一種浮式潮流能水輪機(jī)載荷試驗(yàn)?zāi)M方法

李廣年，韓 健

（1．寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2．上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

試驗(yàn)技術(shù)是科學(xué)研究以及工程應(yīng)用中一種必要的過程，新理論需要試驗(yàn)結(jié)果做支撐。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬也為工程應(yīng)用及科學(xué)研究提供了有效的技術(shù)支持，但是數(shù)值模擬的發(fā)展也需要以試驗(yàn)結(jié)果作為驗(yàn)證。此外，限于目前的條件，數(shù)值技術(shù)還不能模擬很多復(fù)雜的工程問題。因此，無論是理論創(chuàng)新還是數(shù)值模擬的發(fā)展，都離不開模型試驗(yàn)技術(shù)。

浮式潮流能電站作為豎軸水輪機(jī)陣的載體漂浮在海洋中，同時(shí)受到浪流耦合力、水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的周期性載荷、錨（系）泊力的作用，整個(gè)過程極其復(fù)雜，無論是數(shù)值分析還是模型試驗(yàn)，完全模擬整個(gè)過程都是非常困難的。針對固定式海洋結(jié)構(gòu)物開展物理模型試驗(yàn)時(shí)，其動(dòng)載荷加載相對簡單，而對浮基式海洋結(jié)構(gòu)模型施加動(dòng)載荷相對困難。浮式潮流能水輪機(jī)載體錨泊在海洋潮流中，以其為研究對象開展模型試驗(yàn)時(shí)，水輪機(jī)載荷的施加成為難點(diǎn)之一。

類比于海上漂浮風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械載荷模擬方法大概有3類：（1）等縮尺比制作模型，使用循環(huán)水槽或者拖曳水池等試驗(yàn)裝置模擬潮流場[1-4]；（2）將水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)等效作為定常載荷[5]；（3）將旋轉(zhuǎn)機(jī)械作用效果等效為旋轉(zhuǎn)的圓盤（帶圓孔）[6-8]。通常所說的物理模型水動(dòng)力性能試驗(yàn)需同時(shí)滿足3個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似[9-10]。浮式潮流能電站利用海流發(fā)電是非常復(fù)雜的流體力學(xué)行為，動(dòng)力相似難以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)；縱然通過各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物與模型的動(dòng)力相似，而按縮尺比制作的豎軸水輪機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)相似定律可知，該試驗(yàn)也無法滿足介質(zhì)相似，而且試驗(yàn)水輪機(jī)模型載荷與實(shí)際豎軸潮流能水輪機(jī)載荷按縮尺比得到的載荷也不同。即現(xiàn)有浮式潮流能載體水動(dòng)力性能模型試驗(yàn)難以同時(shí)滿足多個(gè)相似準(zhǔn)則。

本文嘗試采用“半耦合”的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，將浮式載體縮小后的模型放入水池中，而將水輪機(jī)的載荷用某種動(dòng)載荷代替加載到浮式載體上，從而實(shí)現(xiàn)浮式載體工作過程的試驗(yàn)?zāi)M?？紤]水輪機(jī)載荷低頻率、相對小量級(jí)的特點(diǎn)，該方法基于水流噴射，利用水流反作用力模擬水輪機(jī)載荷。搭建了浮式潮流能載體水輪機(jī)載荷模擬試驗(yàn)平臺(tái)，并開發(fā)了相應(yīng)的測試技術(shù)，同時(shí)論證載荷模擬裝置模擬的載荷在時(shí)域和頻域上與模型試驗(yàn)所需水輪機(jī)載荷的對比一致性，期望為相關(guān)研究人員提供技術(shù)支持。

