一种置于风力机导流罩前端的风速风向测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种置于风力机导流罩前端的风速风向测量装置。


背景技术：

2.目前风力机上使用的风速风向测量主要通过在桨叶后方的机舱罩上，安装接触式风速风向测量装置，此类装置通过测量当地的风速风向后并经修正后，作为来流的风速风向，但是由于空气经过风力机叶片后流动发生了变化，所以获得风速风向往往存在较大的误差。而非接触式风速风向测量设备可以放置在任意位置并准确的获得的风力机前方来流的风速风向，但是该类设备费用昂贵，并不适用于风场的大面积安装。目前主要的高精度接触式流速流向测量技术有热线测速技术与七孔探针测速技术。
3.热线测速技术是一种非常成熟的测量流体速度与方向的技术，利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速，风速的变化会使金属丝的温度产生变化，从而产生电信号而获得风速。这种技术仅能获得测量点当地的风速，因此无法测量获得风力机前方的来流，且该方法无法直接获得来流的风向。脉冲热线是一种通过测量流体微团，经过两点时而获得气流速度分量的热线流速测量技术。脉冲热线与普通热线相比，具有识别流速方向的能力，其工作原理是通过测量流体微团流过两点的时间，而获得瞬时速度(u＝h/t)。测量探针由三根很细钨丝(几微米)组成。其中，空间速度探针的前后两根传感接收丝互相平行，中间脉冲发射丝与传感丝垂直；在测量速度时，脉冲电流通过发射丝，瞬时加热该丝周围的流体，形成流体热微团，该微团随当地的瞬时速度移动而到达某一接收丝，引起该接收丝的瞬时电阻变化，经过电桥转换成电阻信号，经过放大、滤波、干扰抑制及微分处理，由比较器判读出飞行时间，送到微机进行数据处理，从而得到垂直于三根丝的瞬时速度分量。流动方向可由哪根接收丝感受到热流团而判别。
4.七孔探针是一种多孔探针，其利用多孔测量技术，通过各种压力值的相互关系，可以得到流场中三维速度信息、压力信息以及涡量信息。在可以忽略接触式测量对流场的干扰的场合时，七孔探针往往首选用来测量速度、压力等。在钝体尾流场的测量中，由于流动的复杂性，气流有较大的偏角。尽管五孔探针、三维热线也可以测量尾流场局部点的三维速度分量，但都不能测量大于45
°
流动角的气流(气流相对于探头轴线)。而七孔探针可测量气流偏角为78
°
的大偏角流动，测试精度为1％，并且可以得到空间流场某点的总压、静压。
5.以上两种气流测速侧向方法，均无法直接安装到风力机前部的轮毂上测量风速风向。热线测速技术仅能测量当地风速，由于来流受到风力机影响，在热线测速仪附近流动受到干扰后风速较来流风速会产生较大的改变，故测量获得的风速存在较大的误差。七孔探针虽然可以通过测量总压后，根据当地静压计算出风速风向，但是由于轮毂在转动，原有的七孔探针算法无法正常使用，需要发展新的算法，另外七孔探针的加工精度非常高且相关的测压设备费用昂贵，且无法满足风力机风场上长时间与相关环境条件的工作要求。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本实用新型提供一种低成本的而且测量数据精确的风速风向测量装置。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：一种置于风力机导流罩前端的风速风向测量装置，包括：l形的水平旋转轴，所述水平旋转轴的一端与第一安装筒的一端连接，所述第一安装筒的另一端与垂直旋转轴转动连接，所述垂直旋转轴固定在翼形腔的上表面，所述水平旋转轴的另一端设置有导流罩，所述导流罩与所述水平旋转轴转动连接；所述水平旋转轴内设置有角度传感器；所述水平旋转轴的外表面安装有温度传感器和静压传感器；所述水平旋转轴内设置有用于测量总压的总压管。
8.优选的，具体的风速由以下公式(1)计算得出
[0009][0010]
式中，v为风速，p
t
为总压，p
s
为静压，ρ为空气密度。
[0011]
优选的，公式(1)中的空气密度ρ由公式(2)计算得出
[0012][0013]
式中，ρ为空气密度，p
s
为静压，r为摩尔气体常数，t为空气温度。
[0014]
优选的，所述第一安装筒与所述垂直旋转轴之间设置有第一轴承，第一安装筒与所述垂直旋转轴之间通过所述第一轴承转动连接。
[0015]
优选的，所述导流罩固定在第二安装筒上，所述第二安装筒通过第二轴承与所述水平旋转轴的外表面连接。
[0016]
优选的，所述第一安装筒与所述水平旋转轴之间设置有角度传感器安装板，所述角度传感器固定在所述角度传感器安装板上。
[0017]
优选的，所述总压管通过软管与控制柜连接，所述角度传感器、温度传感器以及静压传感器分别通过电缆与控制柜连接。
[0018]
优选的，所述翼形腔上连接有尾舵。
[0019]
本实用新型相对于现有技术的有益效果是：本实用新型通过将测量装置安装在风力机桨叶前端的导流罩上，通过测量总压可以准确的测量风力机前方未受扰动的风速，另外，通过基于空气动力学设计的风向调节装置可以准确的实现对风，并获得来流风向，同时本实用新型技术成本远远低于现有的其他技术例如七孔探针等。
附图说明
[0020]
图1和图2是本实用新型的整体结构图；
[0021]
