CN114165471A - 密布型轻量化造风装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种密布型轻量化造风装置及其实现方法，包括：竖梁、横梁组成的矩形框以及设置于其内部的竖支撑杆和横支撑杆，其中：每个竖支撑杆上设有若干造风单元；本装置既可以在开放环境中使用又可以在封闭环境中使用的造风装置。该装置总重量轻，造价低，同时便于安装、拆卸和储存，具有轻量化的特点。其使用轻质碳纤维高速桨叶，配合无刷电机，具有高响应速度的特性，响应时间最快可达20ms。

Description

密布型轻量化造风装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种空气动力、风工程和流体试验领域的技术，具体是一种密布型轻量化造风装置及其实现方法。
背景技术
现有的风洞和其他造风设备不仅体积庞大，造价高昂，而且难以移动，无法在开放环境下造风。实际试验中，例如浮式风机、船舶和海洋工程装备的模型试验需要在水池中进行，在模拟真实海况的试验中，风场的模拟是必不可少的。现有的模拟风场的自制造风设备要么体积巨大、笨重，控制复杂，要么造风旋翼间距过大，风场质量不高，严重影响实验准度。试验中，通常需要根据不同的对象，划定不同的造风区域，造风范围的可拓展性也需要重点关注。
发明内容
本发明针对现有技术无法进行复杂风场的造风任务的缺陷，提出一种密布型轻量化造风装置及其实现方法，既可以在开放环境中使用又可以在封闭环境中使用的造风装置。该装置总重量轻，造价低，同时便于安装、拆卸和储存，具有轻量化的特点。其使用轻质碳纤维高速桨叶，配合无刷电机，具有高响应速度的特性，响应时间最快可达20ms。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种密布型轻量化造风装置，包括：竖梁、横梁组成的矩形框以及设置于其内部的竖支撑杆和横支撑杆，其中：每个竖支撑杆上设有若干造风单元。
所述的矩形框外部设有垂直挡风板和水平挡风板。
所述的竖支撑杆和横支撑杆通过支撑杆安装固定件与矩形框相连。
所述的竖支撑杆和横支撑杆之间通过支撑杆十字轴夹相连。
所述的造风单元通过电机固定支架设置于竖支撑杆上。
所述的造风单元包括：电机以及设置于其输出轴上的造风旋翼，电机通过造风单元轴夹与电机固定支架相连。
技术效果
本发明通过交错布置的密布型造风单元排列方式，增大了造风面占比。使用质量轻、可高速旋转的轻质两叶碳纤维桨，配合无刷电机可以在大范围风速内高响应变化。与现有常规技术手段相比，本发明显著提高了造风面的造风密度，同时造风装置响应速度高，变化频率高，可造高质量、高保真度风场。造风面可根据任务需要拓展，使得本发明可重复利用，节约成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的甲型单元示意图；
图3为本发明的乙型单元示意图；
图4为本发明的局部连接示意图；
图5为本发明的造风单元示意图；
图6为实施例湍流风谱图示意图；
图中：1竖梁、2横梁、3造风单元、4竖支撑杆、5横支撑杆、6垂直挡风板、7水平挡风板、8支撑杆安装固定件、9造风旋翼、10电机、11电机固定支架、12造风单元轴夹、13支撑杆十字轴夹。
具体实施方式
如图1～图5所示，为本实施例涉及一种密布型轻量化造风装置包括：竖梁1、横梁2组成的矩形框以及设置于其内部的竖支撑杆4和横支撑杆5，其中：每个竖支撑杆4上设有若干造风单元3。
所述的造风单元3包括：电机10以及设置于其输出轴上的造风旋翼9，电机通过造风单元轴夹与电机固定支架相连。
如图2-3所示，8个造风单元3等间距排列构成甲型单元，7个造风单元3等间距排列构成乙型单元。甲、乙型单元中造风单元3之间的间距大小及相邻甲、乙型单元的间距均依照造风旋翼旋转面积大小及其造风能力而定。
如图4所示，甲、乙型单元的上下两侧固定连接支撑杆安装固定件8。
所述的矩形框外部设有垂直挡风板6和水平挡风板7。
