CN102507184A - 垂直轴风轮性能检测通用试验台装置 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，涉及一种用于风轮结构参数及性能参数的检测装置，该装置设有试验台架，在试验台架上固定有两根支撑立柱；上下支撑板分别水平套装在支撑立柱上，各自通过调整螺杆进行位置调整；风轮试件的中心轴两端通过联轴器分别与上下支撑板固联；盘式耦合器、磁粉加载器的转子通过联接套筒与风轮试件联接，定子固联在下支撑板上；风速仪置于风轮试件前端；各测试仪器的信号输出线与计算机系统连接，置于试验台架外侧。该装置结构简单，操作方便，检测精度高，试件更换性强，能为垂直轴风力发电系统风轮的性能测试和发电机匹配参数的确定提供良好的通用试验设备平台。

Description

垂直轴风轮性能检测通用试验台装置

 

技术领域

本发明涉及一种用于风轮结构参数及性能参数的检测装置，具体的说是垂直轴风轮性能检测通用试验台装置。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，能源的枯竭和环境污染问题迫在眉睫，风能是一种清洁无污染的绿色可再生能源，世界各国都在重点研究和开发。垂直轴风力发电系统近年来得到国际风能届的普遍重视，它具有不受风向影响，结构简单、成本较低、维护方便等优点。垂直轴风轮是垂直轴风力发电系统的重要部件之一，其结构参数及性能参数的设计或选取直接影响着垂直轴风力发电系统的工作性能。垂直轴风轮的理论分析计算由于受到模型简化、条件假设等限制，使得风机实际运行效果与预期性能指标有差别，因此垂直轴风轮在设计开发时或加工完成后都要进行试验验证，以进行性能分析和数据修正，风洞试验研究可以弥补理论分析的不足之处，为风机整体性能参数优化提供了既有效又可行的方法手段。例如：一种简捷型垂直轴风力发电机风轮的风洞试验装置（ZL201020253480.X）可为垂直轴风轮设计提供优化的试验性能参数和发电机匹配设计参数，该风洞试验装置在一定的风速范围内可以模拟风场进行垂直轴风轮性能试验探索。然而试验表明，试验台架上测力计与风轮之间采用带连接方式，皮带张紧力、皮带与风轮法兰之间的摩擦力以及风力变化对测力计的测试精度影响较大，致使垂直轴风轮特性参数的定量分析结果误差较大，不能反映风轮的真实特性，同时，试验人员在进行测试数据记录时，暴露在风速影响范围之内，工作环境恶劣。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，结构简单，操作人员劳动强度大大降低，而且测量得出的数据精度高，能够反映风轮的真实特性。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，包括风洞本体和设置风洞本体出风端一侧的风速仪，还设有风轮性能试验台和计算机系统， 所述的风轮性能试验台主要由支撑架、上支撑板、下支撑板和测量仪器组成，支撑架垂直设置在底座上，上支撑板和下支撑板呈上下间隔垂直设置在支撑架上，风轮试件设置在上支撑板和下支撑板之间，风轮试件上端的风轮中心轴通过套筒联轴器与设置在上支撑板的上支撑轴连接，在下支撑板上设有与上支撑轴同轴线设置的下支撑轴，风轮试件下端的风轮中心轴与下支撑轴连接，测试仪器套装在下支撑轴上，所述的测试仪器由转速计、耦合器和磁粉加载器构成，在风轮试件下端面与下支撑板之间的下支撑轴上依次设有转速计、耦合器和磁粉加载器，磁粉加载器的转子、耦合器的转子和转速计的测量齿轮盘依次通过紧固件联接，转速计的测量齿轮盘通过连接套筒与风轮试件端面联接，耦合器的定子和磁粉加载器的定子分别固联在下支撑板上；风速仪、转速计、耦合器和磁粉加载器信号输出线分别与计算机系统连接，在支撑架上还设有用于调整上支撑板和下支撑板垂直间距的位移调整机构。

