一种固定式海上风机模型试验装置

1.本发明涉及海洋工程技术试验领域，具体涉及一种固定式海上风机模型试验装置。


背景技术：

2.风力发电不依赖矿物能源，成本稳定。与陆地相比，海上风能资源丰富、空间区域广阔、持久稳定，同时具有开发效率高、环境污染小、风湍流强度小、风切变小、不占用耕地资源、各种干扰限制少等优势，日益成为清洁能源中最具开发条件和最有广阔发展前景的发电方式，海上风力发电机主要是固定式海上风机。固定式海上风机自重较小，上部结构高耸，受到风、波浪、冰、地震等海洋环境荷载作用，风机基础承受巨大的水平荷载。近年来，为了降低能源的平均成本，海上风机向着大型化方向发展，单机容量持续增加，风机整体尺寸相应增大，其承受的气动荷载、波浪荷载等也随之呈非线性迅速增加。
3.物理模型试验是研究海上风机结构最为直接的技术手段，开展海上风机模型实验时，风浪等海洋环境荷载的精确加载是一大技术难点。现有技术中模型试验装置的作动机构，与风机模型刚性连接，加载的位置和方向有限制，且受作动机构刚性连接的限制导致附加质量对试验结果产生较大影响，无法真实地反映模型试验装置获得结果的精确性。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种固定式海上风机模型试验装置，为此，提供了以下技术方案。
5.本发明提供了一种固定式海上风机模型试验装置，具有这样的特征，包括：箱体，设置在水平地面上；风机模型，包括风机基础，风机基础设置在箱体中；非接触式作动机构；以及检测机构，用于对风机模型进行实时数据采集，其中，非接触式作动机构包括旋转部和作动部，旋转部设置在水平地面上，作动部可绕风机模型旋转地设置在旋转部上，用于通过电磁作用对风机模型施加模拟载荷。
6.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，旋转部包括固定底座、多根固定杆、至少一根立杆以及旋转底座，固定底座通过多根固定杆设置在水平地面上，旋转底座可旋转地设置在固定底座上，立杆沿竖直方向设置在旋转底座上。
7.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，作动部包括永磁铁组件、电机、铁芯以及至少一个线圈，永磁铁组件可上下移动地设置在风机模型上，电机与线圈连接，用于产生感应电流，铁芯呈空心圆柱状，可上下移动地套设在立杆上，线圈绕设在铁芯上，用于在感应电流的作用下产生磁场，从而对永磁铁组件施加载荷。
8.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，永磁铁的质量小于风机模型重量的5％。
9.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，非接触式作动机构还包括控制部，控制部包括控制主机和电机驱动器，控制主机与电机驱动器连接，电机驱动器用于控制电机产生的感应电流的大小和方向。
10.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，箱体内填充有土体，土体用于模拟海床环境，箱体内壁和土体之间依次设置有隔振减振材料和泡沫板，隔振减振材料和泡沫板用于减弱箱体的边界效应对试验的影响。
11.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，风机模型包括风机主体和法兰盘，风机主体包括塔筒、叶片、机舱以及轮毂，机舱可拆卸地设置在塔筒的顶端，叶片通过轮毂可拆卸地与机舱连接，法兰盘用于可拆卸地连接风机主体和风机基础。
12.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，隔振减振材料和泡沫板的厚度范围均为10mm～20mm。
13.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，检测机构包括数据采集仪和弯矩应变片，弯矩应变片与数据采集仪连接，设置在法兰盘处，用于测量风机模型在模拟载荷作用下所受到的弯矩。
14.在本发明提供的固定式海上风机模型试验装置中，还可以具有这样的特征：其中，检测机构还包括激光位移传感器和固定支架，激光位移传感器设置在固定支架上与数据采集仪连接。
