CN109899246A - 风力发电机的模拟旋转测试装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机的模拟旋转测试装置，包括粒子图像测速动态跟踪系统及风力发电机模拟旋转平台，风力发电机模拟旋转平台包括底部支撑单元、连接杆及风力发电模组，底部支撑单元包括中空的圆柱形的筒体、设置于筒体顶部开口处的顶盖、设置于筒体底部开口处的底板、设置于筒体中且位于顶盖与底板之间的实验台板、若干设置于实验台板与底板之间的第一圆筒及若干设置于实验台板与顶盖之间的第二圆筒。如此能够便于模拟测试风力发电机的动态载荷变化并实时追踪拍摄叶片。

Description

风力发电机的模拟旋转测试装置

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，特别是一种风力发电机的模拟旋转测试装置。

背景技术

风力发电机由于体积庞大，实物测试的成本极高，且由于叶片转动半径极大，现有的测试设备难以对叶片进行追踪测试。由于测试条件的限制，人们对叶片的静载荷比较熟悉、认识也较透彻，对运动状态下叶片受到的载荷认识很浅，甚至没有引起足够的重视，现有的设计分析方法绝大多数局限于考虑叶片静态时的振动频率、载荷特性研究，怎样将动态载荷变化及分布特点作为叶片设计优化考虑的因素尚不清晰。标准IEC61400-1规定了叶片做静态刚度、强度测试，叶片制造厂只是在成批的模具开始生产时做相关实验。传统静载强度试验与静态模态分析并不能真实地反应和判断旋转叶片裂纹、疲劳损失、预测损坏部位动态的分布规律、特征与振动响应规律。根据现场监测数据和力学知识推断，风向变化会增加叶片和风力机转轴的额外应力并引起陀螺力矩，成为破坏叶片的主要因素，本方案可以进行相关方面的动态测试，对国内在相关领域的研究进行补充，为风力机动态载荷的实验研究提供新的思路。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种便于模拟测试风力发电机的动态载荷变化并实时追踪拍摄叶片的风力发电机的模拟旋转测试装置，以解决上述问题。

一种风力发电机的模拟旋转测试装置，包括粒子图像测速动态跟踪系统及放置于粒子图像测速动态跟踪系统上的风力发电机模拟旋转平台，风力发电机模拟旋转平台包括底部支撑单元、与底部支撑单元垂直连接的连接杆及设置于连接杆远离底部支撑单元的一端的风力发电模组，底部支撑单元包括中空的圆柱形的筒体、设置于筒体顶部开口处的顶盖、设置于筒体底部开口处的底板、设置于筒体中且位于顶盖与底板之间的实验台板、若干设置于实验台板与底板之间的第一圆筒及若干设置于实验台板与顶盖之间的第二圆筒，顶盖、底板及实验台板均为圆形，第一圆筒的底部与底板垂直固定连接，第一圆筒的顶部嵌设有第一球形轴承，实验台板的直径小于筒体的内径，实验台板位于若干第一圆筒的第一球形轴承的上方，第二圆筒的顶部与顶盖垂直固定连接，第二圆筒的底部嵌设有第二球形轴承，第一圆筒的第一球形轴承从下方与实验台板的底面接触，第二圆筒的第二球形轴承从上方与实验台板的顶面接触，连接杆的第一端与实验台板的中部垂直连接，连接杆的第二端与风力发电模组连接。

进一步地，所述底板与筒体的底部通过螺旋卡扣的方式连接。

进一步地，所述连接杆的第一端连接有加强柱，加强柱与实验台板的中部垂直焊接。

进一步地，所述粒子图像测速动态跟踪系统包括底座、与底座滑动连接的龙门架、与龙门架的顶部滑动连接的Y轴移动平台、与Y轴移动平台滑动连接的Z轴移动柱及设置于Z轴移动柱朝向底座11的一端的云台相机单元。

