技术领域
[0001] 本
发明属于
空气动力学试验技术领域，尤其涉及一种
风力机整机空气动力测定系统及方法。
背景技术
[0002] 目前，由于面临着三维旋转流场和复杂的非定常
空气动力学现象，
叶片或风轮的空气动力学性能评估技术难度极大。因此在整机或风轮风洞试验的
支撑下进行风力机空气动力性能评估成为一种重要的技术手段。
[0003] 对于风力机设计和研究人员而言，主要风力机整机空气动力测定系统应具备以下能力：(1)机组性能测试，试验内容包括起动风速、起动力矩、调向性能、额定状态试验、
偏航试验、调速特性、空载
电压特性、功率输出特性等项目；(2)风轮空气动力特性试验，试验内容包括
风能利用系数(风轮
扭矩)、推力系数、偏航力矩、叶片
载荷、叶片表面压力分布、桨距
角影响规律等项目，从测试要求来说包括静态和动态试验；(3)风力机空气动力学
基础研究，试验内容包括绕流场结构(叶尖涡系、中间涡系、叶素绕流结构等)、多台风力机的尾流干扰、整机动态特性等。目前国内仅少数平台能够开展部分试验项目，除本发明外尚无具备完整试验能力的整机空气动力试验平台。
[0004] 现有的风力机整机空气动力测试技术是这样的：(1)洞壁或射流边界影响修正方面，闭口试验段阻塞度高于10％，一般采用Maskell、ε-max等修正方法，修正效果不好；(2)测力技术方面，一般只能测量风轮扭矩和风轮推力，且两者不能同时测量，不能测量偏航力矩、弯矩等；(3)不具备旋转叶片压力测量技术；(4)流场结构试验技术方面，一般采用小视场PIV试验，流场数据分散，不具备大范围流场高效测试能力，不能基于试验数据建立大尺度连续流场；(5)一般在试验段入口设置尖劈和粗糙元以模拟
湍流大气
边界层，在湍流模拟方面有以下缺点：对低频湍流的模拟不足；湍流强度随高度和距离衰减过快；湍流积分尺度只能模拟到实际的1/500～1/300。不能开展整机动态特性试验，只能在均匀流或静态大气边界层条件下进行尾流干扰试验。
[0006] (1)平台试验能力不足，能实施的试验种类或项目有限，不能开展系统的试验研究，不能满足研发的需求；
[0007] (2)阻塞度偏高，洞壁干扰难以进行可靠的修正；
[0008] (3)只能测量个别气动力分量，或需要专
门安排条次分别测量单个气动力分量，试验效率低；
[0009] (4)不具备旋转叶片测压能力；
[0010] (5)不具备大范围流场结构试验能力；
[0011] (6)不具备大气边界层动态特性模拟能力，不能开展整机动态特性试验，只能在均匀流或静态大气边界层条件下进行尾流干扰试验。
[0012] 解决上述技术问题的难度：
[0013] (1)要使测试系统具备较完整的空气动力试验能力，必须发展多个子系统，每个子系统都有关键技术问题需要解决，还必须从安装条件、供电、数据传输和采集等方面实现多系统协调。
[0014] (2)降低洞壁干扰的影响，一方面要尽量降低阻塞度，同时还比必须发展可靠的修正技术。
[0015] (3)要实现多个气动力分量高效测量，需发展多天平测力技术，而这意味着必须解耦，还要协调多天平的安装要求。
[0016] (4)发展旋转叶片压力测量技术，必须解决
旋转机械的多通道压力传递、高频
信号衰减、数据传输等技术难题。
[0017] (5)发展大范围流场结构试验能力，需要研制大范围移测装置，从
数据处理技术角度须具备图像拼接能力。
[0018] (6)一般大气边界层模拟主要使用静态尖劈和粗糙元组合，需根据风力机及所处大气边界层特点，解决漩涡尺度较小、湍流度衰减过快等问题。
[0019] 解决上述技术问题的意义：
[0020] (1)使国内的风力机空气动力学研究手段得以完整，有利于学科和相关设计、评估技术的快速健康发展。
[0021] (2)能够直接为国内企业提供某些风力机整机和部件产品检测、评估和鉴定服务。
[0022] (3)多项技术能够用于建设不同规格的实验平台，为建设风力机技术标准体系和全国性的风力机性能鉴定评估体系提供了有力支撑。
发明内容
