CN103382921A - 一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置 - Google Patents

一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，包括风力机主轴，风力机主轴的上下两端分别固定上大圆盘和下大圆盘，上大圆盘上固定有第一上支撑杆，下大圆盘上固定有第一下支撑杆，下大圆盘连接旋转轴，旋转轴通过轴承与塔架圆筒相连，叶片安装在第一上支撑杆和第一下支撑杆之间，其特征是：叶片上端固定有上端叶片固定板，叶片下端固定有下端叶片固定板，在上端叶片固定板与第一上支撑杆之间安装第一压力测量机构，下端叶片固定板的旋转轴连接刚性联轴器，刚性联轴器的下端固定有扭矩传感器，扭矩传感器与第一下支撑杆之间安装第二压力测量机构。本发明能够同时测量出垂直方向的受力和扭矩，对于测量叶片的气动力简便直接有效。

Description

一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置
技术领域
本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是叶片气动力的测量装置。
背景技术
叶片的气动性能是垂直轴风力机的主要参数，能够准确的测量出风轮转动过程中叶片的气动力，对改善垂直轴风力机的性能和优化垂直轴风力机的变桨控制规律具有重要的作用和价值。
发明内容
本发明的目的在于提供能够对运动过程中垂直轴风力机叶片气动力进行测量的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，包括风力机主轴，风力机主轴的上下两端分别固定上大圆盘和下大圆盘，上大圆盘上固定有第一上支撑杆，下大圆盘上固定有第一下支撑杆，下大圆盘连接旋转轴，旋转轴通过轴承与塔架圆筒相连，叶片安装在第一上支撑杆和第一下支撑杆之间，其特征是：叶片上端固定有上端叶片固定板，叶片下端固定有下端叶片固定板，在上端叶片固定板与第一上支撑杆之间安装第一压力测量机构，下端叶片固定板的旋转轴连接刚性联轴器，刚性联轴器的下端固定有扭矩传感器，扭矩传感器与第一下支撑杆之间安装第二压力测量机构。
本发明还可以包括：
1、所述的第一压力测量机构包括连接法兰和第一压力测量单元，第一压力测量单元包括V型支撑导轨、平面支撑导轨、V型滑块、平面滑块、第一-第二滑动压板、夹紧块A、夹紧块B、连接轴、压力传感器，V型支撑导轨、平面支撑导轨安装在连接法兰的上平面上，V型支撑导轨上安装V型滑块，V型滑块上方设置第一滑动压板，第一滑动压板与V型支撑导轨固连，V型滑块可在第一滑动压板和V型支撑导轨组成的空间里沿V型支撑导轨滑动，平面支撑导轨上安装平面滑块，平面滑块上方设置第二滑动压板，第二滑动压板与平面支撑导轨固连，平面滑块可在第二滑动压板和平面支撑导轨组成的空间里沿平面支撑导轨滑动，在V型滑块和平面滑块之间安装两根连接轴，夹紧块A和夹紧块B安装在连接轴上，夹紧块A的位置由连接轴限定，夹紧块B可在两根连接轴上滑动，夹紧块B与平面滑块之间安装压力传感器，压力传感器与夹紧块B固连；上端叶片固定板的旋转轴安装在夹紧块A和夹紧块B之间，并由夹紧块A和夹紧块B加紧，连接法兰的下平面与第一上支撑杆相连。
2、所述的第二压力测量机构与第一压力测量机构结构相同，扭矩传感器的一端安装在第二压力测量机构的夹紧块A和夹紧块B之间，并由夹紧块A和夹紧块B加紧。
3、所述的第一压力测量机构还包括第二压力测量单元，第二压力测量单元与第一压力测量单元结构相同，第二压力测量单元通过其V型支撑导轨、平面支撑导轨安装在连接法兰的上表面上，第二压力测量单元的连接轴与第一压力测量单元的连接轴相垂直、且位于第一压力测量单元的连接轴的下方，上端叶片固定板的旋转轴被第一压力测量机构的第一压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B以及第二压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B同时加紧。
