JP2015161269A - fluid control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転翼の表面に設けられたプラズマアクチュエータを制御し、回転翼の効率を向上させるのに好適な流体制御システムに関する。 The present invention relates to a fluid control system suitable for controlling a plasma actuator provided on the surface of a rotor blade and improving the efficiency of the rotor blade.
近年、DBDプラズマアクチュエータ(Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator)と呼ばれる放電を利用した流体制御デバイスの研究が国内外の大学を中心に行われており、翼の揚力向上や抵抗軽減等を追求する研究が行われ、流体制御デバイスの実用化に向けて、無人航空機や風車などへの適用も研究されている。
プラズマアクチュエータ510は、図7に模式的に示すように、例えば、回転翼501の表面等に2枚の薄膜電極511からなる電極対が配置されてなり、電源530からの電圧を印加することで電極511間に放電を発生させるように構成されている。
電極511として銅箔テープを使用し、電極511間に誘電体512としてポリイミドフィルムテープ(例えば、カプトン(商標名)粘着テープ)を使用して電極対を構成した場合、低電圧では放電は起きないがkVオーダーの高電圧をかけると放電を開始し、約2m/sの誘起流が生じる。
In recent years, research on fluid control devices using electric discharge called DBD plasma actuators (Dielectric Barrier Displacement Plasma Actuators) has been conducted mainly by universities in Japan and overseas, and research has been conducted to improve wing lift and reduce resistance. In order to put the fluid control device into practical use, its application to unmanned aerial vehicles and windmills has also been studied.
As schematically shown in FIG. 7, the plasma actuator 510 includes, for example, a pair of thin film electrodes 511 arranged on the surface of the rotary blade 501 and the like, by applying a voltage from the power source 530. It is configured to generate a discharge between the electrodes 511.
When a copper foil tape is used as the electrode 511 and a polyimide film tape (for example, Kapton (trade name) adhesive tape) is used as the dielectric 512 between the electrodes 511, no discharge occurs at a low voltage. When a high voltage on the order of kV is applied, discharge starts and an induced flow of about 2 m / s occurs.
図9に示すように、制御手段520からの電圧信号をアンプ531とトランス532を用いた電源530で昇圧してkVオーダーの電圧をプラズマアクチュエータ510の2枚の薄膜電極511に印加する。
なお、電流は電極511間で数mA程度しか流れないため消費電力は小さく、強い発熱は伴わない。
放電は効果的に流体を制御するため、図8に示すように、所定の割合で間欠的に放電させるのが一般的であるが、連続放電も可能である。
プラズマアクチュエータ510の電極511間に放電を発生させると、放電で誘起される流れによって、図10の参考写真(左がプラズマアクチュエータOFF、右がプラズマアクチュエータON)に示すように、翼の前縁から渦が発生し、翼上面の圧力が回復して上方へ引っ張られる力が作用して揚力が増加する。
回転翼の場合は、揚力が増加することにより回転軸に伝わるトルクが向上する。
As shown in FIG. 9, the voltage signal from the control means 520 is boosted by a power source 530 using an amplifier 531 and a transformer 532, and a kV order voltage is applied to the two thin film electrodes 511 of the plasma actuator 510.
Note that since current flows only about several mA between the electrodes 511, power consumption is small, and no strong heat is generated.
Since discharge effectively controls the fluid, as shown in FIG. 8, it is common to intermittently discharge at a predetermined rate, but continuous discharge is also possible.
When a discharge is generated between the electrodes 511 of the plasma actuator 510, the flow induced by the discharge causes the leading edge of the blade to move as shown in the reference photograph of FIG. 10 (left is the plasma actuator OFF, right is the plasma actuator ON). A vortex is generated, the pressure on the upper surface of the blade recovers, and a force pulled upward acts to increase the lift.
In the case of a rotor blade, the torque transmitted to the rotating shaft is improved by increasing the lift.
