一种风力机风雨结构耦合模型试验装置的制作方法

本发明涉及模型试验领域，具体是一种风力机风雨结构耦合模型试验装置。

背景技术：

目前，国内外对风雨共同作用于结构物这一现象的研究主要集中在风驱雨量和风雨荷载的定量化分析方面，对结构物风雨荷载响应的研究还处于摸索阶段，且大多数是针对架空输电线路的研究，而对风力机的研究很少考虑雨荷载以及风雨共同作用的影响。

风力机一般安装在场地开阔、四面临风的山郊野外，气候条件较差，经常要遭到强风暴雨的袭击，位于东南沿海地区的风力机还要面临台风暴雨的侵袭。而现代大型风力机作为一种典型的高耸柔性结构，对水平风雨荷载反应十分敏感，容易产生整体失稳、振动疲劳损伤和叶片局部破坏等问题，因而研究风雨共同作用下风力机的受力和变形特性十分重要。因此，有必要设计专门用于风力机风-雨-结构耦合分析的模型试验装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风力机风雨结构耦合模型试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风力机风雨结构耦合模型试验装置，包括风洞装置、降雨装置、风雨响应测试系统和风力机结构模型，所述风洞装置包括风洞主体、驱动系统和风洞监控系统；风洞主体由依次连接的进口段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段、风扇段以及出口段构成，所述进口段为带一号防护网的空气入口，稳定段由喇叭口段过渡到平直段，并在平直段依次安装蜂窝器、一号阻尼网、二号阻尼网，收缩段为设于稳定段与试验段之间断面面积逐渐收缩、空气逐渐增速的过渡部分，试验段底板设有用于安置风力机结构模型的风力机基座，风力机基座位于试验段横截面几何中心位置处，试验段顶面壁板留有喷头管入口，试验段侧面壁板的一侧设有测试线缆引出口，测试线缆引出口用橡胶塞密封，扩散段为试验段与风扇段间断面面积逐渐增大的过渡部分，扩散段与风扇段交界部位底面壁板处设有泄水槽，泄水槽的底部设有泄水口；所述风扇段内部靠近泄水槽一侧安装有二号防护网，二号防护网内侧的风扇段内部安装有风扇，出口段位于风扇段之后且截面面积逐渐增大；所述驱动系统由位于风洞主体风扇段内的电机、风扇和电机支架组成；所述风洞监控系统包括1-3个风速仪、1-3个风压计以及配套数据采集仪，风速仪和风压计安设于风洞主体的试验段内，线缆通过试验段侧面壁板预留的测试线缆引出口引出风洞主体与数据采集仪相连；所述降雨装置包括供水系统、喷水系统、回流系统和降雨监控系统；所述供水系统由蓄水池、水泵和供水总管组成；所述水泵采用变频调速水泵；所述供水总管上安装有供水总控制阀门；所述喷水系统由喷头支管、喷头组组成；所述回水系统包括回水管和回水阀门，回水阀门安装在回水管上，回水管设于蓄水池与供水总管之间；所述降雨监控系统由雨量计、水压表、流量计以及配套的数据采集仪组成；所述风雨响应测试系统包括若干种测试仪器，测试仪器包括应力计、应变计、位移计、加速度计以及配套的数据采集仪。

作为本发明进一步的方案：所述风扇安装在电机上，电机置于电机支架上。

作为本发明进一步的方案：所述进口段、稳定段、收缩段和试验段断面均为矩形，扩散段断面从矩形到正八边形再向圆形循序过渡，风扇段、出口段断面均为圆形。

作为本发明进一步的方案：所述风洞主体的洞体壁板骨架均采用角钢框架，试验段壁板采用有机玻璃板，进口段、稳定段、收缩段、扩散段、风扇段、出口段壁板采用镀锌钢板，有机玻璃板与角钢框架之间用铆钉连接，镀锌钢板与角钢框架之间、相邻镀锌钢板之间用焊接连接，有机玻璃板之间以及有机玻璃板和镀锌钢板之间用玻璃胶密封，进口段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段、风扇段以及出口段之间的角钢框架用螺栓连接，接缝设橡胶密封条；所述风洞主体用角钢框架作为支架置于地面，角钢框架与地面之间用膨胀螺栓连接。

