CN112145374A - 一种实现风力机实时同步噪声监测试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为更加真实的记录变化的自然风对风力机产生噪声的影响。风力发电机实时同步噪声监测装置，能够在动态入流下实时采集旋转风轮某部位的噪声，实现风速、风向变化下旋转风轮某部位噪声的实时采集，达到捕获动态声源的试验目的。三线式热线风速仪与噪声采集设备的组合构成测试总成，并通过带刻度的旋转伸缩机构固定测试总成于尾舵杆上，带刻度的旋转伸缩机构与测试总成上的螺纹滑块固定装置配合一起完成噪声测试位置的选取；置于测试总成上的三线式热线风速仪和噪声测试仪可随同测试风力机机头按一定函数映射下的角速度一同旋转，并配合可变入流风可实现动态入流(仅指风速大小变化)、动/静态偏航下旋转叶片声场实时抓取的功能。

Description

一种实现风力机实时同步噪声监测试验装置

技术领域

本发明涉及风力发电机动态同步监测技术领域，尤其涉及一种风力机动态实时同步噪声采集试验装置。

背景技术

随着世界化石能源耗竭的加剧，风能无疑将成为人类未来能源开发的主体之一。风力机在复杂自然环境中的多用途性(如工矿企业通风节能回收、农业提水灌溉耕作、城市及乡村日常生活分布式供能、道路交通照明等)备受世界各国关注。然而，在目前受静态试验条件的限制，动态下研究风力机流场参数、声场参数、结构动力学参数、发电机输出参数间的强烈相互作用依然存在困难，制约着风力机在实际使用过程中使用寿命和输出功率的提升。故风力机研发领域急待一套能实时动态同步测试风力机流场参数与声场及其他场参数的测试方法和系统的诞生，以作为风力机开发多用途化适应性机型中的基础研究、产品研发和检测、后期运行中健康监测等多个方面的技术支撑。

仅利用计算机设定轴流式引风机的控制频率与时间的映射函数，并结合风洞的长度(或轴流式引风机到风力机旋转风轮的距离)来计算到达试验段测试风力机旋转平面实时风速的方法。由于变频控制下变转速的轴流式引风机产生的变速风要经过整流网以及扩压段充分发展，并由于入流风速的实时变化和空气的可压缩性，导致变风速入流下结合风洞长度计算得到的实时风速存在严重的误差，且仅能粗略预测试验段风速的大小；在改变入流方向上，以在风洞出风处安装变向引流罩来达到入流方向改变的方法则需要复杂而笨重的引流变向装置，且成本昂贵。而通过风力偏航的方式来达到相对入流方向改变的目的则更加方便，但通过动态旋转机头实现相对入流方向实时发生变化，由于相对风向发生动态变化的影响将导致沿垂直旋转平面的入流风大小实时发生改变，导致很难精确有效的对变动的风速测试点进行实时有效捕捉，从而不能准确获取动态偏航下旋转风轮某位置的真实入流风速大小。并且在动态偏航下，由于旋转叶片相对风向实时变化下很难精确跟踪到相对于旋转平面位置固定的风速测试点，所以不能简单地利用计算机设定轴流式引风机的风速控制频率和时间映射函数结合风洞的长度以及安装简单固定的测风装置来完成试验段风力机的入流风速及风向的实时准确记录。小型风力机与大型风力机不同，小型风力机叶片转速高，尾迹受旋转叶片扰动较大型风力机更加剧烈，所以实时风速测试装置不能像大型风力机布置于机头顶端。综上所述这些因素的存在制约了小型风力机动态实时噪声采集试验的有效进行，所以在小型风力机动态入流下准确方便地进行实时采集旋转叶轮不同部位的噪声试验还存在一定的困难。

1、现有风力机噪声测试试验设备均为静态下采集噪声的，以匀速入流下特定位置，固定偏航下的噪声采集试验为主。

2、动态入流下，现有的则是利用计算机根据风速随时间的变化规律并配合风洞的长度(或轴流式引风机到风力机旋转风轮的距离)计算变化的风速到达测试风力机旋转平面的实时风速。风向的改变则依靠改变风洞出风口引流罩的方向来达到变风向入流的目的。

