一种光伏支架风洞模型的模型主轴及光伏支架风洞模型的制作方法

1.本技术涉及光伏支架风洞试验技术领域，尤其涉及一种光伏支架风洞模型的模型主轴及光伏支架风洞模型。


背景技术：

2.在光伏支架领域，为了更好地得到支撑结构在流固耦合作用下的动态响应数据，往往需要进行气动弹性测试。气动弹性测试是一种复杂的风洞试验，试验环境及风洞模型需要满足一系列的相似准则，刚度相似比就是其中之一。应用在光伏支架风洞试验中即需要保证模型主轴的刚度与原型主轴刚度之比及风速相似比之间满足一定的关系。
3.因此在光伏支架风洞模型制作中需要制作特定刚度的模型主轴，制作完成后主轴的力学参数(例如主轴刚度)确定不变，在需要更改实验条件时，如原型主轴的设计参数发生变化时，需要重新制作整个主轴模型。同时风洞试验时需要测量模型主轴的受力情况，重新制作模型后又需要重新设置测量装置，例如需要重新在模型主轴上粘贴应变片并重新标定。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的以上不足之处，本技术的目的在于提供一种扭转刚度可以调整、不需要更换整个模型主轴和重新设置测量装置的光伏支架风洞模型的模型主轴及光伏支架风洞模型。
5.为了实现上述目的，本技术提供了以下技术方案。
6.一种光伏支架风洞模型的模型主轴，用于模拟原型光伏支架中的原型主轴进行风洞试验，所述模型主轴包括至少一第一轴段、至少一第二轴段、至少一第三轴段；其中，所述第一轴段与所述光伏支架风洞模型的模型立柱可转动且可锁止设置，所述第三轴段将所述第二轴段连接至所述第一轴段，所述第二轴段可通过所述第三轴段相对所述第一轴段转动；通过改变所述第三轴段的扭转刚度以得到具有不同扭转刚度的所述模型主轴，使所述模型主轴在不同试验条件下满足风洞试验的要求。
7.在一些实施方式中，所述模型主轴的扭转刚度调整需要满足所述光伏支架风洞模型的刚度相似比要求；所述刚度相似比要求具体为，满足风洞试验相似比公式：其中λ
gj
为扭转刚度相似比，λ
ρ
为空气密度相似比，λv为风速相似比，λ
l
为结构尺度相似比；所述扭转刚度相似比λ
gj
的计算方法为：λ
gj
＝gjm/gj
p
，其中gj
p
为所述原型主轴的扭转刚度，gjm为对应的所述模型主轴的扭转刚度。
8.在一些实施方式中，所述第三轴段可拆卸地与所述第一轴段和所述第二轴段连接，在所述原型主轴的刚度参数改变时，通过调整所述第三轴段的扭转刚度或更换参数匹配的所述第三轴段实现所述刚度相似比要求。
9.在一些实施方式中，所述第三轴段包括2个连接部和扭转部，所述扭转部连接于2个所述连接部之间，所述连接部连接至所述第一轴段或所述第二轴段；所述第三轴段还包
括扭矩测量装置，用于测量所述第三轴段在风洞试验中承受的扭矩。
10.在一些实施方式中，所述扭矩测量装置包括应变片，所述应变片设置于所述扭转部上，通过所述应变片测得所述扭转部的形变，再经过转换输出扭矩系数。
11.在一些实施方式中，所述扭转部为扭簧，所述扭簧包括圆形截面螺旋扭簧、矩形截面螺旋扭簧、包括直线段的异形螺旋扭簧，通过更换具有不同扭力的所述扭簧以得到具有不同扭转刚度的所述模型主轴。
12.在一些实施方式中，所述扭转部为扭杆，包括匹配设置的第一可调扭杆和第二可调扭杆，所述第一可调扭杆包括依次连接的第一扭杆臂、第二扭杆臂和第三扭杆臂，所述第二可调扭杆包括依次连接的第四扭杆臂、第五扭杆臂和第六扭杆臂，所述第二扭杆臂和所述第五扭杆臂轴向设置，所述第一扭杆臂、所述第三扭杆臂、所述第四扭杆臂和所述第六扭杆臂径向设置；所述第二扭杆臂和所述第五扭杆臂在径向相对设置，所述第一扭杆臂、所述第三扭杆臂、所述第四扭杆臂和所述第六扭杆臂具有径向设置的调节槽，用于穿设紧固件将所述扭转部固定至所述连接部、并用于调节所述第二扭杆臂和所述第五扭杆臂的径向位置以实现所述第三轴段的扭转刚度调节。
13.在一些实施方式中，所述第三轴段还包括保护罩，所述保护罩包括2个端盖和1个外壳，所述端盖具有过孔，所述扭转部的两端穿过所述过孔后连接至所述连接部；所述端盖和所述外壳构成一容置腔，所述扭转部的主体位于所述容置腔内，所述端盖具有弹性，所述过孔和所述扭转部构成密封连接；所述端盖与所述连接部在轴向间隙设置。