所述的风轮试件的中心和风洞本体的中心高度相等。

所述的风速仪、转速计、耦合器和磁粉加载器信号输出线与A/D转换模块的输入端连接，A/D转换模块输出端输入计算机系统。

所述的风轮试件下端面的风轮中心轴与下支撑轴通过楔口连接，在其连接处的风轮中心轴与下支撑轴的外圆周面上套设有限位套筒。

所述转速计的测量齿轮盘、耦合器的转子和磁粉加载器的转子分别套设在下支撑轴上。

所述转速计上的光电探头固定在耦合器的定子上，光电探头对应测量齿轮盘设置。

所述的位移调整机构主要由支撑立柱、设置在支撑架上的调整螺杆Ⅰ和调整螺杆Ⅱ构成，调整螺杆Ⅰ和调整螺杆Ⅱ同轴线设置，两根支撑立柱通过支架固联在支撑架的两侧，在上支撑板的内侧两边设有两个导向孔，分别套装在支撑立柱上，调整螺杆Ⅰ与上支撑板上的螺母套Ⅰ螺旋联接，在调整螺杆Ⅰ的一端设有调整手轮Ⅰ；在下支撑板的内侧有两个导向孔，分别套装在支撑立柱上，调整螺杆Ⅱ与下支撑板上的螺母套Ⅱ螺旋联接，在调整螺杆Ⅱ的一端设有调整手轮Ⅱ；

所述的上支撑板和下支撑板上均设有锁紧螺母。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在该实验台上依次设置转速计、耦合器和磁粉加载器，转速计的测量齿轮盘、耦合器的转子和磁粉加载器的转子分别通过紧固件连接，并通过连接套筒与风轮试件的端面连接，克服了现有技术中测量的不稳定性，通过数据处理软件将测量信号记录下来，并对信号进行处理可得到测试风轮的动态参数（风速V，风轮转速n，风轮输出功率EM，风能利用效率η等），不仅测量得出的数据精度高，而且能够反映风轮的真实特性；其次在实验过程中工作人员不需要暴露在风速影响范围之内，劳动强度大大降低。

2、本发明中风轮试件负载情况由磁粉加载器实施加载力矩以模拟发电机的工况。它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制力矩或传递力矩的目的。磁粉加载器的转子与风轮试件联接，定子固定在机架上。激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化，形成磁粉链，并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现力矩加载。激磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，加载力矩解除。磁粉加载器体积小，重量轻，激磁功率小，其输出力矩与激磁电流呈良好的线性关系，而与转速或滑差无关，并具有响应速度快、结构简单等优点。而且整个设备具有结构简单、成本低廉、调节方便、易于安装维护、可大大减轻实验人员工作强度等特点。

3、该试验台检测装置通过上下支撑板固定风轮中心轴，其上端采用套筒联轴器固定，风轮中心轴下端通过限位套筒稳固，并在下支撑轴上依次套设测量仪器，测量仪器的转子部分通过连接套筒与叶轮试件端面连接，该种结构稳定性能好，检测精度高，而且通用性较好，试件更换性强，能为垂直轴风力发电系统风轮的性能测试和发电机匹配参数的确定提供良好的通用试验设备平台。例如：本试验装置可为垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮（ZL200810049517.4）、垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮（申请号：201010140707.4）、升阻融合翼板型垂直轴风轮（申请号：201010572822.9）等提供高精度、高效率的性能测试平台。同时也为垂直轴风轮的设计标准制定、空气动力学性能分析以及相似模型分析等提供有力的试验验证平台。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的左视图。

图3为本发明具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明中转速计的设置方式示意图。

图5是本发明的试验数据流示意图。

图中标记：1、底座，2、支撑架， 3、调整螺杆Ⅱ，4、螺母套Ⅱ，5、调整手轮Ⅱ，6、调整手轮Ⅰ，7、锁紧螺母，8、螺母套Ⅰ，9、调整螺杆Ⅰ，10、支架，11、支撑立柱，12、上支撑板，13、上支撑轴，14、风轮中心轴，15、套筒联轴器，16、风轮试件，17、连接套筒，18、限位套筒，19、光电探头，20、转速计，21、耦合器，22、磁粉加载器，23、下支撑轴，24、下支撑板，25、风洞本体，26、风速仪，27、测量齿轮盘，28、固定架。