以上风力机试验测试方式都不能实时准确的开展小型风力机动态入流噪声试验，更不易达到最大程度真实模仿自然风入流下进行小型风力机旋转风轮不同部位噪声测试的目的。

发明内容

本发明的目的是为更加真实的模拟并记录实时变化的自然风对小型风力机产生噪声的影响。小型风力发电机实时同步噪声监测装置，能够在动态入流下实时采集旋转风轮某部位噪声，实现获取风速、风向变化下噪声实时采集的实验目的。

风力机实时同步噪声监测装置包括风力机基本测试系统及联动多场同步测试系统。三线式热线风速仪与噪声采集设备的组合构成测试总成，并通过带刻度的旋转伸缩机构固定测试总成于尾舵杆上，带刻度的旋转伸缩机构与测试总成上的螺纹滑块固定装置配合一起完成噪声测试位置的选取工作。置于测试总成上的三线式热线风速仪、丹麦BK公司的60通道声阵列噪声测试传感器可随同测试风力机机头按一定函数映射下的角速度一同旋转，并配合变速入流风可实现动态入流(仅指风速大小发生改变)、动态/静态偏航下旋转叶片声场实时抓取功能。

风力机实时同步噪声监测试验装置，由风力机基本测试系统及联动多场同步测试系统组成。其中风力机基本测试系统包括：测试10风力机叶片安装于11发电机主轴上，11发电机安装于24塔筒上端，24塔筒下端固定于地面，11发电机电能输出线路穿过塔筒连接于35可移动式集成试验台上，通过35可移动式集成试验台与内部19发电机输出参数采集仪相连。35可移动式集成试验台还集成了1变频控制计算机、2集成控制同步触发计算机、20测试总成位置记录器、3变频控制与集成控制同步触发计算机主机、4变频器集合等设备。同时35可移动式集成试验台利用内部1变频控制计算机及4变频器控制5轴流式引风机转速；旋转联动多场实时同步测试系统包括：14三线式热线风速仪、BK噪声采集设备、16面板集成箱、17同步器和18负载箱组成。其中14三线式热线风速仪与13声阵列盘分别通过26卡钳与29螺纹滑块固定装置、28带标尺丝杠、27滑块固定装置固定于联动架25滑杆上，配合可调整位置的9热线探头来选定测试位置，位置选定后则不需要再调整26卡钳、27滑块固定装置。当需要改变测试位置时仅需要调整30带刻度的旋转伸缩机构，通过伸缩、旋转25滑杆与29螺纹滑块固定装置，分别改变沿叶片展向或绕风轮中心轴旋转方向上的位置与13BK声阵列盘距风轮旋转平面的距离。14三线式热线风速仪、噪声采集设备、12内置角位移传感器的偏航电机的控制与传输线路通过17同步器连入35可移动式集成试验台，最终连接于2集成控制同步触发计算机与21数据采集及处理计算机。

1、通过该装置获得的在动态风速及动态偏航下采集的风速更加精准(理论上三线式热线风速仪的探头测试点无限接近叶片旋转面前端，或轴流式引风电机到三线式热线风速仪测试点的距离远远大于三线式热线风速仪探头测试点到风力机旋转叶片平面的距离，认为由轴流式引风机所产生实时变化的风经过充分发展阶段后到达叶片旋转平面的风速与到达三线式热线风速仪探头测试点的风速一致)，同时配合灵敏的噪声采集装置完成动态噪声采集。与其他机构相比，该机构能更加准确的采集动态入流下旋转叶片瞬态流场变化对声场产生的实时响应。

2、偏航下由于旋转平面相对风洞出风口的旋转从而导致叶片不同部位受风情况以及旋转叶片与空气相互作用的不同而导致不同位置处风速、噪声大小也不一样，该装置可以在偏航条件下实时跟踪测试位置，并可灵活调整测试位置。调整位置时仅需调节30带刻度的旋转伸缩机构就可联动调节风速采集装置、噪声采集装置，且二者的相对位置不会发生改变，尽可能规避了误差的产生。而在非偏航下，风力机等径向位置旋转噪声只需测试一点。

3、计算机对三线式热线风速仪采集到的风速数据进行处理分析并与预设函数映射下的风速进行对比，可实时修正变频器控制函数，弥补由客观因素引起的误差，形成闭环反馈调节，提高测量精度。

