【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风洞试验及风力机附加件气动特性优化领域，特别涉及一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法。
技术介绍
1、面对当前风能技术迅速发展的趋势，仅通过优化翼型外形已经难以满足风力机在各种运行工况下的气动设计要求。同时，由于早期生产的风力机存在技术不完善、选址不佳和载荷不配备等问题，导致部分风力机的发电性能远低于预期。因此，亟需对这些现有风力机组进行气动优化升级，以满足更高的风能转换需求。为解决上述问题，在近年来许多学者开始在原有风力机上安装附加设备，改善叶片流动状态，提高风能转换效率并减小受到的风载荷和疲劳负荷。流动控制在风力机中具有以下意义：(1)尽可能提高风能利用率；(2)减少旋转叶片脉动，从而降低疲劳负荷，延长使用寿命；(3)在极限风速时减轻负载，从而降低制造成本并减少度电成本。
2、目前来看，主动流动控制方法大多仍处于研究阶段，并未在实际工程中广泛应用。这是因为现有的主动控制技术存在一些问题，如传感器布置、分离点确定、系统鲁棒性、响应速率和制造成本等方面的挑战，限制了风力机叶片主动控制技术达到预期的气动优化效果。对实际风力机进行改造并实现性能改善的相关研究还相对较少，需要进一步深入探索。与之相比，被动控制方法更容易在实际工程中实施。本专利技术涉及的格尼襟翼采用了被动控制方法，在风力机叶片下表面尾缘位置安装微型插片即可完成改造。与其他技术相比，格尼襟翼(gurney襟翼)具有体积小、安装简单、部署距离短以及对叶片制造技术变化较小等优势。不论是小型风力机还是更大半径的全尺寸风力机，在流动控制附
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，能够克服上述技术问题，该方法具有设计简单、可靠性高、安全性高的特点，可以准确获取期望工况时风力机加装格尼襟翼的气动变化情况，对现有风力机气动优化具有重要的工程意义。
2、本专利技术涉及的气动优化设计方法是这样实现的：一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，包括以下步骤：
3、步骤1)三维建模软件对模型风力机的各个部件建模并进行三维打印，搭建用于风洞实验的模型风力机试验平台；
4、步骤2)设备及实验环境安全性检查，包括：连接紧固件是否有松动；风力机是否固定安装；信号采集电路是否正确连接并且正常运行，确保风洞内部清洁；
5、步骤3)开启风洞，获得设定风速；获取期望转速下模型风力机在基准工况时的轴功率，并关闭风洞；
6、步骤4)设计格尼襟翼，建立加装格尼襟翼的模型风力机气动模型，初步获取加装格尼襟翼的模型风力机功率系数与襟翼高度的关系；
7、步骤5)利用实际转速与期望转速的差值构造李雅普诺夫函数，并通过判断函数导数负定，确定设计的加装格尼襟翼的模型风力机能稳定运行；
8、步骤6)在模型风力机上加装格尼襟翼；
9、步骤7)重复步骤3)，获取期望转速下加装格尼襟翼的模型风力机轴功率，并关闭风洞；
10、步骤8)数据处理并进行对比；
11、步骤9)估算实际全尺寸风力机气动优化后的气动效率。
12、为了确保风力机的稳定运行，当来流风速与额定风速存在偏差或采样存在不确定度时，需要使风力机轴功率维持在一个接近恒定值的范围内。因此，本设计方法利用控制格尼襟翼的高度来改变叶片气动特性，并以实际转速与额定转速之间的差作为反馈量，从而实现风力机的稳定运行。
13、作为本专利技术的进一步改进，所述步骤4)采用式(1)结合叶素动量理论初步获取加装格尼襟翼的模型风力机功率系数与襟翼高度的关系；并采用式(2)建立加装格尼襟翼的模型风力机气动模型，
14、cp＝k1(ωr)+k2(ωr)h (1)
15、
16、式中，j为转动惯量；kr为粘性摩擦系数；ρ为空气密度；ωr为实际风轮转速；u0为来流速度；η为风力机电转换效率，h为格尼襟翼高度；r为风轮半径；cp为加装格尼襟翼的模型风力机风能利用率；k1(ωr)和k2(ωr)为与ωr相关的多项式，用来拟合风轮转速ωr时的风能利用率。
17、作为本专利技术的进一步改进，所述步骤5)中利用式(3)实际转速与期望转速的差值构造李雅普诺夫函数v1；
18、
19、式中，e1为状态变量即实际转速与期望转速的差值；为期望风轮转速；ωr为实际风轮转速；在试验中通过转速测量的霍尔传感器获取的实际风轮转速减去期望风轮转速(即设定值)，从而准确获取状态变量e1的数值，且风洞风速变化及试验模型采样时的不确定度造成的转速变化是个有限范围。
20、作为本专利技术的进一步改进，所述步骤5)中通过式(4)结合叶素动量理论验证设计的加装格尼襟翼的模型风力机能稳定运行；
21、
22、式中：kr为粘性摩擦系数；ρ为空气密度；u0为来流速度；η为风力机电转换效率，h为格尼襟翼高度；r为风轮半径；k1(ωr)、k2(ωr)、和为与ωr、相关的多项式，用来表示风轮转速值ωr及时的风能利用率。
