CN113670573A - 一种风力助推转子空气动力特性实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种风力助推转子空气动力特性实验装置。本发明通过控制液压杆可以模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态，能够精确测量转子在横向风力作用下的阻力和升力的时历曲线。本发明可以自动地调节转子的转速及转向，通过旋转轴上的联轴器，可以根据实验需求更换不同形式包括改变长径比、盘径比或表面粗糙度等的转子，以进行一系列的实验对比研究。本发明利用一套实验装置能够完成船舶摇荡运动环境下助推转子的空气动力特性研究，为后期实海域测试提供了实验基础，大大减少了实验成本，操作简单，具有综合性、经济性等优点，应用前景广泛。

Description

一种风力助推转子空气动力特性实验装置
技术领域
本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种风力助推转子空气动力特性实验装置。
背景技术
随着人类面临的能源与环境问题日益突出，利用风力助推船舶航行又重新获得关注。风力助推转子是其中一种节能效果显著、可行性高、并具有较强应用前景的创新节能技术，是目前解决船舶设计能效指数(EEDI)三阶段要求的最有效的技术手段之一。其工作原理是基于马格努斯效应：旋转的圆柱体在来流的作用下，将会受到垂直于流动方向的侧向力作用。通过在船上安装风力助推转子，驱动转子在风中旋转产生垂直于风速方向的力，从而为船舶提供前进的助推动力。
近些年来，人们研究风力助推转子空气动力特性一般都采用数值计算和百吨级船实海域测试研究为主。实海域测试虽然是最真实的实验方式，但实验成本高、实施难度大，特别是恶劣海况不可控性，给实验带来一定的破坏。为此开展风力助推转子在模拟海况下的空气动力特性实验尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力助推转子空气动力特性实验装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括运动平台1和转子5；所述的运动平台1底面中央安装有伺服电机2，在运动平台1底面四角设有液压伸缩杆，通过控制液压伸缩杆的长度模拟甲板纵摇、横摇、升沉运动状态，在运动平台1顶面安装有测量装置3；所述的测量装置3包括轴承和压力传感器7；所述的轴承通过固定圆盘支座6安装在运动平台1顶面中央；所述的轴承包括内圈9和外圈11，内圈9和外圈11之间布置有圆柱体形状的滚动体10；所述的压力传感器7有四组，四组压力传感器7环绕轴承的外圈11与其连接排布，相邻的压力传感器7的位置间隔为90°，压力传感器7的感应部位为圆弧凹槽型；所述的伺服电机2的输出端与传动轴8连接，传动轴穿过运动平台1并与轴承的内圈9配合；所述的转子5通过联轴器4与传动轴8上端连接。
本发明的有益效果在于：
本发明通过控制液压杆可以模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态，能够精确测量转子在横向风力作用下的阻力和升力的时历曲线。本发明可以自动地调节转子的转速及转向，通过旋转轴上的联轴器，可以根据实验需求更换不同形式包括改变长径比、盘径比或表面粗糙度等的转子，以进行一系列的实验对比研究。本发明利用一套实验装置能够完成船舶摇荡运动环境下助推转子的空气动力特性研究，为后期实海域测试提供了实验基础，大大减少了实验成本，操作简单，具有综合性、经济性等优点，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的总体布置图。
图2(a)为本发明中运动平台模拟纵摇运动的状态图。
图2(b)为本发明中运动平台模拟横摇运动的状态图。
图2(c)为本发明中运动平台模拟升沉运动的状态图。
图3为本发明中测量装置的示意图。
图4为本发明中压力传感器的示意图。
图5为本发明中轴承的示意图。
图6(a)为风力助推转子受横向力时的受力图(主视)。
图6(b)为风力助推转子受横向力时的受力图(俯视)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明属于流体力学实验技术领域，具体涉及一种风力助推转子空气动力特性实验装置。该实验装置主要包括运动平台、伺服电机、测量装置、联轴器和转子系统等。运动平台通过对液压杆控制可模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态，伺服电机安装在运动平台下方，依次连接测量装置、联轴器及转子系统。本发明能够精确测量转子在横向风力作用下的阻力和升力的时历曲线；可以自动地调节转子的转速及转向；通过旋转轴上的联轴器，可以根据实验需求更换不同形式包括改变长径比、盘径比或表面粗糙度等的转子，以进行一系列的实验对比研究；本发明利用一套实验装置能够完成船舶摇荡运动环境下助推转子的空气动力特性研究，为后期实海域测试提供了实验基础，大大减少了实验成本，操作简单，具有综合性、经济性等优点，应用前景广泛。
一种风力助推转子空气动力特性实验装置，包括运动平台1和转子5；所述的运动平台1底面中央安装有伺服电机2，在运动平台1底面四角设有液压伸缩杆，通过控制液压伸缩杆的长度模拟甲板纵摇、横摇、升沉运动状态，在运动平台1顶面安装有测量装置3；所述的测量装置3包括轴承和压力传感器7；所述的轴承通过固定圆盘支座6安装在运动平台1顶面中央；所述的轴承包括内圈9和外圈11，内圈9和外圈11之间布置有圆柱体形状的滚动体10；所述的压力传感器7有四组，四组压力传感器7环绕轴承的外圈11与其连接排布，相邻的压力传感器7的位置间隔为90°，压力传感器7的感应部位为圆弧凹槽型；所述的伺服电机2的输出端与传动轴8连接，传动轴穿过运动平台1并与轴承的内圈9配合；所述的转子5通过联轴器4与传动轴8上端连接。