4、本发明系统中各分系统的协同工作由触发集成控制系统管控，系统集成化程度高，控制便捷，人为干扰影响因素小，测试精度高。

附图说明

图1为本发明实时同步噪声监测试验装置整体系统组成示意图；

图2为本发明机头测试总成图；

图3为本发明工作流程图；

其中，1-变频控制计算机、2-集成控制同步触发计算机、3-变频控制与集成控制同步触发计算机主机、4-变频器集合、5-轴流式引风机、6-整流网、7-风洞、8-可变风、9-热线探头、10-风力机叶片、11-发电机、12-内置角位移传感器的偏航电机、13-BK声阵列盘、14-三线式热线风速仪、15-信号放大器、16-面板集成箱、17-同步器、18-负载箱、19-发电机输出参数采集仪、20-测试总成位置记录器、21-数据采集及处理计算机、22-接地线、23-声传感器、24-塔筒、25-滑杆、26-卡钳、27-滑块固定装置、28-带标尺丝杠、29-螺纹滑块固定装置、30-带刻度的旋转伸缩机构、31-尾舵、32-导流罩、33-测试中心线、34-临时试验架、35-可移动式集成试验台、36-散热格栅板。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的操作方法：如图1、2所示，在开始试验测试时首先在1变频控制计算机内写入控制4变频器工作的函数程序，再用4变频器控制5轴流式引风机形成风(如匀速、阵风、渐变风等)，再经过7风洞内6整流网整流并经过充分发展在7风洞开口试验段产生8可变风。

同步实时噪声采集设备的安装与标定。安装：测试总成利用30带刻度的旋转伸缩机构的转卡固定于风力机尾舵杆上(非偏航下固定于任意角度)，再通过27滑块固定装置调节沿旋转叶片径向的测试位置，并使13BK声阵列盘中心轴线(即33测试中心线)垂直于风力机叶片的旋转平面，通过29螺纹滑块固定装置调节噪声测试点的轴向位置，然后通过26卡钳固定14三线式热线风速仪(三线式热线风速仪具有宽广的测速功能，可同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。三线式热线风速仪具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速、低速流速(如低达0.3米/秒)等优点)于25滑杆上，通过伸缩杆调节9热线探头位置，使其测试点位于33测试中心线(即风速采集点位置在13BK声阵列盘中心轴线上)，并调整14三线式热线风速仪测试角度，使X轴位于测试中心线上，并指向风力机旋转平面正前方，Y轴水平，Z轴垂直向上。标定：打开7风洞，利用1变频控制计算机控制风洞产生匀速入流风并待风速稳定后用三线式热线风速仪进行风速大小的标定；在固定偏航及匀速入流条件下14三线式热线风速仪需要配合12偏航角位移传感器记录于21数据采集及处理计算机的风速与角位移数据进行计算完成14三线式热线风速仪方向的标定。完成标定则可开始进行实时同步噪声采集试验。

非偏航下采集：在安装与标定好测试总成后，非偏航下采集噪声仅需利用30带刻度的旋转伸缩机构沿旋转风轮径向调整选取不同测试位置即可。利用1变频控制计算机设定入流风(如匀速、阵风、渐变风等)函数来控制频率，选定噪声采集位置并记录于安装在35可移动式集成试验台的20测试总成位置记录仪，再利用2集成控制同步触发计算机通过17同步器同时触发14三线式热线风速仪、23声传感器、21数据采集及处理计算机开始同步工作，从14三线式热线风速仪输出的电信号，经15信号放大器集成电路的放大、补偿和数字化处理后输入到21数据采集及处理计算机，并通过该计算机对14三线式热线风速仪采集到的风速数据进行处理分析并与预设函数映射下的风速进行对比，实时修正控制4变频器工作的1变频控制计算机内设定的控制函数；安装于13声阵列盘上的60通道23声传感器把采集到的数据传入到16面板集成箱里的面板内并对传来的数据做进一步处理后送入21数据采集及处理计算机，并对传回数据进行数据整理与分析。21数据采集及处理计算机记录实时采集的风速数据、噪声数据、偏航角位移数据(在偏航测试下使用)及其他风力机相关参数(如电流、电压、功率、频率、转速等参数)并将其做同步合成处理，实现各个分系统工作的时序控制和试验收集参数的同时域后处理。

