CN108414182A - 一种翼型横摆振荡风洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼型横摆振荡风洞试验装置，包括安装底座、电机、U形支杆、翼型模型，所述翼型模型的两个端部上分别连接有整流翼尖，所述翼型模型上设置若干个动态压力测量孔和静态压力测量孔，所述翼型模型内设置有若干个压力传感器，所述翼型模型端的角位移传感器与交流伺服电机端的光电编码器构成位置反馈双闭环伺服控制系统；本发明解决了目前无法直接开展翼型横摆振荡（动态掠效应）研究的问题，为了获得风力机更加全面、准确的载荷值，获得多目标优化的设计方案，需要研究横摆振荡对风力机翼型动态载荷特性的影响规律，这将对大直径风力机的设计以及建造兆瓦级风力发电机组具有重要意义。

Description

一种翼型横摆振荡风洞试验装置

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，尤其是涉及一种翼型横摆振荡风洞试验装置。

背景技术

大型风力机的实际运动过程很复杂，叶片或翼型常常工作在动态失速状态下，动态失速是一个严重的非线性、非定常气动现象，目前还缺乏对非定常失速气动特性的深刻理解，无法全面准确描述动态失速现象和规律。动态振荡过程往往伴随着俯仰（迎角周期性变化）和横摆（后掠角周期性变化）同时进行，俯仰振荡会造成风力机实际极限载荷高于设计和计算值，而横摆运动多数时候可能会减小极限载荷。以前对许多动态问题不清楚的阶段，工程上不惜以增加叶片结构重量为代价而采用偏安全的设计，所以通常忽略横摆振荡的影响，国内外关于翼型动态特性的研究主要集中在俯仰振荡方面。为了提高叶片性能、降低叶片重量，气动载荷评估应该更加精确，以减少设计裕度。

目前，有少量关于旋翼翼型带固定后掠角下的俯仰振荡或翼型径向流动的研究，可认为是关于后掠角不变的静态“掠效应(Sweep Effect)”的研究：后掠翼型的三维非定常边界层分离相比二维流动情况下的分离呈现出明显不同的特点。然而，风力机摆振过程是伴随着后掠角不断变化的动态“掠效应”，摆振和其他非定常运动耦合会导致失速更加复杂。迄今为止，公开文献中尚无直接开展翼型横摆振荡的技术和研究，为了获得风力机更加全面、准确的载荷值，获得多目标优化的设计方案，需要研究横摆振荡对翼型动态载荷特性的影响规律。风洞试验是认识翼型动态失速特性和流动机理的主要手段，鉴于此，建立翼型俯仰振荡和横摆振荡动态风洞试验手段，开展风力机翼型动态失速特性试验研究,基于设计的电子外触发装置拓展了流态同步测量手段，实现了风洞来流、模型迎角和动态压力数据的实时同步采集，可为风力机翼型动态“掠效应”的研究提供重要技术支撑，将会对提升我国大型风力机自主设计研发能力发挥至关重要的支撑作用。

发明内容

本发明的目的是为获得风力机更加全面、准确的载荷值，获得多目标优化的设计方案，研究横摆振荡对风力机翼型动态载荷特性的影响规律提供重要技术手段，建立翼型横摆振荡动态风洞试验手段，可为风力机翼型的动态掠效应的研究提供技术支撑，提供一种翼型横摆振荡风洞试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种翼型横摆振荡风洞试验装置，包括一个固定在风洞外壁上的安装底座，所述安装底座上设置有一个电机，电机的动力输出转轴穿过风洞外壁进入风洞内并连接一个U形支杆，所述U形支杆的开口端朝向风洞中心且U形支杆的开口两端连接在翼型模型上；