15.发明的作用与效果
16.根据本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置，包括箱体、底部设置在箱体中的风机模型、非接触式作动机构以及检测机构。其中，非接触式作动机构包括旋转部和作动部，旋转部设置在水平地面上，作动部可绕风机模型旋转地设置在旋转部上，用于通过电磁作用对风机模型施加模拟载荷，能够实现在不同位置和不同方向上对风机模型进行加载，检测机构能够对在模拟载荷作用下的风机模型进行实时数据采集。
17.因此，本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置具有结构简单和试验结果准确的特点，能够实现在不同位置和不同方向上对风机模型进行加载，能够解决现有技术中刚性连接的作动结构的限制导致附加质量对试验结果产生较大影响的问题。
附图说明
18.图1是本发明的实施例中固定式海上风机模型试验装置的结构示意图；
19.图2是本发明的实施例中圆柱状箱体的俯视图；
20.图3是本发明的实施例中长方体状箱体的俯视图；
21.图4是本发明的实施例中风机模型的结构示意图；
22.图5是本发明的实施例中固定底座的结构示意图；
23.图6是本发明的实施例中旋转底座的结构示意图；
24.图7是本发明的实施例中永磁铁组件的结构示意图；
25.图8是本发明的实施例中模拟载荷和负载载荷的对比图；以及
26.图9是本发明的实施例中风机模型固定在混凝土块的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明固定式海上风机模型试验装置作具体阐述。
28.《实施例》
29.图1是本发明的实施例中固定式海上风机模型试验装置的结构示意图。
30.如图1所示，本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置100包括箱体10、风机模型20以及非接触式作动机构30。
31.图2是本发明的实施例中圆柱状箱体的俯视图。
32.图3是本发明的实施例中长方体状箱体的俯视图。
33.如图2和图3所示，箱体10设置在水平地面上，呈圆柱状或长方体状，且表面进行防腐处理，能够延长使用寿命。箱体10的内部填充有土体11，土体11能够模拟海床环境，使得试验环境更加真实，且能够适用于具有不同风机基础的风机模型20。在本实施例中，土体11采用日本丰浦砂干砂，采用落雨法进行分层填筑，保持每次固定落距从一定高度均匀撒入，每填筑100mm后对土体11进行抹平处理，填筑直至桩基础顶部高度处停止。
34.箱体10的尺寸，满足如下公式：
35.15d《l(r)《30d
36.h+8d《h《h+20d
37.其中，d为风机模型20的基础直径，l为长方体状箱体10的底面边长，r为圆柱状箱体10的底面直径，h为风机模型20的基础高度，h为箱体10的高度。在本实施例中，箱体10呈长方体状，箱体10的长度为1100mm，宽度为1100mm，高度为800mm，
38.在箱体10内壁和土体11之间依次铺设有隔振减振材料12和泡沫板13，在后续试验中，风机模型20在模拟载荷的作用下发生振动，振动波传播到箱体10边界的过程中，隔振减振材料12和泡沫板13能够吸收振动波，减少振动波的反射，从而消减箱体10的边界效应对试验的影响。在本实施例中，隔振减振材料12选择duxseal，duxseal是一种橡胶混合物工业填料，硬度低，具有较好的阻尼性能，在实际应用中，还可以根据实际使用需要选择其他隔振减振材料12。隔振减振材料12和泡沫板13的厚度范围均为10mm～20mm，在本实施例中，隔振减振材料12和泡沫板13的厚度均为15mm。
39.图4是本发明的实施例中风机模型的结构示意图。
40.在本实施例中，风机模型20是根据几何相似和动力相似准则，对nrel-5mw型号的固定式海上风机进行1：100进行模型缩尺，从而制得风机模型20。如图4所示，风机模型20包括风机主体21、风机基础22以及法兰盘23。风机主体21包括塔筒211、叶片212、机舱213以及轮毂214，机舱213可拆卸地设置在塔筒211的顶端，叶片212通过轮毂214可拆卸地与机舱连接。风机基础22根据现实海洋情况中水深分为多种风机基础22，在本实施例中，风机基础22埋设在土体11中，土体11能够固定多种风机基础22，从而实现对比试验，法兰盘23能够可拆卸地连接风机主体21和风机基础22。在本实施例中，风机模型20的材质为金属铝，金属铝具有不导磁性。在本实施例中，可拆卸的叶片212、机舱213以及轮毂213使得能够替换成等效集中质量块做对比试验，可拆卸的风机基础22使得能够替换不同的安装固定做风机边界条件对比试验。