[0023] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风力机整机空气动力测定系统及方法。本发明中风力机整机空气动力测定系统具备完善的风力机整机空气动力试验功能；具备壁压信息测量系统及改进的阻塞修正技术；采用了多天平测力技术；采用了静/动态测压试验技术；配置大视场PIV和三维移测机构；采用主动控制的大气边界层模拟系统。
[0024] 本发明是这样实现的，一种风力机整机空气动力测定系统，所述的风力机整机空气动力测定系统设置有：
[0025] 压力测量系统，提供压力分布测试能力，模型上游及旁边安装的大范围移测装置和PIV系统提供流场结构测试能力；
[0026] 偏航控制系统，调节风力机的正对来流、轴线与风洞轴线平行的正迎风状态；
[0027] 速压控制系统，调节风力机的旋转速度；
[0028] 天平测力系统，提供载荷测试能力，实现叶片载荷、风轮推力、风轮扭矩、机头综合载荷的测量；
[0029] 壁压信息系统，提供修正因子对风速、尖速比、气动力系数、
风能利用系数、压力系数等进行修正，然后综合进行相关性分析和综合分析，就能够得到全面、可靠的风力机整机空气动力综合性能。
[0030] 进一步，所述压力测量系统包括：测量叶片根部的载荷的第一测力单元、测量叶片根部的载荷的第二测力单元、测量扭矩的第三测力单元、测量风轮推力的第四测力单元、测量机头整体气动力的第五测力单元；
[0033] 天平测力系统包括：整流罩、
轴承座、滑环引电器、弹性
联轴器、高转速发电机、整流罩、回转体、塔柱、
钢丝绳；
[0034] 壁压信息系统包括：风洞顶壁和两
侧壁的壁压条。
[0035] 进一步，所述调矩法兰盘通过
螺栓与风轮叶片根部连接，调矩法兰盘通过螺栓与机头连接；
[0036] 风轮叶片根部连接有第一测力单元和第二测力单元，第一测力单元和第二测力单元采用厚度0.75mm，直径低于7mm的薄片式压力
传感器；薄片式
压力传感器通过专用胶
水粘接固定在叶片预留压槽；压槽
位置预留焊线接头；压力
信号传输线缆预先铺设在内部或叶片表面；机头端部通过螺栓与整流罩连接。
[0037] 进一步，所述机头中的转动轴通过轴承与轴承座连接，转动轴通过螺栓固定有滑环引电器，转动轴上粘贴有第三测力单元中的压力传感器；转动轴通过弹性联轴器与高转速发电机
输出轴连接。
[0038] 进一步，所述轴承座底部设置有第四测力单元，第四测力单元和高转速发电机通过螺栓固定在第一
固定板上，固定板上通过螺栓固定有整流罩；
[0039] 第一固定板下端设置有第五测力单元，第五测力单元通过螺栓固定在第二固定板上；
[0040] 第二固定板下端通过螺栓固定有回转体，回转体通过轴承与塔柱连接，塔柱下端通过卡环固定有
钢丝绳。
[0041] 进一步，所述高转速发电机附近按照要求安装有大范围移测装置及PIV系统装置；在移测装置相应的滑
块之上安装有
激光器、
云台、相机根据所要测量的流场位置；试验图像和数据接入专用计算机进行保存、处理、分析。
[0042] 进一步，所述壁压信息系统中的风洞顶壁和两侧壁的壁压条；测压条长度与试验段长度相当，顶部测压条位于顶壁中间位置，侧壁测压条高度与风力机轴线高度一致；壁压条感受的壁面压力传输到风洞计算机进行处理。
[0043] 本发明的另一目的在于提供一种运行所述风力机整机空气动力测定系统的风力机整机空气动力测定方法，所述风力机整机空气动力测定方法通过压力测量系统提供压力分布测试能力，模型上游及旁边安装的大范围移测装置和PIV系统提供流场结构测试能力；其中叶片内部埋设测量线缆，叶片表面埋设动态压力传感器；传感器供电经滑环引电器完成，压力信号经滑环传输至风洞压力测量系统进行保存、处理、分析；通道数不足时，由桨毂内设置的无线发射器传输；通过偏航控制系统调节风力机的正对来流、轴线与风洞轴线平行的正迎风状态；通过速压控制系统：调节风力机的旋转速度；通过天平测力系统提供载荷测试能力，实现叶片载荷、风轮推力、风轮扭矩、机头综合载荷的测量；通过壁压信息系统：
提供修正因子对风速、尖速比、气动力系数、风能利用系数、压力系数进行修正，然后综合进行相关性分析和综合分析。
[0044] 本发明的另一目的在于提供一种所述风力机整机空气动力测定系统在风力机空气动力学中的应用。
[0045] 本发明的另一目的在于提供一种所述风力机整机空气动力测定系统在空气动力学试验中的应用。
