CN110298093B - 一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，涉及风力发电技术领域。本发明包括如下步骤：1，根据试验条件及要求确定合适的缩尺比；2，根据实尺度风机叶片参数，按照弗劳德缩尺定律，得到几何相似叶片设计；3，计算模型风机试验中叶片翼型的雷诺数范围，并据此选择合适的低雷诺数翼型，随后通过数值模拟或风洞试验得到翼型气动性能参数；4，在所述几何相似叶片的基础上，通过展向载荷匹配算法重新分配叶片弦长和扭角；5，通过局部微调进一步优化叶片结构外形，得到浮式风机缩比模型性能相似叶片。本发明通过简洁的流程即可得到与实尺度叶片推力相匹配的性能相似叶片设计，具有步骤简单、流程清晰、高效可靠的技术优点。

Description

一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法。

背景技术

海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。海上浮式风机是浮式海洋平台技术和陆地固定式风力机的有机结合。近年来，海上浮式风机技术得到了学术界和产业界的普遍关注和广泛研究。作为新兴的前沿学科领域，其耦合的风浪环境物理特性极其复杂且实际建设工程经验匮乏，相关数值研究需要更多地依赖物理模型试验进行验证。

由于理论体系和数值工具的不完善，开展浮式风机缩比模型水池试验被认为是最精确可靠又经济可行的研究方法。成熟的浮式海洋平台缩比模型水池试验技术和风力机缩比模型风洞试验技术可为浮式风机缩比模型试验提供丰富的经验和指导。然而，浮式平台-系泊系统的水动力学弗劳德数相似与风机叶片的空气动力学雷诺数相似存在天然的不兼容性，这使得浮式风机风-浪-流一体化试验只能顾其一，而不能兼顾。普遍认为，水池试验应更加关注浮式平台-系泊系统的水动力学，即使用弗劳德(Froude)相似定律。但在弗劳德相似定律下，风机叶片的工作雷诺数会发生2-3个数量级的下降，这使得模型风机系统的空气动力载荷相对于理论值发生大幅下降，这将严重影响浮式风机水池试验的可靠性和精确性。因此，发展相关技术手段提升模型风机在弗劳德缩比环境工况下的空气动力载荷，是浮式风机缩比模型试验亟需解决的重要问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，能够有效提升模型风机在弗劳德缩比环境工况下的空气动力载荷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是通过简洁的流程即可得到与实尺度风机叶片推力相匹配的性能相似叶片设计，有效提升模型风机在弗劳德缩比环境工况下的空气动力载荷。

为实现上述目的，本发明提供了一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，根据试验条件及要求确定合适的缩尺比；

步骤S2，根据实尺度风机叶片参数，按照弗劳德缩尺定律，得到几何相似叶片设计；

步骤S3，计算模型风机试验中叶片翼型的雷诺数范围，并据此选择合适的低雷诺数翼型，随后通过数值模拟或风洞试验得到翼型气动性能参数；

步骤S4，在所述几何相似叶片的基础上，通过展向载荷匹配算法重新分配叶片弦长和扭角；

步骤S5，通过局部微调进一步优化叶片结构外形，得到所述浮式风机缩比模型性能相似叶片。

进一步地，所述步骤S1中的所述缩尺比确定的依据包括：(1)试验水池的基本结构尺寸，包括最大水深、系泊系统部署空间、造波能力、造流能力；(2)造风系统性能，包括最大风速、风场有效覆盖面积；(3)浮式平台的基本尺寸，包括吃水深度；(4)试验预算，模型尺寸越大，对应的试验成本越高；综合考虑各种因素后，确定合理的模型试验缩尺比，记为λ。

进一步地，所述步骤S2还包括：

步骤S201：确定所述实尺度风机叶片各翼型的二维形状；根据所述缩尺比，直接缩小得到模型风机几何相似叶片的翼型形状；

步骤S202：确定所述几何相似叶片各截面翼型的弦长和扭角；所述几何相似叶片各截面的弦长和扭角分别为：

β_m(μ)＝β_f(μ)