このようなプラズマアクチュエータの応用例として、誘起される流れによって流体の流れを制御するものが提案されている(特許文献1、2等参照。)。
特許文献1のものは、管路内を流れる流体の管路内での圧力損失や振動・騒音を低減することを目的として、前述の原理を用いて流れを制御するものである。
特許文献2のものは、風車等の回転翼の翼面上の流れを最適化することを目的として、前述の原理を用いて流れを制御するものである。
また、発明者も、固定翼、振動翼や回転翼に応用した場合の空力性能の改善に関して実証を行ってきた(非特許文献1乃至3等参照。)。
As an application example of such a plasma actuator, one that controls the flow of fluid by an induced flow has been proposed (see Patent Documents 1 and 2, etc.).
The thing of patent document 1 controls a flow using the above-mentioned principle for the purpose of reducing the pressure loss, vibration, and noise in the pipe line of the fluid which flows through the pipe line.
The thing of patent document 2 controls a flow using the above-mentioned principle for the purpose of optimizing the flow on the blade surface of rotary blades, such as a windmill.
The inventor has also demonstrated the improvement of aerodynamic performance when applied to fixed wings, vibrating wings, and rotary wings (see Non-Patent Documents 1 to 3, etc.).
前述した公知のプラズマアクチュエータの応用例では、一定の効果は得られるものの、それぞれ課題とする改善点が異なり、最適化された具体的な制御手段の構成についても確立していない。
特許文献1のものは、管路内を流れる流体の管路内での圧力損失や振動・騒音を低減することを目的とするもので、風車等の回転翼の表面にプラズマアクチュエータを設けるものとは挙動が全く異なり、風車等の回転翼の制御手段として応用することは不可能であった。
In the application example of the known plasma actuator described above, although a certain effect can be obtained, the improvement points to be solved are different, and the optimized configuration of the specific control means has not been established.
The thing of patent document 1 aims at reducing the pressure loss, vibration, and noise in the pipe line of the fluid which flows in the pipe line, and is provided with a plasma actuator on the surface of a rotor blade such as a windmill. The behavior was completely different, and it was impossible to apply as a control means for rotor blades such as windmills.
特許文献2のものは、風車等の回転翼の翼面上の流れを制御するものであり、そのための制御手段を有しているが、当該制御手段は、条件に応じて放電を行うか否かを決定するもの、具体的には、完全失速状態となるような現象を捉え、この完全失速状態となった場合においても、早急にその状態を解消して、パワーカーブに沿った出力が得られるように放電をON/OFFするものである。
必要な時にのみプラズマアクチュエータを放電させて流れを制御するという効率的な制御手法を提案しているが、流れに対してプラズマアクチュエータをどのような放電無次元パラメータ(F+)で動作させれば効果的な制御が可能であるかは開示されておらず、効果的な流れ制御を可能にするF+の範囲についても開示されていない。
また、発明者は、非特許文献1乃至3等に示すように、各種の条件と効率の向上の関係を実証したが、具体的に実用化する際の最適化のために必要な制御手段に関する提案はなされていない。非特許文献2と3は2次元流れに適用した結果であり、風車の翼のように3次元的な流れに適用したものではない。
The thing of patent document 2 controls the flow on the blade | wing surface of rotor blades, such as a windmill, and has the control means for that, but the said control means does discharge according to conditions. Specifically, the phenomenon that causes a complete stall condition is detected, and even when this complete stall condition occurs, the condition is quickly eliminated and output along the power curve is obtained. The discharge is turned ON / OFF as shown in FIG.
We have proposed an efficient control method of controlling the flow by discharging the plasma actuator only when necessary, but what kind of discharge dimensionless parameter (F + ) should be used to operate the plasma actuator with respect to the flow? It does not disclose whether effective control is possible, nor does it disclose the range of F + that allows effective flow control.
In addition, as shown in Non-Patent Documents 1 to 3, etc., the inventor has demonstrated the relationship between various conditions and improvement in efficiency, but it relates to a control means necessary for optimization in practical use. No proposal has been made. Non-Patent Documents 2 and 3 are the results of application to a two-dimensional flow, and are not applied to a three-dimensional flow like a wind turbine blade.
