第3章折叠变桨风轮的风洞实验 3.1引言 本章系统介绍了折叠变桨风轮的风洞实验 ,并对实验结果进行了详细讨论。风洞实验分为静态折叠变桨叶片的风洞实验和折叠变桨风轮的风洞实验。静态叶片的实验测试了叶片的功率调节、旋转启动和气动刹车性能。折叠变桨风轮的风洞实验测试了风轮的功率输出性能 ,包括风能利用系数曲线和功率调节能力等。本章最后通过理论结合实验的方式 ,分析了折叠变桨风轮功率调节的原理。 3.2折叠变桨叶片的风洞实验 本节为静态折叠变桨叶片的风洞实验部分 ,风洞实验将测试叶片的功率调节、旋转启动和气动刹车性能。实验采用叶片旋转力矩因子和气流推力因子表征叶片的气动载荷。 3.2.1风洞实验装置及数据处理方法 实验使用的风洞测试平台与 2.4节相同 ,风洞测试段横截面为 1m× 1m的矩形 ,测试段长度为 1.5m,有效的风速范围为 0~15m/s,风洞测试平台如图 2.11所示。实验叶片与 2.4节的实验叶片相同 ,叶片分为外围折叠叶片段与根部定桨叶片段 ,叶片总长度为 660mm,其中外围叶片段长度为330mm。外围叶片段具有非对称翼形 ,且扭角为 0°。外围叶片段与根部叶片段通过折叠机构连接 ,折叠轴倾角 γ为30°。叶片折叠角 δ手动调节 ,最小调节量为 0.5°。叶片直立于风洞测试段支撑平台上 ,通过根部的桨距角调节机构与静力传感器连接 ,由静力传感器测量叶片的气动载荷。通过桨距角调节机构 ,整体叶片实现变桨 ,变桨角 θ的最小调节量为 0.5°。折叠 变桨叶片和载荷测试系统如图 2.12所示。传感器的坐标系以风速方向、垂直于地面方向和垂直于风速方向为基准 ,如图 2.13所示 ,其测量精度见表 2.3。在真实的风轮旋转过程中 ,叶片气动载荷在风轮旋转切向和风轮轴向 的分量分别构成了叶片的旋转力矩和气流推力载荷。风洞实验中 ,传感器 采集的静态叶片载荷方向与旋转过程中叶片的有效载荷方向关系如图 3.1 所示。静力传感器采集叶片根部承受的载荷 ,其中垂直于风速方向的作用 力与力矩分别标记为 FL和TL ,平行于风速方向的作用力与力矩分别标记 为 FD与TD。叶片的升阻比为叶片所受气动升力与气动阻力的比值 ,由 式(3-1)计算获取。通常情况 ,叶片在额定工作状态具备最大的升阻比。叶 片的旋转力矩 TQ由力矩 TL和TD合成。气流推力 FT由作用力 FL和 FD合成。结合图 3.1,叶片旋转力矩 TQ和气流推力 FT分别由式 (3-2)和式(3-3)计算获取。旋转力矩因子 CQ和气流推力因子 CF分别为表征叶片旋转力矩 TQ和气流推力 FT的无量纲因子 [97]。本节的研究重点为外围叶片段在不同工况下的气动载荷 ,因此无量纲因子 CQ和CF用于表征外围叶片段的气动性能 ,CQ和CF的表达式分别为式 (3-4)和式 (3-5)。 图3.1实验测试载荷方向与叶片有效载荷方向示意图 CL FL = (3-1)CD FD TQ =TDsinφ+TLcos(3-2) φ FT =FDsinφ+FLcosφ (3-3) CQ = 2TQ (3-4) ρlsw2 CF = 2FT (3-5) ρsw2 式中 ,ρ为空气密度 ,为1.205kg/m3;s为外围叶片段投影面积 ,经测定为 0.l为外围叶片段的作用力臂 ,5m;w为相对风速 ;φ 0284m2;设定为 0.为相对风速角。 