一种漂浮式海上风力机多场测试系统

1.本实用新型属于风力机技术领域，尤其涉及一种漂浮式海上风力机多场测试系统。


背景技术：

2.风力机是将风能转化为电能的装置，而由于土地短缺和噪声问题，陆上风力机发展逐渐进入瓶颈期，近年来海上风力机发展迅速，尤其是深海海上风力发电机，而漂浮式海上风力发电机则是主力机型，其优点主要在于制造成本较低，但是由于海水流动和波浪的原因，漂浮式海上风力发电机维修较为困难，而流动和波浪带来的非定常运动具有一定的随机性，因此有效的检测在非定常运动下风力机应力和流场的变化情况具有重要意义。
3.漂浮式风力发电机根据其水动力特性分为单柱平台，张力腿平台和驳船平台三种，但对于漂浮式风力发电机的相关标准还比较匮乏，不同的海况主要对风力机平台六个自由度方向上产生影响，而风力机本身气动载荷的变化也会对平台运行产生改变，风速波动和针对风力机的控制策略如变桨和偏航对风力机平台也会产生明显的影响。对于平台六个自由度的运动主要是：横荡，纵荡，垂荡，横摇，纵摇，艏摇，而作用在风力机上的各种压力和力矩则可以引起这六个自由动运动更加的复杂化，例如横荡和纵荡可以引起横摇和纵摇，横摇也可以引起纵摇，同时平台运动会反作用于在风力机上的气动载荷，对风力机运行产生影响，六自由度运动中较为基础和剧烈的为横荡和纵荡，对风力机表面气动载荷分布和动力响应以及应力都会产生显著影响。对于漂浮式海上风力机最早研究的目的是总结出一个动力学分析模型和相关全耦合模型，基于海洋水动力学和空气动力学对六个自由度的响应进行计算，对于风、波耦合，气弹效应，变桨，偏航等一系列条件进行了理论模型的开发和风力机动力响应的计算，除此之外还有针对漂浮式海上风力机做的一系列水池模型实验，风力机控制策略会引起谐振反应，增加风力机疲劳载荷，通过利用谱分析方法对风模型研究，考察了平台系泊系统对平台运动行为的影响。至此，针对漂浮式海上风力机形成了理论、仿真和实验三者结合的研究方式。目前实验研究主要为水池实验，水池实验缺点主要是成本高，可操作性差。仿真研究缺陷主要是精度差。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是，提供一种漂浮式海上风力机多场测试系统，可以模拟对漂浮式海上风力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
6.一种漂浮式海上风力机多场测试系统，包括：风力机、非定常运动平台、测试装置，所述测试装置包含应力场测试设备和流场测试设备；其中，所述风力机和所述测试装置固定在所述非定常运动平台上，所述非定常运动平台由伺服电机驱动，具有模拟海上前后摇摆位移功能和模拟海上左右摇摆位移功能；通过所述非定常运动平台对所述风力机进行移动，实现对漂浮式海上风力机非定常运动的模拟，并且通过所述测试装置对漂浮式海上风
力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。
7.作为优选，所述非定常运动平台包含：纵荡运动平台、横荡运动平台、风力机固定平台、piv相机固定平台、piv激光器固定平台，其中，纵荡运动平台和横荡运动平台相互垂直，纵荡运动平台和横荡运动平台均设有滑轨。
8.作为优选，所述应力场测试设备包括：旋转遥测装置和应变片；所述旋转遥测装置安装在发电机上；所述应变片安装在叶片上，且与所述旋转遥测装置连接，所述旋转遥测装置与计算机连接。
9.作为优选，所述流场测试设备包括：所述piv相机和所述piv激光器，并且分别安装在所述piv相机固定平台和所述piv激光器固定平台上；所述piv相机和piv激光器通过piv电源供电，并与计算机连接；piv激光器的功率通过负载控制设备和功率调节设备进行记录和控制；所述负载控制设备和功率调节设备均与计算机连接。
10.作为优选，所述风力机包含：所述叶片、塔架、所述法兰和所述发电机，所述塔架的顶部与所述发电机连接，所述塔架的底部与所述非定常运动平台相连接，所述叶片通过所述法兰和所述发电机相连接。
11.作为优选，所述负载控制设备为直流可调负载控制设备，
12.作为优选，所述功率调节设备为功率分析仪.
13.作为优选，所述piv激光器通过piv激光器安装架安装在piv激光器固定平台上。
14.相比现有技术，本实用新型的有益效果如下：
15.通过非定常运动平台可以模拟海上风、海流和波浪共同作用下平台横荡和纵荡运动效果以及横荡和纵荡耦合运动效果，同时具备应力场和流场多场耦合测量的特点，测量装置与风力机相对位置固定，测量数据准确，设计合理，结构紧凑，制作运输方便。
附图说明
16.图1为本实用新型漂浮海上风力机多场测试系统的结构示意图；
