,相机的位置为轮 毂一侧靠近叶根部(图2) . 相机拍摄位置示于图3. 调整、标定轴编码器分度仪和触发器,锁定风轮转角 及旋转位置.
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
在3 个尖速比下对叶尖流场进行了径向速度分 量和轴向速度分量的测量,在每个尖速比下得到了 60 幅PIV 瞬时速度图片. 为了完全展现叶尖流场的 共性与个性www.cechina.cn,采用时均图和瞬时图相结合的方法分 析试验结果. 通过Tecplot 软件处理瞬时速度图,可 获得相应工况下的瞬时速度云图及流线图. 在相同 工况下,通过对采集的多幅图像在相同空间位置进 行时均处理,可以消除紊流影响并提取流动结构的 共性,得到该工况下的时均图,从而获得时间意义上 的统计平均测量结果.
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
2. 1 尖速比λ与功率系数CP 的关系曲线
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
通过Matlab 程序编程计算获得尖速比λ与功 率系数CP 的关系曲线(图4) .
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
由图可知,风轮在λ= 5 附近具有最大输出功率 系数0. 32. 这与本课题组所进行的风轮外特性试验 结果基本吻合[10 ] .
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
2. 2 不同尖速比下的瞬时流场
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
叶尖尾迹中旋涡结构的捕捉是比较困难的,因 为风力机尾迹流场具有非稳定性和随机性,同时,由 于各叶片旋转时相互干涉以及机舱的影响,并不是在任何情况下都能拍摄到叶尖涡的结构. 通过大量 的图片分析可知:在高尖速比下,叶尖涡出现的频率 较高,对风轮的功率输出影响较大;随着尖速比的减 小,叶尖涡出现的频率较低,对风轮的功率输出影响 也减小.
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
试验在3 个尖速比下共得到180 幅图片,从处 理的图片中可以发现,在每个尖速比下,尾迹流场大 致具有2 种特点:一种是尾迹中存在明显漩涡结构 或是存在漩涡形成趋势;另一种是尾迹速度大致以 轴向速度为主,不存在明显的涡结构. 因此在每个工 况下选择2 幅最具有代表性的图片进行分析.
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
图5 (a) 和图5 ( b) 所示为λ= 6 的工况下,叶尖 轴向二维瞬时速度矢量图. 对比2 幅图片可以发现, 图5 (a) 中的速度矢量箭头分布不均匀,存在明显的 旋涡结构. 图6 (a) 和图6 (b) 是分别通过Tecplot 软 件处理图5 (a) 和图5 (b) 速度矢量图所得到相应的 速度云图及流线图. 在λ= 6 的工况下,比较图6 (a) 和图6 (b) 可看出,在图6 (a) 中,尾迹中存在叶尖涡 结构,深色区域加大,流场变得杂乱无章,尾迹速度 亏损区范围增大,上游空气来流通过叶尖时,旋涡吸 收了空气的动能所有,从而影响了风轮的功率输出. 在图 6 (b) 中没有出现叶尖涡,尾迹流场中的大部分区域 依然是以轴向速度为主,对风轮的功率输出影响较 小. 同时,图6 (a) 和图6 (b) 的对比还说明了风力机尾 迹流场是非定常的,具有非稳定性和随机性的特点.
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
上一篇: 面向风电应用的智能功率模块设计技巧下一篇: 叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能的影响
评论内容
载入中...
载入中...
P
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
·最新招聘信息
·最新求职信息
·推荐产品
·推荐厂商
·栏目热门排行
·站内热门排行