一种浮式垂直轴风力机模型运动测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种用以研究海上浮式风力机运动性能的试验装置。

背景技术：

目前海上风电的浮式基础主要采用了现有海洋工程中的大型采油平台设计技术。然而，海上风电浮式基础与深海采油平台的载荷差异很大，关键差别是海上风电浮式基础涉及到风载荷，包括风机叶片运转诱导的气动载荷和塔柱风压，且风载荷和浮式基础的运动相互影响。因此，海上风电浮式基础的运动及其系泊系统的受力比常规油气开采平台的运动及其系泊系统的受力更加复杂。对于大型浮式垂直轴风力机系统，风机的塔柱和叶片为典型的柔性结构，除了以较高频率振动外还随浮式基础一起运动，浮式基础的大幅运动将影响风机结构的刚度，使风机结构的固有频率随浮式基础的运动而改变，发生“动力刚化”或“动力柔化”效应，而浮式基础的运动又与风载荷、波浪载荷、系泊缆载荷等有关且不同的运动自由度之间存在非线性耦合，机理非常复杂。有必要设计可以研究静水和不同波浪周期、波高下浮式垂直轴风力机系统的垂荡、纵摇运动响应的浮式垂直轴风力机模型运动测量装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计一种浮式垂直轴风力机模型的运动测量装置，用以模拟和测量海上浮式垂直轴风力机在海洋环境下的运动响应。技术方案如下：

一种浮式垂直轴风力机模型运动测量装置，所应用的浮式垂直轴风力机模型包括转子系统以及浮式基础系统两个部分，所述的转子系统包括塔柱2、风机叶片1以及轴系3，转子系统通过轴系3与浮式基础11相连接，浮式基础系统包括上部浮力舱9、主动压载舱4、桁架6、垂荡板5、底部压载舱7以及系泊缆绳8，上部浮力舱9下部与主动压载舱4相互连通，桁架6固定连接在主动压载舱4的底部与底部压载舱7之间，垂荡板5等间距固定在桁架6上；在主动加载舱4外围边缘以一定间隔设置四条系泊缆绳8；轴系3置于上部浮力舱 9以及主动压载舱4内部，其特征在于，

所述的运动测量装置包括计算机、LED灯板14、摄像头15和浪高仪，LED灯板14 至少包含三个红外光点，并在LED灯板14附近固定摄像头15，摄像头15通过图像采集卡与计算机相连；浪高仪采集的液面变化数据通过通道数据采集仪被传送至计算机。

本实用新型的非接触式运动测量装置，再辅以图像处理及计算软件，可以精确测量浮式风力机系统运动的时域响应，便于试验的操作，有助于提高精度和效率。在进行运动响应的测量中，运用浪高仪记录波浪的情况，使结果相互验证，提高实验结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的浮式垂直轴风力机模型主体示意图；

图2为本实用新型的浮式垂直轴风力机模型俯视图；

图3为本实用新型的模型运动测量试验装置正视图；

图4为本实用新型的模型运动测量试验装置俯视图；

图5为垂荡自由衰减运动曲线图；

图6为垂荡、纵摇自由衰减运动曲线图；

图7为垂荡、响应曲线图；

图8为垂荡、纵摇响应曲线图。

图中：1、风机叶片；2、风机塔柱；3、轴系；4、主动压载舱；5、垂荡板；6、桁架； 7、底部压载舱；8、系泊缆绳；9、上部浮力舱；10、电缆；11、浮式基础；12、系泊系统； 13、拖车；14、LED发光板；15、摄像头；16、石墩。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进行详细描述。

由图1-图2所示为浮式垂直轴风力发电机模型，主要分为了转子系统以及浮式基础系统两个部分，所述的转子系统主要分为了塔柱2、风机叶片1以及轴系3，转子系统通过轴系3与浮式基础相连接；浮式基础主要由上部浮力舱9、主动压载舱4、桁架6、垂荡板5、底部压载舱7以及系泊缆绳8组成；两块正六边形大面积垂荡板5等间距设置在主动压载舱 4下，通过六根桁架立管6固定，桁架上下两端分别固定在主动压载舱4底部以及底部压载舱7上表面，在整个装置最下部设置底部压载舱7，为了保证浮式风力机的重心低于浮心，可以在主动压载舱4以及底部压载舱7内加载重物，从而保证风力机正常漂浮在水面上；在主动加载舱4外围边缘以一定间隔设置四条系泊缆绳8，系泊采用半张紧的悬链线型结构，即在每个系泊上都采用锚链-钢缆-锚链的形式；所示电缆10通过上部浮力舱9、主动压载舱 4、垂荡板5以及底部压载舱7，连接到海底变电器，最终汇入电网。

对模型试验，模型由浮式支撑基础和上部风机组成，本模型采用1:75的缩尺比，在满足几何相似、重力相似(弗汝德数相等)和动力相似(斯特哈罗数)的条件下进行模型实验，可以实现关于浮式风力机系统运动的研究测量。

叶片材料选择巴尔杉木，根据叶片抛物线型值以及翼型截面型值制作叶片。叶片制作完成后，将叶片与风机塔柱通过螺栓固定。根据原型与模型间的比例关系，计算得到模型的重量、重心位置和转动惯量(绕重心横轴)；通过配置压载铁的方法，来调整模型的重量、重心位置和转动惯量，重心及惯性矩。

系泊链是由钢丝绳、微型锚链和弹簧构成。系泊链模型采用钢丝绳，满足了直径几何相似，但由于此时无法满足单位长度重量相似，因此附加一段微型锚链。为了满足拉伸刚度相似，添加了一段弹簧，将三段间接起来便组成了一根总的模拟系泊链。

如图3中，浮式基础21在重心位置通过多点系泊12的方式固定到试验水池中央，在浮式基础顶端安装LED灯板14，并水平安置摄像头15，摄像头15通过螺母固定在支架上，摄像头支架另一端用木楔固定在拖车轨道上，摄像头支架另一端用木楔固定在拖车轨道上。在试验过程中，摄像头与非接触式运动测量仪相连接，通过捕捉LED灯板上三个红外线发光点的运动情况，得出浮式基础六个自由度运动的情况。使用浪高仪(图中未画出，为一根固定在上部浮力舱9的浪高测量杆)将造波得到的信号传输至数据采集仪，监控波浪的历程曲线。由图4可明确浮式基础的具体系泊方式以及波浪方向。

在试验开始前，首先要对浪高仪和运动测量装置分别单独进行力学和光学标定。试验开始前，需连接好波高仪、非接触式运动测量装置，它们分别为波浪、浮式基础运动的观测系统。

试验过程中，通过造波机制造规则波浪，通过波高仪采集波浪数据，并通过非接触式运动测量装置采集浮式基础在波浪中六个自由度的运动数据。采集到足够的数据后，分别停止造波与采集，通过改变波高、波长以改变试验的环境工况，研究浮式基础在海洋环境下垂荡、纵摇运动响应。