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CN113931807B - 一种风电叶片运行攻角测量方法 - Google Patents

一种风电叶片运行攻角测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电叶片运行攻角测量方法，包括叶片前缘相对入流速度矢量测量，叶片翼型气动力测量，基于升力环量修正的攻角计算三个步骤，其中叶片前缘相对入流速度矢量测量通过将气流探针安装于叶片前缘，随叶片共同旋转测得，叶片翼型气动力测量指翼型弦线坐标系下的法向力与切向力测量，基于升力环量修正的攻角计算用来修正气流探针直接测量结果中包含的叶片升力环量诱导速度。

Description

一种风电叶片运行攻角测量方法
技术领域
本发明属于风电叶片空气动力学技术领域，涉及一种空气动力学参数测量方法，更具体涉及一种风电叶片运行攻角测量方法。
背景技术
风电叶片是将风能转换为机械能的核心部件，其气动性能决定了风电机组的风能利用效率(功率系数)。风电叶片气动外形是由一些列不同厚度及弦长的翼型按照一定安装扭角分布积叠而成，评价翼型气动性能的关键参数是攻角和气动力。
尽管风电产业发展迅速，装机体量庞大，但风电叶片在实际运行过程中的气动性能一直没有得到很好的评估与验证，主要原因之一是目前还缺乏有效的测量方法获得风电叶片运行攻角，其难点在于，根据风电机组空气动力学理论可知，风电叶片翼型攻角与风轮远前方来流风速、风轮转速、安装扭角、轴向及周向诱导因子有关，而其中轴向及周向诱导因子是无法直接测量的未知量，因此仅测量来流风速、风轮转速并不能计算得到风电叶片攻角。
发明内容
针对现有技术的以上问题，本发明提出一种风电叶片运行攻角测量方法，提出将气流探针安装于叶片前缘，直接测量叶片所感受的相对入流速度矢量，该速度矢量是远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度、叶片升力环量诱导速度的合成矢量，其中与叶片运行攻角相关的速度矢量包括远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度，因此叶片升力环量诱导速度需要计算去除，通过提出相对入流速度矢量和气动力同时测量的方案，并采用基于升力环量修正的计算方法，可以准确去除叶片升力环量诱导速度的影响，从而得到了叶片运行攻角。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：
一种风电叶片运行攻角测量方法，其特征在于，所述方法至少依次包括叶片前缘相对入流速度矢量测量、叶片翼型气动力测量、基于升力环量修正的攻角计算等三个步骤，其中，
SS1.叶片前缘相对入流速度矢量测量
在风电叶片的前缘位置安装一沿弦长方向延伸的气流探针，所述气流探针随风电叶片共同旋转，气流探针直接测量的速度为叶片前缘相对入流速度矢量，包括合成速度值Vp、方向角度αp；
SS2.叶片翼型气动力测量
在所述气流探针的流动干扰区域之外的风电叶片表面上选择至少一个待测叶片翼型，并在各所述待测叶片翼型的压力面和吸力面上分别从前缘至尾缘布置多个表面压力测量点以测量所述待测叶片翼型的表面压力分布，并根据各所述待测叶片翼型的弦线坐标系分别积分得到沿翼型弦线的切向力和法向力，并将各所述待测叶片翼型的切向力和法向力的平均值作为所述气流探针安装位置的叶片翼型的切向力A和法向力N；
SS3.基于升力环量修正的攻角计算
所述升力环量修正指由于气流探针安装在叶片附近，其直接测量的速度中包含了叶片升力环量诱导产生的速度，因此气流探针直接测量的速度矢量需要进行升力环量修正，具体修正方法如下子步骤：
SS3.1.将步骤SS1气流探针所测得的叶片前缘相对入流速度矢量的方向角度αp作为风电叶片运行攻角的初始值α0；
SS3.2.根据步骤SS3.1所确定的风电叶片运行攻角的初始值α0和步骤SS2所测的所述气流探针安装位置的叶片翼型的法向力N和切向力A，计算所述气流探针安装位置的叶片翼型的升力L，其计算式为L＝N·cosα0-Asinα0；
SS3.3.根据步骤SS3.2计算得到的气流探针安装位置的叶片翼型的升力L计算升力环量Γ，其计算式为
Figure GDA0003380848530000031
其中，ρ为入流密度，Vp为叶片前缘相对入流速度矢量的合成速度值；
SS3.4.根据步骤SS3.3计算得到的升力环量计算诱导速度矢量
Figure GDA0003380848530000032
其计算式为
Figure GDA0003380848530000033
其中，l为所述气流探针的长度；
SS3.5.将步骤SS1中气流探针所测相对入流速度矢量减去步骤SS3.4计算得到的诱导速度矢量
Figure GDA0003380848530000034
得到更新的相对入流速度矢量
Figure GDA0003380848530000035
包括速度值Ve和方向角度αe，其中方向角度αe作为升力环量修正后的更新攻角；
