CN102175422A - 一种俯仰方向转动的风洞实验用定日镜模型 - Google Patents

Abstract

一种俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，由镜面反射板(1)、转动装置(2)、转动轴(3)、立柱(4)和支撑构件(5)组成，所述各组成部件采用有机玻璃制作。镜面反射板(1)由平板(13)和(14)拼装而成，镜面反射板(1)的前后表面均匀对称布置测压孔(12)，进行风压分布和脉动特性测量。转动装置(2)由定位板(9)和法兰转动盘(8)构成，定位板(9)的定位螺栓孔和法兰转动盘(8)的刻度槽(19)之间采用定位螺杆(7)联接，定位螺杆(7)在刻度槽(19)的0度和90度之间自由滑动，从而带动模型的俯仰旋转。支撑构件(5)做成可拆换的形式。

Description

一种俯仰方向转动的风洞实验用定日镜模型

技术领域

本发明涉及一种风洞实验用定日镜模型，特别涉及一种俯仰方向可旋转的风洞实验用定日镜模型。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。塔式热发电装置基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的吸热器上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。对于一个10MW规模的太阳能塔式热发电站，其定日镜与吸热器间最大距离可达1公里，风力作用下定日镜的微小颤动就可引起反射的太阳光在吸热器上的较大偏离，因此，在预定风载荷作用下保证定日镜的高跟踪精度成为定日镜设计者的重要考虑因素之一。尤其对于反射面积较大的定日镜，结构质量较大，结构自振频率降低，迎风面积大，风荷载成为重要控制荷载。在风洞中对定日镜的抗风性能进行实验研究是优化定日镜结构的必要手段。国外已开展了一些研究，美国科罗拉多州立大学科研人员在1987年在大气边界层风洞中完成了定日镜场风载荷实验，验证了定日镜场的排列型式对定日镜所受的风荷载有比较大的影响。1988年到1992年，Peterka进行了一系列定日镜风洞实验研究，提出了一种确定定日镜结构风荷载的方法。但这些风洞实验中的定日镜模型大多是理想化的平板形状，没有考虑镜面的支撑构件对定日镜整体风效应的影响，也未进行风压分布和脉动特性测量，得到的数据难以直接指导定日镜产品的设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有风洞实验用定日镜模型的缺陷，提供一种可进行俯仰方向转动的定日镜模型，并准确模拟定日镜原型的支撑构件，用于进行模型的测压和测力实验。

为达到上述目的，本发明的风洞实验用定日镜模型由镜面反射板、转动装置、转动轴、立柱和支撑构件组成。镜面反射板由两块几何尺寸相同、材质相同的平板有机玻璃拼装而成，测压管线封装于镜面反射板的两块有机玻璃的拼装处，镜面反射板的前后表面对称布置了测压孔，测压孔采用均匀布置的方式，前后表面各布置100到150个测压孔。转动装置由定位板和法兰转动盘组成，定位板与立柱相联接，法兰转动盘与镜面反射板和转动轴相联接。定位板上加工有一个定位螺栓孔，法兰转动盘上加工有刻度槽，在刻度槽上标注0度到90度之间的刻度，最小刻度单位为5度。定位螺栓孔和刻度槽之间采用定位螺杆联接，定位螺杆可在刻度槽内自由滑动。定位板固定不动，法兰转动盘和镜面反射板绕转动轴在俯仰方向进行旋转，此时定位螺杆沿着刻度槽的标注刻度进行相应滑动，当定位螺杆滑动到刻度槽的5度刻度时，用螺母将定位螺杆固定，此时的定日镜模型的俯仰角度就是5度，以此类推，可以使定日镜模型在俯仰角度0度和90度之间进行自由旋转。支撑构件采用有机玻璃制作，在支撑构件和转动轴之间设置联接板，在联接板上穿孔安装可拆装的联接螺栓，将支撑构件和转动轴联接为一体，用螺钉在镜面反射板的压条上穿孔联接，将支撑构件和镜面反射板联接为一体。通过拆装螺栓和螺钉，就可将支撑构件做成可拆卸、可组装的形式。

本发明具有如下特点：第一，模型采用有机玻璃制作，相比于传统的钢铁结构，有机玻璃具有密度低、易于加工的特征，可满足风洞模型测力实验的要求，即模型刚度较大、质量相对较轻，材质易于加工且不易变形的要求。第二，测压管线封装在两块平板之间，可以保证定日镜模型周围的风场不受测压管线的干扰，保证风洞实验的精度。第三，镜面反射板的前后表面前后对称、均匀布置100-150个测压孔可保证实验的准确度，可满足定日镜俯仰旋转和水平旋转时引起镜面反射板局部位置出现较大风压的测量要求，通过分析镜面反射板前后表面叠加后的净风压可得到镜面风载体型系数，得到有效的定日镜风荷载计算方法。第四，定日镜可根据标注刻度在0度到90度之间进行俯仰方向的自由旋转，并且能够保证仰角精度，结构简单，操作简便。第五，在转动装置中分别设置加强螺杆和定位螺杆，不仅能够保持仰角固定，而且可以加强立柱、转动装置和镜面反射板的联接处的刚度，保证在风荷载作用下，联接处不会产生晃动。第六，将支撑构件做成可拆卸、可组装的形式，当定日镜原型的支撑装置改变时，仅需拆换模型的支撑构件，大大降低了模型的制作费用，减少实验准备时间，并且可以采用一个定日镜模型实现模拟多种支撑形式进行风洞实验。