[0046] 综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明具备完善的风力机整机空气动力试验功能，能够满足风力机整机空气动力特性检测、设计方案性能评估、风力机整机空气动力学科学研究的需求；具备壁压信息测量系统及改进的阻塞修正技术；采用了多天平测力技术，具备风力机整机及部件测力能力；采用了静/动态测压试验技术，具备测量旋转叶片静/动态压力分布的能力；配置大视场PIV和三维移测机构，具备风力机整机流场结构显示分析试验能力；采用主动控制的大气边界层模拟系统，实现了400m高度范围大气边界层内风特性的动态模拟；具备风力机整机动态试验能力、风
电场风力机群布局研究能力；具备滑环/无线数据传输能力。
[0047] 本发明通过多种技术手段得到丰富的物理参数，基于对试验数据的相关性和综合分析，能够得到可靠的整机空气动力学综合性能。
[0048] 上述产生的技术效果已有实例和实验数据证实：
[0049] 美国国家
可再生能源实验室(NREL)在UAE PHASE VI的风力机被广泛用于试验平台校核和数理模型验证。本发明利用UAE风力机的缩比模型对测力平台进行了实验验证。模型缩尺比为1/2，风洞试验时通过调节风速和尖速比能够减少甚至消除风力机模型与UAE风力机
原型的
雷诺数差别(实验风速提高1倍、转速提高到4倍时，以
翼型弦长为特征长度的实验雷诺数与NREL风洞实验相同)，所以验证实验数据与NREL的数据具有较好的可比性。由于公开的UAE Phase VI整机风洞试验数据有限，仅对风能利用系数和低速轴扭矩与NREL的数据进行了比较。图中曲线表明，利用本发明所述测试系统得到的结果与NREL的结果符合较好，这从很大程度上说明该测试系统具有较高的可靠性。
[0050] 图4和图5为7m/s、144rpm时，UAE风力机的1/2缩尺模型的叶片长度方向r/R＝30％、63％位置处的截面压力分布测试结果，数据表明两种来源的整体表面压力分布规律和量值都很接近，仅在前缘附近的压力数据差别相对较大，这应是前缘
曲率较大导致测点位置相对误差较大的原因。由于对应的雷诺数仅比UAE Phase VI小1/2，该结果能证明叶片测压技术的可靠性。
附图说明
[0051] 图1是本发明
实施例提供的风力机整机空气动力测定系统结构示意图；
[0052] 图2是本发明实施例提供的多天平测力方案原理示意图。
[0053] 图3是本发明实施例提供的与NREL数据的比较示意图。
[0054] 图4是本发明实施例提供的7m/s、144rpm时，UAE风力机的1/2缩尺模型的叶片长度方向r/R＝30％位置处的截面压力分布测试结果示意图
[0055] 图5是本发明实施例提供的7m/s、144rpm时，UAE风力机的1/2缩尺模型的叶片长度方向r/R＝63％位置处的截面压力分布测试结果示意图。
[0056] 图中：1、整流罩；2、第一测力单元；3、轴承座；4、滑环引电器；5、第三测力单元；6、弹性联轴器；7、高转速发电机；8、整流罩；9、第五测力单元；10、回转体；11、塔柱；12、第四测力单元；13、第二测力单元；14、调矩法兰盘；15、钢丝绳。
具体实施方式
[0057] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058] 本发明中风力机整机空气动力测定系统具备完善的风力机整机空气动力试验功能；具备壁压信息测量系统及改进的阻塞修正技术；采用了多天平测力技术；采用了静/动态测压试验技术；配置大视场PIV和三维移测机构；采用主动控制的大气边界层模拟系统。
[0059] 下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
[0060] 如图1-图2所示，本发明实施例提供的风力机整机空气动力测定系统设置有压力测量系统、偏航控制系统、速压控制系统、天平测力系统、壁压信息系统。
[0061] 压力测量系统包括：第一测力单元2、第二测力单元13、第三测力单元5、第四测力单元12、第五测力单元9；
[0062] 偏航控制系统包括：调矩法兰盘14；
