CN116465612A - 对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备 - Google Patents

对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备 Download PDF

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CN116465612A
CN116465612A CN202310379060.8A CN202310379060A CN116465612A CN 116465612 A CN116465612 A CN 116465612A CN 202310379060 A CN202310379060 A CN 202310379060A CN 116465612 A CN116465612 A CN 116465612A
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胡传新
侯景浩
赵林
刘毅凡
黄雯
吴开明
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Wuhan University of Science and Engineering WUSE
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Abstract

本发明提供了一种对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,所述试验设备包括提供气流的风洞装置、强迫振动装置、连接于所述强迫振动装置的安装板、安装于所述安装板的第一驱动单元,所述风机叶片和第一驱动单元位于所述风洞装置的风洞内,所述风机叶片设置于所述第一驱动单元,所述第一驱动单元驱动所述风机叶片在水平面内运动,所述风机叶片可被驱动地沿第一方向运动和第二方向运动、及水平扭转运动。该申请提供的技术方案,能模拟海上风浪流作用下风机叶片的多自由度运动响应,以准确地对风机叶片进行气弹稳定性测试。

Description

对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备
【技术领域】
本发明涉及一种对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备。
【背景技术】
海上风电是我国清洁能源的重要组成部分,对于能源转型具有重要意义。随着中国经济的快速增长,各行业对电力的需求量也急剧增加,2021年中国的总用电量达83128TWh,比2012年增长了近17倍。煤炭等传统化石能源提供电力的方式,对环境造成的损害较大,而海上风能是一种清洁、可持续、环境友好型能源,具有巨大的开发前景与商业价值。海上风能具有稳定、噪音污染小、不占用土地资源、易于消纳等优点。随着相关技术的不断完善,海上风电将成为中国可再生能源发电的重要方式之一。
随着能源需求的增长以及相关技术的持续发展,海上风机单机的发电量要求逐步增大,需要更加稳定优质的风能资源海域,所以风电场的位置将从近浅海扩展到深远海。同时,固定式基础海上风机的建造费用随着海水深度呈现指数级上涨,性价比大幅下降,所以由固定式基础向浮式基础发展将是未来海上风电发展的必然趋势。在海上风浪流环境下,浮式海上风机会出现多自由度的运动响应,随着向深远海域的进一步扩展,运动响应的幅值会不断增大,这会对风机叶片的气弹稳定性带来严重影响,进而降低风机发电能效,甚至导致风机的损坏。所以研究浮式海上风机叶片的气动性能非常重要,许多学者开展了关于风机叶片气动性能的试验研究。
通过风洞试验以及水池试验,不同学者对风机叶片的升力系数、阻力系数、表面压力分布特性、颤振性能、叶轮推力等做了许多研究。研究表明,随着风机叶片的长度不断增加,由此带来的气动/结构双重非线性导致风力机叶片的振动问题突出。
既有的风洞试验中,缺乏对浮式海上风机在风浪流环境下多自由度运动响应的考虑,然而许多研究表明这对风机的气动性能有着显著影响。
有学者通过数值模拟,研究了风浪耦合作用下浮式海上风机多自由度的运动响应,数据结果表明浮式海上风机平台纵荡和纵摇方向存在耦合,风致荷载主要影响低频激励。并且在纵荡方向,风浪耦合环境下的响应幅值显著大于海浪单独作用时的幅值,这可能会导致系泊系统发生松弛失效的危险。还有其它学者基于两相流CFD求解器,建立了浮式风机气动-水动-气弹性耦合响应计算模型,结果表明平台多自由度运动响应,使气动荷载呈现出大幅度周期性波动的特征,影响叶片的气弹稳定性。
风力发电机共有六个自由度,即横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。既有的风洞试验研究中,对风机叶片在风浪流作用下的多自由度运动响应缺乏考虑,而许多研究表明这对风机叶片气弹稳定性有着不可忽视的影响。水池试验虽然可以模拟浮式海上风机在风浪流作用下的多自由度运动响应,但是试验中的气流品质与风洞试验有显著差距。试验中通常以风机整体为试验模型,存在较大的尺度效应,测定的试验数据针对转子推力、风机功率、系泊系统的拉力等,没有针对风机叶片进行详细的气动弹性分析。
另外,既有的风洞试验在试验过程中,往往将风机叶片作为固定的悬臂梁处理,没有模拟真实海上环境中,风浪流作用下叶片的多自由度运动响应。同时,风洞试验过程中用到的强迫振动装置只能模拟三个自由度,不能很好地满足对风机叶片气弹稳定性的研究需求。而水池试验中,由造风系统产生的气流品质与风洞中的气流品质有较大差距,模拟的风环境不够准确,并且由于是对风力机整体进行模型试验,存在较大的尺度效应。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,能模拟海上风浪流作用下风机叶片的多自由度运动响应,以准确地对风机叶片进行气弹稳定性测试。