所述翼型模型的两个端部上分别连接有整流翼尖，所述翼型模型上沿着对称截面设置有一圈若干个动态压力测量孔，在动态压力测量孔的一侧设置有一圈若干个静态压力测量孔，

所述翼型模型内设置有若干个压力传感器，所述翼型模型端的角位移传感器与交流伺服电机端的光电编码器构成位置反馈双闭环伺服控制系统。

在上述技术方案中，所述输出转轴与U形支杆之间设置有止推轴承，所述止推轴承固定在安装底座上，止推轴承的一端与U形支杆连接，另一端连接电机的输出转轴。

在上述技术方案中，所述电机的输出转轴不承受U形支杆的轴向拉力，而只输出力矩。

在上述技术方案中，所述翼型模型为三段式结构，中间的模型段和两端的整流翼尖，所述整流翼尖可以更换。

在上述技术方案中，所述整流翼尖包括小翼、钝翼和尖翼三种翼尖形式。

在上述技术方案中，所述U形支杆的两个连接端对称连接到翼型模型上，所述U形支杆的两个连接端与翼型模型之间分别设置有角度块。

在上述技术方案中，所述U形支杆的两个连接端与角度块的不同位置进行固定连接，从而改变翼型模型的迎角。

在上述技术方案中，所述的U形支杆为一体设计，U形支杆为非光滑表面，所述U形支杆的杆内为空腔结构，所述空腔结构连通到翼型模型内。

在上述技术方案中，所述翼型模型为空腔结构，压力传感器设置在空腔内，所述空腔结构处设置有可拆卸式盖板。

在上述技术方案中，所述U形支杆连接到翼型模型的压力面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明解决了目前无法直接开展翼型横摆振荡（动态掠效应）研究的问题，为了获得风力机更加全面、准确的载荷值，获得多目标优化的设计方案，需要研究横摆振荡对风力机翼型动态载荷特性的影响规律，这将对建造兆瓦级风力发电机组具有重要意义，本发明建立了风力机翼型横摆振荡动态气动特性风洞试验研究手段，可为风力机翼型的动态掠效应的研究提供重要技术支撑，将会对提升我国大型风力机自主设计研发能力发挥至关重要的支撑作用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的一种结构示意图；

其中：1是风洞壁，2是电机，3是安装底座，4是U形支架，5是翼型模型，6是角度块，7是翼尖。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 所示，整个横摆振荡试验装置包括有如下组件：

电机部分：主要目的输出正弦振荡运动，运动规律：β=β ₀ +β ₁ sin2πft；“电子凸轮”取代机械凸轮，不但简化了机械装置结构，还实现了振荡频率和振荡角度的无级变化。

止推轴承：模型自重、支杆自重以及模型法向气动力等均作用在止推轴承上，电机不再承受轴向力。主要目的是使电机不再承受轴向力而只输出力矩，进而驱动一体式U形支杆。

传动轴组件：穿过上洞壁，将驱动电机装置的扭矩输出到试验段洞内的U形支杆。

安装支座：将电机固定安装在风洞试验段上洞壁的正中位置，保证连接的模型位于试验段流场的中心区域。

角位移传感器：动态试验角位移信号是重要的试验参数，采集时要与压力传感器感受的气动荷载同步记录，用该位移信号触发数据采集系统实现压力传感器信号的同步采集。安装于试验模型端的电位计式角位移传感器的输出信号与交流伺服电机端的光电编码器输出信号同时作用于运动控制器，构成位置反馈双闭环伺服控制系统，实现振荡运动规律的精确控制；角位移传感器输出的绝对值模拟信号与动态压力传感器信号一起接入动态数据采集系统，实现角位移信号与对应动态压力信号的同步采集，严格保证了动态试验数据的对应关系。

一体式U形支杆：为了减小支杆对翼型动态压力测量的干扰，将支杆设计成U形，支杆分出的两端分别连接远离模型中心区的翼型两端，横摆振荡试验对翼型安装的水平度和对称度要求极高，支杆采用一体式加工制造，减少装配环节，以提高模型安装精度和支杆的整体的刚度。支杆表面为非光滑表面，可以采用滚花工艺加工支杆表面，以削弱流动分离。

整流翼尖：由于翼型试验的模型端部三维效应对试验结果影响较大，模型设计为由中间段和两端整流翼尖组成的三段式结构，且可根据试验工况的不同更换翼尖结构形式，共有小翼、钝翼和尖翼三种翼尖形式。

角度块：翼型在不同迎角下的横摆振荡动态气动特性差别较大，设计加工不同组角度块，可以方便模型的迎角的快速变换。角度块设计成定位精度较高的压块式，一端连接支杆，另一端连接模型的配合接触面，用螺杆拧紧固连，压块设计有内沉孔，保证对流场的干扰最小。如图2所示，翼型模型在角度块的调节下实现迎角的变化。

内埋式走线槽：所有测试线缆和测压管路均从U形支杆的内埋式走线槽穿过，不暴露在流场环境中，以避免线缆和管路对流场均匀性和试验重复性的不利影响。

可拆卸式盖板:模型开设可拆卸式盖板，保证在不破坏模型和压力传感器的前提下，实现模型内部指定位置压力传感器的快速安装及拆卸，并方便连接电缆和测压管。

反装模型：试验研究表明，翼型吸力面对支架干扰更为敏感，因此本横摆振荡装置和试验方法均采用模型反装的构型，即支杆直接连接到翼型的压力面。

动态压力测量孔：动态压力测量孔布置在模型的中间对称截面，内置差压式动态压力传感器，可实时获得翼型表面的压力脉动，并且可积分获得翼型的各项动态气动力/力矩系数。

静态压力测量孔：主要用来对动态压力传感器的测试精准度进行考核。静态压力孔测量并积分获得的模型静态气动力/力矩，和动态压力传感器测量并积分获得的模型静态气动力/力矩一起，互为补充和验证。

