CN110285024A - 一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，涉及浮式风机缩比模型试验领域，包括塔底六分力计、塔底连接组件、锥形塔筒组件、偏航调整组件和塔顶六分力计；塔底六分力计的下端面固定安装在浮式平台上，塔底六分力计的上端面与塔底连接组件的下部固定连接，塔底连接组件的上部与锥形塔筒组件的下端部固定连接，锥形塔筒组件的上端部与偏航调整组件的下部固定连接，偏航调整组件的上部与塔顶六分力计的下端部固定连接；通过本发明的实施，可以在不影响缩比模型水池试验其他性能要求的前提下，精确、高效地模拟真实海上浮式风机经历的塔影效应和偏航误差，并能完整地监测浮式风机各种工作状态下的塔筒载荷。

Description

一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型

技术领域

本发明涉及浮式风机缩比模型试验领域，尤其涉及一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型。

背景技术

随着陆地优质风力资源开发的渐趋饱和，风力发电技术逐渐从陆地向海洋转移。其中，适用于较大水深海域的浮式风机技术得到了学术界和产业界的普遍关注。现如今，浮式风机研究技术和相关理论尚不成熟，开展缩比模型水池试验被认为是研究浮式风机动力学最高效、可靠、经济可行的方法。

在真实的海上浮式风机中，塔筒通常被设计成底部粗、顶部细的锥状结构，当风机叶片经过塔筒时，气动载荷中将发生一个突降，称为塔影效应。此外，浮式风机工作时，风力机轴线与风向之间常常存在一定偏差，称为偏航误差。塔影效应和偏航误差是浮式风机气动响应非定常特性的主要来源之一。然而，由于设计和加工上的挑战和限制，现有的浮式风机缩比模型尚无法考虑塔影效应和偏航误差，这大大限制了缩比模型对真实浮式风机的刻画能力。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，能在不影响缩比模型水池试验其他性能要求的前提下，精确、高效地模拟真实海上浮式风机经历的塔影效应和偏航误差，并完整地监测浮式风机各种工作状态下的塔筒载荷，为浮式风机塔筒结构的优化设计提供第一手试验数据。

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精确、高效地模拟真实海上浮式风机经历的塔影效应和偏航误差，并完整地监测浮式风机各种工作状态下的塔筒载荷。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，包括塔底六分力计、塔底连接组件、锥形塔筒组件、偏航调整组件和塔顶六分力计；所述塔底六分力计的下端面固定安装在浮式平台上，所述塔底六分力计的上端面与所述塔底连接组件的下部固定连接，所述塔底连接组件的上部与所述锥形塔筒组件的下端部固定连接，所述锥形塔筒组件的上端部与所述偏航调整组件的下部固定连接，所述偏航调整组件的上部与所述塔顶六分力计的下端部固定连接；所述浮式风机塔筒缩比模型的外形满足Froude缩尺定律，所述浮式风机塔筒缩比模型的质量和质心的位置满足Froude缩尺定律。

