CN110031179A - 一种风机尾流风洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风洞试验领域，并具体公开了一种风机尾流风洞试验装置，其包括风机单元、变桨控制单元、叶轮转速控制单元和偏航控制单元，风机单元包括叶轮、机舱、导流罩和多个叶片，机舱和导流罩分设于叶轮的两侧，叶片沿叶轮的周向均匀布置，叶轮上安装有插入机舱内的叶轮传动轴；变桨控制单元安装在叶片的根部，每个叶片对应配备独立的变桨控制单元；叶轮转速控制单元包括塔筒、叶轮驱动马达和传动杆，叶轮驱动马达安装在塔筒内底部，传动杆两端分别与叶轮驱动马达和叶轮传动轴相连；偏航控制单元包括设于机舱内部与传动杆配合的偏航控制马达。本发明可实现风机叶片的变桨、偏航与叶轮转速的独立控制，具体结构简单、操作方便等优点。

Description

一种风机尾流风洞试验装置

技术领域

本发明属于风洞试验领域，更具体地，涉及一种风机尾流风洞试验装置。

背景技术

流体力学方面的风洞试验是指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。在试验过程中存在尾流效应，尾流效应是指入流风吹动叶轮引发叶轮片旋转，风的部分动能转变为叶轮片的机械能，同时，风力机的下游部分产生湍流增大、风速降低，风剪切性增强等现象，而试验的主要内容就是当风经过风机之后测量尾部的风场信息。

目前，学者们对风机尾流风洞试验进行了一些研究，例如孙之骏等(孙之骏、顾蕴松，风机尾流的流场特性实验研究，太阳能学报，2015第10期，第2474-2478页)进行了风机尾流的流场特性实验研究，其分别对有侧滑角和无侧滑角风机缩比模型的尾流区进行了测量，得到了尾流效应影响区的测试结果，以及侧滑角对尾流的偏转影响。上述实验中，其测量模型只能实现叶轮转速的控制，而无法实现独立变桨、偏航控制等，因此其无法模拟变桨、偏航等诸多情况，也就无法实现变桨、偏航情况下的风洞试验。

因此，有必要进行研究设计，以获得一种可同时实现独立变桨控制、偏航控制、叶轮转速控制的风机尾流风洞试验装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风机尾流风洞试验装置，其通过对关键组件如变桨控制单元、叶轮转速控制单元和偏航控制单元的结构及具体布置方式的研究与设计，可同时实现风机叶片的变桨、偏航与叶轮转速的独立控制，具体结构简单、操作方便等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种风机尾流风洞试验装置，其包括风机单元、变桨控制单元、叶轮转速控制单元和偏航控制单元，其中：

所述风机单元包括叶轮、机舱、导流罩和多个叶片，所述机舱和导流罩分设于叶轮的两侧，所述多个叶片沿叶轮的周向均匀布置，该叶轮上安装有插入机舱内的叶轮传动轴；

所述变桨控制单元安装在所述叶片的根部，且每个所述叶片对应配备有一独立的变桨控制单元，以此实现各个叶片的独立变桨控制；

所述叶轮转速控制单元包括塔筒、叶轮驱动马达和传动杆，所述叶轮驱动马达安装在塔筒内的底部，所述传动杆的一端与所述叶轮驱动马达相连，另一端穿过所述塔筒的顶部并插入机舱内与叶轮传动轴配合实现叶轮的转速控制；

所述偏航控制单元包括设于机舱内部的偏航控制马达，该偏航控制马达与传动杆配合实现偏航控制。

作为进一步优选的，所述变桨控制单元包括变桨控制马达、传动大齿轮和传动小齿轮，其中，所述变桨控制马达安装在叶片上，其与所述传动小齿轮相连，所述传动大齿轮固定安装在叶轮上，并位于叶轮与叶片之间，该传动大齿轮与传动小齿轮啮合，所述叶片通过转轴安装在传动大齿轮或叶片上，并可相对传动大齿轮或叶片旋转。

作为进一步优选的，所述传动杆与叶轮传动轴通过两个彼此啮合的锥形齿轮实现配合，其中一个锥形齿轮安装在传动杆上，另一个锥形齿轮安装在叶轮传动轴上。

作为进一步优选的，所述偏航控制马达通过传动齿轮以及转向齿轮与传动杆实现配合，所述传动齿轮与偏航控制马达的输出轴相连，所述转向齿轮设于塔筒的顶部，且安装在所述传动杆上，并与传动齿轮啮合。