风洞实验关注叶片折叠角对叶片功率调节、旋转启动和气动刹车过程的影响。其中 ,叶片旋转启动与刹车过程为时域上连续的过程 ,而风洞实验测量静态叶片的载荷数据 ,因此 ,对该时域上连续的过程进行离散 ,获取离散时刻的相对风速和相对风速角等参数。在风洞实验中 ,以离散时刻的相对风速作为实验风速 ,测量叶片所受气动载荷 ,最后以各个离散时刻的实验结果来表示时域上连续变化的过程。风洞实验测量的叶片载荷为重力和气动力的合成载荷 ,通过测量叶片在静止空气中的载荷 ,并通过两者作差的方式,间接获取叶片承受的气动载荷。风洞实验关注外围折叠叶片段的气动性能 ,因此在各工况下 ,还测量了根部定桨叶片段的气动载荷 ,利用整体叶片气动载荷与根部叶片段气动载荷的差值 ,获取外围叶片段在该工况下的气动载荷。需要注意的是 ,在叶片旋转的过程中 ,气流的相对风速和相对风速角均与叶片的展向位置有关。而风洞实验仅测量静态叶片的气动载荷 ,气流的相对风速和相对风速角以叶片展向 0.5m处作为基准计算获取。定义无量纲因子 CQ和CF ,将外围折叠叶片段的气动载荷无量纲化 ,等效表达为该叶素的气动性能。CQ和CF的表达式分别如式 (3-4)和式 (3-5)所示,式中参数均以 0.5m展向位置叶素的参数为基准计算获取。 3.2.2风洞实验的基本参数 叶片初始桨距角的设定应保证额定工况下的气流具有最佳攻角 ,叶片呈现最大的升阻比。首先应进行叶片测试 ,确定外围叶片段升阻比与气流攻角的关系。实验过程中 ,保证叶片折叠角为 0°,通过叶片根部桨距角调节机构 ,调节气流的攻角。风洞实验分别获取整体叶片和根部定桨叶片段的气动载荷 ,通过二者作差的方式 ,获取外围叶片段所受作用力 FL和FD。外围叶片段的升阻比 CL/CD由式 (3-1)计算获取。气流攻角的研究范围为 0°~20°,角度调节量为 2°。风洞实验设定两组测试风速 ,分别为 10m/s和 14m/s。外围叶片段升阻比随气流攻角的变化曲线如图 3.2所示 ,图中的关键气动参数见表 3.1。 图3.2外围叶片段升阻比曲线表3.1外围叶片段气动参数 测试风速 /(m/s) 最大升阻比 最佳攻角 /(°) 10 7.42 6 14 8.65 4 从图 3.2可以看出 ,随着气流攻角的增大 ,外围叶片段升阻比呈现先增大后减小的变化形式 ,最大升阻比对应的气流攻角为最佳攻角。当气流攻角超过最佳攻角时 ,叶片进入失速阶段。在风速为 14m/s的条件下 ,外围叶片段的最大升阻比为 8.65,对应的最佳攻角为 4°。当风速为 10m/s时,叶片段的最大升阻比为 7.42,最佳攻角为 6°。基于上述数据 ,设定外围叶片段最佳攻角为 5°。叶片初始桨距角的设定保证气流在额定工况下具有该最佳攻角 ,以保证外围叶片段具有较高的升阻比。参考图 3.1,额定工况下,气流的相对风速角 φ设定为 20°,叶片初始桨距角 β为相对风速角与最佳攻角的差值 ,设定为 15°。风洞实验中 ,相对风速 w为风洞的测试风速。通过叶片根部桨距角调节机构 ,调节气流的攻角 α。参考图 3.1,叶片功率调节实验在给定相对风速 w和相对风速角 φ条件下 ,测量叶片折叠角对外围叶片段旋转力矩和气流推力的影响。叶片旋转启动和刹车实验分别在给定轴向风速 v和叶片折叠角条件下 ,测量外围叶片段旋转力矩和气流推力在叶片旋转加速和减速过程中的变化 ,其中 ,相对风速 w和相对风速角 φ由叶片的旋转切向速度 u和轴向风速 v决定。 