一种研究风浪对风电机组影响的试验装置以及试验方法与流程

本发明涉及海洋工程技术领域，具体地说是涉及一种研究风浪对风电机组影响的试验装置以及试验方法。

背景技术：

风力发电已成为可再生能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。海上风电场具有高风速、低湍流、低风切变、高产出的优点，发展风力发电对于解决能源危机、减缓气候变化、调整能源结构有着非常重要的意义。

尽管海上风电场具有诸多优势,但是与陆上风电场相比，海上风电场的服役环境更加恶劣和复杂。现阶段国内外海上风电基础常用类型包括吸力式基础、单桩基础、桩基承台基础等，设计中需根据不同的水深与土壤性质选择合理的基础结构。基础上部结构由于受到风、浪等复杂水平荷载的作用并由上部结构传递至基础，可能会使基础出现不均匀沉降及水平方向位移，最终对其承载力造成影响。现有海上基础的研究大多针对海洋平台等结构基础的抗拔承载力特性研究，对于海上风电基础在风浪等复杂环境荷载作用下，承载力特性研究较少且存在局限性，因此研究风电基础在风、浪耦合作用下的动力响应及承载力特性对开发合理的结构，降低工程造价，推动海洋风能产业迅速发展有着重大的科学意义和现实意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种研究风浪对风电机组影响的试验装置以及试验方法，该试验装置能够比较真实地反应出风电机组在风浪耦合作用下的动力响应及承载力特性，操作简洁，实施方便。

技术方案：本发明提出一种研究风浪对风电机组影响的试验装置，包括可调倾角的座体、位于座体上的透明箱、风电机组模型、造浪泵、鼓风机组件和图像测试组件；所述透明箱底部铺设有透明土和位于透明土上方的水；所述风电机组模型包括叶片、桅杆和基础底座，所述基础底座埋设固定于所述透明土内；所述造浪泵固定于所述透明箱的内侧壁上，并位于水中制造人造水流；所述鼓风机组件置于所述透明箱外侧，用于向水和风电机组模型施加风压；所述图像测试组件置于所述透明箱的侧壁的外部拍摄记录透明土的动态演化。

进一步，所述鼓风机组件包括旋转支架和固定于所述旋转支架上的鼓风机。

进一步，所述旋转支架包括伺服电机、固定于伺服电机上的连杆以及固定于连杆上的夹具；所述鼓风机固定于所述夹具上。

进一步，所述鼓风机是可调速变频鼓风机，所述造浪泵是环流变频造浪泵。

进一步，所述座体包括水平放置的固定座和位于固定座上的转动安装槽；所述转动安装槽的一端通过水平转轴连接固定座；所述转动安装槽的相对另一端与所述固定座通过刚性支撑条连接；所述透明箱固定于所述转动安装槽内。

进一步，还包括覆盖在透明土上方的加压面板和压力加载设备；所述压力加载设备向加压面板和基础底座施加垂直向下的载荷。

进一步，所述图像测试组件包括工业相机和图像处理系统；所述工业相机通过数据线与图像处理系统连接；所述工业相机置于所述透明箱的侧壁的外部拍摄记录透明土的动态演化。

进一步，所述透明箱的材料为有机玻璃；所述透明箱的内侧壁上标有刻度。

上述的研究风浪对风电机组影响的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

s1、在透明箱内放入透明土和水，通过压力加载设备将透明土压至指定刻度处；按照试验要求调节透明箱的角度；

s2、使用压力加载设备将风电机组模型的基础底座压入固定于所述透明土内，并组装风电机组模型；

s3、设置旋转支架的转动参数和鼓风机的频率参数，模拟所需的风速风向；设置的造浪泵的频率模拟海浪荷载；

s4、利用工业相机按照一定频率对透明土进行拍摄，自动记录下透明土的动态演化现象，并通过图像处理系统进行分析。

有益效果：（1）本发明在透明箱底部外侧增加了角度可调底座，使得透明箱的角度可调整，可模拟水下边坡的角度进行试验，对于研究风浪对位于临海边坡上的风电机组的影响更准确；并且本发明可通过鼓风机设定不同的频率，模拟不同风荷载；通过旋转支架设定风向；通过造浪泵设定不同的浪流模式，模拟不同的波浪荷载；上述构造组合精准模拟出海洋风浪的复杂多变的状况，实验的可靠性强。

（2）本发明使用透明土进行试验，可直接观测土体的动态演化过程。

（3）本发明使用工业相机代替数码相机，记录透明土动态演化现象；使用图像处理系统分析透明土动力响应及承载力特性，能够有效地反映实际工况。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的风电机组模型结构示意图；