本発明は、回転翼周りの剥離流れを効果的に制御するように無次元パラメータF+を決めることを可能にし、翼の表面に設けられたプラズマアクチュエータにより、回転翼の効率を向上させるものであり、回転翼の回転軸トルクを増加させるとともに、回転翼周りの非定常流れ場を安定させ、回転翼の耐久性向上にも寄与することが可能な流体制御システムを提供することを目的とする。 The present invention makes it possible to determine the dimensionless parameter F + so as to effectively control the separation flow around the rotor blade, and to improve the efficiency of the rotor blade by the plasma actuator provided on the surface of the blade. The purpose of the present invention is to provide a fluid control system capable of increasing the rotating shaft torque of the rotor blade, stabilizing the unsteady flow field around the rotor blade, and contributing to improving the durability of the rotor blade. .
本発明に係る流体制御システムは、1枚以上の翼を有する回転翼と、前記回転翼の前縁表面に設けられ放電によりプラズマを発生する電極対を有するプラズマアクチュエータと、電極対を所定の放電周波数で断続的に放電させるように制御する制御手段とを備えた流体制御システムであって、制御手段が、放電周波数を変更可能であり、
F+=f×CR/UR≧0.5
f:放電周波数
CR:回転翼の回転中心から半径方向所定位置における翼弦長
UR:前記半径方向所定位置における翼の回転速度と回転面に入射する流れの速度(風車の場合、風速)を合成した相対速度。
で定義される無次元数パラメータ:F+が、0.5以上となるように放電周波数(f)を制御するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
The fluid control system according to the present invention includes a rotor blade having one or more blades, a plasma actuator having an electrode pair provided on a front edge surface of the rotor blade to generate plasma by discharge, and a predetermined discharge of the electrode pair. A fluid control system comprising a control means for controlling discharge intermittently at a frequency, wherein the control means is capable of changing a discharge frequency,
F + = f × C R / U R ≧ 0.5
f: discharge frequency C R: the chord length from the rotation center of the rotor blades in the radial direction position U R: the radial position in the rotational speed of the blade velocity of the flow entering the rotating surface (in the case of wind turbine, wind speed) Relative speed synthesized.
The above-mentioned problem is solved by controlling the discharge frequency (f) so that the dimensionless number parameter F + defined in (2) is 0.5 or more.
本請求項1に係る流体制御システムによれば、電極対を所定の放電周波数で断続的に放電させるように制御する制御手段が、前述の式で定義される無次元数パラメータ:F+が、0.5以上となるように放電周波数(f)を制御するように構成されていることにより、変化する諸条件に追従して放電周波数(f)を最適に制御して効率を常に向上させることが可能となる。
F+が0.5未満では、いかなる回転条件下でも急激に効率向上の効果が低下する。
According to the fluid control system according to the first aspect of the present invention, the control means for controlling the electrode pair to discharge intermittently at a predetermined discharge frequency has the dimensionless number parameter F + defined by the above-described equation: By being configured to control the discharge frequency (f) to be 0.5 or more, the discharge frequency (f) is optimally controlled following various conditions to constantly improve the efficiency. Is possible.
When F + is less than 0.5, the effect of improving efficiency is drastically reduced under any rotation condition.
本請求項2に記載の構成によれば、半径方向所定の位置が、翼長に対し回転中心から70%から80%の範囲内であることにより、風車のトルク性能への寄与が高い範囲において確実に前述の式で定義される放電周波数(f)を制御できるため、さらに確実に効率を向上させることが可能となる。
本請求項3に記載の構成によれば、放電割合が10%以下であることにより、放電のためのエネルギの消費が少なく、かつ、電極対の耐久性を向上することができる。
放電割合が2.5から10%では、放電割合の増加に伴い効率も向上するが、10%より大きくなると効率の向上はなく、エネルギの消費は増大し、放電時間の増加により電極対の寿命も低下する。
According to the configuration of the second aspect of the invention, the predetermined position in the radial direction is within a range of 70% to 80% from the rotation center with respect to the blade length, so that the contribution to the torque performance of the wind turbine is high. Since the discharge frequency (f) defined by the above equation can be controlled reliably, the efficiency can be improved more reliably.
According to the configuration of the third aspect of the present invention, when the discharge ratio is 10% or less, the consumption of energy for discharge is small, and the durability of the electrode pair can be improved.
When the discharge rate is 2.5 to 10%, the efficiency is improved as the discharge rate is increased. However, when the discharge rate is larger than 10%, the efficiency is not improved, the energy consumption is increased, and the life of the electrode pair is increased by increasing the discharge time. Also decreases.