为实现上述发明目的之一,本发明提供了一种对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,所述试验设备包括提供气流的风洞装置、强迫振动装置、连接于所述强迫振动装置的安装板、安装于所述安装板的第一驱动单元,所述风机叶片和第一驱动单元位于所述风洞装置的风洞内,所述风机叶片设置于所述第一驱动单元,所述第一驱动单元驱动所述风机叶片在水平面内运动,所述风机叶片可被驱动地沿第一方向运动和第二方向运动、及水平扭转运动。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述强迫振动装置包括机身、设置于所述机身的控制柜和第二驱动单元,所述第二驱动单元驱动所述安装板在竖直面内运动,所述安装板可被驱动地沿竖直方向运动和水平方向运动、及竖直扭转运动。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的结构形式相同。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述安装板沿竖直方向和水平方向上的运动及竖直扭转运动分别由三个独立电机控制。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述第一驱动单元包括驱使所述风机叶片沿第一方向运动的第一电机、沿第二方向运动的第二电机和驱使所述风机叶片进行扭转运动的第三电机。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述第一方向与所述第二方向相垂直。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述第一驱动单元包括固定设置于所述安装板的底座、设置于所述底座的横向滑轨、纵向滑轨和扭转结构,所述风机叶片固定安装于所述扭转结构,所述扭转结构可被驱动地沿所述横向滑轨和纵向滑轨平移。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述安装板为沿水平方向上布置的平板,所述安装板的两端均与所述强迫振动装置相连接。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述风机叶片的延伸方向与所述安装板相垂直。
作为本发明一实施方式的进一步改进,所述强迫振动装置位于所述风洞装置的风洞之外。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:由于风机叶片设置于第一驱动单元,第一驱动单元安装于安装板,且安装板连接于强迫振动装置,从而强迫振动装置和第一驱动单元可使风机叶片进行多自由度的运动相应,能真实模拟海上风浪流作用下风机叶片的多自由度运动响应,以准确地对风机叶片进行气弹稳定性测试。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。其中:
图1是本申请具体实施例提供的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的立体示意图。
图2是图1中对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的另一立体示意图,此处去除风洞装置。
图3是图2中对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的再一方向立体示意图。
图4是图3中对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的立体示意图,此处去除风机叶片。
图5是图1中对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的主视图。
图6是图1中对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备的俯视图。
图7是图2中试验设备中第一驱动单元的立体示意图。
图8是图3中试验设备中强迫振动装置的立体示意图。
图9是图2中试验设备中第一驱动单元的俯视图。
图10是图9中第一驱动单元的主视图。
【具体实施方式】
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图,对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请,而非对本申请的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本文中提及“实施例”意味着,结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例,也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是,本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1至图10所示,本发明提供的具体实施例,该实施例提供了一种对风机叶片30进行气弹稳定性测试的试验设备,试验设备包括提供气流的风洞装置20、强迫振动装置22、连接于强迫振动装置22的安装板26、安装于安装板26的第一驱动单元28,风机叶片30和第一驱动单元28位于风洞装置20的风洞内,风机叶片30设置于第一驱动单元28,第一驱动单元28驱动风机叶片30在水平面内运动,风机叶片30可被驱动地沿第一方向运动和第二方向运动、及水平扭转运动。
