风力机空气动力试验081211.ppt

China Aerodynamics Research,Development Center,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,风力机空气动力试验,1,引言,风洞试验,风场试验,2,空气动力学发展史表明，没有试验研究就没有独立的这门学科。气动上的基本现象和原理都是通过试验逐步认识的，气动上的重大突破都是首先在试验上的突破；,气动理论分析和计算的结果，应经受试验检验或验证；,可以为各类工程、技术应用对象（飞行器、船舶、测量、建筑物、风力机等）提供可靠的空气动力特性数据。,引言,3,引言,4,研究的速度范围不断扩宽。,亚音速风洞,超音速风洞,引言,5,研究的项目不断扩展，如气动力、压力分布、热特性测量、流动显示等。,引言,6,应用对象不断扩大，由传统的航空航天领域逐步渗透到船舶、车辆、建筑、桥梁、生物、能源、气象、环保、化工、机械、农林业和体育等各个领域。,引言,7,空气动力试验,一般采用模拟方法，即使用模型试验来模拟原型的物理现象。所谓模拟是指在一定的条件下用一个比较容易求得结果的物理现象来研究另一个遵循相同物理规律或数学规律的物理现象的方法。根据基本方法和设备的不同分为：,风洞试验法：利用相对运动原理，模型不动、气流运动,;,携带试验法：将模型固定在可运动的设备上进行试验,;,飞行试验法：试飞、海试、外场试验等。,引言,8,利用模型代替实物进行试验，必须解决的两个重要问题：,怎样保证模型试验和实物试验的流动现象相似？,怎样把试验结果应用到实际？,相似理论论述了两种现象相似的充分必要条件，回答了如何正确选择相似准则。,掌握相似理论，对指导试验和分析、处理、应用试验数据是十分重要的。,引言,9,1,、风洞基本概念,风洞是按特殊要求设计的、可产生可调节气流的特殊管道，由这个管道形成的模型流场能够模拟或部分模拟原型流场。,低速风洞：直流式、回流式、立式,亚音速风洞：,Ma=0.4,0.8,跨音速风洞：,Ma=0.8,1.4,超音速风洞：,Ma=1.4,5.0,高超音速风洞,:Ma=5.0,14,风洞试验,风洞,10,低速直流风洞,风洞试验,风洞,11,低速回流闭口风洞,风洞试验,风洞,12,低速回流开口风洞,风洞试验,风洞,13,风洞试验,风洞,14,2,、风洞流场品质,对于飞行于高空大气的飞机，其大气环境特点是：风速大小、方向一致、气压均匀、空气未被扰动（湍流度低）等。,对于风力机、建筑物等地面试验对象，其大气环境特点是：风速大小随高度改变有一定的变化、湍流度也较高。,风洞试验段中气流的这些特性的好坏称为流场品质。一般包括：动压场（速度场）、方向场（气流偏角）、湍流度等指标。,风洞试验,风洞,15,3,、风洞主要部件,试验段：是风洞中模拟原型流场进行模型气动试验的地方。,风洞试验,风洞,16,扩散段：位于试验段或动力段后，减小气流速度，以减小风洞中气流能量损失。,风洞试验,风洞,17,拐角及导流片：回流风洞中，气流需要折转,360,。拐角及导流片起到平顺拐折气流的作用。,风洞试验,风洞,18,动力段：安装有风扇及其附属设施（如整流罩、止旋片等）。用于向风洞内气流补充能量、保证气流维持一定的速度。,风洞试验,风洞,19,整流装置：包括稳定段、蜂窝器、整流网等。其作用是切割风洞内大尺寸漩涡并使小漩涡衰竭，提高风洞内流场品质。,风洞试验,风洞,20,收缩段：使来自稳定段的气流加速、并改善试验段气流品质。,风洞试验,风洞,21,进气口、出气口：用于直流风洞向外界大气吸取和排除气流。,调压缝：在闭口风洞中保持风洞试验段内压力与外界大气基本相同。一般位于试验段与扩散段之间。,风洞试验,风洞,22,4,、风洞试验流程,将试验模型固定于试验段中。