CN102680222B - 潮流能水轮机叶片实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源领域，涉及一种潮流能水轮机叶片实验装置，包括：台架、静叶片轴、静叶片、变位支架上臂、变位支架下臂、变位支架轴、转动叶片轴、转动叶片。本装置安装在开式水槽上，实验时，通过旋转静叶片轴、转动叶片轴、变位支架轴，调整静叶片和转动叶片的不同位置，能够比较真实地模拟潮流能水轮机叶片的工作工况，完成叶片变攻角性能测试、在不同安装角下的叶片性能测试、水轮机旋转一周时的叶片性能测试、水轮机叶片之间相互干涉作用的性能测试。解决了潮流能水轮机叶片水力性能测试困难、测试周期长、测试工况与真实工作工况差别比较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域，涉及一种潮流能水轮机叶片实验装置。
技术背景
潮流能是可利用的可再生能源，在能源紧缺和环境恶化双重压力下，潮流能已成为能源开发技术领域最为活跃的分支。潮流能水轮机是潮流发电系统的核心组成部分，根据其结构运行的情况，潮流能水轮机可分为水平轴和垂直轴两类。
潮流能水轮机与传统水力发电站水轮机的工作原理不同，是一种无压降或低水头的水轮机，与风力机的基本原理相近，将流体动能转换为机械能，有着“水下风车”之称。叶片是水轮机的核心部件，叶片的型线（行业内简称为叶型）、叶片的外形结构、表面粗糙度和材料特性等直接影响着水轮机的水力性能。为了开发研究适合潮流能水轮机的叶片，实验研究工作是十分基本和必要的，仍是现有的理论分析和数值计算方法所无法替代的。
目前潮流能水轮机叶片的水力性能实验方法有三种，其一是进行潮流能水轮机整机性能实验，但设备费用高、周期长，尤其是在叶片转动的情况下，很难测到叶片附近的流场特性，只能得到水轮机的整体性能；其二是在空气风洞上进行叶片型线的吹风实验，虽然在风洞上进行叶型实验有较成熟的方法，易于实现对叶片表面和叶片附近流场的详细测量，且费用较低，周期较短，但由于空气和水这两种工质的不同，粘性和可压缩性的差别对叶片性能的影响无法得到准确验证；其三是在闭式循环水洞上进行叶片性能实验，但目前进行的实验主要是针对传统水力发电站水轮机的叶片性能，得到的实验数据是多个叶片组成的叶栅性能，由于潮流能水轮机与传统水力发电站水轮机的工作原理不同，存在着测试工况与水轮机真实工作工况差别比较大的问题，更是无法测量潮流能水轮机叶片间的相互干涉作用，实验结果与真实情况差异较大，应用价值不高。
由于潮流能水轮机与传统水力发电站水轮机的工作原理不同，为了解决潮流能水轮机叶片的水力性能测试问题，提出一种潮流能水轮机叶片实验装置。
发明内容
为了解决潮流能水轮机的叶片水力性能测试问题，提出一种潮流能水轮机叶片实验装置，包括：台架、静叶片轴、静叶片、变位支架上臂、变位支架下臂、变位支架轴、转动叶片轴、转动叶片。静叶片安装在静叶片轴上，通过静叶片轴与台架连接；变位支架上臂、变位支架下臂、变位支架轴连接成一个整体，通过变位支架轴与台架连接；转动叶片安装在转动叶片轴上，转动叶片轴通过变位支架上臂和变位支架下臂的通孔与变位支架上臂和变位支架下臂相连接。
台架为整个装置的连接基础，是一块平板。
变位支架上臂是横截面为矩形的长杆件，在其上开有3~5个直径为15mm的通孔。
变位支架下臂是横截面为三角形的长杆件，在其上开有3~5个直径为15mm的通孔，孔的位置与变位支架上臂的孔位置相同。
变位支架轴是一个长杆件，一端带有圆盘。
本发明的有益效果：本装置安装在开式水槽上，相比于闭式水洞上和风洞上的叶片性能实验来说，该装置能够比较真实地模拟潮流能水轮机叶片的工作工况，测试的叶片性能数据更接近潮流能水轮机叶片的真实情况，能够完成潮流能水轮机的叶片之间相互干涉作用测试、不同安装角测试、不同相位角测试，同时还具有易于实现的特点；相比于潮流能水轮机的整机性能实验来说，具有测试周期短、测试成本低、测试方便的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为潮流能水轮机叶片实验装置的结构示意图。
图2为静叶片、静叶片轴的连接示意图。
图3为转动叶片、转动叶片轴的连接示意图。
图4为变位支架上臂、变位支架下臂、变位支架轴的连接示意图。
