风电叶片及翼型安装涡流发生器气动特性实验研究

发布时间：2016-11-09 16:40

2015年,我国累计风电装机中,1.5M以的风电机组依然处于主导地位,占总装机容量同比下降约5个百分点;2MW的风电机组市场份额上升至28%,同比上升约6个百分点。为配合我国低风速地区风能资源的开发,其制造企业纷纷研制低风速型风电机组,使得低风速地区同样实现了风电开发价值。如2013年9月,联合动为1.5兆瓦97米风轮直径的超低风速风电机组并网发电。2014年,远景能源在1.5兆瓦93米风轮直径机组的基础上,推出了1.8兆瓦106米风轮直径的机组。总之,随着风电事业的大力发展,风电机组向大型化发展。风轮吸收风能的大小与其扫掠面积成正比,单机容量增加必然要求叶片长度增加。叶片的长度增加导致了叶片材料及工艺、结构、疲劳、专用翼型、气动噪声等一系列技术问题的出现。较早的风电叶片由于气动特性的考虑多选用较薄的翼型。如图1-2所示,当遭遇台风时,风电机组受到较大的强度和载荷,叶片断裂的可能性很太。为了増强叶片的结构强度,在大型风电叶片的根部选用大厚度的翼型逐渐成为一种趋势。

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2湍流发生器的流动控制原理

2.1边界层的概念

层流边界层不稳定,一般在速度较低的条件下得以维持,当速度增加或者受到扰动时流体的流动失去稳定性,由层流流态转变为瑞流,这一过程称为边界层的转披。对于翼型而言,其特征长度一般为翼型的弦长。雷诺数表征了翼型流动的惯性力和粘性力的比值,或者边界层内粘性作用的太小。实验表明,雷诺数越低,层流边界层越稳定;而雷诺数的增加会使层流失稳并转披成端流边界层。

2.2边界层分离的基本特性

由于粘性摩擦的作用,边界层内流体的能量逐渐耗散。对于逆压梯度区的流动而言,压力梯度的方向和流体运动的方向相反,最终使得翼型表面处的流体无法克服逆压梯度而反向流动,变为顺压流动从而出现回流、分离。在大多数情况下,一旦边界层出现逆向流动,整个边界层从的结构瓦解,流体从翼型表面分离,形成一个大的湍流尾流。边界层流动分离对翼型的气动特性有重要影响。由于分离流与外界自由流的接混作用,分离点以后流体的能量得到了补充,压力得以恢复。大范围的边界层分离将导致分离点以后直到尾缘部分的很大一部分翼型表面压力增加。一方面使得翼型上下表面的压力差降低,从而降低翼型的升力系数,导致失速现象,也就是说,翼型边界层的流动分离与升力系数的失速现象密切相关,包括上表面或者下表面部分或者完全分离;另一方面,导致翼型所受压差阻力骤然增加,从而大幅度増加翼型总的阻力。

3实验设备和实验方法.....15

3.1实验方法.....15
3.2风洞、实验模型与测量仪器介绍.....15
3.3风电机组实验相关设备.....18
4冀型实验研究结果.....25
4.1引言.....25
4.2实验重复性验证.....25
4.3实验方案.....27
5风电机组实验研究.....47
5.1引言.....47
5.2实验结果分析.....47
5.3小结......54

5风电机组实验研究

5.1引言

风电机组实验测试是最接近风电机组运行状态的一种实验方法,在风电机组上安装满流发生器能够直观的反映祸流发生器对风电机组的影响。在上一章中,研究了风电叶片专用大厚度翼型上,满流发生器的排列方式对翼型气动特性的影响。本章将以此为基础,研究安装祸流发生器的风电机组的功率特性。大型叶片的造价非常昂贵,在大型叶片上安装锅流发生器进行试验成本较高,风险极大。因此,在小型风电机组上进行祸流发生器的相关试验是一种简单易行的方式。本章将对在中国科学院工程热物理研究所100k以风电机狙开展的渦流发生器的实验进行研究。

5.2实验结果分析

根据IEC标准,测量的风速为轮穀高度处的风速。但是由于实验风电机组的高度较低,近地面揣流度较大。叶轮不同高度处风速差别较大。以2016年2月24日的测量结果为例,叶轮顶端、高度处和叶轮底端的风速如图5-1所示。可以看出,叶轮不同高度处的风速相差较大,采用轮穀高度的风速不能真实反映通过风轮的风能。由于风电机组系统原因,机舱角度与轮穀高度风向存在偏差。由图5-3可以看出,机舱风向标风向与来流风向存在一定的角度偏差。当风轮转速较低时,机舱风向标受风轮的影响,出现较大的波动。实验在2016年1月到2016年3月进行。绘出了满足功率特性测试标准的风电机组功率特性测试散点图。由图5-4可以看出,所测风电机组在同一轮毅高度处风速下,实测输出功率除个别风速点外,相差不大。

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6结论与展望

为了研究祸流发生器对风电叶片气动特性的影响,论文作者采用了表面压为测量方法通过风洞实验研究了祸流发生器对大厚度翼型CAS-2-350及CAS-2-400的影响。实验中分别测量了祸流发生器不同安装位置,高度,安装间距以及双列排布等状态下翼型气动数据。分析了祸流发生器对翼型升力系数、阻力系数、失速攻角和翼型表面压力等特性参数的影响。通过在工程热物理研究所自主设计的100k以风电叶片上安装祸流发生器,测量了风电机组的输出功率和功率系数。通过区间法对测试数据进行处理,得到了输出功率平均值与风速关系的散点图,对应标准空气密度的测量功率曲线图,对应标准空气密度的风电机组功率系数与风速的曲线图。依据功率曲线功率系数曲线对安装锅流发生器的风电机组性能进行了分析和评估。

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参考文献（略）

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本文编号：169298