一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统

技术领域

本发明涉及岩土力学、结构动力学、海洋动力学、近海风电工程等领域，具体涉及一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统。

背景技术

近海海上风机在风、浪、潮流作用下的振动与控制研究至关重要。然而，由于风洞试验昂贵，大型水槽试验只能较好模拟波浪。目前可模拟风、浪、潮流共同作用的试验系统较少，部分研究所提出的伺服电机拉线加载属于接触式模拟，该方式只能较好输出的稳态正弦波，与实际脉动风的非平稳特征不同。此外，潮流的模拟往往需要在大量水流作用，在试验条件下很不经济。

基于上述情况，本发明提出了一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统，可有效解决以上问题。

发明内容

针对上述关键难题，本发明提出了一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统。该系统构建了近海海上风机在脉动风、波浪、潮流等复杂荷载的加载模拟系统，可实现单独及耦合加载，并能实现长期非接触式变频加载，满足海上风机各类复杂工况的模拟。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统，包括：

模型槽，所述模型槽的左右两侧分别设有第一通水箱和第二通水箱，且两侧通水箱通过设置在模型槽底部的连接通道相连通；

造波机，靠近第一通水箱附近设置，通过调节造波机上下运行的幅值和频率产生不同浪高和波长的波浪；

潜水泵，靠近第二通水箱附近设置，用于模拟潮流不同的流向，在系统内部实现水流正循环或反循环；

风机，设置于第一通水箱和第二通水箱之间；以及

电磁加载系统，与风机相隔一定距离设置，用于在非接触条件下模拟脉动风的非稳态特征。

本发明潮流作用的模拟是通过在模型内部实现循环水流模拟的，水流的循环通过潜水泵产生水头差实现，潮流流速的控制是通过调整阀门大小改变系统总流量实现的。

本发明潜水泵的数量根据实际工况计算得出，当流速较大时可采用较大功率的潜水泵。

本发明可以模拟潮流不同的流向，当需要模拟涨、退潮时潮流方向的不同，改可变潜水泵泵出方向，调整进水口为出水口，在系统内部实现水流反循环。

本发明风荷载的非接触模拟是通过在电磁加载系统实现的，通过调节交流电源的电压和频率产生不同的交变电磁场，进而模拟不同脉动风形成的非稳态水平循环荷载。

本发明风、波浪、潮流荷载可以单一施加，也可耦合施加，各加载装置均有单一模块控制，荷载单一控制模块可在任意时刻启闭。

优选的是，所述造波机包括造波板、连接臂和伺服电机，可通过伺服电机带动连接臂上下运动，使得与水平一定夹角的造波板产生波浪。

优选的是，所述风机的机舱内部设有强力磁铁，在远离强力磁铁一定距离处设有电磁加载系统的变频电磁加载装置，该变频电磁加载装置对强力磁铁产生作用，进而实现非接触式变频加载。

进一步优选的是，所述风机还包括叶片和基础支撑结构。

其中，基础支撑结构包括风机塔筒和风机基础，风机叶片不可采用集中质量法简化，风机基础与实际相同，可采用单桩、群桩或吸力桶式基础。

进一步优选的是，所述电磁加载系统还包括向变频电磁加载装置供电的交变电源和固定基座。

优选的是，所述第一通水箱和第二通水箱分别与连接通道的连接处设置有流量控制阀。

进一步优选的是，所述流量控制阀上配置有流量计。

优选的是，所述第一通水箱和第二通水箱的内侧分别设置有消浪板，以消除造波机产生波浪的反射效应。

优选的是，所述模型槽的前后表面均采用透明玻璃制成。

优选的是，整个模型槽采用硅胶密封。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

该系统实现了风荷载、波浪、潮流的模拟，各加载装置均有单一模块控制。其中风荷载的模拟采用了电磁加载系统，实现了加载系统与风机结构的完全分离，避免了加载系统对风机振动的约束作用，可在非接触条件下模拟脉动风的非稳态特征。其次，该模拟系统可实现内部水流循环，当需要模拟潮汐作用时，打开底部控制阀，通过精确把握循环水流的流量进而控制潮流流速。上述系统可单独模拟风、波浪、潮流荷载，也可对耦合工况进行同步或异步模拟。

