CN204740120U - 用于浮式风机模型试验的造风整流系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统，包括矩形筒状外框，依次设置于所述外框内的造风装置和整流装置；所述造风装置包括多个在同一平面上布置为多排的轴流式造风机，且所述造风机均设置于所述外框的端部；所述整流装置包括依次设置于所述外框内并位于所述造风机外侧的蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩；还包括沿着所述外框端部向外延伸的出风口延长段，所述出风口延长段位于所述格栅窗整流罩外侧出风口处。能够使生成的风场均匀稳定、湍流度低，而且输出风场的面积可涵盖浮式风电机组运动范围内整个风轮可能行经的区域。

Description

用于浮式风机模型试验的造风整流系统

技术领域

本实用新型涉及浮式风机模型试验技术领域，特别涉及一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统。

背景技术

风能是一种可以大规模开发利用的绿色能源，相比于陆上风能，海上风资源更加丰富，具有风速大、风切变小、湍流度小等优点，并且不占用陆地面积，可避免噪声、电磁波和视觉对居民的影响，对环境更友好。而海上风电场包括浅海风电场和50m以上水深的深海风电场。其中，浅海风电场一般采用固定式基础来固定风电机组，而固定式基础可包括重力式基础、吸力筒基础、桩承式基础等。对于深海风电场，一般采用更加经济的漂浮式基础来固定风电机组，该漂浮式基础可包括Spar(单柱式平台)、Semi(半潜式平台)、TLP(张力腿式平台)或者组合型式。

风力发电机组的研究一般通过理论分析、数值模拟、原型测试和物理模型试验等手段来开展。浮式风电机组处于多种恶劣的海洋环境荷载中，受力机理和运动性能复杂，开展深海浮式风电场建设的基础理论、数值模拟和试验技术的研究，为我国在更广阔的海域建设更大型风电场，实现节能减排的目标，具有重要的理论价值和长远的战略意义。为了获得巨大的深海风能资源，浮式风电技术得到了长足的进步，在这一发展过程中，模型试验是提高这一技术必不可少且经济有效的方式。与原型测试相比，水池模型试验具有周期短、成本低和风险小的特点，并且能够提供相对真实准确的模型验证数据。浮式风电机组的比例模型测试要求精确模拟风浪流海洋环境、结构柔性和风机气动性能，因此要求具有较高的综合试验技术。对于浮式风电机组的模型试验，在室内造出高质量的风场是试验结果准确可靠的关键点之一，因此需要设计一套专用的造风整流系统，使生成的风场具有均匀稳定、湍流度低的特点，输出风场的面积必须涵盖浮式风电机组运动范围内整个风轮可能行经的区域。

实用新型内容

基于此，针对上述的问题，本实用新型提出一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统，能够使生成的风场均匀稳定、湍流度低，而且输出风场的面积可涵盖浮式风电机组运动范围内整个风轮可能行经的区域。

其技术方案如下：

一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统，包括矩形筒状外框，依次设置于所述外框内的造风装置和整流装置；所述造风装置包括多个在同一平面上布置为多排的轴流式造风机，且所述造风机均设置于所述外框的端部；所述整流装置包括依次设置于所述外框内并位于所述造风机外侧的蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩；还包括沿着所述外框端部向外延伸的出风口延长段，所述出风口延长段位于所述格栅窗整流罩外侧出风口处。

通过在筒状外框中设置包括造风机的造风装置，可产生试验所需风场。再通过设置包括蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩的整流装置，造风机制造的风场通过整流装置整流作用，可以使输出的风场质量明显提高，风速分布更加均匀、稳定性更好、湍流度更低，而且输出的风场的面积可涵盖浮式风电机组运动范围内整个风轮可能行经的区域。另外，通过在外框端部出口处设置出风口延长段，使风场经过一定距离的过渡后再吹向浮式风电机组试验模型，可减少风场损失并保持风场的均匀度。

下面对其进一步技术方案进行说明：

进一步地，所述出风口延长段向外延伸并逐渐收缩形成收缩喷口，所述收缩喷口的截面形状由矩形逐渐过渡为椭圆形或者圆形。通过设置收缩喷口，可进一步增大风速，而且将收缩喷口的截面形状设置为由矩形逐渐过渡为椭圆形或者圆形的形式，可使收缩喷口中的风场在增大的同时过渡稳定，减小风场的湍流度。

进一步地，所述外框采用木板或钢板制成，而所述收缩喷口采用薄铁板或铝板制成。矩形筒状的外框形成风道，还用于支撑设置在风道中的造风机、蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩，木材会更轻但强度稍差，而钢板较重但强度较高，可结合实验室的安装承受能力来选择外框的材质。而收缩喷口处的风场较强，需要采用铁板或铝板这些强度较高但重量稍轻的材料。