偏航下(相对于风向发生变化)采集：偏航下噪声采集可分为静态偏航(偏航角不随时间变化)噪声采集与动态偏航(偏航角随时间变化)噪声采集。在安装与标定好测试总成前提下，静态偏航下采集噪声需在每组工况试验前利用30带刻度的旋转伸缩机构沿风轮径向与风轮中心轴旋转方向调整不同测试位置；动态偏航噪声测试在静态偏航噪声测试的基础上还需要配合12偏航伺服电机及角位移传感器同步工作完成数据采集。利用2集成控制同步触发计算机通过17同步器一同触发安装于风电机头下部的12偏航伺服电机及角位移传感器与14三线式热线风速仪、23声传感器、21数据采集及处理计算机同步工作。风力机机头带动与其连接的测试总成同步按1变频控制计算机指定频率函数映射下的角速度旋转，并由2集成控制同步触发计算机接收(用于闭环控制)记录(偏航下用于与其他采集的数据做同时域后处理及分析)角位移传感器传回的角位移随时间变化的曲线，并与21数据采集及处理计算机所记录的14三线式热线风速仪三个分量上实时风速数据配合计算，得到动态下实际到达风速测试点时沿33测试中心线的实时风速大小，并配合23声传感器同步采集数据，可实现相对入流风速、风向、转速(由计算机控制可变负载调节)实时动态变化下噪声采集的准确控制与记录。

Claims (8)

1.风力机实时同步噪声监测试验装置，其特征在于，该实时同步噪声监测装置由风力机基本测试台架系统、旋转动态联动多场同步监测系统、发电机动态参数输出监测系统和触发及变频集成控制与反馈系统组成；

所述风力机基本测试台架系统包括风洞与安装与于风洞出风口试验段处的风力机，所述风洞包括轴流式引风机与整流导风罩，所述轴流式引风电机在计算机预设程序控制下可在所述风洞出风口试验段产生风速大小随时间变化的动态风；所述旋转动态联动多场同步监测系统包括旋转风力机机头及其联动设备，其中所述联动设备包括实时风速采集装置、噪声场采集装置、其他物理场采集装置，所述实时风速采集装置包括风速采集探头、伸缩传输线路，所述风速采集装置通过计算机可自动对试验段某点实时风速数据进行采集并分析处理；所述发电机动态参数输出监测系统包括负载箱、发电机输出参数采集仪、集成控制及同步触发计算机，负责记录风力机发电机组的输出电流、电压、电功率和电频率；所述触发及变频集成控制与反馈系统主要利用计算机程序实现各个分系统的工作时序控制以及相关控制结果的反馈收集与修正控制。

2.如权利要求1所述的风力机实时同步噪声监测装置，其特征在于，该实时同步噪声监测装置能够在动态入流下实时采集旋转风轮某部位噪声，实现获取风速、风向变化下噪声实时采集的实验目的。

3.如权利要求1所述的风力机实时同步噪声监测装置，其特征在于，所述风力机基本测试台架系统包括风洞(7)、风力发电机(11)，其中所述风洞(7)为可控实时变频直流式风洞，风洞(7)为风力发电机组提供实时动态变化的来流风以驱动风力机叶片(10)旋转，风洞(7)所提供风速的大小通过控制洞体内部的轴流式电机的工作频率实现变速入流；所述风力机发电机组包括塔筒(24)、叶片(10)、发电机(11)和尾舵(31)；所述发电机(11)外壳连接偏航电机(12)主轴，所述偏航电机(12)外壳与风力机塔筒(24)相连，所述偏航电机内加装角位移传感器，并通过同步器(17)连接于集成控制及同步触发计算机(2)；

所述旋转动态联动多场同步监测系统包括三线式热线风速仪(14)、丹麦BK公司的60通道声阵列传感器(23)、带刻度的旋转伸缩机构(30)、滑块固定装置(27)、带标尺丝杠(28)，并构成机头测试总成，所述丹麦BK公司的60通道声阵列传感器(23)布置在声阵列圆盘(13)上，所述声阵列圆盘(13)安放在旋转叶片(10)下风向某位置处并与旋转平面平行，所述三线式热线风速仪(14)与声阵列圆盘(13)均安装于联动架的滑杆(25)上；所述三线式热线风速仪(14)的热线探头(9)位于风力机旋转叶片前端，所述三线式热线风速仪(14)可通过伸缩线路调节热线探头(9)的位置及方向，所述热线探头(9)的位置理论上无线接近叶片(10)旋转平面前端，或所述轴流式引风电机(5)到三线式热线风速探头(9)的距离远远大于三线式热线风速仪探头(9)到风力机叶片(10)旋转平面的距离，所述热线探头(9)测点位置在声阵列盘(13)的轴线上，将所述三线式热线风速仪(14)的热线探头(9)采集到三个方向上的速度分量与偏航角配合可得到实时入流速度量；