作为进一步优选的，所述塔筒内设置有传动杆水平支撑，以防止传动杆在塔筒内部产生振动。

作为进一步优选的，所述叶片优选采用高强碳纤维材料制成，所述塔筒优选采用高强钢材制成。

作为进一步优选的，所述塔筒的下方连接有测力天平。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的每一叶片配备独立的变桨控制单元，以使得各叶片的桨距角变化受各自的变桨控制单元控制，各叶片可根据不同的控制做出不同的桨距角变化，从而实现风机模型的独立变桨控制。

2.本发明在叶轮传动轴中安装锥形齿轮，并在塔筒中安装顶部同样设有锥形齿轮的传动杆，同时传动杆底部连接驱动马达，以此通过叶轮驱动马达可控制传动杆转动，进而带动上方咬合的两个锥形齿轮转动，以影响到叶轮传动轴，从而控制叶片转动及转速。

3.本发明在机舱内安装一台偏航控制马达和一个传动齿轮，并在塔筒顶部安装转向齿轮，以此通过偏航控制马达驱动机舱内的传动齿轮围绕塔顶的转向齿轮转动，由于马达与机舱固定连接，因此传动齿轮的转动带动机舱一起转动，从而实现风机的偏航控制。

附图说明

图1是风机与变桨控制单元的装配示意图；

图2是风机尾流风洞试验装置的结构示意图；

图3是叶片安装在传动大齿轮上的结构示意图；

图4是叶片安装在叶轮上的结构示意图。

图中：1-传动齿轮2-变桨控制马达3-导流罩4-叶片5-机舱6-偏航控制马达7-锥形齿轮8-叶轮传动轴9-水平支撑10-塔筒11-传动杆12-测力天平13-叶轮驱动马达14-传动大齿轮15-传动小齿轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种风机尾流风洞试验装置，其包括风机单元、变桨控制单元、叶轮转速控制单元和偏航控制单元，其中，风机单元作为风机本体，变桨控制单元用于实现各叶片桨距角的独立控制，叶轮转速控制单元用于实现叶轮转速的控制，偏航控制单元用于实现风机单元的偏航控制。通过上述各个单元的相互配合，使得风洞试验装置具有独立变桨控制、偏航控制与叶轮转速控制功能，具体结构简单、操作方便等优点。

如图1和图2所示，风机单元包括叶轮、机舱5、导流罩3和多个叶片4，其中，机舱5和导流罩3分设于叶轮的两侧，导流罩3是风机轮毂的外保护罩，在风机迎风状态下，气流会依照导流罩的流线型均匀分流。多个叶片4沿叶轮的周向均匀布置，该叶轮内安装有插入机舱5内部的叶轮传动轴8。具体的，叶片4优选为3个，优选采用高强碳纤维材料制成，以使得制备或的叶片刚度高，重量轻，且耐疲劳。

如图2所示，变桨控制单元安装在叶片4靠近导流罩一侧的根部，该变桨控制单元用于作为叶片的桨距角调节机构，其中，每个叶片4对应配备有一独立的变桨控制单元，以此通过各个变桨控制单元可实现各个叶片桨距角的独立控制。具体的，如图3和图4所示，变桨控制单元包括变桨控制马达2和传动齿轮1，其中，传动齿轮包括传动大齿轮14和传动小齿轮15，所述变桨控制马达2安装在叶片上，其与传动小齿轮相连，传动大齿轮固定安装在叶轮上，并位于叶轮与叶片之间，该传动大齿轮与传动小齿轮啮合，叶片通过转轴安装在传动大齿轮或叶片上，并可相对传动大齿轮或叶片旋转，由于大齿轮固定安装，而叶片可旋转安装，且桨控制马达安装在叶片上，由此当变桨控制马达驱动小齿轮绕着大齿轮四周旋转时，可同时带动叶片旋转，从而实现了叶片的变桨控制。实际操作中，采用叶片4外置变桨控制马达2加齿轮传动，每组叶片的转动受各自的变桨控制马达2控制，各个叶片可根据不同的控制做出不同程度的转动，从而实现风机模型独立变桨控制。

如图2所示，叶轮转速控制单元包括塔筒10、叶轮驱动马达13和传动杆11，塔筒10设于机舱5的下方，叶轮驱动马达13安装在塔筒10内的底部，传动杆11的下端与叶轮驱动马达13相连，上端穿过塔筒10的顶部并插入机舱5的内部，传动杆11的上端与叶轮传动轴8配合实现叶轮的转速控制。具体的，塔筒10优选采用高强钢材制成，以减少多次试验后塔筒的磨损。由于本发明仅针对风机尾流研究，不涉及风机结构动力响应，虽然风机塔筒与叶片自身的振动对尾流流场会造成一定扰动，但鉴于其有限的影响以及过于复杂的流固耦合非线性问题，本发明风机塔筒与叶片将不采用气弹模型，而采用刚性模型。

