CN111121721A - 一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置及方法，风力塔架基础模型埋设置于模拟地基内，风力塔架基础模型上固定连接有受载立杆；加载装置包括：拉绳、支撑架、轻质容器和模拟载荷装置，拉绳一端连接受载立杆另一端连接轻质容器，支撑架位于受载立杆和轻质容器之间，支撑架支撑拉绳，模拟载荷装置向所述轻质容器中输送液体；测量装置包括位第一位移传感器、第二位移传感器和测力传感器，第一位移传感器和第二位移传感器上下间隔安装在固定架和受载立杆上，测力传感器安装在拉绳和轻质容器之间；数据采集装置连接第一位移传感器、第二位移传感器和测力传感器。可到任意加载时刻所施加的水平荷载及该时刻风力发电塔基础模型的倾斜率。

Description

一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置及方法

技术领域

本发明涉及模型测量装置及方法，尤其涉及一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置及方法。

背景技术

能源枯竭、环境污染及温室效应是当前全球面临的严重问题，促使了人们必须重视开发、利用清洁、可再生能源。风能即是一种清洁可再生能源，而风力发电是利用风能的主要形式，其中陆地风电是风力发电的主导方向。我国陆地风能资源丰富、储存量大、分布范围广以及无污染等优点，而且发展陆地风电可有效解决上述的能源枯竭、环境污染与温室效应问题。

随着山区风电技术的快速发展，风力发电呈现风机大型化发展，为了提高风力发电机基础的承载力，风电塔架基础设计及塔筒的设计需要不断创新，从而陆续开发了不同型式的风力发电机基础。

在新设计的风电塔架基础投入使用之前，通常需要对风电塔架基础的承载能力进行多次实验，由于风电塔架基础的建设需要很大的成本，因而需要借助模型进行测量分析。风力发电机主要受到水平荷载的作用，其承载力主要与基础的倾斜率有关。为了在实验室中对比各种不同形式风力发电塔基础模型的承载力，发明人提出了一种测量风力发电机基础模型倾斜率的装置及其测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，能通过测量基础模型的倾斜率来研究风电塔架基础的承载能力。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种测量风力发电机基础模型倾斜率的装置，包括：风力塔架基础模型、测量装置、加载装置和数据采集装置；所述风力塔架基础模型埋设置于模拟地基内，所述风力塔架基础模型上固定连接有受载立杆；所述加载装置包括：拉绳、支撑架、轻质容器和模拟载荷装置，所述拉绳一端连接所述受载立杆另一端连接轻质容器，所述支撑架位于所述受载立杆和所述轻质容器之间，所述支撑架支撑所述拉绳，所述模拟载荷装置向所述轻质容器中输送液体；所述测量装置包括位第一位移传感器、第二位移传感器和测力传感器，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器上下间隔安装在固定架和所述受载立杆上，所述测力传感器安装在拉绳和所述轻质容器之间；

所述数据采集装置连接所述第一位移传感器、第二位移传感器和所述测力传感器。

优选的，所述模拟载荷装置包括：盛水容器和连通所述轻质容器的出水管，所述出水管上安装有阀门。

优选的，所述模拟地基包括地基容器，所述地基容器内从上至下依次设置有土体层和砾石层，所述地基容器底部开设有排水阀。

优选的，所述地基容器上设置有刻度线，所述土体层和砾石层之间设置有土工布。

优选的，所述固定架设置为固定支架，所述固定支架与所述受载立杆平行设置。

优选的，所述支撑架设置为角度调节支架，所述角度调节支架的顶部安装滑轮，所述拉绳绕在所述滑轮上，所述角度调节支架调节所述拉绳的水平高度。

优选的，所述受载立杆设置为刚性立杆。

作为同一个发明构思，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的方法。

一种测量风力发电机基础模型倾斜率的方法，使用上述的测量风力发电机基础模型倾斜率的装置来测量风力发电机基础模型的倾斜率，包括以下步骤：

1)使所述加载装置的所述模拟载荷装置向所述轻质容器中输送液体，所述测力传感器测得的水平载荷数值并由所述数据采集装置记录数据，同时，通过拉绳向受载立杆施加水平载荷，所述受载立杆倾斜，所述第一位移传感器测得位移值ΔL1和所述第二位移传感器测得位移值ΔL2并由所述数据采集装置记录数据；

2)计算某时刻水平荷载数值下对应的风力发电机基础模型的倾斜率，将数据采集装置记录的对应该水平载荷的所述第一位移传感器数据值ΔL1和所述第二位移传感器测得数据值ΔL2，第一位移传感器和第二位移传感器之间的间距为H,通过以下公式得到该时刻风力发电机基础的倾斜率：