14.在一些实施方式中，所述模型立柱设置多个，所述第一轴段的数量为多个，每个所述模型立柱对应设置一个所述第一轴段，每个所述第一轴段之间均通过所述第二轴段连接，所述第二轴段与所述第一轴段之间通过第三轴段连接；所述模型主轴上至少有一个所述模型立柱与所述第一轴段固定连接。
15.本技术还提供了一种光伏支架风洞模型，包括：前述的任一种光伏支架风洞模型的模型主轴；模型立柱，所述模型主轴可转动地设置在所述模型立柱顶端；模型组件，所述模型组件规律的排布在所述模型主轴上；对应不同的原型光伏支架中的原型主轴，通过调整所述第三轴段的扭转刚度或更换参数匹配的所述第三轴段以得到具有不同扭转刚度的所述模型主轴，使所述模型主轴在不同试验条件下满足风洞试验的要求。
16.本技术的各个实施例具有以下技术效果中的至少一种：
17.1.通过设置可拆卸连接的第三轴段的扭转刚度，使不同参数的原型主轴在进行风洞模型制作时无需重新制作整个模型主轴，既可实现光伏支架风洞模型的刚度相似比要求；
18.2.通过将扭矩测量装置设置在第三轴段，并设置多个第三轴段，可测量多个位置的模型主轴扭矩载荷，获得更加全面的气动弹性测试数据；
19.3.通过将扭转变形相对集中至第三轴段，并在第三轴段的扭转部上设置应变片，可以提高测量灵敏度和测量精度，并可用较低的成本实现灵活的测量设置；设置了应变片的第三轴段也比设置了应变片的整个模型主轴更方便标定；
20.4.通过扭簧或扭杆构成扭转部，可用较低的成本实现不同扭转刚度的设置；通过设置异形扭簧，可以使应变片的粘贴更加方便可靠；
21.5.通过可调扭杆构成扭转部，可实现快速的扭转刚度调整；
22.6.通过将跟踪驱动机构的锁止刚度计入原型主轴的综合刚度，进一步满足风洞模型的刚度相似比要求；
23.7.通过保护罩的设置，使应变片及其接线不易积灰，不易在试验中损坏。
附图说明
24.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
25.图1是光伏支架风洞模型的一个实施例示意图；
26.图2是光伏支架风洞模型的另一个实施例示意图；
27.图3是光伏支架风洞模型的另一个实施例示意图；
28.图4是模型主轴的一个实施例及部分相关结构的示意图；
29.图5是图4中局部a的放大图；
30.图6是扭转部的一个实施例示意图；
31.图7是扭转部的另一个实施例示意图；
32.图8是扭转部的另一个实施例示意图；
33.图9是保护罩的一个实施例的组成零件示意图；
34.图10是图9保护罩实施例的剖视图；
35.图11是第三轴段的一个实施例示意图(保护罩的外壳未示出)；
36.图12是图11的剖视图(示出了保护罩的外壳)；
37.图13是第三轴段的另一个实施例示意图；
38.图14是图13的第三轴段实施例的第一可调扭杆示意图；
39.图15是图13的第三轴段实施例的第二可调扭杆示意图；
40.图16是图13的第三轴段实施例的一种调节状态；
41.附图标号说明：
42.100.第一轴段，200.第二轴段，300.第三轴段，310.连接部，320.扭转部，321.第一可调扭杆，322.第一扭杆臂，323.第二扭杆臂，324.第三扭杆臂，325.第二可调扭杆，326.第四扭杆臂，327.第五扭杆臂，328.第六扭杆臂，329.调节槽，330.保护罩，331.端盖，332.外壳，338.容置腔，339.过孔，400.光伏板模型，500.檩条，600.模型立柱，700.底座，800.轴承，900.支撑立柱。
具体实施方式
43.为了更清楚地说明本技术的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本技术的具体实施方式。下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
44.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本技术相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的
项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
