CN103926080A - 海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置 - Google Patents

Abstract

一种海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，包括基座、整体整流装置和若干相互紧密并行排列且连接的造风整流单元；其中，基座为方框结构，具有进风口和出风口；整体整流装置安装在出风口的方框内且充满该方框的横截面，用以对风场进行整流；造风整流单元连接于进风口的方框内，包括造风单元、圆转方接头和造风单元整流装置，造风单元用以生成圆形的原始风场，圆转方接头为圆转方形结构，用以将造风单元所生成的圆形风场转换成方形风场，其园端靠近进风口并连接造风单元，方端靠近出风口，造风单元整流装置安装在该方端内，用以对原始风场进行整流。本发明将圆形风场转换成方形风场，消除了相邻风场间的间隙，对原始风场进行两次有效的整流，提高了所生成风场的精度。

Description

海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种新型试验用造风装置，具体涉及一种海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置。

背景技术

风能是目前发展最迅速、最具潜力的可再生能源，全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大10倍以上，其中大部分高品质的风能资源集中在海上深水区域。海上风能大国如：美国、中国、日本、挪威等的风能资源都集中在水深超过30m的非浅水区域。深水浮动式风力机作为一种替代传统固定式风机的新装备具有广阔的应用前景，已成为国外海上风能研究的热点领域。

浮动式风力机主要由三部分组成，即位于顶部的风力发电机组、底部的浮式基础和用以连接二者的塔筒结构。底部的浮式基础与海洋石油平台下浮体相似，可划分为三种主要类型：单柱式平台，半潜式平台和张力腿式平台。单柱式平台通过压载使重心高度远低于浮心高度以获得稳性和优良的垂荡性能。半潜式平台通过合理布置水线面以取得较大的水线面惯性矩，从而获得稳性和较好的运动性能。张力腿式平台通过设置张力腿预张力以获得稳性和优良的运动性能。美国、欧洲和日本等对此进行了比较广泛的研究，纷纷提出了新型的浮式风机概念，目前处于不同的设计和验证阶段，并对其分别开展了相关海洋工程水池模型试验。

挪威Marintek水池于2005年对5MW“Hywind”概念进行了风、浪联合作用模型试验。试验中模型几何缩尺比为1：47，水动力模型满足弗劳德相似，空气动力学模型采用NACA44XX翼型剖面，并进行了雷诺数（Re）修正。为满足重量缩尺比关系，模型叶片材料采用碳纤维+环氧树脂，并且局部中空处理。美国加州伯克利分校（UC Berkeley）船模拖曳水池对5MW“WindFloat”概念进行了风、浪联合作用模型试验，试验共先后进行了2组，对应模型几何缩尺比分别为1：105和1：67。与常规海洋工程模型试验一样，该模型满足弗劳德相似和斯特劳哈尔相似，没有考虑空气动力学相似，采用了简化的空气动力学模型。日本东京大学工业科学学院海洋工程水池对5MW张力腿式（TLP）风力发电机概念进行了风、浪联合作用模型试验。该TLP基础由一个主体圆柱和3个等角度布置的长方形下浮体组成。模型缩尺比为1：100，水动力学模型满足弗劳德相似和斯特劳哈尔相似。风机桨叶翼型剖面采用NACA4412，材料为碳纤维复合材料（CFRP）。

经对现有技术的文献检索发现，日本Toshiki等人于2013年的OMAE会议上发表了一种海上单柱式浮动式风机水池模型试验（OMAE2013-10649）。该水池模型试验中的造风装置采用的是将多组传统圆形造风单元简单累加后而成的结构，并不能满足高精度的造风需求。该造风装置存在如下问题：1）相邻圆形造风单元间存在空隙，不能生成平面内均匀的风场；2）传统圆形造风单元所产生的风场存在多余的周向速度。因此，若要生成海上浮动式风力机水池模型试验所需要的高精度风场，迫切需要开发一种新型的造风装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有海洋工程水池模型试验造风装置的上述不足和缺陷，提供一种海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，消除了相邻造风单元所生成的风场间的间隙，将圆形风场转换成方形风场，并能够对原始风场进行有效的整流。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其包括：

基座，为板梁式方框结构，一端为进风口，另一端为出风口；

若干相互紧密并行排列且连接的造风整流单元，固定连接于所述基座的进风口的方框内并充满该方框的横截面，该造风整流单元包括造风单元、圆转方接头和造风单元整流装置，该造风单元的截面为圆形，用以生成圆形的原始风场，该圆转方接头相互连接且与所述基座的方框内壁相连，所述圆转方接头为圆转方形结构，其园端靠近所述基座的进风口并连接所述造风单元，方端靠近所述基座的出风口，用以将所述造风单元所生成的圆形的原始风场转换成方形的风场，所述造风单元整流装置安装在所述圆转方接头的方端内，用以对所述原始风场进行整流；

整体整流装置，安装在所述基座的出风口的方框内且充满该方框的横截面，用以对所述风场进行整流。

进一步地，所述的造风单元包含有风扇、桨毂、电动机、电动机基座和控制器。

进一步地，每一所述的造风整流单元包括一造风单元、一圆转方接头和一造风单元整流装置。

进一步地，所述的整体整流装置为格栅式或蜂窝式。

进一步地，所述的造风单元整流装置为格栅式或蜂窝式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）采用了圆转方接头，将造风单元所生成的圆形风场转换成了方形风场，并且该圆转方接头相互连接且充满了基座的横截面，从而根本上消除了相邻风场间的间隙；2）由于采用了造风单元整流装置和整体整流装置，可以对造风单元所生成的原始风场进行先后两次有效的整流，因此提高了所生成的试验需要风场的精度。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的侧视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明圆转方接头的侧视图。

