CN110005582A - 一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究的系统及方法，包括造风系统、模型风机系统、六自由度运动平台、风轮尾迹探测系统、高性能控制系统和高集成信号采集系统；所述造风系统用于产生各种复杂的定常或非定常入流风场；所述模型风机系统用于实现在不同入流风场下对风机运行状况的控制；所述六自由度运动平台用于模拟海上浮式风机在海洋环境作用下的静态浮体姿态和动态浮体姿态；所述风轮尾迹探测系统用于监测风轮尾迹在不同空间位置处的风速和风向。通过本发明的实施，能够有效模拟海洋环境下风机的各种工况，获得丰富的浮式风机在各种非定常因素作用下的风机气动响应特征及载荷信息，提升海上浮式风机空气动力学的研究。

Description

一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法

技术领域

本发明涉及海上漂浮式风力发电技术领域，尤其涉及一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法。

背景技术

随着化石能源的消耗殆尽和全球气候的恶化，风力发电技术得到了越来越广泛的关注。经过多年发展，陆地优质风资源的开发逐渐饱和，加之陆地运输条件及土地使用的限制，风力发电技术逐渐从陆地向海上发展。对于深海区域，传统的固定式塔基技术在技术上和经济上均不可行。海上漂浮式风力发电技术应运而生，近年来成为了学术界和工业界的研究热点。

由于海洋环境的复杂性和不确定性，海上浮式风机呈现出与传统固定式风机截然不同的气动特性。浮式平台在风-浪-流的耦合作用下，将不可避免地在各自由度上发生振荡。上部旋转风轮在平台振荡诱导下将经历复杂的非定常气动载荷，目前学术界和产业界对此尚缺乏深入认识，这极大程度地限制了海上浮式风机技术的发展。

为深入认识浮式风机非定常气动特性，更好地为大型海上浮式风机技术发展服务，急需一套完整的用于研究海上浮式风机非定常气动特性系统及方法。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法，可以有效模拟海洋环境下风机的各种工况，获得丰富的浮式风机在各种非定常因素作用下的风机气动响应特征及载荷信息。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法，能够有效模拟海洋环境下风机的各种工况，获得丰富的浮式风机在各种非定常因素作用下的风机气动响应特征及载荷信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，包括造风系统、六自由度运动平台、模型风机系统、风轮尾迹探测系统、控制系统和集成信号采集系统；所述模型风机系统固定安装于所述六自由度运动平台上，所述模型风机系统设置于所述造风系统的下游；所述模型风机系统的工作面与所述造风系统的出风方向相对设置；所述风轮尾迹探测系统设置于所述模型风机系统的下游并处在所述模型风机系统的风轮尾迹的区域内；所述造风系统被配置为产生定常或非定常入流风场；所述六自由度运动平台被配置为模拟海上浮式风机在海洋环境作用下的静态浮体姿态和动态浮体姿态。

进一步地，所述造风系统包括轴流风机、圆转方整流器、蜂窝状整流罩，所述轴流风机的数量大于等于1，所述圆转方整流器的数量与所述轴流风机的数量相等，所述圆转方整流器的圆形入口固定设置在所述轴流风机的出风口，所述蜂窝状整流罩设置在所述圆转方整流器的方形出口处。

可选地，所述轴流风机的数量为16，16个所述轴流风机以4×4布局排列，所述蜂窝状整流罩包括第一整流罩、第二整流罩，所述第一整流罩的右侧设置在各个所述圆转方整流器的方形出口处，所述第二整流罩设置在所述第一整流罩左侧。

进一步地，所述六自由度运动平台包括电缸、上工作平台和下工作平台；所述下工作平台固定设置，所述电缸的第一端与所述上工作平台球铰连接，所述电缸的第二端与所述下工作平台球铰连接；所述电缸的数量为6个，6个所述电缸均布设置在所述上工作平台和所述下工作平台之间。

