CN110530751A - 一种风沙两相流变角度冲蚀装置 - Google Patents

一种风沙两相流变角度冲蚀装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风沙两相流变角度冲蚀装置，包括进沙装置、冲蚀系统、集沙装置、试验台架、步进电动机控制系统和空气压缩机；冲蚀系统包括冲蚀管组件、冲蚀箱和冲蚀管支撑架；空气压缩机通过流量计、减压器和空气阀门与冲蚀管组件的前端口相连，冲蚀管组件设置于进沙装置的下方，集沙装置设置于冲蚀管组件的下方，试验台架设置于进沙装置的一侧，冲蚀箱和冲蚀管支撑架均设置于试验台架的顶部，步进电动机控制系统设置于进沙装置内部的一侧；解决目前该领域试验装置缺乏或功能不足、叶片尺寸限制、模拟情况偏离实际环境工况、试验效率低的问题。

Description

一种风沙两相流变角度冲蚀装置
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是一种风沙两相流变角度冲蚀装置。
背景技术
随着国家对风力发电的重视，风力机得到了广泛的应用和发展。风力机是将风能转化为电能的机械，风力机叶轮是风力发电机组的最核心的部件，其成本占整机价值比20％左右。叶轮的设计主要是风力机叶片的设计，其设计优劣、可靠性高低和性能好坏关系到风力机组能否正常、稳定、高效率运行。在严苛的自然环境和多载荷的共同作用下，叶片易发生失效现象，所带来的停机损失及维护维修费用导致高昂的风电生产成本。因此，针对风力机叶片的疲劳损伤冲蚀特性、气动性能、寿命预测等各方面研究被广泛开展。
上述研究开展过程大部分需进行相关试验，而在自然环境中因室外环境复杂，不可控，场地限制等多方面因素导致自然环境风电场试验难度大。由此，研究设计一套完全模拟自然环境下对风力机叶片产生的冲蚀、磨损、破坏等过程的试验装置以及可行的试验方法非常重要。尤其环境的恶化导致目前很多地区出现沙尘天气，如内蒙古地区典型的风中含有大量沙粒的挟沙风对高速旋转下叶片的损伤更大。目前相关试验装置少，且针对的是叶片材料的试验研究，用于试验的叶片多是特定尺寸下的局部模型，存在无法完全模拟真实情况，试验装置功能不足等局限性。因此，在文献及本发明人相关研究项目基础上，提出该试验装置。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种风沙两相流变角度冲蚀装置，解决目前该领域试验装置缺乏或功能不足、叶片尺寸限制、模拟情况偏离实际环境工况、试验效率低的问题。
本发明采用的技术方案是，一种风沙两相流变角度冲蚀装置，包括进沙装置、冲蚀系统、集沙装置、试验台架、步进电动机控制系统和空气压缩机；冲蚀系统包括冲蚀管组件、冲蚀箱和冲蚀管支撑架；
空气压缩机通过流量计、减压器和空气阀门与冲蚀管组件的前端口相连，冲蚀管组件设置于进沙装置的下方，集沙装置设置于冲蚀管组件的下方，试验台架设置于进沙装置的一侧，冲蚀箱和冲蚀管支撑架均设置于试验台架的顶部，步进电动机控制系统设置于进沙装置内部的一侧。
优选地，进沙装置包括上部沙箱、支撑架和下部的螺旋推进组件，上部沙箱和下部的螺旋推进组件的整体由支撑架提供固定处和支撑；
沙箱采用整体焊接式，上部和下部为矩形或圆柱形，中间为相应的锥形或圆锥形结构，沙箱下方出口焊接下调节插板，下调节插板上依次通过蝶形螺母、六角头螺栓和垫片与上调节插板紧固在一起，上调节插板和下调节插板中间均开有圆孔，用于需要调节下沙量时，将蝶形螺母拧松，通过上调节插板和下调节插板圆孔的重合程度对下沙量进行粗调。
优选地，螺旋推进器组件包括螺旋轴、推进器盖板和套筒焊接件；螺旋轴与推进器盖板间安装有轴承让其自由转动，盖板与套筒焊接件间通过螺栓连接，套筒焊接件包括套筒、进料口、出料管和固定板以及连接法兰，螺旋轴由轴与叶片焊接而成。
优选地，步进电动机控制系统的主控芯片为单片机，步进电动机控制系统通过单片机编程控制产生控制脉冲,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，而步进电动机控制系统与螺旋推进器组件连接，用于实现对螺旋推进器组件中的螺旋轴转动速度的控制，最终达到调节出料管沙量流出速度的目的。