进一步地，所述底座的中部具有凸起部，底座于凸起部的两侧分别设置有一第一导轨，凸起部朝向第一导轨的侧面开设有滑槽，龙门架具有两个支脚及连接两个支脚的同一端的横梁，两个支脚的末端均设置有与导轨滑动连接的第一滑块，两个支脚之间连接有连接板，连接板穿过凸起部的滑槽，连接板的中部设置有第一连接块，第一连接块的中部开设有第一螺纹孔，凸起部的一侧设置有X轴驱动电机，X轴驱动电机的输出轴连接有第一丝杆，第一丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第一丝杆穿过第一连接块并与凸起部转动连接，第一丝杆具有外螺纹的部分与第一连接块的第一螺纹孔螺纹连接。

进一步地，所述龙门架的横梁远离底座的顶面的两侧分别设置有第二导轨，Y轴移动平台朝向横梁的底面设置有若干与第二导轨滑动连接的第二滑块，Y轴移动平台上设置有第二连接块，第二连接块的中部开设有第二螺纹孔，龙门架的一个支脚的外侧设置有Y轴驱动电机，Y轴驱动电机的输出轴连接有第二丝杆，第二丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第二丝杆穿过第二连接块并与另一支脚转动连接，第二丝杆具有外螺纹的部分与第二连接块的第二螺纹孔螺纹连接。

进一步地，所述Y轴移动平台的中部设有开口，Z轴移动柱穿过Y轴移动平台的开口，Z轴移动柱的两侧分别设置有第三导轨，Y轴移动平台的开口中的内侧壁上设置有与第三导轨滑动连接的第三滑块，Z轴移动柱远离底座的顶面设置有Z轴驱动电机，Z轴移动柱朝向底座11的底部设置有安装座，Y轴移动平台中的内侧壁上设置有第三连接块，第三连接块的中部开设有第三螺纹孔，Z轴驱动电机的输出轴连接有第三丝杆，第三丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第三丝杆穿过第三连接块并与安装座转动连接，第三丝杆具有外螺纹的部分与第三连接块的第三螺纹孔螺纹连接。

进一步地，所述云台相机单元包括设置于安装座上的水平转动电机、与安装座转动连接且由水平转动电机驱动的第一转轴、与第一转轴固定连接的第一安装架、与第一安装架转动连接的第二安装架、设置于第二安装架上的相机及设置于第一安装架上且用于驱动第二安装架转动的竖直摆动电机。

与现有技术相比，本发明的风力发电机的模拟旋转测试装置粒子图像测速动态跟踪系统及放置于粒子图像测速动态跟踪系统上的风力发电机模拟旋转平台。能够便于模拟测试风力发电机的动态载荷变化并实时追踪拍摄叶片。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的风力发电机的模拟旋转测试装置的立体示意图。

图2为图1中的风力发电机模拟旋转平台的立体示意图。

图3为图2中的风力发电机模拟旋转平台的局部爆炸示意图。

图4为图1中的粒子图像测速动态跟踪系统的立体示意图。

图5为图4中的粒子图像测速动态跟踪系统的另一视角的立体示意图。

图6为图4中的粒子图像测速动态跟踪系统的局部立体示意图。

图7为图4中的粒子图像测速动态跟踪系统的局部立体示意图。

图8为图4中的粒子图像测速动态跟踪系统的局部立体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

请参考图1，本发明提供的风力发电机的模拟旋转测试装置包括粒子图像测速(PIV)动态跟踪系统10及放置于粒子图像测速动态跟踪系统10上的风力发电机模拟旋转平台20。

请参考图2及图3，风力发电机模拟旋转平台20包括底部支撑单元21、与底部支撑单元21垂直连接的连接杆22及设置于连接杆22远离底部支撑单元21的一端的风力发电模组23。