17.图2为本实用新型非定常运动平台示意图；
18.图3为计算机与piv电源、功率调节设备、负载控制设备的连接关系示意图；
19.其中，1.伺服电机；2.piv相机；3.塔架；4.发电机；5.法兰；6.应变片；7.旋转遥测装置；8.叶片；9.piv激光器；10.piv激光器安装架；11.非定常运动平台；12.计算机；13.piv电源；14.功率调节设备；15.负载控制设备；11-1.纵荡运动平台(x方向)；11-2.横荡运动平台(y方向)；11-3.滑轨；11-4.风力机固定平台；11-5.piv相机固定平台；11-6.piv激光器固定平台。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
22.实施例1：
23.如图1至3所示，本实用新型提供一种漂浮海上风力机多场测试系统，包括：风力机、非定常运动平台11、测试装置；测试装置包含应力场测试设备和流场测试设备，其中，
24.风力机和测试装置固定在非定常运动平台11上，非定常运动平台具有模拟海上前后摇摆的x方向位移功能和具有模拟海上左右摇摆的y方向位移功能，x、y方向同时运动则可以实现更为复杂的运动模式，x、y两个方向为互相垂直设置；通过非定常运动平台11对风力机进行移动，实现对漂浮式海上风力机非定常运动的模拟，并且通过测试装置对漂浮式海上风力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。由于测试装置和风力机同时安装在非定常运动平台11上，可以做到和风力机同步移动，保证相对位置不变以确保测量数据的正确性和精确性。
25.非定常运动平台11采用伺服电机1驱动，伺服电机1通过导线和计算机12连接，计算机12通过预先编写好的程序对伺服电机1传达指令，伺服电机1根据所述指令通过指定转速驱动非定常运动平台11进行横荡(y方向)和纵荡(x方向)运动，由于风力机和测试装置安装在同一非定常运动平台11上，相对位置固定，测量数据准确。
26.非定常运动平台11包括：纵荡运动平台(x方向)11-1、横荡运动平台(y方向)11-2、风力机固定平台11-4、piv相机固定平台11-5、piv激光器固定平台11-6，其中，纵荡运动平台(x方向)11-1和横荡运动平台(y方向)11-2相互垂直，纵荡运动平台(x方向)11-1和横荡运动平台(y方向)11-2都设有滑轨11-3。
27.非定常运动平台11由两个带有滑轨的纵荡运动平台11-1和横荡运动平台11-2由伺服电机1驱动，前后移动的平台(即纵荡运动平台11-1)安装在左右移动平台(即横荡运动平台11-2)滑轨上面。风力机、piv相机2和piv激光器9则是通过所谓风力机固定平台11-4、piv相机固定平台11-5和piv激光器固定平台11-6安装在前后移动平台上的滑轨上。当左右移动的时候，通过伺服电机1提供动力，让左右移动平台带动安装在它上面的前后移动平台，进行左右移动，这样前后移动平台和安装在前后移动平台上的风力机、piv相机2和piv激光器9可以一起移动。当进行前后移动的时候，伺服电机1为前后移动平台提供动力，通过前后移动平台带动安装在它上面的风力机、piv相机2和piv激光器9一起前后移动。若同时让左右移动平台和前后移动平台启动，就可以实现前后左右同时移动。
28.应力场测试设备包括：旋转遥测装置7和应变片6，旋转遥测装置7通过法兰5安装在发电机4上，应变片6安装在风力机的叶片8上，且通过导线和旋转遥测装置7连接，旋转遥测装置7通过天线和计算机12连接；
29.流场测试设备包括：piv相机2和piv激光器9，并且分别安装在piv相机固定平台11-5和piv激光器固定平台11-6上，piv激光器9通过piv激光器安装架10安装在piv激光器固定平台11-6上；piv相机2和piv激光器9通过piv电源供电，并通过导线和计算机12连接；piv激光器9的功率通过负载控制设备15和功率调节设备14进行记录和控制。所述负载控制设备和功率调节设备均通过导线与计算机连接。负载控制设备15为直流可调负载控制设备，功率调节设备14为功率分析仪。
30.风力机包括：叶片8、塔架3、法兰5和发电机4，塔架3顶部与发电机4连接，塔架3底部与非定常运动平台11相连接，叶片8通过法兰5和发电机4相连接。所述风力机通过塔架3固定在非定常运动平台11上与应力场和流场测试设备保持固定的相对位置。
