CN107762709A - 一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，包括搭载平台1、立柱2、应变片3、叶轮4、扭矩转速测量仪5、增速器6、主轴7、发电机8、机舱9、电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12及PC机13，测量叶轮的能量利用率、主轴载荷、扭矩系数及推力系数等水平轴潮流能水轮机水动力性能关键参数。一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台结构简单，可靠性强，测试方法操作简便、精确度高且可控性强。本发明既可以为水平轴潮流能水轮机工程样机的设计提供参考，又可以为水平轴潮流能水轮机水动力性能CFD数值模拟和理论研究提供实验验证。

Description

一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法
技术领域
本发明属于试验平台及测试方法领域，具体涉及一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法。
背景技术
我国拥有广阔的领海面积，相关海域中蕴藏着巨大的可利用的资源，其中以潮流能为代表的海洋可再生能源就是其中的一种。利用水道间的潮流反复运动产生的能量，可以进行发电活动，能为边远海岛提供生产和生活用电。潮流能开发利用已经成为当前船舶与海洋工程、流体力学学科重点研究的方向之一。在潮流能开发利用领域，水平轴潮流能水轮机是一种重要的能量转换装置，它具有启动性能好、获能效率高、转动稳定等优点而被广泛使用。在设计潮流能水轮机的过程中，模型试验是一个必不可少的环节，通过模型试验来获取该型水轮机的关键水动力性能参数，从而评价该型水轮机的性能，为设计提供参考和依据。本发明所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，可以提供一种在循环水槽里进行水平轴潮流能水轮机水动力性能研究的试验平台，以及基于此平台的测试方法。具体地说，在该测试平台下，利用此方法可以测量出水平轴水轮机的能量转化效率、主轴载荷、扭矩系数及推力系数等衡量水轮机性能优劣的关键参数，从而可以为水平轴水轮机工程样机的设计提供参考与借鉴，也可以为水平轴叶轮水动力性能的CFD数值模拟和理论研究提供实验验证。
经检索发现，申请号为CN201410179450.1，公开号为CN103954433B的实用新型专利水轮机模型试验叶片载荷加载方法。水轮机模型试验叶片载荷加载方法，属于实验设备技术领域，先将水泵通过管道依次连接泄压口、蓄能气瓶、比例阀、喷口，平台上部设有喷口，下部设有测力计，比例阀通过信号线与控制电脑相连接，平台通过拉绳和气球相连接，检查是否漏气，然后利用连续的水流喷射所产生的反作用力模拟水轮机叶片载荷。假定已经获知水轮机叶片的数值模拟载荷，按一定的缩尺比缩小载荷，将载荷时程变成等比例的电信号。通过电信号的变化来控制比例阀的工作状态调节阀开启的大小，从而控制水流喷射量，测力计实时测试喷口反作用力的大小。将测力计实时反作用力进行电脑读取与分析，最终得到实际的载荷，通过数值图形分析得到，数值模拟载荷为实际载荷的1.12倍。该专利所用的测试方法与本专利的测试方法在试验平台、原理、操作及后期处理数据的方法上均不相同。
发明内容
针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种可以测出水平轴水轮机的能量转化效率、主轴载荷、扭矩系数及推力系数等衡量水轮机性能优劣的关键参数、操作简便、精确度高、可控性强的水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，包括搭载平台1、立柱2、应变片3、叶轮4、扭矩转速测量仪5、增速器6、主轴7、发电机8、机舱9、电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12及PC机13，工作环境为循环水槽；其特征在于：所述的搭载平台1为方钢框架结构，与循环水槽刚性活连接；立柱2为流线型椭圆柱，前后对称贴有两个应变片3，与机舱9刚性固连，连接搭载平台1和水轮机；叶轮4、扭矩转速测量仪5、增速器6、发电机8连接于主轴7上；扭矩转速测量仪5、增速器6、发电机8安放于机舱9之中；电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12及PC机13互联，放置于搭载平台1上。
所述的测试方法的步骤为：
