CN113865822A - 一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法，风洞试验方法包括二维叶段模型设计，气弹相似设计，气弹试验测量，试验结果分析四个步骤，其中在气弹相似设计中提出一种气弹相似准则，指导风洞试验方案和装置设计，风洞试验装置包括弹性支撑系统、叶段模型和限位装置，弹性支撑系统与叶段模型相连接，模拟实际叶片弹性，弹性支撑系统刚度由气弹相似参数计算确定，限位装置用于控制弹性振荡的极限值和相应方向自由度的释放。
Description
技术领域
本发明属于风电叶片空气动力学技术领域，涉及一种风洞试验装置及方法，更具体涉及一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法。
背景技术
风电机组的大型化发展趋势使得叶片越来越长，柔性越来越大，导致叶片气动弹性问题更加突出。大型叶片设计理念逐渐由传统的载荷驱动设计向气弹稳定性驱动设计转变。目前气弹设计技术仍然是风电叶片大型化发展的瓶颈技术，气弹问题的产生不仅会导致风电叶片的实际载荷和设计值出现较大偏差，严重时还会发生稳定性问题并对叶片乃至整个机组造成毁灭性破坏，影响机组的安全稳定运行。因此在大型柔性叶片设计阶段，需要准确评估叶片气弹振荡引起的非定常载荷和气弹稳定性。
目前，风电叶片气弹响应特性的评估方法尚不成熟，仍缺乏公认有效的工程计算工具，还处于科学研究探索阶段。风电叶片气弹响应特性研究多数采用数值模拟方法开展，主要关注叶片的时域气弹响应历程和气弹稳定性边界，但其准确性缺乏试验数据的验证，计算精度难以保证。此外，全尺寸风电叶片外场气弹试验成本高昂，且外部环境难以控制不易实现。因此，建立风电叶片气弹响应的模拟试验方法是目前开展气弹响应研究和验证数值方法较可行的解决方案。
发明内容
针对现有技术的上述缺点或不足，本发明考虑到风电叶片为大展弦比气动部件，在运行过程中，除了叶根与叶尖部分流动具有明显的三维效应，其他展向位置叶片流动则具有较好的二维性，以此物理特点为切入点，本发明提出一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法，该风洞试验方法和装置的特点是将三维叶片挥舞弯曲、摆振弯曲、扭转三个方向气弹响应问题，分别简化为二维叶段在沉浮、进退、俯仰方向弹性约束下的运动响应问题，为保证简化模拟具有等效性，提出了一种气弹相似准则，指导风洞试验方案和装置设计。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：
一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置，包括设置在风洞实验段内的风电叶片二维叶段模型、设置在风洞实验段外部的弹性支撑底座，其特征在于，
所述风电叶片二维叶段模型包括主体段以及设置在所述主体段上下两端的上端输出轴和下端输出轴，所述风电叶片二维叶段模型的主体段设置在风洞实验段内，所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴分别伸出所述风洞实验段外；
所述弹性支撑底座包括固定设置在风洞实验段外部上下两侧的上支撑底座和下支撑底座，所述上支撑底座、下支撑底座分别用于支撑所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴，
所述上支撑底座、下支撑底座的结构相同，均包括设置在底座支架上的一俯仰弹性支撑结构和一沉浮弹性支撑结构，其中，
所述俯仰弹性支撑结构包括一扭转弹性元件，所述扭转弹性元件的一端与所述风电叶片二维叶段模型的输出轴固定连接、另一端与所述底座支架固定连接，所述扭转弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在扭转方向上的弹性，
所述沉浮弹性支撑结构包括一水平滑轨，所述风电叶片二维叶段模型的输出轴可滑动地约束在所述水平滑轨内，且所述风电叶片二维叶段模型的输出轴的位于所述滑轨方向的左右两侧分别设置一压缩弹性元件，所述压缩弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在沉浮方向上的弹性；
