4．5m 直径风力机模型气动实验方法

杨 华，徐浩然，沈文忠，刘 超，石亚丽

（1．扬州大学a．能源与动力工程学院；b．水利科学与工程学院，江苏 扬州225127；2．丹麦技术大学 风能系，丹麦 灵比2800）

随着水平轴风力机叶轮直径的增加，对风力机设计的可靠性和性能预测精度的要求越来越高．目前工程中常采用叶素动量法（blade element momentum，BEM）对水平轴风力机进行气动性能预测，其不确定度为10%～20%，动态载荷预测的不确定度约为30%［1］．而采用更为复杂的升力线升力面涡流理论、计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）等方法预测风力机气动性能，计算精度仍然不能满足工程实际要求［2－3］．国外曾有专门的研究机构对风力机气动性能预测精度进行评估［4］，表明三维几何和旋转效应、动态效应、偏航效应、失速效应、塔影效应等空气动力学现象是风力机气动性能预测误差的主要来源．为了进一步深入了解引起这些空气动力学问题的原因，验证和改善风力机空气动力学预测模型，国内外学者开展了大量的风力机空气动力学实验研究．我国贺德馨［5］1993年首次系统地利用风洞对风力机偏航特性和叶片三维流动进行综合研究，试验结果被国内外学者应用于风力机理论验证．此后，国内开展风力机实验研究的相关报道鲜见，直到21世纪国家加快了风能开发利用的步伐，关于风力机的实验研究才逐渐增多，主要报道内容［6－10］是测量静态翼型表面压力和旋转风轮的流场．国外学者自20世纪80年代末就开始了风力机实验研究，与国内相比，其研究内容已深入到非定常流场测试和风力机旋转叶片表面压力测量．国际能源组织（international energy agency，IEA）开展了2 个重要的大型风力机风洞实验：①2000 年，美国可再生能源实验室NREL 在世界上最大的NASA／Ames风洞实验室内开展了实验研究［11］；②MEXICO 实验［12］，该实验是IEA 对NREL风力机试验数据的补充．本文将详细介绍MEXICO 实验，并对其中的实验数据进行初步分析．

1 MEXICO 实验

MEXICO 实验旨在获得详细的风力机模型气动与载荷实验数据，从而验证和提高BEM 设计方法及CFD 理论计算的准确度．它是在欧盟委员会第五科研框架计划和荷兰经济事务部代理机构资助下，由荷兰国家能源研究中心（ECN）、荷兰国家空间实验室（NLR）、代尔伏特大学（DUT）、丹麦技术大学（DTU）、丹麦国家能源实验室（Risoe）等著名风能研究机构参与的大型科研项目，实验于2006年底完成［12］．

1．1 实验风洞与模型叶轮

MEXICO实验是在德国－荷兰风洞机构低速风洞中进行的，风洞测试断面尺寸为9．5m×9．5m．模型风轮为水平轴风力机，叶片数为3，风轮直径4．5m．叶片材质为铝，通过数控加工而成，实验风力机模型如图1 所示．叶片选用3种翼型，其中20%～45%的半径处为DU 91－W2－250翼 型，55%～65%的 半 径 处 为RISOE－A1－21 翼 型，70%～100%的半径处为NACA 64－418翼型，其余断面光滑过渡，轮毂直径为0．54m．风力机模型设有桨距调节机构，可以进行变桨距角试验研究．

1．2 叶片表面压力测试

为了对旋转叶片表面压力进行实验测量，分别在25%，35%，60%，82%，92%半径处的风力机叶片表面安装了微型动态压力传感器，每个断面上压力传感器数为25～28 个不等，传感器总数为148个．传感器与布置在叶片内部的印刷电路板相连，测试数据通过滑环传送到外部计算机．考虑到风力机3 只叶片的力学平衡和叶片内部空间问题，压力传感器分别布置在3只叶片上（叶片1的25%和35%半径处，叶片2的60%半径处，叶片3的82%和92%半径处），如图2所示．此外，在部分相同半径的位置上布置了2～3 个传感器用于检验压力测量的重复性，同时在每只叶片根部布置应变仪测量叶片的摆振和挥舞弯曲力矩．

试验采用的动态压力传感器有效采样频率可以达到1．5 kHz，当叶轮的旋转速度接近424．5r·min－1时，大约每隔1．7°可以采集1次压力数据，连续采样5s，叶轮旋转约35周，采集到的压力数据运用相平均方法计算各个位置处的叶片表面压力．

