CN101699239A - 水面移动空气动力学测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水面移动空气动力学测试平台及测试方法，属空气动力学技术领域。该平台包括：漂浮于水面的漂浮平台(5)及运动测量台架(7)，其中漂浮平台(5)上安装有导轨(4)，运动测量台架(7)安装于导轨(4)上并通过轨道轮(14)与导轨(4)配合；测量台架上还安装有电动机(8)、电动机(8)带动转动轴(17)转动，转动轴(17)上安装有两个缆绳绞盘，这两个缆绳绞盘上的缆绳绕线方式相反，所绕缆绳分别与位于漂浮平台(5)两端的两个缆绳固定座(3)连接；该测试平台还包括用于使漂浮平台(5)在水面定位的水中固定件。本发明利用水面移动测试平台，实现可调风速的外场测试。

Description

水面移动空气动力学测试平台

所属技术领域

本项发明涉及低速空气动力学试验平台设计，属空气动力学技术领域。

背景技术

目前风力发电机测试有风洞吹风试验和外场试验二种方法。在风洞中进行吹风试验，通常需制作缩尺模型。2006年，Danmei Hu和Ouyang Hua等在RenewableEnergy第31期821-836页上发明论文“A study on stall-delay for horizontal axis windturbine”说明了小型风力机模型风洞试验方法。由于模型与原型风轮流动雷诺数差别，以及风洞壁面影响，造成模型试验结果不能反映原型风轮的气动性能；桥梁、建筑等模型试验也存在相同问题。直接进行外场试验，对于风力机可真实检验风轮气动性能和整机运行状况；对于桥梁、建筑等模型可消除洞壁影响。1999年，美国可再生能源实验室D.A.Simms和M.M.Hand等发表的技术报告“Unsteady AerodynamicsExperiment Phases II-IV Test Configurations and Available Data Campaigns”(编号：NREL/TP-500-25950)，在外场对一直径10米的二叶片风力机原型进行测试研究。但由于外场自然风速不能根据测试要求变化，因而难以在短时间内测量整个设计风速范围内的气动性能。

发明内容

针对目前风力机及桥梁、建筑等模型在风洞中采用模型试验与原型实际运行差别较大以及在外场测试自然风速不可调节的不足之处，本专利提出一种水面移动测试平台，实现可调风速的外场测试。

一种水面移动空气动力学测试平台，其特征在于包括：漂浮于水面的漂浮平台及运动测量台架，其中漂浮平台上安装有导轨，运动测量台架安装于导轨上并通过轨道轮与导轨配合；测量台架上还安装有电动机、电动机带动转动轴转动，转动轴上安装有两个缆绳绞盘，这两个缆绳绞盘上的缆绳绕线方式相反，所绕缆绳分别与位于漂浮平台两端的两个缆绳固定座连接；该测试平台还包括用于使漂浮平台在水面定位的水中固定件。

一种利用上述水面移动空气动力学测试平台测试的方法，其特征在于包括以下过程：(1)、将试验件固定在运动测量台架的台面上；(2)、测量自然风的风速、风向，转动浮动平台使其对准风向，然后通过水中固定件使浮动平台定位；(3)、根据所测风速以及试验件模拟风速、计算测量台架相对导轨的运动速度，进而确定电动机转速；(4)、起动电动机，当达到设定的转速匀速运行后，对实验件气动性能进行测量；(5)、完成一次测量后，反转电动机，将运动测量台架拉回原始发位置，进行下次试验。

本发明1)、利用相对运动原理，通过改变试验件(风力机、桥梁、建筑等模型)运动速度，使试验件迎面相对风速可变；2)、采用测试平台方向转动，使试验件运动逆风向，利用自然风速提高相对风速，降低试验件运动速度、减小运动距离进而减小测试平台尺寸，同时可消除自然风向与试验件运动方向不一致产生的相对风向不可控性；3)、利用水面安装测试平台，可避开建筑、山峰造成的自然风速不均匀，利用水体浮力可降低零部件强度要求、简化结构、并且易于实现平台的转动、降低设备成本。

应用该测试平台，可进行中小型风力机原型风轮空气动力学试验、整机性能测试，大型风力机缩尺模型风轮空气动力学试验；可用于其他低速试验，如：桥梁、建筑等模型吹风试验。

本项发明与目前已有的技术比较有以下优点，1)、没有洞壁干扰且模型尺寸较大，能更真实模拟实际运行状态；2)、无需建造大尺寸风洞、试验动力要求小，因此设备造价及测试费用低于风洞试验；3)、可根据要求调节风速，快速检测在整个设计风速范围内的性能。