作为本发明进一步的方案：所述蓄水池为熟塑料或混凝土制成的圆柱体或圆台体但不限于圆柱体或圆台体。

作为本发明进一步的方案：所述喷头组包括若干个喷头，每个喷头均对应与一个喷头支管连接，在每个喷头支管上设有单独的喷水控制阀门，喷头组高度可调节的布置安装在风洞装置试验段的正上方，喷头呈矩形，在喷头上设有多个直径不同的喷水孔。

作为本发明进一步的方案：所述供水系统、喷水系统和回流系统的管路通过供水分流器连接，供水总管、喷头支管和回水管采用软管或钢管。

作为本发明进一步的方案：所述雨量计按一定间距布置于喷头组下方，水压表和流量计安设在供水总管上，雨量计、水压表、流量计与数据采集仪连接，数据采集仪连接到水泵。

作为本发明进一步的方案：所述风力机结构模型为风力机原型依据相似理论得到的缩尺模型，风力机结构模型的原型为水平轴风力发电机或垂直轴风力发电机。

作为本发明再进一步的方案：所述风力机结构模型由风轮、机舱、塔筒以及内部机构组成，风轮包括包括叶片和轮毂，塔筒通过锁脚螺栓安装在风力机基座上。

与现有技术相比，本发明的提供一种风力机风-雨-结构耦合试验装置，以研究风力机结构在风雨共同作用下的受力和变形特性，本发明在借鉴已有风洞试验装置和人工降雨装置原理和要点的基础上，结合风力发电技术的特点，构建了简明、精细而又经济的风力机风雨结构耦合试验装置。

