一种可自由调节风攻角和风向角的风致振动能量吸收装置的制作方法

本发明属于风洞试验装置领域，具体涉及一种可自由调节风攻角和风向角的风致振动能量吸收装置。

背景技术：

风力发电在我国电能生产供给中扮演着重要的角色，其占比仅次于燃煤发电，但其发电过程更加节能环保，是值得国家大力推进的发电方式。现有的风力发电即是自然风直接作用于叶片，叶片转动进而驱动增速机旋转促使发电机发电。然而，风能研究领域的技术人员应当知晓，直接作用于叶片上的横风会使得叶片沿垂直横风作用方向产生剧烈的振动。这种振动不仅会造成个连接部件间的松动，更会对风力发电机内部结构造成损坏，并且，这种振动本身也包含了可以被转换的机械能，这部分机械能也是由风能转化产生，却没能被有效利用起来转化成可使用的电能。

专利cn101951188a公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，其利用压电片收集电能的方式为：在叶片的转轴上套装带有永久磁铁的旋转载体，通过旋转载体周期性激励带有永久磁铁的控制悬臂梁使其产生周期性振动，再由压电片将该振动机械能转化为电能。以上方法实则存在两个问题：1、并未消解并利用横风对叶片作用后产生的振动；2、直接利用转轴周期性转动的机械动作来做势能转换，实际上干扰了转轴的正常转动，反而会降低风力转化效率。

为更好的了解横风作用下的振动特性，充分的将该种振动能量利用起来，即避免振动损坏设备零件，又实现风能利用的最大化，有必要研究出一套试验设备来观测这种转化特性。特别的，实际风力发电过程中，风作用的风攻角和风向角是会变化的，因此能够对不同风攻角和风向角的横风作用情况进行模拟才能获得更加真实准确的转化特性结论。从风供给一侧来改变试验风的风攻角和风向角较为麻烦，若能直接从试验设备一侧来改变试验风的风攻角和风向角则会更加简洁方便，可操作性更强。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可自由调节风攻角和风向角的风致振动能量吸收装置，用以模拟不同风攻角和风向角的横风作用下产生的振动机械能转化为电能的转化特性，为风力发电机工作时振动产生干扰的消解及振动的转化再利用提供理论研究支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可自由调节风攻角和风向角的风致振动能量吸收装置，包括固定座、吸能杆和叶片；所述吸能杆包括内芯和套设于内芯外侧的压电层，吸能杆两端沿径向分别开设有两个相互垂直的通孔；所述固定座和叶片分别通过第一t型件和第二t型件穿设在两个通孔内，并通过分别连接于第一t型件和第二t型件直段侧的外螺纹的第一锁紧螺母和第二锁紧螺母固定于吸能杆两侧；所述压电层内含有压电材料，压电层外侧设有与压电材料电性导通的导电端；所述导电端与含有电能调节模块的电能存储器有线电连接。

优选的，所述吸能杆截面为矩形；所述两个通孔分别垂直吸能杆的两个侧平面开设。

优选的，吸能杆截面为圆形。

优选的，所述压电材料为多根条状的压电纤维，并由环氧树脂或聚合物的树脂基体填充在压电纤维周围后共同构成压电层；多根压电纤维在树脂基体内沿内芯轴向外侧布置有多环，每一环沿内芯径向外侧布置有多层，每一层之间沿内芯轴向还间隔均布有若干根。

优选的，所述内芯为不锈钢。

优选的，所述压电材料为压电陶瓷、压电晶体或钛酸钡中任意一种。

优选的，所述叶片截面呈流线型。

优选的，所述第一锁紧螺母和第二锁紧螺母外侧均连接有止退螺母。

优选的，所述第一锁紧螺母、叶片、第二锁紧螺母、固定座与吸能杆之间均设有垫片。

优选的，所述叶片在穿设第二t型件位置的周向设有起始刻度；所述吸能杆在穿设第二t型件的通孔处的周向设有带数字标识的刻度环；所述固定座在穿设第一t型件位置的周向设有起始刻度；所述吸能杆在穿设第一t型件的通孔处的周向设有带数字标识的刻度环。

