CN109185073A - 一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置及使用方法 - Google Patents

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迟庆海
张兆
张一兆
郭建廷
施奇
杨大明
谢仪
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Abstract

本发明公开了一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置及使用方法，包括风载荷加载装置，其一端连接运动控制装置，另一端固定，风载荷加载装置包括两段对称分布的横向加载杆，横向加载杆上均套有弹簧，两段横向加载杆之间固定有塔柱，塔柱的顶部设有位移测量装置，弹簧的一端与塔柱固定，另一端固定有滑轨架，避免约束风机的垂荡和纵摇。本发明通过摄像机捕捉位移监测球的运动曲线，并通过工控机输入电脑，结合风谱图，利用预测函数控制算法和动量—叶素理论对下一时刻左侧滑轨架的位置进行预测，然后将信号传输到控制模块，进而控制滑块的移动，有效模拟风浪流中海洋浮式风机工作时叶片风载荷的加载，实验数据可作为海洋浮式风机受力分析的支撑数据。

Description

一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置及使用方法
技术领域
本发明涉及风机的风载荷加载实验装置，尤其涉及一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置及使用方法。
背景技术
风能是一种可再生的清洁型能源，风力发电是风能利用的重要形式。而海上风电场相比陆地风电场具有显著优势，具有风能资源丰富、风速高、风速变化较均匀、发电功率大、寿命长、可节约土地资源、减少噪声污染等优点，重要的是中国具有广阔的海岸线，蕴藏丰富的深海风能，居全球首位。
海上浮式风机是最具开发潜力的新型风电技术，可为开发深海风能提供有效的解决方案。但是由于其受波浪力、锚系的非线性变形、叶片和塔柱的柔性变化及其受到的巨大风力载荷等影响，使得海上浮式风机的疲劳分析受到巨大挑战。因此需要大量的实验数据作为分析的支撑材料，然而采用风机叶片加载风载荷的实验方法，成本较大，过程复杂，不利于长期重复实验的进行。所以有必要发明一种简单有效的风载荷加载实验方法。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种简单有效的海洋浮式风机的风载荷加载实验装置及使用方法。
技术方案：本发明包括风载荷加载装置，所述风载荷加载装置的一端连接运动控制装置，另一端固定；风载荷加载装置包括两段对称分布的横向加载杆，所述的横向加载杆上均套有弹簧，两段横向加载杆之间固定有塔柱，所述弹簧的一端与塔柱固定，另一端固定有滑轨架，所述塔柱的顶部设有位移测量装置。
所述的滑轨架包括两根对立分布的竖直滑轨，所述滑轨的两端均通过连杆固连，滑轨内侧的中央位置设有滑块，滑块之间固定有弹簧，通过滑轨架压缩弹簧的形式代替风机桨叶承受风载荷的作用，避免约束横向加载杆即风机的垂荡和纵摇。
所述的运动控制装置包括控制模块、丝杆与滑块，所述的控制模块通过电机与丝杆连接，所述的丝杆上设有滑块，所述滑块的底部通过连接杆与风载荷加载装置一侧的滑轨架连接，所述的丝杆与横向加载杆平行，通过控制模块控制电机转动，使滑块带动滑轨架移动相应的距离。
所述的位移测量装置包括摄像机与位移监测球，所述的位移监测球位于塔柱的顶部，所述的摄像机通过工控机连接电脑，电脑与控制模块连接，通过摄像机捕捉位移监测球的运动曲线，并通过工控机输入电脑，进而传输到控制模块，控制滑块的移动。
所述的塔柱与横向加载杆垂直，塔柱的底部连接有浮式基础。
所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置使用方法，包括以下步骤：
(1)利用摄像机捕捉位移监测球的运动曲线，并通过工控机输入电脑；
(2)结合风谱图，利用预测函数控制算法和动量—叶素理论对下一时刻左侧滑轨架的位置进行预测；
(3)将信号输出到控制模块中，控制模块控制伺服电机转动，使滑块带动左侧滑轨架移动相应的距离。
所述步骤(2)中左侧滑轨架下一时刻的位置通过以下方法预测：