46.如图1至图3所示，本技术的光伏支架风洞模型的模型主轴用于模拟原型光伏支架中的原型主轴进行风洞试验，包括图中的第一轴段100、第二轴段200和第三轴段300。图中示出了光伏支架风洞模型的一些实施例。如本技术的背景技术部分所述，试验环境及风洞模型需要满足一系列的相似准则，这是因为风洞试验的环境和实际应用场合的风场环境无法完全一致，而且为了试验多个光伏支架组成的光伏阵列，需要使用具有设定缩尺比的风洞模型。根据风洞试验相似比理论，风洞试验参数和光伏支架风洞模型的参数以及原型光伏支架及其实际环境的参数必须符合上述相似准则，风洞试验得到的数据才能应用于原型光伏支架。
47.光伏支架的风洞试验包括很多类型，其中为了更好地得到支撑结构在流固耦合作用下的动态响应数据，往往需要进行气动弹性测试。气动弹性测试是一种复杂的风洞实验，但其中模型主轴的刚度相似比是其需要满足的相似准则中最重要的一项。为了模拟原型主轴等结构受到的风致载荷，光伏支架风洞模型还包括光伏板模型400，通过檩条500固定至模型主轴，模型主轴再固定至模型立柱600，或同时通过轴承800旋转设置至支撑立柱900。模型立柱600和支撑立柱900固定至地面或底座700。
48.现有技术的模型主轴通常需要根据原型主轴的参数定制，并通过粘贴应变片等方式测量其受到的扭矩，而且在原型主轴的参数变化时，需要重新制作并重新粘贴应变片并标定，工作量较大。为了克服上述不足之处，本技术提供的光伏支架风洞模型的模型主轴模拟原型光伏支架中的原型主轴，包括至少一第一轴段100、至少一第二轴段200、至少一第三轴段300；其中，第一轴段100对应原型光伏支架的原型主轴和跟踪驱动机构连接位置的设定长度部分，第一轴段100在风洞试验前调整好角度后和光伏支架风洞模型的模型立柱600锁止设置，第三轴段300将第二轴段200连接至第一轴段100或另一第二轴段200；通过设置第三轴段300的扭转刚度(扭转刚度是衡量径向轴在机械系统中旋转时所能承受的扭矩大小)，使模型主轴的扭转刚度和原型主轴的扭转刚度符合光伏支架风洞模型的刚度相似比要求。
49.如图1所示，第一轴段100和模型立柱600之间的连接可转动，以调节光伏板模型400的仰角；该连接还可锁止，以模拟原型主轴被跟踪驱动机构锁止的状态，并在锁止后进行风洞试验。光伏板模型400通过檩条500固定至第二轴段200，并在风洞试验时将风致扭矩传递至第二轴段200，第二轴段200再通过第三轴段300将扭矩传递至第一轴段100和模型立柱600。在图1中，通过设置两个第三轴段300的扭转刚度，使模型立柱600两侧的每一段模型主轴的扭转刚度分别和原型主轴对应部分的扭转刚度符合刚度相似比要求。
50.如图2所示，光伏支架风洞模型还可包括支撑立柱900，第二轴段200还可通过轴承800转动连接至支撑立柱900，而且在该处的连接为始终可以转动，以模拟原型主轴中类似的结构。当第二轴段200的长度较大时，还可将其分段，并通过第三轴段300连接。如图3所
示，光伏支架风洞模型通常包括多个光伏板模型400和多个模型立柱600，风洞试验时还可设置多列和多排图中所示的模型组件。
51.在一些实施例中，刚度相似比要求具体为，满足风洞试验相似比公式：其中λ
gj
为扭转刚度相似比，λ
ρ
为空气密度相似比，λv为风速相似比，λ
l
为结构尺度相似比；第三轴段300可拆卸地与第一轴段100和第二轴段200连接，在需要进行风洞试验的原型主轴的刚度参数改变时，通过调整第三轴段300的扭转刚度或更换参数匹配的第三轴段300实现光伏支架风洞模型的刚度相似比要求。
52.以下说明上述风洞试验相似比公式的理论依据。本段内容均为现有风洞试验理论或经验知识。尺度较大的结构的风洞试验通常采用缩尺模型，其理论依据就是流动的相似性原理。从流体流动的微分方程出发，可寻求流体流动的一般相似性判据。流体运动可通过运动微分方程及边界条件和起始条件来描述，缩尺模型风洞试验中的风洞模型和原型之间须满足运动相似性和几何相似性。由于实际流动的复杂性，同时满足所有的相似准则比较困难，因此在实际应用中一般采用最主要的相似准则。具体地，在光伏支架的气动弹性测试中，应保持风洞模型和原型的柯西数ca相等，柯西数ca也称为弹性参数，表征结构弹性力和流动惯性力之间的比值，其计算公式为：
53.ca＝ed2/(ρu2d2)＝e/(ρu2)；