优选地，冲蚀管组件包括第一段、第二段和第三段，第一段为进沙段，第一段的一侧连接空气压缩机系统的气管；第二段和第三段为加速段。
优选地，冲蚀箱包括箱体焊接件、叶片固定装置和角度调节装置；箱体焊接件的底部为V型开口，用于从冲蚀管组件吹出并冲击到叶片的沙粒由该V型开口落下，离开冲蚀箱，冲蚀箱箱体上方设有观察口，用于供试验人员观察实验过程；叶片固定装置主要包括转动轴、轴套和支撑板焊接件，轴套与转动轴间通过间隙配合固定，轴套与支撑板焊接件间通过沉头螺钉固定，支撑板焊接件上L型板件与板件之间的空间用于安装叶片，且通过螺钉紧固，角度调节装置包括把手、角度调节控制器、角度调节板、紧固板、双头螺柱和螺钉，调节装置整体通过轴承安装于转动轴上，角度调节板通过双头螺柱以一定间距安装于箱体焊接件的侧面，角度调节板上根据需要在规定的0°基准位置与90°之间等间距或变间距钻有一定数量小孔，通过孔位的分布所需的角度，角度调节控制器通过螺钉固定于紧固板上，用于当需要调整至某个角度时，将角度调节控制器提起使其末端拔出角度调节板的小孔，转动把手,到所需位置后松开角度调节控制器，其末端插入对应角度的孔位，从而实现角度改变并固定于所需角度。
本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的有益效果如下：
1.本发明进沙装置利用重力原理自然落沙，利用机械结构结合软硬件控制系统，具体通过螺旋推进器组件配合步进电动机系统实现对沙粒密度、单位时间进沙量等参数的量化控制，全真模拟自然条件下的各种风沙两相流，为研究叶片在风沙冲蚀下的演变过程、冲蚀机理等科学研究提供有利的支撑。
2.依据质量守恒定律及连续性方程原理，通过冲蚀管三段截面积变化分级改变气流冲击速度，在出口处获得试验所需冲击速度并保证了对叶片的冲击范围达到要求。
3.该装置的试验能力强，可实现单次试验多参数多部位的试验，具体来说，单次试验可同时实现多组不同角度、不同风速等参数设定下对叶片不同部位的冲蚀试验。另外，改变冲蚀箱内固定叶片的机械结构后，本发明专利试验装置可以针对风力机叶片以外的其他结构或材料进行冲蚀磨损试验，故该试验装置试验对象并不局限于风力机叶片。
4.本发明应用范围广：一方面，可通过试验用于风力机叶片涂层磨损过程评价及寿命预测，叶片气动性能研究，从而优化叶片设计；另一方面，本发明专利可通过冲蚀试验结果测试风沙载荷，不同含沙量、气流冲击速度下的载荷分析。
5.根据相似理论得到等比例完整叶片，可针对不同等级KW～MW级风力机叶片进行全真模拟试验，基本排除了试验尺寸的限制，结合试验产生的气流，能最大程度地还原自然环境，保证试验的科学性和可靠性。
6.本发明整套装置及试验方法能够提供受控的各种近自然风，从而避开自然风变化、随机、无法重复等限制，为科学实验提供重复试验的可能，从而提供大量真实、有效的数据。
附图说明
图1为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的总体结构图。
图2为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的总体结构图的俯视图。
图3为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的总体结构图的左视图。
图4为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的进沙装置图。
图5为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的螺旋推进器组件图。
图6为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的冲蚀管组件示意图。
图7为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的理想流体流过管路的示意图。
