CN109406087A - 置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法，其中实验方法包括以下步骤：(1)实验模型的制作，(2)监控单元与运动控制计算机的连接，(3)控制指令的发送，(4)定常风的模拟，(5)运动状态的反馈。实验装置包括操纵系统部分、实验模型部分及风箱。与已有技术相比，本发明装置中的实验模型部分可以放置在风洞内进行试验，无需依赖波浪水池，并能够更好的揭示水动力对风机气动性能的影响。

Description

置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法，属于海洋工程技术领域。
背景技术
海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，当海水水深超过50m时，浮式海上风电机组(FOWT)将具有更好的经济可行性。FOWT作为新兴的前沿学科领域，其耦合的风浪环境物理特性极其复杂且实际建设工程经验匮乏，相关数值研究需要更多地依赖物理模型试验进行验证，而如何真实地重现海上环境，提高FOWT模型试验研究的精度，是国内外学者普遍关注的问题。当前基于严格的弗劳德数相似准则的风机模型不能真实重现风机原型的物理特征，进而不能有效模拟风机荷载以及FOWT系统运动对风机性能的影响等一系列重要试验。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法。该实验装置是针对典型浮式海上风电机组的运动特征，设计实验模型来模拟波浪的作用，并将浮式海上风电机组实验模型放置在风洞内进行试验，其目的是为了更好地揭示水动力对风机气动性能的影响。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、实验模型的制作，为保证实验模型与实体严格符合几何相似条件，需要在实验模型的制作与模拟过程中，要按照统一的实验模型缩尺比，实验模型在海洋工程水池中试验时，需对这些尺度参数以及外形设计尺寸进行换算，通过公式(1)进行描述，
式中，hm为实验模型在试验时的水深、Hm为实验模型在试验时的波高、λm为实验模型在试验时的波长、hs为实体在海上的实际水深、Hs为实体在海上的实际波高、λs为实体在海上的实际波长；
步骤2、监控单元与运动控制计算机的连接，将监控单元与运动控制计算机通过以太网进行连接，便于实时监控浮式海上风电机组的工作状态，通过运动控制计算机对六自由度平台进行操控，进而更好地模拟浮式海上风电机组在实际工程中的工作状态；
步骤3、控制指令的发送，通过运动控制计算机向伺服驱动器发送控制指令，操控电动缸的运动来带动六自由度平台产生运动；
步骤4、定常风的模拟，实验模型中需要模拟的风速通过公式(2)进行描述，
式中：VWm为实验模型中需要模拟的风速、VWs为实体平均风速、λ为实验模型的缩尺比；
步骤5、运动状态的反馈，六自由度平台通过编码器信号的形式将运动的信息传递给伺服驱动器，接下来，伺服驱动器将编码器信号传递给编码器接口，编码器接口通过ISA总线与运动控制计算机相连，从而使六自由度平台运动的信息传送给运动控制计算机，以实现实验模型运动信息的有效反馈。
所述方法中的实验装置，它包括操纵系统部分、实验模型部分及风箱，所述操纵系统部分，包括监控单元、运动控制计算机、编码器接口和伺服驱动器，其中监控单元与运动控制计算机之间通过以太网连接，运动控制计算机与编码器接口之间通过ISA总线连接，所述伺服驱动器还分别与运动控制计算机、编码器接口及实验模型部分相连；由运动控制计算机对伺服驱动器发送控制信号，伺服驱动器会通过伺服驱动来控制实验模型部分，同时，实验模型部分会将编码器信号通过伺服驱动器反馈给编码器接口，最终传给监控单元，实现监控单元与实验模型部分之间的信息传递；所述实验模型部分，包括六自由度平台，所述六自由度平台上面安装有风机模型，六自由度平台依靠六个折返式电动缸支承，每个折返式电动缸的顶部安装有万向节并与六自由度平台的底部铰链连接，每个折返式电动缸的底部安装有万向节并与底座铰链连接，所述折返式电动缸，包括伺服电机、高强度伺服同步带、滚珠丝杠、丝杠螺母、轴承及推杆，伺服电机通过高强度伺服同步带驱动与高强度伺服同步带连接的滚珠丝杠、滚珠丝杠通过钢珠带动与滚珠丝杠连接的丝杠螺母、丝杠螺母与安装有轴承的推杆直接相连从而驱动推杆作往返直线运动，所述六个折返式电动缸分别与伺服驱动器相连；实验通过风箱风力加载折返式电动缸并对六自由度平台进行风力加载，模拟风电机组在具有不同浪高、周期的波浪荷载下的运动状态，即横荡、纵荡、垂荡、艏摇、横摇和纵摇典型的六种运动。
