一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法

摘要

一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法，属于波浪能发电技术领域。针对模型试验想要对不同摆板角度、摆板阻尼、摆板位置和不同系泊刚度、不同系泊样式以及不同模型主尺度、不同模型结构进行水动力试验的要求，提出试验系统的物理流程和试验操作流程，并针对关键的模型工况变更操作提供了详细的操作方法。本发明解决了半潜摆板波浪能发电平台模型试验变量较多、工况组合复杂的问题，可以完整覆盖各种试验工况，能够帮助试验实施者高效、有序地完成实验，帮助试验实施者获得准确可靠的试验数据，并提高试验的效率，节约试验时间，降低试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法，属于波浪能发电技术领域。

背景技术

波浪能是一种清洁的可再生能源，世界范围内储量巨大，人类对波浪能发电的探索已经进行了几十年，发明了各式各样的波浪能发电设施和装置。其中一些优秀的装置已经进入了商业化阶段，摆板式波浪能发电装置就是其中一种。为了应对深水海域的发电问题，浮式摆板波浪能平台被提出来。

在浮式平台上安装大尺度的摆板机构，会对浮式平台本身的稳定性产生较大的影响。浮式平台和摆板之间的相对尺度影响着平台的稳定性，不同的系泊方案也影响着平台的稳定性，摆板传递到平台上的力矩的大小也影响着平台的稳定性，而且也影响着摆板的做功效率。为了探索这些问题，需要一种能够改变平台主尺度、系泊样式和摆板阻尼，能够测量平台姿态、系泊力和摆板转动角度的模拟试验系统。

本试验方法提供了一种针对变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法。针对模型试验中的摆板角度、阻尼、系泊刚度、系泊样式、模型主尺度和模型结构的变更提供了一整套试验操作流程和具体操作方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，提供一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法，通过改变模型的局部零部件，满足模型在不同主尺度、结构样式、系泊样式和摆板布置工况下的需求。

本发明提供的技术方案是：一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法，针对模型主尺度的改变，结构样式的改变，系泊样式的改变和摆板布置的改变所需要的操作进行描述。

摆板波浪能模型试验由控制台输入波面序列控制造波机生成所需要的波浪，同时控制搭载在摆板中的磁粉阻尼器的阻尼大小。

平台模型在受到波浪之后会产生运动，上面搭载的陀螺将运动状态测量并传输给信号采集模块；系泊缆索模型因平台模型的运动受到拉伸，拉力传感器将测量到的缆力传输给信号采集模块；在波浪的作用下，摆板发生转动，摆板内的转角传感器将摆板相对于垂直位置变化的角度传给信号采集模块。信号采集模块将缆力、平台运动状态、摆板旋转角度传给数据采集分析软件，数据采集分析软件将所有数据在同一时间序列中记录下来。

试验具体操作流程如图2所示，首先在惯量测量台上对模型进行重心、惯量测量，并使用压载块进行调整，针对所有结构样式、主尺度进行调载和测量，将每一种工况的压载方式进行记录。

具体操作流程如下：

（1）在水池底部按照系泊点的位置要求布置池底压块；

（2）将完成重心、惯量调载的模型放入水池，此时模型为矩形、最大主尺度、底部系泊状态，将系泊系泊缆索安装到模型上，将模型与池底的压块连接在一起；

（3）水池注水达到要求水深；

（4）此时摆板处于固定直立状态，对模型进行规则波试验、不规则波试验；

（5）进行工况变更1，改变摆板的倾斜角度或者摆动阻尼；依次对各个工况完成规则波、不规则波试验；

（6）进行工况变更2，调整摆板前后位置；选择若干摆板角度工况和阻尼摆动工况，对这些前后位置变化的工况依次完成规则波试验和不规则波试验；

（7）进行工况变更3，改变系泊刚度；选择若干摆板固定角度、阻尼摆动、摆板前后位置工况，进行规则波、不规则波试验；

（8）进行工况变更4，改变系泊样式；选择若干摆板角度、阻尼摆动、摆板前后位置、系泊刚度，进行规则波、不规则波试验；

（9）进行工况变更5，对模型进行主尺度的调整；调整完主尺度后，按照事先记录好的压载方法对模型进行压载调整；将模型放入水池，连接系泊缆索；重复步骤（4）到（8）；对不同主尺度的模型重复本步骤；

