[发明专利]一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法，风洞试验方法包括二维叶段模型设计，气弹相似设计，气弹试验测量，试验结果分析四个步骤，其中在气弹相似设计中提出一种气弹相似准则，指导风洞试验方案和装置设计，风洞试验装置包括弹性支撑系统、叶段模型和限位装置，弹性支撑系统与叶段模型相连接，模拟实际叶片弹性，弹性支撑系统刚度由气弹相似参数计算确定，限位装置用于控制弹性振荡的极限值和相应方向自由度的释放。

技术领域

本发明属于风电叶片空气动力学技术领域，涉及一种风洞试验装置及方法，更具体涉及一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法。

背景技术

风电机组的大型化发展趋势使得叶片越来越长，柔性越来越大，导致叶片气动弹性问题更加突出。大型叶片设计理念逐渐由传统的载荷驱动设计向气弹稳定性驱动设计转变。目前气弹设计技术仍然是风电叶片大型化发展的瓶颈技术，气弹问题的产生不仅会导致风电叶片的实际载荷和设计值出现较大偏差，严重时还会发生稳定性问题并对叶片乃至整个机组造成毁灭性破坏，影响机组的安全稳定运行。因此在大型柔性叶片设计阶段，需要准确评估叶片气弹振荡引起的非定常载荷和气弹稳定性。

目前，风电叶片气弹响应特性的评估方法尚不成熟，仍缺乏公认有效的工程计算工具，还处于科学研究探索阶段。风电叶片气弹响应特性研究多数采用数值模拟方法开展，主要关注叶片的时域气弹响应历程和气弹稳定性边界，但其准确性缺乏试验数据的验证，计算精度难以保证。此外，全尺寸风电叶片外场气弹试验成本高昂，且外部环境难以控制不易实现。因此，建立风电叶片气弹响应的模拟试验方法是目前开展气弹响应研究和验证数值方法较可行的解决方案。

发明内容

针对现有技术的上述缺点或不足，本发明考虑到风电叶片为大展弦比气动部件，在运行过程中，除了叶根与叶尖部分流动具有明显的三维效应，其他展向位置叶片流动则具有较好的二维性，以此物理特点为切入点，本发明提出一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置及方法，该风洞试验方法和装置的特点是将三维叶片挥舞弯曲、摆振弯曲、扭转三个方向气弹响应问题，分别简化为二维叶段在沉浮、进退、俯仰方向弹性约束下的运动响应问题，为保证简化模拟具有等效性，提出了一种气弹相似准则，指导风洞试验方案和装置设计。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种模拟风电叶片气弹响应的风洞试验装置，包括设置在风洞实验段内的风电叶片二维叶段模型、设置在风洞实验段外部的弹性支撑底座，其特征在于，

所述风电叶片二维叶段模型包括主体段以及设置在所述主体段上下两端的上端输出轴和下端输出轴，所述风电叶片二维叶段模型的主体段设置在风洞实验段内，所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴分别伸出所述风洞实验段外；

所述弹性支撑底座包括固定设置在风洞实验段外部上下两侧的上支撑底座和下支撑底座，所述上支撑底座、下支撑底座分别用于支撑所述风电叶片二维叶段模型的上端输出轴、下端输出轴，

所述上支撑底座、下支撑底座的结构相同，均包括设置在底座支架上的一俯仰弹性支撑结构和一沉浮弹性支撑结构，其中，

所述俯仰弹性支撑结构包括一扭转弹性元件，所述扭转弹性元件的一端与所述风电叶片二维叶段模型的输出轴固定连接、另一端与所述底座支架固定连接，所述扭转弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在扭转方向上的弹性，

所述沉浮弹性支撑结构包括一水平滑轨，所述风电叶片二维叶段模型的输出轴可滑动地约束在所述水平滑轨内，且所述风电叶片二维叶段模型的输出轴的位于所述滑轨方向的左右两侧分别设置一压缩弹性元件，所述压缩弹性元件用以模拟所述风电叶片二维叶段模型在沉浮方向上的弹性；