进一步地，所述塔底连接组件包括塔底连接器，所述锥形塔筒组件包括塔筒主体、塔底内嵌连接环、塔顶内嵌连接环，所述偏航调整组件包括塔顶连接盘、支柱、偏航调节片；

所述塔底连接器为回转体构件，所述塔底连接器下端面设置有第一螺栓连接孔，所述塔底连接器的侧壁设置有第二螺栓连接孔，所述塔底连接器下端面通过所述第一螺栓连接孔与所述塔底六分力计的上端面螺栓固定连接；所述塔筒主体、所述塔底内嵌连接环和所述塔顶内嵌连接环均为回转体构件，所述塔底内嵌连接环的下部侧壁设置有与所述第二螺栓连接孔一一对应的第三螺栓连接孔，所述塔底内嵌连接环与所述塔底连接器通过所述第二螺栓连接孔和所述第三螺栓连接孔螺栓固定连接；所述塔筒主体的下端部套设在所述塔底内嵌连接环的上部，所述塔筒主体的下端部与所述塔底内嵌连接环的上部固定连接，所述塔筒主体的上端部套设在所述塔顶内嵌连接环的下部，所述塔筒主体的上端部与所述塔顶内嵌连接环的下部固定连接，所述塔顶连接盘和所述偏航调节片均为环状构件，所述塔顶内嵌连接环的上部侧壁设置第四螺栓连接孔，所述塔顶连接盘下端部设置有与所述第四螺栓连接孔一一对应的第五螺栓连接孔，所述塔顶连接盘下端部与所述塔顶内嵌连接环的上部通过所述第四螺栓连接孔和所述第五螺栓连接孔螺栓固定连接；所述塔顶连接盘的上端面与所述支柱的下端面固定连接，所述支柱的上端面与所述偏航调节片的下端面固定连接，所述偏航调节片的上端面与所述塔顶六分力计固定连接。

进一步地，所述偏航调整组件还包括调整螺栓，所述支柱的上端面与所述偏航调节片的下端面通过所述调整螺栓固定连接。

进一步地，所述偏航调节片上设置有中心对称的四道U型槽，每道所述U型槽两端极限位置之间的相位差为45°，所述支柱的数量为4，所述支柱与所述U型槽一一对应，所述调整螺栓的数量为4，所述调整螺栓穿过所述U型槽与所述支柱的上端螺纹连接。

进一步地，所述第四螺栓连接孔的数量为8，各个所述第四螺栓连接孔在所述塔筒主体中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第五螺栓连接孔的数量为8，各个所述第五螺栓连接孔在所述塔顶连接盘中心轴线的垂直截面上均匀分布。

进一步地，所述第三螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第三螺栓连接孔在所述塔筒主体中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第二螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第二螺栓连接孔在所述塔底连接器中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第一螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第一螺栓连接孔在所述塔底连接器的下端面均匀分布。

进一步地，所述塔筒主体为下端直径大于上端直径，且内部中空的锥状结构，所述塔筒主体的壁厚保持一致，所述塔筒主体的一阶弯曲振型和固有频率满足缩尺定律。

进一步地，所述塔筒主体的材料为高性能碳钎维，所述塔底内嵌连接环和所述塔顶内嵌连接环均设置有垂向装配限位结构。

进一步地，所述塔筒主体的下端部与所述塔底内嵌连接环的上部的连接方式为胶接，所述塔筒主体的上端部与所述塔顶内嵌连接环的下部的连接方式为胶接。

进一步地，所述塔底连接器的材料为铝合金，所述铝合金的屈服强度大于400MPa，所述塔底连接器的下端面设置有中心对称的三个减重孔。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明提出的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，可以在精确满足浮式风机缩比模型水池试验的相关缩尺定律的前提下，精确、高效地模拟真实海上浮式风机经历的塔影效应和偏航误差，并完整地监测浮式风机各种工作状态下的塔筒载荷，为浮式风机塔筒结构的优化设计提供第一手试验数据。

2、本发明提出的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，具有结构简单、调整方便、精确可靠，关键尺寸误差可控和整体重量可控的优点。

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示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的图1中的A区域示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的图1中的B区域示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的塔底六分力计的示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的塔底连接器的示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的锥状塔筒组件的示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的偏航调整组件的示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的偏航调节片的示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的塔顶六分力计的示意图。

其中，1-塔底六分力计，2-塔底连接组件，3-锥形塔筒组件，4-偏航调整组件，5-塔顶六分力计，31-塔筒主体，32-塔底内嵌连接环，33-塔顶内嵌连接环，41-塔顶连接盘，42-支柱，43-偏航调节片，21-塔底连接器、211-第二螺栓连接孔，212-第一螺栓连接孔，213-减重孔，321-第三螺栓连接孔，331-第四螺栓连接孔，411-第五螺栓连接孔。