1 基本原理及試驗(yàn)方法

首先確定水輪機(jī)實(shí)體在海流中的載荷（暫時(shí)無法通過實(shí)測得到真實(shí)載荷，本文利用水池試驗(yàn)結(jié)果），其次由相似定律確定模型試驗(yàn)中水輪機(jī)載荷值，確定應(yīng)用于水輪機(jī)模型試驗(yàn)的力載荷時(shí)程?？刂扑鲊娚?，通過基于噴射水流反作用力的替代方法對浮式載體模型進(jìn)行力F和力矩M的模擬。通過水流控制系統(tǒng)控制管路噴水口水流量，標(biāo)定控制系統(tǒng)信號(hào)與噴水反作用力之間的關(guān)系，進(jìn)一步測量噴水反力作用下浮式載體所受到的作用力。根據(jù)若干次的試驗(yàn)分析測試獲得動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，從而確定基于噴水反作用力的動(dòng)態(tài)加載模式，最終為浮式潮流能載體以及受力相似的海上浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力模型試驗(yàn)所用。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示，水泵為整個(gè)噴水系統(tǒng)供水，電腦根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序控制比例閥開度，從而控制噴口的水流量，多余的水從泄壓口排出。為了減小通過比例閥的水壓波動(dòng)，在水泵和比例閥之間安裝了一個(gè)蓄能氣瓶，用以平穩(wěn)水壓。

圖1 試驗(yàn)原理圖

整個(gè)過程可分為三步：（1）標(biāo)定，即確定水流控制參數(shù)與噴水反作用力的對應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定過程中通過改變比例閥的控制電壓值改變其開度，用以控制水流流量大小，同時(shí)測得不同電壓（即不同水流流量）對應(yīng)的噴水反作用力，從而建立水流流量控制參數(shù)與噴水反作用力關(guān)系。（2）確定輸入信號(hào)。輸入信號(hào)，即待模擬的動(dòng)態(tài)載荷。本文中提到的這種浮式潮流能載體水輪機(jī)載荷模擬試驗(yàn)技術(shù)，假定實(shí)體水輪機(jī)載荷時(shí)程是已知的，可以是實(shí)測數(shù)據(jù)或者是軟件模擬結(jié)果，但必須有一定的可信度。根據(jù)縮比尺換算，確定載荷模擬試驗(yàn)的載荷時(shí)程，并將載荷時(shí)程轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，作為整個(gè)模擬試驗(yàn)的輸入信號(hào)。（3）輸出信號(hào)測量，即測量噴水口的反作用力。由此前確定的輸入信號(hào)通過電腦控制比例閥噴水，同步測量噴水口的反作用力。分析測量得到的反作用載荷時(shí)程頻譜特性，并與輸入信號(hào)對比。力矩的模擬可以通過兩個(gè)單向力的乘積實(shí)現(xiàn)。同時(shí)啟動(dòng)兩套水流噴射系統(tǒng)，用兩個(gè)噴口的噴水反作用力模擬水輪機(jī)動(dòng)態(tài)載荷中的力矩和力。采用力與力矩的關(guān)系式(1)，可以得出F1與F2兩組力載荷時(shí)程。同時(shí)利用兩個(gè)水流噴射裝置，分別模擬這兩個(gè)力時(shí)程，即能同時(shí)模擬水輪機(jī)載荷的一個(gè)力和力矩。

式中：d為兩個(gè)測力點(diǎn)的距離。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行配備了試驗(yàn)器材并進(jìn)行組裝調(diào)試，主要包括以下部件，試驗(yàn)儀器見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器

2 標(biāo)定與分析

標(biāo)定即是確定輸入信號(hào)與噴射流反作用力之間的內(nèi)在關(guān)系，確定比例閥電壓值與反作用力之間的關(guān)系。進(jìn)一步通過噴射水流反作用力與電壓控制信號(hào)的比例關(guān)系，將待模擬載荷信號(hào)對應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓控制信號(hào)。以電壓信號(hào)控制比例閥噴水，同時(shí)測得反作用力時(shí)程，并與原信號(hào)比對，進(jìn)一步修正反作用力與電壓信號(hào)之間的擬合關(guān)系。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，比例閥接受控制電壓信號(hào)，控制噴水量，它自身的控制特性及對控制信號(hào)的頻響特性是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵所在。為了檢驗(yàn)比例閥的控制特性，同時(shí)檢驗(yàn)比例閥對控制電壓信號(hào)的頻響特性，試驗(yàn)過程中首先對比例閥開展動(dòng)態(tài)測試。使用一系列頻率不同的正弦波形電壓信號(hào)和方波電壓信號(hào)控制比例閥。測量電壓信號(hào)和比例閥控制下的噴射流反作用力的變化情況。高壓水泵將開源的水吸入管路，再由比例閥控制通過噴水口噴出，在這個(gè)過程中還有蓄能氣瓶調(diào)節(jié)水壓和流量。管路的壓力直接與噴射水流的反作用力相關(guān)，試驗(yàn)過程中反復(fù)調(diào)節(jié)管路的水壓力，以期獲得比較好的試驗(yàn)結(jié)果，本文選取了兩種不同的管路壓力試驗(yàn)結(jié)果，分析管路壓力對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)過程中選取了多種頻率的控制信號(hào)對比例閥控制及頻響特性進(jìn)行測試，本文此處所展示的數(shù)據(jù)中所有控制電壓信號(hào)變化范圍均為1．5～4．5 V。

