風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力的計(jì)算與外場(chǎng)測(cè)試分析

李仁年，袁尚科，2，魏列江，李德順，李銀然

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 建筑工程系，蘭州 730050）

風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力的計(jì)算與外場(chǎng)測(cè)試分析

李仁年1，袁尚科1，2，魏列江1，李德順1，李銀然1

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 建筑工程系，蘭州 730050）

研究在外場(chǎng)工況下，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力的測(cè)試方法，并將測(cè)試結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。為了獲取葉片在外場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)工況下的壓力信息，沿葉片展向選取7個(gè)典型段面布置帶式壓力傳感器。在數(shù)值計(jì)算中，通過數(shù)碼掃描得到試驗(yàn)翼型的幾何形狀并建立計(jì)算模型，用非壓縮的N－S方程和SSTk－ω湍流模型耦合，分別對(duì)7個(gè)翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槿S旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的存在，基于動(dòng)量－葉素理論的二維翼型計(jì)算常常低估了實(shí)際風(fēng)輪動(dòng)力的產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)葉輪表面壓力分布和二維翼型計(jì)算結(jié)果明顯不同。

風(fēng)力機(jī)；翼型；外場(chǎng)試驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算；壓力分布

0 引 言

葉輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最重要、受力最復(fù)雜的部件之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在多變的自然環(huán)境中運(yùn)行，受力情況非常復(fù)雜。而隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架更高、葉片更長(zhǎng)，在多變的風(fēng)力影響下，細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)葉片的彈性變形將更加顯著。因此，風(fēng)力機(jī)葉片部件的靜力學(xué)問題和動(dòng)力學(xué)問題將更加突出［1］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過葉片捕獲風(fēng)能，并將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置，所以葉片的氣動(dòng)性能將直接影響風(fēng)力機(jī)的性能指標(biāo)，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。其中，風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力分布特征是表征風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能研究的重要內(nèi)容，通過研究葉片表面的壓力分布情況，可以更清楚地認(rèn)識(shí)其規(guī)律和影響因素，并通過壓力分布數(shù)據(jù)計(jì)算葉片徑向載荷分布、風(fēng)輪軸向推力系數(shù)和功率系數(shù)等。因此，研究多變工況下風(fēng)力機(jī)葉片的表面壓力很重要。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面的受力分析主要通過理論計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行。其中，風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)計(jì)算主要是應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)理論，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，建立風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用葉素－動(dòng)量理論、渦流理論等進(jìn)行計(jì)算。其中，葉素－動(dòng)量理論假設(shè)風(fēng)力機(jī)葉片周邊的流動(dòng)是二維、穩(wěn)態(tài)的，其形式比較簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，成本低，計(jì)算結(jié)果相對(duì)較準(zhǔn)確。但旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪葉片的周邊流場(chǎng)是十分復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，存在較強(qiáng)烈的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和動(dòng)態(tài)失速等現(xiàn)象［4－5］。很顯然，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)上述問題進(jìn)行研究，其結(jié)果和多變的實(shí)際工況有較大出入。風(fēng)洞試驗(yàn)一直被認(rèn)為是進(jìn)行風(fēng)力機(jī)性能測(cè)試最可靠的方式之一，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程往往采用縮尺模型，和全尺寸風(fēng)力機(jī)相比，難以滿足全部準(zhǔn)則數(shù)相等的要求，且存在洞壁和支架干擾等因素，需考慮數(shù)據(jù)修正。為此，可在外場(chǎng)試驗(yàn)（Field experiments，F(xiàn)－Exp）中，通過壓力傳感器來測(cè)量旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪葉片表面上的壓力分布信息，進(jìn)而計(jì)算出壓力系數(shù)、推力系數(shù)和功率系數(shù)等重要參數(shù)，從而較準(zhǔn)確地估計(jì)實(shí)際工況下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。理想情況下其試驗(yàn)結(jié)果具有高度的可靠性和較好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。特別是隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，很多新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為風(fēng)力機(jī)的性能測(cè)試提供了可靠保障。因此，在多變的外場(chǎng)工況下，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試研究是必要的，也是可行的。

