一种风致涡激振动发电的试验装置及试验方法

1.本发明涉及风电领域，特别涉及一种风致涡激振动发电的试验装置及试验 方法。


背景技术：

2.基于涡激振动原理设计的无叶片风力机，可在任意来风方向下产生涡激振 动而进入工作状态，有效提高了对来流能量的捕获效率。同时，无叶片风力机 中整个装置不需要安装齿轮，可减少由于机械部件的损坏而使得整个系统失效 的情况发生，所以这种设计在面对海洋侵蚀性的环境中显得尤为重要。总体而 言，无叶片风力机制造、运输、安装和维修的成本相比传统风力发电机可减少 一半以上。同时由于没有叶片的旋转工作，其占地面积大为减小，单位面积下 可布置更多的风力机同时工作。另外产生的噪音污染也会有所降低，并且不会 因为叶片而对鸟类等产生伤害。
[0003][0004]
尽管基于涡激振动原理的无叶片风力机具有上述众多优点，但无叶片风力 机能量转换效率相对较低，目前只达到传统叶片式风力机发电效率的70％，仅 适用于小规模的风力发电，同时也因其基于涡激振动原理捕获风能，所以对风 速的要求也非常严苛。因此研究捕能柱涡激振动机理以及各种因素对其捕能柱 涡激振动特性和能量捕获效率的影响，具有非常重要的工程应用价值，但现阶 段针对捕能柱涡激振动特性和其捕能效率研究仍以理论和仿真计算为主，试验 研究极少。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠的风致涡激 振动发电的试验装置，并提供相应的试验方法。
[0006]
本发明解决上述问题的技术方案是：一种风致涡激振动发电的试验装置， 包括捕能系统、复位系统、能量传递系统、能量转化系统、测量系统；捕能系 统用于捕获风能并转化为机械能；捕能系统下端通过能量传递系统连接到能量 转化系统，机械能经能量传递系统传递至能量转化系统，能量转化系统将机械 能转化为电能；所述复位系统与能量传递系统相连，用于对捕能系统复位；测 量系统用于测量整个试验装置的试验参数。
[0007]
上述风致涡激振动发电的试验装置，所述捕能系统包括捕能柱上端盖、捕 能柱壳体、捕能柱下端盖、捕能柱安装板、捕能柱定位销、捕能柱安装螺钉， 其中捕能柱上端盖、捕能柱壳体、捕能柱下端盖组成捕能柱，捕能柱下端盖上 设有螺栓孔和定位孔，捕能柱下端盖通过捕能柱安装螺钉固定在捕能柱安装板 上，并通过捕能柱定位销进行定位；当来风绕过捕能柱时，在捕能柱后面两侧 出现交替脱落的旋涡，旋涡的脱落对捕能柱产生周期性的涡激作用力，此时来 风中的风能被捕能柱捕获而转化为捕能柱的机械能。
[0008]
上述风致涡激振动发电的试验装置，所述能量传递系统包括滚动轴承和倒
ꢀ“
t”字连杆，其中倒“t”字连杆上端与捕能柱安装板固联，倒“t”字连杆左 右两端通过两个滚动轴承安装在底座上；捕能系统在涡激作用力的驱动下，因 倒“t”字连杆作用，以两个滚动轴承
的连线为轴旋转；所述复位系统包括复位 弹簧安装支架和复位弹簧，两个复位弹簧安装支架对称设置在倒“t”字连杆前 后两侧，复位弹簧安装支架底部固定在底座上，每个复位弹簧安装支架与倒“t
”ꢀ
字连杆之间均设有一个复位弹簧，复位弹簧的两端分别钩挂在倒“t”字连杆和 对应侧的复位弹簧安装支架上。
[0009]