进一步地，所述造风装置还包括与所述造风机连接的控制装置。造风机与控制装置进行连接，可通过改变造风机的操作频率来改变输出风场的风速。

进一步地，所述造风机设置为轴流式风机，多排所述造风机呈矩阵式布置或两两相互交错布置，且所有所述造风机安装为一体。轴流式风机的造风范围大、风速稳定，可根据输出风场的面积要求和单个轴流式风机的尺寸来确定轴流式风机的个数和排列方式。将造风机矩形阵列式布置时，方便安装外框的矩形构造设置造风机。而将造风机相互交错布置时，可使布置的造风机之间间隙更小，能布置的造风机数量更多。另外，造风装置位于外框的最后方，通过将所有造风机安装为一体，可消除相邻造风机形成的风场之间的间隙，使产生的风场均匀。

进一步地，所述蜂窝板整流罩包括一块整体式矩形蜂窝板；或者所述蜂窝板整流罩包括多块相互连接的分体式矩形蜂窝板，且相邻两块所述蜂窝板之间设置有加固条。整块式的蜂窝板整流能力更好，不会对风场造成阻碍。但是考虑到刚度和加工制造情况，也可以通过加固条将多块蜂窝板连接形成一整块。

进一步地，每块所述蜂窝板上均匀设置有多个相互相连的正六边形孔，且所述蜂窝板整流罩厚度与所述蜂窝板正六边形孔的外接圆直径的比值位于8～10之间。这种结构的蜂窝板整流罩整流效果好，整流得到的风场均匀、稳定性好、湍流度低。

进一步地，所述格栅窗整流罩包括矩形格栅窗板，所述格栅窗板上均匀设置有多个正方形孔，且所述格栅窗板的孔隙率大于58％。格栅窗板的孔隙率是指格栅窗板上的总孔径面积与格栅窗板总面积的比值。格栅窗板孔隙率越大整流效果越好，但是刚度也要满足要求，使格栅窗板应尽量满足刚度大、厚度薄、孔隙率大的特点。若整个格栅窗板的刚度较小，可以在格栅窗板竖向和横向用木条或钢条进行加固处理。

进一步地，所述蜂窝板整流罩设置于所述造风机和所述格栅窗整流罩之间，且所述蜂窝板整流罩上的正六边形孔的孔径比所述格栅窗整流罩上的正方形孔的孔径大。风场经过孔径较大的蜂窝板整流罩整流后，再流过孔径较小的格栅窗整流罩对风场进一步进行整流，从而使风场更加均匀稳定。

本实用新型具有如下突出的优点：通过蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩两层整流罩的整流作用，再经过出风口延长段的作用，使输出风场的质量明显提高，风速分布更加均匀、稳定性更好、湍流度更低，有效提高了模型试验风场的模拟质量，保证了模型试验结果的准确可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统设置出风口延长段时的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统设置收缩喷口时的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统的造风装置中造风机排列一时的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统的造风装置中造风机排列二时的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统的整流装置中蜂窝板整流罩的蜂窝板的局部结构示意图；

图6是本实用新型实施例中所述用于浮式风机模型试验的造风整流系统的整流装置中格栅窗整流罩的格栅窗的局部结构示意图。

附图标记说明：100-外框，200-造风装置，210-造风机，300-蜂窝板整流罩，310-蜂窝板，312-正六边形孔，400-格栅窗整流罩，410-格栅窗板，412-正方形孔，500-出风口延长段，600-收缩喷口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统，包括矩形筒状外框100，依次设置于该外框100内的造风装置200和整流装置。该造风装置200包括多个在同一平面上布置为多排的轴流式造风机210，且该造风机210均设置于外框100的端部。该整流装置包括依次设置于外框100内并位于造风机210外侧的蜂窝板整流罩300和格栅窗整流罩400。该用于浮式风机模型试验的造风整流系统还包括沿着外框100端部向外延伸的出风口延长段500，该出风口延长段500位于格栅窗整流罩400外侧出风口处。

通过在筒状外框100中设置包括造风机210的造风装置200，可产生试验所需风场。再通过设置包括蜂窝板整流罩300和格栅窗整流罩400的整流装置，造风机210制造的风场通过整流装置整流作用，可以使输出的风场质量明显提高，风速分布更加均匀、稳定性更好、湍流度更低，而且输出的风场的面积可涵盖浮式风电机组运动范围内整个风轮可能行经的区域。另外，通过在外框100端部出口处设置出风口延长段500，整流后风场的出风口区域在不影响浮式风电机组运动的情况下，其长度可尽量延长，使风场经过一定距离的过渡后再吹向浮式风电机组试验模型，可减少风场损失并保持风场的均匀度。