优选的，所述刻度环的最小测量单位为0.5度。

本发明的有益效果在于：本发明可模拟不同风攻角和风向角的横风作用下产生的振动机械能转化为电能的转化特性，为风力发电机工作时振动产生干扰的消解及振动的转化再利用提供理论研究支持。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一整体结构示意图；

图2为图1中a-a截面视图；

图3为实施例一吸能杆截面视图；

图4为实施例二吸能杆截面视图。

附图中标记如下：固定座1、吸能杆2、内芯21、压电层22、压电纤维221、树脂基体222、叶片3、第一t型件4、第二t型件5、第一锁紧螺母6、第二锁紧螺母7、导电端8、电能存储器9、止退螺母10、垫片11、起始刻度12、刻度环13。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1，一种可自由调节风攻角和风向角的风致振动能量吸收装置，包括固定座1、吸能杆2和叶片3；所述吸能杆2包括内芯21和套设于内芯21外侧的压电层22，吸能杆2两端沿径向分别开设有两个相互垂直的通孔(图中未示出)；所述固定座1和叶片3分别通过第一t型件4和第二t型件5穿设在两个通孔内，并通过分别连接于第一t型件4和第二t型件5直段侧的外螺纹的第一锁紧螺母6和第二锁紧螺母7固定于吸能杆2两侧；所述压电层22内含有压电材料，压电层22外侧设有与压电材料电性导通的导电端8；所述导电端8与含有电能调节模块(常规设置，图中未示出)的电能存储器9有线电连接。

试验开始前，将固定座1、吸能杆2和叶片3调整至如图1、2的“初始位置”，所述“初始位置”即指试验风作用于叶片3的风攻角为0度，风向角为90度。

需要调节风攻角时：松开第二锁紧螺母7(不卸下)，使叶片3沿d2方向绕第二t型件5旋转，即使图1中的叶片3能相对图面抬起和放下，完成角度调节后，再次锁紧第二锁紧螺母7，通过其与第二t型件5的配合再次将叶片3压紧至吸能杆2上。

需要调解风向角时：松开第一锁紧螺母6(不卸下)，使吸能杆2沿d1方向绕第一t型件4旋转，完成角度调节后，再次锁紧第一锁紧螺母6，通过其与第一t型件4的配合再次将吸能杆2压紧至固定座1上。

当然，本领域技术人员应当知晓，以上使得吸能杆2和叶片3转动，从而改变风攻角和风向角的方式也可以是自动驱动式，只要设置相应的伺服电机驱动吸能杆2和叶片3转动即可。但基于本装置为理论研究用试验装置，处于试验装置成本及效果综合考虑，采用手动调节配合螺母锁紧的方式更为合适。

振动吸能的过程为：在试验风的横风作用下，叶片3会产生如图2中d3方向的振动，叶片3因与吸能杆2连接，因此可带动吸能杆2振动。具体的吸能杆2包含内芯21和压电层22，这里的内芯21为不锈钢材制成，当然也可以为其他材质，方便吸能杆2作为刚性过渡件完成分别与固定座1和叶片3的连接，也方便实现叶片3振动的传递。吸能杆2因具有压电层22，述压电层22内含有压电材料，因此压电材料在收到机械振动时，能将振动机械能转化为电能，具体产生的电荷通过导电端8输出至电能存储器9，由电能调节模块检波、调节后进行存储，以待后续使用。

整个振动吸能的试验中，可以通过如上方式自行改变试验风的风攻角和风向角，以模拟不同风攻角和风向角的横风作用下产生的振动机械能转化为电能的转化特性，为风力发电机工作时振动产生干扰的消解及振动的转化再利用提供理论研究支持，即是，叶片3代表了风力发电时主受力叶片的振动情况，而其后端连接的含有压电材料的吸能杆2则作为消解振动(能量被吸收后振动削减)以及振动机械能转化为电能回收再利用的核心结构。风力发电机叶片转动时产生的横风振动所潜在的势能不容小觑，若能将该部分振动机械能回收为电能，在一定程度上，也提高了风力发电机的发电效率，而本套试验装置则能对上述工作过程产生理论支持，并通过自由改变风攻角和风向角真实的模拟风力发电机实际承受的自然风的风向情况，使研究结果更加真实准确，更加有指导价值。

