水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法及试验方法与流程

本发明涉及风力发电，尤其是一种水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法及试验方法。

背景技术：

1、根据风机旋转轴方向的不同，浮式风机主要分为两大类：水平轴浮式风机和垂直轴浮式风机。相比于水平轴形式，垂直轴形式具有以下独特的优势：(1)万向受风；(2)叶片结构简单，便于制造；(3)重心低，安装、维护费用较低；(4)气动噪声较小；(5)受尾流影响小，适合搭建大规模风场。这些优势使得垂直轴风机在大型化、规模化、经济化等方面前景广阔，近年来垂直轴风机已成为学术界和工程界的研究热点。

2、浮式风机缩比模型水池试验被认为是研究浮式风机动力学、验证新型浮式平台概念、校验数值计算工具最精确可靠、经济可行的方法。水池模型试验可分为全物理模型试验和半物理模型试验。全物理模型试验更加关注浮式平台及系泊系统的水动力学问题，应优先考虑弗汝德相似定律；然而，在弗汝德相似定律下，雷诺数会发生几个量级的下降，这使得模型风机的风轮推力相比理论值发生大幅下降，这被称为雷诺缩尺效应。风轮推力是影响浮式风机运动的重要激励力，不准确的风轮推力必将导致不准确的浮式风机运动性能评估。对于水平轴风机的全物理水池模型试验，可通过改变叶片的弦长、扭角沿展向的分布来实现低雷诺数下的平均气动推力相似。然而，不同于水平轴风机，垂直轴风机的弦长、扭角无法沿展向改变，因此全物理模型试验方法不适用垂直轴风机。

3、不同于水平轴风机，垂直轴风机在旋转一周的过程中所受气动推力会发生剧烈的变化，对于垂直轴风机所受气动载荷的等效过程是十分复杂的。目前还没有垂直轴风机的半物理模型试验方法，制约着垂直轴风机动力学的研究和验证。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法及试验方法，从而实现以半物理模型试验的方式实现垂直轴风机所受气动载荷的等效，为垂直轴风机动力学试验阶段的研究和验证提供有效的方法。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法，包括以下步骤：

4、实体风机数值计算：所述实体风机为实尺度的浮式垂直轴风机，采用数值计算的方式计算目标工况下实体风机受到的实时气动载荷f，并得到实体风机的叶轮中心高度hhub，实体风机的实时转速ω；

5、设计半物理模型：所述半物理模型用于浮式垂直轴风机半物理水池模型试验，水池模型试验的缩尺比为λ，所述半物理模型需要模拟的模型气动载荷fm＝f/λ3,半物理模型的模型目标转速ωm＝ω×λ，

6、所述半物理模型包括物理浮式基础以及设置于所述物理浮式基础上的数值叶轮模型，

7、所述物理浮式基础用于模拟浮式平台，

8、所述数值叶轮模型包括第一旋翼和第二旋翼，所述第一旋翼和第二旋翼的相对位置固定，第一旋翼和第二旋翼产生的推力大小分别为f1和f2，方向同轴且相反，所述第一旋翼和第二旋翼整体以风机中轴为中心自转，转速为模型目标转速ωm，所述第一旋翼和第二旋翼产生的推力的合力的大小为所述模型气动载荷fm的大小；

