一种浮式风机运动性能的试验模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及风力发电机组的运动性能试验技术领域，尤其是涉及一种浮式风 机运动性能的试验模型。
【背景技术】
[0002] 浮式风机使用浮式结构作为海上风机的基础平台，基础平台则用系泊系统锚定于 海床。其成本较低，对地质条件没有要求，且容易运输，具有广阔的应用前景。浮式风机处 于恶劣的海洋环境荷载中，使得受力机理和运动性能复杂。
[0003] 其中，模型试验是提高浮式风力发电技术经济有效的方式。然而，目前对浮式风机 模型试验的研究甚少，且还未形成一套系统完善的模型试验方法。 【实用新型内容】
[0004] 基于此，本实用新型在于克服现有技术的缺陷，提供一种浮式风机运动性能的试 验模型，它能够方便获取与原型浮式风机相似的结构受力和运动性能，且模型成本低廉。
[0005] 其技术方案如下：
[0006] 一种浮式风机运动性能的试验模型，包括：水池；浮式风电机组模型，所述浮式风 电机组模型漂浮在所述水池内，所述浮式风电机组模型包括浮式平台模型、系泊系统模型 与风力机模型，所述浮式平台模型通过系泊系统模型与所述水池相连接，所述风力机模型 安装在所述浮式平台模型上方，所述风力机模型包括风轮叶片、用于驱动所述风轮叶片转 动的电动机、安装所述风轮叶片的机舱、支撑所述机舱的塔架、设置在所述塔架上的第一六 分力仪、设置在所述机舱上的第二六分力仪以及加速度仪，所述电动机、第一六分力仪、第 二六分力仪以及加速度仪均电性连接至控制装置；造风系统，所述造风系统用于输出风场， 所述造风系统与所述风力机模型的风轮叶片相对设置，且所述造风系统的输出风场涵盖了 所述风轮叶片所运行的区域，所述造风系统电性连接至所述控制装置；造波系统以及造流 系统，所述造波系统用于使得所述水池内产生波浪，所述造流系统用于使得所述水池内产 生水流，所述造波系统以及所述造流系统均与所述风轮叶片相对设置、且位于所述风轮叶 片的同一侧，所述造波系统以及所述造流系统位于所述水池的一端，所述造波系统及所述 造流系统电性连接至所述控制装置。
[0007] 在其中一个实施例中，还包括消波系统，所述消波系统位于所述水池的另一端，所 述消波系统与所述造波系统相对设置。
[0008] 在其中一个实施例中，所述风轮叶片为碳纤维材料，所述风轮叶片内设有腔体，所 述腔体内设有碳纤维杆以及树脂。
[0009] 在其中一个实施例中，所述塔架包括由铝合金材料制成的第一中空杆以及由铝制 材料制成的第二中空杆，所述浮式平台模型由玻璃钢制成，所述浮式平台模型、第一中空杆 以及第二中空杆依次固定连接，所述第二中空杆与所述机舱固定连接，且所述第二中空杆 上安装有所述第一六分力仪。
[0010] 在其中一个实施例中，所述系泊系统模型为系泊缆索或张力腿结构。
[0011] 在其中一个实施例中，所述系泊缆索包括钢丝、弹簧以及若干铅坠，所述钢丝与弹 簧相连，若干所述铅坠均匀布置在所述钢丝与所述弹簧组成的缆线上，所述缆线的一端与 所述浮式平台上的导缆孔相连，所述缆线的另一端与所述水池底板相连。
[0012] 下面结合上述技术方案对本实用新型的原理、效果进一步说明：
[0013] 1、本实用新型所述的浮式风机运动性能的试验模型，能通过水池、浮式风电机组 模型、造风系统、造波系统以及造流系统精确模拟风浪流海洋环境、结构柔性和风机气动性 能，因此具有较高的综合模型试验技术。相对于原型浮式风电机组测试试验，通过本实用新 型试验模型进行试验，能够提供相对真实准确的模型验证数据，如此能够评价原型浮式风 电机组的动力性能，且本实用新型试验模型试验周期短、成本低和风险小。
[0014] 2、造波系统产生的波浪以及造流系统产生的水流经过浮式风电机组模型后，通过 消波系统来吸收波浪的能量，能避免波浪反射至浮式风电机组，使得本实用新型浮式风机 的运动性能的测试数据与原型中的运动性能数据更加接近。
[0015] 3、所述风轮叶片为碳纤维材料，所述风轮叶片内设有腔体，所述腔体内采用碳纤 维杆进行支撑并在腔体内部填充树脂。如此，能够保证风轮叶片的刚度与强度，且质量轻。 塔架模型的第一中空杆选择6061铝合金材料制作，防腐性能好，且质量轻。浮式平台模型 采用玻璃钢制作，使得刚度与水密性好。
[0016] 4、反复调整电动机的转速以及造风系统的输出风速，使得风轮叶片的转速与风轮 叶片受到的推力能够同时与原型中的相似，使得通过本实用新型所述浮式风机运动性能试 验模型所获得的模型试验数据能够准确反映原型浮式风机的运动性能。同时记录下此时电 动机的工作状态以及造风系统的工作频率。在后续进行相同原型风速下的模型试验时，可 以按照标定好的电动机状态和造风系统的工作频率进行模型试验，使得模型试验更加快速 方便，缩短了模型试验的时间。