上述风致涡激振动发电的试验装置，所述能量转化系统的数量为两个，分 别连接在倒“t”字连杆左右两端，能量转化系统包括发电机固定座、联轴器、 发电机安装支架和发电机，发电机固定座通过固定螺栓和固定螺母固定安装在 发电机安装支架上，发电机包括发电机外壳、发电机轴、发电机转子和发电机 定子，发电机外壳固定在发电机固定座上，发电机外壳内设有发电机轴、发电 机转子和发电机定子，其中发电机定子固定在发电机外壳内壁上，发电机转子 固定在发电机轴上，发电机轴伸出发电机外壳并通过联轴器与倒“t”字连杆的 左/右端连接；当捕能系统在涡激作用力驱动下以两个滚动轴承连线为轴作周期 性摆动时，倒“t”字连杆带动发电机轴和发电机转子旋转，发电机转子和发电 机定子相互作用，切割磁感线产生电流，将捕能系统从来风中捕获的机械能转 化为电能。
[0010]
上述风致涡激振动发电的试验装置，所述测量系统包括六维力传感器、线 路和万能表，两个发电机之间通过线路连接起来，万能表连接在线路中用于测 量线路中的电流，六维力传感器通过底座固定螺钉与底座固联。
[0011]
一种风致涡激振动发电的试验方法，其特征在于，六维力传感器测量沿坐 标轴x、y、z的分力f
x
、fy、fz，以及绕坐标轴x、y、z的力矩t
x
、ty、tz， 其中：
[0012][0013]
式中f
l
为捕能柱涡激作用力，f
l
′
为捕能柱单位长度上的涡激作用力，h为捕 能柱下端面距六维力传感器端面高度，h为捕能柱高度；
[0014][0015]
式中fd为捕能柱阻力，f
′d为捕能柱单位长度上的阻力；
[0016]fz
＝g
总
＝g
捕
+g
复
+g
传
+g
转
+g
其它
[0017]
式中g
总
是重力之和，g
捕
是捕能系统的重力，g
捕
是复位系统的重力，g
传
是 能量传递系统的重力，g
转
是能量转化系统的重力，g
其它
是底座和底座固定螺钉 的重力；
[0018][0019][0020]
tz＝0n
·m[0021]
测试风速u
风
、质量比m
*
、长径比β、锥度比α、捕能柱上端盖型式对捕能 柱涡激振动特性和捕能效率的影响，具体步骤为：
[0022]
(1)以风洞试验段风速u
风
为变量，质量比m
*
、长径比β、锥度比α、捕能 柱上端盖型式为不变量进行试验，测量风速u
风
对捕能柱涡激振动特性和捕能效 率的影响；
[0023]
步骤(1)具体过程为：
[0024]
(1-1)将风致涡激振动发电的试验装置固定于风洞试验段并启动风洞的驱 动系统；
[0025]
(1-2)调整风洞试验段风速为i＝1,2,
…
,n，n为试验次数；
[0026]
(1-3)观察六维力传感器测得的f
x
、fy、fz、t
x
、ty波形，当波形稳定后， 截取波形，并记录万能表测得的电流；
[0027]
(1-4)调整风洞风速至δu
风
为风速增加量，当时， u
风max
为最大试验风速，跳转至步骤(1-2)，当时，执行步骤(1-5)；
[0028]
(1-5)将风洞风速u
风
调整至0m/s，关闭风洞驱动系统，并取出风致涡激振 动发电的试验装置，试验结束；
[0029]
(2)以质量比m
*
为变量，风速u
风
、长径比β、锥度比α、捕能柱上端盖型 式为不变量，测量质量比m
*
对捕能柱涡激振动特性和捕能效率的影响；
[0030]
(3)以长径比β为变量，风速u
风
、质量比m
*
、锥度比α、捕能柱上端盖型 式为不变量，测量长径比β对捕能柱涡激振动特性和捕能效率的影响；
[0031]
(4)以锥度比α为变量，风速u
风
、质量比m
*
、长径比β、捕能柱上端盖型 式为不变量，测量锥度比α对捕能柱涡激振动特性和捕能效率的影响；
[0032]
(5)以捕能柱上端盖型式为变量，风速u