式中，下标“m”和“f”分别表示所述模型风机和所述实尺度风机；C表示叶片截面翼型弦长，β表示叶片截面翼型扭角，μ为翼型截面所在位置。

进一步地，所述步骤S3中的低雷诺数翼型选择还包括：

步骤S301：计算所述实尺度风机叶片的工作雷诺数：

式中，Re表示雷诺数；V₀为来流风速；ν为空气运动粘度；Λ为所述实尺度风机工作翼尖速比，表示为：

式中，Ω为所述实尺度风机的风轮转速；R为所述实尺度风机的风轮半径；

步骤S302：根据弗劳德缩比定律，得到所述模型风机叶片的工作雷诺数：

Re_m＝λ^-1.5Re_f

步骤S303：根据所述模型风机的工作雷诺数，选择在此雷诺数区间工作性能优越的翼型；

步骤S304：利用有效的数值技术方法或风洞试验技术，得到所述低雷诺数翼型的基本气动性能参数，包括升力系数、阻力系数与翼型攻角的对应关系。

进一步地，所述步骤S303中，优先选择SD2030翼型。

进一步地，所述步骤S4中的展向载荷匹配算法为：匹配所述风机模型叶片和所述实尺度风机叶片的展向载荷分布及其载荷随翼型攻角的变化率：

L_f＝λ²·L_m

式中，α为翼型攻角，L为翼型升力：

C_L为升力系数，所述翼型工作在其线性范围内：

此外，风速之间存在如下关系：

基于上述推导，得到展向载荷匹配算法显示公式：

进一步地，所述步骤S4还包括步骤S401：绘制实尺度风机叶片不同截面位置μ处对应翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到所述翼型性能参数K_f(μ)和

进一步地，所述步骤S4还包括步骤S402：绘制所选所述低雷诺数翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到所述翼型性能参数K_m(μ)和

进一步地，所述步骤S4还包括步骤S403：根据展向载荷匹配算法公式计算得到所述模型风机叶片的弦长和扭角分布。

进一步地，所述步骤S5还包括：

步骤S501：根据所述浮式风机缩比模型机舱设计，得到所述机舱轮毂与所述模型风机叶片的连接形式及其基本连接尺寸；

步骤S502：根据所述连接尺寸，调整所述模型风机叶片根部圆柱区域的尺寸，确保连接的可靠性；

步骤S503：建立所述模型风机叶片的三维模型，考察其各过渡区域的光滑性和加工可行性，并对其进行微幅调整，以进一步优化所述模型风机叶片的结构外形。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用单一的低雷诺数翼型取代实尺度风机叶片的多翼型组合方案，具有设计方便、校核简单、易于加工的优点。

2.本发明通过展向载荷匹配算法同时优化叶片的弦长和扭角分布，具有算法简洁易懂、执行效率高的优点。

3.本发明流程清晰、执行简便，方便相关研究人员参照流程方便快捷地设计开发一套适用于浮式风机缩比模型水池试验的模型风机叶片。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的浮式风机缩比模型性能相似叶片设计流程图；

图2为本发明的一个较佳实施例的翼型升力系数-攻角关系及线性拟合方法示意图；

图3为本发明的一个较佳实施例的实尺度风机叶片、几何相似叶片和性能相似叶片的推力系数示意图；

图4为本发明的一个较佳实施例的实尺度风机叶片、几何相似叶片和性能相似叶片的展向载荷分布图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如图1所示，本发明的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法流程图，包括如下步骤：

步骤S1，根据试验条件及要求确定合适的缩尺比；

步骤S2，根据实尺度风机叶片参数，按照弗劳德缩尺定律，得到几何相似叶片设计；

步骤S3，计算模型风机试验中叶片翼型的雷诺数范围，并据此选择合适的低雷诺数翼型，随后通过数值模拟或风洞试验得到翼型气动性能参数；

步骤S4，在几何相似叶片的基础上，通过展向载荷匹配算法重新分配叶片弦长和扭角；

步骤S5，通过局部微调进一步优化叶片结构外形，得到浮式风机缩比模型性能相似叶片。

步骤S1中的缩尺比确定的依据包括：(1)试验水池的基本结构尺寸，包括最大水深、系泊系统部署空间、造波能力、造流能力；(2)造风系统性能，包括最大风速、风场有效覆盖面积；(3)浮式平台的基本尺寸，包括吃水深度；(4)试验预算，模型尺寸越大，对应的试验成本越高；综合考虑各种因素后，确定合理的模型试验缩尺比，记为λ。