圖3為不同頻率方波的模擬數(shù)據(jù)。3種相對較低頻率控制電壓信號(hào)的模擬結(jié)果良好，盡管模擬數(shù)據(jù)有“毛刺”現(xiàn)象，但整體上模擬數(shù)據(jù)的波形與控制信號(hào)的波形吻合較好，尤其是方波數(shù)據(jù)拐點(diǎn)處，噴水反作用力模擬系統(tǒng)也可以模擬出這種時(shí)域的數(shù)據(jù)突變。同時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)較之控制信號(hào)有延后現(xiàn)象，由于是整體數(shù)據(jù)的延遲，并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

圖3 力時(shí)程測試值(方波信號(hào))

圖4為不同頻率的正弦波形的模擬數(shù)據(jù)。較之于上文的方波，此處控制信號(hào)頻率偏高，從數(shù)據(jù)結(jié)果看出，在10 Hz以下，控制信號(hào)與模擬數(shù)據(jù)波形比較吻合，當(dāng)控制信號(hào)的波形大于10 Hz以后，模擬數(shù)據(jù)波形混亂，與控制信號(hào)差別較大，是因?yàn)檎麄€(gè)噴水反作用測試裝置的頻率較低，無法滿足控制信號(hào)高頻需要的緣故。從模擬數(shù)據(jù)結(jié)果看，控制信號(hào)電壓幅值相同的情況下（1．5～4．5 V），頻率不同，模擬數(shù)據(jù)的幅值不一樣，高頻率時(shí)測得的幅值比較低，控制信號(hào)為5 Hz時(shí)測得模擬數(shù)據(jù)范圍為[-3．2,1．4]，同樣幅值的控制信號(hào)（1．5～4．5 V），在頻率變?yōu)? Hz時(shí)相應(yīng)的幅值范圍為 [-3．0,1．6]，當(dāng)頻率為10 Hz時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幅值范圍是[-2．7,1．7]。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)該對高頻控制信號(hào)進(jìn)行修正。

圖4 力時(shí)程測試值(正弦信號(hào)：1．5～4．5 V)

噴水反作用力的大小主要取決于整個(gè)模擬系統(tǒng)管路內(nèi)部的壓力大小，根據(jù)理論分析，管路內(nèi)部壓力越大噴水反作用力的幅值越大。實(shí)驗(yàn)過程中也證明了這一點(diǎn)，圖5分別為兩種管路壓力下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一個(gè)是 0．6 MPa，另一個(gè)是 0．8 MPa。圖中數(shù)據(jù)可見：管路高壓力下模擬數(shù)據(jù)明顯偏大，因此在工程應(yīng)用過程中應(yīng)該盡可能地增加模擬管路壓力，這樣可以有效地減小相對誤差。

3 力信號(hào)模擬

通過以上分析可以看出，噴射流反作用力載荷模擬方法比較適用于低頻動(dòng)態(tài)載荷的模擬。豎軸潮流能水輪機(jī)載荷具有低頻特性，幅值變化相對平穩(wěn)，在采用水動(dòng)力模型試驗(yàn)方法研究其對支撐載體的動(dòng)力影響特性時(shí)，可以采用上文介紹的方法，用噴射流反作用力代替水輪機(jī)低頻載荷。

圖5 力時(shí)程測試值(正弦信號(hào)：1．5～4．5 V)