如图3，进一步的，本实施例中吸能杆2截面为圆形，相对矩形截面而言，更有利于来自任意方向振动受力的吸收转化。

如图3，进一步的，本实施例中压电材料为多根条状的压电纤维221，并由环氧树脂或聚合物的树脂基体222填充在压电纤维221周围后共同构成压电层22；该种压电层22的布置优势为：提高了压电纤维221及内芯21的损伤容限，把压电纤维221埋设树脂基体222内可使压电材料经受的总机械应变均匀的分散在压电层22上，降低在叶片3振动幅度、振动频率较高的情况下，压电纤维221或内芯21直接崩坏的可能。

多根压电纤维221在树脂基体222内沿内芯21轴向外侧布置有多环(图3中一个截面仅示出了其中一环)，每一环沿内芯21径向外侧布置有多层，每一层之间沿内芯21轴向还间隔均布有若干根。压电纤维221的该层叠网状布置结构，可实现多层级、多角度的振动机械能吸收及分散传递，提高压电材料吸能效率。

进一步的，本实施例中压电材料为压电陶瓷、压电晶体或钛酸钡中任意一种，当然，也可以为其他性能更优异，或是根据实际试验经费情况，价格更低廉的压电材料。

如图2，进一步的，本实施例中叶片3截面呈流线型，实际风力发电应用中，叶片也是流线型，该试验设计则可更加准确的模拟风力发电机叶片实际的受力情况，试验研究结果得到的振动吸能效果也能更加真实的推断出后续将该种吸能装置应用于风力发电机上的使用效果。

如图1，进一步的，本实施例中第一锁紧螺母6和第二锁紧螺母7外侧均连接有止退螺母10，止退螺母10能够避免第一锁紧螺母6和第二锁紧螺母7在高频大幅度的振动作用下的外旋松动，进而避免固定座1、吸能杆2和叶片3彼此之间的连接出现松动。

如图1，进一步的，本实施例中第一锁紧螺母6、叶片3、第二锁紧螺母7、固定座1与吸能杆2之间均设有垫片11，避免第一锁紧螺母6、第二锁紧螺母7分别锁紧吸能杆2和叶片3之后因振动产生的钣金变形进而产生松动的情况出现。

如图2，进一步的，本实施例中叶片3在穿设第二t型件5位置的周向设有起始刻度12；所述吸能杆2在穿设第二t型件5的通孔处的周向设有带数字标识的刻度环13；所述固定座1在穿设第一t型件4位置的周向设有起始刻度(附图中因视图原因不可见)；所述吸能杆2在穿设第一t型件的通孔处的周向设有带数字标识的刻度环(附图中因视图原因不可见)。

该设计可精确的指导试验人员所调节的风攻角和风向角的角度。如图2中，指示的风攻角为0度，那么叶片3相对于吸能杆2转动调解的任意角度，都会被起始刻度12在刻度环13中指示并显示出来。风向角的调节及读取亦是如此。该设计简明实用，方便试验人员直观的读取试验时的风攻角和风向角数据。

进一步的，本实施例中刻度环13的最小测量单位为0.5度，当然，也可以根据试验精度需求进行其他自由的选择最小测量单位值。

实施例二

如图4，与实施例1的区别在于，本实施例中，吸能杆2截面为矩形，其中压电层22的压电纤维221和树脂基体222布置结构如实施例一，故未示出；所述两个通孔分别垂直吸能杆2的两个侧平面开设，矩形截面的吸能杆2相比实施例一中圆形截面的吸能杆，对于第一锁紧螺母6和第二锁紧螺母7锁紧吸能杆2和叶片3具有更好的锁紧效果。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。