,模型可以是专用模型或实物模型,需要有支撑装置支撑模型,风洞试验,风洞,23,在风洞中建立要求的流场,小型风力机一般按均匀流处理,大型风力机或建筑物需考虑大气边界层,测量相关数据,天平、压力传感器,转速仪、电流电压仪、负载等,数据修正与处理,洞壁干扰修正,转换系数,风洞试验,风洞,24,5,、风洞试验特点,试验组织简单、成本低、周期短,试验环境简单，不需要考虑外场条件,气流人工建立，不需要,“,靠天吃饭,”,测试条件完善，试验项目多,试验结果可靠、可重复性好,气流条件稳定，试验干扰因素少,便于建立统一的试验、评估标准,不适合进行与寿命等相关的长期试验,对试验对象尺寸有一定限制,风洞试验,风洞,25,流场模拟,风力机风洞试验时，对风洞流场的要求同航空飞行器模型试验，一般在风洞中可不模拟大气边界层流场。,风洞试验,相似条件,26,模型模拟,几何相似,运动相似,动力相似,风洞试验,相似条件,27,运动相似,风力机风轮模型和实物的叶尖速比相同，即,式中,V,来流速度；,风轮角速度；,R,为风轮半径；,下标,m,、,p,分别表示模型和实物。,风洞试验,相似条件,28,动力相似,风力机风轮模型和实物的雷诺数相同，即,式中,u,叶尖线速度；,叶片的平均几何弦长；,V,运动黏性系数。,风洞试验,相似条件,29,叶片的平均几何弦长为,式中,A,风轮扫掠面积；,B,叶片数；,D,风轮直径。,风洞试验,相似条件,30,叶尖线速度为,当风洞介质为空气时，则,风洞试验,相似条件,31,设模型和实物的几何缩尺比为,k,，即,和,则,即,风洞试验,相似条件,32,由上式可知：如果风力机模型和实物的比例取,1:10,，则要求模型试验时的风轮转速是实物运行的风轮转速的,100,倍。这时，为了保持风轮模型和实物的叶尖速比相同，要求模型试验时的风速是实物运行时的风速的,10,倍。,风洞试验,相似条件,33,小型风力机模型缩尺比小，有的可以用实物进行试验，因此，运动相似和动力相似基本可以满足。但是，中大型风力机模型缩尺比大，如果要做到运动相似和动力相似，那么风轮的转速和风洞的风速都要很高，这时，不但要考虑空气压缩性的影响，而且给模型设计也带来许多困难。因此，在风洞试验中，只能做到近似地模拟，主要保证几何相似和运动相似。,风洞试验,相似条件,34,翼型：风轮叶片（或机翼）剖面形状。,翼型对风力机的效率及叶片结构设计具有重要的意义。,风力机翼型风洞试验的主要目的在于：,获得翼型在不同,Re,数下的气动特性，主要包括：升力特性、阻力特性，还可包括俯仰力矩特性等。,获得翼型表面压力分布。,翼型试验是典型的二维试验。,风洞试验,翼型试验,35,一般在专用翼型风洞（二元风洞）中进行,高,Re,数试验也可在常规大尺寸风洞（三元风洞）中进行,测试设备,天平：用于测量截断翼型模型的气动载荷,压力传感器：测量翼型表面或空间流场压力分布，通过积分获得翼型升阻特性,测压耙：用于支撑空间流场探头。,风洞试验,翼型试验,36,一般弦长不超过试验段高度的,40%,，大迎角时还应更小,一般采用木制模型，也可采用金属模型,模型适应测力或（和）测压试验要求,测力试验时，要求模型载荷必须通过天平传递,测压试验时，要求模型表面具备压力感受装置，如测压孔,需要消除模型的三维流动,风洞试验,翼型试验,37,模型气动载荷可以用内式天平、也可用外式天平测量,一般采用三段式模型进行,天平仅测量中间的模型的气动载荷,两侧的模型用于减小三维效应,三段模型能够同步变化迎角,风洞试验,翼型试验,38,用动量法可以获得翼型的升、阻特性，还可测量翼型表面压力分布,动量法测升力,当翼型受到升力作用时，风洞的上下壁面也受到大小相等、方向相反的作用力。沿上下壁面测量压强分布并积分即可求得翼型升力。