所述发电机动态参数输出监测系统包括集成控制及同步触发计算机(2)、数据采集及处理计算机(21)、同步器(17)、三线式热线风速仪(14)、噪声采集设备、发电机输出参数采集仪(19)和测试总成位置记录器(20)，数据采集及处理计算机(21)通过数据线连接同步器(17)，再利用同步器同时连接发电机输出参数采集仪(19)、测试总成位置记录器(20)、三线式热线风速仪(14)、噪声采集设备；

所述触发及变频集成控制与反馈系统包括变频控制计算机(1)、控制及同步触发计算机(2)、同步器(17)、轴流式引风机变频器与偏航电机变频器集合(4)、内置角位移传感器的偏航电机(12)、轴流式引风机(5)。

4.如权利要求1、3所述的风力机多场参数同步监测系统，其特征在于，所述风力机基本测试台架系统中的测试风力机叶片(10)安装于发电机(11)主轴上，发电机(11)安装于塔筒(24)上端，塔筒下端固定于地面，发电机(11)电能输出线路穿过塔筒连接于可移动式集成试验台(35)上，通过可移动式集成试验台(35)的内部线路与发电机输出参数采集仪(19)相连；所述可移动式集成试验台(35)包括变频控制计算机(1)、集成控制及同步触发计算机(2)、变频控制与集成控制及同步触发计算机主机(3)、测试总成位置记录器(20)、变频器集合(4)等设备，所述变频控制计算机(1)及所述变频器(4)控制轴流式引风机(5)的转速；所述旋转动态联动多场同步监测系统中三线式热线风速仪(14)与声阵列盘(13)分别通过卡钳(26)与滑块固定装置(27)、带标尺丝杠(28)、螺纹滑块固定装置(29)固定于联动架滑杆(25)上，配合可调整位置的热线探头(9)选定测试位置；

发电机动态参数输出监测系统中所述噪声传感器(23)通过数据线将采集到的信号传递给数据采集卡，所述数据采集卡安装在面板集成箱(16)中，面板集成箱(16)为数据采集卡提供电源及实现各数据采集卡信号的同步功能；面板集成箱(16)通过数据线将采集到的数据传递给数据采集及处理计算机(21)进行数据记录；所述三线式热线风速仪(14)的线探头(9)采集到的风速信号经过信号放大器(15)放大后传入数据采集及处理计算机(21)；发电机(11)输出参数通过与风力机相连的发电机输出参数采集仪(19)进行数据采集并记录于数据采集及处理计算机(21)；

触发及变频集成控制与反馈系统由所述集成控制及同步触发计算机(2)通过控制同步器(17)激活变频器集合(4)控制轴流式引风机(5)、内置角位移传感器的偏航电机(12)、三线式热线风速仪(14)、声传感器(23)、发电机输出参数采集仪(19)同步工作，其中所述三线式热线风速仪(14)、偏航角位移传感器所采集的实时数据经过数据采集及处理计算机(21)同预先设定的控制结果进行对比处理并参与下一步修正控制。

5.如权利要求3所述的风力机旋转动态联动多场同步监测系统，其特征在于，所述三线式热线风速仪(14)、BK噪声采集设备、内置角速度传感器的偏航电机(12)的控制与传输线路通过同步器(17)连入可移动式集成试验台(35)，通过所述可移动式集成试验台(35)最终连入集成控制及同步触发计算机(2)与数据采集及处理计算机(21)。

6.如权利要求1、3所述风力机旋转动态联动多场同步监测系统，其特征在于，所述实时风速采集装置包括但不仅限于三线式热线风速仪(14)。

7.如权利要求1、3所述风力机旋转动态联动多场同步监测系统，其特征在于，所述噪声场采集装置包括但不仅限于丹麦BK公司的60通道声阵列噪声采集设备。

8.如权利要求3所述风力机旋转动态联动多场同步监测系统，其特征在于，所述动态实时同步多场试验参数数据采集装置包括但不仅限于噪声场采集装置。

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