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。

实施例1：

本实施例提供了一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，如图1所示，包括塔底六分力计1、塔底连接组件2、锥形塔筒组件3、偏航调整组件4和塔顶六分力计5；塔底六分力计1的下端面固定安装在浮式平台上，塔底六分力计1的上端面与塔底连接组件2的下部固定连接，塔底连接组件2的上部与锥形塔筒组件3的下端部固定连接，锥形塔筒组件3的上端部与偏航调整组件4的下部固定连接，偏航调整组件4的上部与塔顶六分力计5的下端部固定连接；浮式风机塔筒缩比模型的外形满足Froude缩尺定律，浮式风机塔筒缩比模型的质量和质心的位置满足Froude缩尺定律；

如图3、图4和图5所示，塔底连接组件2包括塔底连接器21，塔底连接器21为回转体构件，塔底连接器21下端面设置有第一螺栓连接孔212，塔底连接器21的侧壁设置有第二螺栓连接孔211，塔底连接器21的下端面设置有中心对称的三个减重孔213，第一螺栓连接孔212的数量为4，各个第一螺栓连接孔212在塔底连接器21的下端面均匀分布，塔底连接器21下端面通过第一螺栓连接孔212与塔底六分力计1的上端面采用螺栓固定连接；第二螺栓连接孔211的数量为8，各个第二螺栓连接孔211在塔底连接器21中心轴线的垂直截面上均匀分布。

如图6所示，锥形塔筒组件3包括塔筒主体31、塔底内嵌连接环32、塔顶内嵌连接环33，塔筒主体31、塔底内嵌连接环32和塔顶内嵌连接环33均为回转体构件，塔筒主体31为下端直径大于上端直径，且内部中空的锥状结构，塔筒主体31的壁厚保持一致，塔筒主体31的一阶弯曲振型和固有频率满足缩尺定律，塔筒主体31的材料为高性能碳钎维，塔底内嵌连接环32的下部侧壁设置有与第二螺栓连接孔211一一对应的第三螺栓连接孔321，第三螺栓连接孔321的数量为8，各个第三螺栓连接孔321在塔筒主体31中心轴线的垂直截面上均匀分布；塔底内嵌连接环32与塔底连接器21通过第二螺栓连接孔211和第三螺栓连接孔321采用螺栓固定连接；塔底内嵌连接环32设置有垂向装配限位结构，塔筒主体31的下端部套设在塔底内嵌连接环32的上部，塔筒主体31的下端部与塔底内嵌连接环32的上部通过强力胶固定连接，塔顶内嵌连接环33设置有垂向装配限位结构，塔筒主体31的上端部套设在塔顶内嵌连接环33的下部，塔筒主体31的上端部与塔顶内嵌连接环33的下部通过强力胶固定连接。

如图2和图7所示，偏航调整组件4包括塔顶连接盘41、支柱42、偏航调节片43、调整螺栓，塔顶连接盘41和偏航调节片43均为环状构件，塔顶内嵌连接环33的上部侧壁设置第四螺栓连接孔331，第四螺栓连接孔331的数量为8，各个第四螺栓连接孔331在塔筒主体31中心轴线的垂直截面上均匀分布；塔顶连接盘41下端部设置有与第四螺栓连接孔331一一对应的第五螺栓连接孔411，第五螺栓连接孔411的数量为8，各个第五螺栓连接孔411在塔顶连接盘41中心轴线的垂直截面上均匀分布，塔顶连接盘41下端部与塔顶内嵌连接环33的上部通过第四螺栓连接孔331和第五螺栓连接孔411采用螺栓固定连接；塔顶连接盘41的上端面与支柱42的下端面通过螺栓固定连接，支柱42的上端面与偏航调节片43的下端面通过调整螺栓固定连接，偏航调节片43的上端面与塔顶六分力计5通过螺栓固定连接，

