CN112014134A - 一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，包括水轮机、实验平台，所述实验平台包括升降平台、横荡实验平台和纵荡实验平台，水轮机固定在升降平台下端，升降平台上端安装于横荡实验平台和纵荡实验平台内；所述横荡实验平台通过电机带动升降平台做横向往复运动，所述纵荡实验平台通过电机带动升降平台做纵向往复运动，从而带动水轮机做横向、纵向往复运动，由于通过电机控制，可以实现水轮机较为高频、精密的纵荡、横荡运动，从而模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等高频干扰。由于机械装置相较于水流，更容易实现速度大小和方向的精确控制，所以利用机械装置模拟更有利于研究潮汐流对水轮机性能的影响规律。

Description

一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置

技术领域

本发明涉及水力及发电水轮机技术，具体是涉及一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置。

背景技术

浩瀚的海洋下面蕴藏着巨大的能量，其中包括潮汐能、潮流能、波浪能、生物质能等。潮流能是月球和太阳的引潮力使海水产生周期性的往复水平运动时形成的动能，主要集中在岸边、岛屿之间的水道或湾口。因为具有绿色环保且储量丰富的特点，所以潮流能发电技术迅速发展，但是潮流能开发需要经济可靠的潮流能转换装置，因此世界上各个国家对潮流能发电机都进行了深入研究。

目前正在研发的潮流能水轮机主要包括水平轴式、竖直轴式、升-阻力式以及震荡翼式潮流能发电机。水平轴潮流能水轮机根据叶轮的形式又主要分为风车式、空心式和导流罩式。经实验表明，在所有的潮流能获取装置中，水平轴水轮机具有获能面积大、获能效率高、便于安装的优点，使其成为研究开发的主流机型。水平轴水轮机载体可以分为座海底式、固定式和漂浮式。其中漂浮式具有结构简单造价低的特点，因此广泛的被作为实验研究的载体所采用。

现有技术中，如专利CN104481790A公开了一种直驱式独立变桨距潮流能发电水轮机，以及专利CN102384020A公开了一种水平轴变桨距潮流能水轮机，这两个专利中的水轮机采用动密封方式，桨叶轴与发电机密封舱通过油封、格莱圈等进行动密封，然而水轮机在水下工作过程中，桨叶轴会磨损油封、格莱圈，从而容易造成水轮机密封失效。

此外，涉及水轮机性能测试的实验装置，如CNKI数据库中刊登的“水平轴潮流能水轮机升降装置设计与研究”的文章中设计的漂浮式水轮机实验平台，该实验平台把水轮机固定在一个漂浮式载体上，并设计一种缆索式升降装置用于调节叶尖浸没水深，通过造流装置、造波装置来模拟海流、波浪对水轮机的影响。该实验平台采用缆索实现升降，通过液压装置实现固定，结构复杂，而造流装置难以实现水流大小和方向的精确控制，不利于分析潮汐流对水轮机性能的影响规律。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种能精确模拟波浪、紊流等高频干扰的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，包括水轮机、实验平台，所述实验平台包括升降平台、横荡实验平台、纵荡实验平台；所述水轮机固定于升降平台下端；所述横荡实验平台包括横荡第一框架、横荡第二框架、第一驱动装置，所述升降平台上端安装于横荡第一框架内，升降平台随横荡第一框架的运动而运动；横荡第二框架内水平设置有第一滑轨，横荡第一框架安装于第一滑轨上，所述第一驱动装置用于驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动；所述纵荡实验平台包括纵荡框架、第二驱动装置；纵荡框架内水平设置有第二滑轨，横荡第二框架安装于第二滑轨上，所述第二驱动装置用于驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动；第一滑轨的延伸方向垂直于第二滑轨的延伸方向。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是采用电机作为动力源，驱动横荡实验平台在滑轨上滑动，用以模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等的干扰，通过控制电机参数驱动实验平台可以实现较为高频、精密的纵荡、横荡运动，更精确的模拟波浪、紊流等高频干扰。且本实验装置结构简单、成本低，使用电机控制更安全、稳定、可靠。

进一步的，所述第一驱动装置包括第一电机、第一摆臂、第一滑块，所述横荡第一框架设置与其滑动方向垂直的第三滑轨，第三滑轨上安装第一滑块，所述第一电机输出轴与第一摆臂一端固定连接，且第一电机输出轴延伸方向与第一摆臂延伸方向垂直，所述第一摆臂另一端与第一滑块连接，第一电机驱动第一摆臂转动，第一摆臂驱动第一滑块在第三滑轨上滑动，从而驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动。