具体地，上述矩形筒状外框100采用木板或钢板制成，矩形筒状的外框100形成风场输出通道，并起到对造风装置200和整流装置的加固作用，即还用于支撑设置在风道中的造风机210、蜂窝板整流罩300和格栅窗整流罩400，木材会更轻但强度稍差，而钢板较重但强度较高，可结合实验室的安装承受能力来选择外框的材质。此外，外框还可采用不同材料组合制成，可根据实验室安装造风整流系统的承重能力来进行设置。在本具体实施例中，外框100的外围长宽尺寸为4m×4m的矩形，造风机210位于外框100的端部，在距离造风机210外侧1m处安装蜂窝板整流罩300，而在蜂窝板整流罩300的前方0.4m处安装格栅窗整流罩400，在格栅窗整流罩400的前方安装出风口延长段500，该出风口延长段500的长度可设置为1m。

进一步地，如图3至图4所示，上述造风装置200的造风机210设置为轴流式风机，多排造风机210呈矩阵式布置或两两相互交错布置，且所有造风机210安装为一体。轴流式造风机210具有构造简单、安装方便、流量大、运行平稳的特点。而且，可根据输出风场的面积要求和单个轴流式风机的尺寸来确定轴流式风机的个数和排列方式，如图3所示，将造风机210矩形阵列式布置时，方便安装外框的矩形构造设置造风机；如图4所示，而将造风机210相互交错布置时，可使布置的造风机210之间间隙更小，能布置的造风机210数量更多。另外，造风装置200位于外框100的最后方，通过将所有造风机210安装为一体，可消除相邻造风机210形成的风场之间的间隙，使产生的风场均匀。此外，造风装置200还包括与造风机210连接的控制装置(图中未示意出)，造风机210与控制装置进行连接，可通过改变造风机210的操作频率来改变输出风场的风速。在本实施例中，可平行设置三排造风机210，即可以垂向对齐，也可以相互交错安装。如果采用垂向对齐安装，可安装九块呈三行三列矩阵形式布置的造风机210，并且造风机的直径约设置为1.3m；如果采用相互交错安装，中间的造风机210个数要比上、下两排风机多一个，即可第二排采用四个造风机，上下两排各三个造风机。

另外，上述的整流装置的蜂窝板整流罩300设置于造风机210和格栅窗整流罩400之间，且蜂窝板整流罩300上孔的孔径比格栅窗整流罩400上孔的孔径大。风场经过孔径较大的蜂窝板整流罩300整流后，再流过孔径较小的格栅窗整流罩400对风场进一步进行整流，从而使风场更加均匀稳定，并进一步减小湍流度。蜂窝板整流罩300为整流装置中的最重要部分，如果风场的均匀性和湍流度较好，也可以不安装格栅窗整流罩400，格栅窗整流罩400虽然能使风场更均匀湍流度更小，但也会在一定程度上减小风速。

进一步地，上述的蜂窝板整流罩300设置在外框100中部，如图5所示，其可包括一块整体式矩形蜂窝板310，整块式的蜂窝板整流能力更好，不会对风场造成阻碍。蜂窝板整流罩300也可包括多块相互连接的分体式矩形蜂窝板310，且相邻两块蜂窝板之间设置有加固条，通过加固条将多块蜂窝板310连接形成一整块，增加结构的刚度和牢固性。而且，每块蜂窝板310上均匀设置有多个相互相连的正六边形孔312，且蜂窝板整流罩300厚度与蜂窝板310正六边形孔的外接圆直径的比值位于8～10之间，这种结构的蜂窝板整流罩300整流效果好，整流得到的风场均匀、稳定性好、湍流度低。在本实施例中，可安装九块呈三行三列矩阵形式布置的蜂窝板310组成的蜂窝板整流罩300，蜂窝板整流罩300由铝材制成，其尺寸为4m×4m×0.18m。蜂窝板310由一系列相连的正六边形孔312组成，正六边形孔312的边长为10mm，外接圆直径为20mm，所采用铝材的厚度为0.8mm。蜂窝板整流罩300的长度与蜂窝板正六边形孔外接圆直径的比值为9，位于8～10之间。