41.图5是本发明的实施例中固定底座的结构示意图。
42.图6是本发明的实施例中旋转底座的结构示意图。
43.非接触式作动机构30包括旋转部31，如图5和图6所示，旋转部31固定底座311、多根固定杆312、旋转底座313以及至少一根立杆314。固定底座311呈圆柱状，且中心开设有可供风机基础22穿过的第一通孔3111。多根固定杆312沿竖直方向的一端固定在水平地面上，另一端可拆卸地设置在固定底座311的下底面，使得旋转部31不与箱体10接触，消减外界干扰。旋转底座313呈圆柱状，下底面具有和第一通孔3111相适配的凸缘3131，旋转底座313通过凸缘3131设置在第一通孔3111内从而可绕风机模型20旋转360
°
地设置在固定底座311上，旋转底座313的中心还开设有可供风机基础22穿过的第二通孔3132。在本实施例中，立杆314的个数为两个，两个立杆314沿竖直方向设置在旋转底座313的上底面，且互相对称地设置在第二通孔3132的两侧。
44.图7是本发明的实施例中永磁铁组件的结构示意图。
45.非接触式作动机构30还包括作动部32，作动部32可绕风机模型20旋转地设置在旋转部31上，作动部32包括永磁铁组件321、至少一个铁芯322、至少一个线圈323以及电机324。如图7所示，永磁铁组件321包括两个永磁铁3211和铝框架3212，两个永磁铁3211通过铝框架3212可上下移动地设置在风机模型20的风机主体21上，且永磁铁可沿铝框架3212滑动地设置在铝框架3212上，永磁铁组件321的质量小于风机模型20重量的5％，在本实施例中，永磁铁组件321为钕铁硼磁铁，且质量为风机模型20质量的4.5％，设置在风机主体21机舱下方200mm处，在实际应用中，可选用其他永磁铁，且永磁铁的位置和方向能够根据模拟载荷的加载位置和加载方向进行调整。在本实施例中，铁芯322的个数为两个，呈空心圆柱状，两个铁芯322分别可上下移动地套设在两个立杆314上，从而实现不同高度的加载。在本实施例中，线圈323的个数为两个，两个线圈323分别绕设在铁芯322上。在本实施例中，电机324为直线电机，电机324与两个线圈323连接，通电后电机324产生感应电流，两个线圈323在感应电流的作用下产生磁场，对永磁铁组件321施加载荷，从而对风机模型20施加模拟载荷。
46.非接触式作动机构30还包括控制部33，控制部33包括控制主机331和电机驱动器332，在本实施例中，控制主机331为电脑，控制主机331与电机驱动器332连接，电机驱动器332与电机324连接，控制主机331能够通过电机驱动器332控制电机324产生感应电流的大小和方向，从而改变模拟载荷的大小和方向，实现动态加载。在本实施例中，电机驱动器332的最大载荷加载为100n，最大加载频率为100hz。
47.在本实施例中，本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置100还包括检测装置40，检测装置40包括数据采集仪41、弯矩应变片、激光位移传感器以及固定支架。数据采集仪41与控制主机331连接，还与弯矩应变片和激光位移传感器连接，数据采集仪41能够对在模拟载荷下的风机模型进行实时数据采集。在本实施例中，弯矩应变片设置在法兰盘23处，能够测量风机模型20在模拟载荷作用下所受的弯矩。激光位移传感器设置在固定支架上，与风机模型20的顶部处于同一水平位置，在本实施例中，激光位移传感器采用德国wenglor牌型号为cp08mht80的激光位移传感器，精度为8μm，激光位移传感器与风机模型20顶部相距50mm。
48.图8是本发明的实施例中模拟载荷和负载载荷的对比图。
49.在本实施例中，根据永磁铁组件321的位置，调节立杆314的旋转角度，从而实现不
