TWI718554B - 風機模擬器、浮動式風機載台組模擬裝置及浮動式風機載台設計方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種風機模擬器、一種浮動式風機載台組模擬裝置及一種浮動式風機載台設計方法。風機模擬器包含螺旋槳機艙組、塔架、方向感測裝置、以及測力傳感器。螺旋槳機艙組包含機艙支架以及至少三螺旋槳裝置。至少三螺旋槳裝置，設置於機艙支架上，位於同一平面，且均朝向第一方向，用於提供載重輸出。塔架具有連接於機艙支架之頂端以及連接於浮動式載台之底端。方向感測裝置連接於塔架，用於提供方向感測訊號。測力傳感器連接於塔架，用於提供載重感測訊號。

Description

風機模擬器、浮動式風機載台組模擬裝置及浮動式風機載台設計方法
本發明係關於一種風機模擬器、浮動式風機載台組模擬裝置及浮動式載台設計方法。
目前台灣在風場開發方面隨著開發風場的水深增加，機組規模擴大，固定式基座之建設成本與工程難度愈高，浮動式載台有機會成為解決方案。圖1A為常見的三葉片浮動式風機載台組99，浮動式載台不需打樁、組裝，受天氣影響小，海事工程成本較低。針對臺灣海域之抗颱耐震機組，以及浮動式載台的研發，相當適合作為主力投入發展的技術。
然而在工程上浮動載台的設計挑戰性極高，主要因是風機與載台需考量氣動力與水動力耦合的動態響應及波浪繞射、散射現象。因此，有藉由水槽縮尺實驗配合風機數值模擬先行解決設計過程中可能遭遇的問題，以確保浮動式載台使用上之安全無虞。
然而，如圖1B所示，現有的單風扇型縮尺模擬器90，僅能由具有單一個風扇裝置10的風機模擬器80較精確提供輪轂中心位置之正向推力，至於傾斜及偏轉彎矩的載重輸出則有待改善。
本發明的目的在於提供一種風機模擬器，供與浮動式載台搭配使用，具有較佳的載重輸出。
本發明的另一目的在於提供一種浮動式風機載台組模擬裝置，具有較佳的模擬效果。
本發明的另一目的在於提供一種浮動式載台設計方法，具有較佳的效率。
本發明之風機模擬器包含螺旋槳機艙組（rotor nacelle assembly, RNA）、塔架、方向感測裝置、以及測力傳感器。螺旋槳機艙組包含機艙支架以及至少三螺旋槳裝置。至少三螺旋槳裝置，設置於機艙支架上，位於同一平面，且均朝向第一方向，用於提供載重輸出。塔架具有連接於機艙支架之頂端以及連接於浮動式載台之底端。方向感測裝置連接於塔架，用於提供方向感測訊號。測力傳感器（load cell）連接於塔架，用於提供載重感測訊號。
在本發明的實施例中，載重輸出包含相對於第一方向之推（thrust）力。
在本發明的實施例中，載重輸出包含相對於第一方向之傾斜（tilting）力矩。
在本發明的實施例中，載重輸出包含相對於第一方向之偏轉（yawing）彎矩力矩。
在本發明的實施例中，螺旋槳機艙組包含四個螺旋槳裝置，其中四個螺旋槳裝置與頂端之距離相等。
在本發明的實施例中，四個螺旋槳裝置包含第一螺旋槳裝置、第二螺旋槳裝置、第三螺旋槳裝置、及第四螺旋槳裝置。第一螺旋槳裝置及第四螺旋槳裝置之水平高度位置相同，且分別位於水平高度位置相同之第二螺旋槳裝置及第三螺旋槳裝置上方。螺旋槳裝置可產生正向的推力（Fx），其中的上下兩組螺旋槳裝置可產生傾斜力矩（My），其中的左右兩組螺旋槳裝置可產生偏轉彎矩力矩（Mz），力平衡公式如下列式1至式4所示，
Figure 02_image001
（式1）
Figure 02_image003
（式2）
Figure 02_image005
（式3）
Figure 02_image007
（式4） 其中，