图8为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的冲蚀箱结构示意图。
图9为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的冲蚀箱的俯视图。
图10为本发明风沙两相流变角度冲蚀装置的角度调节板示意图。
附图标记：1-集沙装置、2-冲蚀管组件、21-第一段、22-第二段、23-第三段、3-螺旋推进器组件、31-螺旋轴、32-推进器盖板、33-套筒焊接件、301-套筒、302-进料口、303-出料管、304-固定板、305-连接法兰、4-进沙装置、41-上部沙箱、42-支撑架、43-垫片与上调节插板、44-下调节插板、45-上依次通过蝶形螺母、46-六角头螺栓、5-冲蚀箱、51-转动轴、52-轴套、53-支撑板焊接件、530-L型板件、532-板件、54-沉头螺钉、55-把手、57-角度调节板、58-紧固板、59-双头螺柱、60-角度调节控制器、61-螺钉、62-箱体焊接件、7-冲蚀管支撑架、8-试验台架、9-步进电动机控制系统。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图3所示，一种风力机叶片冲蚀装置主要由进沙装置4、冲蚀系统(冲蚀管组件2、冲蚀箱5、冲蚀管支撑架7组成)、集沙装置1、试验台架8、步进电动机控制系统9以及空气压缩机组成。
一种风沙两相流变角度冲蚀装置主要由进沙装置、冲蚀系统、集沙装置1、试验台架8、步进电动机控制系统9、空气压缩机组成。该风力机叶片冲蚀装置的特点之一为以上所有组成部件三组为一套，数量可增可减，通过这种方式可实现一次同时进行多种不同工况的试验，具体包含不同含沙量、气流冲击速度以及叶片固定角度，一方面有利于提高试验效率及试验效果比较，另一方面避免试验装置及操作过程本身的固有误差。进沙装置4包括集沙箱、螺旋推进器组件、支撑架三大部分。冲蚀系统包括冲蚀管组件2、冲蚀箱5、支撑架7。试验台架8提供系统整体支撑并调节喷砂试验高度。空气压缩机通过流量计、减压器和空气阀门与冲蚀管组件的前端口相连，为试验提供给定压力的气流。
如图4所示，进沙装置4可分为上部沙箱41及下部的螺旋推进组件3，两者的整体由支撑架42提供固定处和支撑。沙箱采用整体焊接式，上部和下部为矩形或圆柱形，中间为相应的锥形或圆锥形结构。沙箱下方出口焊接下调节插板44，其上通过蝶形螺母45、六角头螺栓46及垫片与上调节插板43紧固在一起。上下调节插板中间都开有圆孔，当需要调节下沙量时，将蝶形螺母45拧松，通过上下调节插板圆孔的重合程度对下沙量进行粗调。
进沙过程的沙量调整分为两级，第一级为机械式粗调，由进沙装置4的集沙箱下部的沙箱调节装置实现；第二级为电控式微调，由螺旋推进器组件配合步进电动机控制系统9实现。沙箱调节装置通过沙箱插板的水平交错度来调节下沙量大小。螺旋推进器采用水平输送方式，步进电动机控制系统9通过单片机、外围电路、PIC程序实现电机转动速度和加速度的控制，同时，步进电动机与螺旋推进器组件一端相连，通过步进电机的调速实现螺旋推进器输送速度的调整，从而调节下沙量。
如图5所示，螺旋推进器组件3由螺旋轴31、推进器盖板32、套筒焊接件33等组成。螺旋轴31与推进器盖板32间安装有轴承让其自由转动。盖板32与套筒焊接件33间通过螺栓连接。套筒焊接件33包括套筒301、进料口302、出料管303和固定板304以及连接法兰305。螺旋轴31由轴与叶片焊接而成。如图中箭头所示，由沙箱经调节插板圆孔落下的沙粒进入圆锥形进料口302，然后进入螺旋推进器内部，随着螺旋轴的转动，叶片带动沙粒运动，沙粒运动至出料管303的入口处时顺着箭头方向往下流出螺旋推进器组件3，进入冲蚀管组件2的前段。
步进电动机控制系统9通过单片机编程控制程序产生控制脉冲,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，而步进电动机与螺旋推进器组件3连接，从而实现对螺旋推进器组件3中的螺旋轴31转动速度的控制，最终达到调节出料管303沙量流出速度的目的。
