CN117345550A - 一种小型水平轴风力机车载试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型水平轴风力机车载试验方法，具体包括以下步骤：S1.重要设备选取；S2.测试布置；S3.塔架坐标系及测点布置；S4.测试结果分析。本发明的方法通过搭建车载试验平台，对某300W小型水平轴风力机塔架不同高度处的振动加速度分量信号进行测量，结果表明：采用特定的车载振动测试设备能够准确测试出小型风电机组塔架的振动特性，方案可行；塔架的主要振动形式是低频振动，自然风载下由气动载荷所引起的塔顶轴向振动和塔中侧向振动响应显著；塔顶竖向和侧向的振动响应与风速和高度均有关，研究结果对于指导塔架和整机的安全稳定性设计以及风力机的低频振动状态监测和运行可靠性提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及风电机技术领域，具体为一种小型水平轴风力机车载试验方法。
背景技术
风力发电机组是通过风轮吸收风能，最终将机械能转化为电能的装置。中小型风力发电机的发展将经历3个方面：1)风轮气动性能的提升与优化：翼型的开发、选型与组合，及风轮或叶片设计方法的改进与优化；2)风力机功率输出的平稳性、***运行的稳定性和安全性方面的研究；3)降噪及追求风轮外形美方面的研究。中小型风力机运行在较小的雷诺数条件下，这一客观条件制约了风力机气动性能的提高。相比之下，问题2目前更受业界的关注，也显得更加迫切。在相关基础研究方面也更为困难。
自然界的风不仅大小时刻在变，而且风向也在不断变化。风力机极易处在偏航、风切变、飓风、台风等大气紊流极端工况下工作。在此环境下，小型风力机调速***研究，本质上已经涉及到了典型流固耦合问题，是较新的交叉学科问题。实验方面，传统实验测试方案采用风洞作为主要测试平台，但受到如：风洞尺寸的限制、风场测试中入流条件不可控性、测点的布置存在困难等问题。风洞实验的方法在远尾流测试上还是存在一些局限性。
因此，有必要提供一种小型水平轴风力机车载试验方法来探究小型风力机塔架的振动规律，来解决上述提出的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种小型水平轴风力机车载试验方法，解决了现有的方法传统实验测试方案具有一定局限性的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种小型水平轴风力机车载试验方法，具体包括以下步骤：
S1.重要设备选取
测试用300W小型风力机，数据采集设备采用DH5902N坚固型数据采集分析***，尺寸为290×150×206mm，重量8.2kg；
S2.测试布置
建立车载测试平台，300W小型风力机牢固固定在皮卡车底部，试验路段选取为一段新修的笔直柏油路，全长约10km，路面平整无障碍，可保证载有风力机及全套测试设备的皮卡车在不同车速时可以平稳行驶，以测试塔架的振动特性，分别在塔架的底部、中部和顶部布置振动加速度传感器，并与DH5902N数据采集模块的8个通道连接，进行塔架不同高度处振动加速度数据的采集，同时，配合该小型风力机的功率测试***进行实时功率测量，待机组的输出功率稳定时测定塔架各监测位置的特动特性；
S3.塔架坐标系及测点布置
建立塔架底部固定坐标系O-xyz，原点O位于塔架底面几何中心，取来流方向为正z方向，垂直地面向上为正x方向，垂直xz平面向外为正y方向，为获得塔架不同高度处的实际振动加速度参数，沿塔架高度方向自下而上共布置3个测点，在各测点下风向分别对应粘贴1#、3#、2#传感器进行塔底、塔中、塔顶位置振动加速度信号的测量，因考虑到塔底基础阻尼的影响以及塔顶大挠度变形等因素，在塔底和塔顶处分别布置1个三维加速度传感器，塔中位置由于只承受来流风载荷的作用，故只布置了1个二维加速度传感器。
优选的，上述DH5902N坚固型数据采集分析***的频率循环范围设置为5Hz～55Hz～5Hz，驱动振幅(峰值)设置为0.19mm，扫频速率设置为小于或等于1倍频程/min，在共振点上保持时间设置为20min，振动方向设置为x、y、z。
优选的，上述步骤S3中3个传感器与DH5902N数据采集***相连，采集仪的AI101～AI103 3个通道与1#传感器连接，对应测量塔底x、y、z三个方向的振动加速度信号，AI104～AI106 3个通道与2#传感器相连，对应测试塔顶x、y、z三个方向振动加速度信号，AI107～AI108 2个通道与3#传感器相连，对应测量塔架中部x、y两个方向的振动加速度信号。