3.2.3功率调节性能实验参考图 3.1,假定来流风速 v超过额定风速 ,叶片仍以额定转速旋转 ,气流的相对风速 w和相对风速角 φ均超过额定值。在该条件下 ,通过叶片折叠 ,减小外围叶片段的气流攻角 ,调节叶片的气动载荷。实验测量不同折叠角条件下 ,外围叶片段的旋转力矩和气流推力。作为对比研究 ,同时开展叶片的变桨测试 ,获取不同桨距角条件下外围叶片段的旋转力矩与气流推力,对比外围叶片段折叠与变桨在气动载荷调节方面的效果。在叶片功率调节过程中 ,气流相对风速角 φ和相对风速 w均超过额定值。参考 3.2.2节,额定状态下气流相对风速角为 20°,在功率调节实验中 ,设定相对风速角 φ增大为 27.5°。参考图 3.1,叶片初始桨距角 β设定为 15°,因此实验中气流攻角 α设定为 12.5°。相对风速 w设定为恒定值 14m/s。风洞实验以相对风速 w设定实验风速 ,通过叶片根部桨距角调节机构 ,设定气流相对叶片的初始攻角为 α,功率调节实验初始条件如图 3.3所示。实验对比外围叶片段折叠和变桨两种方式对叶片气动载荷的影响。其中 ,叶片折叠角调节范围为 0°~35°,变桨角调节范围为 0°~17.5°,叶片折叠角调节和桨距角调节过程如图 3.4所示。表3.2为功率调节实验的参数表。风洞实验数据采集与处理方法如 3.2.1节所述 ,实验获取外围叶片段在不同折叠角和桨距角条件下的载荷 TD ,TL ,FD和FL。根据图 3.3中 的参数 ,以及式 (3-2)~式(3-5),计算外围叶片段在不同工况下的旋转力矩因子 CQ和气流推力因子 CF。 图3.3功率调节实验初始条件设置 图3.4外围叶片段折叠与变桨示意图 (a)外围叶片段折叠 ;(b)叶片变桨 表3.2功率调节实验参数表 外围叶片段调节方式 变桨角 折叠角 相对风速 折叠调节 0°~17.5° ,间隔 2.5° 0° 14m/s 变桨调节 0° 0°~35° ,间隔 2.5° 14m/s 外围叶片段 CQ随叶片折叠角和变桨角的变化曲线如图 3.5(a)所示。从图 3.5(a)可以看出 ,在叶片折叠过程中 ,CQ首先随折叠角增大而升高 ,达最大值后逐渐减小。对于叶片变桨调节 ,旋转力矩因子具有相同的变化形式。当折叠角为 22.5°、变桨角为 12.5°时,外围叶片段旋转力矩在经历了增大变化后 ,降低为初始时刻的状态。实验假定叶片进行功率调节时的气流攻角为 12.5°,远大于最佳攻角 5°,叶片处于失速状态。如外围叶片段升阻比曲线图 3.2所示 ,在攻角为 12.5°的情况下进行叶片折叠调节 ,气流攻角逐渐减小 ,叶片升阻比首先升高至最大值 ,而后降低 ,因此 CQ出现先增大后降低的变化形式。当折叠角超过 22.5°时,外围叶片段旋转力矩低于初始状态 ,叶片开始具备降低输出功率的效果。对于叶片变桨调节 ,当变桨角大于 12.5°时,叶片实现输出功率的降低。在叶片折叠角为 30°、变桨角为 15°的条件下 ,外围叶片段 CQ接近于 0,表明在该条件下外围叶片段停止输出功率。在变桨角为 15°的情况下 ,叶片表面气流攻角为 -2.5°。参考图3.2,在该攻角下 ,气流难以产生气动升力 ,因此 ,叶片输出的旋转力矩处于非常低的水平。