CN109801538B - 一种基于直线式发电机的流致振动发电实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，该实验装置包括承载框架、间距调节模块、单振子模块和直线发电机；其中，承载框架采用镁铝合金型材，框架轻便，且安装简单、方便拆装；间距调节模块固定在承载框架上且与单振子模块固定连接，单振子模块通过间距调节模块改变位置，实现多振子模块间距的调整，使得在多振子实验中间距调节更加便捷；此外本实验装置采用直线式发电机，解决了采用旋转式发电机需要过多中间转换装置带来的能量损耗、体积大、效率低、精度差的问题。本发明实验装置能够在流场中测得单个或者多个单自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动实验数据，对单振子或者多振子的涡激振动机理及其应用起到指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种流致振动发电的实验装置，特别是涉及一种模拟流场下可进行单或多个单自由度的弹性支撑圆柱体的流致振动实验装置。
背景技术
根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泄放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。虽然涡激振动在工程中常常被视为一种有害现象，会导致结构物出现疲劳破坏，在桥梁、海洋立管等工程领域，应避免或减弱该现象的发生。但对涡激振动研究的反向探索通过涡激振动效应捕获海流能进行发电，这种发电技术吸引了国内外学者的广泛关注。涡激振动发电装置能够将海流能转化为振动体的机械能，然后振动体带动电机，将机械能转化为电能。
目前，对涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。模型试验方法能够加深对涡激振动机理的认识，并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。目前模型实验大多采用旋转式发电机来利用涡激振动产生的能量，然而，旋转式发电机需要链条、钢绞绳、传送带或者齿轮等一些中间转换装置，传统机构传动存在链条长、体积大、效率低、精度差等缺陷。并且，目前的模型实验在进行多振子涡激振动实验时，存在振子之间变间距困难，以及框架装置安装繁琐等问题。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够有效模拟出均匀流场中基于直线式发电机单自由度的弹性支撑多圆柱体的涡激振动实验装置。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，所述实验装置包括承载框架(1)、吊挂在承载框架(1)上的多个单振子模块(3)以及位于每个单振子模块(3)中的直线发电机(17)；
其中，所述单振子模块(3)包括主体框架，主体框架包括第一水平部(31)、第二水平部(32)和竖直部(33)，第一水平部(31)与承载框架(1)的横梁(2)固定连接，相互平行的竖直部(33)通过第二水平部(32)固定连接，还包括两根与竖直部(33)平行设置的型材件I(15)，型材件I(15)的端部分别固定在第一水平部(31)和第二水平部(32)上；还包括振子连接件(13)、拉压弹簧(11)、横向连接板(14)、纵向连接板(16)和圆柱振子(18)，振子连接件(13)一端通过拉压弹簧(11)与第一水平部(31)连接，振子连接件(13)另一端与圆柱振子(18)固定连接，横向连接板(14)套设在振子连接件(13)外侧且与振子连接件(13)固定连接，直线发电机(17)位于两根型材件I(15)围合的空间内，直线发电机(16)的推杆(22)与纵向连接板(16)连接，纵向连接板(16)与横向连接板(14)相互交错固定连接；还包括设置于竖直部(33)上的直线导轨I(12)以及与直线导轨I(12)相互配合连接的滑块I(34)，滑块I(34)与振子连接件(13)固定连接，振子连接件(13)通过滑块I(34)沿着直线导轨I(12)向上或向下运动；还包括位于振子连接件(13)上的传感器(35)，传感器(35)通过导线与直线发电机(17)连接，同时传感器(35)通过导线与外部的数据采集仪连接。
其中，所述实验装置还包括间距调节模块(4)，间距调节模块(4)包括固定板(5)、设置在固定板(5)上的直线导轨II(7)、与直线导轨II(7)相互配合连接的滑块II(8)、与滑块II(8)固定连接的装置固定板(9)以及与装置固定板(9)固定连接的中空型杆件(19)，装置固定板(9)通过滑块II(8)沿着直线导轨II(7)向左或向右运动，固定板(5)固定在承载框架(1)上，中空型杆件(19)套设在单振子模块的主体框架上且与竖直部(33)固定连接。
其中，固定板(5)上还设有与直线导轨II(7)相互平行的刻度尺(6)。单振子模块(3)固定在间距调节模块(4)上，通过滑块II(8)的直线运动，可改变单振子模块(3)的相对位置，通过对比刻度尺(6)确定其是否达到所需间距。