以蘭州理工大學(xué)國(guó)家973項(xiàng)目試驗(yàn)機(jī)組為研究對(duì)象，通過在不同工況下的外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，得到葉片表面不同截面處的壓力分布特征，并對(duì)機(jī)組葉片進(jìn)行數(shù)碼掃描，建立對(duì)應(yīng)截面的數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行理論計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和和外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，研究在三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下風(fēng)力機(jī)葉片表面的壓力分布特征及其影響因素，為大型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的研究提供可靠的參考依據(jù)。

1 外場(chǎng)試驗(yàn)概述

1.1 外場(chǎng)試驗(yàn)工況

項(xiàng)目試驗(yàn)機(jī)組位于甘肅省景泰縣陳莊，東經(jīng)103°57′，北緯37°05′，場(chǎng)址區(qū)域海拔高度1730m，場(chǎng)地開闊，地勢(shì)平坦。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶纸y(tǒng)計(jì)，10m和40m高空12個(gè)月平均風(fēng)速分別為5.4m／s和7.0m／s，有效風(fēng)速（4.0～25.0m／s）達(dá)到7160h，平均風(fēng)功率密度為354W／m2，屬IECⅢ類風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)功率密度等級(jí)為3級(jí)，屬風(fēng)能資源可利用區(qū)。

1.2 試驗(yàn)風(fēng)力機(jī)組概況

試驗(yàn)對(duì)象為上風(fēng)向兩葉片試驗(yàn)機(jī)組，風(fēng)輪直徑為14.8m，輪轂中心高16.11m，葉根初始安裝角64.574°，功率33kW，功率因數(shù)0.88；機(jī)組額定轉(zhuǎn)速85r／min，額定風(fēng)速11m／s，切入風(fēng)速4m／s，切出風(fēng)速23m／s。

為獲取氣動(dòng)試驗(yàn)時(shí)所需的詳細(xì)氣象資料，按照GB／T 18709－2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》的相關(guān)規(guī)定，在試驗(yàn)機(jī)組主導(dǎo)風(fēng)向50m處設(shè)置一座30m高的拉線式測(cè)風(fēng)塔，在測(cè)風(fēng)塔的10、20、30m高處分別裝設(shè)測(cè)風(fēng)設(shè)備并與葉片表面壓力傳感器同步采集試驗(yàn)所需的來流風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度、濕度等氣象參數(shù)，采集的參數(shù)以有線方式遠(yuǎn)程傳輸至工控機(jī)進(jìn)行不間斷記錄。

1.3 試驗(yàn)葉片幾何特征

為使外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和二維翼型的數(shù)值計(jì)算作對(duì)比，我們通過數(shù)碼掃描技術(shù)獲取了葉片表面的幾何坐標(biāo)，并選取7個(gè)典型截面布置帶式壓力傳感器以獲取葉片表面的壓力信號(hào)。其中，各典型截面的特征數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各測(cè)壓截面幾何特征（停機(jī)狀態(tài)）Table 1 Feature of every pressure test plane

1.4 試驗(yàn)的主要設(shè)備及測(cè)試過程

為準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)輪在不同工況下的表面壓力，本試驗(yàn)選取其中一葉片為測(cè)試對(duì)象，沿葉片展向選取7個(gè)典型截面，分別布以智能型帶式壓力傳感器，并對(duì)另一葉片對(duì)稱位置進(jìn)行配重，以保持風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)過程的平穩(wěn)性。其中，帶式壓力傳感器屬于新型感知探測(cè)型智能傳感器，具有一次獲取數(shù)據(jù)量大，操作簡(jiǎn)單，安全可靠等特點(diǎn)［5－7］。