需要注意的是 ,风洞实验假定了叶片处于深度失速状态 , 连续变桨将使叶片的旋转力矩经历短暂的增大过程。而真实情况中 ,一旦气流攻角超出一定范围 ,叶片即开始主动变桨 ,保证旋转力矩连续下降。从 CQ随折叠角的变化可看出 ,外围叶片段折叠实现了有效的旋转力矩调节。相比叶片变桨方式 ,其调节灵敏度更低。由于折叠变桨叶片采用折叠和变桨耦合的方式调节叶片桨距角 ,其桨距角调节的灵敏程度低于变桨方式。图3.5(b)为外围叶片段气流推力因子 CF的变化曲线。随叶片折叠角增大,CF连续减小。这是由于在叶片折叠过程中 ,外围叶片段表面气流的攻角不断减小 ,气动阻力显著下降。对于叶片变桨调节 ,外围叶片段的气流推力具有相同的变化趋势。与旋转力矩相同 ,折叠变桨叶片的气流推力调节 灵敏程度低于变桨叶片。 图3.功率调节实验外围叶片段气动参数变化曲线 5 (a)旋转力矩因子 CQ曲线 ;(b)气流推力因子 CF曲线 3.2.4启动性能实验本节实验将测试叶片在静止状态下受气流作用的旋转启动过程。以额定工况参数为基准 ,设定叶片初始桨距角。叶片在加速旋转过程中 ,保持折叠角恒定。实验测量了外围叶片段气动载荷随叶片旋转切向速度的变化曲线,对比不同折叠角情况下载荷变化的区别。与功率调节性能实验不同 ,旋转启动实验研究了叶片加速旋转的连续过程 ,将叶片旋转启动过程进行时域上的离散 ,提取若干离散时刻的气流参数 ,以离散时刻气流的相对风速和相对风速角作为风洞实验的参数 ,开展风洞实验。基于各离散时刻风洞实验的结果 ,描述叶片在启动过程中载荷连续变化的过程。参考图 3.1,风洞实验假定来流风速 v恒定为 10m/s,根据 3.2.2节的分析结果 ,叶片初始桨距角设定为 15°。叶片旋转启动的初始时刻 ,旋转切向速度 u为0,气流攻角 α为75°。随着叶片旋转切向速度 u的增大 ,相对风速 w增大 ,而相对风速角 φ和气流攻角 α逐渐减小。风洞实验初始时刻参数和气流参数在叶片旋转加速过程中的变化如图 3.6所示。由于叶片加速旋转过程为时域上连续的过程 ,对该过程进行离散 ,分析离散时刻的旋转切向速度 u,相对风速 w和气流攻角 α。以离散时刻相对风速 w设定实验风速 ,调整叶片根部桨距角的调节机构 ,保证风洞测试段的气流相对叶片的攻角为离散时刻攻角 α。叶片折叠角的研究范围为 35°~55角度增量为 5°。针对各折叠角叶片 ,开展离散时刻的风洞实验 ,利用离散时刻的实验数据,表征外围叶片段在加速旋转过程中的载荷变化。风洞实验相对风速 w和气流攻角 α的变化过程如图 3.7所示 ,各离散时刻气流参数和叶片折叠角参数见表 3.3。风洞实验数据采集方法如 3.2.1节所述。风洞实验获取外围叶片所受作用力 FL ,FD和力矩 TL ,TD ,参考图 3.6和表 3.3的参数 ,利用式 (3-2)~式(3-5)计算外围叶片段的旋转力矩因子 CQ和气流推力因子CF。外围叶片段旋转力矩因子 CQ的变化曲线如图 3.8(a)所示 ,气流推力因子 CF的变化曲线如图 3.8(b)所示。从图 3.8(a)中可以看出 ,对所有折叠角情况 ,随旋转速度升高 ,外围叶片段旋转力矩因子降低。参考图 3.7和图3.1,随着转速增大 ,气流相对风速角 φ逐渐减小 ,FL在风轮旋转面内的分量逐渐减小 ,因此 ,叶片的旋转力矩逐渐降低。