可选地，所述电缸包括丝杆和驱动电机，所述丝杆为滚珠丝杆或滚柱丝杠，所述驱动电机为伺服电机，所述电缸的第二端为非伸长端。

进一步地，所述模型风机系统包括风轮、机舱和塔筒；

所述风轮包括轮毂、三个叶片、变桨距控制机构，所述风轮转动的盘面完全被所述造风系统产生的所述入流风场覆盖；所述叶片由碳纤维制成；所述变桨距控制机构被配置为调节所述叶片的桨距角；

所述机舱包括直流电机、机舱结构件、主轴，所述机舱结构件为铝合金材质，所述直流电机固定设置在所述机舱内，所述直流电机的输出轴与所述主轴一端固定连接，所述风轮的所述轮毂与所述主轴的另一端固定连接，

所述塔筒为底部大、顶部小的锥状刚性构件，所述塔筒的材质为碳纤维，所述机舱安装在所述塔筒的顶部，所述塔筒的底部固定安装在所述上工作平台上。

进一步地，所述风轮尾迹探测系统包括多通道热线风速仪、风速仪夹具，所述多通道热线风速仪固定安装于所述风速仪夹具上，所述风速仪夹具包括夹具旋转机构、夹具移动机构。

进一步地，所述控制系统与所述造风系统、所述六自由度运动平台、所述模型风机系统的各个驱动装置电气连接，所述控制系统与所述集成信号采集系统电气连接，各个所述轴流风机可以独立运转。

进一步地，所述集成信号采集系统包括信号采集硬件、信号采集软件；所述信号采集硬件包括扭矩传感器、第一六分力计、第二六分力计、三自由度加速度传感器；所述扭矩传感器和所述三自由度加速度传感器设置在所述模型风机系统内，所述扭矩传感器被配置为监测所述风轮的气动扭矩，所述三自由度加速度传感器被配置为监测机舱的振动信号；所述第一六分力计设置在所述塔筒顶部，所述第一六分力计配置为监测所述塔筒顶部的受力，所述第二六分力计设置在所述塔筒底部，所述第二六分力计配置为监测所述塔筒底部的受力；所述信号采集软件被配置为对所述信号采集硬件采集的各种信号，进行整合、滤波、分析和存储。

本发明还公开了一种采用所述海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统的进行海上浮式风机非定常气动特性试验的方法，包括以下步骤：

步骤1、启动所述造风系统、所述模型风机系统、所述六自由度运动平台、所述风轮尾迹探测系统和所述控制系统，通过所述控制系统控制所述造风系统，设定各个所述轴流风机的转速，以产生所需要的风速、湍流强度、风切变强度的入流风场；

步骤2、通过所述控制系统控制所述模型风机系统的所述直流电机，设置所需要的所述风轮的旋转速度；

步骤3、通过所述控制系统控制所述模型风机系统的所述变桨距控制机构，控制三个所述叶片的桨距角，从而设定所述模型风机系统的工作状态；

步骤4、通过所述高性能控制系统控制所述六自由度运动平台的六个电缸的伸缩量，设定所述六自由度运动平台的浮体姿态为静态姿态或动态姿态；

步骤5、设定目标探测区间，根据所述目标探测区域的空间位置调整所述风轮尾迹探测系统的位置，从而实现指定区域的尾迹状态监测；

步骤6、待所有系统运行稳定后，启动所述集成信号采集系统，实时监测各个系统的状态和气动响应特征；

步骤7、信号采集结束后，保存数据以用于后续处理，停止所有系统的运行。

相对于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

1、本发明提供的海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统及方法，可系统研究海上浮式风机在不同非定常因素作用下的气动响应特征：通过造风系统可提供不同风速、湍流强度、风切变的入流风况；可通过变速控制、变桨距控制实现模型风机系统的不同运行状况的控制；通过六自由度运动平台可实现不同浮体姿态的静态模拟和动态模拟；通过全方位的信号采集系统可实时监测浮式风机不同层级的响应特征，从而获得丰富的风机载荷信息。