附图说明

图1为风力机风雨结构耦合模型试验装置无角钢框架情况下的整体结构示意图。

图2为风力机风雨结构耦合模型试验装置中试验部分无角钢框架的俯视结构示意图。

图3为图2中A-A的结构示意图。

图4为图2中B-B的结构示意图。

图5为图2中C-C的结构示意图。

图6为图2中D-D的结构示意图。

图7为图2中E-E的结构示意图。

图8为图2中F-F的结构示意图。

图9为风力机风雨结构耦合模型试验装置含角钢框架情况下的整体结构示意图。

图10为风力机风雨结构耦合模型试验装置中试验部分含角钢框架的俯视结构示意图。

图11为图10中G-G的结构示意图。

图12为图10中H-H的结构示意图。

图13为图10中I-I的结构示意图。

图14为图10中J-J的结构示意图。

图15为图10中K-K的结构示意图。

图16为图10中L-L的结构示意图。

图17为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风洞装置无角钢框架下的结构示意图。

图18为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风洞装置无角钢框架下的俯视结构示意图。

图19为图18中M-M的结构示意图。

图20为图18中N-N的结构示意图。

图21为图18中O-O的结构示意图。

图22为图18中P-P的结构示意图。

图23为图18中Q-Q的结构示意图。

图24为图18中R-R的结构示意图。

图25为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风洞装置角钢框架的侧视结构示意图。

图26为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风洞装置角钢框架的俯视结构示意图。

图27为图26中S-S的结构示意图。

图28为图26中U-U的结构示意图。

图29为图26中V-V的结构示意图。

图30为图26中W-W的结构示意图。

图31为图26中X-X的结构示意图。

图32为图26中Y-Y的结构示意图。

图33为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风力机结构模型的侧视结构示意图。

图34为风力机风雨结构耦合模型试验装置中风力机结构模型的正视结构示意图。

图35为风力机风雨结构耦合模型试验装置中降雨装置的结构示意图。

图36为风力机风雨结构耦合模型试验装置中喷头组的侧视结构示意图。

图37为风力机风雨结构耦合模型试验装置中喷头组的仰视结构示意图。

图38为图37中A处的结构示意图。

图中：1-风力机结构模型、2-风轮、3-叶片、4-轮毂、5-机舱、6-塔筒、7-风力机基座、8-进口段、9-稳定段、10-收缩段、11-试验段、12-扩散段、13-风扇段、14-出口段、15-一号防护网、16-喇叭口段、17-平直段、18-蜂窝器、19-一号阻尼网、20-二号阻尼网、21-喷头管入口、22-壁板、23-测试线缆引出口、24-泄水槽、25-二号防护网、26-风扇、27-电机、28-电机支架、29-角钢框架、30-有机玻璃板、31-镀锌钢板、32-膨胀螺栓、33-地面、36-数据采集仪、37-蓄水池、38-水泵、39-供水总管、40-供水总控制阀门、41-喷头支管、42-喷头组、43-喷头、44-喷水控制阀门、45-回水管、46-回水阀门、47-供水分流器、48-雨量计、49-水压表、50-流量计、55-水泵支架、57-锁脚螺栓、58-试验段底板、59-喷水孔、60-泄水口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1～38，本发明实施例中，一种风力机风雨结构耦合模型试验装置，包括风洞装置、降雨装置、风雨响应测试系统和风力机结构模型，所述风洞装置包括风洞主体、驱动系统和风洞监控系统；风洞主体由依次连接的进口段8、稳定段9、收缩段10、试验段11、扩散段12、风扇段13以及出口段14构成，所述进口段8为带一号防护网15的空气入口，稳定段9由喇叭口段16过渡到平直段17，并在平直段17依次安装蜂窝器18、一号阻尼网19、二号阻尼网20，收缩段10为设于稳定段9与试验段11之间断面面积逐渐收缩、空气逐渐增速的过渡部分，试验段底板58设有用于安置风力机结构模型1的风力机基座7，风力机基座7位于试验段11横截面几何中心位置处，试验段11顶面壁板22留有喷头管入口21，试验段11侧面壁板22的一侧设有测试线缆引出口23，测试线缆引出口23用橡胶塞密封，扩散段12为试验段11与风扇段13间断面面积逐渐增大的过渡部分，扩散段12与风扇段13交界部位底面壁板处设有泄水槽24，泄水槽24的底部设有泄水口60；所述风扇段13内部靠近泄水槽24一侧安装有二号防护网25，二号防护网25内侧的风扇段13内部安装有风扇26，出口段14位于风扇段13之后且截面面积逐渐增大；所述驱动系统由位于风洞主体风扇段13内的电机27、风扇26和电机支架28组成；所述风洞监控系统包括1-3个风速仪、1-3个风压计以及配套数据采集仪36，风速仪和风压计安设于风洞主体的试验段11内，线缆通过试验段11侧面壁板预留的测试线缆引出口23引出风洞主体与数据采集仪相连；所述降雨装置包括供水系统、喷水系统、回流系统和降雨监控系统；所述供水系统由蓄水池37、水泵38和供水总管39组成；所述水泵38采用变频调速水泵，水泵38安装在水泵支架55上；所述供水总管39上安装有供水总控制阀门40；所述喷水系统由喷头支管41、喷头组42组成；所述回水系统包括回水管45和回水阀门46，回水阀门46安装在回水管45上，回水管45设于蓄水池37与供水总管39之间；所述降雨监控系统由雨量计48、水压表49、流量计50以及配套的数据采集仪组成；所述风雨响应测试系统包括若干种测试仪器，测试仪器包括应力计、应变计、位移计、加速度计以及配套的数据采集仪。

