CN116202666B - 一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置和测试方法，集成实验装置包括机架；机架铰接有齿轮，齿轮的齿轮轴水平布置；齿轮轴两侧分别固接有扭矩传感器和角度传感器；扭矩传感器连接有磁力阻尼器，用于测量磁力阻尼器提供的阻力矩；磁力阻尼器和角度传感器分别固接于机架；机架上下滑动连接有齿条，齿条与齿轮啮合传动；齿条下端固接有第一浮子；齿轮轴可拆卸地连接有阻尼铰链，阻尼铰链连接有第二浮子。本发明将垂荡和旋转两种运动方式的测试集成在一个测试装置上，提高了测试效率；易于与海洋结构物连接，为集成系统测试研究提供了便利；易安装并集成可变自由度的测试装置，对于波浪能装置的研究具有重大的应用指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电装置技术领域，具体为一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置和测试方法。
背景技术
传统化石能源日益枯竭并且带来诸多环境污染问题，清洁的可再生能源开发利用变得更加迫切。全球海洋面积占总面积的71％，可开发的波浪能年储量可达2TW。波浪能具有储量大、稳定性高、分布范围广等优点，因此波浪能装置有广阔的应用前景。
模型实验是波浪能装置从概念设计到实际应用中最重要的环节，合理的模型实验不仅为数值模拟提供验证数据，还为波浪能装置性能进一步优化打下基础。
点吸收式波浪能装置是目前研究应用最广泛的波浪能装置，装置依靠垂荡或旋转两种运动方式驱动PTO系统发电。在以往的点吸式波浪能装置模型实验中，诸多学者只测试一种运动方式，原因受限于昂贵的实验经费，或者分开设计测试两种运动方式，材料和实验时长的增加间接增加了实验费用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是：提供一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，将垂荡和旋转两种运动方式的测试集成在一个测试装置上，实现实验器材的共用，提高测试效率。
本发明的目的之二是：提供一种用于波浪能浮子性能的测试方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，包括机架；
机架铰接有齿轮，齿轮的齿轮轴水平布置；
齿轮轴两侧分别固接有扭矩传感器和角度传感器；
扭矩传感器连接有磁力阻尼器，用于测量磁力阻尼器提供的阻力矩；
磁力阻尼器和角度传感器分别固接于机架；
机架上下滑动连接有齿条，齿条与齿轮啮合传动；
齿条下端固接有第一浮子；
齿轮轴可拆卸地连接有阻尼铰链，阻尼铰链连接有第二浮子。
进一步，齿条设有导向装置，导向装置用于限制齿条在机架上做竖直运动。
进一步，导向装置为固接于机架的法兰轴承，齿条上端设有光轴，光轴竖向穿设于法兰轴承。
进一步，机架设有立式轴承支座，齿轮轴水平穿设于立式轴承支座。
进一步，机架设有竖向延伸的导轨，立式轴承支座滑动连接于导轨且可固定于导轨。
进一步，齿轮轴套接有十字夹，十字夹可拆卸地连接有杆，杆的末端连接于阻尼铰链。
进一步，杆为可调节长度的伸缩杆，材质为抗弯曲的合金材料。。
进一步，第一浮子上设有拉压力传感器，齿条通过拉压力传感器与第一浮子连接；拉压力传感器用于测量第一浮子的阻力，可以计算出第一浮子的摩擦力做功。
一种用于波浪能浮子性能的测试方法，采用一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，包括以下步骤，
根据所要进行的旋转运动测试或垂荡运动测试，相应从装置上拆下齿条和第一浮子或阻尼铰链和第二浮子；
测试过程中，利用扭矩传感器测量磁力阻尼器提供的阻力矩，角度传感器测量装置的转动角度；
根据测量得到的阻力矩和转动角度，计算获得波浪能装置等效发电功率。
进一步，波浪能装置等效发电功率的计算方式包括，
获取装置的转动角速度：
其中，为第i时刻转动角速度，θ(i+1)和θ(i)分别表示角度传感器测量的第i+1时刻和第i时刻的转动角度，Δt为角度传感器测量间隔；
获取磁力阻尼器提供的阻力矩：
其中，M扭矩传感器(i)为扭矩传感器第i时刻测量的值，I惯性矩为磁力阻尼器在0挡位时测出的惯性矩，为第i时刻转动角加速度；
浮子波浪能装置等效发电效率为：
其中，N为一个周期内扭矩传感器测量点的个数。
总的说来，本发明具有如下优点：