风
、质量比m
*
、长径比β、锥度比 α为不变量，测量捕能柱上端盖型式对捕能柱涡激振动特性和捕能效率的影响。
[0033]
上述风致涡激振动发电的试验方法，所述步骤(2)具体步骤为：
[0034]
(2-1)将质量比为的捕能柱按固定于捕能柱安装板上，i＝1,2,
…
,n，n为 试验次数；
[0035]
(2-2)将风致涡激振动发电的试验装置固定于风洞试验段；
[0036]
(2-3)启动风洞且将风速恒定于观察六维力传感器测得的f
x
、fy、fz、 t
x
、ty波形，当波形稳定后，截取波形，并记录万能表测得的电流；
[0037]
(2-4)将风洞风速u
风
调整至0m/s，并关闭风洞驱动系统，然后取出风致涡 激振动发电的试验装置，更换质量比为的捕能柱，其中δm
*
是质量 比的变化量，当i《n时，跳转至步骤(2-1)，当i≥n时，执行步骤(2-5)；
[0038]
(2-5)取出风致涡激振动发电的试验装置，试验结束。
[0039]
上述风致涡激振动发电的试验方法，所述步骤(3)具体步骤为：
[0040]
(3-1)将长径比为βi的捕能柱法固定于捕能柱安装板上，i＝1,2,
…
,n，n为试 验次数；
[0041]
(3-2)将风致涡激振动发电的试验装置固定于风洞试验段；
[0042]
(3-3)启动风洞且将风速恒定于观察六维力传感器测得的f
x
、fy、fz、 t
x
、ty波形，当波形稳定后，截取波形，并记录万能表测得的电流；
[0043]
(3-4)将风洞风速u
风
调整至0m/s，并关闭风洞驱动系统，然后取出风致涡 激振动发电的试验装置，更换长径比为β
i+1
＝βi+δβ的捕能柱，其中δβ是长径比 的变化量；当i《n时，跳转至步骤(3-1)，当i≥n时，执行步骤(3-5)；
[0044]
(3-5)取出风致涡激振动发电的试验装置，试验结束。
[0045]
上述风致涡激振动发电的试验方法，所述步骤(4)具体步骤为：
[0046]
(4-1)将锥度比为αi的捕能柱固定于捕能柱安装板上，i＝1,2,
…
,n，n为试 验次
数；
[0047]
(4-2)将风致涡激振动发电的试验装置固定于风洞试验段；
[0048]
(4-3)启动风洞且将风速恒定于观察六维力传感器测得的f
x
、fy、fz、 t
x
、ty波形，当波形稳定后，截取波形，并记录万能表测得的电流；
[0049]
(4-4)将风洞风速u
风
调整至0m/s，并关闭风洞驱动系统，然后取出风致涡 激振动发电的试验装置，更换锥度比为α
i+1
＝αi+δα的捕能柱，其中δα是锥度比 的变化量；当i《n时，跳转至步骤(4-1)，当i≥n时，执行步骤(4-5)；
[0050]
(4-5)取出风致涡激振动发电的试验装置，试验结束。
[0051]
上述风致涡激振动发电的试验方法，所述步骤(5)具体步骤为：
[0052]
(5-1)将平形端头捕能柱固定于捕能柱安装板上；
[0053]
(5-2)将风致涡激振动发电的试验装置固定于风洞试验段；
[0054]
(5-3)启动风洞且将风速恒定于观察六维力传感器测得的f
x
、fy、fz、 t
x
、ty波形，当波形稳定后，截取波形，并记录万能表测得的电流；
[0055]
(5-4)将风洞风速u
风
调整至0m/s，并关闭风洞驱动系统，当不同型式的捕 能柱有未完成试验时，更换其它形式的捕能柱，并跳转至步骤(5-2)，否则执行 步骤(5-5)；
[0056]
