一种漂浮式风机解耦模型试验方法、系统及其装置

1.本发明属于风力新能源技术领域，特别是涉及一种漂浮式风机解耦模型试验方法、系统及其装置。


背景技术：

2.海上风电相比于陆上风电，在风资源丰富度、风资源质量、环境友好及风力消纳方面具有独特的优势。随着大容量风机技术的成熟以及近海风电开发逐渐饱和，海上漂浮式风电逐渐从概念走向应用，同时也成为了学术界和工业界研究的热点。
3.海上漂浮式风机的风机机组固定于浮动的结构物上，其呈现的运动与动力响应特性更为复杂。尤其是，漂浮式风机基础的运动与叶轮气动响应之间的耦合作用十分显著，在特定条件下，系统将出现气动负阻尼现象，对于漂浮式风机正常运行及结构安全构成严重威胁。为深入认识漂浮式风机耦合动力响应特性，全面评估海上漂浮式风机各项性能，亟需发展一套合理高效的海上漂浮式风机模型试验技术。
4.当前，海上漂浮式风机模型试验的做法多种多样。比如，采用圆盘结构代替风机叶轮以获得相近的风载；重新设计风机叶片以减小低雷诺数引起的风载偏差；采用自转风扇装置，调整风扇赫兹数以模拟叶轮推力；采用模型试验与数值模型结合方法，实时测量浮体六自由度运动响应并作数据处理，反馈至数值模型实时获得风机气动载荷等等。上述技术路线无法考虑变桨引起的负阻尼效应或数值模型计算存在迟滞效应。
5.基于对海上漂浮式风电气动阻尼作用机制的认识，从降低漂浮式风机模型试验系统复杂性、提高漂浮式风机模型试验精度与稳定性的角度出发，本领域的技术人员致力于设计开发一种海上漂浮式风机解耦模型试验的方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种漂浮式风机解耦模型试验方法、系统及其装置，通过叶轮-机舱组合体质量块配合外部牵引力来模拟海上漂浮式风机叶轮推力与气动阻尼力的合力，有效地考虑漂浮式风机系统在各种工况条件下气动载荷与气动阻尼的影响，获得准确的漂浮式风机在风、浪、流环境作用下耦合运动及动力响应。
7.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一种用于海上漂浮式风机解耦模型试验的方法与装置，包括：浮式基础、风机塔筒、叶轮-机舱组合体质量块、钢丝绳、滑轮组、钢丝绳卷盘、伺服电机和控制计算机。所述浮式基础作为上部风机机组的承载平台，包括系泊模型与浮体模型；所述风机塔筒固定在浮式基础上，用于提供一定的轮毂高度；所述叶轮-机舱组合体质量块与风机塔筒顶部连接，用于模拟叶轮-机舱组合体的质量分布；所述钢丝绳两端分别系于叶轮-机舱组合体质量块与钢丝绳卷盘，用于施加风载与阻尼力；所述滑轮组为用于调整钢丝绳连接风机模型的高度；所述钢丝绳卷盘用于实现钢丝绳的收放；所述伺服电机用于控制钢丝绳卷盘的转动；所述控制计算机用于提供风载时程曲线与阻尼系数输入界面，并控制伺服电机转动。
9.进一步地，所述伺服电机部署在海洋工程水池岸边，钢丝绳施加载荷方向与实际风轮推力方向保持一致。。
10.进一步地，所述伺服电机与控制计算机通讯控制，所述控制计算机采用labview语言进行编程，并设有系统交互界面。
11.进一步地，所述系泊系统的结构为悬链线式、半张紧式和张紧其中的一种或者多种组合；所述浮体结构是单立柱式、半潜式和驳船式其中的一种或者多种组合。
12.本发明具有以下有益效果：
13.1、本发明通过数值仿真模型确定风机机组的风载时程及阻尼系数，因此能够考虑到传统固定桨距角模型试验无法考虑的负阻尼现象，且避免了低雷诺数引起的风载偏差，气动载荷的模拟更加准确；
14.2、本发明不需要实时测量浮体基础六自由度运动并进行数据处理，用于计算气动阻尼的速度参数来自于伺服电机自身编码器，避免了实时数据处理与数值计算带来的迟滞效应。
15.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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。
17.图1为本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图；