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型实施例所述浮式风机运动性能的试验模型结构示意图；
[0018] 图2为本实用新型实施例所述浮式风机运动性能的试验模型中的浮式风力机模 型的结构示意图；
[0019] 图3为本实用新型实施例所述浮式风机运动性能的试验模型的试验方法流程图。
[0020] 附图标记说明：
[0021] 10、水池，20、浮式风电机组模型，21、浮式平台模型，22、风力机模型，221、风轮叶 片，222、电动机，223、机舱，224、塔架，225、第一六分力仪，226、第二六分力仪，227、加速度 仪，30、造风系统，40、造波系统，50、造流系统，60、系泊缆索。
【具体实施方式】
[0022] 下面对本实用新型的实施例进行详细说明：
[0023] 如图1及2所示，本实用新型所述的浮式风机运动性能的试验模型，包括水池10、 浮式风电机组模型20、造风系统30、造波系统40以及造流系统50。
[0024] 所述浮式风电机组模型20漂浮在所述水池 10内，所述浮式风电机组模型20包括 浮式平台模型21、系泊系统模型与风力机模型22,所述浮式平台模型21通过系泊系统模型 与所述水池10相连接。所述风力机模型22安装在所述浮式平台模型21上方，所述风力机 模型22包括风轮叶片221、用于驱动所述风轮叶片221转动的电动机222、安装所述风轮叶 片221的机舱223、支撑所述机舱223的塔架224、设置在所述塔架224上的第一六分力仪 225、设置在所述机舱223上的第二六分力仪226以及加速度仪227。所述电动机222、第 一六分力仪225、第二六分力仪226以及加速度仪227均电性连接至控制装置。
[0025] 第一六分力仪225靠近塔架224的顶部，主要用于测量塔架224顶部的剪力与弯 矩。第二六分力仪主要用于测量风轮叶片221的推力，并将推力信号发送给控制装置，以判 断所测得推力是否与预设推力相同。加速度仪227用于测量机舱223在风场作用下所产生 的加速度。所述浮式风电机组模型20还包括用于测量系泊系统模型张力的张力传感器和 用于测量浮式平台模型21位移的非接触式光学六自由度运动测量装置。
[0026] 所述造风系统30用于输出风场，所述造风系统30与所述风力机模型22的风轮叶 片221相对设置，且所述造风系统30的输出风场涵盖了所述风轮叶片221所运行的区域， 所述造风系统30电性连接至所述控制装置，通过控制装置改变造风系统30的操作频率，即 可相应改变输出风速的大小。
[0027] 所述造波系统40用于使得所述水池10内产生波浪，所述造流系统50用于使得所 述水池10内产生水流，所述造波系统40以及所述造流系统50均与所述风轮叶片221相对 设置、且位于所述风轮叶片221的同一侧，所述造波系统40以及所述造流系统50位于所述 水池10内的一端，所述造波系统40及所述造流系统50电性连接至所述控制装置。
[0028] 其中，本实用新型所述浮式风机运动性能的试验模型中涉及的浮式风电机组模型 20、水池10内的水流、水池10内的波浪及浮式风电机组模型20所处风场的风速等物理量 均按照模型试验缩尺相似方法得到，下面将对模型试验缩尺相似方法进一步介绍。
[0029] 由于浮式风力发电机组在运行中主要受到重力、惯性力和非定常流体力的作用， 如果在模型试验中忽略雷诺数的影响，认为风机的气动特性受雷诺数的影响不敏感，那么 可以参考传统海洋工程水动力模型试验的做法，按照浮式风电机组原型和试验模型之间满 足几何相似准则、重力相似准则（弗劳德数（Froude)相似）和非定常性相似准则（斯特劳 哈尔数（Strouhal)相似）来设计模型试验，因此得到如下的关系式：
[0030] ⑴
[0031] ?η、 (2)
[0032] 以上两式中的下标m代表模型，下标s代表原型，V、L和T分别为特征速度、特征 线尺度及主要周期。
[0033] 基于以上相似关系，可以推导求得浮式风电机组比例模型试验中模型与原型各种 物理量之间的转换系数，如表1所示，表中的转换系数为缩尺比λ的函数，λ定义为原型 和模型之间特征长度的比值，γ为海水和淡水密度之比。将原型数值除以表1中的比例系 数，就可以得到物理量的模型值。
[0034] 表1模型与原型各种物理量之间的转换关系
[0035]
[0036]
[0037] 本实用新型所述的浮式风机运动性能的试验模型，能通过水池 10、浮式风电机组 模型20、造风系统30、造波系统40以及造流系统50精确模拟风浪流海洋环境、结构柔性和 风机气动性能，因此具有较高的综合模型试验技术。相对于原型浮式风电机组测试试验，通 过本实用新型试验模型进行试验，能够提供相对真实准确的模型验