本优选实施例中,由于风机叶片30设置于第一驱动单元28,第一驱动单元28安装于安装板26,且安装板26连接于强迫振动装置22,从而强迫振动装置22和第一驱动单元28可使风机叶片30进行多自由度的运动相应,能真实模拟海上风浪流作用下风机叶片30的多自由度运动响应,以准确地对风机叶片30进行气弹稳定性测试。
进一步的,强迫振动装置22包括机身24、设置于机身24的控制柜和第二驱动单元32,第二驱动单元32驱动安装板26在竖直面内运动,安装板26可被驱动地沿竖直方向运动和水平方向运动、及竖直扭转运动。
本优选实施例中,第一驱动单元28和第二驱动单元32的结构形式相同。当然,第一驱动单元28和第二驱动单元32的结构形式也可以设置成不相同。
进一步的,安装板26沿竖直方向和水平方向上的运动及竖直扭转运动分别由三个独立电机控制。三个独立电机均与控制柜相连。如此设置,可以进行任意组合,从而模拟多种类型的多自由度运动,通过试验设备实现模拟海上风机叶片30在风浪流环境下的多自由度运动响应。
具体的,第一驱动单元28包括驱使风机叶片30沿第一方向运动的第一电机、沿第二方向运动的第二电机和驱使风机叶片30进行扭转运动的第三电机。第一电机、第二电机和第三电机也均与控制柜相连。如此设置,可以进行任意组合,从而模拟更多种类型的多自由度运动,通过试验设备实现模拟海上风机叶片30在风浪流环境下的多自由度运动响应。
进一步的,第一方向与第二方向相垂直。风机叶片30在第一方向和第二方向上的运动为平移。
具体到本实施例中,第一驱动单元28包括固定设置于安装板26的底座34、设置于底座34的横向滑轨36、纵向滑轨38和扭转结构40,风机叶片30固定安装于扭转结构40,扭转结构40可被驱动地沿横向滑轨36和纵向滑轨38平移。
安装板26为沿水平方向上布置的平板,安装板26的两端均与强迫振动装置22相连接。
风机叶片30的延伸方向与安装板26相垂直。也就是说,安装板26沿水平方向上延伸,风机叶片30沿竖直方向上延伸。
进一步的,强迫振动装置22位于风洞装置20的风洞之外。
以来流风垂直吹向风机叶片30旋转形成的叶轮平面为叶片的迎风方向,风机叶片30在迎风方向的平移和扭转运动称作纵荡和纵摇,在垂直于迎风方向的平移和扭转运动称作横荡和横摇。当风机叶片30迎风向的状态,在这种状态下两侧的强迫振动装置22可以模拟纵荡、纵摇、垂荡三个方向的自由度,安装板26上的第一驱动单元28可以模拟横荡和艏摇两个方向的自由度,组合之后可以模拟五个方向的自由度。当风机叶片30垂直于迎风向的状态,在这种状态下两侧的强迫振动装置22可以模拟横荡、横摇、垂荡三个方向的自由度,安装板26上的第一驱动单元28可以模拟纵荡和艏摇两个方向的自由度,组合之后可以模拟五个方向的自由度。同时,在只需要模拟特定少数几个自由度方向的情况下,因强迫振动装置22和第一驱动单元28中都是由独立电机控制,可自行选择自由度的组合。综上,该实施例提供的技术方案能准确地模拟风机叶片30的海上状态,并能根据具体需要,选择对不同自由度的测定。
上述仅为本发明的一个具体实施方式,其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述试验设备包括提供气流的风洞装置、强迫振动装置、连接于所述强迫振动装置的安装板、安装于所述安装板的第一驱动单元,所述风机叶片和第一驱动单元位于所述风洞装置的风洞内,所述风机叶片设置于所述第一驱动单元,所述第一驱动单元驱动所述风机叶片在水平面内运动,所述风机叶片可被驱动地沿第一方向运动和第二方向运动、及水平扭转运动。
2.根据权利要求1所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述强迫振动装置包括机身、设置于所述机身的控制柜和第二驱动单元,所述第二驱动单元驱动所述安装板在竖直面内运动,所述安装板可被驱动地沿竖直方向运动和水平方向运动、及竖直扭转运动。
3.根据权利要求2所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的结构形式相同。
4.根据权利要求2所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述安装板沿竖直方向和水平方向上的运动及竖直扭转运动分别由三个独立电机控制。
5.根据权利要求1所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述第一驱动单元包括驱使所述风机叶片沿第一方向运动的第一电机、沿第二方向运动的第二电机和驱使所述风机叶片进行扭转运动的第三电机。
6.根据权利要求1所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述第一方向与所述第二方向相垂直。
7.根据权利要求6所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述第一驱动单元包括固定设置于所述安装板的底座、设置于所述底座的横向滑轨、纵向滑轨和扭转结构,所述风机叶片固定安装于所述扭转结构,所述扭转结构可被驱动地沿所述横向滑轨和纵向滑轨平移。
8.根据权利要求1所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述安装板为沿水平方向上布置的平板,所述安装板的两端均与所述强迫振动装置相连接。
9.根据权利要求6所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述风机叶片的延伸方向与所述安装板相垂直。
10.根据权利要求1所述的对风机叶片进行气弹稳定性测试的试验设备,其特征在于,所述强迫振动装置位于所述风洞装置的风洞之外。
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