另外，上述格栅窗整流罩400设置在外框100的另一端，位于外框100的出风口处。如图6所示，该格栅窗整流罩400包括矩形格栅窗板410，该格栅窗板410上均匀设置有相互连接的多个正方形孔412，且格栅窗板410的孔隙率大于58％。格栅窗板410的孔隙率是指格栅窗板410上的总孔径面积与格栅窗板410总面积的比值。格栅窗板孔隙率越大整流效果越好，但是其刚度也要满足要求，使格栅窗板410尽量满足刚度大、厚度薄、孔隙率大的特点。若整个格栅窗板410的刚度较小，可以在格栅窗板410竖向和横向用木条或钢条进行加固处理。在本实施例中，格栅窗板整流罩400可用钢材进行加工，长宽尺寸同样为4m×4m，厚度为1～2mm。格栅窗板410由一系列相连的正方形孔412组成，正方形孔412的尺寸为8mm×8mm，孔外设置10mm×10mm正方形框，格栅窗板410的孔隙率为64％>58％，满足要求。

此外，如图1所示，在格栅窗整流罩400的外侧还设置有上述的出风口延长段500，整流后风场的出风口区域在不影响浮式风电机组运动的情况下，出风口延长段500长度可尽量延长，使流向浮式风电机组的风尽量保持均匀稳定，减少风损，以取得更好的试验效果。此外，如图2所示，可将出风口延长段500设置为沿着外框100出风口处向外延伸并逐渐收缩形成收缩喷口600，该收缩喷口600的截面形状由矩形逐渐过渡为椭圆形或者圆形。通过设置收缩喷口600，可进一步增大风速，可弥补格栅窗整流罩400整流过程中造成的风速损失，而且将收缩喷口600的截面形状设置为由矩形逐渐过渡为椭圆形或者圆形的形式，可使收缩喷口600中的风场在增大的同时过渡稳定，减小风场的湍流度。此外，还可以在出风口延长段500的基础上再设置收缩喷口600，以集合二者的优点。另外，若风速大小满足试验要求，则可不用安装收缩喷口600，直接在外框100安装格栅窗整流罩400位置外延一段距离即可，以减少风场损失并保持风场均匀度，同时也比有收缩喷口600时的输出面积大。另外，收缩喷口600可采用薄铁板或铝板制成，因收缩喷口600处的风场较强，需要采用铁板或铝板这些强度较高但重量稍轻的材料。而出风口延长段500的材质可与外框100保持一致。在本实施例中，在外框100外单独设置收缩喷口600时，其长度可设置为2米。而收缩喷口600始端矩形截面的长宽尺寸与外框100一致，其椭圆段末端的椭圆长轴长为3.6m，短轴长为3.0m，且收缩喷口600可以由较薄的铁皮或铝皮等制成。

本实用新型提出的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，通过蜂窝板整流罩300和格栅窗整流罩400两层整流罩的整流作用，再经过出风口延长段500或收缩喷口600的作用，使输出风场的质量明显提高，风速分布更加均匀、稳定性更好、湍流度更低，有效提高了模型试验风场的模拟质量，保证了模型试验结果的准确可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，包括矩形筒状外框，依次设置于所述外框内的造风装置和整流装置；

所述造风装置包括多个在同一平面上布置为多排的轴流式造风机，且所述造风机均设置于所述外框的端部；所述整流装置包括依次设置于所述外框内并位于所述造风机外侧的蜂窝板整流罩和格栅窗整流罩；

还包括沿着所述外框端部向外延伸的出风口延长段，所述出风口延长段位于所述格栅窗整流罩外侧出风口处。

2.根据权利要求1所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述出风口延长段向外延伸并逐渐收缩形成收缩喷口，所述收缩喷口的截面形状由矩形逐渐过渡为椭圆形或者圆形。

3.根据权利要求2所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述外框采用木板或钢板制成，而所述收缩喷口采用薄铁板或铝板制成。

4.根据权利要求1所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述造风装置还包括与所述造风机连接的控制装置。

5.根据权利要求1所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述造风机设置为轴流式风机，多排所述造风机呈矩阵式布置或两两相互交错布置，且所有所述造风机安装为一体。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述蜂窝板整流罩包括一块整体式矩形蜂窝板；

或者所述蜂窝板整流罩包括多块相互连接的分体式矩形蜂窝板，且相邻两块所述蜂窝板之间设置有加固条。

7.根据权利要求6所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，每块所述蜂窝板上均匀设置有多个相互相连的正六边形孔，且所述蜂窝板整流罩厚度与所述蜂窝板正六边形孔的外接圆直径的比值位于8～10之间。

8.根据权利要求7所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述格栅窗整流罩包括矩形格栅窗板，所述格栅窗板上均匀设置有多个正方形孔，且所述格栅窗板的孔隙率大于58％。

9.根据权利要求8所述的用于浮式风机模型试验的造风整流系统，其特征在于，所述蜂窝板整流罩设置于所述造风机和所述格栅窗整流罩之间，且所述蜂窝板整流罩上的正六边形孔的孔径比所述格栅窗整流罩上的正方形孔的孔径大。