冲蚀系统包含冲蚀管组件2、冲蚀箱5和冲蚀管支撑架7等主要部件。冲蚀管组件2由直径各异的三段组成，第一段21为进沙段，左侧连接空气压缩机系统的气管，第二段22和第三段23为加速段，三段截面积大小关系为AB>EF>CD，通过截面变化改变气流速度，从而达到加速目的。第三段23的截面设计既能得到稳定的气流速度又能保证冲击叶片所能达到的范围L1值足够大，能满足试验要求。
冲蚀系统包括冲蚀管组件2、冲蚀箱5和冲蚀管支撑架7。气流由空气压缩机整套系统提供，由冲蚀管组件2前端入口进入后经加速段到达冲蚀箱入口，并最终冲蚀固定于冲蚀箱中的风力机叶片。冲蚀管组件分为三段，根据质量守恒定律，三段截面积的变化实现气流速度的进一步改变，同时还能保证冲蚀叶片的范围达到实验要求。冲蚀箱整体箱型，但顶部带有观察口开孔，底部带有出沙的V型开口设计，包含角度调节机构、叶片固定机构等。通过角度调节机构可实现0°～90°范围内的等角度及变角度多级调整，如等角度15°的7级调整(包含0°和90°)。叶片固定机构通过轴套和固定板等将叶片以垂直于气流冲击方向中心线的角度固定，随着角度调整机构的转动，固定于轴上的叶片随之以相应角度转动，实现对气流以各角度冲击叶片的真实情况模拟。
冲蚀管组件设计依据原理为质量守恒定律以及连续性方程。具体如下：
如图6所示，参数ρ1表示截面1的流体密度，参数ρ2表示截面2的流体密度，u1表示截面1的流体速度，u2表示截面2的流体速度，A1表示截面1的截面积，A2表示截面2的截面积，v1表示截面1的流体平均速度，v2表示截面2的流体平均速度，q表示流量，如图7所示，根据质量守恒定律，单位时间内流过每一截面的液体质量相等，
ρ1u1dA1＝ρ2u2dA2
忽略液体的可压缩性，即ρ1＝ρ2，则
u1dA1＝u2dA2
v1A1＝v2A2＝q
说明在同一管路中液体的流速与通流截面面积成反比。
如图8和图9所示，冲蚀箱5包括箱体焊接件、叶片固定装置、角度调节装置三大部分。箱体焊接件62的底部为V型开口，从冲蚀管组件2吹出并冲击到叶片的沙粒由该V型开口落下，离开冲蚀箱5。箱体上方设有观察口，供试验人员观察实验过程。叶片固定装置主要包括转动轴51、轴套52、支撑板焊接件53。轴套52与转动轴51间通过间隙配合固定。轴套52与支撑板焊接件53间通过沉头螺钉54固定。支撑板焊接件53上L型板件530与板件532之间的空间用于安装叶片，通过螺钉63压紧叶片。角度调节装置主要包含把手55、角度调节板57、紧固板58、双头螺柱59、角度调节控制器60、螺钉61等组成。调节装置整体通过轴承安装于转动轴51上。如图10所示，角度调节板57通过双头螺柱59以一定间距安装于箱体焊接件的侧面。角度调节板57上根据需要在规定的0°基准位置与90°之间等间距或变间距钻有一定数量小孔，通过孔位的分布所需的角度。角度调节控制器60通过螺钉61固定于紧固板58上。当需要调整至某个角度时，将角度调节控制器60提起使其末端拔出角度调节板的小孔，转动把手55，到所需位置后松开角度调节控制器60，其末端插入对应角度的孔位，从而实现角度改变并固定于所需角度。
本发明专利试验对象不局限于风力机叶片，其他类型结构涂层也可进行风沙两相流的冲蚀试验；实施例采用三组装置同时进行，实际中根据需要也可采用两组、四组等同时进行试验，任何装置数量上的增减同时也属于本发明专利的实施例范围；冲蚀系统既可以采用实施例中的冲蚀箱，也可以采用简单的固定叶片装置；角度调整机构除实施例中所示机械结构，也可采用其他类型角度调整机构。这种改变或变化都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，包括进沙装置(4)、冲蚀系统、集沙装置(1)、试验台架(8)、步进电动机控制系统(9)和空气压缩机；所述冲蚀系统包括冲蚀管组件(2)、冲蚀箱(5)和冲蚀管支撑架(7)；
所述空气压缩机通过流量计、减压器和空气阀门与冲蚀管组件(2)的前端口相连，所述冲蚀管组件(2)设置于进沙装置(4)的下方，所述集沙装置(1)设置于冲蚀管组件(2)的下方，所述试验台架(8)设置于进沙装置(4)的一侧，所述冲蚀箱(5)和冲蚀管支撑架(7)均设置于试验台架(8)的顶部，所述步进电动机控制系统(9)与进沙装置(4)的下部的螺旋推进组件(3)连接。