23、在试验中通过测量转速的霍尔传感器获取来实际风轮转速，用实际风轮转速减去期望风轮转速(即设定值)，从而准确获取状态变量e1的数值，且风洞风速变化及试验模型采样时的不确定度造成的转速变化是个有限范围。
24、作为本专利技术的进一步改进，所述步骤6)中的格尼襟翼采用光固化的三维打印技术，将光敏树脂原材料固化成矩形条，并通过环氧树脂胶垂直固定在模型风力机风轮压力面的尾缘位置，所述格尼襟翼径向安装位置在风轮的叶中段位置。考虑到用于风洞试验的模型风力机一般较小，对应的格尼襟翼尺寸也相对较小，且襟翼高度是影响风力机气动特性的重要因素，本专利技术采用精度更高的光固化的三维打印技术，与熔融沉积相比，其表面没有纹理，精度更高，且光敏树脂材料精度较高、不易脆、表面光滑，无支撑材料接触点；同时，水平轴风力机上的三维旋转效应是由边界层内离心力和科氏力共同产生的，离心力会在叶根分离区引起径向流动，并进一步导致弦向科氏力的生成，弦向科氏力能够有效地抵消部分弦向逆压梯度，从而减缓流动分离并延缓失速现象；将格尼襟翼安装在叶片中段位置，这是因为与叶尖相比，叶根处于较高的局部迎角下，容易发生流动分离；格尼襟翼作为一种流动控制附件，在升力系数线性段的失速攻角前区域起主要作用，并且对于叶片中段剖面来说，三维旋转效应和叶尖损失对其气动特性影响较小，即其绕流特征更接近二维流动，因此，在该位置上格尼襟翼具有正面作用；另外，叶尖位置由于受到强烈的叶尖涡影响，截面攻角明显降低，并导致显著的气动力损失，因此，在该位置上格尼襟翼提升比率也相对有限。
25、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤4)采用式(1)结合叶素动量理论初步获取加装格尼襟翼的模型风力机功率系数与襟翼高度的关系；并采用式(2)建立加装格尼襟翼的模型风力机气动模型，
3.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤5)中利用式(3)实际转速与期望转速的差值构造李雅普诺夫函数V1；
4.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤5)中通过式(4)结合叶素动量理论验证设计的加装格尼襟翼的模型风力机能稳定运行；
5.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤6)中的格尼襟翼采用光固化的三维打印技术，将光敏树脂原材料固化成矩形条，并通过环氧树脂胶垂直固定在模型风力机风轮压力面的尾缘位置，所述格尼襟翼径向安装位置在风轮的叶中段位置。
6.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤7)中的轴功率采用间接测量的方法：通过测量实际转速和输出电流从而拟合轴功率，所述输出电流通过零相位数字滤波器准确获取，所述滤波器的通带边界频率和阻带边界频率分别为风轮旋转频率的1倍及2倍。
7.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤9)中估算实际全尺寸风力机气动优化后的气动效率的表达式如式(5)所示；
8.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述模型风力机试验平台安装在风洞试验段内部，并将一个功率为10W的1kΩ的功率电阻和按钮开关并联接入模型风力机控制回路，所述按钮开关采用两脚两档形式，所述模型风力机正常运行时，按钮开关处于常开状态，试验出现意外时，通过按下按钮开关并降低风速，从而减小损失。
...【技术特征摘要】
1.一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤4)采用式(1)结合叶素动量理论初步获取加装格尼襟翼的模型风力机功率系数与襟翼高度的关系；并采用式(2)建立加装格尼襟翼的模型风力机气动模型，
3.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤5)中利用式(3)实际转速与期望转速的差值构造李雅普诺夫函数v1；
4.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤5)中通过式(4)结合叶素动量理论验证设计的加装格尼襟翼的模型风力机能稳定运行；
5.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验加装格尼襟翼的风力机气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤6)中的格尼襟翼采用光固化的三维打印技术，将光敏树脂原材料固化成矩形条，并通过环氧树脂胶垂直固定在模型风...
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