54.其中，e为弹性模量，d为结构尺度，ρ为空气密度，u为风速；
55.根据上式可以推导出：
[0056][0057]
其中，λe＝em/e
p
，即弹性模量相似比，em和e
p
分别为风洞模型和原型的弹性模量；λ
ρ
为空气密度相似比，一般取1.0；λv＝um/u
p
为风速相似比，um和u
p
分别为模型风速和实际风速；弹性模量相似比一般通过刚度相似比模拟，包括压缩刚度、弯曲刚度和扭转刚度，但对于光伏支架的风洞试验，前两者的影响很小，一般仅需考虑模型主轴的扭转刚度，使其满足风洞试验相似比公式：
[0058][0059]
其中λ
gj
为扭转刚度相似比，λ
ρ
为空气密度相似比(一般取1.0)，λv为风速相似比，λ
l
为结构尺度相似比。
[0060]
在一些实施例中，扭转刚度相似比的具体计算方法为：λ
gj
＝gjm/gj
p
，其中gj
p
为两个跟踪驱动机构之间的一段原型主轴的扭转刚度，gjm为对应的一段模型主轴的扭转刚度。由于风洞试验模型为原型的等比例缩尺模型，因此模型主轴和原型主轴的结构相互对应，本实施例以原型主轴和跟踪驱动机构的锁止位置为界限，使每一段模型主轴和对应的一段原型主轴的扭转刚度符合扭转刚度相似比条件。在满足上述条件时，整个模型主轴和整个原型主轴的扭转刚度叶满足扭转刚度相似比条件。
[0061]
在一些实施例中，gj
p
为两个跟踪驱动机构之间的一段原型主轴的扭转刚度和原型主轴相对于一个锁止状态的跟踪驱动机构之间的扭转刚度结合后的综合扭转刚度，gjm为对应的一段模型主轴的扭转刚度和一个锁止状态的第一轴段100相对于模型立柱600之间的扭转刚度结合后的综合扭转刚度。本实施例考虑了原型主轴和跟踪驱动机构之间的锁止刚度，可以更好地满足刚度相似比条件。
[0062]
由于第一轴段100和第二轴段200也会发生变形，因此在计算综合扭转刚度时应考虑到第一轴段100、第二轴段200、第三轴段300及第一轴段100和模型立柱600之间的变形。但为了突出本技术的有益效果，可将第一轴段100和第二轴段200的扭转刚度设置成明显大于第三轴段300的刚度，使模型主轴的实际扭转变形相对集中至第三轴段300，以便第三轴段300的扭矩测量装置(如应变片)可以捕获更多的变形从而提高测量精度和测量灵敏度。例如在模型主轴受到较小扭矩时，现有技术的在均匀设置的模型主轴上粘贴应变片的方式难以得到信噪比较高的测量值，而本技术的第三轴段300则可更加灵敏地捕捉到这些较小的扭矩。同时由于第三轴段300的扭转刚度较小，因此通过更换不同扭转刚度的第三轴段300或者调整其扭转刚度时，可更加显著地影响模型主轴的综合扭转刚度，从而方便模型主轴的综合扭转刚度的调整。这是由于从串联设置的第一轴段100、第二轴段200、第三轴段300的扭转刚度和模型主轴的综合扭转刚度的关系可知，扭转刚度最小的第三轴段300对综合扭转刚度的影响最大。
[0063]
图4示意性地示出了第一轴段100、第三轴段300、第二轴段200依次连接的结构，通过设置第三轴段300的扭转刚度，即可使模型主轴满足前述的刚度相似比条件。图中仅示出了一个第三轴段300，实际应用中可根据需要灵活设置第三轴段300的位置和数量。
[0064]
如图5所示，在一些实施例中，第三轴段300包括2个连接部310和1个扭转部320，扭转部320连接于2个连接部310之间，连接部310连接至第一轴段100或第二轴段200；第三轴段300还包括扭矩测量装置(图中未示出)，用于测量第三轴段300在风洞试验中承受的扭矩。第三轴段300和第一轴段100、第二轴段200之间的连接可通过螺钉等紧固件和第一轴段100、第二轴段200端部的法兰结构实现，本领域技术人员可以灵活设置，因此示意图中不再详细展示，其中扭矩测量装置可以是电子扭矩测试仪，直接连接第一轴段100和第二轴段200，用于测量第三轴段300在风洞试验中承受的扭矩。
[0065]
在一些实施例中，扭转部320为扭簧或扭杆，如图6、图7和图8所示，扭簧包括圆形截面螺旋扭簧(图6)、矩形截面螺旋扭簧(图7)、包括直线段的异形螺旋扭簧(图8)等形式；扭矩测量装置包括应变片(图中未示出)，应变片设置于扭转部320上。当然扭矩测量装置也可以通过串联设置于第三轴段300内部的扭矩传感器实现，但是成本较高；而在扭转部320上通过粘贴应变片实现扭矩测量，可使第三轴段300结构简单、成本较低；采用矩形截面螺旋扭簧或包括直线段的异形螺旋扭簧时，还可使应变片的粘贴方便、可靠。在扭转部320要求具有较高的扭转刚度时，扭转部320可采用扭杆或其他扭转结构实现。