本請求項4に記載の構成によれば、電極対が翼面に複数配置され、制御手段が複数の電極対の放電パラメータとして少なくとも放電周期、放電割合及び放電電圧を個別に制御することにより、回転翼の半径方向の位置に応じた最適な制御を行うことが可能となる。
本請求項5に記載の構成によれば、制御手段が複数の電極対と同数の個別電源を備えていることにより、電極対毎の個別の放電の制御をより確実に行うことが可能となる。また、1台の電源が不調になっても残りの電源で放電を維持させることができる。
本請求項6に記載の構成によれば、制御手段が複数の個別電源を冷却する冷却手段、及び、電流を監視する監視手段を備えていることにより、発熱や放電異常等のトラブルを防止することが可能となる。また、そのことで流体制御システムの寿命を延ばすことができる。
本請求項7に記載の構成によれば、制御手段が、風速検出手段、回転数計測手段及び風向計測手段の出力を基に半径方向所定位置(好ましくは回転中心から70%から80%の範囲内)における翼と流れの相対速度(UR)を演算する演算手段を有していることにより、より確実に変化する流れに追従して制御し効率を向上させることが可能となる。
According to the configuration of the present invention, a plurality of electrode pairs are arranged on the blade surface, and the control means individually controls at least the discharge cycle, the discharge rate, and the discharge voltage as discharge parameters of the plurality of electrode pairs, It is possible to perform optimal control according to the radial position of the rotor blade.
According to the configuration of the fifth aspect of the present invention, since the control means includes the same number of individual power supplies as the plurality of electrode pairs, it becomes possible to more reliably control individual discharge for each electrode pair. . In addition, even if one power supply is malfunctioning, discharge can be maintained with the remaining power supply.
According to the configuration of the sixth aspect of the present invention, the control unit includes a cooling unit that cools a plurality of individual power supplies and a monitoring unit that monitors current, thereby preventing troubles such as heat generation and discharge abnormality. It becomes possible. This can also extend the life of the fluid control system.
According to the configuration of the seventh aspect of the present invention, the control means has a predetermined position in the radial direction (preferably in the range of 70% to 80% from the rotation center) based on the outputs of the wind speed detection means, the rotation speed measurement means, and the wind direction measurement means. By having the calculation means for calculating the relative velocity (U R ) between the blade and the flow in the inner), it becomes possible to improve the efficiency by controlling the flow more reliably.
本発明の流体制御システムは、回転翼と、回転翼の前縁表面に設けられ放電によりプラズマを発生する電極対を有するプラズマアクチュエータと、電極対を所定の放電周波数で断続的に放電させるように制御する制御手段とを備え、制御手段が放電周波数を変更可能であり、無次元数パラメータ:F+が、0.5以上となるように放電周波数(f)を制御するように構成されている。
例えば、図1に示すように、3枚の回転翼101を有する風車100の各回転翼101の前縁表面にプラズマアクチュエータ110が設けられ、電源は中心のノーズ部102内に内蔵されている。制御手段は電源と同様にノーズ部102内に内蔵してもよく、外部に設けてもよい。
また、回転軸103には回転翼101の回転数を計測する回転数計測手段(図示せず)が設けられ、風車100に近接して、風速を計測する風速検出手段121、及び、回転翼101の回転面に対する風向を計測する風向計測手段122が設けられている。
なお、風速検出手段121、風向計測手段122は、風車100のノーズ部102の中に内蔵されていてもよい。
風速と風向と回転翼101の回転数を知ることができれば、放電の無次元パラメータF+求めることができ、その無次元パラメータF+に応じて、プラズマアクチュエータ110を放電させれば効果的な制御が可能になる。
The fluid control system of the present invention is configured to intermittently discharge a rotor blade, a plasma actuator having an electrode pair provided on a front edge surface of the rotor blade and generating plasma by discharge, and an electrode pair at a predetermined discharge frequency. Control means for controlling, the control means is capable of changing the discharge frequency, and is configured to control the discharge frequency (f) so that the dimensionless number parameter: F + is 0.5 or more. .