每條帶式壓力傳感器可同時(shí)對(duì)8個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力進(jìn)行測(cè)試，最大波特率921.6kB／s，7個(gè)測(cè)試截面共布置191個(gè)測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過RS－485總線傳輸。其中穩(wěn)壓電源為數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，191個(gè)測(cè)點(diǎn)模擬信號(hào)的輸出分別與采集和傳輸模塊的主處理器的8個(gè)引腳相連，當(dāng)主處理器收到采集命令后對(duì)收到的壓力信號(hào)進(jìn)行采集編碼，然后按照一定格式通過RS－485收發(fā)器發(fā)送給主控室的PC機(jī)。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)采用高精度傳感器和高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過同步觸發(fā)、快速采集、精確計(jì)時(shí)和定時(shí)消除累計(jì)誤差的方法來嚴(yán)格保證各參數(shù)測(cè)試的同時(shí)性。試驗(yàn)中，為盡可能減少傳感器對(duì)葉片表面的影響，將帶式微型數(shù)字壓力傳感器高密度嵌入3mm厚的柔性蒙皮內(nèi)，同時(shí)，將所有傳感器通過嵌入蒙皮內(nèi)的總線互連，粘接于風(fēng)力機(jī)葉片的表面，隨葉片一起在野外環(huán)境中工作。

試驗(yàn)機(jī)組及其數(shù)碼掃描模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)組及其掃描模型圖Fig.1 Test blade and scanned model picture

1.5 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）對(duì)風(fēng)力機(jī)外場(chǎng)測(cè)試的方法與步驟要求，本試驗(yàn)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)校準(zhǔn)后于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年7月27日下午進(jìn)行，天氣多云，風(fēng)速風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定，適合于進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)。20m高空平均風(fēng)速11.47m／s，風(fēng)向南偏東4.6°，氣壓82.194kPa，相對(duì)濕度59.66%，氣溫24.4℃，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速55.67r／min，空氣密度為0.94kg／m3，凈功率9kW。以上數(shù)據(jù)均為測(cè)試時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集10次的平均值。

葉片表面壓力數(shù)據(jù)主要通過均布在7個(gè)翼型截面的191個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集，傳感器測(cè)量精度0.3%，測(cè)量范圍可定制。通過自編程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)風(fēng)塔氣象數(shù)據(jù)和葉片表面壓力數(shù)據(jù)的同步采集處理。設(shè)定每次連續(xù)采集時(shí)間為6s，每點(diǎn)共采集壓力數(shù)據(jù)3500個(gè)，期間共采集二進(jìn)制壓力數(shù)據(jù)量約668500個(gè)，經(jīng)解碼后取其平均值，沿弦長(zhǎng)方向繪制各測(cè)點(diǎn)的壓力分布。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型的建立與網(wǎng)格劃分

為將計(jì)算結(jié)果和外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)比較，根據(jù)葉片數(shù)碼掃描所得的7個(gè)典型截面對(duì)應(yīng)的翼型坐標(biāo)，通過通用軟件Gambit將上述翼型坐標(biāo)用光滑曲線連線后得到翼型外形，在翼型周邊建立長(zhǎng)度為45倍弦長(zhǎng)，寬度為40倍弦長(zhǎng)的二維計(jì)算區(qū)域。因網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，為了得到較理想的網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，提高計(jì)算速度和計(jì)算精度，本文采用C型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。在翼型上下表面分別布置95個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，在遠(yuǎn)離翼型的半圓形區(qū)域的邊界線上分布與翼型表面相同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，在翼型后緣向外的邊界線上分布90個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過無限插值法將翼型表面節(jié)點(diǎn)和邊界線網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)生成計(jì)算域網(wǎng)格。由于翼型附近的流場(chǎng)參數(shù)變化梯度比遠(yuǎn)場(chǎng)大得多，且翼型前后緣的流動(dòng)對(duì)翼型擾流數(shù)值模擬影響大，因此對(duì)翼型附近及前后緣處進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密，以提高其計(jì)算精度。其中，第3截面翼型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，其它截面計(jì)算模型的建立與此相同。

圖2 第3截面翼型計(jì)算網(wǎng)格放大圖Fig.2 Numerical mesh scheme of No.3section airfoil

2.2 流動(dòng)控制方程

水平軸風(fēng)力機(jī)翼型繞流問題，屬于低速流動(dòng)問題，所以模擬計(jì)算時(shí)可以把流體看成是不可壓縮的牛頓型流體的湍流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不需考慮熱傳遞的影響。翼型在大迎角繞流時(shí)會(huì)出現(xiàn)翼型分離流動(dòng)，而分離流動(dòng)的本質(zhì)是因流體的粘性造成的，所以在模擬計(jì)算時(shí)需要考慮流體的粘性［8－9］。因此，本文求解的方程為不可壓縮的粘性N－S方程，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化后，得到適合于邊界層內(nèi)流動(dòng)的基本微分方程式如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中，ui表示xi方向的介質(zhì)速度，ρ為介質(zhì)密度，μ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，fi為質(zhì)量力強(qiáng)度。