本发明工作过程如下：

在风洞中模拟定日镜场所在地的实际风场中，将定日镜模型安装在风洞的转盘中央，将六分力测力天平安装在模型基座处，将一端联接模型测压孔的测压管线的另一端联接压力扫描阀的插口，将压力扫描阀放置在模型转动轴的空腔中，在模型右前方的参考高度处安装热线风速仪，完成定日镜风洞实验的准备工作。

定日镜模型的测试工况包括俯仰旋转和水平旋转，其中，模型随着转动装置的转动，进行0度到90度之间的俯仰旋转，模型随着风洞转盘的转动，进行0度到180度之间的水平旋转。模型以水平角的每15度(0-180度)、俯仰角的每10度(0-90度)进行一次测试记录，每个工况的测试记录的采样频率和采样时间均满足模型和原型之间的相似比要求，通过水平角和俯仰角的两两组合，定日镜模型的风洞实验总计有130个测试工况。

启动风机，产生风场，当风洞模拟风场达到实际风场的湍流度要求和风速要求时，开启测试仪器，压力扫描阀分别记录130个测试工况的镜面反射板表面的每个测压孔的压力数据，测力天平记录130个测试工况的模型的六方向分力：阻力、侧向力、升力、方位力矩、侧向力矩和基底倾覆力矩，热线风速仪记录实验过程中的参考高度处的风速和湍流度，完成定日镜风洞实验的全过程。

附图说明

图1是定日镜风洞模型的整体结构示意图；

图2是镜面反射板的结构示意图；

图3是转动装置的结构示意图；

图4是支撑构件的结构示意图；

图5是图4A处的局部放大视图；

图6是图4B处的局部放大视图；

图7是定日镜模型在风洞中进行实验的示意图。

图中：1镜面反射板、2转动装置、3转动轴、4立柱、5支撑构件、6加强螺杆、7定位螺杆、8法兰转动盘、9定位板、10托板、11压条、12测压孔、13反射板的正立面平板、14反射板的背立面平板、15转动轴和支撑构件的联接板、16联接板的联接螺栓、17支撑构件和反射板的联接螺钉、18测压管线、19刻度槽、20定日镜风场模拟装置、21风洞转盘、22定日镜模型、23热线风速仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明实施例是塔式太阳能发电系统中的100平方米的矩形定日镜的风洞模型。

本发明的整体结构如图1所示。可进行仰角旋转的定日镜风洞模型由镜面反射板1、转动装置2、转动轴3、立柱4和支撑构件5构成，上述五部分构件均采用有机玻璃制作。立柱4和转动轴3的中心线垂直相交。立柱4的上端安装托板10，转动装置2安装在托板10的上端。转动装置2由定位板9和法兰转动盘8组成，定位板9与立柱4相联接。法兰转动盘8与镜面反射板1和转动轴3相联接，转动轴3分为左右对称的两部分，分别通过法兰转动盘8联接在转动装置2的两侧。镜面反射板1分别同转动轴3和法兰转动盘8相连，与法兰转动盘8同步进行仰角旋转。多个相互平行的支撑构件5等距离分布并垂直联接在转动轴3和镜面反射板1上，支撑构件5做成可拆卸、可组装的形式。

图2所示为镜面反射板1的结构示意图。如图2a、图2b所示，镜面反射板1由两块几何尺寸相同、材质相同的平板有机玻璃13和14拼装而成，测压管线18封装于镜面反射板1的两块平板有机玻璃13和14的拼装处，镜面反射板1的前后表面对称布置测压孔12，例如，在本实施例中，两块平板各布置144个测压孔，测压孔以16行×9列的形式分布。每个测压孔12连接一条测压管线18。在两块平板有机玻璃13和14之间设置压条11，分别在压条11的多个位置安装螺钉17，将平板有机玻璃13和14铆接在一起，将镜面反射板1和支撑构件5铆接在一起。在镜面反射板1的背面开缝，开缝位置位于镜面反射板1和转动轴3的联接处，使得封装在两块平板13和14之间的测压管线18能够从缝隙处穿出镜面反射板1，连接到压力扫描阀上，压力扫描阀放置在转动轴3的空腔中。

