CN105003395A - 一种浮式风机运动性能的试验模型及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮式风机运动性能的试验模型及试验方法，试验模型包括水池、浮式风电机组模型、造风系统、造波系统以及造流系统。浮式平台模型通过系泊系统模型与水池相连接。造风系统与所述风力机模型的风轮叶片相对设置，且造风系统的输出风场的风场截面涵盖了风轮叶片所运行的区域，造风系统电性连接至所述控制装置。造波系统以及造流系统均与风轮叶片相对设置、且位于风轮叶片的同一侧，造波系统以及造流系统位于水池一端，造波系统及所述造流系统电性连接至控制装置。通过本发明试验模型进行试验，能够提供相对真实准确的验证数据，如此能够评价原型浮式风电机组的动力性能，且试验周期短、成本低和风险小。

Description

一种浮式风机运动性能的试验模型及试验方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的运动性能试验技术领域，尤其是涉及一种浮式风机运动性能的试验模型及试验方法。

背景技术

浮式风机使用浮式结构作为海上风机的基础平台，基础平台则用系泊系统锚定于海床。其成本较低，对地质条件没有要求，且容易运输，具有广阔的应用前景。浮式风机处于恶劣的海洋环境荷载中，使得受力机理和运动性能复杂。

其中，模型试验是提高浮式风力发电技术经济有效的方式。然而，目前对浮式风机模型试验的研究甚少，且还未形成一套系统完善的模型试验方法。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种浮式风机运动性能的试验模型，它能够方便获取与原型浮式风机相似的结构受力和运动性能，且模型成本低廉。

其技术方案如下：

一种浮式风机运动性能的试验模型，包括：水池；浮式风电机组模型，所述浮式风电机组模型漂浮在所述水池内，所述浮式风电机组模型包括浮式平台模型、系泊系统模型与风力机模型，所述浮式平台模型通过系泊系统模型与所述水池相连接，所述风力机模型安装在所述浮式平台模型上方，所述风力机模型包括风轮叶片、用于驱动所述风轮叶片转动的电动机、安装所述风轮叶片的机舱、支撑所述机舱的塔架、设置在所述塔架上的第一六分力仪、设置在所述机舱上的第二六分力仪以及加速度仪，所述电动机、第一六分力仪、第二六分力仪以及加速度仪均电性连接至控制装置；造风系统，所述造风系统用于输出风场，所述造风系统与所述风力机模型的风轮叶片相对设置，且所述造风系统的输出风场涵盖了所述风轮叶片所运行的区域，所述造风系统电性连接至所述控制装置；造波系统以及造流系统，所述造波系统用于使得所述水池内产生波浪，所述造流系统用于使得所述水池内产生水流，所述造波系统以及所述造流系统均与所述风轮叶片相对设置、且位于所述风轮叶片的同一侧，所述造波系统以及所述造流系统位于所述水池的一端，所述造波系统及所述造流系统电性连接至所述控制装置。

在其中一个实施例中，还包括消波系统，所述消波系统位于所述水池的另一端，所述消波系统与所述造波系统相对设置。

在其中一个实施例中，所述风轮叶片为碳纤维材料，所述风轮叶片内设有腔体，所述腔体内设有碳纤维杆以及树脂。

在其中一个实施例中，所述塔架包括由铝合金材料制成的第一中空杆以及由铝制材料制成的第二中空杆，所述浮式平台模型由玻璃钢制成，所述浮式平台模型、第一中空杆以及第二中空杆依次固定连接，所述第二中空杆与所述机舱固定连接，且所述第二中空杆上安装有所述第一六分力仪。

在其中一个实施例中，所述系泊系统模型为系泊缆索或张力腿结构。

在其中一个实施例中，所述系泊缆索包括钢丝、弹簧以及若干铅坠，所述钢丝与弹簧相连，若干所述铅坠均匀布置在所述钢丝与所述弹簧组成的缆线上，所述缆线的一端与所述浮式平台上的导缆孔相连，所述缆线的另一端与所述水池底板相连。

本发明还提供一种浮式风机运动性能的试验模型的试验方法，包括如下步骤：获取风轮叶片所受到推力的推力信号以及获取风轮叶片转速的转速信号；根据获取的所述推力信号与转速信号，判断所述风轮叶片的推力与转速是否同时与理论推力以及理论转速分别相同，若是，则进入后续模型试验，若否，则通过内设方法调整使得风轮叶片的推力与转速分别同时与理论推力以及理论转速分别相同后再进入后续模型试验。