2.根据权利要求1所述的风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，所述进沙装置(4)包括上部沙箱(41)、支撑架(42)和下部的螺旋推进组件(3)，所述上部沙箱(41)和下部的螺旋推进组件(3)的整体由支撑架(42)提供固定处和支撑；
所述沙箱(41)采用整体焊接式，上部和下部为矩形或圆柱形，中间为相应的锥形或圆锥形结构，所述沙箱(41)下方出口焊接下调节插板(44)，所述下调节插板(44)上依次通过蝶形螺母(45)、六角头螺栓(46)和垫片与上调节插板(43)紧固在一起，所述上调节插板(43)和下调节插板(44)中间均开有圆孔，用于需要调节下沙量时，将蝶形螺母(45)拧松，通过上调节插板(43)和下调节插板(44)圆孔的重合程度对下沙量进行粗调。
3.根据权利要求2所述的风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，所述螺旋推进器组件(3)包括螺旋轴(31)、推进器盖板(32)和套筒焊接件(33)；所述螺旋轴(31)与推进器盖板(32)间安装有轴承让其自由转动，所述盖板(32)与套筒焊接件(33)间通过螺栓连接，所述套筒焊接件(33)包括套筒(301)、进料口(302)、出料管(303)和固定板(304)以及连接法兰(305)，所述螺旋轴(31)由轴与叶片焊接而成。
4.根据权利要求1所述的风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，所述步进电动机控制系统(9)的主控芯片为单片机，所述步进电动机控制系统(9)通过单片机控制产生控制脉冲,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，所述步进电动机控制系统(9)与螺旋推进器组件(3)连接，用于实现对螺旋推进器组件(3)中的螺旋轴(31)转动速度的控制，最终达到调节出料管(303)沙量流出速度的目的。
5.根据权利要求1所述的风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，所述冲蚀管组件(2)包括第一段(21)、第二段(22)和第三段(23)，所述第一段(21)为进沙段，所述第一段(21)的一侧连接空气压缩机系统的气管；所述第二段(22)和第三段(23)为加速段。
6.根据权利要求1所述的风沙两相流变角度冲蚀装置，其特征在于，所述冲蚀箱(5)包括箱体焊接件(62)、叶片固定装置和角度调节装置；所述箱体焊接件(62)的底部为V型开口，用于从冲蚀管组件(2)吹出并冲击到叶片的沙粒由该V型开口落下，离开冲蚀箱(5)；所述冲蚀箱(5)箱体上方设有观察口，用于供试验人员观察实验过程；
所述叶片固定装置包括转动轴(51)、轴套(52)和支撑板焊接件(53)，所述轴套(52)与转动轴(51)间通过间隙配合固定，所述轴套(52)与支撑板焊接件(53)间通过沉头螺钉(54)固定，所述支撑板焊接件(53)上L型板件(530)与板件(532)之间的空间用于安装叶片，且通过螺钉(54)紧固；
所述角度调节装置包括把手(55)、角度调节板(57)、紧固板(58)、双头螺柱(59)、角度调节控制器(60)和螺钉(61)，所述调节装置整体通过轴承安装于转动轴(51)上，所述角度调节板(57)通过双头螺柱(59)以一定间距安装于箱体焊接件的侧面，所述角度调节板(57)上根据需要在规定的0°基准位置与90°之间等间距或变间距钻有一定数量小孔，通过孔位的分布所需的角度，所述角度调节控制器(60)通过螺钉(61)固定于紧固板(58)上，用于当需要调整至某个角度时，将角度调节控制器(60)提起使其末端拔出角度调节板的小孔，转动把手(55),到所需位置后松开角度调节控制器(60)，其末端插入对应角度的孔位，从而实现角度改变并固定于所需角度。
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