For example, as shown in FIG. 1, a plasma actuator 110 is provided on the front edge surface of each rotor blade 101 of a wind turbine 100 having three rotor blades 101, and a power source is built in a central nose portion 102. The control means may be built in the nose portion 102 as in the case of the power supply, or may be provided outside.
Further, the rotation shaft 103 is provided with a rotation speed measuring means (not shown) for measuring the rotation speed of the rotary blade 101, a wind speed detecting means 121 for measuring the wind speed in the vicinity of the windmill 100, and the rotary blade 101. Wind direction measuring means 122 for measuring the wind direction with respect to the rotation surface is provided.
The wind speed detecting unit 121 and the wind direction measuring unit 122 may be incorporated in the nose portion 102 of the windmill 100.
Knowing the rotation speed of the wind speed and direction rotary blades 101, the dimensionless parameters of the discharge F + that can be determined, in accordance with the dimensionless parameters F +, effective control if caused to discharge the plasma actuators 110 Is possible.
以上のように構成された流体制御システムが適用される風車100の風洞試験を、JAXA 6.5m×5.5m低速風洞で実施した。
風車100は、図2に示すように、3枚翼で構成され、回転翼101のサイズは翼幅1m、翼弦長0.2mで、翼形状はNACA0012である。
また、回転部の回転中心は床面から2.5mの位置にあり、回転直径は、2.376mであり、回転翼101は回転面に対して10deg(一様流の向きに対して80deg)の角度で取り付け、回転方向はノーズ部102の方向から正面に見て時計回りに設定した。
A wind tunnel test of the wind turbine 100 to which the fluid control system configured as described above was applied was performed in a AXA 6.5 m × 5.5 m low speed wind tunnel.
As shown in FIG. 2, the wind turbine 100 includes three blades. The rotor blade 101 has a blade width of 1 m, a blade chord length of 0.2 m, and a blade shape of NACA0012.
The rotation center of the rotating part is located at a position 2.5 m from the floor surface, the rotating diameter is 2.376 m, and the rotating blade 101 is 10 deg with respect to the rotating surface (80 deg with respect to the direction of uniform flow). The rotation direction was set clockwise when viewed from the front of the nose portion 102.
安全に試験が実施できるように風車100の回転部分は高い安全率を設定して製作するとともに、回転軸103に回生ブレーキ(サーボモータ)と電磁プレーキを取り付けるなどの安全対策をとった。
また、ナセル部104に振動センサを取り付け、風車100の動作の健全性を確認しながら実験を行った。
さらに、風洞試験を実施するにあたり、風洞に持ち込む前に風車100の性能を評価する予備実験を行い、安全性を十分確認し風洞試験を行った。
風車100は、最大420rpmで回転し、風速20m/sまで試験を行うことができ、風車100の回転数制御と圧力計測、軸トルク計測は1台のPCから制御計測できるようになっている。
The rotating portion of the wind turbine 100 was manufactured with a high safety factor so that the test could be performed safely, and safety measures were taken such as attaching a regenerative brake (servo motor) and an electromagnetic brake to the rotating shaft 103.
Moreover, the vibration sensor was attached to the nacelle part 104 and it experimented, confirming the soundness of operation | movement of the windmill 100. FIG.
Furthermore, when carrying out the wind tunnel test, a preliminary experiment for evaluating the performance of the wind turbine 100 was conducted before bringing it into the wind tunnel, and the safety was sufficiently confirmed to conduct the wind tunnel test.
The windmill 100 rotates at a maximum of 420 rpm and can perform tests up to a wind speed of 20 m / s. The rotational speed control, pressure measurement, and axial torque measurement of the windmill 100 can be controlled and measured from a single PC.
