一种测量风力机非定常流场的装置的制作方法

本实用新型涉及风力机周围流场测试与分析领域，尤其涉及一种测量风力机非定常流场的装置。

背景技术：

风力发电机从风中汲取动能，通过风轮叶片的旋转，带动发电机将机械能转化为电能。风力机运行在大气边界层中，风速、风向随机变化，剪切风、偏航风、湍流和阵风工况都对风力机叶片气动特性产生显著影响。风力机实际运行中，风速风向是随时间变化的非定常工况。叶片作为风力机的主要承载部件，几乎所有的力都要通过叶片传递出去。叶片必然产生振动，承受交变动应力的作用。叶片成为风力机上最容易破坏的部件，叶片断裂现象频现。因此，获得非定常工况下风力机旋转叶片周围流场的动态变化参数，对研究风力机叶片在实际运行环境中的安全性、稳定性和耐久性有很大意义，也成为了风电企业发展壮大的一项重要需求。

风力发电机组一般由风轮、发电机舱、调速调向机构以及塔架等组成。风力机运行过程中通过转轴将旋转风轮与发电机体的动静结合体承接。在风力机非定常工况下的试验过程中，风力机偏航角可以通过动态偏航台模拟控制，并且动态偏航台的位置传感器可以导出角度信号；风速通过计算机控制变频器、电动机系统调节。由于风力机非稳态工况下需要测量工具实时跟踪测量区域，所以获得动态流场参数成为非稳态工况下风力机流场试验的瓶颈。

在国内的小型风力机研究当中，早期主要是对定常工况下的风力机进行研究，主要采用数值模拟的方法。近几年开始对非定常工况下的风力机进行研究。2016年南京航空航天大学王同光等人采用数值模拟方法对动态偏航等复杂工况下的风力机进行研究。虽然在国内数值模拟研究风力机偏航已经较为成熟，但采用试验方法对风力机流场方面的研究还很少。因此，本试验方法的实用新型对国内非定常工况下风力机的研究具有重要意义。

2009年浙江大学林勇刚等人实用新型了一种风力机仿真试验装置，通过对不同工况下风力机输出扭矩的模拟，来对风力机发电机组的相关部件进行检测。该试验装置未能模拟风力机在非稳态工况下的流场变化，因此该方法不能满足现阶段对风力机的试验研究。

2010年清华大学蒋东翔等人实用新型了一种开路开口式多功能风力机试验风洞，该实用新型在风洞内布置变频交流风机，试验段布置风力机，以及用于风力机叶片气固耦合振动试验和风力机性能试验的测试仪器，用以进行整机性能测试，各工况振动特性研究。但该试验装置无法测试非定常工况下的风力机流场变化情况。因此该方法不能满足现阶段对风力机的试验研究。

2017年西北大学杨斌等人实用新型了一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法。该方法通过调节变频器的频率值变化来调节控制风洞内风速，最终实现模拟风速的非定常变化。但该实用新型只模拟了自然风的风速非定常变化，并没有模拟自然风的风向变化。因此该方法不能满足现阶段对风力机的试验研究。

目前，风力机流场试验是以固定偏航角和风速的方法进行实验。该方法无法模拟风力机在非定常工况下的运行条件。

技术实现要素：

本实用新型目的是解决上述问题，设计一种可以测量风力机非定常流场的装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种测量风力机非定常流场的装置，包括风洞、风力机，风洞出风口与风力机相对设置；所述风洞通过线路连接变频器；所述风力机下方固定连接动态偏航台，动态偏航台内设置有第一伺服电机和角位移传感器，第一伺服电机通过驱动轴与风力机底端连接；动态偏航台后方设置有基架，基架固定连接在地面上，基架上端面固定连接二维位移平台，二维位移平台内设置有第二伺服电机和线位移传感器，二维位移平台通过第二伺服电机对位于二维位移平台上端的测量架进行驱动，测量架上放置有流场测量工具。

所述测量工具为PIV相机、PIV激光器但不仅限于PIV相机、PIV激光器；测量架前端固定连接PIV相机且PIV相机位于风洞与风力机之间的位置下方，测量架顶端固定连接PIV激光器且PIV激光器位于风力机后方。

所述装置还包括自动控制模块，自动控制模块通过线路分别连接二维位移平台、动态偏航台、变频器、PIV相机和PIV激光器。

所述自动控制模块包括计算机和同步器；计算机与二维位移平台内的第二伺服电机和线位移传感器线路连接，动态偏航台内第一伺服电机和角位移传感器分别与计算机线路连接，计算机和PIV激光器之间连接PIV激光器电源，计算机通过同步器与PIV相机和PIV激光器连接，计算机线路连接变频器。