如图8所示，偏航调节片43上设置有中心对称的四道U型槽，每道U型槽两端极限位置之间的相位差为45°，支柱42的数量为4，支柱42与U型槽一一对应，调整螺栓的数量为4，调整螺栓穿过U型槽与支柱42的上端螺纹连接。

塔底内嵌连接环32、塔顶内嵌连接环33和塔底连接器21的材料为铝合金，铝合金的屈服强度大于400MPa。

本实施例中，安装在偏航调节片43上的塔顶六分力计5可以通过支柱42在U型槽内的连接位置的调整，配合偏航调节片43与塔顶内嵌连接环33的相对位置可实现联合调整塔顶六分力计5在0°～360°范围内的偏航角调整。具体调整方式为：当偏航调节片43与塔顶内嵌连接环33相对固定时，每道U型槽对应的偏航角调节范围为45°，即四道U型槽对应的偏航角调节方位分别为[0°,45°]，[90°,135°]，[180°,225°]，[270°,315°]；塔顶连接盘41及塔顶内嵌连接环33均分布有中心对称的8个连接孔，邻近两个孔之间的相位偏差为45°，将塔顶连接盘41与塔顶内嵌连接环33的连接孔切换至邻近的连接孔，即可实现偏航调整组件4带着塔顶六分力计5整体相位的45°调整，相应地，四道U型槽对应的偏航角调节方位分别为[45°,90°]，[135°,180°]，[225°,270°]，[315°,360°]，从而实现了偏航角在0°～360°范围的全覆盖。

本实施例公开的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型中的锥形塔筒组件3，作为浮式风机缩比模型的重要组成部分，可用于开展浮式风机缩比模型水池试验，在满足水池试验缩比模型基本要求的前提下，锥形塔筒组件3还加入了几大精细化考虑因素，主要设计准则和目标如下：

1.塔筒主体31宏观上与实际浮式风机塔筒结构外形保持一致，即塔筒主体31的几何尺寸满足Froude缩尺定律；

2.为保证在缩比模型水池试验中获得准确可靠的动力学行为，保证锥形塔筒组件3的质量和质心的位置满足Froude缩尺定律；

3.为全方位、多层次地监测浮式风机工作时塔筒的工作载荷，在本实施例公开的缩比模型的顶部和底部部署全方位的载荷监测装置；

4.为准确刻画塔筒主体31与实尺度塔筒模型的动力学响应特征，塔筒主体31的一阶弯曲振型及其固有频率设置满足缩尺定律；

5.在不影响其它性能的前提下，本实施例公开的缩比模型具备偏航调整功能，可简洁、高效地实现对不同偏航角度的模拟。

实施例2：

在实施例1的基础上，塔筒主体31的材料为高强度结构钢，高强度结构钢屈服强度大于400MPa，本实施例优选为Q460B，塔筒主体31的下端部与塔底内嵌连接环32的上部通过螺栓或焊接的形式固定连接，塔筒主体31的上端部与塔顶内嵌连接环33的下部通过螺栓或焊接的形式固定连接。

同一组连接螺栓的数量大于4个的螺栓，采用米字型的顺序进行螺栓预紧，螺栓预紧的工具为液压拉伸器，螺栓预紧的力为螺栓有效载荷的50％至60％。

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。

Claims (10)

1.一种模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，包括塔底六分力计、塔底连接组件、锥形塔筒组件、偏航调整组件和塔顶六分力计；所述塔底六分力计的下端面固定安装在浮式平台上，所述塔底六分力计的上端面与所述塔底连接组件的下部固定连接，所述塔底连接组件的上部与所述锥形塔筒组件的下端部固定连接，所述锥形塔筒组件的上端部与所述偏航调整组件的下部固定连接，所述偏航调整组件的上部与所述塔顶六分力计的下端部固定连接；所述浮式风机塔筒缩比模型的外形满足Froude缩尺定律，所述浮式风机塔筒缩比模型的质量和质心的位置满足Froude缩尺定律。