步骤S2还包括：

步骤S201：确定实尺度风机叶片各翼型的二维形状，大型浮式风机叶片通常由多种翼型构成；根据缩尺比，直接缩小得到模型风机几何相似叶片的翼型形状；

步骤S202：确定几何相似叶片各截面翼型的弦长和扭角；大型浮式风机叶片常常具有叶根弦长大、叶尖弦长短的特征；同时，常伴有从叶尖到叶根递增的截面扭角；几何相似叶片各截面的弦长和扭角分别为：

β_m(μ)＝β_f(μ) (2)

式中，下标“m”和“f”分别表示模型风机和实尺度风机；C表示叶片截面翼型弦长，β表示叶片截面翼型扭角，μ为翼型截面所在位置。

步骤S3中的低雷诺数翼型选择还包括：

步骤S301：计算实尺度风机叶片的工作雷诺数：

式中，Re表示雷诺数；V₀为来流风速；ν为空气运动粘度；Λ为实尺度风机工作翼尖速比，表示为：

式中，Ω为实尺度风机的风轮转速；R为实尺度风机的风轮半径；

步骤S302：根据弗劳德缩比定律，得到模型风机叶片的工作雷诺数：

Re_m＝λ^-1.5Re_f (5)

由公式(5)可见，模型风机的工作雷诺数比实尺度风机发生大幅下降。若使用实尺度风机的叶片翼型，气动性能将发生大幅下降，与理论值存在巨大偏差。

步骤S303：根据模型风机的工作雷诺数，选择在此雷诺数区间工作性能优越的翼型，本实施例中优先选择SD2030翼型。

步骤S304：利用有效的数值技术方法或风洞试验技术，得到低雷诺数翼型的基本气动性能参数，包括升力系数、阻力系数与翼型攻角的对应关系。

步骤S4中的展向载荷匹配算法为：匹配风机模型叶片和实尺度风机叶片的展向载荷分布及其载荷随翼型攻角的变化率：

L_f＝λ²·L_m (6)

式中，α为翼型攻角，L为翼型升力：

C_L为升力系数，通常认为翼型一般工作在其线性范围内：

此外，风速之间存在如下关系：

基于公式(6)-(10)的上述推导，得到展向载荷匹配算法显示公式：

步骤S4还包括：

步骤S401：绘制实尺度风机叶片不同截面位置μ处对应翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到翼型性能参数K_f(μ)和

步骤S402：绘制所选低雷诺数翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到翼型性能参数K_m(μ)和

步骤S403：根据展向载荷匹配算法公式计算得到模型风机叶片的弦长和扭角分布。

步骤S5还包括：

步骤S501：根据浮式风机缩比模型机舱设计，得到机舱轮毂与模型风机叶片的连接形式及其基本连接尺寸；

步骤S502：根据连接尺寸，调整模型风机叶片根部圆柱区域的尺寸，确保连接的可靠性；

步骤S503：建立模型风机叶片的三维模型，考察其各过渡区域的光滑性和加工可行性，并对其进行微幅调整，以进一步优化模型风机叶片的结构外形。

如图2所示，本发明的一个较佳实施例，选用DTU 10MW参考风机实尺度叶片翼型FFA-W3-241(工作雷诺数Re＝12M)和低雷诺数翼型SD2030(工作雷诺数Re＝30K)，其翼型升力系数-攻角关系及线性拟合示意图。通过线性拟合，可得到翼型的基本性能参数K_f和

(见公式(11))。基于实尺度翼型和低雷诺数翼型SD2030的气动性能参数，设计得到性能相似模型叶片“PSR，LDM”。

如图3所示，实尺度风机叶片(Full)、几何相似叶片(FSR)和性能相似叶片(PSR，LDM)的推力系数C_T与翼尖速比tsr的对应关系。由此可见，基于本发明提出的展向载荷匹配算法得到的模型叶片“PSR，LDM”与实尺度“Full”叶片可在一定翼尖速比范围内保持较高的匹配度，性能远远优于几何相似叶片“FSR”。

如图4所示，实尺度风机叶片(Full)、几何相似叶片(FSR)和性能相似叶片(PSR，LDM)的展向载荷分布情况，可见基于本发明提出的展向载荷匹配算法得到的模型叶片“PSR，LDM”具有远远优于几何相似叶片“FSR”的性能。

本发明通过简洁的流程即可得到与实尺度风机叶片推力相匹配的性能相似叶片设计，有效提升模型风机在弗劳德缩比环境工况下的空气动力载荷。与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