所述风力机包括风轮、机头、机架；风轮连接在机头前端并与风洞出风口相对设置，机架上端与机头固定连接，机架下端与动态偏航台连接。

所述基架与测量架均采用桁架结构。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和积极效果是：

本实用新型通过使用变频器控制风洞风速与动态偏航台改变风力机偏航角的方式，模拟出非定常工况下的自然风，制造出了实验中所需要的非定常流场环境，并且结合二维位移平台负载PIV流场测量工具跟踪测量区域的方式，通过PIV流场测量方式测试出风力机非定常工况下流场参数，使得结果具有可靠的科学依据性，另外，通过设置自动控制模块实现实验全程使用电脑进行控制及数据记录，保证了实验所测量数据的精准性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的局部放大图；

图3为本实用新型工作流程图。

具体实施方式

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

如图1、图2和图3所示，一种测量风力机非定常流场的装置，包括风洞10、风力机5，风洞10出风口与风力机5相对设置；所述风洞10通过线路连接变频器6；所述风力机5下方固定连接动态偏航台4，动态偏航台4内设置有第一伺服电机和角位移传感器，第一伺服电机通过驱动轴与风力机5底端连接；动态偏航台4后方设置有基架1，基架1固定连接在地面上，基架1上端面固定连接二维位移平台2，二维位移平台2内设置有第二伺服电机和线位移传感器，二维位移平台2通过第二伺服电机对位于二维位移平台2上端的测量架3进行驱动，测量架上放置有流场测量工具。

以PIV测量工具为例：测量架3前端固定连接PIV相机9且PIV相机9位于风洞10与风力机5之间的位置下方，测量架3顶端固定连接PIV激光器8且PIV激光器8位于风力机5后方；所述装置还包括自动控制模块7，自动控制模块7通过线路分别连接二维位移平台2、动态偏航台4、变频器6、PIV相机9和PIV激光器8。所述测量工具为PIV相机、PIV激光器但不仅限于PIV相机、PIV激光器。

所述自动控制模块7包括PIV激光器电源11、计算机12和同步器13；计算机12与二维位移平台2内的第二伺服电机和线位移传感器线路连接，动态偏航台4内第一伺服电机和角位移传感器分别与计算机12线路连接，PIV激光器电源11两端分别连接计算机12和PIV激光器8，计算机12通过同步器13与PIV相机9和PIV激光器8连接，计算机12线路连接变频器6。将所有部件的控制及测量数据均连接计算机，采用计算机集中控制，增加了整个实验过程的测量精度。

所述风力机5包括风轮51、机头52、机架53；风轮51连接在机头52前端并与风洞10出风口相对设置，机架53上端与机头52固定连接，机架53下端与第一伺服电机连接；采用把偏航装置布置在风力机底部的方案，减少了由于配置在风力机机头处对风力机流场的干扰，降低了测量数据的误差。

所述基架1与测量架3均采用桁架结构。该设计减少了对风力机流场的干扰，保证了实验数据的精准度。

该装置工作步骤为：S1、打开风洞10的风机开关；S2、打开PIV激光器电源11，通过计算机12控制PIV激光器8并对PIV相机9的拍摄进行控制；PIV激光器电源、PIV激光器、PIV相机共同构成PIV系统；S3、计算机12给动态偏航台4内的第一伺服电机一个角度转动信号，第一伺服电机转动并从角位移传感器发送角位置信号给计算机12，计算机12进行角度记录；在计算机每次控制模拟并记录测量数据以后，计算机会给第一伺服电机回位控制信号，第一伺服电机收到信号后会回到原位，等待下次控制模拟；S4、计算机12根据动态偏航台4传回的角位置信号，通过计算得出二维位移平台2上端的测量架3所需的位移量，并把位移控制信号传给二维位移平台2内的第二伺服电机，二维位移平台2内的线位移传感器将线位置信号传给计算机12；采用二维位移平台带动测量工具的方式进行测试，有效解决了动态偏航工况下拍摄区域时刻改变的问题，测量出非定常工况下叶片某一相对空间的流场变化情况；S5、计算机12给变频器6传递风速控制信号，变频器6根据该信号控制风洞10的风机转速，以此来提供非定常的来流风速，使风轮51获得动能旋转；测量前应首先标定变频器频率与风速的对应关系，还有风力从风洞到达风力机的延迟时间；S6、通过计算机12对变频器6、动态偏航台4传递不同的控制信号，并根据PIV相机9和PIV激光器8的测试数据，计算得出风力机5的非定常流场参数。

本实用新型采用模拟自然风非定常工况并结合PIV等流场测量方式进行测试，通过采用动态偏航台结合风洞变频控制的方式有效模拟了风力机在非定常工况下风速、风向的变化；并结合二维位移平台负载PIV等流场测量工具跟踪测量区域的方式，从而精确测量出风力机非定常工况下流场参数。