本實用新型涉及一種用以研究海上浮式風力機運動性能的試驗裝置。

背景技術：

目前海上風電的浮式基礎主要采用了現有海洋工程中的大型采油平臺設計技術。然而，海上風電浮式基礎與深海采油平臺的載荷差異很大，關鍵差別是海上風電浮式基礎涉及到風載荷，包括風機葉片運轉誘導的氣動載荷和塔柱風壓，且風載荷和浮式基礎的運動相互影響。因此，海上風電浮式基礎的運動及其系泊系統的受力比常規油氣開采平臺的運動及其系泊系統的受力更加復雜。對于大型浮式垂直軸風力機系統，風機的塔柱和葉片為典型的柔性結構，除了以較高頻率振動外還隨浮式基礎一起運動，浮式基礎的大幅運動將影響風機結構的剛度，使風機結構的固有頻率隨浮式基礎的運動而改變，發生“動力剛化”或“動力柔化”效應，而浮式基礎的運動又與風載荷、波浪載荷、系泊纜載荷等有關且不同的運動自由度之間存在非線性耦合，機理非常復雜。有必要設計可以研究靜水和不同波浪周期、波高下浮式垂直軸風力機系統的垂蕩、縱搖運動響應的浮式垂直軸風力機模型運動測量裝置。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于設計一種浮式垂直軸風力機模型的運動測量裝置，用以模擬和測量海上浮式垂直軸風力機在海洋環境下的運動響應。技術方案如下：

一種浮式垂直軸風力機模型運動測量裝置，所應用的浮式垂直軸風力機模型包括轉子系統以及浮式基礎系統兩個部分，所述的轉子系統包括塔柱2、風機葉片1以及軸系3，轉子系統通過軸系3與浮式基礎11相連接，浮式基礎系統包括上部浮力艙9、主動壓載艙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下部與主動壓載艙4相互連通，桁架6固定連接在主動壓載艙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；在主動加載艙4外圍邊緣以一定間隔設置四條系泊纜繩8；軸系3置于上部浮力艙 9以及主動壓載艙4內部，其特征在于，

所述的運動測量裝置包括計算機、LED燈板14、攝像頭15和浪高儀，LED燈板14 至少包含三個紅外光點，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算機相連；浪高儀采集的液面變化數據通過通道數據采集儀被傳送至計算機。

本實用新型的非接觸式運動測量裝置，再輔以圖像處理及計算軟件，可以精確測量浮式風力機系統運動的時域響應，便于試驗的操作，有助于提高精度和效率。在進行運動響應的測量中，運用浪高儀記錄波浪的情況，使結果相互驗證，提高實驗結果的準確性。

附圖說明

圖1為本實用新型的浮式垂直軸風力機模型主體示意圖；

圖2為本實用新型的浮式垂直軸風力機模型俯視圖；

圖3為本實用新型的模型運動測量試驗裝置正視圖；

圖4為本實用新型的模型運動測量試驗裝置俯視圖；

圖5為垂蕩自由衰減運動曲線圖；

圖6為垂蕩、縱搖自由衰減運動曲線圖；

圖7為垂蕩、響應曲線圖；

圖8為垂蕩、縱搖響應曲線圖。

圖中：1、風機葉片；2、風機塔柱；3、軸系；4、主動壓載艙；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；12、系泊系統； 13、拖車；14、LED發光板；15、攝像頭；16、石墩。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進行詳細描述。

由圖1-圖2所示為浮式垂直軸風力發電機模型，主要分為了轉子系統以及浮式基礎系統兩個部分，所述的轉子系統主要分為了塔柱2、風機葉片1以及軸系3，轉子系統通過軸系3與浮式基礎相連接；浮式基礎主要由上部浮力艙9、主動壓載艙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等間距設置在主動壓載艙 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壓載艙4底部以及底部壓載艙7上表面，在整個裝置最下部設置底部壓載艙7，為了保證浮式風力機的重心低于浮心，可以在主動壓載艙4以及底部壓載艙7內加載重物，從而保證風力機正常漂浮在水面上；在主動加載艙4外圍邊緣以一定間隔設置四條系泊纜繩8，系泊采用半張緊的懸鏈線型結構，即在每個系泊上都采用錨鏈-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。

對模型試驗，模型由浮式支撐基礎和上部風機組成，本模型采用1:75的縮尺比，在滿足幾何相似、重力相似(弗汝德數相等)和動力相似(斯特哈羅數)的條件下進行模型實驗，可以實現關于浮式風力機系統運動的研究測量。

葉片材料選擇巴爾杉木，根據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，將葉片與風機塔柱通過螺栓固定。根據原型與模型間的比例關系，計算得到模型的重量、重心位置和轉動慣量(繞重心橫軸)；通過配置壓載鐵的方法，來調整模型的重量、重心位置和轉動慣量，重心及慣性矩。

系泊鏈是由鋼絲繩、微型錨鏈和彈簧構成。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21在重心位置通過多點系泊12的方式固定到試驗水池中央，在浮式基礎頂端安裝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。在試驗過程中，攝像頭與非接觸式運動測量儀相連接，通過捕捉LED燈板上三個紅外線發光點的運動情況，得出浮式基礎六個自由度運動的情況。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)將造波得到的信號傳輸至數據采集儀，監控波浪的歷程曲線。由圖4可明確浮式基礎的具體系泊方式以及波浪方向。

在試驗開始前，首先要對浪高儀和運動測量裝置分別單獨進行力學和光學標定。試驗開始前，需連接好波高儀、非接觸式運動測量裝置，它們分別為波浪、浮式基礎運動的觀測系統。

試驗過程中，通過造波機制造規則波浪，通過波高儀采集波浪數據，并通過非接觸式運動測量裝置采集浮式基礎在波浪中六個自由度的運動數據。采集到足夠的數據后，分別停止造波與采集，通過改變波高、波長以改變試驗的環境工況，研究浮式基礎在海洋環境下垂蕩、縱搖運動響應。