また、プラズマアクチュエータ110は、従来例と同様に、電極として銅箔テープを使用し、電極間に誘電体としてポリイミドフィルムテープ(例えば、カプトン(商標名)粘着テープ)を使用して電極対を構成し、回転翼101の前縁に取り付けた。
プラズマアクチュエータ110の電源はノーズ部102の中に内蔵されており、制御手段によって遠隔操作できるようになっている。
風洞試験では放電電圧Vpp=9kV、基本周波数:9kHz、放電周波数(変調周波数)f:20Hz〜300Hzまで変えて放電させた。
1周期サイクル中の2.5〜20%(放電割合:Duty=10%)の時間だけ間欠的に放電するよう設定して実験を行った。
プラズマアクチュエータ110は翼根側と翼端側に2分割されており、個別に制御できるように構成した。
電源は2台搭載されており、翼根側と翼端側のプラズマアクチュエータ110を個別に制御でき、またシンクロさせて放電させることもできる。
回転翼101の前縁は放電の絶縁性を高めるため樹脂で構成した。
The plasma actuator 110 uses a copper foil tape as an electrode as in the conventional example, and uses a polyimide film tape (for example, Kapton (trade name) adhesive tape) as a dielectric between the electrodes to form an electrode pair. And attached to the leading edge of the rotor blade 101.
The power source of the plasma actuator 110 is built in the nose part 102 and can be remotely operated by the control means.
In the wind tunnel test, the discharge voltage Vpp was 9 kV, the fundamental frequency was 9 kHz, and the discharge frequency (modulation frequency) f was changed from 20 Hz to 300 Hz.
The experiment was conducted by setting to discharge intermittently for a time of 2.5 to 20% (discharge ratio: Duty = 10%) in one cycle.
The plasma actuator 110 is divided into two on the blade root side and the blade tip side, and is configured to be individually controllable.
Two power supplies are mounted, and the plasma actuators 110 on the blade root side and the blade tip side can be individually controlled, and can be synchronized and discharged.
The leading edge of the rotor blade 101 is made of resin in order to improve the insulation of discharge.
風洞実験では、風車100の回転面の下流側直近に回転軸トルクセンサ(歪センサ)が設置され、回転によって発生するトルクを計測した。
歪センサの出力はスリップリングを介して支柱内を通って風洞の外に導かれた。
その信号はアンプによって増幅され、データ収録装置に取り込んだ。
In the wind tunnel experiment, a rotating shaft torque sensor (strain sensor) was installed in the immediate vicinity of the downstream side of the rotating surface of the windmill 100, and the torque generated by the rotation was measured.
The output of the strain sensor was led out of the wind tunnel through the inside of the support through the slip ring.
The signal was amplified by an amplifier and captured in a data recording device.
プラズマアクチュエータ110による軸トルク改善効果を調べるために、プラズマアクチュエータ110を動作させた際の回転軸トルクと、軸トルク増加率を調べた。
試験条件は、風速U∞=10m/s、横滑り角(風向に対する回転面の角度)=−40deg、風車回転数=174rpmとした。
軸トルク増加率は、プラズマアクチュエータ110を動作させた際の回転軸トルクの値が、動作させない際の回転軸トルクの値に対してどれだけ向上するかで示した。
図3に示すように、軸トルク改善効果は放電周波数に依存し、プラズマアクチュエータ110を動作させた際の回転軸トルク及び軸トルク増加率は、放電周波数に対して右肩上がりに増加することが確認できた。
In order to investigate the effect of improving the shaft torque by the plasma actuator 110, the rotation shaft torque when the plasma actuator 110 was operated and the shaft torque increase rate were examined.
The test conditions were wind speed U ∞ = 10 m / s, side slip angle (angle of rotation surface with respect to wind direction) = − 40 deg, windmill rotation speed = 174 rpm.
The shaft torque increase rate is indicated by how much the value of the rotational shaft torque when the plasma actuator 110 is operated is improved with respect to the value of the rotational shaft torque when the plasma actuator 110 is not operated.
As shown in FIG. 3, the shaft torque improvement effect depends on the discharge frequency, and the rotational shaft torque and the shaft torque increase rate when the plasma actuator 110 is operated may increase to the right with respect to the discharge frequency. It could be confirmed.