Figure 02_image009
； F 1、F 2、F 3、F 4分別為該第一、該第二、該第三、及該第四螺旋槳裝置的輸出推力； Fx、My、Mz為數值模擬計算結果。
在本發明的實施例中，螺旋槳裝置之連線中心與方向感測裝置之中心的水平高度相同。
本發明的浮動式風機載台組模擬裝置包含上述風機模擬器以及浮動式載台。
在本發明的實施例中，風機模擬器與浮動式載台係根據福祿數（Froude number）相似定律，分別由被模擬風機及被模擬浮動式載台所縮小設置。
本發明的浮動式風機載台組設計方法，包含：步驟S1000，提供浮動式風機載台組模擬裝置；步驟S2000，提供控制訊號，使螺旋槳裝置提供載重輸出；步驟S3000，獲得方向感測訊號及載重感測訊號；步驟S4000，根據方向感測訊號及載重感測訊號驗證被模擬風機及被模擬浮動式載台之設計。
如圖2及圖3所示的實施例，本發明之風機模擬器800供與浮動式載台700搭配使用。風機模擬器800以及浮動式載台700組成浮動式風機載台組模擬裝置900。其中，風機模擬器800與浮動式載台700較佳係根據福祿數（Froude number）相似定律，分別由如圖1A所示的被模擬風機88及被模擬浮動式載台77所縮小設置。
如圖2及圖3所示的實施例，風機模擬器800包含螺旋槳機艙組（rotor nacelle assembly, RNA）100、塔架200、方向感測裝置300、以及測力傳感器400。螺旋槳機艙組100包含機艙支架101以及至少三螺旋槳裝置。其中至少三螺旋槳裝置，設置於機艙支架101上，位於同一平面，且均朝向第一方向501，用於提供載重輸出。塔架200具有連接於機艙支架101之頂端201以及連接於浮動式載台700之底端202。
方向感測裝置300連接於塔架200，且較佳鄰近頂端201，用於提供方向感測訊號。更具體而言，方向感測裝置300可以為陀螺儀等裝置。測力傳感器（load cell）400連接於塔架200，用於提供載重感測訊號。其中，測力傳感器400較佳包含鄰近頂端201之第一測力傳感器410以及鄰近底端202之第二測力傳感器420。
基於上述，由於位在同一平面且同樣面朝第一方向的至少三螺旋槳裝置可提供相對於第一方向501之推力（thrust）、相對於第一方向501之傾斜（tilting）力矩、以及相對於第一方向501之偏轉（yawing）彎矩力矩，因此本發明相較於僅提供輪轂中心位置之正向推力之習知風機模擬器具有較佳的載重輸出，從而浮動式風機載台組模擬裝置具有較佳的模擬效果。
如圖2及圖3所示的實施例，螺旋槳機艙組100較佳包含第一螺旋槳裝置1、第二螺旋槳裝置2、第三螺旋槳裝置3、及第四螺旋槳裝置4，此四個螺旋槳裝置與塔架200之頂端201之距離相等。第一螺旋槳裝置1及第四螺旋槳裝置4之水平高度位置相同，且分別位於水平高度位置相同之第二螺旋槳裝置2及第三螺旋槳裝置3上方。更具體而言，風機模擬器800之建置依據為仿造真實風機受到空氣動力影響時的動態行為模式，風機模擬器800將針對推力（thrust）與傾斜（tilting）、偏轉（yawing）兩個扭矩同時在時間序列下的載重模擬。為了創造出傾斜和偏轉扭矩，配置能製造出上下擺動以及左右擺動行為的2*2共四個的螺旋槳裝置，創造這些扭矩當下，推力同時也能符合目標推力值，馬達的間距配置需考量螺旋槳間的幾何干涉與氣動力干涉。
進一步而言，如圖3所示，每一螺旋槳裝置可產生正向的推力Fx，其中的上下兩組螺旋槳裝置可產生傾斜力矩My，其中的左右兩組螺旋槳裝置可產生偏轉彎矩力矩Mz。換言之，若要創造出偏轉彎矩力矩Mz，透過控制左右各兩個螺旋槳裝置（1、2和4、3）的轉速，形成左右端的推力大小差異；而傾斜力矩My需控制上下各兩個螺旋槳裝置（1、4和2、3）的轉速，形成上下端的推力大小差異。其中，力平衡公式如下列式1至式4所示，
