【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风电，具体地，涉及一种浮式风机多自由度气动载荷模拟装置及其试验方法。
技术介绍
1、漂浮式风力机技术被视为开发深远海风电的关键手段。但是和传统海上油气平台等结构物不同，漂浮式风机的系统耦合动力学更为复杂，对设计、建造和安装维护都提出了全新的挑战。因此，在前期设计阶段，开展漂浮式风力机的水池模型试验十分必要。
2、在浮式风机水池模型试验中，准确模拟浮式风机模型在各类工况中的气动载荷对于正确评估浮体的运动响应十分重要。目前浮式风机水池模型试验中通常采用的气动载荷模拟方法为在水面上方架设物理风场，根据傅汝德数相似定律来搭建物理风机模型。此外，还有通过简化风轮采用线缆、推力风扇等方式施加等效力来代替物理风机模型和物理风场，或者在风场中采用旋转的圆盘来产生推力和陀螺力矩等方式来进行气动载荷模拟。
3、但是，上述现有的技术方法都存在各自不同的简化和局限性，无法真实完整地反映浮式风机在各种工况下的气动载荷。
4、如物理风场和物理风机模型结合方法，是目前浮式风机水池模型试验中最常采用也是保真度最高的方法之一，可以较好得模拟部分工况下的主要气动载荷，如定常风速下的风轮轴向推力，忽视了其他次要气动载荷如气动扭矩等。此外，由于雷诺数的不相似，模型试验也难以达到与实尺度风机的完全相似，重量的严格要求也限制了进一步加入复杂的控制机构和测量设备来模拟监测更复杂工况的可行性。
5、而线缆、推力风扇等简化方式则更进一步简化了气动载荷模拟，虽然避免了搭建成本较高的物理风场，但是这些方法只考虑了轴向定常
6、在风场中采用旋转的圆盘方法虽然补充考虑了陀螺效应，但是依然只能模拟单一方向的轴向定常推力，无法全面考虑到浮式风机气动载荷的波动变化以及不同工况下的特征区别。
7、因此，本领域技术人员致力于研发一种浮式风机气动载荷模拟装置，即在浮式风机水池模型试验中，无需架设物理风场从而避免雷诺数不相似问题，能够模拟出大小和方向均可在一定范围内实时调节控制的力与力矩，从而准确可靠地反映漂浮式风机在各类运行、生存以及故障工况中所受到的各类气动载荷特性的浮式风机气动载荷模拟装置。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种浮式风机多自由度气动载荷模拟装置及其试验方法。
2、根据本专利技术提供的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，包括机舱与安装在所述机舱上的气动载荷生成模块、气动载荷控制模块以及陀螺力矩生成模块；
3、所述气动载荷生成模块包括支臂与载荷生成单元，所述载荷生成单元通过支臂安装在机舱外部，所述载荷生成单元用于生成沿所述机舱长度方向与宽度方向的气动载荷；
4、所述陀螺力矩生成模块包括安装在机舱上的电机与质量杆，所述质量杆连接电机的输出轴，所述电机用于驱动质量杆旋转，生成转动惯量；
5、所述气动载荷控制模块连接所述载荷生成单元，用于控制载荷生成单元生成的气动载荷大小。
6、优选地，所述机舱包括机舱外壳，所述机舱外壳为中空长方体件，所述机舱外壳的底部固定安装在外部塔筒上。
7、优选地，所述支臂包括第一支臂与第二支臂，所述第一支臂与第二支臂的外端均用于安装载荷生成单元；
8、所述第一支臂为多个，多个所述第一支臂沿周向安装在机舱外壳的外部，所述第一支臂上的载荷生成单元用于生成沿机舱外壳长度方向的载荷；
9、所述第二支臂为y型结构，所述y型结构的两个外端分别用于安装两个载荷生成单元，所述第二支臂对称安装在机舱外壳的两侧，所述第二支臂上的载荷生成单元用于生成沿机舱外壳宽度方向的载荷。
10、优选地，所述载荷生成单元包括涵道扇，所述涵道扇通过涵道固定件安装在第一支臂与第二支臂的外端；
11、所述涵道固定件的一端安装在支臂上，所述涵道固定件的另一端为环形固定结构，所述环形固定结构用于箍住涵道扇，并与涵道扇固定连接。
12、优选地，所述第一支臂为中空的圆台状竖直金属件，通过螺栓固定安装在所述机舱外壳的外部，所述第一支臂的中空结构用于通过载荷生成单元的线缆；
13、所述第二支臂为中空的y型金属件，通过螺栓固定安装在所述机舱外壳的侧部，所述第二支臂的中空结构用于通过载荷生成单元的线缆。
14、优选地，所述陀螺力矩生成模块包括无刷减速电机与多根质量杆，多根质量杆沿周向设置，并沿无刷减速电机输出轴的径向延伸；
15、所述无刷减速电机安装在机舱外壳的内部，所述质量杆位于所述机舱外壳沿长度方向的一端。
16、优选地，所述陀螺力矩生成模块还包括y型三通连接件
17、所述质量杆为三根，三根质量杆分别连接y型三通连接件的三个接口，并通过y型三通连接件沿周向均匀安装在无刷减速电机的输出轴上。
18、优选地，所述气动载荷控制模块包括电调仓、电子调速器、散热片以及散热风扇；
19、所述电调仓安装在机舱外壳的内部，所述电子调速器与散热片均安装在电调仓内部，所述电子调速器与外部计算机连接，用于调整载荷生成单元生成的气动载荷大小；
20、所述散热片用于为电子调速器导出热量，所述散热风扇安装在电调仓上，所述机舱外壳上设置有与所述散热风扇对应的散热孔。
21、根据本专利技术提供的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置的试验方法，采用所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，包括如下步骤：
22、步骤1：调整质量杆上的配重，使陀螺力矩生成模块的转动惯量调节至预设目标值；