（10）进行工况变更6，将模型调整为H型样式；完成矩形模型的各个工况后，重复步骤（4）到（9）；

（11）在每个工况完成一组规则波或者不规则波试验后，对数据进行检查，确认数据完整；

以上为试验操作流程，其中每种工况调整的具体操作方法如下文所述。

在试验过程中，对应不同的试验需求，有如下几种需要变更试验系统的工况。

上述各个工况的操作方法如下：

1、工况变更1

改变摆板的固定角度。

通过调整撑杆支座与轴承座的位置来调整摆板和变尺度平台模型主甲板的角度。具体操作如下：

将固定撑杆支座的螺栓旋松，使撑杆支座能够沿导轨滑动，使用量角器测量摆板的倾斜角度，确定之后旋紧螺栓。这样就实现了摆板的特定角度的固定。

不固定摆板时改变摆板的旋转阻尼。

将撑杆和摆板连接的螺栓拆除，将撑杆支座上的螺栓旋松，将撑杆支座和撑杆沿着导轨滑到导轨末端取下。这样摆板就没有了固定约束。在水池中由于浮力作用摆板会自然竖直立起。在控制台处输入需要的阻尼值，控制摆板内的磁粉阻尼器，使得摆板以特定阻尼摆动。

2、工况变更2

改变摆板机构模型在变尺度半潜平台模型上的位置。

先将撑杆支座上的螺栓旋松，滑动撑杆支座将摆板放置水平。然后将轴承座的螺栓旋松，使得轴承座能够在导轨上滑动。用直尺在导轨上量好位置做好记号，将轴承座滑动到记号处，旋紧轴承座上的螺栓，确定固定稳定后，滑动撑杆支座，将摆板调整到所需角度后，将撑杆支座上的螺栓旋紧。通过上述操作，就将摆板机构模型固定到了新的位置。

3、工况变更3

改变系泊缆索模型的刚度。

改变刚度有三种方式，第一种为更换弹簧，将搭扣打开，将弹簧取下，更换不同刚度的弹簧后，安装回系泊缆索模型；第二种为串联弹簧，实现弹簧刚度的成比例缩小，将两个弹簧串联后安装到搭扣之间，更换合适长度的缆索，保持整个系泊缆索模型的长度不变；第三种为并联弹簧，实现弹簧刚度的成倍增长，将两个弹簧通过连杆固定在一起，然后将连接到两个搭扣之间，并更换合适长度的缆索，保持整个系泊缆索模型的长度不变。

4、工况变更4

改变系泊缆索模型的系泊位置。

模型系统能够模拟平台底部系泊和顶部系泊。将上、下搭扣打开，更换缆索，使系泊缆索模型的长度适用于顶部系泊。更换完毕后，将下搭扣系泊到池底重块上，将上搭扣系泊到顶部系泊点处。将所有系泊缆索模型更换完毕并系于顶部系泊点后，就完成了模型系统从底部系泊到顶部系泊的转换。

5、工况变更5

改变变尺度半潜平台模型的总尺度。

主尺度改变方法主要通过拆除B体和增减调节板和替换导轨来实现。

需要大幅度改变模型主尺度时，可以将B体拆除，将A体、B体、C体、和补块的螺栓移除，摆板结构模型2通过将螺栓移除，实现各部位与导轨脱开，调节板是通过凹槽内的凸起与导轨实现固定的，将调节板沿着导轨拆卸。更换长度合适的导轨后，将A体、C体、补块、摆板结构模型2和符合尺度要求的数个调节板安装到导轨上。这样就实现了模型在主尺度的改变。

6、工况变更6

改变变尺度半潜平台模型1的布置样式。

变尺度半潜平台模型的布置样式可以由矩形变为H型。在改变时，首先将将A体、B体、C体、和补块的螺栓移除，摆板结构模型通过将螺栓移除，实现各部位与导轨脱开。将调节板从导轨上拆卸。选择长度合适的导轨，将A体、B体、C体以及调节板安装在导轨上。由此实现了补块的的拆除，模型也由矩形变为了H型。

7、模型的惯量压载调整。

首先对变尺度半潜平台模型进行称重得到质量M1，比较称重结果和模型设计排水质量M2的差异，需要添加的压载块质量为M3=M2-M1。

打开A体和C体的惯量舱盖，将压载块放入其中。然后将变尺度半潜平台模型转移到惯量台上，测量其惯量，调整压载块的位置，使得变尺度半潜平台模型的整体惯量符合试验设计要求。调整好惯量之后，将压载块使用胶带固定在惯量舱中，确保试验过程中不会发生移动。将惯量舱盖盖好，并将密封螺栓旋紧。