采用上述技术方案后，本发明的有益效果：

本发明的测量风力发电机基础模型倾斜率的装置能够得到连续的不同水平荷载作用时风力发电机基础模型的倾斜率，进而得到该风力发电机基础模型正常使用状况时的极限水平承载力和极限状况时的极限水平承载力，并能通过比较在相同水平载荷时不同风力发电机基础模型倾斜率来研究不同风力发电机基础的承载能力。

附图说明

图1是本发明测量风力发电机基础模型(方形模型)倾斜率的装置的初始状态示意图；

图2是本发明测量风力发电机基础模型(方形模型)倾斜率的装置的实验状态示意图；

图3是本发明测量风力发电机基础模型(锥形模型)倾斜率的装置的初始状态示意图；

图中:1-风力发电机基础模型，2-受载立杆，3-第一位移传感器，4-第二位移传感器，5-拉绳，6-支撑架，601-滑轮，7-轻质容器，8-模拟载荷装置，801-盛水容器，802-出水管，803-阀门，9-测力传感器，10-固定架，11-数据采集装置，12-地基容器，1201-排水阀，13-土体层，14-砾石层，15-土工布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示的测量风力发电机基础模型倾斜率的装置，包括：风力塔架基础模型1、测量装置、加载装置和数据采集装置11；

风力塔架基础模型1埋设置于模拟地基内，风力塔架基础模型上固定连接有受载立杆2；加载装置包括：拉绳5、支撑架6、轻质容器7和模拟载荷装置8，拉绳5一端连接受载立杆2另一端连接轻质容器7，支撑架6位于受载立杆2和轻质容器9之间，支撑架6支撑拉绳，模拟载荷装置8向轻质容器7中输送液体；测量装置包括位第一位移传感器3、第二位移传感器4和测力传感器9，第一位移传感器3、第二位移传感器4安装在固定架10和受载立杆2上，第一位移传感器3和第二位移传感器4上下间隔设置，本实施例中，第一位移传感器3位于第二位移传感器4的上方，测力传感器9安装在拉绳5和轻质容器7之间，测力传感器9用来测量轻质容器7内液体产生的拉力；

数据采集装置11连接第一位移传感器3、第二位移传感器4和测力传感器9。

本发明优选将数据采集装置11选用为数据采集仪，拉绳5选用钢丝绳。

在现今多数的加载试验过程中，主要是通过施加砝码来施加水平荷载，其所施加载荷的大小是由所选取的砝码的质量来决定，因而砝码加载易造成施加荷载的不连续性。且所需的实验时间较长，主要是由于施加某水平荷载后需要等着基础模型及受载立杆2稳定后才能通过第一位移传感器3和第二位移传感器4读取位移数值。本发明模拟载荷装置8向轻质容器7中输送液体，采用液体加载可以加载任意大小的载荷，实现了加载的连续性。

本发明优选将轻质容器7选用轻质水桶，将模拟载荷装置8内的液体选用水，模拟载荷装置8包括：盛水容器801和连通轻质容器7的出水管802，出水管802上安装有阀门803。

模拟地基包括地基容器12，地基容器12内从上至下依次设置有土体层13和砾石层14，地基容器12底部开设有排水阀1201。地基容器12上设置有刻度线，土体层13和砾石层14之间设置有土工布15。实验时，为保证多次对比实验中模拟地基的初始实验环境相同，每次对比实验前均向地基容器12内注充足的水，使水淹没土体层13上的相同的某个刻度，静置足够长的时间使水被土体层13和砾石层14吸收，打开排水阀，放出多余的水。

砾石层14的主要作用是便于地基容器12中的水排出，如果不设置砾石层14而只设置土层的话，注水后很容易造成土体层13的土随水流出，容易造成堵塞排水阀1201；土工布15的作用是防止地基容器12中的土体层13的土渗入砾石层，而后又进而从排水阀1201中流出，造成堵塞排水阀1201。

研究发现模拟地基也可以采用：地基容器12中设置有土体层；这种形式实验室不用注水，仅需将土体层的土壤压实，虽然操作方便，但是会造成多次实验中因土壤疏松程度不同出现误差。其实验效果不如采用“地基容器12内设置有土体层13和砾石层14，地基容器12底部开设有排水阀1201”的这种形式的模拟地基。