4、所述的第二压力测量机构与第一压力测量机构结构相同，扭矩传感器的被第二压力测量机构的第一压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B以及第二压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B同时加紧。
5、第一压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一上支撑杆平行。
6、第一压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一上支撑杆平行，第二压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一下支撑杆平行。
7、上大圆盘上安装第二上支撑杆，下大圆盘上安装第二下支撑杆，第二上支撑杆与第一上支撑杆在一条直线上，第二下支撑杆与第一下支撑杆在一条直线上，第二上支撑杆和第二下支撑杆上均设置长条孔，上下长条孔之间安装配平杆，配平杆与风力机主轴的相对位置可通过长条孔进行调整。
本发明的优势在于：本发明能够准确的测量出固定方向的受力，而且不会对其垂直方向产生影响；十字型压力测量机构通过垂直布置的压力测量机构，能够同时测量出两垂直方向上的受力，根据测得的受力可以方便的进行转换计算；能够同时测量出垂直方向的受力和扭矩，不受多次测量外界环境变化影响测得数据的准确性。该装置对于测量叶片的气动力简便直接有效，具有很好的实用性。
附图说明
图1是本发明的三维整体效果图；
图2是压力测量机构的主视图；
图3是压力测量机构的A—A视图；
图4是压力测量机构的左视图；
图5是压力测量机构的三维视图；
图6是十字型压力测量机构的俯视图；
图7是十字型压力测量机构的主视图；
图8是叶片二维简化模型的受力图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～8，本发明的风力机主轴1通过两端焊接的法兰2用螺栓固定在上下两个大圆盘3上，上支撑杆8和下支撑杆5分别用螺栓固定在大圆盘3上，上支撑杆8、下支撑杆5和大圆盘3都能够随主轴1自由的旋转；大圆盘3用法兰连接在旋转轴上，旋转轴通过轴承与塔架圆筒4连接，保证主轴1能够在塔架圆筒4上自由转动，在塔架圆筒4的下端设计有法兰盘，可用螺栓固定在塔架上，保证风力机运行的条件。在上支撑杆8和下支撑杆5上用螺栓固定着配平杆7，在该侧的上支撑杆8和下支撑杆5上开长条孔，可以调整配平杆7的位置来进行配平，保证风力机主轴1平稳运行。而另一侧的上支撑杆8和下支撑杆5的用螺栓固定着十字型压力测量机构14，该十字型压力测量机构14能够分别测量出运行过程中上支撑杆8和下支撑杆5在水平面内对叶片10的作用力。上端的十字型压力测量机构14用夹紧块A21和夹紧块B23夹紧上端叶片固定板9的旋转轴，上端叶片固定板9与叶片10进行紧固连接，叶片10下端同样与下端叶片固定板11紧固连接，下端叶片固定板11的旋转轴与刚性联轴器12用紧定螺钉紧固连接，刚性联轴器12的下端与扭矩传感器13紧固连接。扭矩传感器13的另一端则用十字型压力测量机构14的夹紧块A21和夹紧块B23夹紧。
根据图2、图3、图4和图5，压力测量机构两端的V型支撑导轨17和平面支撑导轨27都用连接螺栓16固定在连接法兰15上，在连接法兰15和平面支撑导轨27上的连接孔均采用长条孔，能够方便的进行调整。V型支撑导轨17的上端加工有V型导轨能够与V型滑块18配合，让V型滑块18在V型支撑导轨17上进行自由的滑动，保证在测量时能够不影响垂直方向上的作用力。在V型滑块18的上面有一个滑动压板19，两端用压紧螺钉20固定在V型支撑导轨17上，能够防止V型滑块18在运动或测量时偏离导轨。V型滑块18用螺母固定在两根连接轴22，用轴肩限定夹紧块A21的位置，另一侧的夹紧块B23能够在连接轴22上进行滑动。在夹紧块A21和夹紧块B23中间即为待测受力轴，夹紧块B23的外侧用固定螺钉28与X轴压力传感器24连接，压力传感器24的另一侧与平面滑块25连接，并用压紧螺母26进行预紧。同样用滑动压板19和平面支撑导轨27连接，并用压紧螺钉20进行固定。