次に、無次元放電周波数F+を以下の式で定義し、F+による軸トルク改善効果を評価した。
F+=f×CR/UR≧0.5
f:放電周波数
CR:回転翼の回転中心から半径方向所定位置における翼弦長
UR:前記半径方向所定位置における翼の回転速度と回転面に入射する流れの速度を合成した相対速度
半径方向所定位置は、風車100のトルク性能への寄与が高いとされる回転中心から半径方向70%〜80%の範囲の75%の位置とした。この位置にURは依存し、F+は翼周りの流れの非定常無次元数と同じである。
試験条件は、U∞=7.5m/s、β=−40deg、130rpm、U∞=10m/s、β=−40deg、174rpm、U∞=20m/s、β=−40deg、348rpmとした。
図4に示すように、いずれの条件でも、F+=0.5付近を境に揚力改善率の変化(傾き)が小さくなるものの、F+が0.5付近よりも大きい条件では軸トルク改善効果が高いことを確認した。
Next, the dimensionless discharge frequency F + was defined by the following formula, and the shaft torque improvement effect by F + was evaluated.
F + = f × C R / U R ≧ 0.5
f: discharge frequency C R : chord length at a predetermined position in the radial direction from the rotation center of the rotary blade U R : relative speed obtained by combining the rotation speed of the blade at the predetermined position in the radial direction and the flow velocity incident on the rotating surface Radial direction The predetermined position was a 75% position in the range of 70% to 80% in the radial direction from the center of rotation, which is considered to have a high contribution to the torque performance of the wind turbine 100. U R depends on the position, F + is the same as unsteady dimensionless number of flow around the wing.
The test conditions, was U ∞ = 7.5m / s, β = -40deg, 130rpm, U ∞ = 10m / s, β = -40deg, 174rpm, U ∞ = 20m / s, β = -40deg, and 348rpm.
As shown in FIG. 4, under any condition, the change (slope) in the lift improvement rate becomes small around F + = 0.5, but the shaft torque is improved when F + is greater than 0.5. It was confirmed that the effect was high.
次に、放電割合(Duty)を変えた試験結果を、図5に示す。
Duty=2.5〜10%間はDutyの増加に伴い高くなっているが、それ以降は軸トルク増加率は変わらない。
Dutyが大きくなると、それだけ放電エネルギを消費することになるので効率的ではなく、また、長時間放電は電極の耐久性に影響し放電時間は短い方が望ましいため、Dytyは10%以下が適切である。
Next, FIG. 5 shows the test results obtained by changing the discharge rate (Duty).
The duty increases from 2.5 to 10% as the duty increases. After that, the shaft torque increase rate does not change.
When the duty is increased, the discharge energy is consumed accordingly, which is not efficient. Further, since the long-time discharge affects the durability of the electrode and it is desirable that the discharge time is short, it is preferable that the duty is 10% or less. is there.
次に、回転翼101に設けた2つのプラズマアクチュエータ(半径方向内側と外側)の放電周波数を個別に変えて、放電周波数の効果を調べた。
図6に示ように、放電周波数が異なると高い効果が得られないことがわかった。
これは、翼面上の流れにおいて、プラズマによって生じる異なる非定常流(プラズマの放電周波数に依存)は、流れの境界(内側/外側電極の間)においてスムーズな流れを妨げる作用があるものと考えられる。
よって、同じ翼面上の隣接するプラズマアクチュエータ110の放電周波数(f)は同じ、または近い放電周波数である方が望ましい。なお、放電電圧やDutyは制限しない。
Next, the discharge frequency of the two plasma actuators (radially inner and outer) provided on the rotor blade 101 was individually changed to examine the effect of the discharge frequency.
As shown in FIG. 6, it was found that a high effect cannot be obtained if the discharge frequency is different.
This is because in the flow on the blade surface, the different unsteady flow caused by the plasma (depending on the discharge frequency of the plasma) has the effect of hindering the smooth flow at the flow boundary (between the inner / outer electrodes). It is done.
Therefore, it is desirable that the discharge frequency (f) of the adjacent plasma actuators 110 on the same blade surface is the same or close. The discharge voltage and duty are not limited.
