风机叶片尾流风场特性量测系统及方法与流程

1.本发明涉及风场特性量测技术领域，特别是一种风机叶片尾流风场特性量测系统及方法。


背景技术：

2.风力机尾流效应对下游风力机性能存在严重影响，为减少下游风力机的输出功率损失和增加风力机的寿命，开展风机尾流风场特性的研究是非常必要和紧迫的。然而，在现场实测中由于实际风力机尾流流场尺度关系和测试手段的限制，准确测量风机尾流风场特性还非常困难。现有技术采用声雷达和激光雷达测量风机尾流特性，但其造价非常昂贵，得不到广泛应用。目前应用较多的是在风力机后放置测风塔来测量尾流特性，但是由于成本限制也只能测量有限尾流位置，难以全方位的获取流场信息。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种风机叶片尾流风场特性量测系统及方法，同步测量不同高度测点的时程风速。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种风机叶片尾流风场特性量测系统，包括：
5.牵引装置，设置于n倍(本发明中，n＝1.1～1.3)风机高度位置，且位于风机尾流区域内；
6.牵引绳，一端与牵引装置连接，另一端与地面固定连接；
7.多个风速采集装置，沿所述牵引绳高度方向设置于所述牵引绳上；
8.加速度计，安装于所述牵引绳上。
9.本发明多个风速采集装置均匀设置于所述牵引绳上，提高计算精度。
10.为了进一步提高计算精度，减小计算量，所述加速度计安装于所述牵引绳中部。
11.所述风速采集装置包括探头；所述探头中心线左、右两侧均分别开设有安装槽和通孔；第一探针底端自所述安装槽穿透所述探头，并伸出所述探头；所述安装槽底部与第二探针顶端固定连接；所述牵引绳穿过所述通孔；本发明风速采集装置结构简单，实用性强。
12.所述第一探针底端、第二探针底端均与测压管固定连接，便于探针的连接固定。
13.所述牵引绳与设置于地面上的锚固架固定连接，锚固架可以移动，便于调整牵引绳底端的位置。
14.优选地，所述牵引绳的长度为测试高度的1.1～1.3倍，以保证无人机的安全，防止牵引绳绷得太紧而导致牵引装置倾覆。
15.所述锚固架顶端设置有扫描阀；所述多个风速采集装置均与所述扫描阀电连接，可快速准确获取探头位置的风场信号。
16.优选地，所述扫描阀与计算机电连接，便于及时将采集到的信息传输给计算机处理。
17.所述牵引装置为无人机；
18.优选地，还包括多个gps定位仪，分别安装于无人机底部，牵引绳中部和地面。
19.修正第i个所述风速采集装置的量测风速，获得的第i个所述风速采集装置所在位置实际风速为：
[0020][0021]
其中，v
i欧
为第i个风速采集装置采集的风速；为第i个风速采集装置倾斜修正系数；i为风速采集装置的编号，从地面到牵引装置位置，所有风速采集装置的编号依次为1，2，3，
…
，n；f(t)为加速度计在t时刻的采集信号；i＝1，2，3，
…
，n；h为测试高度，即无人机悬停高度；θ为风速采集装置中心线与水平方向的夹角。
[0022]
第i个风速测量装置的中心线与水平方向的夹角θi的计算公式为：n为牵引绳上风速测量装置的总数量；c为牵引绳长度与测试高度h的倍数。
[0023]
本发明还提供了一种风机叶片尾流风场特性量测方法，在风机叶片尾流区域的风洞内沿地面至风机顶部的高度方向设置多个测量点，在每个测量点上设置风速采集装置；利用下式获得第i个测量点的实际风速：
[0024][0025]
其中，v
i欧
为第i个风速采集装置采集的风速；为第i个风速采集装置倾斜修正系数；i为风速采集装置的编号，从地面到牵引装置位置，所有风速采集装置的编号依此为1，2，3，
…
，n；f(t)为加速度计在t时刻的采集信号；i＝1，2，3，
…
，n；h为测试高度，即无人机悬停高度；θ为风速采集装置中心线与水平方向的夹角。
[0026]
