[发明专利]用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置及方法，包括实验箱、复合受力加载装置、动弯矩加载装置和数据采集分析装置；实验箱内填充有试验砂和海水，实验箱底部设有排水管；复合受力加载装置包括复合受力加载架、竖直伺服电动缸、倾斜伺服电动缸、竖直力传感器和倾斜力传感器；动弯矩加载装置包括动弯矩加载架、横向伺服电动缸、横向力传感器、传力结构、A形架、弯矩力传感器和配重块；实验箱顶部能与复合受力加载架或动弯矩加载架可拆卸连接。本发明通过两种不同类型的循环荷载加载装置，在桶基模型上施加不同的外荷载，研究了桶基动阻抗的影响因素及其机理，为风机实际设计过程中桶基动阻抗的取值提供依据。

技术领域

本发明涉及一种试验装置及试验方法，特别是一种用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置及方法。

背景技术

随着化石能源的使用，其所带来的环境问题日益突出，很多国家开始积极探索和开发可再生能源。作为可再生能源的代表，海上风能因其具有节约土地资源、风能平稳、无噪音、无污染等特点成为了新能源开发的的研究重点。根据国际能源署（IEA）的研究资料，预计到2030年，全球的非化石能源占比将提高到23.8%，可再生能源将是未来增长最快的能源，其中风电的发电量占比将达到11%，成为可再生能源的主力军。

多桶基海上风机基础是一种很有潜力的基础，各桶基通过承受竖向反力来抵抗风机塔架受到的水平荷载。由于风机塔架越来越高，风机的结构变得更加“柔”，在低频荷载作用下桶动阻抗对风机振动特性影响更加显著。研究清楚桶基动阻抗的影响因素，能更好地深入了解风机寿命周期内桶基动阻抗的变化过程，有利于准确计算风机正常运行下的动阻抗。

海上风机受到的环境荷载频率和风机自振频率很接近，同时在风机设计还需要预留10%的安全度，所以可供风机安全运行的频率十分狭窄。而桶形基础动阻抗的准确计算对风机整体振动特性的设计起着至关重要的作用。目前海上风电在设计时采用了远小于真实情况的基础阻抗值，保守的设计导致海上风险成本增加，同时实测值与设计值的偏差也会带来一定的安全隐患。因此精确考虑桶基和土体动力相互作用的过程，深入了解桶基动阻抗的影响因素和演变情况，无论从经济角度还是从安全角度都有很重要的意义。

由于海上风机塔架很高，在风浪流等横向荷载作用下产生的弯矩将成倍增加，根据估算，作用于一座5MW的海上风机所承受的水平力为16MN，传递到基础底部的弯矩达到了562MNm。在风浪流等循环荷载作用下，易导致基础的侧向变形，包括基础的位移和转角。当基础转角超过0.5°，海上风机顶部的位移偏差就会很大，很可能导致风力发电机无法正常运作，而与基础转角密切相关的正是桶基的摇摆动阻抗，因此必须充分了解桶型基础在动力弯矩作用下的摇摆振动特性。

目前国内外学者对桶形基础的研究多集中在桶形基础的承载力特性和安装特性方面，对桶形基础的使用情况有了一个比较深刻的认识。但是对于桶形基础动阻抗的研究则远远不够，特别对于动阻抗的模型试验仍很匮乏，亟需进行深入研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置，该用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置通过两种不同类型的循环荷载加载装置，在桶基模型上施加不同的外荷载，研究了桶基动阻抗的影响因素及其机理，为风机实际设计过程中桶基动阻抗的取值提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于测量海上风机桶形基础动阻抗复合试验装置，包括实验箱、复合受力加载装置、动弯矩加载装置、伺服电动缸控制仪和数据采集分析装置。

实验箱内填充有试验砂和海水，实验箱底部设置有排水管。

桶形基础开口向下插设在实验箱内的试验砂中。

复合受力加载装置用于对设于实验箱内的桶形基础施加水平力和竖向力，复合受力加载装置包括复合受力加载架、竖直伺服电动缸、倾斜伺服电动缸、竖直力传感器和倾斜力传感器。