2、本发明提供的海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，试验成本低廉，可反复多次试验且试验数据可用于验证数值的计算方法和计算模型。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的造风系统结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的模型风机系统示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的模型风机-六自由度运动平台系统结构示意图。

其中：1-造风系统，2-模型风机系统，3-六自由度运动平台，4-风轮尾迹探测系统，5-风轮，6-机舱，7-塔筒，8-轴流风机，9-圆转方整流器，10-第一整流罩，11-第二整流罩。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

如图1所示，一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，包括造风系统1、六自由度运动平台3、模型风机系统2、风轮尾迹探测系统4、控制系统和集成信号采集系统；模型风机系统2设置于造风系统1的下游，模型风机系统2的工作面与造风系统1的出风方向相对设置；模型风机系统2固定安装于六自由度运动平台3上；风轮尾迹探测系统4设置于模型风机系统2的下游并处在模型风机系统2的风轮尾迹的区域内。

如图2所示，造风系统1被配置为产生定常或非定常入流风场，造风系统1包括轴流风机8、圆转方整流器9、蜂窝状整流罩。

轴流风机8的数量为16，16个轴流风机8以4×4布局排列，各个轴流风机8可以独立运转，用于产生不同平均风速、不同湍流强度、不同水平风切变以及不同竖直风切变的入流风场。

圆转方整流器9的数量与轴流风机8的数量相等，圆转方整流器9的圆形入口固定设置在轴流风机8的出风口，用于提升风场均匀性。

蜂窝状整流罩包括第一整流罩10、第二整流罩11，第一整流罩10设置在各个圆转方整流器9的方形出口处，第二整流罩11设置在第一整流罩10的前侧，用于进一步提升风场均匀性和降低风场湍流强度。

六自由度运动平台3被配置为模拟海上浮式风机在海洋环境作用下的静态浮体姿态和动态浮体姿态；如图4所示，六自由度运动平台3包括电缸、上工作平台和下工作平台；电缸可以伸缩，电缸的第一端与上工作平台球铰连接，电缸的第一端为伸长端；电缸的第二端与下工作平台球铰连接，电缸的第二端为非伸长端；电缸的数量为6个，6个电缸均设置在上工作平台和下工作平台之间。

电缸包括丝杆和驱动电机，电缸的丝杆为滚珠丝杆或滚柱丝杆，本实施例优选为滚珠丝杆，驱动电机为伺服电机。

如图3所示，模型风机系统2包括风轮5、机舱6、塔筒7，用于实现在不同入流风场下对风机运行状况的控制。

风轮5包括轮毂、三个叶片，风轮5转动的盘面完全被造风系统1产生的入流风场覆盖；风轮5的叶片由碳纤维制成。

机舱6包括直流电机、机舱结构件、主轴、变桨距控制机构；机舱结构件为铝合金材质，机舱结构件采用的铝合金材质的屈服极限大于235MPa；直流电机用于驱动风轮5旋转，直流电机固定设置在所述机舱6内，直流电机的输出轴与主轴一端固定连接，风轮5的轮毂与主轴的另一端固定连接；变桨距控制机构被设置在风轮5上，用于实时调节叶片的桨距角。

塔筒7为底部大、顶部小的锥状刚性构件，塔筒7的材质为碳纤维，机舱6安装在塔筒7的顶部，塔筒7的底部固定安装在上工作平台上。

风轮尾迹探测系统4被配置为监测风轮尾迹在不同空间位置处的风速和风向；风轮尾迹探测系统4包括多通道热线风速仪、风速仪夹具；多通道热线风速仪固定安装于风速仪夹具上，风速仪夹具包括夹具旋转机构、夹具移动机构。