同方向和不同高度的载荷加载，然后控制主机331根据实验所需的模拟载荷，输出荷载时间序列数据信号至电机驱动器332中，经电机驱动器332信号转换，输入并驱动电机324连接的两个线圈323产生感应电流，从而产生磁场，吸引或排斥固定在风机模型上的永磁铁组件321，实现模拟载荷的非接触式加载，数据采集仪41将采集得到的风机模型20所受弯矩和顶部位移，从而在控制主机331中生成模拟载荷和风机模型20所受负载载荷的对比图，如图7所示，横轴表示时间，纵轴表示载荷大小，可见模拟载荷和负载载荷基本相同。在本实施例中，控制主机331根据实验所需能够加载的模拟载荷波形包括斜坡波形、正弦波形、三角波形、矩形波形以及高达1000000个归一化点的自定义波形，自定义波形的加载通过自定义输入不规则随机载荷时间序列数据，能够还原实际海况条件下海风和海浪等环境对海上风机的作用规律。
50.图9是本发明的实施例中风机模型固定在混凝土块的结构示意图。
51.在本实施例中，还可以直接将风机模型20刚性固定在混凝土块上，如图9所示，从而实现风机模型20忽略结构-土体相互作用简化为底部完全刚性固定的对比试验。在本实施例中，还能够将叶片212、机舱213以及轮毂214替换成等质量的集中质量块，设置在塔筒211的顶端，从而进行风机模型顶部复杂结构简化的对比试验。
52.实施例的作用与效果
53.根据本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置，包括箱体、底部设置在箱体中的风机模型、非接触式作动机构以及检测机构。其中，非接触式作动机构包括旋转部和作动部，旋转部设置在水平地面上，作动部可绕风机模型旋转地设置在旋转部上，用于通过电磁作用对风机模型施加模拟载荷，能够实现在不同位置和不同方向上对风机模型进行加载，检测机构能够对在模拟载荷作用下的风机模型进行实时数据采集。因此，本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置具有结构简单和试验结果准确的特点，能够实现在不同位置和不同方向上对风机模型进行加载，能够解决现有技术中刚性连接的作动结构的限制导致附加质量对试验结果产生较大影响的问题。
54.进一步地，非接触式作动机构中，永磁铁组件设置在风机模型上，电机在电机驱动器的驱动下产生感应电流，线圈绕设在铁芯上产生磁场，从而对永磁铁施加模拟载荷，实现非接触式加载载荷，有利于解决现有技术中刚性连接的作动结构的限制导致附加质量对试验结果产生较大影响的问题。
55.进一步地，永磁铁组件可上下移动地设置永磁铁通过铝框架可移动地设置在风机模型的风机主体上，线圈套设在铁芯上，铁芯可上下移动地套设在立杆上，立杆可绕风机模型旋转地设置在旋转部上，因此，本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置能够实现在不同位置、不同方向以及不同高度上对风机模型进行加载。
56.进一步地，控制主机与电机驱动器连接，电机驱动器与电机连接，控制主机能够通过电机驱动器控制电机产生感应电流的大小和方向，从而改变模拟载荷的大小和方向，因此本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置能够实现动态加载。
57.进一步地，控制主机能够根据实验所需加载的模拟载荷波形包括斜坡波形、正弦波形、三角波形、矩形波形以及高达1000000个归一化点的自定义波形，能够还原实际海况条件下海风和海浪等环境对海上风机的作用规律，因此本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置具有较广泛的应用范围。
58.进一步地，风机模型是根据几何相似和动力相似原则，对nrel-5mw型号的固定式海上风机进行1：100进行模型缩尺，从而制得风机模型，有利于提高本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置的试验结果的真实性。
59.进一步地，箱体内壁和土体之间设置有隔振减振材料和泡沫板，隔振减振材料和泡沫板能够吸收部分振动波，减少箱体边界对振动波的反射，从而减弱箱体的边界效应对试验的影响，箱体中土体能够对多种不同结构的风机基础进行固定，从而使本发明所提供的固定式海上风机模型试验装置能够完成多组对比试验。
