CN111289213A - 适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置和方法，该装置包括支撑架和套筒，支撑架包括底座、承重支架、顶部平板；该方法包括以下步骤：在风洞中安装风力机及支撑架，在支撑架周围安装套筒；在套筒不同截面布置测压孔，并连接至压力扫描阀；安装霍尔传感器、整流桥及直流负载；启动风洞；采集当前风速及不同转速及静止状态下下风力机塔架的表面压力；改变风洞风速，待风洞风速稳定后，重复测量，直至所需测量的工况均完成测量。本发明设计成本较低且安装方便，对旋转、静止状态下风力机塔架气动载荷的准确预测具有重要的工程意义。

Description

适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及风洞实验及风力机性能测试领域，特别涉及一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置及方法

背景技术

风力发电是目前应用规模最大的新能源发电方式，随着世界各国对能源安全、生态环境等问题日益重视，加快发展风电已成为国际社会推动能源转型发展的普遍共识。

水平轴风力发电机组是最有效的风能转换装置之一，主要由中空钢制的塔架和材质轻柔叶片组成，风力机运行时，叶片的旋转和绕流影响着塔架周围流场，从而导致塔架周围局部范围内风速的急剧变化及流场特性的改变，叶片的不同位置会引起塔架及叶片本身风压分布的显著差异。其中处于流场上游的叶片对下游塔架会产生干扰，从而改变塔架周围的绕流特性，且处于下游的塔架会产生明显的激振效应，从而影响塔架的局部及整体气动力分布。为此研究风力机塔架和叶片之间动、静干涉效引起的气动载荷变化，对准确预测风工程问题具有重要的工程意义。近年来，针对风力机塔架和叶片之间气动性能的干扰作用研究大都以数值模拟为主，甚少有在风洞实验研究对停机状态及旋转状态下不同位置的叶片对风力机体系气动性能的影响进行定性和定量研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置及方法，可以精确采集各种风速及风力机转速下的风力机塔架表面瞬时压力情况，解决风洞实验中风力机塔架表面压力测量的技术问题。

本发明的目的一方面是这样实现的：一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，包括支撑架和套筒，所述支撑架包括底座、承重支架、顶部平板，所述承重支架的一端与底座中心相连接，另外一端与顶部平板相连接，在所述底座上设有两组距底座中心不同距离的螺纹孔，所述顶部平板上设有两个上下直通的长方形凹槽，所述顶部平板中心设有一直通至底座的过孔，顶部平板与风力机的法兰盘通过螺栓连接；所述套筒由多个中空圆管排列组成，所述套筒顶部由一中空圆盘封闭，套筒底部由一中空圆盘封闭，所述套筒的不同水平位置布置有测压孔，所述套筒顶部圆盘中心处设有一过孔，且顶部圆盘上设有螺纹孔，所述套筒底部圆盘中心处设有一过孔，且底部圆盘上还设有螺纹孔和两个上下直通的扇形凹槽。

作为本发明的进一步限定，所述支撑架底座为方形钢板。

作为本发明的进一步限定，所述支撑架顶部平板为长方形钢板。

作为本发明的进一步限定，所述螺纹孔均为公制M10的螺纹孔。

本发明的目的另一方面是这样实现的：一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1在风洞中安装风力机及支撑架；

步骤2安装套筒，在套筒不同水平位置打孔，布置测压孔，利用毛细刚管及塑胶软管连接至压力扫描阀，并将套筒安装在支撑架上；

步骤3在风力发电机轮毂处安装霍尔传感器、风力发电机三相电、功率整流模块及直流负载依次串联电连接；

步骤4进行风洞安全性检查，具体包括风力机连接螺栓有无松动；检查支撑架底座与风洞的固定螺栓有无松动；套筒与支撑架连接螺栓有无松动；检查电动机、继电器、整流模块电气设备连接是否正确连接且能够正常运行；检查风洞管道中有异物存在；