附图说明

图1是本发明的海上风机复杂荷载模拟系统整体示意图；

图2是本发明的海洋环境模型槽俯视图；

图3是本发明的非接触式变频加载系统示意图；

图4是本发明的循环水流流量控制装置示意图。

附图标记：1-模型槽，2-第一通水箱，3-消浪板，4-造波机，5-透明玻璃，6-模拟海水及海洋地层，7-叶片，8-机舱，9-基础支撑结构，10-变频电磁加载装置，11-潜水泵，12-第二通水箱，13-流量控制阀，14-连接臂，15-造波板，16-风机基础平面位置，17强力磁铁，18-固定基座，19-交变电源，20-流量计，21-连接通道。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图1～4和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1所示，模型槽1的左右两侧分别设有第一通水箱2和第二通水箱12，且两侧通水箱通过设置在模型槽1底部的连接通道21相连通；第一通水箱2和第二通水箱12两者即可作为进水箱也可作为出水箱使用，进、出水箱视潮流方向而定，本实施例将第一通水箱2作为进水箱使用，第二通水箱12作为出水箱使用，水流循环时出水箱水位略高于进水箱。在第一通水箱2和第二通水箱12的内侧分别设置有消浪板3，以消除造波机4产生波浪的反射效应，避免在模型槽1内产生波浪叠加，造成试验环境失控。模型槽1前后侧面均采用透明玻璃5制成，可以较好观测模拟海水及海洋地层6的情况，透明玻璃5可为钢化玻璃或有机玻璃。

如图2所示，造波机4通过伺服电机带动连接臂14上下运动，通过与水平一定夹角的造波板15产生波浪。风机基础平面位置16可根据实际风机基础选择单桩或者群桩形式，潜水泵11的数量根据计算得到的潮流流速、流量选择。

如图1和3所示，风机包含叶片7、机舱8和基础支撑结构9(塔筒及基础)。电磁加载系统包括变频电磁加载装置10、交变电源19和固定基座18。其中，在机舱8内部放置强力磁铁17与变频电磁加载装置10产生作用，变频电磁加载装置10与固定基座18连接牢固。变频电磁加载装置10连接交变电源19，通过调整交变电源19的电压及频率控制交变电磁场，进而实现非接触式变频加载。

如图4所示，所述第一通水箱2和第二通水箱12分别与连接通道21的连接处设置有流量控制阀13，并在所述流量控制阀13上配置有流量计20。第二通水箱12(出水箱)的水流通过流量控制阀13进入模型槽1底部，通过流量计20精确控制流量，通过流量计20监测稳态循环时的水流量，通过模型断面面积换算得到平均潮流速度。

海上风机复杂荷载模拟系统具体的试验过程如下：

1)根据实际海况设计模型槽，模型槽缩尺尺寸长度方向应不小于实际风机间距，宽度方向应满足边界上不产生非稳定绕流。

2)根据实际工程条件设计海床地层，可使用黏土、粉土或者砂土制作，制作完成后需在饱和状态下压实至指定密度并完成固结。

3)按实际尺寸设计风机模型，风机模型塔筒应符合抗弯刚度等效原则，然后将风机模型置于模型槽中部，可采用压入或者打入方式。

4)将造波机、电磁加载系统、潜水泵置于相应位置，在模型槽中注入按实际海深换算的海水，不考虑腐蚀性研究时可用自来水代替。

5)在模型槽两端放置消浪板，打开模型槽底部的流量控制阀。

6)将造波机、电磁加载系统、潜水泵均开启至预热状态，在系统内部形成较小幅值的波浪和低流速水流，一定时间后模型达到初始试验条件。

7)按水动力学、空气动力学相似关系换算得到所模拟的波浪强度，潮流流速，脉动风等效强度、频率等试验加载控制指标。

8)启动荷载模拟系统，按设计工况模拟不荷载组合下荷载输出，调整模拟系统电压或频率，改变荷载频率、幅值、浪高、流速等至所需试验数值。

9)启动监测设备记录试验数据，得到风机振动、基础位移、泥面转角等设计指标的发展规律。

本发明基于非接触加载原理，设计了电磁式变频控制系统模拟风荷载的作用，实现了荷载施加系统与风机结构的完全分离。采用造波机上下运动产生不同波长和波高的波浪。采用潜水泵形成压力差并将水排入出水池，打开模型箱底部阀门，在模型内部形成循环水流，可模拟潮流对风机基础的作用。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种适用于海上风机复杂荷载模拟的非接触式变频加载系统，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。