第i个测量点对应的风速测量装置的中心线与水平方向的夹角θi的计算公式为：
[0027][0028]
其中，n为牵引绳上风速测量装置的总数量；c为串联所有风速采集装置的牵引绳的长度与h的倍数；优选地，c取值为1.1～1.3。
[0029]
根据下式计算来流风速的风向角α，弥补了欧文探针不能测风向的缺陷：
[0030][0031]
其中：(x1,y1,z1)为锚固架锚固点的坐标；(x2,y2,z2)为牵引绳中部坐标；(x3,y3,z3)为牵引装置位置坐标。
[0032]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
[0033]
1、本发明能同步测量不同高度测点的实时风速，并且能够方便快捷地切换测量位置，从而便于准确高效获取风机尾流区域的风场分布。
[0034]
2、本发明设置移动式固定架(锚固架)和载重无人机，由于风机尾流区域风场十分复杂，使得很难找到合适的测量位置，移动式固定架和载重无人机可以方便灵活切换测量位置，从而可以得到尾流区域多个测量位置的风场数据。
[0035]
3、通过欧文探针(风速采集装置)、扫描阀测得高强细绳(牵引绳)上不同监测点的压力差，然后转换成风速，能够准确的得到测量点的时程风速。
[0036]
4、高强细绳上装有多个欧文探针，可以同步测量不同高度测点的时程风速，从而得到测量位置的风速剖面。
[0037]
5、通过风洞试验研究了高强细绳摆动的竖向夹角随来流风速大小的规律，可用于修正实测风速。
[0038]
5、通过加速度传感器测试高强细绳中部摆动的加速度，进而换算成细绳的摆动速度，用于实测风速的修正。
附图说明
[0039]
图1为本发明风机叶片尾流风场特性现场实测量测系统的结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例欧文探针的结构示意图；
[0041]
图3为风速探针倾角标定示意图；
[0042]
图4为测量系统风洞标定示意图；
[0043]
图5为高强细绳(牵引绳)形状示意图；
[0044]
图6为山区风能竖直测试系统。
具体实施方式
[0045]
如图1所示，包括牵引模块和量测模块，所述牵引模块包括载重无人机3(牵引装置)、锁扣4、高强细绳5(牵引绳)、扎带8与锚固架11，所述量测模块包括欧文探针6、测压管7、加速度计9、扫描阀10、采集主机13与计算机14。移动式锚固架11设置于风机2尾流区域地面12，高强细绳5通过锁扣4一端与锚固架11连接，另一端与载重无人机3连接，且由载重无人机3牵引至风机顶部高度。加速度计9安装在高强细绳5中部，欧文探针6均匀固定在高强细绳5上，并通过测压管7与固定在锚固架11(为移动式支架)上的扫描阀10连接，扫描阀10还与采集主机13连接，1为gps定位器，分别安装于无人机、细绳中部和地面，可用于获取不同位置的三维坐标。
[0046]
牵引模块载重无人机3、高强细绳5、以及锚固架11灵活简单，不受地域地形的限制，能够方便切换测量位置。测压管7通过多个扎带8与高强细绳5紧密结合一起对风场影响
较小，整体质量较轻对载重无人机3飞行时间影响较小。
[0047]
本实施例采用的欧文探针如图2所示，探头15直径为15mm，在探头15中心右侧开孔16，高强细绳5从孔c穿过从而固定欧文探针；在探头中心左侧开槽17，槽中心穿插一根直径1mm中空钢针18，开槽处下端布置另一根直径1mm的中空钢针19。测压管7一端与中空钢针18、19底端相连，另一端与扫描阀10连接，扫描阀10通过测压管7测得欧文探针a、b端的压力。测压管7布置多根，具体数量根据欧文探针6数量而定。
[0048]
扫描阀10固定在锚固架11顶端，以减少测压管7的长度，缩短管长，从而降低测量误差。扫描阀10通过数据线与地面上采集主机13相连，将压力信号转换为电信号传到采集主机13。采集主机13直接与计算机14相连，将压力时程数据传至计算机14，通过计算机14处理进而将压力转换成速。