步骤5设定直流负载阻值，设定风洞风速大于风力机启动风速，并启动风洞，进行叶片塔架动态干涉实验；

步骤6设定压力传感器的采样频率及采样时间，采集当前风速及不同转速下风力机塔架的各截面的瞬时压力；

步骤7调整直流负载阻值，改变风力机转速，待风力机转速稳定后，重复步骤6，直至所需测量的不同转速工况均完成测量；

步骤8调整风洞中来流风速，待来流风速稳定后，重复步骤6、步骤7，直至所需测量的不同风速工况均完成测量；

步骤9待工况测试完成后，调节直流负载阻值，待风力机停止后，风洞停机，依次关闭压力扫描阀，直流负载，风洞电机电源，完成当前工况下叶片塔架干涉实验；

步骤10调整风力机叶片停机角度并设定直流负载阻值，使得实验风洞风速小于风力机启动风速，并启动风洞；

步骤11重复步骤6及步骤9，再次调整风力机叶片停机角度，重复步骤6及步骤9，直至所有测试角度均已完成实验，从而完成进行叶片塔架静态干涉实验；

步骤12数据处理，计算各测点的压力系数，升阻力系数，分析各工况下塔架表面压力分布情况。

作为本发明的进一步限定，所述步骤12具体包括，风力机停机时，塔架一截面表面静态升阻力系数可由如下公式求得：

式中：(Cp)_j为j号测压孔的压力系数，j取值为1至18整数，压力系数(Cp)_j＝(p_j-p₀)/0.5×ρ×V²求得，V为风洞中来流风速，ρ为测量时空气密度，p_j为j号测压孔的压力数据，p₀为测压孔当前的静压压力数据，静压数据由塔架侧前方0.5m处毕托管测得，C_D为测量截面的阻力系数，C_L为测量截面的升力系数，θ为是测点位置的圆周角度，以前驻点即正对来流逆时针起算，(cosθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量，(cosθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量；

风力机匀速旋转时，塔架一截面表面瞬时压力分布可由如下公式求得：

式中：P表示为记录压力数据的数组，如P(k，1)表示记录的第1号测压管在风力机叶片呈k角度时的压力数据，k取值为1至360正整数，表示旋转平面中360度的空间方向，其中以霍尔传感器触发脉冲时角度定义为0度，j取值为1至19正整数，表示19个测压孔，P₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下塔架j号的压力管的压力数据；int为向下取整函数，S为记录压力数据的长度，取值为50个周期数据，即取值为S＝f×3000/rpm，其中f为压力扫描阀的采样频率，rpm为风力机风轮旋转速度，单位为转/每分钟，

为叶片表面上j号测压孔在k位置的瞬时压力数据50个周期数据的均值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，有益效果在于：风力机与支撑架的顶部平板螺栓连接，风力机的重量均承载在顶部平板上，并通过承重支架与底座连接，测压孔所在套筒并不承重受力，且可以通过顶部平板上的凹槽前后移动风力机，使得风力机旋转平面与塔架之间距离可调；在风力机运行前，压力扫描阀处于零位状态，这使压力测试数据更加精确；风力机底座与套筒间有公制M10螺母厚度的间隙，便于测压孔后接的塑胶软管引出至压力扫描阀，同时防止由于挤压导致的塑胶软管破裂；风力机底座与风洞洞壁间有公制M10螺母厚度的间隙，便于引出风力发电机三相电及霍尔传感器信号线，防止由于挤压导致的三相电短路，且风力机底座与风洞洞壁通过公制M10螺栓固定，方便安装及拆卸；风力发电机输出三相交流电，功率整流模块利用整流二极管的单向导电性能把三相异步发电机交流电压变为直流电压，因为二极管的开通和关断时间较短，惯性及损耗较小，同时设计RC缓冲电路进一步抑制功率电路中电压电流尖峰的存在；经过主回路滤波电容组滤波后电压更加稳定，主回路滤波电容组可以稳定三相全桥整流电路后直流侧电压，同时缓冲交流侧和直流侧负载之间的能量交换抑制谐波；且电子负载接入直流回路中，便于测定三相异步发电机输出端的电压、电流并计算其输出电功率；同时调整直流负载电阻阻值的大小，可控制风力机的启动风速；本发明的测量装置设计综合考虑成本及风洞安装环境，安装过程简单，方便实验在空间有限的风洞中直接进行，可以定量分析停机、旋转状态下不同叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律，对旋转、静止状态下风力机塔架气动载荷的准确预测具有重要的工程意义。