2.3 邊界條件

設(shè)定進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，來流湍流度為1%，湍流耗散長(zhǎng)度為0.01m；出口為充分發(fā)展的壓力出口條件，表壓力給定為0，湍流度、耗散長(zhǎng)度與進(jìn)口相同；翼型表面采用壁面無滑移邊界條件。

流場(chǎng)計(jì)算中不考慮風(fēng)沙、水滴等多相流的影響，認(rèn)為僅存在空氣單相流動(dòng)。根據(jù)測(cè)風(fēng)塔氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得試驗(yàn)時(shí)當(dāng)?shù)氐目諝饷芏葹棣褳?.94kg／m3，對(duì)應(yīng)的空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為μ＝1.46×10－5m2／s。平均風(fēng)速11.47m／s，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速取55.87r／min。

因外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)力機(jī)為非滿槳旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力機(jī)葉根槳距角16.6°，若不考慮葉片表面的誘導(dǎo)速度，則各試驗(yàn)截面的迎角α和旋轉(zhuǎn)線速度V如表2所示。

表2 各測(cè)壓截面迎角和旋轉(zhuǎn)線速度Table 2 Attack angle and rotation speed of every section plane

2.4 湍流模型的選擇

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，湍流模型的選取很重要，選擇不適將對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生較大影響［10］。目前常用的湍流模型有一方程的S－A模型、二方程k－ε模型和二方程k－ω模型3大類型，在風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬中常用一方程S－A模型和二方程SST k－ω（剪應(yīng)力輸運(yùn)）模型。其中，S－A模型是通過求解輸運(yùn)方程得到湍流運(yùn)動(dòng)粘度的單方程湍流模型，專為航空航天領(lǐng)域研究壁面邊界流動(dòng)而設(shè)計(jì)。在S－A模型中，將湍流粘性系數(shù)與表征湍流流動(dòng)特性的脈動(dòng)動(dòng)能相聯(lián)系，著力于求解邊界層受粘性影響的區(qū)域。因此，應(yīng)用S－A模型對(duì)于附著流和小分離流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果較為精確；對(duì)于SST k－ω模型，普遍認(rèn)為其模擬繞鈍體流比較好，特別是對(duì)于動(dòng)態(tài)失速的翼型繞流，SSTk－ω湍流模式較為有效，計(jì)算的氣動(dòng)力系數(shù)曲線變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好［11］。因此，本文所有翼型氣動(dòng)性能的計(jì)算均采用SSTk－ω湍流模型的SAMPLE算法進(jìn)行。

3 葉片氣動(dòng)性能計(jì)算與外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

為使計(jì)算結(jié)果具有對(duì)比性，數(shù)值計(jì)算的相關(guān)參數(shù)采用測(cè)風(fēng)塔20m高處的測(cè)試數(shù)據(jù)，并保證與葉片壓力信號(hào)同步采集。

根據(jù)上述條件，通過商業(yè)軟件FLUENT分別對(duì)葉片表面1#～7#帶式壓力傳感器對(duì)應(yīng)翼型的二維切片進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示。

從圖3可以看出，沿葉片展向，各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值和計(jì)算值之間存在一定差異性，而且，越靠近葉根，二者的差異性越大。這一特征和文獻(xiàn)［12］中風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)論較接近。對(duì)試驗(yàn)翼型的流場(chǎng)分析可知，1#～5#翼型表面空氣能平滑地繞翼型流過，但靠近葉根的6#、7#截面翼型表面已發(fā)生流體的分離和尾渦的產(chǎn)生。究其原因，一是因?yàn)楸驹囼?yàn)時(shí)的風(fēng)速是一個(gè)時(shí)間段的平均風(fēng)速，所采集的壓力數(shù)據(jù)也是平均值。這和計(jì)算時(shí)所采用的參數(shù)可能不完全吻合，從而導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)；二是在試驗(yàn)工況下，輪轂中心的氣流分布可能對(duì)葉根翼型流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響；三是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)，風(fēng)力機(jī)處于輕度偏航，葉根翼型的迎角較大，在試驗(yàn)工況下處于動(dòng)態(tài)失速狀態(tài)，翼型表面流體有渦的交替出現(xiàn)和脫落，導(dǎo)致葉片表面壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)。