1.标定载荷测量，确定标定系数；
2.安装仪器设备；
3.在数据采集与分析处理系统12的软件中，新建测试工程、进行平衡、清零和记录；
4.开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v；
5.利用电阻箱10来调节负载，待转速稳定之后，读出主轴7上扭矩转速测量仪5的扭矩Q和转速n，读出前后两个应变片3的应力σ1,σ2；
6.关闭循环水槽，卸下叶轮4；再打开循环水槽至实验速度v，读出应变片3的应力σ1′,σ2′；
7.测试结束，关闭循环水槽及其他仪器设备；
8.处理数据，计算能量利用率Cp、主轴载荷Ft、扭矩系数K及推力系数Ct。
所述的步骤1具体为：前后立柱应变片3的标定通过滑轮组导向，通过悬挂标准砝码的悬挂法进行标定；扭矩转速测量仪5的扭矩采用固定直径的轮盘替换叶轮4，通过悬挂标准砝码的方法进行标定；转速、电流、电压信号通过标准输出进行标定。
所述的步骤2具体为：将水平轴潮流能水轮机、数据采集设备等作为试验平台，用起吊机将试验平台吊起，与循环水槽固定活连接；将各数据线分别连接到电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12和PC机13上；将扭矩转速测量仪5与主轴7相连。
所述的步骤8具体为：能量利用率其中，Q为主轴7的扭矩，n为主轴7的转速，v为水流速度，A为叶轮4的扫略面积，ρ为水密度；主轴载荷其中，M为主轴7的弯矩，Iz为惯性矩，L为主轴7至应变片3的距离，d为叶轮4的直径，σ1,σ2为搭载叶轮4时立柱2前后应力的大小，σ1′,σ2′为不搭载叶轮4时立柱2前后应力的大小；扭矩系数其中Q为主轴7的扭矩，ρ为水密度，n为主轴7的转速，d为叶轮4的直径；推力系数
所述的应变片3为中航电测BZ120-3A型应变片，前后柱面用砂纸打磨，用丙酮擦拭处理，贴片，引线，然后涂AB胶，风干24小时；电阻箱10为上海精密科学ZX95型旋钮可调式电阻箱；供电电源11为济南能华15V直流稳压供电电源；数据采集与分析处理系统12为东华DH5920数据采集与分析处理系统；扭矩转速测量仪5为J338型扭矩转速测量仪；PC机13为联想扬天T6900C型台式计算机，WINDOWS7操作系统。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明可对潮流能水轮机水动力性能关键参数进行测量，既可以为水平轴潮流能水轮机工程样机的设计提供参考，又可以为水平轴潮流能水轮机水动力性能CFD数值模拟和理论研究提供实验验证。
附图说明
图1为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法的试验平台示意图。
图2为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法的测试流程图。
图3为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法的信号与数据流程图。
图4为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法获得的CP曲线。
图5为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法获得的Ft曲线。
图6为一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法获得的Ct曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述：
一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台包括搭载平台1、立柱2、应变片3、叶轮4、扭矩转速测量仪5、增速器6、主轴7、发电机8、机舱9、电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12及PC机13；所述搭载平台1为方钢框架结构，用于搭载水轮机组等，与循环水槽刚性活连接；所述立柱2用于直接连接搭载平台1和水轮机，为流线型椭圆柱，立柱3前后对称贴有两个应变片3，用于测量叶轮4和机舱9的载荷，立柱2与机舱9刚性固连；所述应变片3为中航电测BZ120-3A型应变片，额定工作电压5V，量程3％，灵敏度系数2.0，用于测量水轮机叶轮4所受的轴向载荷；所述扭矩转速测量仪5用于测量主轴7的扭矩和转速，为J338型扭矩转速测量仪；所述增速器6用于主轴7旋转的稳速和增速；所述叶轮4、扭矩转速测量仪5、增速器6、发电