底部支撑单元21包括中空的圆柱形的筒体212、设置于筒体212顶部开口处的顶盖211、设置于筒体212底部开口处的底板213、设置于筒体212中且位于顶盖211与底板213之间的实验台板214、若干设置于实验台板214与底板213之间的第一圆筒215及若干设置于实验台板214与顶盖211之间的第二圆筒216。

顶盖211、底板213及实验台板214均为圆形。底板213与筒体212的底部通过螺旋卡扣的方式连接。便于拆卸维修。

第一圆筒215的底部与底板213垂直焊接，第一圆筒215的顶部嵌设有第一球形轴承2171。

实验台板214的直径小于筒体212的内径，实验台板214位于若干第一圆筒215的第一球形轴承2171的上方。如此使得实验台板214可在筒体212内转动。

第二圆筒216的顶部与顶盖211垂直焊接，第二圆筒216的底部嵌设有第二球形轴承2172。

第一圆筒215及第二圆筒216从上下两侧支撑实验台板214，使得实验台板214及与实验台板214连接的连接杆22及与连接杆22连接的风力发电模组23在运行过程中能保持在一个水平平面内，减少抖动。粒子图像测速动态跟踪系统10需要拍摄风力发电模组23的叶片的叶尖部分，实验台板214的抖动传导至风力发电模组23的叶片，抖动会被放大，对实验结果会产生干扰，第一圆筒215及第二圆筒216用于减少这种抖动，进而减少对粒子图像测速动态跟踪系统10产生的干扰。

第一圆筒215的第一球形轴承2171从下方与实验台板214的底面接触，第二圆筒216的第二球形轴承2172从上方与实验台板214的顶面接触。如此使得实验台板214与第一圆筒215及第二圆筒216的相对运动产生的滑动摩擦转换为滚动摩擦，减少了摩擦阻力。

连接杆22的第一端连接有加强柱221，加强柱221与实验台板214的中部垂直焊接，连接杆22的第二端与风力发电模组23连接。在底板213上还设有驱动装置，驱动装置的输出轴与实验台板214朝向底板213的底面的中部连接。驱动装置驱动实验台板214转动，以使得风力发电模组23能够转动至最佳的迎风方向，提高叶片随风转动的效率。

风力发电模组23包括发电单元231及叶轮单元232，叶轮单元232具有若干叶片。

筒体212、底板213、顶盖211、第一圆筒215及第二圆筒216均采用厚度为20mm的Q345钢材焊接组成，Q345综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好。

请参考图4至图8，粒子图像测速动态跟踪系统10包括底座11、与底座11滑动连接的龙门架12、与龙门架12的顶部滑动连接的Y轴移动平台13、与Y轴移动平台13滑动连接的Z轴移动柱16、及设置于Z轴移动柱16朝向底座11的一端的云台相机单元14。

底座11的中部具有凸起部，底座11于凸起部的两侧分别设置有一第一导轨111，凸起部朝向第一导轨111的侧面开设有滑槽112。凸起部的顶部为平面，用于放置风力发电机模拟旋转平台20。

龙门架12的形状为U形，具有两个支脚及连接两个支脚的同一端的横梁。两个支脚的末端均设置有与导轨111滑动连接的第一滑块121。

两个支脚之间还连接有连接板122，连接板122穿过凸起部的滑槽112，连接板122的中部设置有第一连接块123，第一连接块123的中部开设有第一螺纹孔。

凸起部未设有滑槽112的一侧设置有X轴驱动电机151，X轴驱动电机151的输出轴位于凸起部的内部，X轴驱动电机151的输出轴连接有第一丝杆152，第一丝杆152上至少部分地设置有外螺纹，第一丝杆152穿过第一连接块123并与凸起部转动连接，第一丝杆152具有外螺纹的部分与第一连接块123的第一螺纹孔螺纹连接。当X轴驱动电机151带动第一丝杆152转动时，第一连接块123将沿第一丝杆152的轴向移动，从而使得连接板122及龙门架12沿第一导轨111移动。