2.如权利要求1所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述塔底连接组件包括塔底连接器，所述锥形塔筒组件包括塔筒主体、塔底内嵌连接环、塔顶内嵌连接环，所述偏航调整组件包括塔顶连接盘、支柱、偏航调节片；

所述塔底连接器为回转体构件，所述塔底连接器下端面设置有第一螺栓连接孔，所述塔底连接器的侧壁设置有第二螺栓连接孔，所述塔底连接器下端面通过所述第一螺栓连接孔与所述塔底六分力计的上端面螺栓固定连接；所述塔筒主体、所述塔底内嵌连接环和所述塔顶内嵌连接环均为回转体构件，所述塔底内嵌连接环的下部侧壁设置有与所述第二螺栓连接孔一一对应的第三螺栓连接孔，所述塔底内嵌连接环与所述塔底连接器通过所述第二螺栓连接孔和所述第三螺栓连接孔螺栓固定连接；所述塔筒主体的下端部套设在所述塔底内嵌连接环的上部，所述塔筒主体的下端部与所述塔底内嵌连接环的上部固定连接，所述塔筒主体的上端部套设在所述塔顶内嵌连接环的下部，所述塔筒主体的上端部与所述塔顶内嵌连接环的下部固定连接，所述塔顶连接盘和所述偏航调节片均为环状构件，所述塔顶内嵌连接环的上部侧壁设置第四螺栓连接孔，所述塔顶连接盘下端部设置有与所述第四螺栓连接孔一一对应的第五螺栓连接孔，所述塔顶连接盘下端部与所述塔顶内嵌连接环的上部通过所述第四螺栓连接孔和所述第五螺栓连接孔螺栓固定连接；所述塔顶连接盘的上端面与所述支柱的下端面固定连接，所述支柱的上端面与所述偏航调节片的下端面固定连接，所述偏航调节片的上端面与所述塔顶六分力计固定连接。

3.如权利要求2所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述偏航调整组件还包括调整螺栓，所述支柱的上端面与所述偏航调节片的下端面通过所述调整螺栓固定连接。

4.如权利要求3所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述偏航调节片上设置有中心对称的四道U型槽，每道所述U型槽两端极限位置之间的相位差为45°，所述支柱的数量为4，所述支柱与所述U型槽一一对应，所述调整螺栓的数量为4，所述调整螺栓穿过所述U型槽与所述支柱的上端螺纹连接。

5.如权利要求4所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述第四螺栓连接孔的数量为8，各个所述第四螺栓连接孔在所述塔筒主体中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第五螺栓连接孔的数量为8，各个所述第五螺栓连接孔在所述塔顶连接盘中心轴线的垂直截面上均匀分布。

6.如权利要求5所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述第三螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第三螺栓连接孔在所述塔筒主体中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第二螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第二螺栓连接孔在所述塔底连接器中心轴线的垂直截面上均匀分布；所述第一螺栓连接孔的数量大于等于4，各个所述第一螺栓连接孔在所述塔底连接器的下端面均匀分布。

7.如权利要求6所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述塔筒主体为下端直径大于上端直径，且内部中空的锥状结构，所述塔筒主体的壁厚保持一致，所述塔筒主体的一阶弯曲振型和固有频率满足缩尺定律。

8.如权利要求7所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述塔筒主体的材料为高性能碳钎维，所述塔底内嵌连接环和所述塔顶内嵌连接环均设置有垂向装配限位结构。

9.如权利要求8所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述塔筒主体的下端部与所述塔底内嵌连接环的上部的连接方式为胶接，所述塔筒主体的上端部与所述塔顶内嵌连接环的下部的连接方式为胶接。

10.如权利要求9所述的模拟塔影效应和偏航误差的浮式风机塔筒缩比模型，其特征在于，所述塔底连接器的材料为铝合金，所述铝合金的屈服强度大于400MPa，所述塔底连接器的下端面设置有中心对称的三个减重孔。