图5为潮流能水轮机叶片的各种角度定义图，图中X—X为台架的中心线，箭头表示水流方向，a为叶片的相位角，b为叶片的安装角，i为叶片的冲角。各角度定义为：变位支架上臂中心线与整个装置中心线的夹角定义为相位角a，叶片前缘点与尾缘点连线与变位支架上臂中心线的夹角定义为安装角b，叶片中弧线前缘切线方向与水流方向的夹角定义为冲角i。
图中：1台架、2静叶片轴、3静叶片、4变位支架上臂、5变位支架下臂、6变位支架轴、7转动叶片轴、8转动叶片。
具体实施方式
如图所示，本发明的潮流能水轮机叶片实验装置由台架1、静叶片轴2、静叶片3、变位支架上臂4、变位支架下臂5、变位支架轴6、转动叶片轴7、转动叶片8组成。静叶片3安装在静叶片轴2上（如图2），通过静叶片轴2与台架1连接；变位支架上臂4、变位支架下臂5、变位支架轴6连接成一个整体（如图4），通过变位支架轴6与台架1连接；转动叶片8安装在转动叶片轴7上（如图3），转动叶片轴7通过变位支架上臂4和变位支架下臂5的通孔与其相连接。
本装置安装在开式水槽的上部，安装时应确保水流方向如图5所示，实验数据采集系统放置在台架上部，数据采集系统包括测力天平、皮托管测速装置、叶片表面压力传感器等等。实验时，通过旋转静叶片轴2、转动叶片轴7、变位支架轴7，调整静叶片3和转动叶片8的不同位置，能够模拟潮流能水轮机在不同工况下的叶片附近流场，进行叶片水力性能的测试。现举例几个具体实施方案进行说明。
具体实施例1
潮流能水轮机的叶片变攻角性能测试。由于静叶片安装在静叶片轴上，通过静叶片轴的旋转能够实现静叶片冲角i的改变，在不同冲角值的叶片位置进行叶片性能测试，完成潮流能水轮机叶片在不同冲角下的叶片性能测试。
具体实施例2
在不同安装角下的叶片性能测试。由于转动叶片安装在转动叶片轴上，通过转动叶片轴的旋转能够实现转动叶片安装角b的改变，能够进行潮流能水轮机叶片在不同安装角下的性能测试。
具体实施例3
水轮机旋转一周时的叶片性能测试。通过转动叶片轴和变位支架轴的配合旋转，能够实现转动叶片的不同安装角b和不同相位角a的不同组合，进行潮流能水轮机叶片在不同周向位置时的性能测试，进而得到潮流能水轮机叶片在旋转一周时的性能。
具体实施例4
水轮机叶片之间相互干涉作用的性能测试。通过改变转动叶片轴在变位支架上臂和变位支架下臂的不同孔的安装位置，调整静叶片与转动叶片的距离，进一步可以通过静叶片轴和转动叶片轴的配合旋转，能够模拟在不同水流方向的条件下，上游叶片尾迹对下游叶片的性能影响区域，完成潮流能水轮机叶片之间相互干涉作用的性能测试。
综上所述，本装置能够模拟潮流能水轮机工作时的大部分真实工作工况，完成叶片变攻角性能测试、在不同安装角下的叶片性能测试、水轮机旋转一周时的叶片性能测试、水轮机叶片之间相互干涉作用的性能测试。解决了潮流能水轮机叶片水力性能测试困难、测试周期长、测试工况与真实工作工况差别比较大的问题，具有测试周期短、测试成本低、测试方便的优点，同时还具有易于实现的特点。使用本装置进行实验测试时，当然还存在着由于非定常效应造成的转动工况与测试工况的差别，不过在叶片的水力性能方面，这个因素比较次要。
Claims (1)
1.一种潮流能水轮机叶片实验装置，包括台架（1）、静叶片轴（2）、静叶片（3）、变位支架上臂（4）、变位支架下臂（5）、变位支架轴（6）、转动叶片轴（7）和转动叶片（8）；其特征在于：静叶片（3）安装在静叶片轴（2）上，通过静叶片轴（2）与台架（1）连接；数据采集系统放置在台架（1）上部，数据采集系统包括测力天平、皮托管测速装置、叶片表面压力传感器；变位支架上臂（4）、变位支架下臂（5）和变位支架轴（6）连接成一个整体，通过变位支架轴（6）与台架（1）连接；转动叶片（8）安装在转动叶片轴（7）上，转动叶片轴（7）通过变位支架上臂（4）和变位支架下臂（5）的通孔与变位支架上臂和变位支架下臂相连接；变位支架上臂（4）是横截面为矩形的长杆件，在其上开有3～5个直径为15mm的通孔；变位支架下臂（5）是横截面为三角形的长杆件，在其上开有3～5个直径为15mm的通孔，孔的位置与变位支架上臂（4）的孔位置相同；变位支架轴（6）是一个长杆件，一端带有圆盘。
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