控制系统与造风系统1、六自由度运动平台3、模型风机系统2的各个驱动装置电气连接，控制系统与集成信号采集系统电气连接，用于控制入流风场、六自由度运动平台3的姿态以及风轮5的转速。

集成信号采集系统包括信号采集硬件、信号采集软件；信号采集硬件包括扭矩传感器、三自由度加速度传感器、第一六分力计、第二六分力计；扭矩传感器和三自由度加速度传感器设置在模型风机系统2的机舱6内，扭矩传感器被配置为监测风轮5的气动扭矩，三自由度加速度传感器被配置为监测机舱6的振动信号；第一六分力计设置在模型风机系统2的塔筒7顶部，第一六分力计配置为监测塔筒7顶部的受力，第二六分力计设置在模型风机系统2的塔筒7底部，第二六分力计被配置为监测塔筒7底部的受力；信号采集软件被配置为对信号采集硬件采集的各种信号进行整合、滤波、分析和存储。

本实施例还公开了一种采用本实施例进行海上浮式风机非定常气动特性试验的方法，包括以下步骤：

步骤1、启动造风系统1、模型风机系统2、六自由度运动平台3、风轮尾迹探测系统4和控制系统，通过控制系统控制造风系统1，设定各个轴流风机8的转速，以产生所需要的风速、湍流强度、风切变强度的入流风场；

步骤2、通过控制系统控制模型风机系统2的直流电机，设置所需要的风轮5的旋转速度；

步骤3、通过控制系统控制模型风机系统2的变桨距控制机构，控制三个叶片的桨距角，从而设定模型风机系统2的工作状态；

步骤4、通过控制系统控制六自由度运动平台3的6个电缸的伸缩量，设定六自由度运动平台3的浮体姿态为静态姿态或动态姿态；

步骤5、设定目标探测区间，根据目标探测区域的空间位置调整风轮尾迹探测系统4的位置，从而实现指定区域的尾迹状态监测；

步骤6、待所有系统运行稳定后，启动集成信号采集系统，实时监测各个系统的状态和气动响应特征；

步骤7、信号采集结束后，保存数据以用于后续处理，停止所有系统的运行。

实施例2

在实施例1的基础上，第一整流罩10和第二整流罩11为方形，截面完全覆盖圆转方整流器9阵列的方形出口区域，所述丝杆为滚柱丝杆，所述模型风机系统2还设置有温度传感器，用于监测模型风机系统2各个旋转部件的工作状态。

集成信号采集系统；还包括摄像头，用于采集试验过程中各个部件的状况。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，包括造风系统、六自由度运动平台、模型风机系统、风轮尾迹探测系统、控制系统和集成信号采集系统；所述模型风机系统固定安装于所述六自由度运动平台上，所述模型风机系统设置于所述造风系统的下游；所述模型风机系统的工作面与所述造风系统的出风方向相对设置；所述风轮尾迹探测系统设置于所述模型风机系统的下游并处在所述模型风机系统的风轮尾迹的区域内；所述造风系统被配置为产生定常或非定常入流风场；所述六自由度运动平台被配置为模拟海上浮式风机在海洋环境作用下的静态浮体姿态和动态浮体姿态。

2.如权利要求1所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述造风系统包括轴流风机、圆转方整流器、蜂窝状整流罩，所述轴流风机的数量大于等于1，所述圆转方整流器的数量与所述轴流风机的数量相等，所述圆转方整流器的圆形入口固定设置在所述轴流风机的出风口，所述蜂窝状整流罩设置在所述圆转方整流器的方形出口处。

3.如权利要求2所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述轴流风机的数量为16，16个所述轴流风机以4×4布局排列，所述蜂窝状整流罩包括第一整流罩、第二整流罩，所述第一整流罩的右侧设置在各个所述圆转方整流器的方形出口处，所述第二整流罩设置在所述第一整流罩左侧。