,风洞试验,翼型试验,39,风洞试验,翼型试验,40,动量法测阻力,流过翼型的气流，在翼型后面形成尾流，翼型所受的阻力越大，尾流内气流的机械能越小。如果能测量出尾流内的流场，就可以用动量定理算出模型所受的阻力。,风洞试验,翼型试验,41,表面压力分布测量,通过在翼型模型表面布置压力感受器（一般为测压孔），测量翼型表面压力分布，通过积分就可以获得翼型升力、俯仰力矩和型阻系数。,一般测压孔开在模型中央剖面，为方便数据分析和使用还可以在其两侧分别布置一排测压孔。,一个剖面的测压孔数量应大于,48,个。,风洞试验,翼型试验,42,三种试验方法的主要特点对比,项目,测力试验,动量法试验,表面压力分布试验,测试项目,全面,不能测俯仰力矩,不能测摩擦阻力,测量范围,全迎角范围,不适合大迎角条件,不适合大迎角条件,模型准备,复杂，需考虑天平布置,简单,一般，需要布置测压孔,试验准备,简单，需要天平,复杂，需要布置空间测压感受器,一般，需要测压设备,应用范围,通用风洞,专用风洞,各类风洞,方案示例,在一个试验中同时采用三个试验方法，以测力试验为基础，,并采用动量法测阻力、用表面压力分布测升力。,风洞试验,翼型试验,43,空气和水都是透明的流体，其流动状态难以直接观察。,借助于物理或化学的方法手段使绕模型的流动的某些特征以画面的形式显示出来的试验方法。,作用：,能深入了解流动现象的本质和机理,有助于找到解决某些具体问题的途径,有助于建立、完善和发展新的空气动力理论,基本方法：,外加材料显示法（低速风洞常用方法）,光学显示法（常用于高速流动显示）,能量注入法（主要用于稀薄气体流动显示）,流动显示试验,风洞试验,翼型试验,44,烟流法,在流场中注入示踪粒子（烟流）显示流动情况,用于显示空间流场情况,流动显示试验,风洞试验,翼型试验,45,油流法,在模型表面刷上稠粘液体，通过记录液体随风流动显示流场,用于显示模型表面流动情况，不适合非定常运动模型,风洞试验,翼型试验,流动显示试验,46,获得风轮气动特性，为风轮设计、改进和检验提供依据,风轮风能利用系数,风轮气动载荷特性,获得风力机组工作特性，检验机组工作特性,功率输出特性,起动特性,调速、调向特性,获得叶片不同剖面处弦向压力分布,获得叶片表面及叶片空间流场特性,试验目的,风洞试验,风力机试验,47,风洞,风速：,2m/s,20m/s,，气流不均匀度,0.2m/s,紊流度：,0.5%,气流偏角：,0.5,试验段面积：一般大于风轮扫略面积的,8,倍，最小,4,倍,支撑、姿态角变化及角度测量设备,支撑设备用于将风力机固定于风洞中，一般由风洞配备,风洞转盘：可实现风轮与来流水平夹角变化,迎角机构：可实现风轮与来流垂直夹角变化，一般不需要,角度测量设备一般附属于转盘及迎角机构,试验,设备,风洞试验,风力机试验,48,风速传感器,测量范围：,2m/s,20m/s,，误差,0.1m/s,一般采用风洞配套速压测量系统,大气条件传感器,大气温度传感器：范围,-20,60,、误差,0.5,大气压力计：范围,80kpa,108kpa,，误差,1%,试验,设备,风洞试验,风力机试验,49,转速计,范围：不小于风轮额定转速的,2,倍，误差,1%,安装于转轴上的码盘、测速电机等,外置式：频闪仪、激光转速仪等,转速调节设备,机械式调速设备：刹车抱环等,电力耗能式调速设备：发电机,/,耗能电阻等,风洞试验,风力机试验,试验,设备,50,力（力矩）传感器,量程：不大于额定载荷的,10,倍，误差,0.5%,安装于风轮转轴的扭矩计：仅能测量扭矩，国内采用较少,安装于风轮支座上的多分量天平：通用性好，载荷匹配较困难,叶片载荷传感器,叶片角度传感器,测量叶片方位角,应变仪,测量塔架弯矩、扭矩,试验,设备,风洞试验,风力机试验,51,压力传感器,脉动压力扫描阀,:,测量叶片上脉动压力