附图说明

图1为本发明支撑架的示意图；

其中，1支撑架，11底座，12承重支架，13顶部平板。

图2为本发明支撑架顶部平板示意图；

其中，131、132长方形凹槽，133过孔。

图3为本发明支撑架底座示意图；

其中，111、112、113、114、115、116、117、118螺纹孔，133过孔。

图4为本发明套筒截面示意图；

其中，2套筒，21套筒顶部圆盘，20测压孔，22套筒底部圆盘。

图5为本发明套筒顶部圆盘示意图；

其中，211、212、213、214螺纹孔，215顶部圆盘过孔。

图6为本发明套筒底部圆盘示意图；

其中，221、222、223、224螺纹孔，225底部圆盘过孔，226扇形凹槽。

图7为本发明功率整流模块结构示意图。

图8为本发明功率整流模块缓冲电路示意图。

图9为使用本发明在风洞来流风速7.5m/s、叶片对应54.72％截面，在不同叶片停机位置时风力机塔架环向压力分布示意图。

图10为使用本发明在风洞来流风速7.5m/s、叶片与塔架夹角为零时塔架不同截面瞬时升力系数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，包括支撑架1和套筒2，支撑架1包括底座11、承重支架12、顶部平板13；承重支架12的一端与底座11中心相连接，另外一端与顶部平板13相连接，承重支架12的高度为风洞试验段高度的40％，直径为32mm。底座11为长度200mm，宽度200mm，厚度5mm的钢板，在底座11上设有两组距底座中心不同距离的公制M10螺纹孔，其中一组螺纹孔111、112、113、114距底座中心106mm，另一组螺纹孔115、116、117、118距底座中心70mm。顶部平板13是长度200mm，宽度80mm，厚度5mm的钢板，顶部平板13上设有两个上下直通的长方形凹槽131、132，凹槽长度为180mm，宽度为15mm，凹槽中心距顶部平板中心24mm；顶部平板13中心设有一直通至底座的过孔133，过孔半径为12mm，顶部平板13与风力机的法兰盘通过螺栓连接；套筒2由多个高度110mm，外径90mm，厚度5mm的中空圆管排列组成，套筒顶部由一中空圆盘21封闭，套筒底部由一中空圆盘22封闭，圆盘尺寸均为直径为120mm，高度5mm，套筒2与风力机叶片分别对应的32.07％、43.39％、54.72％、66.03％、77.30％、88.6％、100％截面水平高度处布置有测压孔20，测压孔20孔径1mm，每个截面共布置19个测压孔，绕套筒一周均匀分布，套筒顶部圆盘21中心处设有一过孔215，过孔215半径为32mm，且顶部圆盘21上设有公制M10的螺纹孔211、212、213、214，螺纹孔211、212、213、214均距顶部圆盘中心56.5mm；套筒底部圆盘22中心处设有一半径32mm的过孔225，且底部圆盘22上还设有公制M10的螺纹孔221、222、223、224和两个上下直通的扇形凹槽226，螺纹孔221、222、223、224均距底部圆盘中心70mm，扇形凹槽226尺寸为圆心角为130°、内径27mm、外径47mm。

一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量方法，包括以下步骤：

步骤1在风洞中安装风力机及支撑架；风力机塔架安装时支撑架底座与风洞底部壁面通过公制M10螺栓连接，且每个螺栓上固定M10螺母，即底座与风洞底部壁面间固定有四个M10螺母，形成的空隙便于风力机三相电及霍尔传感器走线。

步骤2安装套筒，在套筒不同水平位置打孔，布置测压孔，利用毛细刚管及塑胶软管连接至压力扫描阀，并将套筒安装在支撑架上；套筒与支撑架底座通过公制M10螺栓连接，且每个螺栓上固定M10螺母，即套筒与支撑架底座间固定有四个M10螺母，套筒与支撑架底座形成的空隙便于采集压力的塑胶软管走线。

步骤3在风力发电机轮毂处安装霍尔传感器、风力发电机三相电、功率整流模块及直流负载依次串联电连接。如图7所示，图7为功率整流模块结构示意图，风力发电机三相电、功率整流模块及直流负载依次串联电连接。功率整流模块由三相进线端子GLA1、GLA2、GLA3，6个整流二极管D1～D6，储能电容C13、C14，电阻R13、R14，发光二极管D25及导线组成。六个整流二极管组成三相桥式结构，三个桥臂中心点引出三根导线与三相进线端子GLA1、GLA2、GLA3电连接，直流负载、缓冲电路、储能电容、电阻及发光二极管分别和三相桥式结构的直流侧正负极两端DCU+1、DCU-1并联电连接；同时设计RC缓冲电路进一步抑制功率电路中电压电流尖峰的存在，具体如图8所示，缓冲电路与功率整流模块功率6个二极管并联电连接，以D1二极管为例，缓冲电路P1、N1接口与功率整流模块功率二极管的P1、N1接口并联电连接，以此类推。