本发明的有益在于：
本发明通过对液压杆控制可模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态；伺服电机安装在运动平台下方，依次连接测量装置、联轴器及转子系统，能够精确测量转子在横向风力作用下的阻力和升力的时历曲线；可以自动地调节转子的转速及转向；通过旋转轴上的联轴器，可以根据实验需求更换不同形式包括改变长径比、盘径比或表面粗糙度等的转子，以进行一系列的实验对比研究；本发明利用一套实验装置能够完成船舶摇荡运动环境下助推转子的空气动力特性研究，为后期实海域测试提供了实验基础，大大减少了实验成本，操作简单，具有综合性、经济性等优点，应用前景广泛。
实施例1：
本发明通过模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态及横向风力的海况下，完成船舶摇荡运动环境下助推转子的空气动力特性研究，可看作是介于数值计算和实海域测试之间的一种实验技术，为后期实海域测试提供了实验基础，大大减少了实验成本，具有很好的实际应用前景。
一种风力助推转子空气动力特性实验装置，包括运动平台1、伺服电机2、测量装置3、联轴器4和转子5，运动平台1通过对液压杆控制可模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态，伺服电机2安装在运动平台下方，依次连接测量装置3、联轴器4及转子5，完成船舶摇荡运动环境下转子的空气动力特性研究。
所述的运动平台1通过四个液压杆件的升降配合满足试验要求的运动状态输出，垂荡幅度范围为0～0.1m,横摇角度范围为0～25°和纵摇角度范围为达0～10°，从而实现运动平台可以模拟船舶在海洋中的摇荡运动。
所述的伺服电机2安装于运动平台下方，经测量装置、联轴器匀速转动传递给助推转子。
所述的测量装置3包括轴承、压力传感器、固定圆盘支座等部件，轴承与转动轴为过渡配合，从内到外依次连接压力传感器、固定圆盘支座。
所述压力传感器为四个，环绕轴承与其连接排布并且相邻传感器位置间隔为90°，压力传感器的感应部位为圆弧凹槽型。
所述轴承包括内圈、滚动体、外圈、密封件，其中滚动体形状为圆柱体
如附图1所示，为本发明的总体布置图；一种风力助推转子空气动力特性实验装置，包括运动平台1、伺服电机2、测量装置3、联轴器4和转子5组成，当该实验装置工作时，运动平台1通过对液压杆控制可模拟甲板纵摇、横摇、升沉等运动状态，伺服电机2安装在运动平台下方，依次连接测量装置3、联轴器4并将转速传递转子5，驱动转子5在横向风中旋转产生垂直于风速方向的力由测量装置3得出测量数据，根据实验需求可通过联轴器4更换不同的转子，可以通过改变伺服电机2伺服电机自动地调节转子的转速及转向，从而完成船舶摇荡运动环境下转子的空气动力特性研究。
如附图2(a)所示，为运动平台纵摇运动状态图，通过同时控制前后液压杆件上下运动来模拟甲板纵摇运动，其纵摇角度范围为达0～10°；如附图2(b)所示，为运动平台横摇运动状态图，通过同时控制左右液压杆件上下运动来模拟甲板横摇运动，其横摇角度范围为0～25°；如附图2(c)所示，为运动平台升沉运动状态图，通过同时控制所有液压杆件上下运动来模拟甲板升沉运动，其垂荡幅度范围为0～0.1m。
如附图3所示，为测量装置总体布局图，包括传动轴8、内圈9、滚动体10、外圈11、压力传感器7、固定圆盘支座6等部件；如附图4所示，为压力传感器立体图，受力部位为圆弧凹槽型，进行此设计是保证其与外圈紧密连接，增加了其在装置的负载和强度；如附图5所示，为传动轴承立体图，包括内圈、滚动体、外圈、密封件，其中滚动体为圆柱状，进行此设计是使其受均布载荷保证力的传递性，降低零部件磨损提高使用寿命。
如附图6(a)和图6(b)所示，为实验装置受力分析图，当该装置工作时，旋转的圆柱体在横向来流的作用下，将会受到垂直于流动方向的侧向升力和来流方向的阻力作用，其中侧向力为船舶提供前进的助推动力。当圆柱体受到一定方向的均布载荷作用时，可以简化为悬臂梁受到均布载荷q作用，悬臂梁的一端是固定支座，即测量装置，另一端为自由端。在载荷作用下，可根据力的平衡条件可知悬臂梁的固定端的支座反力F＝qL,因此测量装置所测的力为支座反力F，即垂直于流动方向的侧向升力或来流方向的阻力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种风力助推转子空气动力特性实验装置，其特征在于：包括运动平台(1)和转子(5)；所述的运动平台(1)底面中央安装有伺服电机(2)，在运动平台(1)底面四角设有液压伸缩杆，通过控制液压伸缩杆的长度模拟甲板纵摇、横摇、升沉运动状态，在运动平台(1)顶面安装有测量装置(3)；所述的测量装置(3)包括轴承和压力传感器(7)；所述的轴承通过固定圆盘支座(6)安装在运动平台(1)顶面中央；所述的轴承包括内圈(9)和外圈(11)，内圈(9)和外圈(11)之间布置有圆柱体形状的滚动体(10)；所述的压力传感器(7)有四组，四组压力传感器(7)环绕轴承的外圈(11)与其连接排布，相邻的压力传感器(7)的位置间隔为90°，压力传感器(7)的感应部位为圆弧凹槽型；所述的伺服电机(2)的输出端与传动轴(8)连接，传动轴穿过运动平台(1)并与轴承的内圈(9)配合；所述的转子(5)通过联轴器(4)与传动轴(8)上端连接。
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