一、本发明将垂荡和旋转两种运动方式集成在一个测试装置上，通过磁力阻尼器和相关传感器得到发电功率和运动值，实现实验器材的共用，不仅节约了实验成本，并且提高了测试效率。
二、测试装置易于将浮子与海洋结构物连接，提高了测试装置的可操作性，为集成系统测试研究提供了便利。
三、测试装置中的磁力阻尼器等效为发电系统，可以根据需求调节等效阻尼大小，以便于测出浮子的最优发电功率。
四、杆可伸缩为指定长度，立式轴承支座可沿铝合金型材上下移动后固定，减少了实验过程中杆的更换，为旋转运动状态的浮子铰接点位置和杆长的测试提供了器材更换的便利。
附图说明
图1为性能测试装置的总体布置示意图
图2为垂荡运动方式的性能测试装置布置示意图
图3为旋转运动方式的性能测试装置布置示意图
图中：
1-连接支架，2-磁力阻尼器，3-扭矩传感器，4-铝合金型材，5-法兰轴承，6-光轴，7-十字夹，8-立式轴承支座，9-联轴器，10-角度传感器，11-杆，12-阻尼铰链，131-第一浮子，132-第二浮子，14-拉压力传感器，15-齿条，16-齿轮。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，包括机架；
机架铰接有齿轮16，齿轮16的齿轮轴水平布置；
齿轮轴两侧分别固接有扭矩传感器3和角度传感器10；
扭矩传感器3连接有磁力阻尼器2，用于测量磁力阻尼器2提供的阻力矩；
磁力阻尼器2和角度传感器10分别固接于机架；
机架上下滑动连接有齿条15，齿条15与齿轮16啮合传动；
齿条15下端固接有第一浮子131；
齿轮轴可拆卸地连接有阻尼铰链12，阻尼铰链12连接有第二浮子132。
本实施例中，机架为铝合金型材4组成的框架，可固定在波浪水槽、拖曳水池、浮式平台以及海洋结构物上。
铝合金型材4框架上水平间隔设有两个立式轴承支座8，齿轮16的齿轮轴固定在立式轴承支座8中。
利用联轴器9将磁力阻尼器2和扭矩传感器3连接在齿轮轴左侧，联轴器9将角度传感器10连接在齿轮轴右侧，连接支架1将磁力阻尼器2和角度传感器10固定在铝合金型材4上。
法兰轴承5通过连接支架1固定在铝合金型材4框架上，与齿轮16配套的齿条15下端连接带有拉压力传感器14的第一浮子131，上端连接与法兰轴承5配套的光轴6，光轴6穿过法兰轴承5。十字夹7设有互相垂直的两个通孔，其中一个通孔套接于齿轮轴，另一个通孔穿设杆11且通过螺栓连接。杆11下端通过阻尼铰链12连接第二浮子132。
测试时，将铝合金型材4框架固定在水池、水槽或者结构物上测试。在进行波浪测试之前，对磁力阻尼器2和扭矩传感器3进行标定。
本实施例中，第一浮子131与第二浮子132相同。
如图2所示，在进行第一浮子131的垂荡运动测试时，将杆11及下端连接部分从十字夹7上取下，然后进行工况测试。在一个工况内，固定磁力阻尼器2的档位，各传感器与信号转化设备连接，然后通过扭矩传感器3测量磁力阻尼器2提供的阻力矩，角度传感器10测量装置的转动角度，微分得到转动角速度，进一步得到第一浮子131等效发电功率，然后通过齿轮16直径换算为第一浮子131的垂向位移。
如图3所示，进行第二浮子132的转动运动测试时，将齿条15及上下端连接部分取出，然后进行工况测试。在一个工况内，确定立式轴承支座8的位置及杆11的长度，调节阻尼铰链12的角度，保持初始状态第二浮子132与水面平行，固定磁力阻尼器2的档位，各传感器与信号转化设备连接，然后通过扭矩传感器3测量磁力阻尼器2提供的阻力矩，角度传感器10测量装置的转动角度，微分得到转动角速度，进一步得到第二浮子132等效发电功率。
一种用于波浪能浮子性能的测试方法，采用一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，包括以下步骤，
根据所要进行的测试项目预先调整：
当进行旋转运动测试时，相应从装置上拆下齿条15和第一浮子131；
当进行垂荡运动测试时，相应从装置上拆下杆11、阻尼铰链12和第二浮子132；
测试过程中，利用扭矩传感器3测量磁力阻尼器2提供的阻力矩，角度传感器10测量装置的转动角度，具体包括，
垂荡运动测试：波浪推动第一浮子131上下浮动时，第一浮子131带动齿条15在机架上升降滑动，并带动与齿条15啮合的齿轮16在机架上转动。齿轮轴转动时带动两侧的扭矩传感器3和角度传感器10动作，通过扭矩传感器3测量磁力阻尼器2提供的阻力矩，角度传感器10测量装置的转动角度。
旋转运动测试：波浪推动第二浮子132旋转时，第二浮子132通过杆11和十字夹7带动齿轮轴旋转，齿轮轴旋转时带动两侧的扭矩传感器3和角度传感器10动作，通过扭矩传感器3测量磁力阻尼器2提供的阻力矩，角度传感器10测量装置的转动角度。