4.如权利要求3所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述六自由度运动平台包括电缸、上工作平台和下工作平台；所述下工作平台固定设置，所述电缸的第一端与所述上工作平台球铰连接，所述电缸的第二端与所述下工作平台球铰连接；所述电缸的数量为6个，6个所述电缸均布设置在所述上工作平台和所述下工作平台之间。

5.如权利要求4所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述电缸包括丝杆和驱动电机，所述丝杆为滚珠丝杆或滚柱丝杠，所述驱动电机为伺服电机，所述电缸的第二端为非伸长端。

6.如权利要求5所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述模型风机系统包括风轮、机舱和塔筒；

所述风轮包括轮毂、三个叶片、变桨距控制机构，所述风轮转动的盘面完全被所述造风系统产生的所述入流风场覆盖；所述叶片由碳纤维制成；所述变桨距控制机构被配置为调节所述叶片的桨距角；

所述机舱包括直流电机、机舱结构件、主轴，所述机舱结构件为铝合金材质，所述直流电机固定设置在所述机舱内，所述直流电机的输出轴与所述主轴一端固定连接，所述风轮的所述轮毂与所述主轴的另一端固定连接，

所述塔筒为底部大、顶部小的锥状刚性构件，所述塔筒的材质为碳纤维，所述机舱安装在所述塔筒的顶部，所述塔筒的底部固定安装在所述上工作平台上。

7.如权利要求6所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述风轮尾迹探测系统包括多通道热线风速仪、风速仪夹具，所述多通道热线风速仪固定安装于所述风速仪夹具上，所述风速仪夹具包括夹具旋转机构、夹具移动机构。

8.如权利要求7所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述控制系统与所述造风系统、所述六自由度运动平台、所述模型风机系统的各个驱动装置电气连接，所述控制系统与所述集成信号采集系统电气连接，各个所述轴流风机可以独立运转。

9.如权利要求8所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统，其特征在于，所述集成信号采集系统包括信号采集硬件、信号采集软件；所述信号采集硬件包括扭矩传感器、第一六分力计、第二六分力计、三自由度加速度传感器；所述扭矩传感器和所述三自由度加速度传感器设置在所述模型风机系统内，所述扭矩传感器被配置为监测所述风轮的气动扭矩，所述三自由度加速度传感器被配置为监测机舱的振动信号；所述第一六分力计设置在所述塔筒顶部，所述第一六分力计配置为监测所述塔筒顶部的受力，所述第二六分力计设置在所述塔筒底部，所述第二六分力计配置为监测所述塔筒底部的受力；所述信号采集软件被配置为对所述信号采集硬件采集的各种信号，进行整合、滤波、分析和存储。

10.一种采用如权利要求9所述的一种海上浮式风机非定常气动特性试验研究系统进行海上浮式风机非定常气动特性试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、启动所述造风系统、所述模型风机系统、所述六自由度运动平台、所述风轮尾迹探测系统和所述控制系统，通过所述控制系统控制所述造风系统，设定各个所述轴流风机的转速，以产生所需要的风速、湍流强度、风切变强度的入流风场；

步骤2、通过所述控制系统控制所述模型风机系统的所述直流电机，设置所需要的所述风轮的旋转速度；

步骤3、通过所述控制系统控制所述模型风机系统的所述变桨距控制机构，控制三个所述叶片的桨距角，从而设定所述模型风机系统的工作状态；

步骤4、通过所述高性能控制系统控制所述六自由度运动平台的六个电缸的伸缩量，设定所述六自由度运动平台的浮体姿态为静态姿态或动态姿态；

步骤5、设定目标探测区间，根据所述目标探测区域的空间位置调整所述风轮尾迹探测系统的位置，从而实现指定区域的尾迹状态监测；

步骤6、待所有系统运行稳定后，启动所述集成信号采集系统，实时监测各个系统的状态和气动响应特征；

步骤7、信号采集结束后，保存数据以用于后续处理，停止所有系统的运行。