其中，直线发电机(17)安装固定在单振子模块(3)的中部，振子连接件(13)呈左右对称分布；本发明实验装置中，与圆柱振子相连的振子连接件为左右对称分布，周期性外力合力在通过振子连接件时，合力作用于直线式发电机动子，将极大效率的利用水流流过圆柱振子时产生的流致振动能量。
其中，所述直线发电机(17)包括保护套筒(25)以及位于保护套筒(25)上下两端的盖板(27)，发电机推杆(22)伸出保护套筒(25)外与纵向连接板(16)通过内外螺纹相互配合连接，固定在推杆(22)中部的磁钢(23)上下运动时切割发电机内部线圈(21)产生电流，内部线圈(21)产生的电流电压信号沿着导线穿过保护套筒(25)上的通孔(26)传递到传感器(35)，传感器(35)将产生的电压电流信号传递到外部的数据采集仪。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明实验装置的承载框架采用镁铝合金型材，型材采用T型螺钉固定，框架轻便，且安装简单、方便拆装；间距调节模块固定在承载框架上，且与单振子模块固定连接，单振子模块通过间距调节模块改变在承载框架上的位置，实现多振子模块间距的调整，使得在多振子实验中间距调节更加便捷；此外本实验装置采用直线式发电机发电结构，解决了采用旋转式发电机需要过多中间转换装置带来的能量损耗、体积大、效率低、精度差等问题；本发明实验装置能够在流场中测得单个或者多个单自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动实验数据，对单振子或者多振子的涡激振动机理及其应用起到指导作用。
附图说明
图1为本发明实验装置的结构示意图；
图2为本发明实验装置承载框架的结构示意图；
图3为本发明实验装置单振子模块的结构示意图；
图4为本发明实验装置间距调节模块的结构示意图；
图5为图4的侧视图；
图6为本发明实验装置直线式发电机的结构示意图；
图7为本发明实验装置直线式发电机的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～7所示，本发明基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，实验装置包括承载框架1、吊挂在承载框架1上的多个单振子模块3以及位于每个单振子模块3中的直线发电机17；本发明实验装置还包括用于调节相邻单振子模块3间距的间距调节模块4；单振子模块3下端固定在间距调节模块4上，单振子模块3上端通过三角件固定在承载框架1上，承载框架1通过固定钳固定在实验水槽上。
其中，单振子模块3包括主体框架，主体框架包括第一水平部31、第二水平部32和竖直部33，第一水平部31与承载框架1的横梁2固定连接，相互平行的竖直部33的上端部通过T型固定连接板10固定在第一水平部31上，竖直部33的下端部与第二水平部32固定连接，单振子模块3还包括两根与竖直部33平行设置的型材件I15，型材件I15的上下端部分别固定在第一水平部31和第二水平部32上；单振子模块3还包括振子连接件13、拉压弹簧11、横向连接板14、纵向连接板16和圆柱振子18，振子连接件13一端通过拉压弹簧11与第一水平部31连接，振子连接件13另一端与圆柱振子18固定连接，振子连接件13为两个，两个振子连接件13左右对称分布于圆柱振子18两侧，横向连接板14套设在振子连接件13外侧且与振子连接件13固定连接，直线发电机17位于两根型材件I15围合的空间内，直线发电机16的推杆22与纵向连接板16通过内外螺纹相互配合连接，纵向连接板16与横向连接板14相互交错固定连接；单振子模块3还包括设置于竖直部33上的直线导轨I12以及与直线导轨I12相互配合连接的滑块I34，滑块I34与振子连接件13固定连接，振子连接件13通过滑块I34沿着直线导轨I12向上或向下运动；单振子模块3还包括位于振子连接件13上的传感器35，传感器35通过导线与直线发电机17连接，同时传感器35通过导线与外部的数据采集仪连接；水流流经圆柱振子18时，产生交替脱落的旋涡，圆柱体将受到横向和流向的脉动压力，柱体是弹性支撑的由于直线导轨限定振子只能做横向的运动，脉动流体力会引发柱体的振动，圆柱振子18的上下振动，带动振子连接件13的上下移动，传感器35将信号传输到数据采集仪，通过分析得到位移信号，从而得到单振子模块3的位移及频率信息。
间距调节模块4包括固定板5、设置在固定板5上的直线导轨II7、与直线导轨II7相互配合连接的滑块II8、与滑块II8固定连接的装置固定板9以及与装置固定板9固定连接的中空型杆件19，装置固定板9通过滑块II8沿着直线导轨II7向左或向右运动，固定板5通过T型螺母固定在承载框架1上，中空型杆件19套设在单振子模块的主体框架上且与竖直部33固定连接；固定板5上还设有与直线导轨II7相互平行的刻度尺6，刻度尺6以及直线导轨II7均通过螺母固定在固定板5上，滑块II8在直线滑轨II上只做单方向滑动，并且与装置固定板9固定连接，装置固定板9与单振子模块3上的中空型杆件19固定，单振子模块3移动位置时，装置固定板9和滑块II8将会随着单振子模块3位置的移动而移动，移动到目标位置，锁定滑块II8，实现对应单振子模块3位置的固定。