龙门架12的横梁远离底座11的顶面的两侧分别设置有第二导轨124，Y轴移动平台13朝向横梁的底面设置有若干与第二导轨124滑动连接的第二滑块131。

Y轴移动平台13上设置有第二连接块132，第二连接块132的中部开设有第二螺纹孔。

龙门架12的一个支脚的外侧设置有Y轴驱动电机153，Y轴驱动电机153的输出轴连接有第二丝杆154，第二丝杆154上至少部分地设置有外螺纹，第二丝杆154穿过第二连接块132并与另一支脚转动连接。第二丝杆154具有外螺纹的部分与第二连接块132的第二螺纹孔螺纹连接。当Y轴驱动电机153带动第二丝杆154转动时，第二连接块132将沿第二丝杆154的轴向移动，从而使得Y轴移动平台13沿第二导轨124移动。

Y轴移动平台13的中部设有开口，Z轴移动柱16穿过Y轴移动平台13的开口。

Z轴移动柱16的两侧分别设置有第三导轨161，Y轴移动平台13的开口中的内侧壁上对应第三导轨161设置有与第三导轨161滑动连接的第三滑块133。

Z轴移动柱16远离底座11的顶面设置有Z轴驱动电机155，Z轴移动柱16朝向底座11的底部设置有安装座162。

Y轴移动平台13中的内侧壁上设置有第三连接块134，第三连接块134的中部开设有第三螺纹孔。

Z轴驱动电机155的输出轴连接有第三丝杆156，第三丝杆156上至少部分地设置有外螺纹，第三丝杆156穿过第三连接块134并与安装座162转动连接。第三丝杆156具有外螺纹的部分与第三连接块134的第三螺纹孔螺纹连接。当Y轴驱动电机153带动第三丝杆156转动时，由于Y轴移动平台13无法上下移动，因此第三连接块134相对静止，从而使得第三丝杆156上下移动，进而使得Z轴移动柱16上下移动。

云台相机单元14包括设置于安装座162上的水平转动电机142、与安装座162转动连接且由水平转动电机142驱动的第一转轴143、与第一转轴143固定连接的第一安装架144、与第一安装架144转动连接的第二安装架145、设置于第二安装架145上的相机146及设置于第一安装架144上且用于驱动第二安装架145转动的竖直摆动电机147。

水平转动电机142可控制相机146在与安装座162平行的平面内转动任意角度，竖直摆动电机147可控制相机146在与安装座162垂直的平面内转动任意角度。

将风力发电机模拟旋转平台20放置于粒子图像测速动态跟踪系统10上，X轴驱动电机151、Y轴驱动电机153、Z轴驱动电机155配合动作，可使得相机146与其中一个叶片的叶尖部分跟随移动，从而对叶轮单元232的叶片进行追踪拍摄。具体通过一个与相机146连接的控制器分析相机146拍摄的图像，计算叶轮单元232的一个叶片的叶尖的运动轨迹，根据叶尖的运动轨迹控制X轴驱动电机151、Y轴驱动电机153、Z轴驱动电机155的动作，使得相机146的运动轨迹与叶片的叶尖的运动轨迹保持同步。

第一安装架144的形状为U形，包括与转轴143固定连接的中间板及分别与中间板的两端垂直连接的侧板。第二安装架145的两端分别通过一第二转轴148与第一安装架144的侧板转动连接，竖直摆动电机147驱动其中一个第二转轴148转动。

本实施方式中，水平转动电机142的输出轴与第一转轴143之间连接有第一皮带，竖直摆动电机147的输出轴与第二转轴148之间连接有第二皮带。

底座11及龙门架12作为支撑结构，均是由厚度为20mm的Q345钢材焊接组成，Q345钢材综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好。

底座11为长方形，主要是维持平台水平，降低设备重心，保证设备运行过程中的运行状态稳定，不会发生倾覆。底座11前端有水平仪，用于调节凸起部的顶部为水平面。底座11的上端面还预留有安装槽，可用于安装激光器(由下向上发射激光)。