,常规电子扫描阀,风力机输出功率传感器,一般风力机采用发电机将机械能转为电能,电流计、电压计、功率计等,流动显示设备,照相机、摄像机,烟流、丝线、,PIV,试验,设备,风洞试验,风力机试验,52,一般采用实物模型，也可采用专用模型,实物模型模拟更真实，成本较低，测试项目较少，一般用于检验性试验,专用模型根据专门用途设计加工，测试项目较多，一般用于研究性试验,模型尺寸：一般控制在试验段横截面积的,12%,以下，最大不超过,20%,为满足试验支撑、测试及安全等方面要求，实物模型一般需要进行必要的改装,试验,模型,风洞试验,风力机试验,53,模型安装,模型安装应满足试验和使用要求，并用试验负载代替实物负载,安装后风轮中心与试验段轴线的偏差应小于,试验,模型,风洞试验,风力机试验,54,风能利用系数试验,利用测量风轮扭矩、转速及空气速压的方法获得,风轮气动特性,试验,风洞试验,风力机试验,55,风轮无尾舵、正迎风，一般在额定风速下进行，也可选取多个风速,测量时应保持风速（速压）及风轮转速稳定,在规定风速下测量不同转速的结果，一般需要多次重复测量,对于转速相对稳定的风轮，可以采用变风速的方法改变叶尖速度比,可以改变风轮与气流的夹角获得风能利用系数对来流角的敏感性,风洞试验,风力机试验,风轮气动特性,试验,56,数据修正,由于风轮在试验段中的阻塞作用，试验结果与实际结果有所差别,闭口试验段试验时，宜采用壁压信息法进行修正,但风轮扫略面积小于试验段横截面积的,8%,时可以用下式修正,风轮气动特性,试验,风洞试验,风力机试验,57,风轮气动特性,试验,风洞试验,风力机试验,58,修正时，可以采用壁压信息矩阵法，它和经典的以及有限基本解的洞壁干扰修正方法不同，不需要建立对试验模型及其尾流的纯理论模拟，而只要在模型试验时，实测洞壁干扰的信息，即壁压分布情况。以此为出发点，求解固定在适当位置上的若干简单面源与线涡的强度分布，使其在风洞试验段边界一定位置上产生的诱导速度与试验模型产生的完全相同，并用这些等效面源，线涡的洞壁干扰速度分布来逼近试验模型的洞壁干扰速度分布。,风轮气动特性,试验,风洞试验,风力机试验,59,风洞洞壁压力分布,风洞试验,风力机试验,风轮气动特性,试验,60,风洞试验,风力机试验,风轮气动特性,试验,61,风轮气动载荷试验,一般包括推力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数等,可以与风能利用系数试验同步进行，试验方法类似,风轮气动载荷,试验,风洞试验,风力机试验,62,叶片根部的挥舞弯矩和摆振弯矩载荷试验,利用安装于叶片和桨毂间的天平进行测量,也可利用应变计进行测量,由于载荷随叶片方位角变化，需要同步测量叶片方位角,测量需要多圈重复进行,测量结果应进行洞壁干扰修正,风轮气动载荷,试验,风洞试验,风力机试验,63,风洞试验,风力机试验,风力机在风洞中测试的载荷特性,风轮气动载荷,试验,64,测量叶片不同剖面处的弦向压力分布,换算风轮气动载荷、风轮功率等,验证计算模型及结果,需要在叶片上加工测压孔,需要多圈数测量,需要进行离心力修正,（,Rg,为气体常数、,Te,为温度）,叶片压力分布,试验,风洞试验,风力机试验,65,风洞试验,风力机试验,叶片压力分布,试验,叶片径向剖面处的平均压力分布,66,在需要解决某些特定问题时，可以安排流动显示试验,为数理模型建立提供直观依据、检验数值计算结果,查找、分析一些不明原因的问题，如振动,叶片表面流动显示试验和叶片空间流动显示试验,风力机流动显示,试验,风洞试验,风力机试验,67,叶片表面流动显示试验,:,一般采用丝线法,在模型表面贴上布置柔软丝线，利用丝线的顺风摆动显示流动情况,一般用于显示模型表面流动情况，对物面破坏较大,在非定