图3所示为转动装置2的结构示意图。转动装置2由定位板9和法兰转动盘8构成，定位板9位于法兰转动盘8内侧，与立柱4相联接，法兰转动盘8与镜面反射板1和转动轴3相联接。定位板9上加工有一个定位螺栓孔，法兰转动盘8上加工有刻度槽19，在刻度槽19上标注0度到90度之间的刻度，最小刻度单位为5度。定位螺栓孔和刻度槽19之间采用定位螺杆7联接，定位螺杆7可在刻度槽19内自由滑动。定位板9固定不动，法兰转动盘8和镜面反射板1绕转动轴3在俯仰方向进行旋转，此时定位螺杆7沿着刻度槽19的标注刻度进行相应滑动，当定位螺杆7滑动到刻度槽19的5度刻度时，用螺母将定位螺杆7固定，此时的定日镜模型的俯仰角度就是5度，以此类推，可以使定日镜模型在俯仰角度0度和90度之间进行自由旋转。在转动装置2上设置加强螺杆6，用螺母拧紧固定，用于加强立柱4、转动装置3和镜面反射板2的联接处的刚度。

图4所示为支撑构件5的结构示意图。支撑构件5采用有机玻璃制作，在支撑构件5和转动轴3之间设置联接板15，在联接板15上穿孔，安装可拆装的联接螺栓16，将支撑构件5和转动轴3联接为一体，见图5所示。镜面反射板1内设置有压条11，用螺钉17在压条11上穿孔，将支撑构件5和镜面反射板1联接为一体，见图6所示。通过拆装螺栓16和螺钉17，就可将支撑构件5做成可拆卸、可组装的形式。

图7所示为定日镜模型在风洞中进行实验的示意图。在风洞中模拟定日镜场所在地的实际风场，布设定日镜的风场模拟装置20，将定日镜模型22安装在风洞的转盘21的中央，将六分力测力天平安装在模型基座处，将六分力测力天平的一端联接模型测压孔12的测压管线18，六分力测力天平的另一端联接压力扫描阀的插口，将压力扫描阀放置在模型转动轴3的空腔中。在模型22的右前方的参考高度处安装热线风速仪23，完成定日镜风洞实验的准备工作。工作时，启动风机，产生风场，当风洞模拟风场达到实际风场的湍流度要求和风速要求时，开启测试仪器，压力扫描阀记录镜面反射板1表面的每个测压孔12的压力数据，六分力测力天平记录模型的六方向分力：阻力、侧向力、升力、方位力矩、侧向力矩和基底倾覆力矩，热线风速仪23记录参考高度处的风速和湍流度，完成定日镜风洞实验的全过程。

Claims (6)

1.一种俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：所述的定日镜模型由镜面反射板(1)、转动装置(2)、转动轴(3)、立柱(4)和支撑构件(5)组成；所述的立柱(4)和转动轴(3)的中心线垂直相交，转动装置(2)位于立柱(4)的上端；转动轴(3)分为左右对称的两部分，所述的两部分分别联接在转动装置(2)的两侧；镜面反射板(1)同转动轴(3)和转动装置(2)相连，镜面反射板(1)同转动轴(3)和转动装置(2)同步进行仰角旋转；多个相互平行的支撑构件(5)等距离分布并垂直联接在转动轴(3)和镜面反射板(1)上；支撑构件(5)通过联接螺栓(16)和转动轴(3)联接为一体；支撑构件(5)通过联接螺栓(17)和镜面反射板(1)联接为一体。

2.按照权利要求1所述的俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：所述的镜面反射板(1)由两块几何尺寸相同、材质相同的平板有机玻璃(13、14)拼装而成，测压管线(18)封装于镜面反射板(1)的两块有机玻璃(13、14)的拼装处，镜面反射板(1)的前后表面均匀对称布置有测压孔(12)。

3.按照权利要求1所述的俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：所述的转动装置(2)由定位板(9)和法兰转动盘(8)组成，定位板(9)与立柱(4)相联接，法兰转动盘(8)与镜面反射板(1)和转动轴(3)相联接；定位板(9)上加工有定位螺栓孔，法兰转动盘(8)上加工有刻度槽(19)，在刻度槽(19)上标注0度到90度之间的刻度；所述的定位螺栓孔和刻度槽(19)之间采用定位螺杆(7)联接。

4.按照权利要求3所述的俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：所述的定位螺杆(7)在刻度槽(19)内自由滑动，所述的定位板(9)固定不动，所述的法兰转动盘(8)和镜面反射板(1)绕转动轴(3)在俯仰方向旋转，此时定位螺杆(7)沿着刻度槽(19)的标注刻度进行相应滑动，用螺母将定位螺杆(7)固定，定位螺杆(7)所在的刻度就是定日镜模型的俯仰角度。

5.按照权利要求1所述的俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：在所述的支撑构件(5)和转动轴(3)之间设置联接板(15)，联接板(15)上安装可拆装的联接螺栓(16)，将支撑构件(5)和转动轴(3)联接为一体；用螺钉(17)在镜面反射板(1)的压条(11)上穿孔联接，将支撑构件(5)和镜面反射板(1)联接为一体；拆装螺栓(16)和螺钉(17)，便能拆卸、组装支撑构件(5)。

6.按照权利要求1所述的俯仰方向转动风洞实验用定日镜模型，其特征在于：所述的镜面反射板(1)、转动装置(2)、转动轴(3)、立柱(4)和支撑构件(5)均采用有机玻璃制作。

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