其中，6#、7#截面翼型流場(chǎng)分布如圖4所示。

圖3 各翼型表面壓力的試驗(yàn)值與計(jì)算值分布圖Fig.3 Test and calculation surface pressure value distributions on 7sections

圖4 6#、7#截面翼型流場(chǎng)分布Fig.4 Flow fields of 6#and 7#sections

另外，由于旋轉(zhuǎn)葉片的附面層內(nèi)氣流受離心力作用，產(chǎn)生的徑向流動(dòng)使附面層厚度變薄，而哥氏力在附面層內(nèi)引起附加的弦向壓降使分離推遲到一個(gè)較大的迎角，而且這種三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)現(xiàn)象越靠近葉片根部越明顯［12－13］。說明在旋轉(zhuǎn)的葉片表面，離心力和科里奧利力的綜合作用改變了翼型失速以后的壓力分布［14］。美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）的第6期非定常氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)（Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI）及其盲比（B1ind Comparison）［11］結(jié)果也表明，旋轉(zhuǎn)葉片翼型上的壓力分布大大不同于二維翼型時(shí)的情況。其中，圖3中（f）、（g）也證明，在外場(chǎng)旋轉(zhuǎn)工況下，風(fēng)力機(jī)葉片根部的壓力分布與數(shù)值計(jì)算存在較大差異性。顯然，要準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能和葉片的氣動(dòng)載荷分布，必須考慮非定常工況下的失速特性和三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)在外場(chǎng)環(huán)境下風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力的測(cè)試與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）基于傳統(tǒng)的二維葉素理論以及二維靜止翼型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)盡管是目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及性能預(yù)估的主要方法，但隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的增大，葉輪半徑增大，很多基于葉素－動(dòng)量理論的軟件已不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，特別是實(shí)際工作中的風(fēng)輪葉片是三維及旋轉(zhuǎn)的，采用該方法常常低估了實(shí)際風(fēng)輪動(dòng)力的產(chǎn)生；

（2）外場(chǎng)試驗(yàn)表明，葉片表面壓力分布特征沿展向出現(xiàn)較大的差異性，主要原因是在外場(chǎng)多變環(huán)境下，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉片存在較強(qiáng)的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，且三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)越靠近葉片根部越明顯；

（3）翼型動(dòng)態(tài)失速后，尾渦的形成和脫落將對(duì)葉片表面壓力分布產(chǎn)生較大影響，產(chǎn)生劇烈的壓力波動(dòng)，致使葉片表面壓力與計(jì)算值出現(xiàn)較大差異。

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李仁年（1963－），男，甘肅民勤人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械原理與風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)。通訊地址：甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 （730050），聯(lián) 系 電 話：0931－2756250，E－mail：lirn＠lut.cn

Measurement and calculation of blade surface pressure for a wind turbine in field

LI Ren－nian1，YUAN Shang－ke1，2，WEI Lie－jiang1，LI De－shun1，LI Yin－ran1
（1.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Architectural Engineering Department，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou 730050，China）

A measurement method of the blade surface pressures for a wind turbine in field is given and the measured data are compared with the CFD calculation results in this paper.For the field experiment，the belt sensors were mounted on seven sections along the blade to collect the pressure signals in unsteady environment.For the calculation，the incompressible N－S equations coupled with the SSTk－ωturbulence model are solved to obtain the aerodynamic performance of the tested blade airfoils，whose geometric shapes have been determined from digital scanning.From the comparison between the experiment and calculation，it is demonstrated that the pressure distribution on the rotational blade appears obviously different from the two－dimensional airfoil data due to the three－dimensional rotational effect and validated that the wind turbine power output could be underestimated if the two－dimensional airfoil aerodynamic data based on the blade momentum theory are used.

wind turbine；airfoil；field experiment；numerical calculation；pressure distribution

TK83

A

1672－9897（2012）05－0052－05

2011－09－21；

2012－06－11

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007CB714602）