优选的，上述风力机功率特性分析为功率测试配合塔架振动测试同时进行，共3组试验，分别对应以下3种工况：
工况1：稳定车速50km/h，平均风速约12m/s，测试时长28s；
工况2：稳定车速60km/h，平均风速14m/s，测试时长32s；
工况3：稳定车速70km/h，平均风速16m/s，测试时长43s。
上述小型水平轴风力机车载试验方法还包括结果测试和分析阶段，包括基于实验方法的数据记录和分析，数据分析包括风力机功率特性分析和塔架振动特性分析。
进一步地，上述塔架振动特性分析包括振动加速度时域分析和振动加速度频谱分析；具体的：振动加速度时域分析为测量3种工况下塔架不同高度处的振动加速度分量，获取所测的振动加速度时域分布图；振动加速度频谱分析为对所测时域信号进行傅里叶变换，获取3种工况下塔架不同位置处振动加速度分量的频域分布图。
本发明针对300W小型风电机组的刚性塔架开展车载振动测试，主要围绕小型风力发电机组的塔架振动问题，通过车载试验，采用以东华DH5902N坚固型振动测试设备为核心的动态振动加速度采集***，对旋转激励下的300W小型风力机塔架进行振动加速度测试，探究小型风力机塔架的振动规律。
(三)有益效果
本发明一种小型水平轴风力机车载试验方法具备以下有益效果：
1、本发明提出车载测试平台测试方法和硬件的整体设计方案，为获得车载测试平台下的重力调速机构各项待测参数，采用模拟量数值转换方法，利用模拟量输入转换模块，将风速传感器、角位移传感器、三项仪表(转速传感器)、电压传感器、电流传感器的模拟量数据，通过数据采集程序转换成数字量信号并传送到上位机进行监控和数据采集，设计了车载测试平台的整体搭建方案，将风力机重力调速***、平台供电***、数据采集***整合成一体，移动设计集中封装。
2、本发明车载测试平台程序部分的编写，基于Visual-Basic6.0软件，编写对变送器和传感器的输出值进行处理和分析的程序；基于GE-PAC***，实现对变送器和传感器测试数据的控制，调试并校正角位移传感器的测试准确性，参数可实时反馈并校正。
3、本发明设计制作了可以改变主要结构参数的风力机重力调速机构和实现参数同步实时采集的车载实验性能测试平台，多参数可调重力调速机构的设计，为后期的参数优化提供了实验基础，解决了一直以来仅仅停留在理论分析层面而无法通过实验很好地解决机构主要特征参数准确数量关系的问题，测试平台的搭建可以自动实时地将风速信号、电压、电流、功率、风轮转速及偏航角度参数同步采集并记录，实现了数据的自动整理、分析与统计，避免了传统的车载实验因功率、电流及电压关键实验数据与实际风工况不同步，导致车载实验测试数据失真、实验误差较大的情况发生。
附图说明
图1为本发明DH5902N数据采集***的设备示意图；
图2为本发明的测试现场及传感器布置示意图；
图3为本发明的3种工况下风力机等的实际运行参数示意图；
图4为本发明的塔架不同高度处振动加速度分量时域分布示意图；
图5为本发明的塔架不同高度处振动加速度分量时域分布示意图；
图6为本发明的塔架不同位置振动加速度分量时域分布示意图；
图7为本发明的塔架不同位置振动加速度分量频谱图；
图8为本发明的塔架不同位置振动加速度分量频谱图；
图9为本发明的塔架不同位置振动加速度分量频谱图；
图10为本发明试验风力机主要设计参数的表图；
图11为本发明塔架不同高度处振动加速度分量时域谱范围及宽度的表图；
图12为本发明塔架不同高度处振动加速度分量峰值的表图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-2所示，本发明实施例提供一种小型水平轴风力机车载试验方法，具体包括以下步骤：
S1.重要设备选取
测试用300W小型风力机的参数见图10所示。数据采集设备采用东华DH5902N坚固型数据采集分析***，尺寸为290×150×206mm，重量8.2kg。该***专为车载、机载、舰载等各种恶劣环境的数据采集设计，内置工业级控制计算机和电子硬盘，可在强振、高低温、高湿等极限环境下完成测试和长时间监测工作，适用于GB/T 6587-2012Ⅲ组恶劣环境的信号采集，具备100g/(4±1)ms抗冲击、-20℃～+60℃工作温度范围、IP65防护等级，可在强振、高低温、高湿等极限环境下进行测试和监测工作，能满足无人监守并能长时间不间断记录数据等苛刻要求，可用于车载、机载、舰载等特殊试验场合的振动及性能测试。其测试功能如下：
