CN116011193A

CN116011193A - 一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法

Info

Publication number: CN116011193A
Application number: CN202211623327.5A
Authority: CN
Inventors: 徐航; 滕龙; 席晨; 国振; 王立忠; 芮圣洁
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明公开了一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，适用于坐底式和漂浮式等不同类型的海上风机室内模型试验。本发明方法主要包括以下步骤：(1)确定实验缩尺比及加工物理模型；(2)选定室内波浪水池及波浪条件标定；(3)物理模型及执行机构吊装进场；(4)布置光学测量系统；(5)空气动力学中的叶素动量模型的迭代计算及整体试验开展。通过空气动力学中的叶素动量模型、物理模型、执行机构三部分在截断部位的信息交互，可以反应真实风机所受的荷载及运动响应情况。本发明解决了海上风机室内模型试验比尺不统一、叶片结构加工困难等系列问题，适用性广，高效可靠。

Description

一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法

技术领域

本发明属于海上风力发电技术领域，具体涉及一种多自由度海上风机室内实时混合模型试验方法。

背景技术

海上风电开发是实现我国“碳达峰”、“碳中和”目标的重要举措。根据风能资源普查成果，我国海洋风能资源优质且丰厚，我国5～25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿千瓦；5～50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦。

海上风机基础是保持风机平稳运行、安全可靠的支撑结构，主要分为坐底式和漂浮式两种类型。海上风机在海洋中承受气动、水动等多种荷载作用，为了准确模拟海上风机所受的真实荷载，开展室内水池模型试验是必要的。传统水池模型试验通常采用弗劳德相似缩尺来模拟水动荷载，这与风机气动荷载模拟的雷诺相似发生了比尺冲突，使得在弗劳德相似下模型风机受得气动荷载往往偏小；同时，在弗劳德相似下模型风机对上部质量控制要求很高，这使其叶片制作、传感器安装、控制器集成等充满挑战；再者，受限于波浪水池的海洋环境模拟能力等因素，通常对多自由度风-浪-流大小、方向、时空分布及耦合效应模拟困难，水池模型试验存在着保真性、可控性、准确性等难题。

发明内容

针对现有水池模型试验和数值仿真存在的问题，本发明提出了一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，适用于坐底式和漂浮式等不同类型的海上风机室内模型试验，基于该方法可以有效实现海上风机多自由度动力响应的一体化模拟与分析。

本发明采用以下技术方案实现：

一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，步骤如下：

首先，根据所模拟风谱工况，利用空气动力学中的叶素动量模型，依据选定风机翼型的气动及结构参数计算风机塔筒顶端的多自由度气动荷载；所述多自由度气动荷载包括气动推力和气动扭矩；

接着，执行机构基于空气动力学中的叶素动量模型计算的给定风况下风机塔筒顶端多自由度气动荷载大小对物理模型进行加载，采集物理模型的运动响应和荷载响应信息，将所采集的信息经模型放大后反馈给空气动力学中的叶素动量模型进行下一个时间步的风机塔筒顶端多自由度气动荷载修正，并将修正后的风机塔筒顶端多自由度气动载荷经模型缩尺后发送给执行机构；循环进行至预定试验时间；

所述的空气动力学中的叶素动量模型包括三维非定常风场模块、气弹动力响应模块及变速变桨控制模块；所述的三维非定常风场模块用于模拟风轮空间内湍流风场，并将风场数据发送至气弹动力响应模块；所述的气弹动力响应模块依据所获得风场数据实时求解风机叶片结构气动荷载及弹性变形，并将气动荷载及弹性变形数据传递给变速变桨控制模块；所述的变速变桨控制模块依据所获得的气动荷载及弹性变形数据，通过PID算法求解风轮、发电机转轴转速及叶片桨距角，并基于叶片桨距角调节多自由度气动荷载，从而实现风机最优效率或额定功率捕获。

上述技术方案中，进一步地，所述物理模型包括风机塔筒、风机基础和锚泊线；所述物理模型放置在波浪水池中；所述物理模型满足Froude相似准则，具体可通过公式(1)进行描述：

式中，C为特征速度；L为特征尺度；g为重力加速度；Fr_p与Fr_m为实际与模型尺度下满足重力相似的Froude数。

进一步地，所述执行机构包括多自由度加载作动器、六维力传感器、光学测量系统、工控机及总控计算机；所述多自由度加载作动器为倒扣的多自由度电动缸并联振动台，通过龙门吊倒扣于所述物理模型的风机塔筒顶端，通过其前后位移及俯仰控制实现风机塔筒顶端多自由度荷载的施加；所述六维力传感器用于测量所述物理模型的风机塔筒顶端所受的荷载，用于校准多自由度加载作动器所施加的荷载；所述光学测量系统为多个摄像机组成的三维运动动态捕捉系统，用于对所述物理模型的横荡、纵荡、垂荡及横摇、纵摇、艏摇六自由度漂移和转动响应信息的采集；所述总控计算机用于六维力传感器、光学测量系统、多自由度加载作动器及空气动力学中的叶素动量模型之间的数据存储，同时对交互数据进行滤波降噪；所述工控机与总控计算机相连，用于发送运动命令给多自由度加载作动器。