本发明的有益效果是：通过上述试验操作流程，能够有条理地完成不同摆板角度、不同摆动阻尼、不同摆板位置、不同缆索刚度、不同缆索布置、不同模型总尺度、不同模型布置各个工况。能够在有限的试验时间内，完成覆盖各种试验要求，高效、充分的完成试验内容，也可以针对工程或学术需求对各类工况进行挑选、组合，灵活构成新的试验流程。在整个试验过程中节约时间，减少水池占用时间来降低试验费用。

附图说明

图1是本发明的一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法的试验硬件流程图。

图2是本发明的一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法的试验操作流程图。

图3是本发明的一种变主尺度摆板式波浪能发电装置模型试验方法的硬件结构示意立体图。

图4是摆板被调整为特定角度的示意图。

图5是摆板系统的立体视图。

图6是图9中的B局部的放大视图。

图7是弹簧串联安装的示意图。

图8是弹簧并联安装的示意图。

图9是图3中的A局部的放大视图。

图10是系泊调整为顶端系泊的立体图。

图11是惯量调整时模型的立体图。

图12是摆板结构的剖视图。

图中：1、可变尺度半潜平台模型，2、摆板机构模型，3、系泊缆索模型，4、池底系泊重块，5、控制台，6、信号采集模块，7、数据采集处理软件，101、A体，102、B体，103、调节板，104、C体，105、补块， 106、导轨，107、盖板，108、连接点，109、盖板，110、运动传感器， 113、压载块，201、摆板，202、轴承座，203、撑杆，204、撑杆支座，205、轴承，206、磁粉阻尼器，207、转角传感器，208、轴， 301、首尾搭扣，302、缆索，303、拉力传感器，320、弹性单元，321、搭扣，322、弹簧，4、池底系泊重块，401吊环，402、底板。

具体实施方式

如图1和图12所示，摆板波浪能模型试验由控制台5输入波面序列控制造波机生成所需要的波浪，也控制搭载在摆板201中的磁粉阻尼器206的阻尼大小。

平台模型1在受到波浪之后会产生运动，上面搭载的陀螺仪110将运动状态测量并传输给信号采集模块6；系泊缆索模型3因平台模型1的运动受到拉伸，拉力传感器303将测量到的缆力传输给信号采集模块6；在波浪的作用下，摆板201发生转动，摆板内的转角传感器207将摆板2相对于垂直位置变化的角度传给信号采集模块6。信号采集模块6将缆力、平台运动状态、摆板旋转角度传给数据采集分析软件7，数据采集分析软件将所有数据在同一时间序列中记录下来。

试验具体操作流程如图2所示，首先在惯量测量台上对模型进行重心、惯量测量，并使用压载块进行调整，针对所有结构样式、主尺度进行调载和测量，将每一种工况的压载方式进行记录。

（1）在水池底部按照系泊点的位置要求布置池底压块；

（2）将完成重心、惯量调载的模型放入水池，此时模型为矩形、最大主尺度、底部系泊状态，将系泊系泊缆索安装到模型上，将模型与池底的压块连接在一起；

（3）水池注水达到要求水深；

（4）此时摆板处于固定直立状态，对模型进行规则波试验、不规则波试验；

（5）进行工况变更1，改变摆板的倾斜角度或者摆动阻尼；依次对各个工况完成规则波、不规则波试验；

（6）进行工况变更2，调整摆板前后位置；选择若干摆板角度工况和阻尼摆动工况，对这些前后位置变化的工况依次完成规则波试验和不规则波试验；

（7）进行工况变更3，改变系泊刚度；选择若干摆板固定角度、阻尼摆动、摆板前后位置工况，进行规则波、不规则波试验；

（8）进行工况变更4，改变系泊样式；选择若干摆板角度、阻尼摆动、摆板前后位置、系泊刚度，进行规则波、不规则波试验；

（9）进行工况变更5，对模型进行主尺度的调整；调整完主尺度后，按照事先记录好的压载方法对模型进行压载调整；将模型放入水池，连接系泊缆索；重复步骤（4）到（8）；对不同主尺度的模型重复本步骤；