(1)频率循环范围：5Hz～55Hz～5Hz；
(2)驱动振幅(峰值)：0.19mm；
(3)扫频速率：小于或等于1倍频程/min；
(4)在共振点上保持时间：20min；
(5)振动方向：x、y、z。
试验设备如图1和图10所示；
S2.测试布置
车载测试平台如图2中(a)图所示，将300W小型风力机牢固固定在皮卡车底部，试验路段为一段新修的笔直柏油路，全长约10km，路面平整无障碍，可保证载有风力机及全套测试设备的皮卡车在不同车速时可以平稳行驶，以测试塔架的振动特性。分别在塔架的底部、中部和顶部布置振动加速度传感器，并与DH5902N数据采集模块的8个通道连接，进行塔架不同高度处振动加速度数据的采集。同时，配合该小型风力机的功率测试***进行实时功率测量，待机组的输出功率稳定时测定塔架各监测位置的特动特性；
S3.塔架坐标系及测点布置
如图2b)所示，建立塔架底部固定坐标系O-xyz，原点O位于塔架底面几何中心，取来流方向为正z方向，垂直地面向上为正x方向，垂直xz平面向外为正y方向；
为获得塔架不同高度处的实际振动加速度参数，沿塔架高度方向自下而上共布置3个测点，在各测点下风向分别对应粘贴1#、3#、2#传感器进行塔底、塔中、塔顶位置振动加速度信号的测量。因考虑到塔底基础阻尼的影响以及塔顶大挠度变形等因素，在塔底和塔顶处分别布置1个三维加速度传感器，塔中位置由于只承受来流风载荷的作用，故只布置了1个二维加速度传感器。
3个传感器与DH5902N数据采集***相连，采集仪的AI101～AI103 3个通道与1#传感器连接，对应测量塔底x、y、z三个方向的振动加速度信号；AI104～AI106 3个通道与2#传感器相连，对应测试塔顶x、y、z三个方向振动加速度信号，AI107～AI108 2个通道与3#传感器相连，对应测量塔架中部x、y两个方向的振动加速度信号。测试过程和传感器布置位置如图2所示。
实施例2：
如图3-12所示，本发明实施例提供一种小型水平轴风力机车载试验方法的结果测试和分析，包括基于实验方法的数据记录和分析，数据分析包括风力机功率特性分析和塔架振动特性分析。塔架振动特性分析包括振动加速度时域分析和振动加速度频谱分析，具体步骤如下：
风力机功率特性分析
功率测试配合塔架振动测试同时进行，共3组试验，分别对应以下3种工况：
工况1：稳定车速50km/h，平均风速约12m/s，测试时长28s；
工况2：稳定车速60km/h，平均风速14m/s，测试时长32s；
工况3：稳定车速70km/h，平均风速16m/s，测试时长43s；
3种运行工况下风力机运行的实际风速、偏航角度、风轮转速以及输出功率分别如下图3所示。
图3可以看出，在3种工况下，风力机运行过程比较平稳，基本可以达到稳定风速12m/s、14m/s、16m/s，稳定风轮转速860r/min、960r/min、1020r/min，稳定偏航角度50°、60°、63°，稳定输出功率152W、170W、175W。这为在此基础上开展塔架振动测试试验的准确性提供了必要条件。
振动加速度时域分析
鉴于风力机在3种工况下均可稳定运行，在此基础上进一步测量了3种工况下塔架不同高度处的振动加速度分量。所测的振动加速度时域分布如图4、图5和图6所示。
图4～6可以看出，在3种工况下，通过车载试验能够准确获得风力机塔架不同高度处的实时振动加速度分量时域谱。
对比发现，图5、6中，除了(d)、(e)外，图(a)～(c)、(f)～(h)的振动加速度分量时域图分别在t＝13.75s、18.75s附近有一个较明显的加速度突变，而图4中无此突变。这是因为在测试过程中载有试验风力机的卡车在行进时路面有一处减速带所致。并且对比图4～6可发现此减速带只对塔底和塔顶的振动加速度分量有影响，而对塔中的振动加速度并无影响。这是因为塔架本身具有1.7m的高度，且为刚性塔架，塔中3#传感器距离塔底0.7m，距轮毂中心1.0m，因此受到减速带的影响不明显，而塔底1#传感器和塔顶2#传感器由于还分别受基础阻尼和气动载荷的影响，对减速带的影响更敏感。
为量化研究车载试验中塔架不同高度处的振动特性，将3种工况所测的振动加速度分量时域谱的范围进行分析，如图11所示。对比3种工况下塔架不同位置处振动加速度分量时域谱的宽度，可以发现：