所述上支撑底座、下支撑底座的底座支架上还分别设有限位装置，所述限位装置包括俯仰限位结构和沉浮限位结构，所述俯仰限位结构、沉浮限位结构用以分别控制俯仰和沉浮方向弹性振荡的极限值和对应方向自由度的释放，通过对自由度释放的控制可以实现单独俯仰气弹试验、单独沉浮气弹试验、俯仰沉浮两自由度组合气弹试验三种不同模式的气弹试验。
优选地，所述扭转弹性元件为扭转弹簧，所述压缩弹性元件为线压缩弹簧。
本发明的另一个发明目的在于提供一种利用上述风洞试验装置模拟风电叶片气弹响应的风洞试验方法，所述气弹响应是指风电叶片在弹性力和气动力耦合作用下的运动响应，其特征在于，所述风洞试验方法依次包括风电叶片二维叶段模型设计、气弹相似设计、气弹试验测量、试验结果分析四个步骤，其中，
SS1.风电叶片二维叶段模型设计
首先，将待模拟的实际风电叶片沿其展长划分成若干个具有一定展向长度的风电叶片二维叶素段；
其次，对每一所述风电叶片二维叶素段，根据试验风洞的尺寸和风速条件，设计相对应的风电叶片二维叶段模型，并设定所述风电叶片二维叶段模型的气动参数和结构参数，所述气动参数至少包括翼型、弦长、展长和气流攻角范围，所述结构参数至少包括质量、扭心位置和转动惯量；
SS2.气弹相似设计
首先，根据实际风电叶片各二维叶素段的弦长、相对风速、一阶模态频率，按照气弹相似准则，计算各风电叶片二维叶素段的气弹相似参数，其中，所述气弹相似准则，是以气流流经叶片的时间和弹性系统的固有振荡周期之比的无量纲量作为气弹相似参数，其表达式为
式中，c是实际风电叶片叶素或叶段模型的弦长，V是相对来流速度，f是实际风电叶片一阶固有频率或叶段弹性支撑底座的固有频率；
其次，以风洞模拟试验的风电叶片二维叶段模型的气弹相似参数与对应风电叶片二维叶素段的气弹相似参数相等为前提，根据步骤SS1得到的风电叶片二维叶段模型的弦长、质量、转动惯量以及风洞风速计算得到弹性支撑底座的刚度范围，指导弹性支撑底座的刚度设计；
SS3.气弹试验测量
以步骤SS1确定的风电叶片二维叶素段的气流攻角、步骤SS2确定的弹性支撑底座的刚度范围、风洞试验段的风速范围作为试验参数，再将试验参数组合得到试验工况，并在各个试验工况下释放风电叶片二维叶段模型，记录风电叶片二维叶段模型的运动参数和气动力；
SS4.试验结果分析
根据步骤SS3气弹试验所记录的风电叶片二维叶段模型的运动参数和气动力，判断风电叶片二维叶段模型在各试验工况下的气弹响应类型和气弹稳定性，从而预测该风电叶片二维叶段模型所对应的风电叶片二维叶素段在实际风电叶片运行过程中将会抑制或者促发气弹不稳定现象。
通过以上技术方案可知，本发明的模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法，将三维风电叶片气弹响应问题，简化为风电叶片二维叶素段在弹性支撑下的气弹响应问题，从而可以在风洞环境开展模拟试验，并提出了一种气弹相似准则，依据所提气弹相似准则，指导风洞试验方法和装置设计。所述风洞试验方法和装置适用于模拟风电叶片挥舞弯曲、摆振弯曲及扭转三个方向自由度任意组合的气弹响应问题。
附图说明
图1为本发明的模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置的正视图；
图2为本发明的模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置的侧视图；
附图标记说明：
限位装置1，风电叶片二维叶段模型2，水平滑轨3，压缩弹簧4，扭转弹簧5。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案更加清楚明白，以下具体实施案例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
