漂浮式垂直轴风机水池试验模型设计_丁时空.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 014漂浮式垂直轴风机水池试验模型设计丁时空1，2，程正顺1，2，江莹莹1，2，潘艳桥3，肖龙飞1，2(1 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240;2 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚 570240;3 武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081)摘要:为开展漂浮式垂直轴风机水池缩尺模型试验，以自主设计的 5MW 漂浮式垂直轴风机为原型，在满足几何相似、质量相似和傅汝德相似的基础上，设计并制作了一套缩尺比为 150 的浮式垂直轴风机缩尺试验模型，包括叶片、横撑、塔架、风机驱动装置等。模型叶片设计基于风机气动性能相似，以考虑不同雷诺数条件下原始翼型的气动性能差异;风机驱动装置固定在塔底并与平台上部相连，能驱动风机转子以目标转速平稳运行。此外，该试验模型搭载了六分力传感器、光纤光栅传感器等测量设备，并通过引入滑环装置，解决了传感器线缆在旋转时与底部固定结构的运动干扰问题，实现了旋转模型塔底及叶片、横撑上的载荷测量，可为漂浮式垂直轴风机缩尺模型试验的开展提供参考。关键词:浮式垂直轴风机;水池模型试验;模型设计;载荷测量;驱动装置中图分类号:TV 131 63文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0068 06收稿日期:2022-04-16基金项目:国家自然科学基金项目(42176210，52031006);三亚崖州湾科技城管理局 2020 年度科技计划项目(SKJC-2020-01-005)作者简介:丁时空(1998 )，男，辽宁盘锦人，硕士生，主要研究方向为海上浮式风机技术。通信作者:程正顺(1987 )，男，湖北武汉人，副教授，博士生导师，主要研究方向为海上风机技术、海洋结构物动力耦合与安全分析。E-mail:zhengshun cheng sjtu edu cnModel Design of Floating Vertical Axis Wind Turbinefor Tests in Wave BasinDING Shikong1，2，CHENG Zhengshun1，2，JIANG Yingying1，2，PAN Yanqiao3，XIAO Longfei1，2(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2 SJTU Sanya Yazhou Bay Institute of Deepsea Science and Technology，Sanya 570240，Hainan，China;3 School of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)Abstract:In order to carry out the scaled model test of the floating vertical axis wind turbines(VAWTs)in wavebasins，this paper presents design of a scaled model of VAWT with a ratio of 150 based on the self-designed 5 MWfloating VAWT This scaled model，including blades，struts，tower，driving device，etc is designed on the basis ofgeometric similarity，mass similarity and Froude similarity Model-scaled blades are redesigned based on the similarity ofthe aerodynamic performance of the turbine to take into account the difference in the aerodynamic characteristics of theairfoil under different eynolds number conditions The turbine driving device is fixed at the bottom of the tower andconnected with the upper part of the platform，which can drive the rotor to run smoothly at the target speed The scaledmodel is equipped with a six-component force sensor，fiber grating sensor，and other measurement equipment Byintroducing a slip ring device，the problem of motion interference between the sensor cable and the fixed structure at thebottom during turbine rotation is solved The model developed can realize the strain measurement on rotating blades andstruts and provide an important reference for the development of the scaled model test of the floating VAWTKey words:floating vertical axis wind turbine;wave basin model test;model design;load measurement;driving device第 12 期丁时空，等:漂浮式垂直轴风机水池试验模型设计0引言在环境保护及化石资源日益枯竭的今天，发展可再生能源成为大势所趋。