本发明有益效果是：一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置及方法，其中实验方法包括以下步骤：(1)实验模型的制作，(2)监控单元与运动控制计算机的连接，(3)控制指令的发送，(4)定常风的模拟，(5)运动状态的反馈。实验装置包括操纵系统部分、实验模型部分及风箱。与已有技术相比，本发明装置中的实验模型部分可以放置在风洞内进行试验，无需依赖波浪水池，并能够更好的揭示水动力对风机气动性能的影响。
附图说明
图1是本发明方法步骤流程图。
图2是本发明装置结构示意图。
图3是本发明装置中的六个折返式电动缸与伺服驱动器连接示意图。
图4是本发明装置中的折返式电动缸结构示意图。
图中：1、六自由度平台，1a、风机模型，2、风箱，3、折返式电动缸，3a、伺服电机，3b、高强度伺服同步带，3c、滚珠丝杠，3d、丝杠螺母，3e、轴承，3f、推杆，4、万向节，5、底座。
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，一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、实验模型的制作，为保证实验模型与实体严格符合几何相似条件，需要在实验模型的制作与模拟过程中，要按照统一的实验模型缩尺比，实验模型在海洋工程水池中试验时，需对这些尺度参数以及外形设计尺寸进行换算，通过公式(1)进行描述，
式中，hm为实验模型在试验时的水深、Hm为实验模型在试验时的波高、λm为实验模型在试验时的波长、hs为实体在海上的实际水深、Hs为实体在海上的实际波高、λs为实体在海上的实际波长；
步骤2、监控单元与运动控制计算机的连接，将监控单元与运动控制计算机通过以太网进行连接，便于实时监控浮式海上风电机组的工作状态，通过运动控制计算机对六自由度平台进行操控，进而更好地模拟浮式海上风电机组在实际工程中的工作状态；
步骤3、控制指令的发送，通过运动控制计算机向伺服驱动器发送控制指令，操控电动缸的运动来带动六自由度平台产生运动；
步骤4、定常风的模拟，实验模型中需要模拟的风速通过公式(2)进行描述，
式中：VWm为实验模型中需要模拟的风速、VWs为实体平均风速、λ为实验模型的缩尺比；
步骤5、运动状态的反馈，六自由度平台通过编码器信号的形式将运动的信息传递给伺服驱动器，接下来，伺服驱动器将编码器信号传递给编码器接口，编码器接口通过ISA总线与运动控制计算机相连，从而使六自由度平台运动的信息传送给运动控制计算机，以实现实验模型运动信息的有效反馈。
如图2、3、4所示，一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置，包括操纵系统部分、实验模型部分及风箱2，所述操纵系统部分，包括监控单元、运动控制计算机、编码器接口和伺服驱动器，其中监控单元与运动控制计算机之间通过以太网连接，运动控制计算机与编码器接口之间通过ISA总线连接，所述伺服驱动器还分别与运动控制计算机、编码器接口及实验模型部分相连；由运动控制计算机对伺服驱动器发送控制信号，伺服驱动器会通过伺服驱动来控制实验模型部分，同时，实验模型部分会将编码器信号通过伺服驱动器反馈给编码器接口，最终传给监控单元，实现监控单元与实验模型部分之间的信息传递；所述实验模型部分，包括六自由度平台1，所述六自由度平台1上面安装有风机模型1a，六自由度平台1依靠六个折返式电动缸3支承，每个折返式电动缸3的顶部安装有万向节4并与六自由度平台1的底部铰链连接，每