60.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种固定式海上风机模型试验装置，其特征在于，包括：箱体，设置在水平地面上；风机模型，包括风机基础，所述风机基础设置在所述箱体中；非接触式作动机构；以及检测机构，用于对所述风机模型进行实时数据采集，其中，所述非接触式作动机构包括旋转部和作动部，所述旋转部设置在水平地面上，所述作动部可绕所述风机模型旋转地设置在所述旋转部上，用于通过电磁作用对所述风机模型施加模拟载荷。2.根据权利要求1所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述旋转部包括固定底座、多根固定杆、至少一根立杆以及旋转底座，所述固定底座通过多根所述固定杆设置在水平地面上，所述旋转底座可旋转地设置在所述固定底座上，所述立杆沿竖直方向设置在所述旋转底座上。3.根据权利要求2所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述作动部包括永磁铁组件、电机、铁芯以及至少一个线圈，所述永磁铁组件可上下移动地设置在所述风机模型上，所述电机与所述线圈连接，用于产生感应电流，所述铁芯呈空心圆柱状，可上下移动地套设在所述立杆上，所述线圈绕设在所述铁芯上，用于在所述感应电流的作用下产生磁场，从而对所述永磁铁组件施加载荷。4.根据权利要求3所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述永磁铁组件的质量小于所述风机模型重量的5％。5.根据权利要求3所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述非接触式作动机构还包括控制部，所述控制部包括控制主机和电机驱动器，所述控制主机与所述电机驱动器连接，所述电机驱动器用于控制所述电机产生的所述感应电流的大小和方向。6.根据权利要求1所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述箱体内填充有土体，所述土体用于模拟海床环境，所述箱体内壁和所述土体之间依次设置有隔振减振材料和泡沫板，所述隔振减振材料和所述泡沫板用于消减所述箱体的边界效应对试验的影响，所述隔振减振材料为duxseal。7.根据权利要求1所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述风机模型还包括风机主体和法兰盘，所述风机主体包括塔筒、叶片、机舱以及轮毂，所述机舱可拆卸地设置在所述塔筒的顶端，所述叶片通过所述轮毂可拆卸地与所述机舱连接，所述法兰盘用于可拆卸地连接所述风机主体和所述风机基础。8.根据权利要求6所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述隔振减振材料和所述泡沫板的厚度范围均为10mm～20mm。9.根据权利要求7所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：
其中，所述检测机构包括数据采集仪和弯矩应变片，所述弯矩应变片与所述数据采集仪连接，设置在所述法兰盘处，用于测量所述风机模型在所述模拟载荷作用下所受到的弯矩。10.根据权利要求9所述的固定式海上风机模型试验装置，其特征在于：其中，所述检测机构还包括激光位移传感器和固定支架，所述激光位移传感器设置在所述固定支架上与所述数据采集仪连接。

技术总结
本发明提供了一种固定式海上风机模型试验装置，其特征在于，包括：箱体，设置在水平地面上；风机模型，包括风机基础，风机基础设置在箱体中；非接触式作动机构；以及检测机构，用于对风机模型进行实时数据采集，其中，非接触式作动机构包括旋转部和作动部，旋转部设置在水平地面上，作动部可绕风机模型旋转地设置在旋转部上，用于通过电磁作用对风机模型施加模拟载荷。本发明所提供的海上风机模型试验装置具有结构简单和试验结果准确的特点，能够解决现有技术中刚性连接的作动结构的限制导致附加质量对试验结果产生较大影响的问题，能够自由调节载荷加载方向和高度，还原实际海况条件下海风和海浪等环境对海上风机的作用规律。海风和海浪等环境对海上风机的作用规律。海风和海浪等环境对海上风机的作用规律。


技术研发人员：张陈蓉 田抒平 黄茂松
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/4