对比不同折叠角叶片的 ,° CQ曲线 ,在叶片旋转的初始时刻 ,折叠角为 45°和 50°情况下 ,外围叶片段所受的旋转力矩最大。参考图 3.2,随气流攻角减小 ,外围叶片段升阻比呈 图3.6旋转启动实验初始条件设置 图3.7旋转启动实验风速变化示意图 现先增大后减小的形式。在折叠角为 35°的情况下 ,叶片旋转的初始时刻 ,外围叶片段表面气流攻角大于失速攻角 ,叶片升阻比较低 ,叶片承受的旋转力矩较小。随着折叠角增大 ,气流攻角逐渐减小。在折叠角为 45°~50°时,气流攻角接近最佳攻角 ,叶片呈现最佳升阻比 ,气动旋转力矩出现最大值。当折叠角进一步增大 ,气流攻角继续减小 ,叶片升阻比降低 ,因此当折叠角为55°时,外围叶片段所受旋转力矩有所降低。从图 3.8(b)可以看出 ,随着折叠角增大 ,外围叶片段的气流推力显著减小。这是由于叶片折叠有效减小了气流攻角 ,使得作用在外围叶片段所受的作用力 FD降低。在叶片加 速旋转过程中 ,外围叶片段旋转力矩因子 CQ和气流推力因子 CF均不断降低。当折叠角为 55°、外围叶片段在旋转初始时刻和旋转切向速度为 5.8m/s时,CF分别为 1.1和 0.47,相比其他折叠角情况 ,为最小值。而 CQ分别为 0.71和0.37,说明外围叶片段具有良好的旋转力矩。通过实验数据分析可知 ,折叠变桨叶片旋转启动过程的最佳折叠角为 55°。 表3.3旋转启动实验参数表 折叠角 /(°) 叶片旋转切向速度 /(m/s) 相对风速 /(m/s) 气流攻角 /(°) 35,40,50,55 0.0 10.0 75 35,40,50,55 0.9 10.0 70 35,40,50,55 1.8 10.2 65 35,40,50,55 2.7 10.4 60 35,40,50,55 4.7 11.0 50 35,40,50,55 5.8 11.6 45 3.2.5气动刹车性能实验 本节实验将测试叶片由初始旋转状态通过叶片折叠降低旋转速度的过 程。在气动刹车过程中 ,叶片具有较大的折叠角 ,外围叶片段气流呈现负攻 角状态 ,作用在外围叶片段的旋转力矩为制动力矩。在风洞实验中 ,保持叶 片折叠角恒定 ,测量外围叶片段气动载荷在叶片转速降低过程中的变化曲 线。与旋转启动实验相同 ,叶片气动刹车过程为时域上连续的过程 ,对该连 续过程进行离散 ,获取各离散时刻气流的相对风速和相对风速角等参数。 基于各离散时刻的气流参数开展风洞实验 ,以离散时刻风洞实验的结果描 述外围叶片段在刹车过程中气动载荷的连续变化。 风洞实验假定来流风速 v恒定为 10m/s,在气动刹车的初始时刻 ,叶片的旋转切向速度 u设定为 10m/s。参考图 3.1,气流的相对风速角 φ为 45°,相对风速为 14.1m/s。基于 3.2.2节的结果 ,叶片初始桨距角设定为 15°,因此气动刹车初始时刻气流的攻角 α为30°。随着叶片转速的降低 ,叶片旋转切向速度 u和相对风速 w逐渐减小 ,而气流的相对风速角 φ和攻角 α逐渐增大。风洞实验初始状态参数和气流参数在刹车过程中的变化如图3.9所示。由气动刹车的初始时刻起 ,提取若干离散时刻 ,分析各离散时刻叶片的旋转切向速度 u,气流的相对风速 w,相对风速角 φ和攻角 α。针对每一离散时刻开展叶片的风洞实验 ,以相对风速 w设定实验风速 ,调整