机8连接于主轴7上；所述扭矩转速测量仪5、增速器6、发电机8安放于机舱9之中；所述电阻箱10用于水轮机电力输出后的负载，电阻连续可调，为上海精密科学ZX95型旋钮可调式电阻箱；所述供电电源11用于向数据采集与分析处理系统12供电，为济南能华15V直流稳压供电电源；所述数据采集与分析处理系统12用于采集扭矩、转速、电流、电压及应力等信号，为东华DH5920数据采集与分析处理系统，16通道，额定工作电压12V，可在同一时间轴上采集转速、扭矩、应变片3受力等参数；所述电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12及PC机13互联，并放置于搭载平台1上，数据在PC机上采集获得。所述PC机为联想扬天T6900C型台式计算机，WINDOWS7操作系统。
基于一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台的测试方法包括如下步骤：
步骤一：载荷测量的标定。在进行水轮机轴向载荷的测定时，应规避计算方法产生的误差，需要对载荷与读数关系进行标定。标定方法为：前后立柱应变片3的标定通过滑轮组导向，利用悬挂标准砝码的悬挂法进行标定。还需对扭矩转速测量仪5和电流、电压信号进行标定。扭矩采用固定直径的轮盘替换叶轮4，通过悬挂标准砝码的方法进行标定，转速、电流、电压信号通过标准输出进行标定，确定标定系数。
步骤二：仪器设备安装，如图1所示。用起吊机将框架结构的搭载平台1吊起，安装于循环水槽上，并与循环水槽固定，与水轮机固定。再将各数据线分别连接到搭载平台1、电阻箱10、供电电源11、数据采集与分析处理系统12、PC机13上。特别地，需要将扭矩转速测量仪5与水轮机主轴7相连，用于测量水轮机主轴7转动时的扭矩数值；所述应变片3贴于立柱2两侧，用于测量水轮机叶轮4所受的轴向载荷。贴片的时候，在前后柱面用砂纸打磨，用丙酮擦拭处理，贴片，引线，涂AB胶，风干24小时；应用动态应变的数据采集与分析处理系统12采集以上数据信息，并传输到PC机13上。
步骤三：在数据采集与分析处理系统12的软件中，新建测试工程、进行平衡、清零和记录。
步骤四：开启循环水槽，待水流速度缓慢达到实验流速v。
步骤五：测量各工况下，水轮机主轴7的扭矩、转速、前后应变片3的力值以及电流和电压的输出。测量开始时，电阻给个较小的值即可，这样可以防止飞车现象的发生。试验过程中，可以缓慢地利用具有电阻连续可调的电阻箱10来调节负载，待转速稳定之后，记录各工况，当前速比下主轴7的转速n，读出扭矩转速测量仪5上的扭矩Q，读出前后两个应变片3的应力值σ1,σ2。
步骤六：关闭循环水槽，卸下叶轮4；再打开循环水槽至实验速度v，然后各工况下，读出应变片3的应力σ1′,σ2′。
步骤七：测试结束之后，将电阻减小和循环水槽流速调小使得叶轮4停止转动。叶轮4停止转动后，关闭电源，测试结束。
步骤八：数据处理。数据处理部分主要对能量利用率、主轴载荷、扭矩系数及推力系数进行计算，获得的测试曲线如图4、图5及图6所示。
在测量能量利用率大小方面，本方法通过扭矩转速测量仪5，获得水平轴水轮机主轴7的扭矩及转速；记录以上数据，可以获得水轮机输出功率的大小；通过水流速度及水轮机主尺度，可以获得水流功率的大小；能量利用率为水轮机输出功率和水流功率的比值，最终得到当前速比条件下的水轮机能量利用率的有效值。
在测量主轴载荷的大小方面，本方法通过贴在水轮机立柱2上两侧的应变片3将应变信号转换成电信号，读出应力来，对两个应变片3进行叠加处理，求出平均应力的大小；首先记录搭载叶轮4的各工况，达到试验流速时应力的大小，此时为整体的应力大小。然后记录卸载叶轮4的各工况，达到试验流速时的应力大小，此时的应力为立柱及机舱的载荷。最后将两者作差，通过材料力学有关圆轴转动的相关理论，求出叶轮4的主轴载荷。
在测量扭矩系数的大小方面，通过主轴7的扭矩转速测量仪5可以测得扭矩，即可求得扭矩系数。
在测量推力系数的大小方面，推力系数为水平轴水轮机轴向受力与水轮机轴向水流作用力的比值。上述已获得轴向载荷，水流作用力的大小可以通过水流速度及水轮机主尺度获得。两者的比值可以得到当前速比条件下的推力系数的大小。
基于以上测试获得的扭矩、转速、应变片3受力，以及流速和水轮机主尺度等基本参数，水轮机水动力性能关键参数的换算采用如下方法：
能量利用率Cp可表示为：其中，Pt为水轮机主轴7的输出功率；P0为水流功率。其中，Q为主轴7的扭矩，n为主轴7的转速，v为水流速度，A为叶轮4的扫略面积，ρ为水密度。