图1 MEXICO 实验风力机模型Fig．1 The wind turbine model of MEXICO

图2 叶片表面压力传感器布置与PIV测量位置Fig．2 Coordinate system of blades and position of PIV sheets

1．3 三维流场测量

MEXICO 实验采用三维粒子图像速度场仪（PIV）进行流场测量．2台照相机同时拍摄待测区域，经几何重建得到三维流场．测量平面始终位于270°方位角处，如图2所示．每一幅流场由多幅图像平均而成，为了使流场测量时叶片处于相同位置，在叶片1上安装了位置传感器，当该叶片旋转到0°时传感器发出1个脉冲，通过软件设定图像采集的延迟时间，可以获得叶片处于不同位置时的流场．每个测量区域面积约为337mm×394mm，通过对测试断面进行分区测量，可以获得较大的流场测量区域．

2 主要实验结果与分析

MEXICO 实验针对不同的叶尖速比、叶片安装角、偏航角以及一些动态工况进行了流场和压力的实验测量，其中前面的257个工况仅进行动态压力测量，测量工况如表1所示，后面的687个工况进行流场和压力的联合测量，如表2所示，共测量了944个工况，总的风洞测试时间约为50h，获得容量约100Gb的数据．

表1 压力测量工况（257个工况点）Tab．1 Pressure measurements（257operation points）

表2 PIV和叶片表面动态压力联合测量工况（687个工况点）Tab．2 PIV and dynamic pressure measurements（687operation points）

2．1 压力测量结果

根据叶片上微型动态压力传感器的压力测量值，由下式可以计算得到压力系数：

其中pi，j为叶片上第j 断面上第i点上的压力，pmax，j为叶片上第j 断面上压力最大值，vtun为试验风洞风速，ω 为叶片旋转角速度，rj为第j 断面处的半径．图3是风力机叶片在5个测试断面上测得的Cp值，实验工况为vtun＝15m·s－1，n＝424．5r·min－1，θp＝－2．3°的无偏航工况．由图3可见，各断面的静压最大值位于前缘的压力面，而其吸力面压力最低，因此压差最大值位置处于叶片前缘．压力面的压力从最大值处到叶片尾缘呈先减小后增大的分布规律，吸力面的压力从最小值处到叶片尾缘呈递增趋势．利用测量得到的压力及叶片桨距角，可以计算得到叶片所受的轴向力Fn和切向力Ft（见图4）．由图4可见，在25%～92%的半径范围，轴向力随半径的增加而增大，而切向力随半径的增加而减小，轴向力比切向力大得多．实验测量得到的轴向力和切向力与BEM 方法计算得到的值［13］吻合很好．

2．2 流场测量结果

图5为偏航角30°、风洞风速15m·s－1、y＝1．848m 位置处实验测得的轴向、切向、径向流速与促动线方法计算结果［14］的对比，图中流速除以风洞风速进行了无量纲化处理．由图5可见，轴向流速在风轮旋转平面之前已开始减小，在风轮旋转平面后经过一段距离开始增加，并逐渐恢复到风洞风速；在远离叶轮时径向流速接近0，靠近风轮旋转平面处径向流速开始增大，经过旋转平面后再减小，直至负值；切向流速在风轮旋转平面前近似为0，经过风轮旋转平面后逐渐减小，达到最低值后开始恢复．轴向、径向和切向速度的计算值和实验测量值在风轮旋转平面前吻合得很好，在风轮旋转平面后两者流速大小存在一定的偏差，但对风速波动的相位预测较好，总体变化趋势一致，计算结果表明实验测量数据可靠．

图3 风力机叶片5个断面上的压力系数Fig．3 Pressure coefficient at five radius sections

图4 叶片上的轴向力和切向力Fig．4 Axial and tangential forces on the blade

图5 实验测量流速与计算值对比（偏航角为30°，风洞风速为15m·s－1，y＝1．848m 处）Fig．5 Comparison between computations and experimental data for flows past the MEXICO rotor at wind speed of 15m·s－1 and yaw angle of 30°and y＝1．848m

3 结论

1）MEXICO 实验分别采用微型动态压力传感器和三维PIV 技术测量了4．5m 直径三叶水平轴风力机模型的叶片表面压力和流场．

2）通过对无偏航工况的叶片表面压力及偏航工况三维PIV 流场数据分析，表明实验测量数据与数值计算结果吻合较好．

3）实验数据丰富，测量结果可靠，利用MEXICO 实验数据可以发展高精度三维数值计算方法，提出和改进风力机空气动力学工程预测模型．

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