进一步的，所述第二驱动装置包括第二电机、第二摆臂、第二滑块，所述横荡第二框架设置与其滑动方向垂直的第四滑轨，第四滑轨上安装第二滑块，所述第二电机输出轴与第二摆臂一端固定连接，且第二电机输出轴延伸方向与第二摆臂延伸方向垂直，所述第二摆臂另一端与第二滑块连接，第二电机驱动第二摆臂转动，第二摆臂驱动第二滑块在第四滑轨上滑动，从而驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动。

进一步的，所述横荡第一框架竖直设置第五滑轨，第五滑轨上安装第三滑块，升降平台与第三滑块固定连接；所述横荡第一框架竖直设置滚珠丝杆，滚珠丝杆上设置滑台，所述滚珠丝杆转动带动滑台上下移动，升降平台与滑台固定连接；所述横荡第一框架设置第三电机用于驱动滚珠丝杆转动。

进一步的，所述水轮机包括桨叶、轴承系统和固定舱，所述固定舱内设有磁耦合传动系统、扭矩传感器和第四发电机；所述磁耦合传动系统包括相适配的内、外转子；桨叶通过轴承系统与外转子连接，内转子与扭矩传感器一端固定连接，扭矩传感器另一端与第四发电机输入轴固定连接。

进一步的，所述第一电机输出轴位于第三滑轨中心位置。

进一步的，所述第二电机输出轴位于第四滑轨中心位置。

附图说明

图1所示为本发明实验装置整体结构示意图；

图2所示为本发明中升降平台与水轮机连接的结构示意图；

图3所示为本发明中水轮机的剖视图；

图4所示为图3中A-A的剖视图；

图5所示为本发明升降平台与横荡实验平台连接部分的侧视图；

图6所示为本发明升降平台与横荡实验平台连接部分的仰视图和俯视图；

图7所示为本发明中横荡实验平台的结构示意图；

图8所示为本发明中横荡实验平台的结构简图；

图9所示为本发明中纵荡实验平台的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，包括水轮机、升降平台31、横荡实验平台、纵荡实验平台。所述横荡实验平台包括横荡第一框架35、横荡第二框架45、第一驱动装置，所述升降平台31上端安装于横荡第一框架35内，升降平台31随横荡第一框架35的运动而运动；横荡第二框架45内水平设置有第一滑轨，横荡第一框架35安装于第一滑轨上，所述第一驱动装置用于驱动横荡第一框架35在第一滑轨上滑动，所述第一驱动装置包括第一电机391、第一摆臂411、第一滑块44；所述纵荡实验平台包括纵荡框架49、第二驱动装置；纵荡框架49内水平设置有第二滑轨，横荡第二框架45安装于第二滑轨上，所述第二驱动装置用于驱动横荡第二框架45在第二滑轨上滑动，所述第二驱动装置包括第二电机392、第二摆臂412、第二滑块47；所述横荡第一框架35的滑动方向垂直于所述横荡第二框架45滑动方向。

如图2所示，水轮机固定于升降平台31下端，所述水轮机包括桨叶1、轴承系统和固定舱，轴承系统包括主轴3、磁耦合连接件7，如图3和图4所示，水轮机桨叶1与桨叶连接座2之间通过螺栓连接，便于更换不同水动力参数的桨叶1，增加了实验装置的适用范围，桨叶连接座2与主轴3的一端连接，主轴3另一端与磁耦合连接件7连接，主轴3和磁耦合连接件7外部设置主轴套筒4，主轴3与主轴套筒4、磁耦合连接件7与主轴套筒4之间均设置第一轴承5，第一轴承5用于支撑主轴3和磁耦合连接件7，主轴套筒4和磁耦合连接件7均设有用于固定第一轴承5的轴肩，可以很好的承受来自水轮机桨叶转动所带来的轴向力和径向力，保证了实验进行的安全性、可靠性和稳定性。

所述固定舱包括前舱盖8、磁耦合外转子舱9、磁耦合内转子舱16、发电机舱25和后舱盖29，所述主轴套筒4与前舱盖8通过螺栓连接，且主轴套筒4与前舱盖8之间连接三角加强筋6，用以加固主轴套筒4与前舱盖8之间的连接；前舱盖8另一端和磁耦合外转子舱9一端通过螺栓连接，磁耦合外转子舱9另一端与磁耦合内转子舱16一端之间固定连接并用铝板11隔开，铝板11与磁耦合内转子舱16之间安装有密封圈14，形成静密封，磁耦合内转子舱16另一端与发电机舱25一端通过螺栓连接，发电机舱25另一端与后舱盖29通过螺栓连接，且后舱盖29上设有水密插头30用于与外界进行信息传输。固定舱采用分段舱的方式，便于各大型零件的安装，保证了各零件安装的精确性和可靠性。