本发明通过将风机在某个部位进行截断切分，将结构整体划分为上下两部分，采用数值模型(即空气动力学中的叶素动量模型)模拟上部结构，下部结构设计为实际物理模型，即在数值模型中计算上部结构的气动荷载，在物理模型中施加水动荷载和数值模型所计算的气动荷载，充分结合了数值模拟和模型试验两者优点，可以有效解决比尺冲突等问题。

本发明有益效果是：

(1)解决了传统水池试验气动荷载与水动荷载的比尺冲突问题，并适用于漂浮式和坐底式等多种海上风机类型。

(2)无需额外搭建风机叶片模型，规避了考虑叶片质量、强度等的制作工艺问题。

(3)可进行塔顶多自由度荷载施加，并综合考虑了控制策略的影响，更接近于真实情况。

附图说明

图1为本发明系统各部分信息交互示意图。

图2为本发明系统整体布置主视图示意图，其中，a为漂浮式风机基础的系统布置图，b为坐底式风机基础的系统布置图。

图3为本发明系统整体布置俯视图示意图。

图中：1为龙门吊，2为高强螺栓，3为多自由度加载作动器，4为球形铰，5为六维力传感器，6为风机塔筒模型，7a为漂浮式风机基础，7b为坐底式风机基础，8为锚泊线，9为波浪水池，10为水池人工海床地形，11为造波机，12为吸波墙，13为光学测量系统，14为总控计算机，15为工控机，16为ISA总线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的具体实施方式包括以下步骤：

步骤1、确定实验缩尺比，根据公式(1)确定的缩尺原则加工物理模型，包括风机塔筒6、风机基础7(浮式或坐底式)和锚泊线8。

步骤2、根据缩尺水深选定室内波浪水池9及波浪条件标定；对于漂浮式风机基础7a而言，波浪水池包括造波机及吸波墙；对于坐底式风机基础7b而言，还需在波浪水池9中搭建水池人工海床地形10；接着进行波浪水池9所造波浪的模拟测试，包括规则波及不规则波不同波浪周期及波高的标定；利用波高仪测量波浪水池中波浪数据，对所得数据开展谱分析，反复造波至设计波谱等于目标波谱为止；

步骤3、物理模型及执行机构吊装进场；试验整体布置主视图如图2所示。所述物理模型及执行机构构成试验装置；对于漂浮式风机基础7a而言，试验装置从上往下依次包括龙门吊1，多自由度加载作动器3，球形铰4，六维力传感器5，风机塔筒6，漂浮式风机基础7a，锚泊线8，波浪水池9；对于坐底式风机基础7b而言，试验装置从上往下依次包括龙门吊1，多自由度加载作动器3，球形铰4，风机塔筒6，坐底式风机基础7b，波浪水池9，水池人工海床地形10；具体的，龙门吊1下部与多自由度加载作动器3上部钢板通过多根高强螺栓2相连，保证有足够的支撑强度。所述多自由度加载作动器3下部与风机塔筒6通过球形铰4相连，多自由度加载作动器3通过其前后位移及俯仰控制将多自由度荷载通过球形铰4传递给风机塔筒6；所述六维力传感器5布置在球形铰4与风机塔筒6之间，用于实时测量两者界面所受荷载，从而验证多自由度加载作动器3施加荷载的准确性；

步骤4、布置光学测量系统，如图3所示将光学测量系统13布置于波浪水池9两侧，用于实时测量物理模型横荡、纵荡、垂荡及横摇、纵摇、艏摇六自由度运动响应数据；工控机15及总控计算机14通过ISA总线与光学测量系统13、多自由度加载作动器3、六维力传感器5相连，进行数据的集中采集存储及后处理，并全部传递给空气动力学中的叶素动量模型用于迭代计算；

步骤5、空气动力学中的叶素动量模型的迭代计算及整体试验开展；确定试验风浪流环境工况，开启标定完毕的造波机；在当前时间步内，利用空气动力学中的叶素动量模型计算给定风谱工况下的风机塔筒6顶端的多自由度荷载大小，经过模型缩尺后通过工控机15发送运动命令给多自由度加载作动器3；所述多自由度加载作动器3收到命令后立即对风机塔筒6执行加载，受荷后风机基础发生运动响应并被光学测量系统13采集，六维力传感器5同时采集界面荷载大小；采集的数据通过ISA总线16实时传递至总控计算机14中；空气动力学中的叶素动量模型将所采集的界面荷载及模型运动响应信息进行模型放大并反馈给空气动力学中的叶素动量模型，从而修正下一个时间步的风机塔筒多自由度荷载，经过模型缩尺后，重新通过工控机15发送命令给多自由度加载作动器5；循环修正和加载步骤，直至达到预定模拟时间，相关数据均同步存储于总控计算机14中。