具体实施方式

如图所示，垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，主要由风洞本体25、风速仪26、风轮性能试验台和计算机系统，通过风洞本体25提供测试用的风源，在风洞本体25的出风端依次设置风速仪26和风轮性能试验台，所述的风轮性能试验台主要由支撑架2、上支撑板12、下支撑板24和测量仪器促成，上支撑板12和下支撑板24呈上下间隔设置在支撑架2上，风轮试件16固定在上支撑板12和下支撑板24之间，其中风轮试件上端伸出的风轮中心轴14通过套筒联轴器15与设置在上支撑板12上的上支撑轴13连接，在下支撑板24上设有与上支撑轴13同轴线设置的下支撑轴23，风轮试件下端伸出的风轮中心轴与下支撑轴23通过楔口连接，并利用限位套筒18限位，调整上支撑板12、下支撑板24的位置使风轮轴稳固固定，测试仪器套装在下支撑轴23上，所述的测试仪器由转速计20、耦合器21和磁粉加载器22构成，此处的耦合器21可采用盘式耦合器，在风轮试件下端面与下支撑板之间的下支撑轴23上依次设有转速计20、耦合器21和磁粉加载器22，也就是说转速计20的测量齿轮盘27、耦合器21的转子和磁粉加载器22的转子分别套装在下支撑轴23上，磁粉加载器33的转子、耦合器21的转子和转速计20的测量齿轮盘27依次通过螺栓联接，最上端转速计20的测量齿轮盘27并通过紧固件与连接套筒17的一端连接，连接套筒17的另一端通过紧固件风轮试件16端面联接，耦合器21的定子和磁粉加载器22的定子分别与垂直设置在下支撑板24上的侧板固定连接；转速计20的光电探头19固定在盘式耦合器的定子上；风速仪26输出的风速信号、转速计20输出的转速信号、耦合器21输出的扭矩信号和磁粉加载器22输出的加载力矩信号的分别输入A/D转换模块，A/D转换模块的输出端输入至计算机系统，在支撑架2上还设有用于调整上支撑板12和下支撑板24垂直间距的位移调整机构，用于实时调整上支撑板12和下支撑板24的位置并使风轮轴稳固固定。

本发明所采用的上支撑板12和下支撑板24均为钢板焊接件；而且试验台底座1、上下支撑板上均布置有加强筋，此种结构更稳固，使得测试的数据更为精确。

所述的位移调整机构主要由支撑立柱11、设置在支撑架2上的调整螺杆Ⅰ7和调整螺杆Ⅱ3构成，调整螺杆Ⅰ9和调整螺杆Ⅱ3同轴线设置，支撑架2垂直设置在底座1上，两根支撑立柱11分别通过支架10固联在支撑架2的两侧，上支撑板12的内侧两边设有两个导向孔，上支撑板12通过两个导向孔套装在支撑立柱11上，使上支撑板水平放置，调整螺杆Ⅰ9与上支撑板12上的螺母套Ⅰ8螺旋联接，在调整螺杆Ⅰ9的一端设有调整手轮Ⅰ6，旋动调整手轮Ⅰ6可以使上支撑板12沿支撑立柱11滑动以调整其位置，调整结束后通过上支撑板上的锁紧螺母7固紧；下支撑板24的内侧有两个导向孔，下支撑板通过两个导向孔套装在支撑立柱11上，使下支撑板24水平放置，调整螺杆Ⅱ3与下支撑板24上的螺母套Ⅱ4螺旋联接，在调整螺杆Ⅱ3的一端设有调整手轮Ⅱ5，旋动调整手轮Ⅱ5可以使下支撑板24沿支撑立柱11滑动，调整其位置，调整结束后通过锁紧螺母固紧；配合使用可调节风轮试件的高度。

