一种漂浮式风机水池试验模型及其垂荡板优选方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种漂浮式风机水池试验模型及其垂荡板优选方法。

背景技术

随着海上风机向深远海、大型化发展，漂浮式风机应运而生。与固定式风机相比，浮式风机安装在带有系泊系统的漂浮式平台上，平台稳定性将直接影响风机发电效率。垂荡板作为阻尼装置可有效抑制平台运动，不同结构形式的垂荡板将改变平台的固有周期和阻尼系数。因此，针对风机和平台，设计、优选垂荡板是漂浮式风机选型过程中的重要环节。

在风机投入运行前需进行水池模型试验，先进的水池模型试验技术可精准预测机组在真实海况下的水动力性能。同时，水池模型试验研究可推动浮式风机组结构选型及优化，推进风力发电产业的应用落地与快速发展。然而，受限于试验方法设计和模型加工技术，当前水池试验模型中通常将漂浮式平台和垂荡板作为一体化结构进行设计制作，这难以服务于垂荡板性能比对与优选工作。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可拆卸垂荡板的漂浮式风机水池试验模型及其垂荡板优选方法，为浮式风机的选型服务。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何为漂浮式风机水池试验模型选择合适的垂荡板

为实现上述目的，本发明提供了一种漂浮式风机水池试验模型，其特征在于，包括漂浮式风机平台模型和垂荡板，其中，漂浮式风机平台模型包括风机、立柱和浮筒，所述立柱的数量为3个，3个所述立柱呈等边三角形布置，所述垂荡板设置在每一个所述立柱的底部，所述风机安装在其中一个所述立柱的上端，所述立柱之间通过所述浮筒相连。

进一步地，所述漂浮式风机平台模型还包括横撑和斜撑，所述横撑固定在所述立柱之间，所述横撑设置在所述浮筒的上方，所述斜撑与所述横撑和所述立柱固定连接。

进一步地，所述漂浮式风机平台模型还设有凹槽，所述凹槽设置在所述漂浮式风机平台模型上与所述垂荡板连接的位置，所述凹槽的厚度与所述垂荡板的厚度相同。

进一步地，所述垂荡板为圆形结构或方形结构。

进一步地，在所述漂浮式风机平台模型的底部和所述垂荡板上设有螺纹孔，所述垂荡板与所述漂浮式风机平台模型之间通过螺栓可拆卸的连接在一起。

进一步地，所述螺纹孔设置在所述垂荡板和所述漂浮式风机平台模型的导缆孔交叉的位置，在所述螺纹孔的开孔处设置了密封防水。

进一步地，所述垂荡板还设有与所述浮筒重合的长方形部分。

进一步地，所述漂浮式风机水池试验模型的内部由木头制成，表面铺设玻璃钢材料。

进一步地，所述垂荡板采用碳纤维材料制成。

一种漂浮式风机水池试验模型的垂荡板优选方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据所述垂荡板直径和漂浮式风机平台立柱直径的比、所述垂荡板的底面积和所述漂浮式风机平台与所述垂荡板的底面接触面积的比，设计多套不同结构的垂荡板；

步骤2、加工制作所述漂浮式风机平台的模型和所述垂荡板的模型；

步骤3、在所述漂浮式风机平台的模型上更换不同的所述垂荡板的模型，在水池中进行自由衰减试验，获得所述漂浮式风机平台模型的固有周期和阻尼系数；

步骤4、选择使所述漂浮式风机平台固有周期远离波浪激励频率，且阻尼系数大的垂荡板；

步骤5、确定所述漂浮式风机平台的结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、在现有技术中，风机水池试验模型中垂荡板和浮式平台为一体化结构，而垂荡板决定了浮式风机系统的运动性能，对于风机设计尤为重要，而当前的模型设计及加工技术难以服务于垂荡板性能对比与优选工作。本发明依据傅汝德相似定律和水动力学的原理，根据搭载风机组和风机服役环境设计了若干待选垂荡板方案，并通过衰减测试获得不同垂荡板的浮式风机平台基础水动力学性能，从而选出最优垂荡板。本发明可实现不同垂荡板浮式风机的性能测试，优选出性能最佳的垂荡板，为浮式风机平台结构选型服务。