常运动中有误差,风力机流动显示,试验,风洞试验,风力机试验,68,叶片空间流动显示试验：烟流法或粒子图像测速法（,PIV,）,烟流法,在模型上游适当位置注入烟流显示当地流动情况,PIV,法：用于定量显示空间流场情况,通过多次曝光的方法，记录注入流场的示踪粒子的运动轨迹，进而计算、显示当地流动情况,风力机流动显示,试验,风洞试验,风力机试验,69,试验条件,风场条件,年平均风速大于,5m/s,，最高风速大于,30m/s,，或安装现场,地势平坦、开阔、不在其他机组尾流区内,模型：实物模型（样机）,测试仪器,大气条件传感器：风速、风向、温度、压力,风力机工作状态传感器：转速、方向角,输出特性传感器：负载、电表、测振仪、声级计,风场试验,70,试验流程,将试验样机安装于风场，布置、调试好相关仪器设备,待风场风速达到预期值时，测量相关数据,数据处理与修正,数据的辨识与统计,数据向标准工作状态的换算,风场试验,71,试验特点,试验条件与测试结果更接近实际使用情况,试验周期较长、组织协调量大,受气候条件制约,外场条件复杂,数据离散性较大，后期处理难度较大,试验条件不稳定，干扰因素辨识困难,风场试验,72,利用风力机实物在自然风况和带负载的情况下进行长时间的测量，以获得更为接近实际情况的结果，并弥补风洞试验的不足,利用实物：可测量塔架特性,风环境更接近实际使用情况,无额外设备（如风洞）噪声，可以进行噪声测试,试验目的,风场试验,73,风速传感器,测量范围：,2m/s,40m/s,，误差,0.5m/s,安装高度：风轮轴线高度,0.1,倍风轮直径,安装位置：距塔架中心（,2.5,8,）倍风轮直径，不在尾流区,大气条件传感器,风向传感器：范围,360,，准确度：,2.5,，位置同上,大气温度传感器：范围,-50,50,、误差,1,，安装于百页箱内,大气压力计：范围,60kpa,108kpa,，误差,3%,转速计,范围：不小于风轮额定转速的,1.5,倍，误差,2%,转速调节设备,负载,试验,设备,风场试验,74,频率计,测量范围：,2,20000Hz,，误差,8760,小时，精度,15s/d,测振仪（加速度传感器）,测量范围：,0,2mm,，频率响应,2,500Hz,，精度,2.5,级,声级计,范围,40,140dB(A),，准度,0.5dB(A),，频响,0.8,7100Hz,安装高度,1.5m,风力机输出功率传感器,一般风力机采用发电机将机械能转为电能,电流计、电压计、功率计等,场强仪,范围：,10V/m,1000mV/m,，精度,0.5,级,试验,设备,风场试验,75,年平均风速大于,5m/s,，最高风速大于,30m/s,，或安装现场,地势平坦、开阔、不在其他机组尾流区内,安装位置满足机组正常工作条件,试验,场地,风场试验,76,风场试验,试验,场地,77,附有有关的技术数据、图样、安装使用说明和产品合格证,10kW,以上的机组可以在安装现场试验,测试元件的安置应避免对机组产生明显影响和结构损坏,试验,样机,风场试验,78,风力机风场试验的项目包括：气象参数测量、安全及功能试验、电能品质试验、功率特性试验、噪声试验和载荷试验等；另外，从风力机研发的角度，在风场中还需要进行流场显示试验和压力分布试验等。,风场试验,试验,项目,79,风场试验,气象参数测量,风场试验时，必须准确测量气象参数，特别是风特性。气象参数的测量是在测风杆上进行的，测风杆一般采用管状或桁架结构。对水平轴风力机，测风杆距风力机塔架中心为,2,倍,4,倍的风轮直径,D,，一般可取,2.5,D,；对垂直轴风力机为,1.5,倍风力机直径。测风杆要设置在所选择的测量扇区内，不受风力机尾流的干扰；风速仪和风向仪要正确地安装在测风杆上，风速仪安装高度与风力机轮毂中心的高度,Hh,相差小于,2.5%,Hh,，风向仪安装高度相差小于,10%,；另外，测风仪安装时，要避免风向仪和风速仪之间的相互干扰，以及避免与邻近其它测风仪可能产生的扰流影响。