以上のように、本発明によれば、回転翼の表面に設けられたプラズマアクチュエータを制御して効率を向上させ、かつ、各種の諸元の回転翼に適応可能であり、変化する諸条件に追従して効率を向上させ、回転翼の回転軸トルクを増加させるとともに、回転翼周りの非定常流れ場を安定させ、回転翼の耐久性向上にも寄与することが可能であり、例えば、上述したような風車による発電の際の発電効率の向上に寄与することが可能である。
また、本発明に係る流体制御システムによれば、各種のプロペラ動力の省エネ化、タービン等の回転翼の高性能化(低燃費化)、空力騒音低減、航空機、自動車、鉄道等の抵抗軽減、航空機の揚力向上や制御等、様々な用途に利用可能である。
As described above, according to the present invention, the efficiency can be improved by controlling the plasma actuator provided on the surface of the rotor blade, and it can be applied to the rotor blades of various specifications. It is possible to improve efficiency by following up, increase the rotating shaft torque of the rotor blade, stabilize the unsteady flow field around the rotor blade, and contribute to improving the durability of the rotor blade. It is possible to contribute to the improvement of power generation efficiency at the time of power generation by such a windmill.
Further, according to the fluid control system according to the present invention, various propeller power savings, high performance of rotor blades such as turbines (low fuel consumption), aerodynamic noise reduction, aircraft, automobile, railroad resistance reduction, It can be used for various purposes such as lift improvement and control of aircraft.
100 ・・・風車
101、501 ・・・回転翼
102 ・・・ノーズ部
103 ・・・回転軸
104 ・・・ナセル部
110、510 ・・・プラズマアクチュエータ
511 ・・・電極
512 ・・・誘電体
520 ・・・制御手段
121 ・・・風速検出手段
122 ・・・風向計測手段
530 ・・・電源
531 ・・・アンプ
532 ・・・トランス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Windmill 101, 501 ... Rotor blade 102 ... Nose part 103 ... Rotating shaft 104 ... Nacelle part 110, 510 ... Plasma actuator 511 ... Electrode 512 ... Dielectric 520 ... Control means 121 ... Wind speed detection means 122 ... Wind direction measurement means 530 ... Power supply 531 ... Amplifier 532 ... Transformer
Claims (7)
前記制御手段が、前記放電周波数を変更可能であり、以下の式で定義される無次元数パラメータ:F+が、0.5以上となるように放電周波数(f)を制御するように構成されていることを特徴とする流体制御システム。
F+=f×CR/UR≧0.5
f:放電周波数
CR:回転翼の回転中心から半径方向所定位置における翼弦長
UR:前記半径方向所定位置における翼の回転速度と回転面に入射する流れの速度を合成した相対速度 A rotor blade having one or more blades, a plasma actuator provided on a front edge surface of the rotor blade and having an electrode pair that generates plasma by discharge, and the electrode pair is intermittently discharged at a predetermined discharge frequency. A fluid control system comprising control means for controlling
The control means can change the discharge frequency, and is configured to control the discharge frequency (f) such that a dimensionless number parameter F + defined by the following equation is 0.5 or more. A fluid control system.
F + = f × C R / U R ≧ 0.5
f: discharge frequency C R : chord length at a predetermined position in the radial direction from the rotation center of the rotary blade U R : relative speed obtained by combining the rotation speed of the blade at the predetermined position in the radial direction and the velocity of the flow incident on the rotating surface
前記放電割合が、10%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流体制御システム。 The control means is capable of controlling a discharge ratio in one period (1 / f) of a discharge frequency;
The fluid control system according to claim 1, wherein the discharge ratio is 10% or less.
前記制御手段が、前記複数の電極対の放電パラメータとして少なくとも放電周期、放電割合及び放電電圧を個別に制御することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の流体制御システム。 A plurality of electrode pairs of the plasma actuator are arranged on the blade surface,
The fluid control system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit individually controls at least a discharge cycle, a discharge rate, and a discharge voltage as discharge parameters of the plurality of electrode pairs.
前記制御手段が、前記風速検出手段、回転数計測手段及び風向計測手段の出力を基に前記半径方向所定位置における翼と流れの相対速度(UR)を演算する演算手段を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の流体制御システム。 The fluid control system includes wind speed detecting means for measuring the wind speed, rotational speed measuring means for measuring the rotational speed of the blade, and wind direction measuring means for measuring the wind direction with respect to the rotating surface of the blade,
The control means has calculation means for calculating a relative velocity (U R ) between the blade and the flow at a predetermined position in the radial direction based on outputs of the wind speed detection means, the rotation speed measurement means, and the wind direction measurement means. A fluid control system according to any one of claims 1 to 6.
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