本发明装置圆柱振子18在水流作用下会在其两侧产生周期性的旋涡脱落，从而在结构上形成与流向垂直的周期性外力，引发结构横向振动，周期性外力合力通过圆柱振子18连接件传递到直线发电机17的磁钢23，带动磁钢23随着圆柱振子18横向运动而运动，切割线圈磁感线21产生感应电流，电流经过传感器35传递到数据采集仪，即可读出在特定流速下产生的电压情况。
本发明装置的承载框架1采用镁铝合金型材42材料，各杆件之间通过三角件42连接，T型螺母41将型材与三角件42固定，承载框架1安装简单，框架轻便，同时又可以保证整体框架的强度要求。
本发明装置的弹性支撑结构采用拉压弹簧，拉压弹簧在初始状态既可以实现装置对弹簧的拉伸，又可以实现由于振子在流致振动下横向运动对弹簧的压缩。
本发明装置直线发电机17包括保护套筒25以及位于保护套筒25上下两端的盖板27，盖板27与保护套筒25通过螺母固定连接，发电机推杆22伸出保护套筒25外与纵向连接板16通过内外螺纹相互配合连接，固定在推杆22中部的磁钢23上下运动时切割发电机内部线圈21产生电流，内部线圈21产生的电流电压信号沿着导线穿过保护套筒25上的通孔26传递到传感器35(内部线圈21外部延伸导线穿过通孔26与传感器35连接)，传感器35将产生的电压电流信号传递到外部的数据采集仪。当振子连接件13带动横向连接板14以及纵向连接板16上下运动时，将带动发电机推杆22上下运动，在推杆22中部的磁钢23在上下运动的带动下，切割发电机内部线圈21产生电流，内部线圈21产生的电流电压信号沿着导线穿过通孔26传递到外部传感器35，传感器35将产生的电压电流信号传递到数据采集仪，经过软件分析后，可得出振子上下振动过程中与之耦合的直线发电机17产生的电压、电流情况。
Claims (5)
1.一种基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，其特征在于：所述实验装置包括承载框架（1）、吊挂在承载框架（1）上的多个单振子模块（3）以及位于每个单振子模块（3）中的直线发电机（17）；
其中，所述单振子模块（3）包括主体框架，主体框架包括第一水平部（31）、第二水平部（32）和竖直部（33），第一水平部（31）与承载框架（1）的横梁（2）固定连接，相互平行的竖直部（33）通过第二水平部（32）固定连接，还包括两根与竖直部（33）平行设置的型材件I（15），型材件I（15）的端部分别固定在第一水平部（31）和第二水平部（32）上；还包括振子连接件（13）、拉压弹簧（11）、横向连接板（14）、纵向连接板（16）和圆柱振子（18），振子连接件（13）一端通过拉压弹簧（11）与第一水平部（31）连接，振子连接件（13）另一端与圆柱振子（18）固定连接，横向连接板（14）套设在振子连接件（13）外侧且与振子连接件（13）固定连接，直线发电机（17）位于两根型材件I（15）围合的空间内，直线发电机（17）的推杆（22）与纵向连接板（16）连接，纵向连接板（16）与横向连接板（14）相互交错固定连接；还包括设置于竖直部（33）上的直线导轨I（12）以及与直线导轨I（12）相互配合连接的滑块I（34），滑块I（34）与振子连接件（13）固定连接，振子连接件（13）通过滑块I（34）沿着直线导轨I（12）向上或向下运动；还包括位于振子连接件（13）上的传感器（35），传感器（35）通过导线与直线发电机（17）连接，同时传感器（35）通过导线与外部的数据采集仪连接。
2.根据权利要求1所述的基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括间距调节模块（4），间距调节模块（4）包括固定板（5）、设置在固定板（5）上的直线导轨II（7）、与直线导轨II（7）相互配合连接的滑块II（8）、与滑块II（8）固定连接的装置固定板（9）以及与装置固定板（9）固定连接的中空型杆件（19），装置固定板（9）通过滑块II（8）沿着直线导轨II（7）向左或向右运动，固定板（5）固定在承载框架（1）上，中空型杆件（19）套设在单振子模块的主体框架上且与竖直部（33）固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，其特征在于：固定板（5）上还设有与直线导轨II（7）相互平行的刻度尺（6）。
4.根据权利要求1所述的基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，其特征在于：直线发电机（17）安装固定在单振子模块（3）的中部，振子连接件（13）呈左右对称分布。
5.根据权利要求1所述的基于直线式发电机的流致振动发电实验装置，其特征在于：所述直线发电机（17）包括保护套筒（25）以及位于保护套筒（25）上下两端的盖板（27），发电机推杆（22）伸出保护套筒（25）外与纵向连接板（16）通过内外螺纹相互配合连接，固定在推杆（22）中部的磁钢（23）上下运动时切割发电机内部线圈（21）产生电流，内部线圈（21）产生的电流电压信号沿着导线穿过保护套筒（25）上的通孔（26）传递到传感器（35），传感器（35）将产生的电压电流信号传递到外部的数据采集仪。
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