在其中一个实施例中，所述内设方法包括如下步骤：步骤a、通过所述电动机调整所述风轮叶片的转速，使得所述风轮叶片的转速与所述理论转速相同；步骤b、判断所述风轮叶片受到的推力与所述理论推力是否相同，若是，则进入后续模型试验；若不是，则调整所述造风系统的输出风速，使得所述风轮叶片受到的推力与所述理论推力相同；步骤c、判断所述风轮叶片的转速是否与所述理论转速相同，若是，则进入后续模型试验；若不是，则通过所述电动机调整所述风轮叶片的转速与所述理论转速一致，并进入步骤b。

在其中一个实施例中，当所述风轮叶片的转速与所述理论转速相同、并判断出所述风轮叶片受到的推力小于所述理论推力时，则对所述风轮叶片的边缘进行粗糙化处理或者加装激流丝。

下面结合上述技术方案对本发明的原理、效果进一步说明：

1、本发明所述的浮式风机运动性能的试验模型，能通过水池、浮式风电机组模型、造风系统、造波系统以及造流系统精确模拟风浪流海洋环境、结构柔性和风机气动性能，因此具有较高的综合模型试验技术。相对于原型浮式风电机组测试试验，通过本发明试验模型进行试验，能够提供相对真实准确的模型验证数据，如此能够评价原型浮式风电机组的动力性能，且本发明试验模型试验周期短、成本低和风险小。

2、造波系统产生的波浪以及造流系统产生的水流经过浮式风电机组模型后，通过消波系统来吸收波浪的能量，能避免波浪反射至浮式风电机组，使得本发明浮式风机的运动性能的测试数据与原型中的运动性能数据更加接近。

3、所述风轮叶片为碳纤维材料，所述风轮叶片内设有腔体，所述腔体内采用碳纤维杆进行支撑并在腔体内部填充树脂。如此，能够保证风轮叶片的刚度与强度，且质量轻。塔架模型的第一中空杆选择6061铝合金材料制作，防腐性能好，且质量轻。浮式平台模型采用玻璃钢制作，使得刚度与水密性好。

4、反复调整电动机的转速以及造风系统的输出风速，使得风轮叶片的转速与风轮叶片受到的推力能够同时与原型中的相似，使得通过本发明所述浮式风机运动性能试验模型所获得的模型试验数据能够准确反映原型浮式风机的运动性能。同时记录下此时电动机的工作状态以及造风系统的工作频率。在后续进行相同原型风速下的模型试验时，可以按照标定好的电动机状态和造风系统的工作频率进行模型试验，使得模型试验更加快速方便，缩短了模型试验的时间。

附图说明

图1为本发明实施例所述浮式风机运动性能的试验模型结构示意图；

图2为本发明实施例所述浮式风机运动性能的试验模型中的浮式风力机模型的结构示意图；

图3为本发明实施例所述浮式风机运动性能的试验模型的试验方法流程图。

附图标记说明：

10、水池，20、浮式风电机组模型，21、浮式平台模型，22、风力机模型，221、风轮叶片，222、电动机，223、机舱，224、塔架，225、第一六分力仪，226、第二六分力仪，227、加速度仪，30、造风系统，40、造波系统，50、造流系统，60、系泊缆索。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1及2所示，本发明所述的浮式风机运动性能的试验模型，包括水池10、浮式风电机组模型20、造风系统30、造波系统40以及造流系统50。

所述浮式风电机组模型20漂浮在所述水池10内，所述浮式风电机组模型20包括浮式平台模型21、系泊系统模型与风力机模型22，所述浮式平台模型21通过系泊系统模型与所述水池10相连接。所述风力机模型22安装在所述浮式平台模型21上方，所述风力机模型22包括风轮叶片221、用于驱动所述风轮叶片221转动的电动机222、安装所述风轮叶片221的机舱223、支撑所述机舱223的塔架224、设置在所述塔架224上的第一六分力仪225、设置在所述机舱223上的第二六分力仪226以及加速度仪227。所述电动机222、第一六分力仪225、第二六分力仪226以及加速度仪227均电性连接至控制装置。

第一六分力仪225靠近塔架224的顶部，主要用于测量塔架224顶部的剪力与弯矩。第二六分力仪主要用于测量风轮叶片221的推力，并将推力信号发送给控制装置，以判断所测得推力是否与预设推力相同。加速度仪227用于测量机舱223在风场作用下所产生的加速度。所述浮式风电机组模型20还包括用于测量系泊系统模型张力的张力传感器和用于测量浮式平台模型21位移的非接触式光学六自由度运动测量装置。