结合图6和图7，十字型压力测量机构14是由垂直分布，上下层次布置的压力测量机构构成的。在V型滑块18一端的连接法兰15上加工有定位面，保证V型支撑导轨的定位，另一端平面滑块25则可以调节进行压紧。V型滑块18和平面滑块25保证了可以沿测量的垂直方向滑动，从而能够同时测量两个垂直方向上的受力，且互不影响。
风力机主轴通过法兰固结在大圆盘上，上下支撑杆用螺栓固定在大圆盘上，随主轴旋转；大圆盘用法兰连接在旋转轴上，通过轴承与塔架圆筒连接，保证主轴能够自由旋转；主轴的两侧分别固定安装有上下支撑杆，一侧安装待测量的叶片及测量机构，另一侧安装配平杆，保证运行平稳；在待测量叶片一侧，两端分别安装十字型压力测量机构，能够分别测量出沿支撑杆的X轴方向和垂直支撑杆的Y轴方向上的作用力；上端十字型压力测量机构通过中间夹紧块夹紧上端叶片固定板的轴，叶片固定板与叶片固定连接，下端叶片固定板的轴通过刚性联轴器与扭矩传感器相连；扭矩传感器的另一端与下端十字型压力测量机构连接，在测量受力的同时也能够测得叶片的扭矩。
十字型压力测量机构采用垂直分布的压力测量机构，上下层次布置，能够同时测量出X轴和Y轴的受力。压力测量机构两端的支撑导轨用连接螺栓固定在连接法兰上，一侧支撑导轨的上端加工有V型导轨能够与V型滑块配合，另一侧采用平面支撑和平面滑块，两滑块在支撑导轨上能自由滑动，保证在测量时不影响测量的垂直方向；V型滑块用压紧螺母固定在连接轴的一端，通过轴肩定位连接夹紧块A和夹紧块B，其中夹紧块B用固定螺钉与压力传感器连接，压力传感器另一端用固定螺钉与平面滑块连接，平面滑块用压紧螺母固定在连接轴的另一端；夹紧块A和夹紧块B之间为待测轴，夹紧块B能够在连接轴上滑动，保证压力传感器有一定的活动范围；V型滑块一端为定位端，平面滑块一端则可以调节，调节待测轴的夹紧和压力传感器的预紧；测量时，保证压力传感器有一定的初始预紧力，受力发生变化时，压力传感器的输出值随之变化，能够得出受力的大小和方向。
如图8所示，根据叶素理论，对叶片的二维简化模型进行分析，测得的X轴和Y轴的受力分别为FX和FY，叶片的离心力可根据风力机的参数计算出来，假设为F离，可得到叶片的气动力为F气，能够得到气动力的大小和方向。根据风速和叶片转速可得出风力机叶片的升力和阻力的方向，假设分别为叶片弦线和其垂直方向，气动力可分解为升力F1和阻力F2，能够得到升力和阻力的大小。
配平杆可以用两个配平块代替，并在支撑杆的长条孔里调节两个配平块的安装位置进行配平。
压力测量机构采用V型滑块，保证X轴和Y轴测得压力值互不影响，也可以采用梯形槽、矩形槽、燕尾槽等滑动方式。
十字型压力测量机构采用垂直分布的压力测量机构，上下层次布置，由一端定位保证垂直，能够同时测出两相互垂直方向的受力。十字型压力测量机构和扭矩传感器可以同时测量出两垂直轴的受力和扭矩，不受多次测量外界环境变化影响测得数据的准确性。压力测量机构的连接轴固定在垂直布置的V型滑块上，可以在垂直的方向上自由滑动，保证了X轴和Y轴的测量值互不影响。十字型压力测量机构测量的两方向的受力互不影响，也能够单独测量一个方向的受力，不影响测量结果。压力测量机构是采用夹紧块夹紧测量轴，用螺栓连接压力传感器，可以沿测量方向上进行预紧，保证压力传感器有一定的初值，轴上受力发生变化时，压力传感器的输出值随之变化，能够得出该方向受力的大小和方向。安装配平杆的支撑杆上开长条孔，可以调整配平杆的位置保证在旋转的过程中主轴的平衡。

Claims (9)

1.一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，包括风力机主轴，风力机主轴的上下两端分别固定上大圆盘和下大圆盘，上大圆盘上固定有第一上支撑杆，下大圆盘上固定有第一下支撑杆，下大圆盘连接旋转轴，旋转轴通过轴承与塔架圆筒相连，叶片安装在第一上支撑杆和第一下支撑杆之间，其特征是：叶片上端固定有上端叶片固定板，叶片下端固定有下端叶片固定板，在上端叶片固定板与第一上支撑杆之间安装第一压力测量机构，下端叶片固定板的旋转轴连接刚性联轴器，刚性联轴器的下端固定有扭矩传感器，扭矩传感器与第一下支撑杆之间安装第二压力测量机构。