Figure 02_image001
（式1）
Figure 02_image003
（式2）
Figure 02_image005
（式3）
Figure 02_image007
（式4） 其中，
Figure 02_image009
； F 1、F 2、F 3、F 4分別為該第一、該第二、該第三、及該第四螺旋槳裝置的輸出推力； Fx、My、Mz為數值模擬計算結果（FAST v.7， National Renewable Energy Laboratory，USA）。
上述公式先假設F 4=1/2*F 3，並且考量所控制的各螺旋槳裝置須保持同一方向的推力輸出，即螺旋槳裝置不能反轉。式1為利用力平衡公式經考量此風機模擬器800的螺旋槳裝置間距長度0.125 m，列出的載重組合，式2與式3是將列出後的A矩陣進行反矩陣，最後得到式4的螺旋槳裝置1到4的推力關係(F 1、F 2、F 3、F 4)與風機模擬軟體計算結果的載重組合(Fx、My、Mz)關係矩陣，因此當模擬軟體計算出真實風機的氣動力載重組合時，反矩陣後的矩陣乘上模擬結果的載重組合(Fx、My、Mz)，即可轉換為各螺旋槳裝置所輸出之推力。
如圖4所示的實施例流程示意圖，本發明之浮動式風機載台組設計方法包含例如以下步驟。
步驟S1000，提供浮動式風機載台組模擬裝置。更具體而言，是提供如圖2所示的浮動式風機載台組模擬裝置900。
步驟S2000，提供控制訊號，使螺旋槳裝置提供載重輸出。更具體而言，是控制如圖2所示的螺旋槳裝置1、2、3、4的轉速，創造出正向的推力、傾斜力矩、偏轉彎矩力矩，從而提供載重輸出。
步驟S3000，獲得方向感測訊號及載重感測訊號。更具體而言，是分別藉由如圖2所示的方向感測裝置300及測力傳感器400獲得方向感測訊號及載重感測訊號。
步驟S4000，根據方向感測訊號及載重感測訊號驗證被模擬風機及被模擬浮動式載台之設計。由於本發明相較於習知僅提供輪轂中心位置之正向推力之模擬風機具有較佳的載重輸出，從而浮動式風機載台組模擬裝置具有較佳的模擬效果，因此有助於被模擬風機及被模擬浮動式載台之設計的驗證，可提升浮動式載台設計的準確性。
雖然前述的描述及圖式已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉本發明所屬技術領域之一般技藝者將可體會，本發明可使用於許多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例應被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。
1 第一螺旋槳裝置 2 第二螺旋槳裝置 3 第三螺旋槳裝置 4 第四螺旋槳裝置 10 風扇裝置 20 塔架 70 浮動式載台 77被模擬浮動式載台 80風機模擬器 88被模擬風機 90單風扇型縮尺模擬器 99三葉片浮動式風機載台組 100 螺旋槳機艙組 101 機艙支架 200 塔架 201 頂端 202 底端 300 方向感測裝置 400 測力傳感器 410 第一測力傳感器 420 第二測力傳感器 501 第一方向 600 區域 700 浮動式載台 800 風機模擬器 900 浮動式風機載台組模擬裝置 My 傾斜力矩 Mz 偏轉彎矩力矩 S1000 步驟 S2000 步驟 S3000 步驟 S4000 步驟