SS3.6.如果步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe与步骤SS3.1初始攻角α0的差值大于设定阈值，则将步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe作为步骤SS3.1初始攻角α0，再次重复步骤SS3.1～SS3.5，直到步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe与步骤SS3.1初始攻角α0的差值小于设定阈值，则步骤SS3.5更新攻角αe为最终所测攻角，运动攻角测量与计算完成。
优选地，上述步骤SS1中的气流探针可以采用多孔气流探针或多分量热线风速探针等体积紧凑、对下游流动干扰较小的空气流速矢量传感器。
优选地，上述步骤SS2中叶片翼型气动力测量可以采用表面压力分布测量方法或者气动天平测力方法。
优选地，上述步骤SS2中待测的叶片翼型可以选取一个或者多个。
优选地，上述步骤SS2中待测的叶片翼型要处于气流探针的流动干扰区域之外，但应尽可能接近气流探针安装位置，以得到更高的测量精度。
优选地，上述步骤SS2中，在所述气流探针的安装位置的展向上的两侧，分别选定所述气流探针长度l的一半距离作为要进行气动力测量的两个待测叶片翼型，在各所述待测叶片翼型的压力面和吸力面上分别从前缘至尾缘布置多个表面压力测量点以测量所述待测叶片翼型的表面压力分布，并根据各所述待测叶片翼型的弦线坐标系分别积分得到沿翼型弦线的切向力和法向力，并将各所述待测叶片翼型的切向力和法向力的平均值作为所述气流探针安装位置的叶片翼型的切向力A和法向力N。
通过以上技术方案可知，本发明提出将气流探针安装于叶片前缘，直接测量叶片所感受的相对入流速度矢量，该速度矢量是远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度、叶片升力环量诱导速度的合成矢量，其中与叶片运行攻角相关的速度矢量包括远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度，因此叶片升力环量诱导速度需要计算去除。为此本发明提出相对入流速度矢量和气动力同时测量的方案，并采用基于升力环量修正的计算方法，可以准确去除叶片升力环量诱导速度的影响，从而得到了叶片运行攻角。可见，本发明所述方法有效规避了风轮轴向和周向诱导因子测量的难题，通过间接方法测得了叶片运行攻角，进一步通过所测的叶片运行攻角还可以推算风轮轴向和轴向诱导因子。
附图说明
图1为本发明的风电叶片运行攻角测量原理示意图；
附图标记说明：
气流探针1，风电叶片2，待测叶片翼型3，表面压力测量点4
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案更加清楚明白，以具体实施案例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图一所示，本发明的风电叶片运行攻角测量方法在实施时，主要包括叶片前缘相对入流速度矢量测量，叶片翼型气动力测量，基于升力环量修正的攻角计算等三个步骤，各步骤的具体实施方式如下：
1.叶片前缘相对入流速度矢量测量
所述速度矢量包括速度大小和方向角度，所述叶片前缘相对入流速度指将气流探针安装于叶片前缘，随叶片共同旋转，气流探针直接测量的速度为叶片前缘相对入流速度。具体而言，如图1所示，将七孔气流探针1安装于叶片2前缘，随叶片2共同旋转，七孔气流探针1直接测量的速度为叶片前缘相对入流速度，具体包括合成速度大小Vp、方向角度αp。
2.叶片翼型气动力测量
所述叶片翼型指气流探针的流动干扰区域之外的翼型，由于攻角未知，所述气动力测量指翼型弦线坐标系下的法向力与切向力测量。具体而言，如图1所示，在七孔气流探针1安装位置两侧，选定七孔气流探针1长度l的一半距离作为要进行气动力测量的两个叶片翼型3，在各自叶片翼型3上布置表面压力测量点4，测量表面压力分布，进而按各自叶片翼型3坐标系分别积分得到沿各自翼型弦线的切向力和法向力，并将两个叶片翼型3的切向力和法向力平均值作为七孔气流探针1安装位置翼型的切向力A和法向力N。
3.基于升力环量修正的攻角计算
所述升力环量修正指由于气流探针安装在叶片附近，其直接测量的速度中包含了叶片升力环量诱导产生的速度，因此气流探针直接测量的速度矢量需要进行升力环量修正。具体修正方法如下：
3.1.将步骤1七孔气流探针1所测的方向角度αp作为攻角的初始值α0；
3.2.根据步骤3.1攻角初始值α0和步骤2所测的法向力N和切向力A，计算升力L＝N·cosα0-Asinα0；
3.3.根据Kutta-Joukowski升力环量定理，由步骤3.2得到的升力L计算升力环量
Figure GDA0003380848530000061
3.4.根据Biot-Savart定律，由步骤3.3得到的升力环量Γ计算诱导速度矢量
Figure GDA0003380848530000062
3.5.将步骤1七孔气流探针1所测相对入流速度矢量
Figure GDA0003380848530000063
减去步骤3.4计算的诱导速度矢量