固定架10设置为固定支架，固定支架与受载立杆平行设置。

支撑架6设置为角度调节支架，角度调节支架的顶部安装滑轮601，拉绳5绕在滑轮601上，角度调节支架调节拉绳5的水平高度。受载立杆2设置为刚性立杆。

上述的风力塔架基础模型1可以设置为如图1和图2所示的方形，也可以设置为图3所示的锥形，还可以实验其他形状的风力塔架基础模型。

测量风力发电机基础模型倾斜率的方法，使用上述的测量风力发电机基础模型倾斜率的装置来测量风力发电机基础模型的倾斜率，包括以下步骤：

1)使所述加载装置的所述模拟载荷装置8向所述轻质容器7中输送液体，测力传感器9测得的水平载荷数值并由数据采集装置记录数据，同时，通过拉绳5向受载立杆2施加水平载荷，受载立杆2倾斜，第一位移传感器3测得位移值ΔL1和第二位移传感器4测得位移值ΔL2并由数据采集装置记录数据；

2)将数据采集仪在某时刻记录的水平荷载数值以及对应该水平载荷的所述第一位移传感器数据值ΔL1和所述第二位移传感器测得数据值ΔL2，第一位移传感器和第二位移传感器之间的间距为H,通过以下公式得到该时刻风力发电机基础的倾斜率：

在本实施例的实验过程中，打开出水管802上的阀门使盛水容器801中的水流入轻质水桶中，从而对受载立杆2施加水平荷载，该水平荷载可通过测力传感器9传入数据采集仪中。与此同时，施加水平荷载后，受载立杆2会沿着水平荷载的方向倾斜，此时，第一位移传感器3侧得数据值ΔL1和第二位移传感器测得数据值ΔL2，并将数据值传入数据采集仪，因此可同时得到某时刻位移传感器1和2的位移以及该时刻所施加的水平荷载。由于第一位移传感器和第二位移传感器之间的间距为H。通过以下公式得到该时刻风力发电机基础的倾斜率：

根据实验数据比较可以得到某个风力发电机基础模型正常使用状况时的极限水平承载力和极限状况时的极限水平承载力；并且在同一实验条件下，能通过比较在相同水平载荷时不同风力发电机基础模型的倾斜率来比较不同风力发电机基础的承载能力。相同的水平载荷时，倾斜率越小，越不容易使得基础底面与地基脱离，也就是基础的承载能力越好。

本发明测量风力发电机基础模型倾斜率的装置及其方法简单方便，易于操作，能够得到任意加载时刻所施加的水平荷载以及该时刻风力发电机基础模型的倾斜率。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，

包括：风力塔架基础模型、测量装置、加载装置和数据采集装置；

所述风力塔架基础模型埋设置于模拟地基内，所述风力塔架基础模型上固定连接有受载立杆；

所述加载装置包括：拉绳、支撑架、轻质容器和模拟载荷装置，所述拉绳一端连接所述受载立杆另一端连接轻质容器，所述支撑架位于所述受载立杆和所述轻质容器之间，所述支撑架支撑所述拉绳，所述模拟载荷装置向所述轻质容器中输送液体；

所述测量装置包括位第一位移传感器、第二位移传感器和测力传感器，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器上下间隔安装在固定架和所述受载立杆上，所述测力传感器安装在拉绳和所述轻质容器之间；

所述数据采集装置连接所述第一位移传感器、第二位移传感器和所述测力传感器。

2.如权利要求1所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述模拟载荷装置包括：盛水容器和连通所述轻质容器的出水管，所述出水管上安装有阀门。

3.如权利要求1所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述模拟地基包括地基容器，所述地基容器内从上至下依次设置有土体层和砾石层，所述地基容器底部开设有排水阀。

4.如权利要求3所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述地基容器上设置有刻度线，所述土体层和砾石层之间设置有土工布。

5.如权利要求1所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述固定架设置为固定支架，所述固定支架与所述受载立杆平行设置。

6.如权利要求1所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述支撑架设置为角度调节支架，所述角度调节支架的顶部安装滑轮，所述拉绳绕在所述滑轮上，所述角度调节支架调节所述拉绳的水平高度。

7.如权利要求1所述的一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置，其特征在于，所述受载立杆设置为刚性立杆。

8.一种测量风力发电塔基础模型倾斜率的方法，其特征在于，

使用权利要求1所述的测量风力发电塔基础模型倾斜率的装置来测量风力发电塔基础模型的倾斜率，包括以下步骤：

1)使所述加载装置的所述模拟载荷装置向所述轻质容器中输送液体，所述测力传感器测得的水平载荷数值并由所述数据采集装置记录数据，同时，通过拉绳向受载立杆施加水平载荷，所述受载立杆倾斜，所述第一位移传感器测得位移值ΔL1和所述第二位移传感器测得位移值ΔL2并由所述数据采集装置记录数据；

2)计算某时刻水平荷载数值下对应的风力发电塔基础模型的倾斜率，将数据采集装置记录的对应该水平载荷的所述第一位移传感器数据值ΔL1和所述第二位移传感器测得数据值ΔL2，第一位移传感器和第二位移传感器之间的间距为H,通过以下公式得到该时刻风力发电机基础的倾斜率：

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