[0063] 速压控制系统包括：高转速发电机7；
[0064] 天平测力系统包括：整流罩1、轴承座3、滑环引电器4、弹性联轴器6、高转速发电机7、整流罩8、回转体10、塔柱11、钢丝绳15；
[0065] 壁压信息系统包括：风洞顶壁和两侧壁的壁压条；
[0066] 压力测量系统：提供压力分布测试能力，模型上游及旁边安装的大范围移测装置和PIV系统提供流场结构测试能力；
[0067] 偏航控制系统：调节风力机的正对来流、轴线与风洞轴线平行的正迎风状态；
[0068] 速压控制系统：调节风力机的旋转速度；
[0069] 天平测力系统：提供载荷测试能力，实现叶片载荷、风轮推力、风轮扭矩、机头综合载荷的测量；
[0070] 壁压信息系统：提供修正因子对风速、尖速比、气动力系数、风能利用系数、压力系数等进行修正，然后综合进行相关性分析和综合分析，就能够得到全面、可靠的风力机整机空气动力综合性能。
[0071] 第一测力单元2和第二测力单元13，风轮叶片根部与平台第一测力单元和
[0072] 第二测力单元联接，测量叶片根部的载荷；
[0073] 第三测力单元5，测量扭矩；
[0074] 第四测力单元12，测量风轮推力；
[0075] 第五测力单元9，测量机头整体气动力。
[0076] 风轮叶片根部通过螺栓与调矩法兰盘14连接，调矩法兰盘14通过螺栓与机头连接。
[0077] 风轮叶片根部连接有第一测力单元2和第二测力单元13，第一测力单元2和第二测力单元13采用厚度0.75mm，直径低于7mm的薄片式压力传感器；薄片式压力传感器通过专用胶水粘接固定在叶片预留压槽；压槽位置预留焊线接头；压力信号传输线缆预先铺设在内部或叶片表面；机头端部通过螺栓与整流罩1连接。
[0078] 机头中的转动轴通过轴承与轴承座3连接，转动轴通过螺栓固定有滑环引电器4，转动轴上粘贴有第三测力单元5中的压力传感器；转动轴通过弹性联轴器6与高转速发电机7输出轴连接。
[0079] 轴承座3底部设置有第四测力单元12，第四测力单元12和高转速发电机7通过螺栓固定在第一固定板上，固定板上通过螺栓固定有整流罩8。
[0080] 第一固定板下端设置有第五测力单元9，第五测力单元9通过螺栓固定在第二固定板上。
[0081] 第二固定板下端通过螺栓固定有回转体10，回转体10通过轴承与塔柱11连接，塔柱11下端通过卡环固定有钢丝绳15。
[0082] 下面结构具体的实施例对本发明的结构作进一步的描述。
[0083] 实施例1
[0084] (1)多天平测力技术
[0085] 多天平测力方案如图1和图2所示，最多可同时用5台天平分别测量叶片根部载荷、风轮推力和扭矩、平台之上所有部件的合力。
[0086] 图中第一测力单元和第二测力单元(叶根天平)是两个六分量应变天平，叶根天平旋转时承受并测量叶片的挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩，同时还要承受较大的
离心力和重力，因此设计时考虑了足够的强度和
刚度。根据风轮径向分量量程和叶片重量可以推算风轮转速的上限。
[0087] 第三测力单元为扭矩天平。图中所示的滑环引电器有120个通道，弹片与环状接头之间的
摩擦力所产生的力矩可通过地面变转速测试进行标定，并据其对扭矩结果进行修正。滑环通道不足时，可通过无线数据传输方式补充。
[0088] 第四测力单元(推力天平)可以测量整个风轮除扭矩之外的其他五个分量，由于使用了弹性联轴器进行解耦，可以保证顺轴向推力测量的准确性。
[0089] (2)旋转叶片压力分布测量技术
[0090] 测量风轮旋转时的叶片表面压力分布对风力机三维流动特性研究有重要的意义。一般测量表面压力采用的“测压孔+测压管路+静/动态传感器”的方法有两个难点，一是进行离心力修正很复杂，二是管路传递的动态压力信号引进传感器很困难：为了避免信号在管路内衰减或畸变，管路长度不能过长，因此测量距离
轮毂较远位置的压力信号时，传感器必须埋设在叶片内部，这不仅造成制作困难，也难以进行测试系统的精确检测，一些传感器还容易报废。
[0091] 在叶片表面安装薄片式压力传感器(厚度0.75mm，直径低于7mm)的方案。制作叶片时，在选取的测点位置预留压槽，便于保证安装传感器后的截面翼型形状。压力传感器使用专用胶水粘接固定并用开孔