从工况1到工况3，随风速增大，仅塔顶2#传感器所测x、y、z方向加速度时域谱的宽度逐渐增大，塔底1#传感器和塔中3#传感器并无此规律，表明塔顶振动显著，这是因为塔顶所受气动载荷影响较大，表明塔顶振动主要由气动载荷引起。
同一工况下，即风速不变时，塔底1#传感器所测x、y、z方向加速度时域谱的宽度最小，且从塔底到塔中到塔顶，各方向加速度分量时域谱的宽度均逐渐增大，这是因为在塔底施加固定约束，存在振动阻尼，这与塔架弯振模态的规律一致。
同一位置处，塔底1#传感器，y方向的加速度时域谱的宽度仅在工况1时大于x方向，其余两种工况均相等；塔中3#传感器，3种工况下，x方向的加速度时域谱的宽度均小于y方向；塔顶2#传感器，3种工况下，x方向的加速度时域谱的宽度均大于y方向，且z方向的加速度时域谱的宽度均最大。表明随塔架高度增大和风速增大，塔顶z方向的振动响应最明显，而x、y方向的振动响应与风速和高度均有关。
振动加速度频谱分析
为更进一步从振动频率的角度分析塔架的振动特性，对所测时域信号进行傅里叶变换，得到3种工况下塔架不同位置处振动加速度分量的频域分布，如图7、图8和图9所示。
图7～9中，根据塔架不同高度处振动加速度分量频谱图，定义0～2kHz为低频部分，2～4kHz为中频部分，4～5kHz为高频部分。可以看出，3种工况(v＝12、14、16m/s)下，从塔底到塔中到塔顶，300W小型风力机塔架不同高度处各方向比较明显的振动加速度分量幅值均位于低频部分(f<2kHz)，且各幅值的峰值(图中max)也都出现在低频阶段；中高频部分(f>2kHz)各方向振动加速度分量的幅值均很小，表明塔架的主要振动形式是低频振动。
另外，观察发现，3种工况下，塔中3#传感器的y方向及塔顶2#传感器的z方向(图7～9中(e)、(h))在频谱图的中高频部分(f>2kHz)均存在高频振动分量，分别出现在3～4.75kHz频段和4～4.5kHz频段，表明塔中的侧向振动及塔顶的轴向振动特性不可忽略。分析其原因，对于塔顶2#传感器的z向的高频振动，是因为z向的气动载荷作用所引起的轴向风致振动占主导作用，对于塔中3#传感器的y向高频振动，是因为其特殊位置，塔底处施加了固定约束，塔顶又因为z向的气动载荷作用引起的轴向风致振动占主导，因偏航引而起的侧向振动只有在塔架中部才能体现出来。
对比塔架不同高度处各向振动加速度分量峰值的大小，如图12所示。
对比图12中3种工况下的振动加速度分量发现，工况3时，塔顶(2#)x、y、z方向振动加速度分量的峰值达到最大值，分别为0.183、0.119、0.262m/s2，均明显大于另外两种工况下塔中(3#)和塔底(1#)的峰值，表明相比塔底和塔中，塔顶的振动最剧烈。
对比同一方向的振动加速度信号，发现：3种工况下，从塔底到塔中再到塔顶，x方向在f＝0.8kHz左右均有明显的振动加速度幅值(见图7～9中(a)、(d)、(f))，y方向在f＝0.6kHz左右均有明显的振动加速度幅值(见图7～9中(b)、(e)、(g))，z方向在f＝0.1、0.8、1.0kHz左右均有明显的振动加速度幅值(见图7～9中(c)、(h))；推断其原因是这几个频率值接近塔架3个方向的固有频率分量。
结论
本发明车载试验对某300W小型风力机的塔架进行振动特性测试，对不同风速下塔架不同高度处的振动加速度分量进行时域和频域分析，得出如下结论：
(1)塔架的主要振动形式是低频振动。
(2)在自然风载下，塔顶的振动响应最显著，且塔顶振动主要由气动载荷引起。
(3)塔中的侧向振动及塔顶的轴向振动特性明显，不可忽略。
(4)随塔架高度增大和风速的增大，塔顶轴向(z向)的振动响应最为明显，而竖向和侧向(x、y向)的振动响应与风速和高度均有关。
(5)测试风速最大时，塔顶3个方向振动加速度分量的峰值最大，分别达到0.183、0.119、0.262m/s2，均明显大于另外两种低测试风速下塔中和塔底的峰值，进一步证明相比塔底和塔中，塔顶的振动最剧烈。
(6)通过车载试验方法测试风力机塔架的振动特性取得了良好的试验效果，验证了风力机车载试验的可行性，为今后小型风力机的振动测试奠定了基础，也对保证塔架的安全稳定设计，以及风力机的低频振动状态监测和可靠运行提供了参考依据。
本发明基于振动原理实现的数据分析，具体为：
振动原理