18.图2为与本发明较佳实施例对应的传统实施例的系统结构示意图；
19.其中：系泊系统-11、浮体结构-12、风机塔筒-2、叶轮-机舱组合体质量块-3、叶片-31、轮毂-32、机舱-33、造风系统-34、钢丝绳-4、包括滑轮-51、滑轮-52、钢丝绳卷盘-6、伺服电机-7、控制计算机-8。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.实施例一，如图1所示，一种用于海上漂浮式风机解耦模型试验装置，包括系泊系统11、浮体结构12、风机塔筒2、叶轮-机舱组合体质量块3、钢丝绳4、滑轮组5(包括第一滑轮51、第二滑轮52)、钢丝绳卷盘6、伺服电机7和控制计算机8。系泊系统11与浮体结构12相互连接，布置在海洋工程水池试验点位置；风机塔筒2固定在浮体结构12上，并连接叶轮机舱
组合体质量块3；滑轮组5、钢丝绳卷盘6、伺服电机7和控制计算机8布置在海洋工程水池岸边，且第一滑轮51与叶轮-机舱组合体质量块3保持高度基本一致，第二滑轮52与钢丝绳卷盘6保持高度基本一致；钢丝绳4一端与叶轮-机舱组合体质量块3连接，依次穿过第一滑轮51、第二滑轮52，并与钢丝绳卷盘6连接。
23.系泊系统11采用不锈钢铰链与弹簧材料构成，在试验前，标定其拉伸刚度。浮体结构12采用亚克力与木材制作，在试验区，需要通过合理配置压铁等重块调整其质量与质量分布。
24.风机塔筒2根据实际风机机组按照缩尺比制作模型，采用碳纤维/亚力克/不锈钢材料制作，优先保持高度、质量、刚度参数相似。
25.叶轮-机舱组合体质量块3采用不锈钢/铝合金材料制作，需要保持质量及重心与实际风机叶轮-机舱组合体相一致。
26.钢丝绳4采用直径小、质量轻且破断强度较大的钢丝，避免钢丝绳由于在水池上方跨距大而出现明显的悬垂现象。
27.第一滑轮51与第二滑轮52安装在铝合金槽钢上，能够方便调整其高度，进一步地，所述第一滑轮51与第二滑轮52通过气缸或者丝杆进行上下驱动。
28.钢丝绳卷盘6固定在伺服电机7转轴上，具有足够的直径，钢丝绳4收放过程中，盘面钢丝绳与转轴中心距离变化可忽略不计。
29.伺服电机7通过外部模拟量的输入来设定电机轴对外输入转矩的大小，通过正反向转动实现钢丝绳4的收放功能。
30.控制计算机8采用labview语言进行编程，并设计系统交互界面，通过人工导入固定式风机在特定工况下风载时历与阻尼系数，实时计算风机叶轮所承受的推力与气动阻尼力，并控制伺服电机7转动。
31.如图2所示，传统漂浮式风机模型试验包括系泊系统11、浮体结构12、风机塔筒2、叶片31、轮毂32、机舱33及造风系统34。风机叶轮推力通过造风系统34模拟风环境，作用在旋转的叶片31上，叶片承受的风载荷通过轮毂32和机舱33传递到风机塔筒2结构上。
32.实施例二、一种采用本实施例进行海上漂浮式风机解耦模型试验的方法，包括以下步骤：
33.步骤1：启动所述伺服电机、所述控制计算机、附属于海洋工程水池的造波、造流设备以及试验测量系统，通过控制计算机设定特定工况下叶轮-机舱组合体在固定条件下的风载时程以及风机叶轮平动条件下气动阻尼系数；
34.步骤2：通过所述钢丝绳卷盘转速获得所述钢丝绳收放速度，即漂浮式风机轮毂高度处水平速度，结合设定的气动阻尼系数，实时计算叶轮气动阻尼力，从而结合风载时程数据获得钢丝绳所需提供的拉力输出；
35.步骤3：通过所述控制计算机实时发送所述伺服电机的转矩数据(由拉力数据换算)，所述伺服电机控制所述钢丝绳卷盘转动，以输出所需要的钢丝绳拉力；
36.步骤4：所述浮式基础、所述风机塔筒和所述叶轮-机舱组合体质量块在所述钢丝绳的拉力、波浪载荷与流载荷的共同作用下作六自由度运动，其运动信息通过伺服电机编码器将所述钢丝绳卷盘转速反馈至所述控制计算机以计算气动阻尼力，实现漂浮式风机运动与气动载荷的耦合效应的实时考虑；
37.步骤5：待系统稳定运行，实时监测采集漂浮式风机模型试验所关注的运动与动力响应数据；
38.步骤6：试验周期结束，保存数据用于后续数据处理，关闭所有系统。