23、步骤2：陀螺力矩生成模块的无刷减速电机驱动所述质量杆旋转，直至质量杆的旋转速度达到预设速度；
24、步骤3：计算机开始进行相应工况数值模拟，得到每一时刻的实际风机机组受到的气动载荷，将载荷分解为两个垂直方向的力和力矩，采用傅汝德数相似缩尺后得到模型尺度对应力和力矩，并解算出两个方向的载荷生成单元需生成的气动载荷；
25、步骤4：计算机按照预设时间间隔向气动载荷控制模块发送指令，气动载荷控制模块中的电子调速器得到指令后实时调整涵道扇的转速；
26、步骤5：仿真模拟结束后，计算机向气动载荷控制模块和陀螺力矩生成模块同时发送结束指令，气动载荷控制模块控制载荷生成单元生成的气动载荷降低至0，无刷减速电机控制质量杆的转速降低至0。
27、优选地，以所述机舱的中点为原点，外壳的长度方向为x轴，机舱外壳的宽度方向为y轴，机舱外壳的高度方向为z轴，构建坐标系；
28、沿x轴方向的投影上，所述机舱外壳的正y方向、负y方向、正z方向、负z方向上分别设置有四个用于生成x向气动载荷的载荷生成单元，所述机舱外壳沿y向的两侧分别设置有两组用于生成y向气动载荷的载荷生成单元。
【技术保护点】
1.一种浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，包括机舱(1)与安装在所述机舱(1)上的气动载荷生成模块(2)、气动载荷控制模块(3)以及陀螺力矩生成模块(4)；
2.根据权利要求1所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述机舱(1)包括机舱外壳(100)，所述机舱外壳(100)为中空长方体件，所述机舱外壳(100)的底部固定安装在外部塔筒(5)上。
3.根据权利要求2所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述支臂包括第一支臂(201)与第二支臂(202)，所述第一支臂(201)与第二支臂(202)的外端均用于安装载荷生成单元(204)；
4.根据权利要求3所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述载荷生成单元(204)包括涵道扇，所述涵道扇通过涵道固定件安装在第一支臂(201)与第二支臂(202)的外端；
5.根据权利要求3所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述第一支臂(201)为中空的圆台状竖直金属件，通过螺栓固定安装在所述机舱外壳(100)的外部，所述第一支臂(
6.根据权利要求2所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述陀螺力矩生成模块(4)包括无刷减速电机(401)与多根质量杆(403)，多根质量杆(403)沿周向设置，并沿无刷减速电机(401)输出轴的径向延伸；
7.根据权利要求6所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述陀螺力矩生成模块(4)还包括y型三通连接件(402)
8.根据权利要求2所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述气动载荷控制模块(3)包括电调仓(301)、电子调速器(302)、散热片(303)以及散热风扇(304)；
9.一种浮式风机多自由度气动载荷模拟装置的试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置的试验方法，其特征在于，以所述机舱的中点为原点，外壳(100)的长度方向为X轴，机舱外壳(100)的宽度方向为Y轴，机舱外壳(100)的高度方向为Z轴，构建坐标系；
...【技术特征摘要】
1.一种浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，包括机舱(1)与安装在所述机舱(1)上的气动载荷生成模块(2)、气动载荷控制模块(3)以及陀螺力矩生成模块(4)；
2.根据权利要求1所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述机舱(1)包括机舱外壳(100)，所述机舱外壳(100)为中空长方体件，所述机舱外壳(100)的底部固定安装在外部塔筒(5)上。
3.根据权利要求2所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述支臂包括第一支臂(201)与第二支臂(202)，所述第一支臂(201)与第二支臂(202)的外端均用于安装载荷生成单元(204)；
4.根据权利要求3所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述载荷生成单元(204)包括涵道扇，所述涵道扇通过涵道固定件安装在第一支臂(201)与第二支臂(202)的外端；
5.根据权利要求3所述的浮式风机多自由度气动载荷模拟装置，其特征在于，所述第一支臂(201)为中空的圆台状竖直金属件，通过螺栓固定安装在所述机舱外壳(100)的外部，所述第一支臂(201)的中...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵永生，蔡炜锴，姚天成，王一品，赵远洋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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