1.本发明采用单一的低雷诺数翼型取代实尺度风机叶片的多翼型组合方案，具有设计方便、校核简单、易于加工的优点。

2.本发明通过展向载荷匹配算法同时优化叶片的弦长和扭角分布，具有算法简洁易懂、执行效率高的优点。

3.本发明流程清晰、执行简便，方便相关研究人员参照流程方便快捷地设计开发一套适用于浮式风机缩比模型水池试验的模型风机叶片。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，根据试验条件及要求确定合适的缩尺比；

步骤S2，根据实尺度风机叶片参数，按照弗劳德缩尺定律，得到几何相似叶片设计；

步骤S3，计算模型风机试验中叶片翼型的雷诺数范围，并据此选择合适的低雷诺数翼型，随后通过数值模拟或风洞试验得到翼型气动性能参数；

步骤S4，在所述几何相似叶片的基础上，通过展向载荷匹配算法重新分配叶片弦长和扭角；

步骤S5，通过局部微调进一步优化叶片结构外形，得到所述浮式风机缩比模型性能相似叶片；

其中，所述步骤S4中的展向载荷匹配算法为：匹配所述风机模型叶片和所述实尺度风机叶片的展向载荷分布及其载荷随翼型攻角的变化率：

L_f＝λ²·L_m

式中，下标“m”和“f”分别表示所述模型风机和所述实尺度风机，λ为模型试验缩尺比，α为翼型攻角，L为翼型升力：

C_L为升力系数，所述翼型工作在其线性范围内：

此外，风速之间存在如下关系：

基于上述推导，得到展向载荷匹配算法显示公式：

式中，β表示叶片截面翼型扭角，μ为翼型截面所在位置；

所述步骤S4还包括：

步骤S401：绘制所述实尺度风机叶片不同截面位置μ处对应翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到所述翼型性能参数K_f(μ)和

步骤S402：绘制所选所述低雷诺数翼型的气动性能曲线，在小攻角范围内进行线性拟合，得到所述翼型性能参数K_m(μ)和

2.如权利要求1所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述缩尺比确定的依据包括：(1)试验水池的基本结构尺寸，包括最大水深、系泊系统部署空间、造波能力、造流能力；(2)造风系统性能，包括最大风速、风场有效覆盖面积；(3)浮式平台的基本尺寸，包括吃水深度；(4)试验预算，模型尺寸越大，对应的试验成本越高；综合考虑各种因素后，确定所述模型试验缩尺比。

3.如权利要求1所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S201：确定所述实尺度风机叶片各翼型的二维形状；根据所述缩尺比，直接缩小得到模型风机几何相似叶片的翼型形状；

步骤S202：确定所述几何相似叶片各截面翼型的弦长和扭角；所述几何相似叶片各截面的弦长和扭角分别为：

β_m(μ)＝β_f(μ)。

4.如权利要求1所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S3中的低雷诺数翼型选择还包括：

步骤S301：计算所述实尺度风机叶片的工作雷诺数：

式中，Re_f表示雷诺数；V₀为来流风速；ν为空气运动粘度；Λ为所述实尺度风机工作翼尖速比，表示为：

式中，Ω为所述实尺度风机的风轮转速；R为所述实尺度风机的风轮半径；

步骤S302：根据弗劳德缩比定律，得到所述模型风机叶片的工作雷诺数：

Re_m＝λ^-1.5Re_f

步骤S303：根据所述模型风机的工作雷诺数，选择在此雷诺数区间工作性能优越的翼型；

步骤S304：利用数值技术方法或风洞试验技术，得到所述低雷诺数翼型的基本气动性能参数，包括升力系数、阻力系数与翼型攻角的对应关系。

5.如权利要求4所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S303中，优先选择SD2030翼型。

6.如权利要求1所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S4还包括步骤S403：根据展向载荷匹配算法公式计算得到所述模型风机叶片的弦长和扭角分布。

7.如权利要求1所述的一种浮式风机缩比模型性能相似叶片设计方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：

步骤S501：根据所述浮式风机缩比模型机舱设计，得到所述机舱轮毂与所述模型风机叶片的连接形式及其基本连接尺寸；

步骤S502：根据所述连接尺寸，调整所述模型风机叶片根部圆柱区域的尺寸，确保连接的可靠性；

步骤S503：建立所述模型风机叶片的三维模型，考察其各过渡区域的光滑性和加工可行性，并对其进行微幅调整，以进一步优化所述模型风机叶片的结构外形。

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