所述固定舱内设有磁耦合传动系统，磁耦合传动系统包括相适配的内、外转子，外转子包括设置于磁耦合外转子舱9内的外磁铁架12，内转子包括设置于磁耦合内转子舱16内的内磁铁架13，外磁铁架12和内磁铁架13通过铝板11分隔，磁耦合外转子舱9和磁耦合内转子舱16均设置轴肩分别用于固定两对第二轴承10，每两对第二轴承10分别用于支撑外磁铁架12和内磁铁架13，外磁铁架12和内磁铁架13均设有凹槽用于容纳磁铁15，磁铁15设置中心孔，通过连接轴分别定位于外磁铁架12和内磁铁架13内；本实施例中的水轮机通过磁耦合传动系统实现水轮机的静密封传动，使密封更可靠，避免了采用油封、格莱圈等动密封，有效防止工作过程中因桨叶轴磨损油封、格莱圈而造成的密封失效。

外磁铁架12通过螺栓与磁耦合连接件7连接，内磁铁架13另一侧与扭矩传感器19一端通过键连接，磁耦合内转子舱16内设置扭矩仪底座17，扭矩传感器19通过槽钢18固定在扭矩仪底座17上，扭矩仪底座17与发电机舱25之间通过丝杆24固定连接；磁耦合内转子舱16设置编码器底座21，旋变编码器20通过编码器支架22固定在编码器底座21上；所述发电机舱25内设置第四发动机26,第四发动机26的输入轴通过联轴器23与扭矩传感器19的另一端连接，所述发电机舱25内设置支撑第四发动机26的支撑件28，第四发动机26通过螺栓螺母27进行限位固定在支撑件28上。

升降平台31底端一侧与水轮机后端盖29和发电机舱25相连接处连接，升降平台31底端另一侧与水轮机磁耦合外转子舱9和磁耦合内转子舱16相连接处连接。如图5所示，横荡第一框架35三个侧面分别竖直设置第五滑轨33，每个第五滑轨33上安装第五滑块32，升降平台31三个侧面分别与三个第五滑块32固定连接；所述横荡第一框架35第四个侧面竖直设置滚珠丝杆37，滚珠丝杆37上设置滑台38，横荡第一框架35上端固定设置第三电机36，第三电机36输出轴与滚珠丝杆37固定连接，第三电机36作为升降装置的动力源，用于驱动滚珠丝杆37转动，所述滚珠丝杆37转动带动滑台38上下移动，升降平台31第四个侧面与滑台38固定连接；水轮机位于横荡第一框架下方，横荡第一框架35上端固定设置拉绳传感器34，拉绳传感器34的拉绳与升降平台31的上端固定连接。通过第三电机36控制升降平台31的升降运动，从而实现控制水轮机桨叶1叶尖浸没在水中的深度；通过拉绳传感器34对升降平台31的速度和位置进行反馈，本实施例中的升降机构结构简单、成本低，采用电机控制相对于使用液压缸更安全、稳定、可靠。

如图7和图8所示，所述横荡第一框架35一侧竖直设置第三滑轨，第三滑轨上安装第一滑块44；所述横荡第二框架45设置水平横向的第一滑轨，横荡第一框架35安装于第一滑轨上，并沿第一滑轨延伸方向滑动，横荡第二框架45平行于第一滑轨延伸方向的一侧设置第一电机支架46，且第一电机支架46与第三滑轨在同一侧，所述第一电机391安装于第一电机支架46上，第一电机391的输出轴位于第三滑轨竖直方向的中间位置，第一电机391输出轴通过第一联轴器法兰401与第一摆臂411固定连接，第一摆臂411延伸方向垂直于第一电机391输出轴延伸方向，第一摆臂411通过第一交错滚子轴承421与第一滑块44连接，交错滚子轴承421与第一滑块44之间设置轴承固定座，第一摆臂411延伸方向平行于第三滑轨所在平面，第一摆臂411与第一滑块44相对转动。第一电机391带动第一摆臂411周期性旋转，第一摆臂411周期性旋转带动第一滑块44在第三滑轨上往复运动，从而带动横荡第一框架35在第一滑轨上横向往复运动。

如图9所示，所述横荡第二框架45垂直于第一滑轨延伸方向一侧竖直设置第四滑轨，第四滑轨上安装第二滑块47；所述纵荡框架49设置垂直于第一滑轨延伸方向的水平纵向的第二滑轨，横荡第二框架45安装于第二滑轨上，并沿第二滑轨延伸方向滑动，纵荡框架49在与第四滑轨同侧的一侧设置第二电机支架48，所述第二电机392安装于第二电机支架48上，第二电机392的输出轴位于第四滑轨竖直方向的中间位置，第二电机392输出轴通过第二联轴器法兰402与第二摆臂412固定连接，第二摆臂412延伸方向垂直于第二电机392输出轴延伸方向，第二摆臂412通过第二交错滚子轴承422与第二滑块47连接，交错滚子轴承422与第二滑块47之间设置轴承固定座，第二摆臂412延伸方向平行于第四滑轨所在平面，第二摆臂412与第二滑块47相对转动。第二电机392带动第二摆臂412周期性旋转，第二摆臂412周期性旋转带动第二滑块47在第四滑轨上往复运动，从而带动横荡第二框架45在第二滑轨上纵向往复运动。