31.本实用新型工作流程为：在进行测试时，风力机正对风洞，旋转遥测装置7通过法兰5与发电机相连和叶片8同步旋转，应变片6安装在叶片8上通过导线和旋转遥测装置7相连，旋转遥测装置7将获取的叶片应变值通过天线传输给计算机12；piv相机2和piv激光器9分别安装在piv相机固定平台11-5和piv激光器固定平台11-6上，其中piv激光器9通过piv激光器安装架10安装在piv激光器固定平台11-6上，通过导线与计算机12连接并将叶片周围流场速度云图传输给计算机12；伺服电机1和计算机12通过导线连接，计算机12通过预设程序对伺服电机1发出指令，伺服电机1控制非定常运动平台11做出纵荡、横荡以及纵荡与横荡耦合动作模拟海上运行条件，由于以上设备均固定在非定常运动平台11上因此相对位置总是不变。
32.风力机塔架3顶部与发电机4连接，塔架3底部与非定常运动平台11相连接，叶片8通过法兰5和发电机4相连接，风力机由风驱动带动发电机4发电。
33.负载控制设备15和功率调节设备14通过导线和计算机相连，同时通过导线和发电机4连接，通过负载控制设备15对发电机4的输出功率进行调节，并由功率调节设备14对发电机功率进行记录。
34.所述叶片应变值和叶片流场速度云图由计算机12收集后由专用软件进行分析。
35.以上所述的实施例仅是对本实用新型优选方式进行的描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，包括：风力机、非定常运动平台、测试装置，所述测试装置包含应力场测试设备和流场测试设备；其中，所述风力机和所述测试装置固定在所述非定常运动平台上，所述非定常运动平台由伺服电机驱动，具有模拟海上前后摇摆位移功能和模拟海上左右摇摆位移功能；通过所述非定常运动平台对所述风力机进行移动，实现对漂浮式海上风力机非定常运动的模拟，并且通过所述测试装置对漂浮式海上风力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。2.如权利要求1所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述非定常运动平台包含：纵荡运动平台、横荡运动平台、风力机固定平台、piv相机固定平台、piv激光器固定平台，其中，纵荡运动平台和横荡运动平台相互垂直，纵荡运动平台和横荡运动平台均设有滑轨。3.如权利要求2所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述应力场测试设备包括：旋转遥测装置和应变片；所述旋转遥测装置安装在发电机上；所述应变片安装在叶片上，且与所述旋转遥测装置连接，所述旋转遥测装置与计算机连接。4.如权利要求3所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述流场测试设备包括：所述piv相机和所述piv激光器，并且分别安装在所述piv相机固定平台和所述piv激光器固定平台上；所述piv相机和piv激光器通过piv电源供电，并与计算机连接；piv激光器的功率通过负载控制设备和功率调节设备进行记录和控制；所述负载控制设备和功率调节设备均与计算机连接。5.如权利要求4所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述风力机包含：所述叶片、塔架、法兰和所述发电机，所述塔架的顶部与所述发电机连接，所述塔架的底部与所述非定常运动平台相连接，所述叶片通过所述法兰和所述发电机相连接。6.如权利要求5所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述负载控制设备为直流可调负载控制设备。7.如权利要求6所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述功率调节设备为功率分析仪。8.如权利要求7所述的漂浮式海上风力机多场测试系统，其特征在于，所述piv激光器通过piv激光器安装架安装在piv激光器固定平台上。

技术总结
本实用新型公开一种漂浮式海上风力机多场测试系统，包括：风力机、非定常运动平台、测试装置；其中，风力机和测试装置固定在非定常运动平台上，非定常运动平台由伺服电机驱动，具有模拟海上前后摇摆位移功能和模拟海上左右摇摆位移功能；通过非定常运动平台对风力机进行移动，实现对漂浮式海上风力机非定常运动的模拟，并且通过测试装置对漂浮式海上风力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。采用本实用新型的技术方案，可以模拟对漂浮式海上风力机的非定常运动进行应力场测试和流场测试。试。试。


技术研发人员：汪建文 闫思佳 张建伟 张立茹 高志鹰
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：2022.11.04
技术公布日：2023/5/14