圖1A為習知浮動式風機載台組示意圖。
圖1B為習知單風扇型縮尺模擬器示意圖。
圖2為本發明風機模擬器及浮動式風機載台組模擬裝置的實施例示意圖。
圖3為本發明風機模擬器的實施例示意圖。
圖4為本發明浮動式風機載台組設計方法的實施例流程示意圖。
（無）
1 第一螺旋槳裝置 2 第二螺旋槳裝置 3 第三螺旋槳裝置 4 第四螺旋槳裝置 100 螺旋槳機艙組 101 機艙支架 200 塔架 201 頂端 202 底端 300 方向感測裝置 400 測力傳感器 410 第一測力傳感器 420 第二測力傳感器 600 區域 700 浮動式載台 800 風機模擬器 900 浮動式風機載台組模擬裝置

Claims (8)

  1. 一種風機模擬器，供與一浮動式載台搭配使用，包含：一螺旋槳機艙組(rotor nacelle assembly,RNA)，包含：一機艙支架；以及四個螺旋槳裝置，設置於該機艙支架上，位於同一平面，且均朝向一第一方向，用於提供一載重輸出；一塔架，具有一連接於該機艙支架之頂端以及一連接於該浮動式載台之底端，其中該四個螺旋槳裝置與該頂端之距離相等；一方向感測裝置，連接於該塔架，用於提供一方向感測訊號；一測力傳感器(load cell)，連接於該塔架，用於提供一載重感測訊號。
  2. 如請求項1所述之風機模擬器，其中該載重輸出包含相對於該第一方向之推(thrust)力。
  3. 如請求項1所述之風機模擬器，其中該載重輸出包含相對於該第一方向之傾斜(tilting)力矩。
  4. 如請求項1所述之風機模擬器，其中該載重輸出包含相對於該第一方向之偏轉(yawing)彎矩力矩。
  5. 如請求項1所述之風機模擬器，其中該四個螺旋槳裝置包含一第一螺旋槳裝置、一第二螺旋槳裝置、一第三螺旋槳裝置、及一第四螺旋槳裝置，該第一螺旋槳裝置及該第四螺旋槳裝置之水平高度位置相同，且分別位於水平高度位置相同之該第二螺旋槳裝置及該第三螺旋槳裝置上方，各該螺旋槳裝置可產生正向的推力(Fx)，其中的上下兩組螺旋槳裝置可產生傾斜力矩(My)， 其中的左右兩組螺旋槳裝置可產生偏轉彎矩力矩(Mz)，力平衡公式如下列式1至式4所示，
    Figure 108119967-A0305-02-0015-1
    Figure 108119967-A0305-02-0015-2
    Figure 108119967-A0305-02-0015-3
    Figure 108119967-A0305-02-0015-4
     其中，
    Figure 108119967-A0305-02-0015-6
    ；F1、F2、F3、F4分別為該第一、該第二、該第三、及該第四螺旋槳裝置的輸出推力；Fx、My、Mz為數值模擬計算結果。
  6. 一種浮動式風機載台組模擬裝置，包含如請求項1所述的該風機模擬器以及該浮動式載台。
  7. 如請求項6所述之浮動式風機載台組模擬裝置，其中該風機模擬器與該浮動式載台係根據福祿數(Froude number)相似定律，分別由一被模擬風機及一被模擬浮動式載台所縮小設置。
  8. 一種浮動式風機載台組設計方法，包含：步驟S1000，提供如請求項6所述的浮動式風機載台組模擬裝置；步驟S2000，提供一控制訊號，使該些螺旋槳裝置提供該載重輸出； 步驟S3000，獲得該方向感測訊號及該載重感測訊號；步驟S4000，根據該方向感測訊號及該載重感測訊號驗證一被模擬風機及一被模擬浮動式載台之設計。
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