塔架作为整个风电机组的支撑部件，除受到风轮、机舱以及塔架自身重力影响外，还受到风轮对塔架作用力、塔架风阻力及基础阻尼等综合力系的影响。由于风轮、机舱、塔架及基础的耦合结构引起塔架顶端应力大、底端转动惯量大。塔架受到各方面作用力综合作用时，其形变和振动对风电机组稳定运行至关重要，因此分析塔架振型和固有频率是采取控制措施的重要前提。
塔架振动数学模型
实际中，塔架质量大约占风电机组总质量的一半，与高度呈现强相关性。固有频率是决定塔架性质和影响本身振动的重要因素，因此在研究塔架振动及固有频率时塔架质量不可忽视。塔架的固有频率为：
式中，f为塔架固有频率；E为塔架材料的弹性模量；I为塔架截面的惯性矩；m1为风轮和机舱等效的质量块质量；L为轮毂中心距地面高度；ms为塔架质量。
塔架振动因素和主要类型
任何物体振动都与振动能量有关，风电机组振动主要由风载荷提供能量。当载荷作用于风轮和塔架机舱等部件时，产生风轮推力，叶片挥舞及摆振、塔架表面推力等激振力。不考虑柔性塔架阻尼时，激振力和塔架振动关系为：
式中ms、ks依次为塔架质量、刚度；x(t)为塔架振动位移；F0为外部激振力；ω为激励角频率。由式(2-2)
式中，ω0为塔架固有角频率。
当激振力角频率ω和塔架的固有角频率ω0相等时，塔架振动位移无限大，这种现象称为风电机组的共振。激振力和塔架振动位移成正比关系，当激振力频率不变时，塔架振动位移随激振力增大而增大。因此，激振力频率和塔架固有频率重叠是造成塔架共振的关键因素，同时又不能忽视激振力幅值大小的影响。
Claims (8)
1.一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.重要设备选取
重要设备选择测试用小型风力机和数据采集设备；
S2.测试布置
建立车载测试平台，将小型风力机牢固固定在皮卡车底部，试验路段选取为一段新修的笔直柏油路，分别在塔架的底部、中部和顶部布置振动加速度传感器，并与数据采集模块的通道连接，进行塔架不同高度处振动加速度数据的采集；
S3.塔架坐标系及测点布置
建立塔架底部固定坐标系O-xyz，原点O位于塔架底面几何中心，取来流方向为正z方向，垂直地面向上为正x方向，垂直xz平面向外为正y方向。
2.根据权利要求1所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述数据采集分析***的频率循环范围设置为5Hz～55Hz～5Hz，驱动振幅设置为0.19mm，扫频速率设置为小于或等于1倍频程/min，在共振点上保持时间设置为20min，振动方向设置为x、y、z。
3.根据权利要求1所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述步骤S1.重要设备选取中数据采集设备中的数据采集***与传感器相连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述风力机功率特性分析为功率测试配合塔架振动测试同时进行，并进行3组试验，分别对应3种工况：
工况1：稳定车速50km/h，平均风速约12m/s，测试时长28s；
工况2：稳定车速60km/h，平均风速14m/s，测试时长32s；
工况3：稳定车速70km/h，平均风速16m/s，测试时长43s。
5.根据权利要求1所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述试验方法还包括结果测试和分析阶段，其包括基于实验方法的数据记录和分析，数据分析包括风力机功率特性分析和塔架振动特性分析。
6.根据权利要求5所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述塔架振动特性分析包括振动加速度时域分析和振动加速度频谱分析。
7.根据权利要求6所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述振动加速度时域分析为测量3种工况下塔架不同高度处的振动加速度分量，获取所测的振动加速度时域分布图。
8.根据权利要求6所述的一种小型水平轴风力机车载试验方法，其特征在于：所述振动加速度频谱分析为对所测时域信号进行傅里叶变换，获取3种工况下塔架不同位置处振动加速度分量的频域分布图。
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