风洞试验装置以风电叶片挥舞弯曲与扭转两自由度组合气弹响应问题模拟为例，如图1所示，本发明的模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置，包括设置在风洞实验段内的风电叶片二维叶段模型2、设置在风洞实验段外部的弹性支撑底座，其中，风电叶片二维叶段模型2包括主体段以及设置在主体段上下两端的上端输出轴和下端输出轴，风电叶片二维叶段模型2的主体段设置在风洞实验段内，风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴分别伸出风洞实验段外；弹性支撑底座包括固定设置在风洞实验段外部上下两侧的上支撑底座和下支撑底座，上支撑底座、下支撑底座分别用于支撑风电叶片二维叶段模型2的上端输出轴、下端输出轴，上支撑底座、下支撑底座的结构相同，均包括设置在底座支架上的一俯仰弹性支撑结构和一沉浮弹性支撑结构，其中，俯仰弹性支撑结构包括一扭转弹性元件，优选为扭转弹簧5，扭转弹簧5的一端与风电叶片二维叶段模型2的输出轴固定连接、另一端与底座支架固定连接，扭转弹性元件用以模拟风电叶片二维叶段模型2 在扭转方向上的弹性。沉浮弹性支撑结构包括一水平滑轨3，风电叶片二维叶段模型2的输出轴可滑动地约束在水平滑轨3内，且风电叶片二维叶段模型2的输出轴的位于滑轨方向的左右两侧分别设置一压缩弹性元件，压缩弹性元件优选为压缩弹簧4，压缩弹簧4用以模拟风电叶片二维叶段模型2在沉浮方向上的弹性；上支撑底座、下支撑底座的底座支架上还分别设有限位装置1，限位装置1包括俯仰限位结构和沉浮限位结构，俯仰限位结构、沉浮限位结构用以分别控制俯仰和沉浮方向弹性振荡的极限值和对应方向自由度的释放，通过对自由度释放的控制可以实现单独俯仰气弹试验、单独沉浮气弹试验、俯仰沉浮两自由度组合气弹试验三种不同模式的气弹试验。
利用本发明的上述风洞试验装置进行模拟风电叶片气弹响应时，即模拟风电叶片在弹性力和气动力耦合作用下的运动响应时，以风电叶片挥舞弯曲气弹响应问题模拟为例，主要包括风电叶片二维叶段模型设计，气弹相似设计，气弹试验测量，试验结果分析等四个步骤，各个步骤的具体实施过程如下：
SS1.风电叶片二维叶段模型设计
风电叶片二维叶段模型设计，是将要模拟的实际风电叶片沿其展长划分成若干个风电叶片二维叶素段，对每一个风电叶片二维叶素段，根据风洞尺寸和风速条件，设计相对应的风电叶片二维叶段模型，并设定所述叶段模型的气动参数和结构参数，气动参数有翼型、弦长、展长和气流攻角范围等，结构参数有质量、扭心位置和转动惯量等。以NREL 5MW叶片DU21翼型对应叶素、1m(高)×1.5m(宽)风洞为例，确定二维叶段模型的外形为DU21 翼型，弦长为300mm，展长为1m，攻角范围-40°～40°，模型质量为15kg，扭心位置距前缘100mm，转动惯量0.17kgm2。
SS2.气弹相似设计
气弹相似设计，是根据实际叶片各叶素的弦长、相对风速、一阶模态频率，按照气弹相似准则，计算各叶素的气弹相似参数。具体地，根据NREL 5MW叶片挥舞方向一阶固有频率、DU21翼型对应叶素的弦长、相对风速范围，依据气弹相似准则
式中，c是实际风电叶片叶素或叶段模型的弦长，V是相对来流速度，f是实际风电叶片一阶固有频率或叶段弹性支撑底座的固有频率，得到实际叶片的气弹相似参数范围为0.00375～0.06，以风洞模拟试验的叶段模型气弹相似参数与以上气弹相似参数范围相等为前提，根据步骤1得到的叶段模型弦长300mm、质量15kg、和风洞风速范围10～40m/s，计算得到沉浮弹性支撑系统刚度范围为3.75～60N/m。
SS3.气弹试验测量
以步骤SS1得到的试验叶段模型的攻角范围，和步骤SS2得到的试验风速范围10～40m/s及试验弹簧的刚度范围3.75～60N/m作为试验参数，将试验参数组合得到试验工况，并在各个工况下释放叶段模型，记录叶段模型的运动参数和气动力。
SS4.试验结果分析
试验结果分析，根据步骤SS3气弹试验所记录的风电叶片二维叶段模型的运动参数和气动力，判断风电叶片二维叶段模型在各试验工况下的气弹响应类型和气弹稳定性，结果发现试验叶段在刚度较小、相对风速较大、攻角较大时会出现气弹不稳定现象，气弹相似参数相同的试验工况所对应的的气弹响应类型一致，从而可以推测DU21翼型对应叶素在实际叶片运行过程中促发气弹不稳定现象的工况条件边界。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (3)
1.一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置，包括设置在风洞实验段内的风电叶片二维叶段模型、设置在风洞实验段外部的弹性支撑底座，其特征在于，