试验过程中数值模型、物理模型、执行机构三部分总体信息交互与传递模式如图1所示。

Claims

1.一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，其特征在于，该方法为：

2.根据权利要求1所述的一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，其特征在于，所述物理模型包括风机塔筒、风机基础和锚泊线；所述物理模型放置在波浪水池中；所述物理模型满足Froude相似准则，具体可通过公式(1)进行描述：

3.根据权利要求2所述的一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，其特征在于，所述执行机构包括多自由度加载作动器、六维力传感器、光学测量系统、工控机及总控计算机；所述多自由度加载作动器为倒扣的多自由度电动缸并联振动台，通过龙门吊倒扣于所述物理模型的风机塔筒顶端，通过其前后位移及俯仰控制实现风机塔筒顶端多自由度荷载的施加；所述六维力传感器用于测量所述物理模型的风机塔筒顶端所受的荷载，用于校准多自由度加载作动器所施加的荷载；所述光学测量系统为多个摄像机组成的三维运动动态捕捉系统，用于对所述物理模型的横荡、纵荡、垂荡及横摇、纵摇、艏摇六自由度漂移和转动响应信息的采集；所述总控计算机用于六维力传感器、光学测量系统、多自由度加载作动器及空气动力学中的叶素动量模型之间的数据存储，同时对交互数据进行滤波降噪；所述工控机与总控计算机相连，用于发送运动命令给多自由度加载作动器。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种可用于多种基础型式的海上风机混合模型试验方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、确定实验缩尺比并根据比例加工物理模型；

步骤2、根据缩尺水深选定室内波浪水池及波浪条件标定；对于漂浮式风机基础而言，波浪水池包括造波机及吸波墙；对于坐底式基础而言，还需在波浪水池中搭建水池人工海床地形；接着进行波浪水池所造波浪的模拟测试，包括规则波及不规则波不同波浪周期及波高的标定；利用波高仪测量波浪水池中波浪数据，对所得数据开展谱分析，反复造波至设计波谱等于目标波谱为止；

步骤3、物理模型及执行机构吊装进场；所述物理模型及执行机构构成试验装置；对于漂浮式风机基础而言，试验装置从上往下依次包括龙门吊，多自由度加载作动器，球形铰，六维力传感器，风机塔筒，风机基础，锚泊线，波浪水池；对于坐底式风机基础而言，试验装置从上往下依次包括龙门吊，多自由度加载作动器，球形铰，风机塔筒，风机基础，波浪水池，水池人工海床地形；所述多自由度加载作动器下部与风机塔筒通过球形铰相连，多自由度加载作动器通过其前后位移及俯仰控制将多自由度荷载通过球形铰传递给风机塔筒；所述六维力传感器布置在球形铰与风机塔筒之间，用于实时测量两者界面所受荷载，从而验证多自由度加载作动器施加荷载的准确性；

步骤4、布置光学测量系统，将光学测量系统布置于波浪水池两侧，用于实时测量物理模型横荡、纵荡、垂荡及横摇、纵摇、艏摇六自由度运动响应数据；工控机及总控计算机通过ISA总线光学测量系统、多自由度加载作动器和六维力传感器相连，进行数据的集中采集存储及后处理，并全部传递给空气动力学中的叶素动量模型用于迭代计算；

步骤5、空气动力学中的叶素动量模型的迭代计算及整体试验开展；确定试验风浪流环境工况，开启标定完毕的造波机；空气动力学中的叶素动量模型在当前时间步内，利用空气动力学中的叶素动量模型计算给定风谱工况下的风机塔筒顶端的多自由度荷载大小，经过模型缩尺后通过工控机发送运动命令给多自由度加载作动器；所述多自由度加载作动器收到命令后立即对风机塔筒执行加载，受荷后风机基础发生运动响应并被光学测量系统采集，六维力传感器同时采集界面荷载大小；采集的数据通过ISA总线实时传递至总控计算机中；空气动力学中的叶素动量模型将所采集的界面荷载及模型运动响应信息进行模型放大并反馈给空气动力学中的叶素动量模型，从而修正下一个时间步的风机塔筒多自由度荷载，经过模型缩尺后，重新通过工控机发送命令给多自由度加载作动器；循环本步骤，直至达到预定模拟时间，相关数据均同步存储于总控计算机中。