所述的风洞本体25为两端开口的中空筒状结构，其主要由依次连接的风洞扩散段、风洞整流段及风洞收缩段组成，在风洞扩散段的入口端设有风机，本专利中所采用的风洞本体与一种简捷型垂直轴风力发电机风轮的风洞试验装置（ZL201020253480.X）所采用的风洞本体原理相同，举例说明；所采用的试验测试风源为一种低速开口直流式风洞试验装置，其出风口为矩形截面，截面尺寸为0.9m×0.9m，风洞出风口中心高1.3m，出口风速0～25m/s可调。试验用垂直轴风轮试件高度0.5～0.9m，风轮高径比≥1。

本装置在进行垂直轴风轮性能测试试验时，采用下述方式安装风轮试件：分别旋动调整手轮Ⅰ和调整手轮Ⅱ，使上支撑板上行和下支撑板下行，待空间足够时，将风轮试件放置其中，使风轮下端伸出的中心轴与下支撑轴的楔口接合；然后将风轮上端伸出的中心轴与上支撑板上的上支撑轴通过套筒联轴器进行联接；同时旋动调整手轮Ⅰ和调整手轮Ⅱ，调整风轮试件的铅垂高度，使风轮的中心与风洞出风口中心高度相同；紧固上、下支撑板的锁紧螺母固定上下支撑板，即完成风轮试件的安装并可进行风洞试验。安装过程中，为保证风轮中心轴稳固固定及适当的风轮中心高度，在调整上下支撑板位置时，可在风轮底盘与连接套筒之间加装橡胶垫以利于调整，风轮试件拆卸过程与安装过程相反。

本装置的垂直轴风轮性能测试试验内容包括：低速开口直流式风洞由交流变频调速器通过调节电源频率控制来流风速的大小（可实现0－25m/s风速变化），垂直轴风轮试件将风能转化为机械能，风速仪采集来流风速V，盘式耦合器检测风轮试件的输出扭矩T，风轮转速n通过安装在盘式耦合器上的光电探头19测量得到，光电探头19内设有磁电式转速传感器，磁粉加载器施加加载力矩Td以模拟发电机的工况，性能测试参数通过A/D转换模块等数据采集元件变换为计算机可读式数字信号，计算机放置在试验台架外侧远端，试验人员通过显示器读取数据处理信息或数据直接记录在存储器内。

本发明的试验方法具体步骤如下：

1、将垂直轴风轮试件安装至试验台上，并调整风轮试件的中心高与风洞本体的中心高相同；

2、风轮试件底盘通过连接套筒与测试仪器套件的转子固联，紧固上下支撑板、并调整锁紧螺母等固定上下支撑板，完成风轮试件的安装；

3、测试仪器盘式耦合器、转速计和磁粉加载器与数据采集器相连接；

4、数据采集器与处理计算机相连接；

5、启动低速开口直流式风洞，利用变频器调整风速在0～25m/s之间变化，测量风轮在空载和各种负载情况下的运转特性；

6、风轮试件负载情况由磁粉加载器实施加载力矩以模拟发电机的工况，输出信号产生激励电流，磁化磁粉形成加载力矩，调节激磁电流大小可调整力矩变化；

7、风轮测试信号经数据采集器传给处理计算机，通过数据处理软件将信号记录下来，通过对信号进行处理可得到测试风轮的动态参数（风速V，风轮转速n，风轮输出功率EM，风能利用效率η等）。

图5为本发明的风轮性能检测试验数据流示意图。

在进行风轮试件的空载和负载特性试验时，风轮转速n通过磁电式转速传感器测量得到，图4中，转速计的测量齿轮盘通过连接套筒与风轮试件固联，齿轮齿数为z，转速计的光电探头19通过固定架28安装在盘式耦合器定子上，定子固定在下支撑板上。齿轮随风轮试件旋转，每转过一齿，就产生一个电脉冲信号，风轮每转将产生z个电脉冲信号，其测频为：