所述造风系统30用于输出风场，所述造风系统30与所述风力机模型22的风轮叶片221相对设置，且所述造风系统30的输出风场涵盖了所述风轮叶片221所运行的区域，所述造风系统30电性连接至所述控制装置，通过控制装置改变造风系统30的操作频率，即可相应改变输出风速的大小。

所述造波系统40用于使得所述水池10内产生波浪，所述造流系统50用于使得所述水池10内产生水流，所述造波系统40以及所述造流系统50均与所述风轮叶片221相对设置、且位于所述风轮叶片221的同一侧，所述造波系统40以及所述造流系统50位于所述水池10内的一端，所述造波系统40及所述造流系统50电性连接至所述控制装置。

其中，本发明所述浮式风机运动性能的试验模型中涉及的浮式风电机组模型20、水池10内的水流、水池10内的波浪及浮式风电机组模型20所处风场的风速等物理量均按照模型试验缩尺相似方法得到，下面将对模型试验缩尺相似方法进一步介绍。

由于浮式风力发电机组在运行中主要受到重力、惯性力和非定常流体力的作用，如果在模型试验中忽略雷诺数的影响，认为风机的气动特性受雷诺数的影响不敏感，那么可以参考传统海洋工程水动力模型试验的做法，按照浮式风电机组原型和试验模型之间满足几何相似准则、重力相似准则(弗劳德数(Froude)相似)和非定常性相似准则(斯特劳哈尔数(Strouhal)相似)来设计模型试验，因此得到如下的关系式：

$\frac{V_m}{\sqrt{{\mathrm{gL}}_m}}=\frac{V}{\sqrt{{\mathrm{gL}}_s}}---\left(1\right)$

$\frac{V_m{T}_m}{L_m}=\frac{V_s{T}_s}{L_s}---\left(2\right)$

以上两式中的下标m代表模型，下标s代表原型，V、L和T分别为特征速度、特征线尺度及主要周期。

基于以上相似关系，可以推导求得浮式风电机组比例模型试验中模型与原型各种物理量之间的转换系数，如表1所示，表中的转换系数为缩尺比λ的函数，λ定义为原型和模型之间特征长度的比值，γ为海水和淡水密度之比。将原型数值除以表1中的比例系数，就可以得到物理量的模型值。

表1 模型与原型各种物理量之间的转换关系

物理量	原型符号	模型符号	转换系数
				线尺度	Ls	Lm	λ
面积	As	Am	λ2
				体积	▽s	▽m	λ3
时间/周期	Ts	Tm	λ1/2
				频率	fs	fm	λ-1/2
密度	ρs	ρm	γ
				线速度	Vs	Vm	λ1/2
线加速度	as	am	1
				角度	φs	φm	1
质量/排水量	△s	△m	γλ3
				力	Fs	Fm	γλ3
力矩	Ms	Mm	γλ4
				功率	Ps	Pm	λ3 . 5
弹性模量	Es	Em	γλ
				应力	σs	σm	γλ
转动惯量	Js	Jm	γλ5
				弹性系数(刚度)	Ks	Km	γλ2
风力系数	Cs	Cm	1

本发明所述的浮式风机运动性能的试验模型，能通过水池10、浮式风电机组模型20、造风系统30、造波系统40以及造流系统50精确模拟风浪流海洋环境、结构柔性和风机气动性能，因此具有较高的综合模型试验技术。相对于原型浮式风电机组测试试验，通过本发明试验模型进行试验，能够提供相对真实准确的模型验证数据，如此能够评价原型浮式风电机组的动力性能，且本发明试验模型试验周期短、成本低和风险小。

所述的浮式风机运动性能的试验模型还包括消波系统。所述消波系统位于所述水池10的另一端，所述消波系统与所述造波系统40相对设置。造波系统40产生的波浪以及造流系统50产生的水流经过浮式风电机组模型20后，通过消波系统来吸收波浪的能量，能避免波浪反射至浮式风电机组，使得本发明浮式风机的运动性能的测试数据与原型中的运动性能数据更加接近。

所述风轮叶片221为碳纤维材料，所述风轮叶片221内设有腔体。所述腔体内设有碳纤维杆以及树脂。如此，通过碳纤维杆支撑在风轮叶片221内部，以及辅助填充树脂能够保证风轮叶片221的刚度与强度，且质量轻。