所述的竖支撑杆4和横支撑杆5通过支撑杆安装固定件8与矩形框相连。
所述的支撑杆安装固定件8为带法兰的空心套筒结构。
所述的竖支撑杆4和横支撑杆5之间通过支撑杆十字轴夹13相连。
所述的造风单元3通过电机固定支架11设置于竖支撑杆4上。
所述的造风单元3包括：电机10以及设置于其输出轴上的造风旋翼9，电机10通过造风单元轴夹12与电机固定支架11相连。
所述的垂直挡风板6和水平挡风板7选用重量轻、较硬的材料，如电木板及其他复合材料或薄铝板及其他金属材料。
如图5所示，所述的造风旋翼9可选用碳纤维二叶桨，质量轻、强度大、刚度大，如20寸碳纤维桨叶只有50克左右。
为了适应碳纤维二叶桨的高额定转速，电机10应具备提供大扭矩、高转速的能力，如无刷电机。
本实施例涉及上述密布型轻量化造风装置的造风作业实现方法，按上述结构组装造风装置后，将其加设在某一基座上并与供电系统和控制系统连接，形成造风系统，便可开启造风作业。密布的造风单元3可人工制造多种不同风场。允许每个电机10单独控制，可制造出复杂多变的湍流风。
造风结束后，拆卸垂直挡风板6和水平挡风板7，竖梁1和横梁2，以及横支撑杆5。除有特殊需求外，甲、乙型单元可保留储存，既可以节省下次使用组装时间，又可以避免造风旋翼9、电机10和其他易损物品因多次拆装而损坏。
经过具体实际实验，在海洋工程深水试验池中进行的浮式风机试验中，使用该造风装置，结构稳定，可进行最小0.8m/s，最大15m/s的复杂湍流风场。该装置响应时间最小可达20ms，频率高达50Hz。造风有效范围扩大，风场质量和精准度显著提升。下图为湍流风谱图，实际测量风谱与理论风谱相似度高达98％。
与现有技术相比，本装置通过新形式的密布排列方式，降低了造风装置的总体重量，并以轻质高转速的两叶桨代替现有桨叶，拓宽可造风速范围，并提高了风场质量和精准度，可实现高保真湍流风场。本装置可在从高到低多个转速下进行造风作业，拓宽风场速度的变化范围，使得该装置具有多用途、多功能性，以适应更多的造风任务。其拥有密布的造风单元，可提高其造风质量和风场保真度，弥补了在开放环境中造风质量低下的不足。甲、乙型单元的数量、间距和形式可以根据需要调整，该风场具有可拓展性。同时，风场内每个造风单元可协同控制，也可单独控制。根据风场需要，可调整空间均匀性和时间定常性，实现风场的可控性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种密布型轻量化造风装置，其特征在于，包括：竖梁、横梁组成的矩形框以及设置于其内部的竖支撑杆和横支撑杆，其中：每个竖支撑杆上设有若干造风单元；
所述的造风单元包括：电机以及设置于其输出轴上的造风旋翼，电机通过造风单元轴夹与电机固定支架相连。
2.根据权利要求1所述的密布型轻量化造风装置，其特征是，所述的矩形框外部设有垂直挡风板和水平挡风板。
3.根据权利要求1所述的密布型轻量化造风装置，其特征是，所述的竖支撑杆和横支撑杆通过支撑杆安装固定件与矩形框相连。
4.根据权利要求1或3所述的密布型轻量化造风装置，其特征是，所述的竖支撑杆和横支撑杆之间通过支撑杆十字轴夹相连。
5.根据权利要求1所述的密布型轻量化造风装置，其特征是，8个造风单元等间距排列构成甲型单元，7个造风单元等间距排列构成乙型单元，甲、乙型单元的上下两侧固定连接支撑杆安装固定件。
6.根据权利要求3或5所述的密布型轻量化造风装置，其特征是，所述的支撑杆安装固定件为带法兰的空心套筒结构。
7.一种基于权利要求1～6中任一所述密布型轻量化造风装置的造风作业实现方法，其特征在于，当组装造风装置后，将其加设在某一基座上并与供电系统和控制系统连接，形成造风系统以开启造风作业并人工制造多种不同风场，其中每个电机单独控制以制造出复杂多变的湍流风。
8.根据权利要求7所述的造风作业实现方法，其特征是，造风结束后，拆卸垂直挡风板和水平挡风板、竖梁、横梁以及横支撑杆。
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