提高风力机叶型升力的实验的研究.pdfVIP

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中国工程热物理学会 热机气动热力学 2002年学术会议 编号:02203I 提高风力机叶型升力的实验研究 霍福鹏,刘红,陈佐一 (清华大学热能工程系.北京100084) 联系电话:010 摘要:风力机叶片叶型在大攻角下气动效率严重下降,在其吸力面头部加入周 期内平均质量流量为零的一定频率的振荡射流可以对叶片的气动特性产生有利的影 响。该文对实际的某风力机叶片沿叶高分布的两种不同叶型进行头部不同位置加入 不同频率和动量的振荡射流对比实验研究.得到不同情况下叶片的表面压力分布。 通过对实验的结果分析,发现在实验条件下.叶片吸力面头部某些位置加入一定频 率和动量段范围内的振荡射流,可以有效的提高叶型的升力系数.振荡射流技术为 流动控制提供了更有效的方案。 关键词:振荡射流;风力机:流动控制 1 引言 风力发电在可再生清洁能源中占有重要地位.风电的发展,需要进一步提高风 力发电机风轮的效率,以降低单位风力发电机的成本.风轮效率的大小由桨叶决定, 提高桨叶叶型的气动性能研究是风力发电的重要课题.风力发电机叶片面对的是具 有时变性较强的自然风·风的大小和方向都随时间改变,在较大攻角的情况下,由 于叶片气动失遮会引起的叶片气动效率严重下降,所以研究如何有效地提高在各种 不同来流攻角下尤其是失速区附近的叶片气动性能,具有重要的学术和工程实际意 义…. 流动控制技术是目前流体研究的一个重要方向,很多研究者从不同的角度进行 了各种研究,以主动定常吹吸气和被动的莉缘和尾缘襟翼技术为代表的流动控制方 法在上个世纪有了很大的发展.现在人们开始利用各种非线性原理,小尺度元件. 甚至多场耦合方式等方法来实现对流动的控制n,. 本实验是通过在风力机叶型的头部吸力面增加一个周期性的、非定常的振荡射 流扰动,研究它对叶片表蕊气体流动产生的影响,其是否可以有效地提高叶型的气 动效率.本文所谓的振荡射流是指速度大小和方向都随时间变化且周期内平均质量 流量为零的周期性流动。在风力机的叶型表面附加振荡射流并研究它对整体流场的 基金项目:田家“九七三”重点基础研究专项经费资助(G1999022306) 影响是非常困难的,振荡射流影响整体流场的机理也不是很清楚,目前对它的研究 主要集中在实验方面。国外已经对一些飞行器翼形加入振荡射流进行了实验,得到 一些实验的数据和结果”1,但对风力机方面的应用研究还没有进行。本文选用了主要 应用于风力机叶片的两种叶型加入振荡射流,进行了实验研究。 2实验装置和方法 实验的基本原理是将吸力面前缘开有长缝隙的叶片放在风洞中进行吹风实验, 通过缝隙加入由外部振荡气流发生装置产生的不同频率和大小的振荡射流,在不同 的来流攻角情况下比较各种情况下的叶片表面压力分布和升力。 2.1实验台架和实验叶片 实验在清华大学热能工程系动力机械与工程研究所的风洞中进行,风洞出口为 400mmx150 ram的长方形截面,出口气流速度约为49m/s。实验叶片采用实际用于 6.5×10’和5.0×10’。叶片叶型的实验部分在叶片展向的中部。实验叶片表面的测压 孔用来测量叶片的表面压力分布。叶片为内部中空,在吸力面的头部开有加入振荡 射流的缝隙,缝隙长度为35-40mm,宽度为1mm,缝的宽度占叶片弦长为O.5—1 %,缝与叶片表面型线切线的夹角为900。本实验中缝隙的位置为:NACA4418。距 前缘7.8%弦长。NACA4412,距前缘7.5%弦长。 2.2射流产生装置及分析 实验要求从叶片的表面引入的振荡射流的频率可调,周期内的最大速度大小可控。 由于叶片的大小限制,无法在叶片的内部加入射流装置,故从叶根一侧将叶片的内部 挖空,使空腔和叶片表面的缝隙相连,从外部将振荡射流引入空腔。本实验采用电磁 式的振荡气流发生原理,振荡射流装置由频率发生器、功率放大器和振荡气流发生器 组成.经过实验证明该系统可以产生满足条件的易于控制的振荡射流. 使用热线风速仪对缝隙的出口流场进行测量,得到在无外部流动时不同频率情况 下缝隙出口的速度和加在振荡射流发生器两端的电压的关系。实验中可以根据不同的 电压,计算得到缝隙的出121射流速

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