所述塔架224包括由铝合金材料制作的第一中空杆以及由铝制材料制作的第二中空杆，浮式平台模型21由玻璃钢制作的，所述浮式平台模型21、第一中空杆以及第二中空杆依次固定连接，所述第二中空杆与所述机舱223固定连接，且所述第二中空杆上安装有所述第一六分力仪225。第一中空杆选择6061铝合金材料制作，防腐性能好，且质量轻。浮式平台模型21采用玻璃钢制作，使得刚度与水密性好。

所述系泊系统模型为系泊缆索60或张力腿结构。其中，所述系泊缆索60包括钢丝、弹簧以及若干铅坠。所述钢丝与弹簧相连，若干所述铅坠均匀布置在所述钢丝与所述弹簧组成的缆线上，所述缆线的一端与所述浮式平台上的导缆孔相连，所述缆线的另一端与所述水池10底板相连。

本发明所述的浮式风机运动性能的试验模型的试验方法，包括如下步骤：

获取风轮叶片221所受到推力的推力信号以及获取风轮叶片221转速的转速信号；

根据获取的所述推力信号与转速信号，判断所述风轮叶片221的推力与转速是否同时与理论推力以及理论转速分别相同，若是，则进入后续模型试验，若否，则通过内设方法调整使得风轮叶片221的推力与转速分别同时与理论推力以及理论转速分别相同后再进入后续模型试验。该理论转速是由原型中风轮叶片的转速按照上述缩尺相似方法转换得到，该理论推力是由原型中风轮叶片的推力按照上述缩尺相似方法转换得到。

然而，风机气动荷载对雷诺数较为敏感，且受雷诺数(Re)的影响较大。如此，就使在Froude相似的风机和风场下生成正确的风机荷载有了困难。而浮式风机模型试验，必须在一定程度上模拟风力特性。由于空气的运动粘性系数小，雷诺数很大，这就导致在试验中无法满足雷诺数相似。因而，在无法完全准确模拟雷诺数的前提下，本发明所述的浮式风机运动性能的试验模型的试验方法先使得风轮叶片221转速与推力同时相似，然后开展浮式风机运动性能的模型试验，如此浮式风机模型试验考虑了风机气动荷载的作用，使得通过本发明所述浮式风机运动性能试验模型所获得的模型试验数据能够准确反映原型浮式风机的运动性能。

请参阅图3，其示意出了本发明实施例所述内设方法的具体流程图，其包括如下步骤：

步骤S101、通过所述电动机222调整所述风轮叶片221的转速，使得所述风轮叶片221的转速与所述理论转速相同；电动机222要具有质量轻、功率大、稳定性好以及易调速的特性，且电动机222要具有正转和反转的功能。当叶轮转速小于理论相似转速时，通过电动机222正转来提高转速；当叶轮转速大于理论相似转速时，可以通过电动机222反转来降低转速。需要反复调节造风系统的输出风速和电动机(正转或反转)的输出扭矩来实现叶轮转速和风机推力的同时相似。

步骤S102、判断所述风轮叶片221受到的推力与所述理论推力是否相同，若是，则进入步骤S105；若不是，则进入步骤S103；

步骤S103、调整所述造风系统30的输出风速，使得所述风轮叶片221受到的推力与所述理论推力相同；

步骤S104、判断所述风轮叶片221的转速是否与所述理论转速相同，若是，则进入步骤S105，若否，则进入步骤S101；

步骤S105、进入后续模型试验。后续模型试验则对浮式风电机组模型20的各项运动性能特征进行测试，能获得与原型浮式风电机组相似的结构受力与运动性能，并用于评价原型浮式风电机组的动力性能。

如此，风机叶片仍然可以按照几何相似的翼型来加工制作，波浪和水流同样按照Froude来相似，反复调整电动机222的转速以及造风系统30的输出风速，使得风轮叶片221的转速与风轮叶片221受到的推力能够同时与原型中的相似，使得通过本发明所述浮式风机运动性能试验模型所获得的模型试验数据能够准确反映到原型中的浮式风机的运动性能。同时记录下此时电动机222的工作状态以及造风系统30的工作频率。在后续进行相同原型风速下的模型试验时，可以按照标定好的电动机222状态和造风系统30的工作频率进行模型试验，使得模型试验更加快速方便，缩短了模型试验的时间。