噴射流反作用力載荷模擬方法的前提是事先獲得真實(shí)的待模擬載荷時(shí)程。由于豎軸海洋潮流能水輪機(jī)尚處于工程應(yīng)用推廣階段，目前還沒有開展水輪機(jī)載荷實(shí)測工作，也沒有一套被業(yè)內(nèi)認(rèn)可的豎軸水輪機(jī)載荷數(shù)值預(yù)報(bào)方法。因此本文選用模型試驗(yàn)測試值作為真實(shí)的水輪機(jī)載荷，并考慮本次試驗(yàn)過程中噴射流反作用力的幅值范圍以及試驗(yàn)中信號(hào)發(fā)生器的輸入要求，對水輪機(jī)模型試驗(yàn)測試值進(jìn)行縮放，得到控制電壓信號(hào)，由控制電壓信號(hào)控制比例閥開度，噴口噴射水流，同時(shí)測量噴射流反作用力時(shí)程。

待模擬數(shù)據(jù)來自豎軸水輪機(jī)模型試驗(yàn)測試值，選取其中兩個(gè)時(shí)段經(jīng)過縮放進(jìn)行模擬。

圖6給出的是兩段待模擬的力信號(hào)；圖7是設(shè)置對應(yīng)的電壓信號(hào)，特意將信號(hào)范圍縮放在1．5～4．5 V之間；圖8是對應(yīng)信號(hào)的頻譜特性；圖9是測試得到的力時(shí)程信號(hào)；圖10是測試得到的力時(shí)程能量譜及頻域特性。對比圖6與圖9，可以發(fā)現(xiàn)待模擬信號(hào)與測試信號(hào)比較吻合；對比圖8與圖10，待模擬信號(hào)頻譜特性與測試得到的力信號(hào)的頻譜特性也比較相似，只是高頻信號(hào)有損失。通過對比可知，待模擬信號(hào)與測試得到的力時(shí)程信號(hào)在時(shí)域、頻域方面吻合都比較好。

圖6 待模擬載荷時(shí)程

圖7 轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)

圖8 待模擬載荷能量譜及頻域特性

圖9 測試得到的載荷時(shí)程

圖10 測試得到的載荷時(shí)程能量譜及頻域特性

4 結(jié)論

本文考慮潮流能水輪機(jī)模型試驗(yàn)中相似準(zhǔn)則難以滿足的問題，基于模型水輪機(jī)載荷的低頻率、相對小量級(jí)的特點(diǎn)，提出一種新的方法模擬海洋潮流能水輪機(jī)載荷特性，該方法基于水流噴射，利用水流反作用力模擬水輪機(jī)載荷。通過標(biāo)定獲得了噴射水流的控制參數(shù)（電壓信號(hào)）與噴嘴反作用力之間的關(guān)系，獲得了比例閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性。利用標(biāo)定的結(jié)果，將待模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電壓信號(hào)。最后利用控制信號(hào)控制比例閥，完成了信號(hào)的模擬。模擬結(jié)果表明，噴水試驗(yàn)測試結(jié)果與待模擬信號(hào)在時(shí)域、頻域方面比較吻合。通過研究可以得出以下結(jié)論：

（1）管路水壓對試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，管路水壓力大時(shí)噴射流反作用力時(shí)程與控制信號(hào)吻合較好；反之，管路水壓力值小時(shí)，噴射流反作用時(shí)程與控制信號(hào)吻合度較差；應(yīng)該在條件允許的情況下盡可能地調(diào)高管路水壓力值。

（2）在低頻率情況下，噴射流反作用力時(shí)程都與控制信號(hào)吻合度較好；當(dāng)頻率增高時(shí)，噴射流反作用力時(shí)程波形出現(xiàn)“毛刺”小波動(dòng)，與控制信號(hào)吻合度差。

（3）從試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析看，噴射水流反作用力信號(hào)與電壓控制信號(hào)相比有整體延遲現(xiàn)象。由于這是連續(xù)信號(hào)的整體延遲，可以不考慮這種延遲現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果的影響。

（4）電壓控制信號(hào)的幅值相同而頻率不同情況下，測試得到的噴射流反作用力有差別，高頻率控制信號(hào)獲得的噴射流反作用力幅值較之低頻率控制信號(hào)獲得的噴射流反作用幅值小。在操作過程中，應(yīng)根據(jù)待模擬信號(hào)的實(shí)際情況，對轉(zhuǎn)換得到的控制信號(hào)進(jìn)行修正。

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