9、半物理模型等效运行计算：控制第一旋翼和第二旋翼各自的转速进而改变f1和f2的大小，同时控制模型目标转速ωm，得到方向和大小随时间变化的模型气动载荷fm。

10、其进一步技术方案在于：

11、所述实体风机数值计算步骤中，目标工况包括波浪载荷，数值计算过程中实体风机的数值模型在波浪载荷作用下，计算实体风机受到的实时气动载荷f。

12、所述数值叶轮模型还包括，支撑杆，所述支撑杆的两端分别安装所述第一旋翼和第二旋翼；

13、还包括旋转主轴以及安装于所述物理浮式基础上的驱动电机，所述旋转主轴的顶端与所述支撑杆的中部固定连接，所述旋转主轴的下端与所述驱动电机的输出轴传动连接；

14、第一旋翼和第二旋翼的转动轴线距离所述物理浮式基础水线面的距离为模型叶轮中心高度hm，hm＝hhub/λ。

15、所述旋转主轴的中部设置有多个配重块，配重块通过连接杆与所述旋转主轴连接；

16、按照实体风机叶片的目标重量，以弗汝德相似准则进行缩尺后得到数值叶轮模型的配重块的重量，以及配重块距离旋转主轴的距离，等效实体风机的重心和惯量。

17、所述配重块与所述连接杆滑动配合，并设置有用于固定所述配重块的第一锁定结构；所述连接杆与所述旋转主轴滑动配合，并设置有用于固定所述连接杆的第二锁定结构。

18、还包括安装于所述物理浮式基础上的六分力传感器，所述六分力传感器上安装所述驱动电机。

19、半物理模型等效运行计算步骤中：在叶轮中心高度处垂直于风机中轴的平面中建立直角坐标系，所述直角坐标系的原点位于所述风机中轴上，

20、半物理模型运行时间为t；

21、在直角坐标系中将实时气动载荷f分解为x轴方向推力fx和y轴方向推力fy，

22、在直角坐标系中将模型气动载荷fm分解为x轴方向推力fxm和y轴方向推力fym，

23、则fxm＝fx/λ3，fym＝fy/λ3

24、建立方程组(1)：

25、

26、方程组(1)中fxm和fym、ωm、f1和f2均为以时间t为变量的时历数据；

27、求解方程组(1)得到f1和f2的时历数据。

28、一种水池试验中浮式垂直轴风机的试验方法，包括以下步骤：

29、制造水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法中所述半物理模型；

30、将所述半物理模型布置于试验水池中，采用水池试验中浮式垂直轴风机气动载荷等效方法等效气动载荷；

31、启动半物理水池模型试验：当波浪作用在浮式风机模型上时，同时启动第一旋翼、第二旋翼和驱动电机，并输入第一信号时历和第二信号时历分别控制第一旋翼和第二旋翼的电机转速，输入第三信号时历控制驱动电机转速，满足模型目标转速ωm，模拟模型气动载荷fm。

32、所述半物理模型等效运行计算步骤中：在叶轮高度处垂直于风机中轴的平面中建立直角坐标系，所述直角坐标系的原点位于所述风机中轴上，

33、半物理模型运行时间为t；

34、在直角坐标系中将实时气动载荷f分解为x轴方向推力fx和y轴方向推力fy，

35、在直角坐标系中将模型气动载荷fm分解为x轴方向推力fxm和y轴方向推力fym，

36、则，fxm＝fx/λ3，fym＝fy/λ3

37、建立方程组(1)：

38、

39、方程组中fxm和fym、ωm、f1和f2均为以时间t为变量的时历数据；

40、求解方程组得到f1和f2的时历数据；

41、第一旋翼的转速为f(f1)并对应第一信号时历，第二旋翼的电机转速为f(f2)并对应第二信号时历。

42、半物理模型还包括安装于所述物理浮式基础上的六分力传感器，所述六分力传感器上安装所述驱动电机；

43、六分力传感器用于测量数值叶轮模型在塔底产生的弯矩。

44、本发明的有益效果如下：

45、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过采用数值计算的方式得到实体风机受到的气动载荷及转速并换算成模型尺度值，采用在物理浮式基础上方可绕风机中轴自转的双旋翼结构，构建风机的数值叶轮模型，结合物理浮式基础构建半物理模型试验装置，通过数值结算结果推算得到双旋翼的运动控制方式，进而实现垂直轴风机在旋转过程中所受周期性气动推力的等效模拟。

46、同时，本发明还存在如下优势：

47、(1)设定第一旋翼和第二旋翼的转动轴线距离物理浮式基础水线面的距离为模型叶轮中心高度hm，双旋翼以模型目标转速ωm自转时产生的推力作用等效作用在风机叶轮中心高度处，不仅便于力学计算，还可以准确地模拟旋转过程中每一时刻的气动推力以及造成塔底弯矩的力臂。

48、(2)采用配重块模拟垂直轴风机的叶轮，通过调整配重块质量及高度，满足对垂直轴风机质量和惯量的等效。当旋转主轴带动配重块按照模型目标转速ωm进行旋转时，有效还原垂直轴风机模型的旋转响应。

49、(3)相比于传统的“造风系统+叶轮模型+浮式基础”的全物理模型试验，本发明使得垂直轴风机水池模型试验的时间和空间成本都大幅降低，且模型加工成本显著下降，可以模拟全物理模型试验无法准确模拟的极端风工况或故障工况。

50、(4)根据六分力传感器测量的数据以及六分力传感器相对于水线面的位置计算得到在实际试验过程中双旋翼实时产生的实际模型气动载荷，然后将实时测得的数据与用于控制半物理模型运行的模型气动载荷fm(或x轴方向推力fxm和y轴方向推力fym)时历数据进行比较，反证气动载荷等效模拟方法的准确性。