本发明的风力发电机的模拟旋转测试装置还具有与X轴驱动电机151、Y轴驱动电机153、Z轴驱动电机155、水平转动电机142及竖直摆动电机147均连接的电机控制器，电机控制器实现X轴驱动电机151、Y轴驱动电机153、Z轴驱动电机155、水平转动电机142及竖直摆动电机147的多轴联动运转，可以保证相机镜头可以实时捕捉到运动过程中叶轮单元232的叶片的叶尖的运动轨迹及周围的气流变化，记录涡流湍流的形成发展过程。

将风力发电机的模拟旋转测试装置放置于一试验风洞中，试验风洞从一个固定的方向朝向试验风洞的开口吹风，试验风洞结合风力发电机模拟旋转平台20实现不同风向变化，以模拟自然风带动叶轮单元232转动。

发电单元231包括发电机及负载控制部分。

负载控制部分：具有叶轮转速侦测单元、与叶轮转速侦测单元及发电机均连接的风力机输出功率测试分析仪、与驱动装置连接的电机控制器等，叶轮转速侦测单元通过电阻型负载调节侦测叶轮单元232的转速，风力机输出功率测试分析仪采用德国FLUKE公司的F-5000-6-64-I-P风力机输出功率测试分析仪或美国福禄克公司的NORMA 5000功率分析仪，以监测输出功率和转速等参数。电机控制器基于C++语言，采用模块化设计，可以完成多种实验设备的组合与控制。

本发明的风力发电机的模拟旋转测试装置还包括风资源数据采集部分。风资源数据采集部分：选用英国ZephIR300激光雷达测风系统，该雷达属于脉冲激光雷达，如对内蒙古地区的风向进行每秒一次的采集，将多年的数据进行分析整理，可确定多种常见、罕见的风向、风速变化，其优点是适合长距离、空间不同高度同时测量。

与现有技术相比，本发明的风力发电机的模拟旋转测试装置包括粒子图像测速动态跟踪系统10及放置于粒子图像测速动态跟踪系统10上的风力发电机模拟旋转平台20，风力发电机模拟旋转平台20包括底部支撑单元21、与底部支撑单元21垂直连接的连接杆22及设置于连接杆22远离底部支撑单元21的一端的风力发电模组23，底部支撑单元21包括中空的圆柱形的筒体212、设置于筒体212顶部开口处的顶盖211、设置于筒体212底部开口处的底板213、设置于筒体212中且位于顶盖211与底板213之间的实验台板214、若干设置于实验台板214与底板213之间的第一圆筒215及若干设置于实验台板214与顶盖211之间的第二圆筒216，顶盖211、底板213及实验台板214均为圆形，第一圆筒215的底部与底板213垂直固定连接，第一圆筒215的顶部嵌设有第一球形轴承2171，实验台板214的直径小于筒体212的内径，实验台板214位于若干第一圆筒215的第一球形轴承2171的上方，第二圆筒216的顶部与顶盖211垂直固定连接，第二圆筒216的底部嵌设有第二球形轴承2172，第一圆筒215的第一球形轴承2171从下方与实验台板214的底面接触，第二圆筒216的第二球形轴承2172从上方与实验台板214的顶面接触，连接杆22的第一端与实验台板214的中部垂直连接，连接杆22的第二端与风力发电模组23连接。如此能够便于模拟测试风力发电机的动态载荷变化并实时追踪拍摄叶片。

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本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 (8)