图4为本发明的风电机组模型爆炸图；

图5为本发明的鼓风机正视图；

图6为本发明的鼓风机俯视图；

图7为本发明的造浪泵正视图；

图8为本发明的造浪泵俯视图；

图9为本发明使用压力加载设备连接加压面板的示意图；

图10为本发明使用压力加载设备连接风电机组模型的基础底座的示意图。

图中，1.透明箱，2.造浪泵，3.控制设备，4.透明土，5.水，6.叶片，7.桅杆，8.基础底座，9.旋转支架，10.鼓风机，11.工业相机，12.图像处理系统，13.固定座，14.转动安装槽，15.刚性支撑条，16，压力加载设备，17.加压面板。

具体实施方式

本发明提出一种研究风浪对风电机组影响的试验装置，包括可调倾角的座体、位于座体上的透明箱1、风电机组模型、造浪泵2、鼓风机组件和图像测试组件。

所述座体包括水平放置的固定座13和位于固定座13上的转动安装槽14；所述转动安装槽14的一端通过水平转轴连接固定座13；所述转动安装槽14的相对另一端与所述固定座13通过刚性支撑条15连接。使用时转动安装槽14沿水平转轴转动至指定角度，选择合适长度的刚性支撑条15铆接所述转动安装槽14的相对另一端与所述固定座13，形成稳定的三角形结构支撑架。

所述透明箱1固定于所述转动安装槽14内，从而调整透明箱的角度，可模拟水下边坡的角度进行试验，对于研究风浪对位于临海边坡上的风电机组的影响更准确。透明箱1的材料为有机玻璃，便于直接观测内部土体的动态演化过程；所述透明箱1的内侧壁上还标有刻度。

所述透明箱1底部铺设有透明土4和位于透明土4上方的水5。透明土4由无定型硅或熔融石英砂混合制备而成，可根据不同土性参数选择相应的级配，孔隙率等。使用透明土便于直接观测土体的动态演化过程。

所述风电机组模型包括叶片6、桅杆7和基础底座8，所述基础底座8埋设固定于所述透明土4内。

所述造浪泵2是环流变频造浪泵，固定于所述透明箱1的内侧壁上，并位于水5中制造人造水流，可通过控制装置3变频，模拟多种浪流模式。

所述鼓风机组件置于所述透明箱1外侧用于，向水5和风电机组模型施加风压。所述鼓风机组件包括旋转支架9和固定于所述旋转支架9上的鼓风机10。所述旋转支架9包括伺服电机、固定于伺服电机上的连杆以及固定于连杆上的夹具；所述鼓风机10固定于所述夹具上。旋转支架9用于改变模拟风向。所述鼓风机10是可调速变频鼓风机，可通过控制装置3调节风速。优选地，鼓风机10的出风口上设有风压传感器，利用风压传感器进行验证与调试试验风荷载。

所述图像测试组件置于所述透明箱1的侧壁的外部拍摄记录透明土4的动态演化。所述图像测试组件包括工业相机11和图像处理系统12；所述工业相机11通过数据线与图像处理系统12连接。工业相机11置于透明箱1的侧壁的外部，工业相机11按照一定频率进行拍摄，自动记录透明土4动态演化现象。图像处理系统12接收工业相机11的图像数据信息并对透明土4的动力响应及承载力特性进行分析。

本发明还包括覆盖在透明土4上方的加压面板17和压力加载设备16；所述压力加载设备16向加压面板17和基础底座8施加垂直向下载荷。

压力加载设备16连接加压面板17，向透明土4施加压力，如图9所示，将透明土4压至指定刻度处。

压力加载设备16用于风电机组模型的安装固定，如图10所示，使用压力加载设备16将风电机组模型的基础底座8压至透明土4中指定位置。

上述的研究风浪对风电机组影响的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

s1、在透明箱1内放入透明土4和水5，通过压力加载设备16将透明土4压至指定刻度处；将透明箱1放置在底座上，按照试验要求调节座体的倾角；

s2、使用压力加载设备16将风电机组模型的基础底座8压入固定于所述透明土4内，并组装风电机组模型；

s3、设置旋转支架9的转动参数和鼓风机10的频率参数，模拟所需的风速风向；设置造浪泵2的频率模拟海浪荷载；

s4、利用工业相机11按照一定频率对透明土4进行拍摄，自动记录下透明土4的动态演化现象，并通过图像处理系统12进行分析。具体的分析方法可以参考以下文献：

soildeformationmeasurementusingparticleimagevelocimetry(piv)andphotogrammetry.white,d.j.,take,w.a.&bolton,m.d.ge´otechnique53,no.7,619–631。