2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：所述的第一压力测量机构包括连接法兰和第一压力测量单元，第一压力测量单元包括V型支撑导轨、平面支撑导轨、V型滑块、平面滑块、第一-第二滑动压板、夹紧块A、夹紧块B、连接轴、压力传感器，V型支撑导轨、平面支撑导轨安装在连接法兰的上平面上，V型支撑导轨上安装V型滑块，V型滑块上方设置第一滑动压板，第一滑动压板与V型支撑导轨固连，V型滑块可在第一滑动压板和V型支撑导轨组成的空间里沿V型支撑导轨滑动，平面支撑导轨上安装平面滑块，平面滑块上方设置第二滑动压板，第二滑动压板与平面支撑导轨固连，平面滑块可在第二滑动压板和平面支撑导轨组成的空间里沿平面支撑导轨滑动，在V型滑块和平面滑块之间安装两根连接轴，夹紧块A和夹紧块B安装在连接轴上，夹紧块A的位置由连接轴限定，夹紧块B可在两根连接轴上滑动，夹紧块B与平面滑块之间安装压力传感器，压力传感器与夹紧块B固连；上端叶片固定板的旋转轴安装在夹紧块A和夹紧块B之间，并由夹紧块A和夹紧块B加紧，连接法兰的下平面与第一上支撑杆相连。
3.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：所述的第二压力测量机构与第一压力测量机构结构相同，扭矩传感器的一端安装在第二压力测量机构的夹紧块A和夹紧块B之间，并由夹紧块A和夹紧块B加紧。
4.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：所述的第一压力测量机构还包括第二压力测量单元，第二压力测量单元与第一压力测量单元结构相同，第二压力测量单元通过其V型支撑导轨、平面支撑导轨安装在连接法兰的上表面上，第二压力测量单元的连接轴与第一压力测量单元的连接轴相垂直、且位于第一压力测量单元的连接轴的下方，上端叶片固定板的旋转轴被第一压力测量机构的第一压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B以及第二压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B同时加紧。
5.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：所述的第二压力测量机构与第一压力测量机构结构相同，扭矩传感器的被第二压力测量机构的第一压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B以及第二压力测量单元的夹紧块A和夹紧块B同时加紧。
6.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：第一压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一上支撑杆平行。
7.根据权利要求4或5所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：第一压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一上支撑杆平行，第二压力测量机构的第一压力测量单元的连接轴与第一下支撑杆平行。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：上大圆盘上安装第二上支撑杆，下大圆盘上安装第二下支撑杆，第二上支撑杆与第一上支撑杆在一条直线上，第二下支撑杆与第一下支撑杆在一条直线上，第二上支撑杆和第二下支撑杆上均设置长条孔，上下长条孔之间安装配平杆，配平杆与风力机主轴的相对位置可通过长条孔进行调整。
9.根据权利要求7任一所述的一种垂直轴风力机叶片气动力的测量装置，其特征是：上大圆盘上安装第二上支撑杆，下大圆盘上安装第二下支撑杆，第二上支撑杆与第一上支撑杆在一条直线上，第二下支撑杆与第一下支撑杆在一条直线上，第二上支撑杆和第二下支撑杆上均设置长条孔，上下长条孔之间安装配平杆，配平杆与风力机主轴的相对位置可通过长条孔进行调整。
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