Figure GDA0003380848530000064
得到更新的相对入流速度矢量
Figure GDA0003380848530000065
包括速度大小Ve和方向角度αe，其中方向角度αe作为升力环量修正后的更新攻角；
3.6.如果步骤3.5更新攻角αe与步骤3.1初始攻角α0差值大于0.1°，则将步骤3.5更新攻角αe作为步骤3.1新的初始攻角α0，再次重复步骤3.1～3.5，直到步骤3.5更新攻角αe与步骤3.1初始攻角α0差值小于0.1°，则步骤3.5更新攻角αe为最终所测攻角，运动攻角测量与计算完成。
通过以上技术方案可知，本发明提出将气流探针安装于叶片前缘，直接测量叶片所感受的相对入流速度矢量，该速度矢量是远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度、叶片升力环量诱导速度的合成矢量，其中与叶片运行攻角相关的速度矢量包括远前方来流速度、风轮转速、轴向和周向诱导速度，因此叶片升力环量诱导速度需要计算去除。为此本发明提出相对入流速度矢量和气动力同时测量的方案，并采用基于升力环量修正的计算方法，可以准确去除叶片升力环量诱导速度的影响，从而得到了叶片运行攻角。可见，本发明所述方法有效规避了风轮轴向和周向诱导因子测量的难题，通过间接方法测得了叶片运行攻角，进一步通过所测的叶片运行攻角还可以推算风轮轴向和轴向诱导因子。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种风电叶片运行攻角测量方法，其特征在于，所述方法至少依次包括叶片前缘相对入流速度矢量测量、叶片翼型气动力测量、基于升力环量修正的攻角计算这三个步骤，其中，
SS1.叶片前缘相对入流速度矢量测量
在风电叶片的前缘位置安装一沿弦长方向延伸的气流探针，所述气流探针随风电叶片共同旋转，气流探针直接测量的速度为叶片前缘相对入流速度矢量，包括合成速度值Vp、方向角度αp；
SS2.叶片翼型气动力测量
在所述气流探针的流动干扰区域之外且在所述气流探针的安装位置的展向上的两侧的风电叶片表面上，分别选定所述气流探针长度l的一半距离作为要进行气动力测量的两个待测叶片翼型，并在各所述待测叶片翼型的压力面和吸力面上分别从前缘至尾缘布置多个表面压力测量点以测量所述待测叶片翼型的表面压力分布，并根据各所述待测叶片翼型的弦线坐标系分别积分得到沿翼型弦线的切向力和法向力，并将各所述待测叶片翼型的切向力和法向力的平均值作为所述气流探针安装位置的叶片翼型的切向力A和法向力N；
SS3.基于升力环量修正的攻角计算
所述升力环量修正指由于气流探针安装在叶片附近，其直接测量的速度中包含了叶片升力环量诱导产生的速度，因此气流探针直接测量的速度矢量需要进行升力环量修正，具体修正方法如下子步骤：
SS3.1.将步骤SS1气流探针所测得的叶片前缘相对入流速度矢量的方向角度αp作为风电叶片运行攻角的初始值α0；
SS3.2.根据步骤SS3.1所确定的风电叶片运行攻角的初始值α0和步骤SS2所测的所述气流探针安装位置的叶片翼型的法向力N和切向力A，计算所述气流探针安装位置的叶片翼型的升力L，其计算式为L＝N·cosα0-Asinα0；
SS3.3.根据步骤SS3.2计算得到的气流探针安装位置的叶片翼型的升力L计算升力环量Γ，其计算式为
Figure FDA0004129405360000021
其中，ρ为入流密度，Vp为叶片前缘相对入流速度矢量的合成速度值；
SS3.4.根据步骤SS3.3计算得到的升力环量计算诱导速度矢量
Figure FDA0004129405360000022
其计算式为
Figure FDA0004129405360000023
其中，l为所述气流探针的长度；
SS3.5.将步骤SS1中气流探针所测相对入流速度矢量减去步骤SS3.4计算得到的诱导速度矢量
Figure FDA0004129405360000024
得到更新的相对入流速度矢量
Figure FDA0004129405360000025
包括速度值Ve和方向角度αe，其中方向角度αe作为升力环量修正后的更新攻角；
SS3.6.如果步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe与步骤SS3.1初始攻角α0的差值大于设定阈值，则将步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe作为步骤SS3.1初始攻角α0，再次重复步骤SS3.1～SS3.5，直到步骤SS3.5计算得到的更新攻角αe与步骤SS3.1初始攻角α0的差值小于设定阈值，则步骤SS3.5更新攻角αe为最终所测攻角，运动攻角测量与计算完成。
2.根据权利要求1所述的风电叶片运行攻角测量方法，其特征在于，上述步骤SS1中的气流探针采用多孔气流探针或多分量热线风速探针。
3.根据权利要求1所述的风电叶片运行攻角测量方法，其特征在于，上述步骤SS2中叶片翼型气动力测量采用表面压力分布测量方法或者气动天平测力方法。
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