本发明主要开展翼型横摆振荡试验研究，翼型横摆振荡横摆角变化规律：β=β ₀ +β ₁ sin2πft；

为了获得翼型横摆振荡气动特性数据，试验在不同的初始横摆角β ₀ 、振荡幅度β ₁ 、振荡频率f、试验风速V和平衡迎角α ₀ 下开展。

具体试验方法如下：由安装在洞顶上的电机提供驱动力，采用“电子凸轮”技术代替机械凸轮，实现模型的横摆振荡运动。驱动电机、减速机及传动轴组件安装在洞体上方的电机支座上，采用“模型对称中截面为动态测压剖面，支杆连接模型两端”的构型，其设计依据是：a. 支杆放置两端、测压孔居中可以最大程度地减小支杆和模型端部三维效应对动态压力测量的气动干扰；b. 模型横摆运动时，正中的测压截面在旋转方向的线速度分量最小甚至可以忽略，便于只针对横摆角周期性正弦变化，即“掠效应”问题直接开展研究。

具体实现方法是：模型被水平横跨在风洞中央，通过横摆振荡传动轴组件连接模型“U”形支杆来驱动翼型做正弦振荡；横摆振荡在不同的固定迎角（α ₀ =-4°~20°，间隔3°）下开展，迎角的变化通过更换支杆和模型之间的角度块来实现。从模型中引出的动态压力测量电缆和静压管跟随模型一起随体运动，并且保证翼型上下两端的密封性。横摆振荡时模型采用整流翼尖替换等直翼尖以降低端部三维效应。动态压力信号采集传输方法是，从模型内部通过一侧端板引出线缆及参考压软管，软管置于洞外湍流球中以提供参考大气压，传感器信号线缆通过J30J-37型转接头与8根双绞双屏蔽软电缆8-2×0.15快速连接，实现传感器的供电和信号传输，电源由两台Tectronix PWS4305 DC电源串联实现±5V供电。翼型横摆振荡时，荧光丝线顺来流沿翼展方向粘贴于翼型上翼面，开展动态流场特性荧光丝线试验研究。

采用PXI总线数据采集系统保证多通道同步采集能力，同步采集参数主要包括风洞来流总/静压、模型实时横摆角、模型压力数据等。将翼型横摆角作为一个参数实时采集，确保翼型横摆角和27个压力数据同时采集。试验时压力采样采用电位计任意位置信号触发，不同模型振荡频率，每周期采样数量皆为256个点，采样周期固定为16个周期。对采集后的压力传感器数据进行六阶傅立叶滤波和低通滤波处理，再平均成1个周期数据，将1周期数据进行六阶最小二乘多项式拟合，按等相位角间隔输出固定数量迎角（256个点）和对应的压力数据。

数据的处理方法与分析方法采用常规的方法进行即可。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于包括一个固定在风洞外壁上的安装底座，所述安装底座上设置有一个电机，电机的动力输出转轴穿过风洞外壁进入风洞内并连接一个U形支杆，所述U形支杆的开口端朝向风洞中心且U形支杆的开口两端连接在翼型模型上；

所述翼型模型的两个端部上分别连接有整流翼尖，所述翼型模型上沿着对称截面设置有一圈若干个动态压力测量孔，在动态压力测量孔的一侧设置有一圈若干个静态压力测量孔；

所述翼型模型内设置有若干个压力传感器，所述翼型模型端的角位移传感器与交流伺服电机端的光电编码器构成位置反馈双闭环伺服控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述输出转轴与U形支杆之间设置有止推轴承，所述止推轴承固定在安装底座上，止推轴承的一端与U形支杆连接，另一端连接电机的输出转轴。

3.根据权利要求1所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于根据权利要求2所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述电机的输出转轴不承受U形支杆的轴向拉力，而只输出力矩。

4.根据权利要求1所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述翼型模型为三段式结构，中间的模型段和两端的整流翼尖，所述整流翼尖可以更换。

5.根据权利要求4所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述整流翼尖包括小翼、钝翼和尖翼三种翼尖形式。

6.根据权利要求1所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述U形支杆的两个连接端对称连接到翼型模型上，所述U形支杆的两个连接端与翼型模型之间分别设置有角度块。

7.根据权利要求6所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述U形支杆的两个连接端与角度块的不同位置进行固定连接，从而改变翼型模型的迎角。

8.根据权利要求1-3、6-7任一所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述的U形支杆为一体设计，U形支杆为非光滑表面，所述U形支杆的杆内为空腔结构，所述空腔结构连通到翼型模型内。

9.根据权利要求8所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述翼型模型为空腔结构，压力传感器设置在空腔内，所述空腔结构处设置有可拆卸式盖板。

10.根据权利要求1所述的一种翼型横摆振荡风洞试验装置，其特征在于所述U形支杆连接到翼型模型的压力面。