39.工作原理：
40.通过叶轮-机舱组合体质量块配合外部牵引力来模拟海上漂浮式风机叶轮推力与气动阻尼力的合力避免固定桨距角模型试验无法考虑的负阻尼现象，且避免了低雷诺数引起的风载偏差，保证气动载荷的模拟更加准确。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
42.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种漂浮式风机解耦模型试验方法，其特征在于，所述方法包括如此步骤：步骤1：设定叶轮-机舱组合体的风载时程以及风机叶轮平动条件下气动阻尼系数；步骤2：通过钢丝绳收放速度，结合设定的气动阻尼系数，实时计算叶轮气动阻尼力，结合风载时程数据获得钢丝绳所需提供的拉力输出；步骤3：通过伺服电机编码器将钢丝绳收放速度反馈至控制计算机，计算风机气动阻尼力；步骤4：实时监测采集漂浮式风机模型试验所关注的运动与动力响应数据。2.一种漂浮式风机解耦模型试验装置，包括浮式基础和风机塔筒，其特征在于，所述风机塔筒上设有叶轮-机舱组合体质量块，叶轮-机舱组合体质量块用于配合外部牵引力来模拟海上漂浮式风机叶轮推力与气动阻尼力的合力。3.根据权利要求2所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述浮式基础包括系泊系统和浮体结构，系泊系统连接浮体基础与水池底部，用于保持浮体基础的位置，浮体结构用于提供浮力及稳性，支撑上部风机机组。4.根据权利要求2所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述外部牵引力通过钢丝绳的拉力施加。5.根据权利要求4所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述钢丝绳通过伺服电机进行驱动收放。6.根据权利要求4所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述钢丝绳通过滑轮组后与连接到钢丝绳卷盘上，滑轮组包括上下两个可调整高度的定滑轮，钢丝绳卷盘固定安装在伺服电机的主轴上。7.根据权利要求6所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述伺服电机部署在海洋工程水池岸边，钢丝绳施加载荷方向与实际风轮推力方向保持一致。8.根据权利要求6所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述伺服电机与控制计算机通讯控制，所述控制计算机采用labview语言进行编程，并设有系统交互界面。9.根据权利要求3所述的一种漂浮式风机解耦模型试验装置，其特征在于，所述系泊系统的结构为悬链线式、半张紧式和张紧其中的一种或者多种组合；所述浮体结构是单立柱式、半潜式和驳船式其中的一种或者多种组合。10.一种漂浮式风机，其特征在于，所述风机通过权利要求1所述方法和/或权利要求2-8之一所述试验装置试验设计。

技术总结
本发明公开了一种漂浮式风机解耦模型试验方法、系统及其装置，属于风力新能源技术领域。本发明包括浮式基础、风机塔筒、叶轮-机舱组合体质量块、钢丝绳。所述浮式基础作为上部风机机组的承载平台，包括系泊模型与浮体模型；所述风机塔筒固定在浮式基础上，用于提供一定的轮毂高度；所述叶轮-机舱组合体质量块与风机塔筒顶部连接，用于模拟叶轮-机舱组合体的质量分布；所述钢丝绳用于施加风载与阻尼力；通过叶轮-机舱组合体质量块配合外部牵引力来模拟海上漂浮式风机叶轮推力与气动阻尼力的合力避免固定桨距角模型试验无法考虑的负阻尼现象，且避免了低雷诺数引起的风载偏差，气动载荷的模拟更加准确。气动载荷的模拟更加准确。气动载荷的模拟更加准确。


技术研发人员：邓燕飞 张明明 冯宇 熊伟 李贺 朱翠芝
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/6/27