所述风电叶片二维叶段模型包括主体段以及设置在所述主体段上下两端的上端输出轴和下端输出轴，所述风电叶片二维叶段模型的主体段设置在风洞实验段内，所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴分别伸出所述风洞实验段外；
所述弹性支撑底座包括固定设置在风洞实验段外部上下两侧的上支撑底座和下支撑底座，所述上支撑底座、下支撑底座分别用于支撑所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴，
所述上支撑底座、下支撑底座的结构相同，均包括设置在底座支架上的一俯仰弹性支撑结构和一沉浮弹性支撑结构，其中，
所述俯仰弹性支撑结构包括一扭转弹性元件，所述扭转弹性元件的一端与所述风电叶片二维叶段模型的输出轴固定连接、另一端与所述底座支架固定连接，所述扭转弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在扭转方向上的弹性，
所述沉浮弹性支撑结构包括一水平滑轨，所述风电叶片二维叶段模型的输出轴可滑动地约束在所述水平滑轨内，且所述风电叶片二维叶段模型的输出轴的位于所述滑轨方向的左右两侧分别设置一压缩弹性元件，所述压缩弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在沉浮方向上的弹性；
所述上支撑底座、下支撑底座的底座支架上还分别设有限位装置，所述限位装置包括俯仰限位结构和沉浮限位结构，所述俯仰限位结构、沉浮限位结构用以分别控制俯仰和沉浮方向弹性振荡的极限值和对应方向自由度的释放，通过对自由度释放的控制可以实现单独俯仰气弹试验、单独沉浮气弹试验、俯仰沉浮两自由度组合气弹试验三种不同模式的气弹试验。
2.根据权利要求1所述的模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置，其特征在于，所述扭转弹性元件为扭转弹簧，所述压缩弹性元件为线压缩弹簧。
3.一种利用上述风洞试验装置模拟风电叶片气弹响应的风洞试验方法，所述气弹响应是指风电叶片在弹性力和气动力耦合作用下的运动响应，其特征在于，所述风洞试验方法依次包括风电叶片二维叶段模型设计、气弹相似设计、气弹试验测量、试验结果分析四个步骤，其中，
SS1.风电叶片二维叶段模型设计
首先，将待模拟的实际风电叶片沿其展长划分成若干个具有一定展向长度的风电叶片二维叶素段；
其次，对每一所述风电叶片二维叶素段，根据试验风洞的尺寸和风速条件，设计相对应的风电叶片二维叶段模型，并设定所述风电叶片二维叶段模型的气动参数和结构参数，所述气动参数至少包括翼型、弦长、展长和气流攻角范围，所述结构参数至少包括质量、扭心位置和转动惯量；
SS2.气弹相似设计
首先，根据实际风电叶片各二维叶素段的弦长、相对风速、一阶模态频率，按照气弹相似准则，计算各风电叶片二维叶素段的气弹相似参数，其中，所述气弹相似准则，是以气流流经叶片的时间和弹性系统的固有振荡周期之比的无量纲量作为气弹相似参数，其表达式为
式中，c是实际风电叶片叶素或叶段模型的弦长，V是相对来流速度，f是实际风电叶片一阶固有频率或叶段弹性支撑底座的固有频率；
其次，以风洞模拟试验的风电叶片二维叶段模型的气弹相似参数与对应风电叶片二维叶素段的气弹相似参数相等为前提，根据步骤SS1得到的风电叶片二维叶段模型的弦长、质量、转动惯量以及风洞风速计算得到弹性支撑底座的刚度范围，指导弹性支撑底座的刚度设计；
SS3.气弹试验测量
以步骤SS1确定的风电叶片二维叶素段的气流攻角、步骤SS2确定的弹性支撑底座的刚度范围、风洞试验段的风速范围作为试验参数，再将试验参数组合得到试验工况，并在各个试验工况下释放风电叶片二维叶段模型，记录风电叶片二维叶段模型的运动参数和气动力；
SS4.试验结果分析
根据步骤SS3气弹试验所记录的风电叶片二维叶段模型的运动参数和气动力，判断风电叶片二维叶段模型在各试验工况下的气弹响应类型和气弹稳定性，从而预测该风电叶片二维叶段模型所对应的风电叶片二维叶素段在实际风电叶片运行过程中将会抑制或者促发气弹不稳定现象。
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