本實(shí)用新型涉及一種用以研究海上浮式風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

目前海上風(fēng)電的浮式基礎(chǔ)主要采用了現(xiàn)有海洋工程中的大型采油平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)。然而，海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)與深海采油平臺(tái)的載荷差異很大，關(guān)鍵差別是海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)涉及到風(fēng)載荷，包括風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的氣動(dòng)載荷和塔柱風(fēng)壓，且風(fēng)載荷和浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)相互影響。因此，海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)及其系泊系統(tǒng)的受力比常規(guī)油氣開采平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及其系泊系統(tǒng)的受力更加復(fù)雜。對于大型浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的塔柱和葉片為典型的柔性結(jié)構(gòu)，除了以較高頻率振動(dòng)外還隨浮式基礎(chǔ)一起運(yùn)動(dòng)，浮式基礎(chǔ)的大幅運(yùn)動(dòng)將影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，使風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率隨浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)而改變，發(fā)生“動(dòng)力剛化”或“動(dòng)力柔化”效應(yīng)，而浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)又與風(fēng)載荷、波浪載荷、系泊纜載荷等有關(guān)且不同的運(yùn)動(dòng)自由度之間存在非線性耦合，機(jī)理非常復(fù)雜。有必要設(shè)計(jì)可以研究靜水和不同波浪周期、波高下浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型運(yùn)動(dòng)測量裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)測量裝置，用以模擬和測量海上浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)在海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。技術(shù)方案如下：

一種浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型運(yùn)動(dòng)測量裝置，所應(yīng)用的浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及浮式基礎(chǔ)系統(tǒng)兩個(gè)部分，所述的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括塔柱2、風(fēng)機(jī)葉片1以及軸系3，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過軸系3與浮式基礎(chǔ)11相連接，浮式基礎(chǔ)系統(tǒng)包括上部浮力艙9、主動(dòng)壓載艙4、桁架6、垂蕩板5、底部壓載艙7以及系泊纜繩8，上部浮力艙9下部與主動(dòng)壓載艙4相互連通，桁架6固定連接在主動(dòng)壓載艙4的底部與底部壓載艙7之間，垂蕩板5等間距固定在桁架6上；在主動(dòng)加載艙4外圍邊緣以一定間隔設(shè)置四條系泊纜繩8；軸系3置于上部浮力艙 9以及主動(dòng)壓載艙4內(nèi)部，其特征在于，

所述的運(yùn)動(dòng)測量裝置包括計(jì)算機(jī)、LED燈板14、攝像頭15和浪高儀，LED燈板14 至少包含三個(gè)紅外光點(diǎn)，并在LED燈板14附近固定攝像頭15，攝像頭15通過圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相連；浪高儀采集的液面變化數(shù)據(jù)通過通道數(shù)據(jù)采集儀被傳送至計(jì)算機(jī)。

本實(shí)用新型的非接觸式運(yùn)動(dòng)測量裝置，再輔以圖像處理及計(jì)算軟件，可以精確測量浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)，便于試驗(yàn)的操作，有助于提高精度和效率。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的測量中，運(yùn)用浪高儀記錄波浪的情況，使結(jié)果相互驗(yàn)證，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型主體示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)模型俯視圖；

圖3為本實(shí)用新型的模型運(yùn)動(dòng)測量試驗(yàn)裝置正視圖；

圖4為本實(shí)用新型的模型運(yùn)動(dòng)測量試驗(yàn)裝置俯視圖；

圖5為垂蕩自由衰減運(yùn)動(dòng)曲線圖；

圖6為垂蕩、縱搖自由衰減運(yùn)動(dòng)曲線圖；

圖7為垂蕩、響應(yīng)曲線圖；

圖8為垂蕩、縱搖響應(yīng)曲線圖。

圖中：1、風(fēng)機(jī)葉片；2、風(fēng)機(jī)塔柱；3、軸系；4、主動(dòng)壓載艙；5、垂蕩板；6、桁架； 7、底部壓載艙；8、系泊纜繩；9、上部浮力艙；10、電纜；11、浮式基礎(chǔ)；12、系泊系統(tǒng)； 13、拖車；14、LED發(fā)光板；15、攝像頭；16、石墩。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)行詳細(xì)描述。