[0066]
如图9和图10所示，在一些实施例中，第三轴段300还包括保护罩330，保护罩330包括2个端盖331和1个外壳332，端盖331具有过孔339，扭转部320的两端穿过过孔339后连接至连接部310。如图11和图12所示，端盖331和外壳332构成一容置腔338，用于容纳设置有应变片的扭转部320的主体，端盖331具有弹性，使过孔339和扭转部320构成密封连接；端盖331与连接部310在轴向间隙设置。端盖331可用软木塞或橡胶件等具有一定弹性的材料构成，过孔339和扭转部320的穿设部分匹配设置，使容置腔338具有密封性，且两个连接部310相对扭转时，保护罩330不会阻碍扭转部320的扭转变形。外壳332可用有机玻璃等透明材料构成，方便对内部进行检视。保护罩330可防止风洞试验时的气流影响应变片及其连接导线，还可防止灰尘沉积。
[0067]
如图13、图14和图15所示，扭转部320包括匹配设置的第一可调扭杆321和第二可
调扭杆325，第一可调扭杆321包括依次连接的第一扭杆臂322、第二扭杆臂323和第三扭杆臂324，第二可调扭杆325包括依次连接的第四扭杆臂326、第五扭杆臂327和第六扭杆臂328，第二扭杆臂323和第五扭杆臂327沿第三轴段300的轴向设置，第一扭杆臂322、第三扭杆臂324、第四扭杆臂326和第六扭杆臂328径向设置；第二扭杆臂323和第五扭杆臂327在径向上相对设置，第一扭杆臂322、第三扭杆臂324、第四扭杆臂326和第六扭杆臂328具有径向设置的调节槽329，用于穿设紧固件(图中未示出)将扭转部320固定至连接部310、并用于调节第二扭杆臂323和第五扭杆臂327的径向位置以实现第三轴段300的扭转刚度调节。除图13所示设置外，还可在周向均匀设置多个可调扭杆，并类似地设置径向可调的结构。
[0068]
如图13所示，当第二扭杆臂323和第五扭杆臂327相互靠近时，扭转部320的扭转刚度降低，如图16所示，当第二扭杆臂323和第五扭杆臂327相互远离时，扭转部320的扭转刚度提高。第一扭杆臂322和第三扭杆臂324上还设置有与第四扭杆臂326和第六扭杆臂328匹配的凹槽，以保证第二扭杆臂323和第五扭杆臂327始终相对设置于第三轴段300的轴线的两侧。
[0069]
在一些实施例中，如图3所示，第一轴段100的数量为多个，每个第一轴段100的两端均通过一个第三轴段300连接至一个第二轴段200。另外还可根据原型主轴的设置情况设置支撑立柱900(参见图2)，或者将长度较长的第二轴段200分为多段并通过第三轴段300连接，以获得更多扭矩测量数据及扭矩的分布情况，在试验时，模型主轴中至少有一个模型立柱与第一轴段固定连接，也可多点固定连接以模拟不同的试验条件。
[0070]
如图1至图3所示，本技术提供的光伏支架风洞模型包括连接至模型立柱600顶端的模型主轴(包括第一轴段100、第二轴段200和第三轴段300)，模型主轴包括前述任一实施例的光伏支架风洞模型的模型主轴；光伏支架风洞模型还包括规律的排布在模型主轴上的模型组件，即图中的光伏板模型400。对应不同的原型光伏支架，通过调整第三轴段300的扭转刚度或更换参数匹配的第三轴段300，实现光伏支架风洞模型的刚度相似比要求。在进行风洞试验前，通过调整第一轴段100和模型立柱600的相对旋转角度，来模拟原型光伏支架的俯仰角度；在进行风洞试验时，第一轴段100在旋转方向锁止至模型立柱600；光伏板模型400在受到风致载荷时，通过檩条500将扭矩传递至第二轴段200，第三轴段300的扭矩测量装置即可对该扭矩进行测量。
[0071]
上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本技术构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点和功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。