主轴载荷Ft可以表示为：Ft＝Fw-Fc，其中，Fw为水轮机轴向受力，Fc为机舱9及立柱2的受力。 其中，M为圆轴的弯矩，Iz为惯性矩，L为叶轮4旋转轴至应变片3的距离，d为水轮机叶轮4的直径，σ1,σ2为搭载叶轮4时立柱2前后应力的大小，σ1′,σ2′为不搭载叶轮4时立柱2前后应力的大小。
扭矩系数K可以表示为：其中，Q为主轴7的扭矩，ρ为水密度，n为水轮机主轴7的转速，d为水轮机叶轮4的直径。
推力系数Ct可以表示为：其中，Ft为主轴7的载荷，F0为水轮机轴向水流作用力。Ft＝Fw-Fc，
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，包括搭载平台(1)、立柱(2)、应变片(3)、叶轮(4)、扭矩转速测量仪(5)、增速器(6)、主轴(7)、发电机(8)、机舱(9)、电阻箱(10)、供电电源(11)、数据采集与分析处理系统(12)及PC机(13)，工作环境为循环水槽；其特征在于：所述的搭载平台(1)为方钢框架结构，与循环水槽刚性活连接；立柱(2)为流线型椭圆柱，前后对称贴有两个应变片(3)，与机舱(9)刚性固连，连接搭载平台(1)和水轮机；叶轮(4)、扭矩转速测量仪(5)、增速器(6)、发电机(8)连接于主轴(7)上；扭矩转速测量仪(5)、增速器(6)、发电机(8)安放于机舱(9)之中；电阻箱(10)、供电电源(11)、数据采集与分析处理系统(12)及PC机(13)互联，放置于搭载平台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，其特征在于：所述的测试方法的步骤为：
(1)标定载荷测量，确定标定系数；
(2)安装仪器设备；
(3)在数据采集与分析处理系统(12)的软件中，新建测试工程、进行平衡、清零和记录；
(4)开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v；
(5)利用电阻箱(10)来调节负载，待转速稳定之后，读出主轴(7)上扭矩转速测量仪(5)的扭矩Q和转速n，读出前后两个应变片(3)的应力σ1,σ2；
(6)关闭循环水槽，卸下叶轮(4)；再打开循环水槽至实验速度v，读出应变片(3)的应力σ1′,σ2′；
(7)测试结束，关闭循环水槽及其他仪器设备；
(8)处理数据，计算能量利用率Cp、主轴载荷Ft、扭矩系数K及推力系数Ct。
3.根据权利要求2所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体为：前后立柱应变片(3)的标定通过滑轮组导向，通过悬挂标准砝码的悬挂法进行标定；扭矩转速测量仪(5)的扭矩采用固定直径的轮盘替换叶轮(4)，通过悬挂标准砝码的方法进行标定；转速、电流、电压信号通过标准输出进行标定。
4.根据权利要求2所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体为：将水平轴潮流能水轮机、数据采集设备等作为试验平台，用起吊机将试验平台吊起，与循环水槽固定活连接；将各数据线分别连接到电阻箱(10)、供电电源(11)、数据采集与分析处理系统(12)和PC机(13)上；将扭矩转速测量仪(5)与主轴(7)相连。
5.根据权利要求2所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，其特征在于：所述的步骤(8)具体为：能量利用率其中，Q为主轴(7)的扭矩，n为主轴(7)的转速，v为水流速度，A为叶轮(4)的扫略面积，ρ为水密度；主轴载荷其中，M为主轴(7)的弯矩，Iz为惯性矩，L为主轴(7)至应变片(3)的距离，d为叶轮(4)的直径，σ1,σ2为搭载叶轮(4)时立柱(2)前后应力的大小，σ1′,σ2′为不搭载叶轮(4)时立柱(2)前后应力的大小；扭矩系数其中Q为主轴(7)的扭矩，ρ为水密度，n为主轴(7)的转速，d为叶轮(4)的直径；推力系数
6.根据权利要求1所述的一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法，其特征在于：所述的应变片(3)为中航电测BZ120-3A型应变片，前后柱面用砂纸打磨，用丙酮擦拭处理，贴片，引线，然后涂AB胶，风干24小时；电阻箱(10)为上海精密ZX95型旋钮可调式电阻箱；供电电源(11)为济南能华15V直流稳压供电电源；数据采集与分析处理系统(12)为东华DH5920数据采集与分析处理系统；扭矩转速测量仪(5)为J338型扭矩转速测量仪；PC机(13)为联想扬天T6900C型台式计算机，WINDOWS7操作系统。
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