由圖1-圖2所示為浮式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，主要分為了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及浮式基礎(chǔ)系統(tǒng)兩個(gè)部分，所述的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要分為了塔柱2、風(fēng)機(jī)葉片1以及軸系3，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過軸系3與浮式基礎(chǔ)相連接；浮式基礎(chǔ)主要由上部浮力艙9、主動(dòng)壓載艙4、桁架6、垂蕩板5、底部壓載艙7以及系泊纜繩8組成；兩塊正六邊形大面積垂蕩板5等間距設(shè)置在主動(dòng)壓載艙 4下，通過六根桁架立管6固定，桁架上下兩端分別固定在主動(dòng)壓載艙4底部以及底部壓載艙7上表面，在整個(gè)裝置最下部設(shè)置底部壓載艙7，為了保證浮式風(fēng)力機(jī)的重心低于浮心，可以在主動(dòng)壓載艙4以及底部壓載艙7內(nèi)加載重物，從而保證風(fēng)力機(jī)正常漂浮在水面上；在主動(dòng)加載艙4外圍邊緣以一定間隔設(shè)置四條系泊纜繩8，系泊采用半張緊的懸鏈線型結(jié)構(gòu)，即在每個(gè)系泊上都采用錨鏈-鋼纜-錨鏈的形式；所示電纜10通過上部浮力艙9、主動(dòng)壓載艙 4、垂蕩板5以及底部壓載艙7，連接到海底變電器，最終匯入電網(wǎng)。

對模型試驗(yàn)，模型由浮式支撐基礎(chǔ)和上部風(fēng)機(jī)組成，本模型采用1:75的縮尺比，在滿足幾何相似、重力相似(弗汝德數(shù)相等)和動(dòng)力相似(斯特哈羅數(shù))的條件下進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的研究測量。

葉片材料選擇巴爾杉木，根據(jù)葉片拋物線型值以及翼型截面型值制作葉片。葉片制作完成后，將葉片與風(fēng)機(jī)塔柱通過螺栓固定。根據(jù)原型與模型間的比例關(guān)系，計(jì)算得到模型的重量、重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(繞重心橫軸)；通過配置壓載鐵的方法，來調(diào)整模型的重量、重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，重心及慣性矩。

系泊鏈?zhǔn)怯射摻z繩、微型錨鏈和彈簧構(gòu)成。系泊鏈模型采用鋼絲繩，滿足了直徑幾何相似，但由于此時(shí)無法滿足單位長度重量相似，因此附加一段微型錨鏈。為了滿足拉伸剛度相似，添加了一段彈簧，將三段間接起來便組成了一根總的模擬系泊鏈。

如圖3中，浮式基礎(chǔ)21在重心位置通過多點(diǎn)系泊12的方式固定到試驗(yàn)水池中央，在浮式基礎(chǔ)頂端安裝LED燈板14，并水平安置攝像頭15，攝像頭15通過螺母固定在支架上，攝像頭支架另一端用木楔固定在拖車軌道上，攝像頭支架另一端用木楔固定在拖車軌道上。在試驗(yàn)過程中，攝像頭與非接觸式運(yùn)動(dòng)測量儀相連接，通過捕捉LED燈板上三個(gè)紅外線發(fā)光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，得出浮式基礎(chǔ)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的情況。使用浪高儀(圖中未畫出，為一根固定在上部浮力艙9的浪高測量桿)將造波得到的信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，監(jiān)控波浪的歷程曲線。由圖4可明確浮式基礎(chǔ)的具體系泊方式以及波浪方向。

在試驗(yàn)開始前，首先要對浪高儀和運(yùn)動(dòng)測量裝置分別單獨(dú)進(jìn)行力學(xué)和光學(xué)標(biāo)定。試驗(yàn)開始前，需連接好波高儀、非接觸式運(yùn)動(dòng)測量裝置，它們分別為波浪、浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的觀測系統(tǒng)。

試驗(yàn)過程中，通過造波機(jī)制造規(guī)則波浪，通過波高儀采集波浪數(shù)據(jù)，并通過非接觸式運(yùn)動(dòng)測量裝置采集浮式基礎(chǔ)在波浪中六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。采集到足夠的數(shù)據(jù)后，分別停止造波與采集，通過改變波高、波長以改變試驗(yàn)的環(huán)境工況，研究浮式基礎(chǔ)在海洋環(huán)境下垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。