胶带使表面光滑。将压力信号传输线缆预先铺设在内部或叶片表面，并保证叶片有足够的强度、叶片外形不发生变化，在压槽位置预留焊线接头。所有测压通道的线缆汇集到桨根，接入数采和传输系统。使用动态信号分析仪进行信号监测和处理。
[0092] 此方案优点是：传感器与测点位置吻合，不经管路传递直接将压力信号转换为
电信号，避免了复杂的离心力修正；每个传感器的线路可单独检查或更换，系统检测方便；传感器响应速度快，并且传感器可拆卸反复使用，可用较少的传感器测得多个测点的压力。
[0093] (3)洞壁干扰影响修正技术
[0094] 该技术主要包括3个内容：
[0095] a、根据试验段尺寸确定风力机模型尺寸，一般风轮扫掠面积与闭口试验段截面积的比值不高于10％；
[0096] b、采用微压传感器测量壁压(量程100～600Pa)，提高了壁压信息原始数据精准度，在低速压条件下的改善效果尤其明显；
[0097] c、传统的壁压信息法将镜像系布置在真实洞壁上，新的
算法中将镜像系布置在洞壁以外的位置，计算镜像系奇点在真实洞壁上的诱导速度时，避免了奇点附近的诱导速度处理，减小了数学处理难度，计算效率和准确度都比传统方法更高。
[0098] (4)大范围流场结构测试技术
[0099] 该技术主要包括3个内容：
[0100] a、采用大视场PIV，单
帧最大视场800mm×533mm；
[0101] b、采用克里金插值算法实现了图像拼接，突破PIV装置的视场限制；
[0102] c、研制
丝杠、滑块结构的大范围移测装置，多滑块承载激光器、云台和
照相机等设备，实现高效移测。
[0103] (5)大气边界层动态特性模拟技术
[0104] 一套通过机械能注入增强紊流
能量的模拟装置，即大气边界层主动模拟装置。用电机带动尖劈做周期性运动向来流补充湍流
动能，特别是低频的湍流能量，产生较大和较稳定的湍流强度、积分尺度，以满足大型风力机自然来流模拟的要求。其中湍流
频率由电机转速控制，湍流尺度通过尖劈宽度(可附加不同横向宽度的
挡板改变)调节，尖劈高度调节范围4～4.5m。
[0105] 由风洞动力系统提供来流，由风洞速压系统控制来流参数。一般情况下风洞提供均匀来流条件，在试验段入口安装大气边界层主动模拟装置时，即向风力机提供大气边界层动态来流条件。
[0106] 实施例2
[0107] 高转速发电机附近按照要求安装有大范围移测装置及PIV系统装置；在移测装置相应的滑块之上安装有激光器、云台、相机根据所要测量的流场位置。试验图像和数据接入专用计算机进行保存、处理、分析。
[0108] 实施例3
[0109] 壁压信息系统中的风洞顶壁和两侧壁的壁压条。测压条长度与试验段长度相当，顶部测压条位于顶壁中间位置，侧壁测压条高度与风力机轴线高度一致。壁压条感受的壁面压力传输到风洞计算机进行处理。
[0110] 本发明的工作原理为：通过压力测量系统提供压力分布测试能力，模型上游及旁边安装的大范围移测装置和PIV系统提供流场结构测试能力；其中叶片内部埋设测量线缆，叶片表面埋设动态压力传感器。传感器供电经滑环引电器完成，压力信号经滑环传输至风洞压力测量系统进行保存、处理、分析。通道数不足时，可由桨毂内设置的无线发射器传输。通过偏航控制系统调节风力机的正对来流、轴线与风洞轴线平行的正迎风状态。通过速压控制系统：调节风力机的旋转速度；通过天平测力系统提供载荷测试能力，实现叶片载荷、风轮推力、风轮扭矩、机头综合载荷的测量；通过壁压信息系统：提供修正因子对风速、尖速比、气动力系数、风能利用系数、压力系数等进行修正，然后综合进行相关性分析和综合分析，就能够得到全面、可靠的风力机整机空气动力综合性能。
[0111] 本发明对测力、测压、流场分析数据分别进行处理，并根据壁压信息系统提供的修正因子对风速、尖速比、气动力系数、风能利用系数、压力系数等进行修正，然后综合进行相关性分析和综合分析，就能够得到全面、可靠的风力机整机空气动力综合性能。
[0112] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