                            （1）

因此，风轮转速n（r/min）为：

                            （2）

风能功率EW可根据空气密度ρ、风轮掠风面积A和风速V来计算：

                         （3）

磁粉加载器施加加载力矩Td以模拟发电机的工况，此时，风轮输出功率EM可根据盘式耦合传感器所检测得到的风轮扭矩T和风轮转速n来计算：

 

                           （4）

    风轮的风能利用效率η：

                                   （5）

Claims (8)

1.垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，包括风洞本体（25）和设置风洞本体出风端一侧的风速仪（26），其特征在于：还设有风轮性能试验台和计算机系统， 所述的风轮性能试验台主要由支撑架（2）、上支撑板（12）、下支撑板（24）和测量仪器组成，支撑架（2）垂直设置在底座（1）上，上支撑板（12）和下支撑板（24）呈上下间隔垂直设置在支撑架（2）上，风轮试件（16）设置在上支撑板和下支撑板之间，风轮试件（16）上端的风轮中心轴通过套筒联轴器（15）与设置在上支撑板（12）的上支撑轴（13）连接，在下支撑板（24）上设有与上支撑轴（13）同轴线设置的下支撑轴（23），风轮试件（16）下端的风轮中心轴与下支撑轴（23）连接，测试仪器套装在下支撑轴（23）上，所述的测试仪器由转速计（20）、耦合器（21）和磁粉加载器（22）构成，在风轮试件下端面与下支撑板之间的下支撑轴（23）上依次设有转速计（20）、耦合器（21）和磁粉加载器（22），磁粉加载器（22）的转子、耦合器（21）的转子和转速计（20）的测量齿轮盘依次通过紧固件联接，转速计（20）的测量齿轮盘（27）通过连接套筒（17）与风轮试件（16）端面联接，耦合器（21）的定子和磁粉加载器（22）的定子分别固联在下支撑板上（24）；风速仪（26）、转速计（20）、耦合器（21）和磁粉加载器（22）信号输出线分别与计算机系统连接，在支撑架（2）上还设有用于调整上支撑板（12）和下支撑板（24）垂直间距的位移调整机构。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述的风轮试件（16）的中心和风洞本体（25）的中心高度相等。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述的风速仪（26）、转速计（20）、耦合器（21）和磁粉加载器（22）信号输出线与A/D转换模块的输入端连接，A/D转换模块输出端输入计算机系统。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述的风轮试件（16）下端面的风轮中心轴与下支撑轴（23）通过楔口连接，在其连接处的风轮中心轴与下支撑轴的外圆周面上套设有限位套筒（18）。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述转速计（20）的测量齿轮盘（27）、耦合器（21）的转子和磁粉加载器（22）的转子分别套设在下支撑轴（23）上。

6.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述转速计（20）上的光电探头（19）固定在耦合器（21）的定子上，光电探头（19）对应测量齿轮盘（27）设置。

7.根据权利要求1所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述的位移调整机构主要由支撑立柱（11）、设置在支撑架（2）上的调整螺杆Ⅰ（9）和调整螺杆Ⅱ（3）构成，调整螺杆Ⅰ（9）和调整螺杆Ⅱ（3）同轴线设置，两根支撑立柱（11）通过支架（10）固联在支撑架（2）的两侧，在上支撑板（12）的内侧两边设有两个导向孔，分别套装在支撑立柱（11）上，调整螺杆Ⅰ（9）与上支撑板（12）上的螺母套Ⅰ（8）螺旋联接，在调整螺杆Ⅰ（9）的一端设有调整手轮Ⅰ（6）；在下支撑板（24）的内侧有两个导向孔，分别套装在支撑立柱（11）上，调整螺杆Ⅱ（3）与下支撑板（24）上的螺母套Ⅱ（4）螺旋联接，在调整螺杆Ⅱ（3）的一端设有调整手轮Ⅱ（5）。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风轮性能检测通用试验台装置，其特征在于：所述的上支撑板（12）和下支撑板（24）上均设有锁紧螺母（7）。

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