个折返式电动缸3的底部安装有万向节4并与底座5铰链连接，所述折返式电动缸3，包括伺服电机3a、高强度伺服同步带3b、滚珠丝杠3c、丝杠螺母3d、轴承3e及推杆3f，伺服电机3a通过高强度伺服同步带3b驱动与高强度伺服同步带3b连接的滚珠丝杠3c、滚珠丝杠3c通过钢珠带动与滚珠丝杠3c连接的丝杠螺母3d、丝杠螺母3d与安装有轴承3e的推杆3f直接相连从而驱动推杆3f作往返直线运动，所述六个折返式电动缸3分别与伺服驱动器相连；实验通过风箱2风力加载折返式电动缸3并对六自由度平台进行风力加载，模拟风电机组在具有不同浪高、周期的波浪荷载下的运动状态，即横荡、纵荡、垂荡、艏摇、横摇和纵摇典型的六种运动。例如：当六个折返式电动缸3同时在其初始位置进行工作，推杆3f产生了相同的位移时，其产生的效果为垂荡。当连接六自由度平台1中点一侧的两个推杆3f在其所在折返式电动缸3的作用下产生位移时，其产生的效果为横摇。

Claims (2)

1.一种置于风洞中的浮式海上风电机组混合模型实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、实验模型的制作，为保证实验模型与实体严格符合几何相似条件，需要在实验模型的制作与模拟过程中，要按照统一的实验模型缩尺比，实验模型在海洋工程水池中试验时，需对这些尺度参数以及外形设计尺寸进行换算，通过公式(1)进行描述，
式中，hm为实验模型在试验时的水深、Hm为实验模型在试验时的波高、λm为实验模型在试验时的波长、hs为实体在海上的实际水深、Hs为实体在海上的实际波高、λs为实体在海上的实际波长；
步骤2、监控单元与运动控制计算机的连接，将监控单元与运动控制计算机通过以太网进行连接，便于实时监控浮式海上风电机组的工作状态，通过运动控制计算机对六自由度平台进行操控，进而更好地模拟浮式海上风电机组在实际工程中的工作状态；
步骤3、控制指令的发送，通过运动控制计算机向伺服驱动器发送控制指令，操控六个电动缸的运动来带动六自由度平台产生运动；
步骤4、定常风的模拟，实验模型中需要模拟的风速通过公式(2)进行描述，
式中：VWm为实验模型中需要模拟的风速、VWs为实体平均风速、λ为实验模型的缩尺比；
步骤5、运动状态的反馈，六自由度平台通过编码器信号的形式将运动的信息传递给伺服驱动器，接下来，伺服驱动器将编码器信号传递给编码器接口，编码器接口通过ISA总线与运动控制计算机相连，从而使六自由度平台运动的信息传送给运动控制计算机，以实现实验模型运动信息的有效反馈。
2.根据权利要求1所述方法中的实验装置，其特征在于：它包括操纵系统部分、实验模型部分及风箱，所述操纵系统部分，包括监控单元、运动控制计算机、编码器接口和伺服驱动器，其中监控单元与运动控制计算机之间通过以太网连接，运动控制计算机与编码器接口之间通过ISA总线连接，所述伺服驱动器还分别与运动控制计算机、编码器接口及实验模型部分相连；由运动控制计算机对伺服驱动器发送控制信号，伺服驱动器会通过伺服驱动来控制实验模型部分，同时，实验模型部分会将编码器信号通过伺服驱动器反馈给编码器接口，最终传给监控单元，实现监控单元与实验模型部分之间的信息传递；所述实验模型部分，包括六自由度平台，所述六自由度平台上面安装有风机模型，六自由度平台依靠六个折返式电动缸支承，每个折返式电动缸的顶部安装有万向节并与六自由度平台的底部铰链连接，每个折返式电动缸的底部安装有万向节并与底座铰链连接，所述折返式电动缸，包括伺服电机、高强度伺服同步带、滚珠丝杠、丝杠螺母、轴承及推杆，伺服电机通过高强度伺服同步带驱动与高强度伺服同步带连接的滚珠丝杠、滚珠丝杠通过钢珠带动与滚珠丝杠连接的丝杠螺母、丝杠螺母与安装有轴承的推杆直接相连从而驱动推杆作往返直线运动，所述六个折返式电动缸分别与伺服驱动器相连；实验通过风箱风力加载折返式电动缸并对六自由度平台进行风力加载，模拟风电机组在具有不同浪高、周期的波浪荷载下的运动状态，即横荡、纵荡、垂荡、艏摇、横摇和纵摇典型的六种运动。
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