图3是图1中a处的局部放大图；
[0022]
图4和图5是本实用新型一实施例中的实验数据图；
[0023]
图中，1
‑
水平旋转轴；20
‑
第一轴承；21
‑
第一安装筒；30
‑
第二轴承；31
‑
第二安装筒；32
‑
导流罩；4
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垂直旋转轴；51
‑
翼形腔；52
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尾舵；61
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角度传感器安装板；62
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角度传感器；71
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温度传感器；72
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静压传感器；73
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总压管；8
‑
控制柜。
具体实施方式
[0024]
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，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0025]
如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
[0026]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0027]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
[0028]
参照图1
‑
3，本实施例提供一种置于风力机导流罩前端的风速风向测量装置，该装置包括l形的水平旋转轴1，水平旋转轴1的一端与第一安装筒21的一端连接，另一端通过第二轴承30与第二安装筒31连接，第二安装筒31能够围绕所述水平旋转轴1转动，在第二安装筒31上固定连接有导流罩32，这样导流罩32就能够跟随第二安装筒31围绕水平旋转轴1转动。
[0029]
进一步的，第一安装筒21的另一端与垂直旋转轴4转动连接，垂直旋转轴4固定在翼形腔51的上表面，在翼形腔51上连接有尾舵52，第一安装筒21与垂直旋转轴4之间设置有第一轴承20，这样第一安装筒21与能够围绕垂直旋转轴4旋转，进而带动水平旋转轴1在水平方向上旋转。
[0030]
进一步的，在第一安装筒21与水平旋转轴1之间设置有角度传感器安装板61，角度传感器安装板61上固定有角度传感器62，通过角度传感器62能够测量水平旋转轴1与风向之间的夹角。
[0031]
另外，在水平旋转轴1的外表面安装有温度传感器71和静压传感器72，温度传感器71用来测量空气温度，静压传感器72用来测量当前位置的空气静压。在水平旋转轴1内设置有用于测量当前空气总压的总压管73。总压管72通过软管74与控制柜连接，角度传感器62、温度传感器71以及静压传感器72分别通过电缆与控制柜8连接。
[0032]
通过将水平旋转轴1固定在第一安装筒21上，第二安装筒21通过轴承与固定在翼形腔51上的垂直旋转轴4连接，可将测风装置安装在风力机导流罩32的前端，且使测风装置不随风力机的导流罩32转动而运动。尾舵52和翼型腔51主要提供使测风装置正对来流的气动力与力矩，并通过垂直旋转轴4带动翼型腔内角度传感器62获得风向与水平旋转轴1相对水平夹角，该夹角即为来流与风力机转轴中心线的相对夹角，当该角度为零时，风力机正对风，且此时总压管73测到的压强为当前来流的总压，该将该信号以及当前的温度传感器71测得的空气温度信号、静压传感器72测得的空气静压信号过电缆传递给控制柜8，控制器8结合所有数据来计算获得风速，具体的风速由以下公式(1)计算得出
[0033][0034]
式中，v为风速，p
t
为总压，p
s
为静压，ρ为空气密度。
[0035]
另外，公式(1)中的空气密度ρ由公式(2)计算得出
[0036][0037]
式中，ρ为空气密度，p
s
为静压，r为摩尔气体常数，t为空气温度。
[0038]
为了更加明确的显示本实施例的有益效果，参照图4和图5，采用以上的布置开展了两次地面试验，通过风道给测风设备供风使其自动对风后测量来流风速，计算结果如图4和图5所示，需要说明的是，图中的纵坐标标识的是风速，单位是m/s，横坐标表示的次数，从图中可以看出，风力机对风误差由小于1度，风速测量误差小于1m/s，本实施例提供的测量装置通过安装在风力机桨叶前端的导流罩上，测量总压可以准确的测量风力机前方未受扰动的风速，通过基于空气动力学设计的风向调节装置可以准确的实现对风，并获得来流风向，另外，本实用新型技术成本远远低于现有的其他技术例如七孔探针等。
[0039]
以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。