步骤4进行风洞安全性检查，具体包括风力机连接螺栓有无松动；检查支撑架底座与风洞的固定螺栓有无松动；套筒与支撑架连接螺栓有无松动；检查电动机、继电器、整流模块电气设备连接是否正确连接且能够正常运行；检查风洞管道中有异物存在。

步骤5设定直流负载阻值至60欧姆，设定风洞风速5m/s大于风力机启动风速3m/s，并启动风洞，进行叶片塔架动态干涉实验。

步骤6设定压力传感器的采样频率1200Hz及采样数据的长度S(50个周期数据)，采集当前风速及不同转速下风力机塔架的各截面的瞬时压力。

步骤7调整直流负载阻值，改变风力机转速，依次改变风力机转速分别至40r/min、60r/min、80r/min、100r/min、300r/min，待风力机转速稳定后，重复步骤6，直至所需测量的不同转速工况均完成测量。

步骤8调整风洞中来流风速为10m/s，待来流风速稳定后，重复步骤6、步骤7，直至所需测量的不同风速工况均完成测量。

步骤9待工况测试完成后，调节直流负载阻值，待风力机停止后，风洞停机，依次关闭压力扫描阀，直流负载，风洞电机电源，完成当前工况下叶片塔架干涉实验。

步骤10调整风力机叶片停机角度并设定直流负载阻值，使得实验风洞风速小于风力机启动风速，并启动风洞。

步骤11重复步骤6及步骤9，再次调整风力机叶片停机角度，即叶片与塔架之间的夹角，分别为：-60°、-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°，重复步骤6及步骤9，直至所有测试角度均已完成实验，从而完成进行叶片塔架静态干涉实验。

步骤12数据处理，计算各测点的压力系数，升阻力系数，分析各工况下塔架表面压力分布情况。

风力机停机时，塔架一截面表面静态升阻力系数可由如下公式求得：

式中：(Cp)_j为j号测压孔的压力系数，j取值为1至18整数，压力系数(Cp)_j＝(p _j-p₀)/0.5×ρ×V²求得，V为风洞中来流风速，ρ为测量时空气密度，p _j为j号测压孔的压力数据，p₀为测压孔当前的静压压力数据，静压数据由塔架侧前方0.5m处毕托管测得，C_D为测量截面的阻力系数，C_L为测量截面的升力系数，θ为是测点位置的圆周角度，以前驻点即正对来流逆时针起算，(cosθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量，(cosθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量；

风力机匀速旋转时，塔架一截面表面瞬时压力分布可由如下公式求得：

式中：P表示为记录压力数据的数组，如P(k，1)表示记录的第1号测压管在风力机叶片呈k角度时的压力数据，k取值为1至360正整数，表示旋转平面中360度的空间方向，其中以霍尔传感器触发脉冲时角度定义为0度，j取值为1至19正整数，表示19个测压孔，P₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下塔架j号的压力管的压力数据；int为向下取整函数，S为记录压力数据的长度，取值为50个周期数据，即取值为S＝f×3000/rpm，其中f为压力扫描阀的采样频率，rpm为风力机风轮旋转速度，单位为转/每分钟，

为叶片表面上j号测压孔在k位置的瞬时压力数据50个周期数据的均值。

测试结果具体如图9、图10所示，图9为风力机停机时且风洞来流风速7.5m/s，叶片54.72％截面环向压力分布，从图中可以看出不同叶片停机位置时风力机塔架环向压力分布差异较大，叶片在不同位置时，对塔架绕流及气动力分布的影响显著。不同干涉角度下塔架截面沿环向的压力系数分布趋势一致，被遮挡区域的塔架迎风面出现明显的负压区域，且随着被遮挡程度的增加负压减小；图10为风洞来流风速7.5m/s、叶片与塔架夹角为零时塔架不同截面瞬时升力系数图，从图中可以看出塔架不同截面，受叶片对塔架的遮挡效应，存在比较强烈的干涉现象，使得瞬时升力系数发生偏离，改变了圆柱脱落涡的对称性，且数值在10^-1数量级。

本发明的测量装置设计综合考虑成本及风洞安装环境，安装过程简单，方便实验在空间有限的风洞中直接进行，可以定量分析停机、旋转状态下不同叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律，对旋转、静止状态下风力机塔架气动载荷的准确预测具有重要的工程意义。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，其特征在于，包括支撑架和套筒，所述支撑架包括底座、承重支架、顶部平板，所述承重支架的一端与底座中心相连接，另外一端与顶部平板相连接，在所述底座上设有两组距底座中心不同距离的螺纹孔，所述顶部平板上设有两个上下直通的长方形凹槽，所述顶部平板中心设有一直通至底座的过孔，顶部平板与风力机的法兰盘通过螺栓连接；所述套筒由多个中空圆管排列组成，所述套筒顶部由一中空圆盘封闭，套筒底部由一中空圆盘封闭，所述套筒的不同水平位置布置有测压孔，所述套筒顶部圆盘中心处设有一过孔，且顶部圆盘上设有螺纹孔，所述套筒底部圆盘中心处设有一过孔，且底部圆盘上还设有螺纹孔和两个上下直通的扇形凹槽。