(1)根据以往通过摄像机记录的位移监测球的速度和位移，利用预测函数控制算法预测下一时间t+Δt时刻的速度和位移
(2)结合t+Δt时刻的风速和求出相对风速，利用动量—叶素理论计算出风载荷
(3)取水平向右为正方向，弹簧刚度为k，则t+Δt时刻左侧滑轨架的位移需满足：进而得到：
有益效果：本发明的风载荷加载实验装置结构简单，成本低，适于长期重复实验；且结合labview编写的程序与运动控制装置，能有效模拟风浪流中海洋浮式风机工作时叶片风载荷的加载，测出的实验数据可作为海洋浮式风机受力分析的支撑数据。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的滑轨架示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括运动控制装置、风载荷加载装置与位移测量装置，风载荷加载装置的一端连接运动控制装置，另一端固定不动，底部连接有浮式基础15。风载荷加载装置包括两段对称分布的横向加载杆6，横向加载杆6上均套有弹簧7，两段横向加载杆6之间固定有塔柱11，塔柱11的顶部设有位移测量装置，弹簧7的一端与塔柱11固定，另一端固定有滑轨架5。其中左侧滑轨架的上方通过连接杆4与滑块3固接，右侧的滑块架通过上下对称的连接框10固定。
如图2所示，滑轨架5包括两根对立分布的竖直精密滑轨5-2，滑轨5-2的上下两端均通过连杆5-3固连，形成一个矩形滑轨架5，滑轨5-2内侧的中央位置均设有滑块5-1，滑块5-1之间固定有弹簧7，弹簧7可沿精密滑轨5-2滑动，保证了浮式风机系统受风载荷和波浪力影响时，不影响风载荷加载装置的垂荡和纵摇。风载荷加载装置在风力方向采用对称弹簧7加载载荷，通过滑轨架5压缩弹簧7的形式代替风机桨叶承受风载荷的作用，避免约束风机的垂荡和纵摇。
运动控制装置包括控制模块1、丝杆2与滑块3，控制模块1通过电机14与丝杆2连接，丝杆2上设有滑块3，滑块3的底部通过连接杆4与风载荷加载装置一侧的滑轨架5连接，丝杆2与横向加载杆6平行，通过控制模块1控制电机14转动，从而使滑块3带动滑轨架5移动相应的距离。
位移测量装置包括摄像机9与位移监测球8，位移监测球8位于塔柱11的顶部，摄像机9通过工控机16连接电脑12与显示器13，电脑12与控制模块1连接。位移测量装置基于labview的控制程序编写，通过摄像机9捕捉位移监测球8的运动曲线，并通过工控机16输入电脑12，结合风谱图，利用预测函数控制(PFC)算法和动量—叶素理论对下一时刻左侧滑轨架的位置进行预测，然后将信号传输到控制模块1，控制电机14转动，进而控制滑块3的移动。
浮式基础15的顶部通过塔柱11与风载荷加载装置连接，塔柱11与横向加载杆6垂直，浮式基础15的底部连接有锚链17。
实验时，将实验装置固定于波浪水槽上方，其中浮式基础15和锚链17浸入水中。当水流静止时，装置保持平衡位置，横向加载杆6沿着风载荷方向放置，与连接杆4连接的滑轨架5位于来流方向，静止时横向加载杆6的两端约位于滑轨架5的中心位置。丝杆2位于横向加载杆6上方且与横向加载杆6平行，滑块3位于丝杆2的中央位置，摄像机9位于位移监测球8的正前方2m处。
当波浪来流时，横向加载杆6会沿着滑轨架5发生上下振动和偏移，根据摄像机9记录的塔柱11顶端的位移监测球8的速度和位移，结合预测函数控制算法和动量—叶素理论预测左侧滑轨架移动的距离，然后导出到控制模块1中，控制电机14的转动，通过丝杆2的转动带动滑块3移动相应的距离，即左侧滑轨架的移动距离，从而达到模拟风载荷加载的效果。
本发明的风载荷加载实验装置使用方法，包括以下步骤：
(1)利用摄像机捕捉位移监测球的运动曲线，并通过工控机输入电脑；
(2)结合风谱图，利用预测函数控制算法和动量—叶素理论对下一时刻左侧滑轨架的位置进行预测；
(3)将信号输出到控制模块中，控制模块控制伺服电机转动，使滑块带动左侧滑轨架移动相应的距离。
其中，左侧滑轨架下一时刻的位置通过以下方法预测：
(1)根据以往通过摄像机记录的位移监测球的速度和位移，利用预测函数控制算法预测下一时间t+Δt时刻的速度和位移
(2)结合t+Δt时刻的风速和求出相对风速，利用动量—叶素理论计算出风载荷
(3)取水平向右为正方向，弹簧刚度为k，则t+Δt时刻左侧滑轨架的位移需满足：进而得到：
由于的计算过程所需要的时间非常短，因此可以保证在t+Δt时刻通过控制电机，驱动左侧滑轨架到达指定位置，从而实现风载荷的施加。