[0049]
由于在测量过程中高强细绳会随风摆动，因此最后需对探针量测得到的风速进行修正。根据分析，量测风速与高强细绳和水平方向的夹角θ有关，因此先在风洞20中测试不同角度下欧文探针的量测风速，建立不同角度探针量测风速与实际风速关系，如图4所示。
[0050]
在风洞20内，眼镜蛇风速仪21布置在无人机与锚固点连线前1米位置，带有欧文探针6的高强细绳5一端与风洞底部固定，另一端与风洞顶部连接，然后可以通过挪动连接点位置来调节欧文探针的角度θ，从而建立不同角度探针量测风速与实际风速关系：
[0051][0052]
式中：v
测
表示为眼镜蛇风速仪所测的实际风速；为欧文探针倾斜修正系数，其值与倾斜角有关；v
欧
表示欧文探针所测风速。
[0053]
在风机尾流风场实际测量过程中，由于高强细绳随风摆动会影响细绳上欧文探针的测量风速，因此可通过风洞试验测得高强细绳随风摆动与测量风速的关系，如图5所示。
[0054]
在风洞20内，载重无人机3牵引带有欧文探针6的高强细绳5一端，高强细绳另一端与风洞底部连接，眼镜蛇风速仪21布置在高强细绳与地面连接点前1米的位置，在高强细绳5的中部安装一个加速度计9。
[0055]
在实际测量过程中，由于高强细绳会随风摆动，所以还需将细绳摆动的速度测出来，用于量测风速的修正，加速度计测得细绳中部的加速度为a，a是随时间t变化的函数，可表示为：
[0056]
a＝f(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0057]
则由速度与加速度的关系可得绳子中部摆动的速度为：
[0058][0059]
设高强细绳长度为无人机悬停高度h的c倍，近似认为高强细绳在空中呈椭圆形非线性分布,如下图所示。从图6中可知椭圆长半轴a＝h/2，又根据椭圆周长公式l＝2πb 4(a-b),则可求出短半轴b值，推导如下。
[0060]
2ch＝2πb 4(h/2-b)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0061]
[0062]
由上述可知椭圆的长轴a＝h/2，短轴设水平方向为x轴，水平方向为y轴，如图6所示，则高强细绳的函数表达式为：
[0063][0064][0065]
由式(4)知高强细绳中部摆动的速度则高强细绳不同高度测点的摆动速度为：
[0066][0067]
式中；h为无人机高度；n为欧文探针的个数；c为高强细绳长度与h的倍数。
[0068]
由于高强细绳在空中呈椭圆形非线性分布，因此高强细绳上每个探针与水平方向都存在一个夹角θ，如图6所示，于是对式(6)中x求导得斜率k为：
[0069][0070]
再将式(7)代入式(9)得：
[0071][0072]
因为欧文探针与水平方向的夹角θ与斜率k存在以下关系：
[0073]
θ＝arctank
ꢀꢀꢀ
(11)
[0074]
所以高强细绳上不同高度的探针与水平方向的夹角θi为：
[0075][0076]
式中；h为无人机悬停高度(测试高度)；n为欧文探针的个数；c为高强细绳长度与h的倍数。
[0077]
因此，每个探针量测风速修正后的实际风速为：
[0078][0079]
本发明基于现场实测的风机叶片尾流风场特性量测系统，能够同步测量不同高度测点的时程风速，并且能方便快捷地切换测量位置从而高效准确获取风机尾流区域的风场分布。
[0080]
本发明分别在无人机、细绳中部和地面安装三个gps坐标定位器，可分别获取三个位置的三维坐标。由于顶部和底部的坐标固定，当来流风向改变时，细绳中部坐标会显示不同的数值，设地面锚固点的坐标为(x1,y1,z1)，细绳中部坐标为(x2,y2,z2)，无人机牵引位置坐标为(x3,y3,z3)，通过几何关系可得来流风速的风向角α为：
[0081]