进一步的，传动杆11与叶轮传动轴8通过两个锥形齿轮7实现配合，其中一个锥形齿轮7安装在传动杆11上，另一个锥形齿轮7安装在叶轮传动轴8上，两个锥形齿轮7彼此啮合。在实际操作中，叶轮驱动马达13控制传动杆11使其转动，带动着上方咬合的两个锥形齿轮7转动，进而带动叶轮传动轴8转动，从而控制叶轮及其上的叶片4转动，以此控制叶轮的转速。

如图2所示，偏航控制单元包括设于机舱5内部的偏航控制马达6，该偏航控制马达6与传动杆11配合实现偏航控制。具体的，偏航控制马达6水平固定安装在机舱5内，其通过传动齿轮及转向齿轮与传动杆11实现配合，其中，传动齿轮与偏航控制马达6的输出轴相连，转向齿轮设于塔筒10的顶部，且安装在传动杆11的上端，该转向齿轮与传动齿轮啮合。在实际操作中，偏航控制马达6控制机舱内的传动齿轮1围绕塔筒顶部的转向齿轮转动(即在水平面上做转动)，由于马达与机舱固定连接，因此传动齿轮的转动带动机舱及叶轮整体一起转动，以此调整叶片旋转平面与空气流动方向相对位置，从而实现风机偏航控制，当风向与叶轮轴线偏离一个角度时，使机舱根据设定要求对准主风向。由于两个锥形齿轮7彼此啮合，因此在风机整体转动过程中，会带动叶轮传动轴8上的锥形齿轮7围绕传动杆11上的锥形齿轮7转动，进而带动叶轮传动轴8转动，从而带动叶片旋转，也即在偏航控制的同时还可以实现叶片的旋转控制。为防止传动杆在塔筒内部产生较大振动，在塔筒内部设置传动杆水平支撑9。塔筒10的下方连接有测力天平12，作为风况传感器。

实际试验中，在完成试验装置各部件的组装后，使用C语言在单片机上完成风机控制程序的编制与控制电路的制作，实现对风机叶片的变桨控制、偏航控制与叶轮转速控制，并测试各组件工作性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风机尾流风洞试验装置，其特征在于，包括风机单元、变桨控制单元、叶轮转速控制单元和偏航控制单元，其中：

所述风机单元包括叶轮、机舱(5)、导流罩(3)和多个叶片(4)，所述机舱(5)和导流罩(3)分设于叶轮的两侧，所述多个叶片(4)沿叶轮的周向均匀布置，所述叶轮上安装有插入机舱(5)内的叶轮传动轴(8)；

所述变桨控制单元安装在所述叶片(4)的根部，且每个所述叶片(4)对应配备有一独立的变桨控制单元，以此实现各个叶片的独立变桨控制；

所述叶轮转速控制单元包括塔筒(10)、叶轮驱动马达(13)和传动杆(11)，所述叶轮驱动马达(13)安装在塔筒(10)内的底部，所述传动杆(11)的一端与所述叶轮驱动马达(13)相连，另一端穿过所述塔筒(10)的顶部并插入机舱(5)内与叶轮传动轴(8)配合实现叶轮的转速控制；

所述偏航控制单元包括设于机舱(5)内部的偏航控制马达(6)，该偏航控制马达(6)与传动杆(11)配合实现偏航控制。

2.如权利要求1所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述变桨控制单元包括变桨控制马达(2)、传动大齿轮(14)和传动小齿轮(15)，其中，所述变桨控制马达(2)安装在叶片上，其与所述传动小齿轮(15)相连，所述传动大齿轮固定安装在叶轮上，并位于叶轮与叶片(4)之间，该传动大齿轮与传动小齿轮啮合，所述叶片(4)通过转轴安装在传动大齿轮或叶片上，并可相对传动大齿轮或叶片旋转。

3.如权利要求1所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述传动杆(11)与叶轮传动轴(8)通过两个彼此啮合的锥形齿轮(7)实现配合，其中一个锥形齿轮(7)安装在传动杆(11)上，另一个锥形齿轮(7)安装在叶轮传动轴(8)上。

4.如权利要求1所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述偏航控制马达(6)通过传动齿轮以及转向齿轮与传动杆(11)实现配合，所述传动齿轮与偏航控制马达(6)的输出轴相连，所述转向齿轮设于塔筒(10)的顶部，且安装在所述传动杆(11)上，并与传动齿轮啮合。

5.如权利要求1所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述塔筒(10)内设置有传动杆水平支撑(9)，以防止传动杆在塔筒内部产生振动。

6.如权利要求1-5任一项所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述叶片(4)优选采用高强碳纤维材料制成，所述塔筒(10)优选采用高强钢材制成。

7.如权利要求1-6任一项所述的风机尾流风洞试验装置，其特征在于，所述塔筒(10)的下方连接有测力天平(12)。