Claims (7)

1.一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置，其特征在于，包括风载荷加载装置，所述风载荷加载装置的一端连接运动控制装置，另一端固定；风载荷加载装置包括两段对称分布的横向加载杆(6)，所述的横向加载杆(6)上均套有弹簧(7)，两段横向加载杆(6)之间固定有塔柱(11)，所述弹簧(7)的一端与塔柱(11)固定，另一端固定有滑轨架(5)，所述塔柱(11)的顶部设有位移测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置，其特征在于，所述的滑轨架(5)包括两根对立分布的竖直滑轨(5-2)，所述滑轨(5-2)的两端均通过连杆(5-3)固连，滑轨(5-2)内侧的中央位置设有滑块(5-1)，滑块(5-1)之间固定有弹簧(7)。
3.根据权利要求1所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置，其特征在于，所述的运动控制装置包括控制模块(1)、丝杆(2)与滑块(3)，所述的控制模块(1)通过电机(14)与丝杆(2)连接，所述的丝杆(2)上设有滑块(3)，所述滑块(3)的底部通过连接杆(4)与风载荷加载装置一侧的滑轨架(5)连接，所述的丝杆(2)与横向加载杆(6)平行。
4.根据权利要求1所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置，其特征在于，所述的位移测量装置包括摄像机(9)与位移监测球(8)，所述的位移监测球(8)位于塔柱(11)的顶部，所述的摄像机(9)通过工控机(16)连接电脑(12)，电脑(12)与控制模块(1)连接。
5.根据权利要求1所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置，其特征在于，所述的塔柱(11)与横向加载杆(6)垂直，塔柱(11)的底部连接有浮式基础(15)。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用摄像机捕捉位移监测球的运动曲线，并通过工控机输入电脑；
(2)结合风谱图，利用预测函数控制算法和动量—叶素理论对下一时刻左侧滑轨架的位置进行预测；
(3)将信号输出到控制模块中，控制模块控制伺服电机转动，使滑块带动左侧滑轨架移动相应的距离。
7.根据权利要求6所述的一种海洋浮式风机的风载荷加载实验装置使用方法，其特征在于，所述步骤(2)中左侧滑轨架下一时刻的位置通过以下方法预测：
(1)根据以往通过摄像机记录的位移监测球的速度和位移，利用预测函数控制算法预测下一时间t+Δt时刻的速度和位移
(2)结合t+Δt时刻的风速和求出相对风速，利用动量—叶素理论计算出风载荷
(3)取水平向右为正方向，弹簧刚度为k，则t+Δt时刻左侧滑轨架的位移需满足：进而得到：
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