图5是图4的B-B剖视图。

其中，1—基座，2—整体整流装置，3—造风单元，4—圆转方接头，5—造风单元整流装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，本实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置包括：基座1、25组造风整流单元和整体整流装置2；所述基座1用以支撑和安装整体整流装置2和造风整流单元，该基座1为板梁式方框结构，中间中心区域设有正方形开孔，其前后方向一端为进风口，另一端为出风口（见图2）。构件的连接关系为：所述整体整流装置2安装在所述基座1的出风口的方框内，并且充满该方框的横截面，用以对所述风场进行整流，生成试验所需要的高精度风场；所述25组造风整流单元相互紧密并行排列成5行5列，并且相互连接，其外周的造风整流单元固定连接于所述基座1的进风口的方框内，并且充满该方框的横截面，各造风整流单元之间不留空隙，从而根本上消除了相邻风场间的间隙，能够形成平面上均匀的风场。

所述造风整流单元包括造风单元3、圆转方接头4和造风单元整流装置5；所述造风单元3的截面为圆形，用以生成圆形的原始风场；所述圆转方接头4为圆转方形结构，一端为园端，该园端为进风端，另一端为方端，该方端为出风端，该圆转方接头4用以将所述造风单元3所生成的圆形的原始风场转换成方形的风场；所述造风单元整流装置5，用以对所述原始风场进行整流。构件的连接关系为：相邻的圆转方接头4相互连接，并且外周的圆转方接头4通过螺栓与所述基座1的方框内壁相连，从而使全部25组造风整流单元固定连接于所述基座1内；该圆转方接头4的园端靠近所述基座1的进风口，并且连接所述造风单元3，方端靠近所述基座1的出风口；所述造风单元整流装置5安装在所述圆转方接头2的方端内，见图4。每一所述的造风整流单元包括一造风单元3、一圆转方接头4和一造风单元整流装置5，该造风单元3、圆转方接头4和造风单元整流装置5的位置沿所述基座1的进风口向出风口方向依次排列，从而形成自圆形的原始风场转换为方形的风场的路径。

所述的基座1总长约1.7m，其中心区域的正方形开孔的边长为3m。

所述的整体整流装置2为格栅式，请参阅图3，格栅的开孔为正方形，边长75mm；该整体整流装置2也可以为蜂窝式。

所述的造风单元3包含有风扇、桨毂、电动机、电动机基座、控制器等，配用3种转速：2900r/min、1450r/min或960r/min，面对进风口方向看风扇叶轮为逆时针转动；电动机转速为2900r/min时，额定流量为8513m3/h。

所述的圆转方接头4的园端内径为410mm，方端边长为600mm。

所述的造风单元整流装置5为格栅式，格栅的开孔为正方形，边长25mm；该造风单元整流装置5也可以为蜂窝式。

本实施例的安装和工作过程如下：

1）将造风单元整流装置5安装在圆转方接头4的方端内；

2）将整体整流装置2和圆转方接头4分别安装在基座1的出风口和进风口上，将25组造风单元3分别连接在圆转方接头4的园端上；

3）海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置安装完毕后，接通电源，25组造风单元3开始工作，同时生成圆形的原始风场；

4）造风单元3生成的圆形的原始风场经圆转方接头4转换为方形的风场，并由造风单元整流装置5进行初步整流；

5）由造风单元整流装置5初步整流后的风场经由整体整流装置2进一步整流，进而生成试验所需要的高精度风场。

本实施例所提供的海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置与日本Toshiki等人所采用的造风装置相比，由于采用了圆转方接头，将造风单元所生成的圆形风场转换成方形风场，根本上消除了相邻风场间的间隙；采用了造风单元整流装置和整体整流装置，可以对造风单元所生成的原始风场进行两次有效的整流，进而生成试验所需要的高精度风场。

Claims (5)

1.一种海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其特征是，所述造风装置包括：

基座，为板梁式方框结构，一端为进风口，另一端为出风口；

若干相互紧密并行排列且连接的造风整流单元，固定连接于所述基座的进风口的方框内并充满该方框的横截面，该造风整流单元包括造风单元、圆转方接头和造风单元整流装置，该造风单元的截面为圆形，用以生成圆形的原始风场，该圆转方接头相互连接且与所述基座的方框内壁相连，所述圆转方接头为圆转方形结构，其园端靠近所述基座的进风口并连接所述造风单元，方端靠近所述基座的出风口，用以将所述造风单元所生成的圆形的原始风场转换成方形的风场，所述造风单元整流装置安装在所述圆转方接头的方端内，用以对所述原始风场进行整流；

整体整流装置，安装在所述基座的出风口的方框内且充满该方框的横截面，用以对所述风场进行整流。

2.根据权利要求1所述的海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其特征是，所述的造风单元包含有风扇、桨毂、电动机、电动机基座和控制器。

3.根据权利要求1所述的海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其特征是，每一所述的造风整流单元包括一造风单元、一圆转方接头和一造风单元整流装置。

4.根据权利要求1所述的海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其特征是，所述的整体整流装置为格栅式或蜂窝式。

5.根据权利要求1所述的海上浮动式风力机水池模型试验用造风装置，其特征是，所述的造风单元整流装置为格栅式或蜂窝式。