其中，当所述风轮叶片221的转速与所述理论转速相同、并判断出所述风轮叶片221受到的推力小于所述理论推力时，则可以对所述风轮叶片221的边缘进行粗糙化处理。对风轮叶片221进行粗糙化处理后，使得风轮叶片221在造风系统30的相同风速下，风轮叶片221受到的推力变大。或者在风轮叶片221上加装激流丝，以提高风轮叶片221所受到的推力使得与理论推力相同。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，包括：

水池；

浮式风电机组模型，所述浮式风电机组模型漂浮在所述水池内，所述浮式风电机组模型包括浮式平台模型、系泊系统模型与风力机模型，所述浮式平台模型通过系泊系统模型与所述水池相连接，所述风力机模型安装在所述浮式平台模型上方，所述风力机模型包括风轮叶片、用于驱动所述风轮叶片转动的电动机、安装所述风轮叶片的机舱、支撑所述机舱的塔架、设置在所述塔架上的第一六分力仪、设置在所述机舱上的第二六分力仪以及加速度仪，所述电动机、第一六分力仪、第二六分力仪以及加速度仪均电性连接至控制装置；

造风系统，所述造风系统用于输出风场，所述造风系统与所述风力机模型的风轮叶片相对设置，且所述造风系统的输出风场涵盖了所述风轮叶片所运行的区域，所述造风系统电性连接至所述控制装置；

造波系统以及造流系统，所述造波系统用于使得所述水池内产生波浪，所述造流系统用于使得所述水池内产生水流，所述造波系统以及所述造流系统均与所述风轮叶片相对设置、且位于所述风轮叶片的同一侧，所述造波系统以及所述造流系统位于所述水池的一端，所述造波系统及所述造流系统电性连接至所述控制装置。

2.根据权利要求1所述的浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，还包括消波系统，所述消波系统位于所述水池的另一端，所述消波系统与所述造波系统相对设置。

3.根据权利要求2所述的浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，所述风轮叶片为碳纤维材料，所述风轮叶片内设有腔体，所述腔体内设有碳纤维杆以及树脂。

4.根据权利要求2所述的浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，所述塔架包括由铝合金材料制成的第一中空杆以及由铝制材料制成的第二中空杆，所述浮式平台模型由玻璃钢制成，所述浮式平台模型、第一中空杆以及第二中空杆依次固定连接，所述第二中空杆与所述机舱固定连接，且所述第二中空杆上安装有所述第一六分力仪。

5.根据权利要求2所述的浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，所述系泊系统模型为系泊缆索或张力腿结构。

6.根据权利要求5所述的浮式风机运动性能的试验模型，其特征在于，所述系泊缆索包括钢丝、弹簧以及若干铅坠，所述钢丝与弹簧相连，若干所述铅坠均匀布置在所述钢丝与所述弹簧组成的缆线上，所述缆线的一端与所述浮式平台上的导缆孔相连，所述缆线的另一端与所述水池底板相连。

7.一种采用了如权利要求1至6任一项所述的浮式风机运动性能的试验模型的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取风轮叶片所受到推力的推力信号以及获取风轮叶片转速的转速信号；

根据获取的所述推力信号与转速信号，判断所述风轮叶片的推力与转速是否同时与理论推力以及理论转速分别相同，若是，则进入后续模型试验，若否，则通过内设方法调整使得风轮叶片的推力与转速分别同时与理论推力以及理论转速分别相同后再进入后续模型试验。

8.根据权利要求7所述的浮式风机运动性能的试验模型的试验方法，其特征在于，所述内设方法包括如下步骤：

步骤a、通过所述电动机调整所述风轮叶片的转速，使得所述风轮叶片的转速与所述理论转速相同；

步骤b、判断所述风轮叶片受到的推力与所述理论推力是否相同，若是，则进入后续模型试验；若不是，则调整所述造风系统的输出风速，使得所述风轮叶片受到的推力与所述理论推力相同；

步骤c、判断所述风轮叶片的转速是否与所述理论转速相同，若是，则进入后续模型试验；若不是，则通过所述电动机调整所述风轮叶片的转速与所述理论转速一致，并进入步骤b。

9.根据权利要求7所述的浮式风机运动性能的试验模型的试验方法，其特征在于，当所述风轮叶片的转速与所述理论转速相同、并判断出所述风轮叶片受到的推力小于所述理论推力时，则对所述风轮叶片的边缘进行粗糙化处理或者加装激流丝。