（10）进行工况变更6，将模型调整为H型样式；完成矩形模型的各个工况后，重复步骤（4）到（9）；

（11）在每个工况完成一组规则波或者不规则波试验后，对数据进行检查，确认数据完整；

以上为试验操作流程，其中每种工况调整的具体操作方法如下文所述。

在试验过程中，对应不同的试验需求，有如下几种需要变更试验系统的工况。

上述各个工况的操作方法如下：

1、工况变更1

改变摆板的固定角度。

如图11和图4所示，通过调整撑杆支座204与轴承座202的位置来调整摆板201和变尺度半潜平台模型1主甲板的角度。具体操作如下。

将固定撑杆支座204的螺栓旋松，使撑杆支座能够沿导轨106滑动，使用量角器测量摆板201的倾斜角度，确定之后旋紧螺栓。这样就实现了摆板201的特定角度的固定。

不固定摆板201时改变摆板201的旋转阻尼。

将撑杆203和摆板201连接的螺栓拆除，将撑杆203支座上的螺栓旋松，将撑杆支座204和撑杆沿着导轨106滑到导轨末端取下。这样摆板201就没有了固定约束。在水池中由于浮力作用摆板201会自然竖直立起。在控制台处输入需要的阻尼值，控制摆板201内的磁粉阻尼器206，使得摆板以特定阻尼摆动。

2、工况变更2

改变摆板机构模型2在变尺度半潜平台模型1上的位置。

摆板机构模型2如图5所示，先将撑杆支座204上的螺栓旋松，滑动撑杆支座204将摆板201放置水平。然后将轴承座202的螺栓旋松，使得轴承座能够在导轨上滑动。用直尺在导轨106上量好位置做好记号，将轴承座202滑动到记号处，旋紧轴承座202上的螺栓，确定固定稳定后，滑动撑杆支座204，将摆板201调整到所需角度后，将撑杆支座204上的螺栓旋紧。通过上述操作，就将摆板机构模型2固定到了新的位置。

3、工况变更3

改变系泊缆索模型的刚度。

如图6、图7和图8所示，改变刚度有三种方式，第一种为更换弹簧322，将搭扣321打开，将弹簧322取下，更换不同刚度的弹簧322后，安装回系泊缆索模型3；第二种为串联弹簧322，实现弹簧刚度的成比例缩小，将两个弹簧串联后安装到搭扣321之间，更换合适长度的缆索，保持整个系泊缆索模型的长度不变；第三种为并联弹簧322，实现弹簧刚度的成倍增长，将两个弹簧通过连杆323固定在一起，然后将连接到两个搭扣321之间，并更换合适长度的缆索，保持整个系泊缆索模型3的长度不变。

4、工况变更4

改变系泊缆索模型的系泊位置。

图9和图10所示，模型系统能够模拟平台底部系泊和顶部系泊。将上、下搭扣321打开，更换缆索，使系泊缆索模型的长度适用于顶部系泊。更换完毕后，将下搭扣321系泊到池底重块402上，将上搭扣系321泊到顶部系泊点108处。将所有系泊缆索模型更换完毕并系于顶部系泊点108后，就完成了模型系统从底部系泊到顶部系泊的转换。

5、工况变更5

改变变尺度半潜平台模型的总尺度。

如图3所示，主尺度改变方法主要通过拆除B体102和增减调节板103和替换导轨106来实现。

需要大幅度改变模型主尺度时，可以将B体102拆除，将A体101、B体102、C体104、和补块105的螺栓移除，摆板结构模型2通过将螺栓移除，实现各部位与导轨106脱开，调节板103是通过凹槽内的凸起与导轨实现固定的，将调节板沿着导轨106拆卸。更换长度合适的导轨后，将A体101、C体104、补块105、摆板结构模型2和符合尺度要求的数个调节板103安装到导轨106上。这样就实现了模型在主尺度的改变。

6、工况变更6

改变变尺度半潜平台模型1的布置样式。

如图1所示，变尺度半潜平台模型的布置样式可以由矩形变为H型。在改变时，首先将将A体101、B体102、C体104、和补块105的螺栓移除，摆板结构模型2通过将螺栓移除，实现各部位与导轨脱开。将调节板103从导轨上拆卸。选择长度合适的导轨，将A体101、B体102、C体104以及调节板103安装在导轨106上。由此实现了补块105的的拆除，模型也由矩形变为了H型。

7、模型的惯量压载调整。

首先对变尺度半潜平台模型进行称重得到质量M1，比较称重结果和模型设计排水质量M2的差异，需要添加的压载块质量为M3=M2-M1。

如图11所示，打开A体101和C体104的惯量舱盖107，将压载块放113入其中。然后将变尺度半潜平台模型1转移到惯量台上，测量其惯量，调整压载块113的位置，使得变尺度半潜平台模型1的整体惯量符合试验设计要求。调整好惯量之后，将压载块113使用胶带固定在惯量舱中，确保试验过程中不会发生移动。将惯量舱盖107盖好，并将密封螺栓旋紧。