2、在浮式风机的水池试验模型中垂荡板安装更换困难。本发明根据机械设计原理，通过特定的开孔和凹槽设计，采用创新性的连接方式和模型加工技术，可轻松实现水池试验模型中垂荡板的更换，完成多种垂荡板的水动力性能测试。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种漂浮式风机水池试验模型的漂浮式风机平台模型主视图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种漂浮式风机水池试验模型的垂荡板与漂浮式风机平台模型底部孔位设计图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种漂浮式风机水池试验模型的垂荡板与漂浮式风机平台模型装配图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种漂浮式风机水池试验模型的垂荡板优选方法流程图；

其中，1-漂浮式风机平台模型，11-立柱，12-浮筒，13-横撑，14-斜撑，2-垂荡板，21-第一垂荡板，22-第二垂荡板，23-第三垂荡板，24-第四垂荡板，3-连接开孔，4-凹槽，5-风机。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1及图3所示，一种可拆卸垂荡板的漂浮式风机水池试验模型，结构包括：三立柱半潜式的漂浮式风机平台模型1、垂荡板2、连接开孔3、凹槽4和风机5。漂浮式风机平台模型1由3个立柱11、浮筒12、横撑13和斜撑14组成，3个立柱11呈等边三角形布置。为保证水池试验中波浪力与惯性力的比，漂浮式风机平台模型1基于傅汝德数(Fr)相似加工制作，原型和模型之间满足

垂荡板2的大小、厚度、安装位置等参数会影响阻尼效果，根据经验，垂荡板安装在漂浮式风机平台底部效果最佳。如图2所示，本发明针对漂浮式风机半潜平台模型，设计制作了4套垂荡板模型，厚度均为2mm。其中第一垂荡板21为圆形结构，第二垂荡板22在第一垂荡板21的基础上，增加了与浮筒12重合的长方形部分。第三垂荡板23为方形结构，第四垂荡板24在第三垂荡板23的基础上增加了与浮筒12重合的长方形部分。定义垂荡板2与漂浮式风机平台模型1的平台重合面积的大小的比值为A，其中A

垂荡板2采用碳纤维材料加工制作，具有比重小、疲劳强度高的优点，可以在不增加系统排水量的同时提高浮式平台稳性。为方便拆卸，在垂荡板2和漂浮式风机平台模型1的平台底部设计16个大小为M5的连接开孔3，连接开孔3为螺纹孔，垂荡板2和漂浮式风机平台模型1的平台底部通过螺栓连接，并在开孔处密封防止模型漏水。考虑到水池试验模型中系泊系统的安装问题，连接开孔3设计在垂荡板2和导缆孔的交叉位置，避免在水池试验更换垂荡板过程中与锚链冲突。

为避免在风浪流耦合作用下，漂浮式风机平台模型1和垂荡板2之间的相互激励作用，在漂浮式风机平台模型1的平台底部和垂荡板2的连接位置处设计厚度为2mm的凹槽4，如图3中黑色细线所示，连接位置其余部分的厚度为4mm。通过凹槽设计使垂荡板2和漂浮式风机平台模型1形成一个稳定的一体化结构，保证模型整体结构强度，凹槽4的厚度与垂荡板2的厚度相同。

垂荡板优选方法及流程如图4所示，在水池中进行漂浮式风机-垂荡板一体化模型自由衰减测试，对于较小的初始位移，平台运动可以描述为：

本发明通过漂浮式风机平台水池试验模型的设计及加工方法，可为漂浮式风机结构选择最优垂荡板，使漂浮式风机具有良好的运动性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。