所述风扇26安装在电机27上，电机27置于电机支架28上。

所述进口段8、稳定段9、收缩段10和试验段11断面均为矩形，扩散段12断面从矩形到正八边形再向圆形循序过渡，风扇段13、出口段14断面均为圆形。

所述风洞主体的洞体壁板骨架均采用角钢框架29，试验段壁板采用有机玻璃板30，进口段8、稳定段9、收缩段10、扩散段12、风扇段13、出口段14壁板采用镀锌钢板31，有机玻璃板30与角钢框架29之间用铆钉连接，镀锌钢板31与角钢框架29之间、相邻镀锌钢板31之间用焊接连接，有机玻璃板30之间以及有机玻璃板30和镀锌钢板31之间用玻璃胶密封，进口段8、稳定段9、收缩段10、试验段11、扩散段12、风扇段13以及出口段14之间的角钢框架29用螺栓连接，接缝设橡胶密封条；所述风洞主体用角钢框架29作为支架置于地面33，角钢框架29与地面33之间用膨胀螺栓32连接。

所述蓄水池37为熟塑料或混凝土制成的圆柱体或圆台体但不限于圆柱体或圆台体。

所述喷头组42包括若干个喷头43，每个喷头43均对应与一个喷头支管41连接，在每个喷头支管41上设有单独的喷水控制阀门44，喷头组42高度可调节的布置安装在风洞装置试验段11的正上方，喷头43呈矩形，在喷头43上设有多个直径不同的喷水孔59。

所述供水系统、喷水系统和回流系统的管路通过供水分流器47连接，供水总管39、喷头支管41和回水管45采用软管或钢管。

所述雨量计48按一定间距布置于喷头组42下方，水压表49和流量计50安设在供水总管39上，雨量计48、水压表49、流量计50与数据采集仪连接，数据采集仪连接到水泵38。

所述风力机结构模型1为风力机原型依据相似理论得到的缩尺模型，风力机结构模型1的原型为水平轴风力发电机或垂直轴风力发电机。所述风力机结构模型1由风轮2、机舱5、塔筒6以及内部机构组成，风轮2包括包括叶片3和轮毂4，塔筒6通过锁脚螺栓57安装在风力机基座7上。

本发明采用如下方案：风力机风雨结构耦合模型试验装置包括风洞装置、降雨装置、风雨响应测试系统和风力机结构模型。

所述风力机结构模型为风力机原型依据相似理论得到的缩尺模型。所述风力机原型可以为水平轴风力发电机或垂直轴风力发电机，以水平轴风力发电机为例，它主要由风轮(包括叶片和轮毂)、机舱、塔筒以及内部机构组成，风力机在模拟风的作用下能按预定的设计要求运转。所述缩尺模型可以采用1:50、1:100、1:200或其他几何缩尺比例。

风力机原型为2MW水平轴风力机，轮毂高度为80m，风轮直径为90m，风雨条件：风速20m/s、降雨强度100mm/h。风洞装置试验段长5m，高2m，宽2m，考虑到降雨装置雨滴一定的自由降落高度，风力机结构模型选用1:200的几何缩尺比例，风速缩尺采用1:5，雨滴直径、密度分布和降雨强度与原型保持一致，其他缩尺可视具体要求拟定。