1.一种风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：包括粒子图像测速动态跟踪系统及放置于粒子图像测速动态跟踪系统上的风力发电机模拟旋转平台，风力发电机模拟旋转平台包括底部支撑单元、与底部支撑单元垂直连接的连接杆及设置于连接杆远离底部支撑单元的一端的风力发电模组，底部支撑单元包括中空的圆柱形的筒体、设置于筒体顶部开口处的顶盖、设置于筒体底部开口处的底板、设置于筒体中且位于顶盖与底板之间的实验台板、若干设置于实验台板与底板之间的第一圆筒及若干设置于实验台板与顶盖之间的第二圆筒，顶盖、底板及实验台板均为圆形，第一圆筒的底部与底板垂直固定连接，第一圆筒的顶部嵌设有第一球形轴承，实验台板的直径小于筒体的内径，实验台板位于若干第一圆筒的第一球形轴承的上方，第二圆筒的顶部与顶盖垂直固定连接，第二圆筒的底部嵌设有第二球形轴承，第一圆筒的第一球形轴承从下方与实验台板的底面接触，第二圆筒的第二球形轴承从上方与实验台板的顶面接触，连接杆的第一端与实验台板的中部垂直连接，连接杆的第二端与风力发电模组连接。

2.如权利要求1所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述底板与筒体的底部通过螺旋卡扣的方式连接。

3.如权利要求1所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述连接杆的第一端连接有加强柱，加强柱与实验台板的中部垂直焊接。

4.如权利要求1所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述粒子图像测速动态跟踪系统包括底座、与底座滑动连接的龙门架、与龙门架的顶部滑动连接的Y轴移动平台、与Y轴移动平台滑动连接的Z轴移动柱及设置于Z轴移动柱朝向底座11的一端的云台相机单元。

5.如权利要求4所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述底座的中部具有凸起部，底座于凸起部的两侧分别设置有一第一导轨，凸起部朝向第一导轨的侧面开设有滑槽，龙门架具有两个支脚及连接两个支脚的同一端的横梁，两个支脚的末端均设置有与导轨滑动连接的第一滑块，两个支脚之间连接有连接板，连接板穿过凸起部的滑槽，连接板的中部设置有第一连接块，第一连接块的中部开设有第一螺纹孔，凸起部的一侧设置有X轴驱动电机，X轴驱动电机的输出轴连接有第一丝杆，第一丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第一丝杆穿过第一连接块并与凸起部转动连接，第一丝杆具有外螺纹的部分与第一连接块的第一螺纹孔螺纹连接。

6.如权利要求5所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述龙门架的横梁远离底座的顶面的两侧分别设置有第二导轨，Y轴移动平台朝向横梁的底面设置有若干与第二导轨滑动连接的第二滑块，Y轴移动平台上设置有第二连接块，第二连接块的中部开设有第二螺纹孔，龙门架的一个支脚的外侧设置有Y轴驱动电机，Y轴驱动电机的输出轴连接有第二丝杆，第二丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第二丝杆穿过第二连接块并与另一支脚转动连接，第二丝杆具有外螺纹的部分与第二连接块的第二螺纹孔螺纹连接。

7.如权利要求6所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述Y轴移动平台的中部设有开口，Z轴移动柱穿过Y轴移动平台的开口，Z轴移动柱的两侧分别设置有第三导轨，Y轴移动平台的开口中的内侧壁上设置有与第三导轨滑动连接的第三滑块，Z轴移动柱远离底座的顶面设置有Z轴驱动电机，Z轴移动柱朝向底座11的底部设置有安装座，Y轴移动平台中的内侧壁上设置有第三连接块，第三连接块的中部开设有第三螺纹孔，Z轴驱动电机的输出轴连接有第三丝杆，第三丝杆上至少部分地设置有外螺纹，第三丝杆穿过第三连接块并与安装座转动连接，第三丝杆具有外螺纹的部分与第三连接块的第三螺纹孔螺纹连接。

8.如权利要求7所述的风力发电机的模拟旋转测试装置，其特征在于：所述云台相机单元包括设置于安装座上的水平转动电机、与安装座转动连接且由水平转动电机驱动的第一转轴、与第一转轴固定连接的第一安装架、与第一安装架转动连接的第二安装架、设置于第二安装架上的相机及设置于第一安装架上且用于驱动第二安装架转动的竖直摆动电机。