微分上述测量得到的转动角度，获得转动角速度，结合阻力矩和转动角速度，通过计算进一步得到波浪能装置等效发电功率。
波浪能装置等效发电功率的计算方式包括，
获取装置的转动角速度：
其中，为第i时刻转动角速度，θ(i+1)和θ(i)分别表示角度传感器10测量的第i+1时刻和第i时刻的转动角度，Δt为角度传感器10测量间隔；
获取磁力阻尼器2提供的阻力矩：
其中，M扭矩传感器(i)为扭矩传感器3第i时刻测量的值，I惯性矩为磁力阻尼器2在0挡位时测出的惯性矩，为第i时刻转动角加速度；
浮子波浪能装置等效发电效率为：
其中，N为一个周期内扭矩传感器3测量点的个数。
本发明将垂荡和旋转两种运动方式的测试集成在一个测试装置上，不仅节约了实验器材成本，并且提高了测试效率；另外，易于将浮子与浮式平台、防波堤等海洋结构物连接，为集成系统测试研究提供了便利；易安装并集成可变自由度的测试装置，对于波浪能装置的研究具有重大的应用指导意义，具有广阔的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：包括机架；
机架铰接有齿轮，齿轮的齿轮轴水平布置；
齿轮轴两侧分别固接有扭矩传感器和角度传感器；
扭矩传感器连接有磁力阻尼器，用于测量磁力阻尼器提供的阻力矩；
磁力阻尼器和角度传感器分别固接于机架；
机架上下滑动连接有齿条，齿条与齿轮啮合传动；
齿条下端固接有第一浮子；
齿轮轴可拆卸地连接有阻尼铰链，阻尼铰链连接有第二浮子。
2.根据权利要求1所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：齿条设有导向装置，导向装置用于限制齿条在机架上做竖直运动。
3.根据权利要求2所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：导向装置为固接于机架的法兰轴承，齿条上端设有光轴，光轴竖向穿设于法兰轴承。
4.根据权利要求1所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：机架设有立式轴承支座，齿轮轴水平穿设于立式轴承支座。
5.根据权利要求4所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：机架设有竖向延伸的导轨，立式轴承支座滑动连接于导轨且固定于导轨。
6.根据权利要求1所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：齿轮轴套接有十字夹，十字夹可拆卸地连接有杆，杆的末端连接于阻尼铰链。
7.根据权利要求6所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：杆为伸缩杆。
8.根据权利要求1所述的一种用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，其特征在于：第一浮子上设有拉压力传感器，齿条通过拉压力传感器与第一浮子连接。
9.一种用于波浪能浮子性能的测试方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的用于波浪能浮子性能测试的集成实验装置，包括以下步骤，
根据所要进行的旋转运动测试或垂荡运动测试，相应从装置上拆下齿条和第一浮子或阻尼铰链和第二浮子；
测试过程中，利用扭矩传感器测量磁力阻尼器提供的阻力矩，角度传感器测量装置的转动角度；
根据测量得到的阻力矩和转动角度，计算获得波浪能装置等效发电功率。
10.根据权利要求9所述的一种用于波浪能浮子性能的测试方法，其特征在于：波浪能装置等效发电功率的计算方式包括，
获取装置的转动角速度：
其中，为第i时刻转动角速度，θ(i+1)和θ(i)分别表示角度传感器测量的第i+1时刻和第i时刻的转动角度，Δt为角度传感器测量间隔；
获取磁力阻尼器提供的阻力矩：
其中，M扭矩传感器(i)为扭矩传感器第i时刻测量的值，I惯性矩为磁力阻尼器在0挡位时测出的惯性矩，为第i时刻转动角加速度；
浮子波浪能装置等效发电效率为：
其中，N为一个周期内扭矩传感器测量点的个数。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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