所述纵荡框架49上端设置支撑架，支撑架用于将本实施例中的实验装置固定在行车上，水轮机位于横荡实验平台和纵荡实验平台下方，通过横荡第一框架35在第一滑轨上横向往复运动和横荡第二框架45在第二滑轨上纵向往复运动，可以通过电机控制实验平台实现高频、精密的横荡、纵荡运动，模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等高频干扰。

实验装置的实验过程为：将实验装置固定在行车上，水轮机整体位于水面以下，横荡实验平台和纵荡实验平台位于水面以上，行车带动实验装置向前运动，水流冲击桨叶1，桨叶1叶片转动，叶片带动主轴3转动，主轴3通过磁耦合连接件7带动外磁铁架12转动，外磁铁架12通过磁力带动内磁铁架13转动，内磁铁架13通过键连接带动扭矩传感器18转动，扭矩传感器18通过联轴器22带动第四发动机26转动，从而通过发电机将潮流能转换为电能，在电能转换过程中，横荡实验平台和纵荡实验平台通过电机驱动横荡第一框架35横向往复运动和横荡第二框架45纵向往复运动，从而带动水轮机做高频、精密的横荡、纵荡运动，从而模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等高频干扰。由于机械装置相较于水流，更容易实现速度大小和方向的精确控制，所以有利于研究潮汐流对水轮机性能的影响规律。

Claims (10)

1.一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，包括水轮机、实验平台，其特征在于，所述实验平台包括升降平台、横荡实验平台、纵荡实验平台；所述水轮机固定于升降平台下端；所述横荡实验平台包括横荡第一框架、横荡第二框架、第一驱动装置，所述升降平台上端安装于横荡第一框架内，升降平台随横荡第一框架的运动而运动；横荡第二框架内水平设置有第一滑轨，横荡第一框架安装于第一滑轨上，所述第一驱动装置用于驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动；所述纵荡实验平台包括纵荡框架、第二驱动装置；纵荡框架内水平设置有第二滑轨，横荡第二框架安装于第二滑轨上，所述第二驱动装置用于驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动；第一滑轨的延伸方向垂直于第二滑轨的延伸方向。

2.根据权利要求1所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括第一电机、第一摆臂、第一滑块，所述横荡第一框架设置与其滑动方向垂直的第三滑轨，第三滑轨上安装第一滑块，所述第一电机输出轴与第一摆臂一端固定连接，且第一电机输出轴延伸方向与第一摆臂延伸方向垂直，所述第一摆臂另一端与第一滑块连接，第一电机驱动第一摆臂转动，第一摆臂驱动第一滑块在第三滑轨上滑动，从而驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动。

3.根据权利要求1所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述第二驱动装置包括第二电机、第二摆臂、第二滑块，所述横荡第二框架设置与其滑动方向垂直的第四滑轨，第四滑轨上安装第二滑块，所述第二电机输出轴与第二摆臂一端固定连接，且第二电机输出轴延伸方向与第二摆臂延伸方向垂直，所述第二摆臂另一端与第二滑块连接，第二电机驱动第二摆臂转动，第二摆臂驱动第二滑块在第四滑轨上滑动，从而驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动。

4.根据权利要求1所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述横荡第一框架竖直设置第五滑轨，第五滑轨上安装第三滑块，升降平台与第三滑块固定连接；所述横荡第一框架竖直设置滚珠丝杆，滚珠丝杆上设置滑台，所述滚珠丝杆转动带动滑台上下移动，升降平台与滑台固定连接；所述横荡第一框架设置第三电机用于驱动滚珠丝杆转动。

5.根据权利要求1所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述水轮机包括桨叶、轴承系统和固定舱，所述固定舱内设有磁耦合传动系统、扭矩传感器和第四发电机；所述磁耦合传动系统包括相适配的内、外转子；桨叶通过轴承系统与外转子连接，内转子与扭矩传感器一端固定连接，扭矩传感器另一端与第四发电机输入轴固定连接。

6.根据权利要求5所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述轴承系统包括桨叶连接座，桨叶与桨叶连接座通过螺栓连接。

7.根据权利要求2所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述第一电机输出轴位于第三滑轨中心位置。

8.根据权利要求3所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述第二电机输出轴位于第四滑轨中心位置。

9.根据权利要求1所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述纵荡框架上端设置支撑架。

10.根据权利要求4所述的面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，其特征在于，所述升降平台与横荡第一框架之间设有拉绳传感器。

Images