海上风电作为清洁能源发展的新方向之一，已成为世界各国关注的焦点1。海上浮式风力发电机的概念最早由 Heronemus2 提出，并于 21 世纪得到飞速发展。风力发电机可以按照主轴的方向分为水平轴风机和垂直轴风机。目前，水平轴风机因具有较高的风能转换效率，在漂浮式风机市场中占据了主导地位，相关数值仿真及模型试验研究也大多针对水平轴风机展开3。然而，随着单机装机容量的不断增大，水平轴风机叶片自重带来的高应力负荷等问题日益凸显。浮式垂直轴风机因具有整体重心低、易于维护、无需对风装置、噪声小等优点，日益受到国内外学者的关注和青睐4。漂浮式风机模型试验具有成本相对较低、环境载荷易于模拟控制、数据准确性较高等优点，是浮式风机设计、研发与校核的重要手段之一5。近年来，越来越多的国内外学者采用模型试验技术对垂直轴风机的性能进行研究和探索。Jiang 等6 设计了一种由两个反向旋转转子和导流板组成的新型垂直轴风机系统，并在风洞中进行性能测试，发现导流板对双转子风机的功率输出有显著影响。olland 等7 设计了一个直径为 1 6 m 的垂直轴风机模型，并在符合工业标准的模型风洞中进行了 60 多次测试，试验结果与仿真结果具有显著的一致性，验证了该新型垂直轴风机 CFD 数值模拟结果的准确性。Chong 等8 对带有全方位导向叶片(ODGV)的新型垂直轴风机开展风洞模型试验，结果表明，ODGV 可以提高风机叶片的输出扭矩，降低风机切入速度，从而提高垂直轴风机的输出功率。Battisti 等9 以 Deep Wind 新型浮式垂直轴风机为原型，设计了一套缩比试验模型，并在风洞中进行了模型试验，测量了直立和倾斜 15状态下模型风机的气动功率和推力，绘制了转子尾流速度分布图，分析了模型风机的性能并量化了风机倾斜对其气动性能的影响。上述模型试验研究均在风洞中展开，重点关注垂直轴风机的气动性能及功率特性。此外，水池模型试验也是验证浮式垂直轴风机系统设计的重要手段之一。刘利琴等10 开展了缩尺比为 150 的浮式垂直轴风机缩尺模型试验，测量了自由衰减以及在额定转速和定常风作用下风机系统的运动响应，获取了风机系统在水中运动的固有周期及系统垂荡、纵摇和纵荡响应的 AO 曲线，分析了该浮式垂直轴风机的运动响应特点。当前，浮式垂直轴风机的模型试验研究仍然较少，相关模型试验大多在风洞中进行，尚未形成一套完整的浮式垂直轴风机水池模型试验技术体系。本文以自主设计的 5 MW 浮式垂直轴风机为原型，根据几何相似、质量相似、傅汝德相似以及气动性能相似，按照150的缩尺比，设计并研制了一套用于水池模型试验的垂直轴风机模型试验装置，可实现不同风浪条件下旋转风机塔底以及叶片、横撑处的受载情况测量，可为漂浮式垂直轴风机水池模型试验提供参考。1模型相似理论为准确反映原型风机在各种载况下的动力响应，模型风机的设计需要遵循一定的相似准则，包括几何相似、运动相似和动力相似11。几何相似和运动相似体现了模型尺度下空间与时间的缩比关系;动力相似是指模型与原型之间同名载荷的占比相同，包括重力相似、黏性力相似等，通过各类载荷所对应的流体力学无量纲数相等实现12。海洋工程结构物通常受到多种载荷作用，同时满足所有类型的动力相似难以实现13。因此，在实际模型设计中，通常需要根据试验对象选择合适的动力相似准则，使占主导作用的载荷满足动力相似。浮式垂直轴风机主要受到水动力载荷和空气动力载荷的联合作用，其水池模型试验应满足惯性力相似和黏性力相似。傅汝德(Froude)数是有效表征水动力问题中惯性力的流体力学无量纲数，其定义为Fr=C/gL(1)式中:C 为特征速度;L 为特征长度;g 为重力加速度。有效表征风轮气动问题中流体流动情况的无量纲数为雷诺(eynolds)数，其定义为e=LV/v(2)式中:V 为特征速度;为流体运动黏滞系数。在漂浮式风机水池模型试验中，傅汝德相似和雷诺相似无法同时满足。由于傅汝德相似能够表征除风轮空气动力学以外的所有本质关系，将直接影响浮式结构物的水动力响应，进而影响整个模型试验数据的可靠性。因此，水池模型设计主要采用傅汝德相似，这会造成风机模型与原型的雷诺数存在量级上的差异，导致模型尺度下几何缩尺翼型的空气动力学特性发生显著恶化14。为解决这一问题，本次模型试验选取了在低雷诺数下具有良好气动性能的翼型，基于风机气动性能相似设计了推力相似叶片，实现了原型风机缩尺后叶片气动载荷的模拟。此外，模型风机还需要满足运动相似，体现为模型与实际风机的叶尖速比(TS)相同。叶尖速比的定义为TS=/u(3)式中:为风轮转速;为风轮半径;u 为风速。TS体现了风轮转速与来流风速间的大小关系，直接关系96第 41 卷到叶片的攻角15。为便于查看，现将本次模型试验所涉及物理量的缩比关系整理至表 1 中。其中，为模型与实物尺度的比值，即缩尺比。本次模型试验的缩尺比为 150。表 1试验模型各物理量缩尺比因数物理量量纲缩尺因数(模型/原型)长度L面积L22体积L33质量M3周期T0 5频率T10 5速度LT10 5加速度LT21力MLT23力矩ML2T24功率ML2T33 5惯性矩L552风机模型设计本文针对自主设计的 5 MW 浮式垂直轴风机开展缩尺模型设计，以在海洋工程水池中开展模型试验。原型风机的参考尺寸如下:风轮半径 39