2.根据权利要求1所述的适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，其特征在于，所述支撑架底座为方形钢板。

3.根据权利要求1所述的适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，其特征在于，所述支撑架顶部平板为长方形钢板。

4.根据权利要求1所述的适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量装置，其特征在于，所述螺纹孔均为公制M10的螺纹孔。

5.一种适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1在风洞中安装风力机及支撑架；

步骤2安装套筒，在套筒不同水平位置打孔，布置测压孔，利用毛细刚管及塑胶软管连接至压力扫描阀，并将套筒安装在支撑架上；

步骤3在风力发电机轮毂处安装霍尔传感器、风力发电机三相电、功率整流模块及直流负载依次串联电连接；

步骤4进行风洞安全性检查，具体包括风力机连接螺栓有无松动；检查支撑架底座与风洞的固定螺栓有无松动；套筒与支撑架连接螺栓有无松动；检查电动机、继电器、整流模块电气设备连接是否正确连接且能够正常运行；检查风洞管道中有异物存在；

步骤5设定直流负载阻值，设定风洞风速大于风力机启动风速，并启动风洞，进行叶片塔架动态干涉实验；

步骤6设定压力传感器的采样频率及采样时间，采集当前风速及不同转速下风力机塔架的各截面的瞬时压力；

步骤7调整直流负载阻值，改变风力机转速，待风力机转速稳定后，重复步骤6，直至所需测量的不同转速工况均完成测量；

步骤8调整风洞中来流风速，待来流风速稳定后，重复步骤6、步骤7，直至所需测量的不同风速工况均完成测量；

步骤9待工况测试完成后，调节直流负载阻值，待风力机停止后，风洞停机，依次关闭压力扫描阀，直流负载，风洞电机电源，完成当前工况下叶片塔架干涉实验；

步骤10调整风力机叶片停机角度并设定直流负载阻值，使得实验风洞风速小于风力机启动风速，并启动风洞；

步骤11重复步骤6及步骤9，再次调整风力机叶片停机角度，重复步骤6及步骤9，直至所有测试角度均已完成实验，从而完成进行叶片塔架静态干涉实验；

步骤12数据处理，计算各测点的压力系数，升阻力系数，分析各工况下塔架表面压力分布情况。

6.根据权利要求5所述的适用于风洞实验的风力机塔架表面压力测量方法，其特征在于，所述步骤12具体包括，风力机停机时，塔架一截面表面静态升阻力系数可由如下公式求得：

式中：(Cp)_j为j号测压孔的压力系数，j取值为1至18整数，压力系数(Cp)_j＝(p_j-p₀)/0.5×ρ×V²求得，V为风洞中来流风速，ρ为测量时空气密度，p_j为j号测压孔的压力数据，p₀为测压孔当前的静压压力数据，静压数据由塔架侧前方0.5m处毕托管测得，C_D为测量截面的阻力系数，C_L为测量截面的升力系数，θ为是测点位置的圆周角度，以前驻点即正对来流逆时针起算，(cosθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j为j号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量，(cosθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的余弦量，(sinθ)_j+1为j+1号测压孔测点位置的圆周角度的正弦量；

风力机匀速旋转时，塔架一截面表面瞬时压力分布可由如下公式求得：

式中：P表示为记录压力数据的数组，如P(k，1)表示记录的第1号测压管在风力机叶片呈k角度时的压力数据，k取值为1至360正整数，表示旋转平面中360度的空间方向，其中以霍尔传感器触发脉冲时角度定义为0度，j取值为1至19正整数，表示19个测压孔，P₀(j)为风力机转速为零且风速为零的工况下塔架j号的压力管的压力数据；int为向下取整函数，S为记录压力数据的长度，取值为50个周期数据，即取值为S＝f×3000/rpm，其中f为压力扫描阀的采样频率，rpm为风力机风轮旋转速度，单位为转/每分钟，

为叶片表面上j号测压孔在k位置的瞬时压力数据50个周期数据的均值。

Images