附图说明

图1为水面移动空气动力学测试平台结构俯视示意图。

图2为水面移动空气动力学测试平台结构侧视示意图。

图3为电机和缆绳绞盘结构示意图。

图4为定位卡环与定位圈连接关系示意图。

图1中标号名称：1、定位卡环；2、定位圈；3、缆绳固定座；4、导轨；5、漂浮平台；6、缆绳；7、运动测量台架；8、电动机；9、缆绳绞盘；10、水底水泥桩；11、水下拉索；12、浮圈；13、试验件-风力机；14、轨道轮；15、水面；16、轴承座；17、转动轴；19、螺栓+螺帽，20、螺栓孔。

具体实施方法及实施例

1、水面移动空气动力学测试平台组成

图1和图2分别为所发明的水面移动空气动力学测试平台结构俯视和侧视示意图。该测试平台主要由定位卡环1、定位圈2、缆绳固定座3、导轨4、漂浮平台5、缆绳6、运动测量台架7、电动机8、缆绳绞盘9、水底水泥桩10、水下拉索11、和浮圈12组成。

2、各零部件功能及相互连接关系

定位卡环1与定位圈2配合，用于浮动平台5定位和固定作用。定位卡环1和定位圈2可采用图4所示连接方式。然后再利用定位卡环1上螺栓孔20(见图4)借助螺栓将其与浮动平台5连接。由于浮动平台5在试验过程中受力(主要为测试台架上试验件与风的作用力)要通过定位卡环传递至水底水泥桩，为保证结构强度，可采用较多个定位卡环1(图1、2中画出4个作为示意)。

漂浮平台5为空心结构，在水面上产生浮力。该平台上安装二个导轨4，与运动测量台架7的轨道轮14相配合。如图3，电动机8为调速电机可带动缆绳绞盘9正反向转动，实现运动测量台架的双向、变速运动。

水底水泥桩10、水下拉索11用于固定空心浮圈12。整个测试平台受力主要有：风浪拍打浮圈12和运动测试台架7上试验件13与风的作用力。为了确保该测试平台整体固定不动，可在水底固定浮圈12下方排列多个水底水泥桩，并且水下拉索11要有较大的拉力(要求浮圈12浮力大、水底水泥桩10牢靠)。

3、测试平台工作方式

将试验件(风力机、桥梁模型等)固定在运动测量台架7的台面上(如图2所示)；试验测量前，先测量自然风的风速、风向，转动浮动平台5使其对准风向，根据风速以及试验件前方相对风速要求确定运动测量台架7的运动速度，进而确定电动机8转速。起动电动机，当达到设定的转速匀速运行后，对试验件气动性能进行测量。完成一次测量后，反转电动机8，将运动测量台架7拉回原始发位置，进行第二次试验。

4、实施例

设计一个水面移动空气动力学测试平台，该平台可进行15米/秒以内风速、匀速持续时间1分钟试验。

假设该测试平台安装在经常性自然风速5米/秒的湖面上，因此运动测量台架7逆风运行速度最大要达到10米/秒；持续时间1分钟，轨道长度要600米。如果从静止加速到10米/秒需要10秒钟，从10米/秒减速到静止需要5秒钟，按平均速度5米/秒，还需要75米轨道。因此合计轨道长度为675米，这样测试平台浮圈内径应为700米左右。如果自然风速增大、测试最大风速降低或匀速持续时间缩短可减小平台尺寸，反则反之。

Claims (3)

1.一种水面移动空气动力学测试平台，其特征在于包括：

漂浮于水面的漂浮平台(5)及运动测量台架(7)，其中漂浮平台(5)上安装有导轨(4)，运动测量台架(7)安装于导轨(4)上并通过轨道轮(14)与导轨(4)配合；

测量台架上还安装有电动机(8)、电动机(8)带动转动轴(17)转动，转动轴(17)上安装有两个缆绳绞盘，这两个缆绳绞盘上的缆绳绕线方式相反，所绕缆绳分别与位于漂浮平台(5)两端的两个缆绳固定座(3)连接；

该测试平台还包括用于使漂浮平台(5)在水面定位的水中固定件。

2.根据权利要求1所述的水面移动空气动力学测试平台，其特征在于：上述用于使漂浮平台(5)在水面定位的水中固定件由水底水泥桩(10)、水下拉索(11)、浮圈(12)组成。

3.利用权利要求1所述水面移动空气动力学测试平台测试的方法，其特征在于包括以下过程：

(1)、将试验件固定在运动测量台架(7)的台面上；

(2)、测量自然风的风速、风向，转动浮动平台(5)使其对准风向，然后通过水中固定件使浮动平台(5)定位；

(3)、根据所测风速以及试验件模拟风速、计算测量台架(7)相对导轨的运动速度，进而确定电动机(8)转速；

(4)、起动电动机，当达到设定的转速匀速运行后，对实验件气动性能进行测量；

(5)、完成一次测量后，反转电动机(8)，将运动测量台架(7)拉回原始发位置，进行下次试验。

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