,80,风速仪一般采用杯式风速仪，其测量范围为,0m/s,40m/s,，准确度为,0.1m/s,（,4 m/s,25m/s,）或,5%,；风向仪一般采用尾翼式风向测试仪，其测量范围为,0,360,，准确度为,2.5,。,风场试验,气象参数测量,81,在气象参数测量时，除了风速和风向外，还要测量气温、气压、湿度和湍流强度等。气温和气压测量传感器应安装在测风杆上，接近风力机轮廓中心的高度。气温测量范围为,-50,50,，准确度为,2,；气压传感器测量范围为,60,kPa,108kPa,，准确度为,3%,。,气象参数测量,风场试验,82,风场试验,气象参数测量,传感器安装示例图,83,输出特性试验,用比恩（,BIN,）法确定机组输出功率和风速的关系,数据采集条件：机组正常工作、从切入风速到切出风速,采集方法：计算机同步采集风速、输出功率，频率,1Hz,，周期,60s,功率特性测试,风场试验,84,功率特性测试,风场试验,功率曲线测量时，每个通道的数据采样频率要大于或等于,0.5Hz,，采用,bin,法（又称间隔法）对测试数据进行处理。风速的间隔宽度为,0.5m/s,，每个风速的间隔所对应的功率值按下式进行计算,式中,Vi,第,i,个间隔的平均风速值；,Vn,i,j,第,i,个间隔的,j,数据组的风速值；,Pi,第,i,个间隔的平均功率值；,Pn,i,j,第,i,个间隔的,j,数据组的功率值；,Ni,第,i,个间隔的,10min,数据组的数据量。,85,比恩法归纳数据：将处理后的数据，分别记入划分好的比恩区间,比恩范围：,3,18m/s,比恩宽度：,0.5m/s,（,v15m/s),每个比恩区间最少数据量：,60(v12m/s),、,20(12v15),、,10(v15),总采样时间不少于,10h,功率特性测试,风场试验,86,输出特性：将每个比恩区间的平均风速、平均功率记入下表，并以平均风速为横坐标、以平均功率为纵坐标绘制输出特性曲线,功率特性测试,风场试验,87,风场试验,功率特性测试,88,风场试验,噪声测试,风力机噪声测试内容包括,A,加权声压级、,1/3,倍频程和声调。风力机噪声测试时，一般采用装有风屏的直径小于,13mm,的麦克风按图,8-9,所示的,4,个点的位置分散布置，其中位置,1,是参考点，位于风力机下风向，测试时相应的风向角变化应在,15,以内；位置,2,、,3,、,4,是测试点。对水平轴风力机，,R,0,为麦克风距风力机塔架底部中心的距离。,式中,轮毂高度；,D,风轮直径。,89,噪声测试,风场试验,测试时，要保证安放麦克风位置处的入射角,在,25,40,范围之内，即需要调整距离,R,0,，调整范围为,20%,，测量精度为,2%,。,风力机噪声测试时，要同时测量风场中的气象参数和风力机的运行参数。,90,噪声测试,风场试验,噪声测试时按下列程序进行：测点,1,的,A,加权声压级应在风力机运行风速为,6,m/s,、,7,m/s,、,8,m/s,、,9,m/s,和,10m/s,（,10m,高和粗糙度,0.05m,）时进行测试；其它三个测点可以与参考点同时进行测试；当风力机有,n,个转速级时，应尽可能在每一级转速下进行测试；为了将风力机噪声与背景噪声和外界噪声分离，应对背景噪声和外界噪声的影响进行修正。,91,噪声测试,测试结果包括：在,6m/s,10m/s,风速范围内，每一整数风速时的,A,加权声压级；在,6m/s,10m/s,风速范围内，每一整数风速时的,1/3,倍频程频谱；声调。,风场试验,92,风场试验,噪声测试,93,风场试验,噪声测试,94,风场试验,噪声测试,95,