试验准备工作：

风力机结构模型的制作。风力机结构模型依照水平轴风力机原型进行缩尺，几何缩尺比例为1:200，材料采用有机玻璃，风力机结构模型在专业风力机模型加工工厂进行定制。

风洞装置的制作。风洞装置位于长15m以上、宽5m以上的试验室内，风洞进口端和出口段与外界自然风直接相通，风洞试验段长5m、高2m、宽2m。风洞主体主要由角钢框架、有机玻璃板和镀锌钢板构成；角钢采用5#号等边角钢，规格为50mm*50mm*6mm；有机玻璃板采用厚度为20mm的透明亚克力板；镀锌钢板采用0.5mm厚镀锌钢板。进口段、稳定段、收缩段和试验段断面均为矩形，扩散段断面从矩形到正八边形再向圆形过渡，风扇段、出口段断面均为圆形。每一功能段先单独制作，然后再进行组装，作为骨架的角钢框架由角钢焊接而成。组装时，镀锌钢板之间、镀锌钢板与角钢框架之间的连接采用焊接，并确保接缝不漏风；有机玻璃板与角钢框架之间通过铆钉连接，为了保证风洞的密封性，在镀锌钢板与有机玻璃之间的接缝、有机玻璃板与有机玻璃板之间的接缝、铆钉部位等处用白云玻璃胶进行密封；各功能段角钢框架之间通过规格为M10*50的六角螺栓进行连接，接缝设厚5mm、宽50mm的橡胶密封条。风力机结构模型基座材料为有机玻璃，基座与试验段底面壁板之间通过玻璃胶牢固粘贴在一起。制作时风洞主体内壁保持圆滑，功能段之间平缓过渡。风洞主体用角钢框架作为支架置于地面，框架底部通过M16*125膨胀螺栓与地面连接。风扇直径3m，市场购置，电机额定功率为500kW，并配备高压变频器，以实现零转速启动和自由控制转速。电机支架采用角钢采用5#号等边角钢焊接制作，亦用M16*125膨胀螺栓与地面连接进行固定。其他附属构件按附图要求制作。

降雨装置的制作。蓄水池采用直径1.6m、高1m的熟塑料池，为了保证足够的供水量，接通自来水进行及时供水。水泵采用变频调速水泵，主要参数：额定功率为75kW、流量为20L/s、转速4500r/min。喷头材质为塑料，在工厂定制，每个喷头出水小孔的直径有0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm和0.8mm六种，对应直径的小孔数目依次减少。供水总管、喷头支管和回水管均采用软管。

详细的风力机风雨结构耦合分析模型试验步骤如下。

按附图要求对风力机结构模型、风洞装置、降雨装置和测试系统进行组装和布置。

降雨装置的调试。对蓄水池储水，保证充足水源；打开供水总控制阀门和所有支管控制阀门，开启水泵抽水，控制水泵在较低转速下运行；当降雨稳定后，通过雨量计记录降雨效果，并与期望降雨强度(100mm/h)进行对比，如果降雨强度小于期望值，则逐步加大水泵输出功率和转速，直到达到期望降雨强度为止，此时记录水泵控制参数以及供水总管上的流量计、水压表读数以供正式试验时对水泵进行设定，在逐步增大水泵功率的过程中，如果发现供水总管上的水压表读数明显过大，为了保证供水管路的安全，可适当打开回水控制阀门，使部分水体流回蓄水池；调试完成后关闭水泵，切断电源，关闭所有控制阀门。

风洞装置调试。开启电机，使风扇在较低转速下进行运转；当风洞内风速稳定后，由布置在试验段的风速仪和风压计记录读数，将读数与期望风速(4m/s)或风压进行对比，如果风速低于期望风速，则逐步加大电机输出功率，增加风扇转速，直到到达期望风速为止，此时记录电机输出功率以及风扇转速控制参数以供正式试验时对电机进行设定。

正式试验。开启降雨装置，将水泵控制参数由小到达逐渐调到预定值，并稳定30min，以保证降雨强度为100mm/h的均匀降雨；开启风洞装置，将电机控制参数由小到大逐渐调到预定值，稳定30min(注意：由于风雨之间的相互作用，此时实测到的降雨强度不一定为100mm/h，风速不一定为4m/s)；当风速和降雨强度稳定后，开始记录布设在风力机结构模型上的应力计、应变计、位移计以及加速度计读数，数据持续记录2h，若条件允许可适当延长试验时间。

试验时可以做多组工况，如转动风力机塔筒模拟风攻角的变化，或改变其他参数进行多工况试验。

本发明的提供一种风力机风-雨-结构耦合试验装置，以研究风力机结构在风雨共同作用下的受力和变形特性，本发明在借鉴已有风洞试验装置和人工降雨装置原理和要点的基础上，结合风力发电技术的特点，构建了简明、精细而又经济的风力机风雨结构耦合试验装置。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。