(5-5)取出风致涡激振动发电的试验装置，试验结束。
[0057]
本发明的有益效果在于：本发明提供的试验装置结构简单、工作稳定可靠， 试验方法可有效测量风致涡激作用力大小及其变化频率，并且可研究风速u
风
、 质量比m
*
、长径比β、锥度比α、捕能柱上端盖型式对捕能柱涡激振动特性和捕 能效率的影响，具有非常重要的工程应用价值。
附图说明
[0058]
图1是试验装置结构示意图。
[0059]
图2是捕能柱安装示意图。
[0060]
图3是试验装置受力示意图。
[0061]
图4是捕能系统涡激振动示意图。
[0062]
图5是六维力传感器测力示意图。
[0063]
图6是试验装置安装示意图。
[0064]
图7是捕能柱测试样件示意图，其中a1为两端直径相等的平形端头捕能柱， d为其端头直径；a2为两端直径不相等的平形端头捕能柱，d1为其大端直径， d2为其小端直径；a3为椭圆形端头捕能柱；a4为锥形端头捕能柱；a5为半圆 形端头捕能柱。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0066]
如图1所示，一种风致涡激振动发电的试验装置，包括捕能系统、复位系 统、能量传递系统、能量转化系统、测量系统；捕能系统用于捕获风能并转化 为机械能；捕能系统下端通过能量传递系统连接到能量转化系统，机械能经能 量传递系统传递至能量转化系统，能量转化系统将机械能转化为电能；所述复 位系统与能量传递系统相连，用于对捕能系统
复位；测量系统用于测量整个试 验装置的试验参数。
[0067]
所述捕能系统包括捕能柱上端盖1、捕能柱壳体2、捕能柱下端盖3、捕能 柱安装板22、捕能柱定位销24、捕能柱安装螺钉23，其中捕能柱上端盖1、捕 能柱壳体2、捕能柱下端盖3组成捕能柱，捕能柱下端盖3上设有螺栓孔和定位 孔，捕能柱下端盖3通过捕能柱安装螺钉23固定在捕能柱安装板22上，并通 过捕能柱定位销24进行定位，如图2所示；当来风绕过捕能柱时，会在捕能柱 后面两侧出现交替脱落的旋涡，且旋涡的脱落会对捕能柱产生周期性的涡激作 用力，此时来风中的风能被捕能柱捕获而转化为捕能柱的机械能。
[0068]
所述能量传递系统包括滚动轴承19和倒“t”字连杆20，其中倒“t”字 连杆20上端与捕能柱安装板22固联，倒“t”字连杆20左右两端通过两个滚 动轴承19安装在底座7上，如图1所示；捕能系统在涡激作用力的驱动下，因 倒“t”字连杆20作用，以两个滚动轴承19的连线为轴旋转。
[0069]
所述复位系统包括复位弹簧安装支架8和复位弹簧21，两个复位弹簧安装 支架8对称设置在倒“t”字连杆20前后两侧，复位弹簧安装支架8底部固定 在底座7上，每个复位弹簧安装支架8与倒“t”字连杆20之间均设有一个复 位弹簧21，复位弹簧21的两端分别钩挂在倒“t”字连杆20和对应侧的复位弹 簧安装支架8上，如图1所示。当来风沿y轴方向时，因旋涡的周期性脱落， 将在捕能柱上产生沿x方向交替的涡激作用力f
l
，以及沿y轴方向的阻力fd， 如图3所示。滚动轴承19对倒“t”字连杆20产生一个支撑力f
支
，且f
支
＝fd， 方向相反，限制倒“t”字连杆20沿y向移动。涡激作用力f
l
将驱动捕能系统 以两个滚动轴承19的连线为轴旋转，此时复位系统中的复位弹簧21被拉/压， 产生与涡激作用力f
l
方向相反的回复力f
回
，如图3所示。在交替的涡激作用力f
l
和回复力f
回
共同作用下，捕能系统将以两个滚动轴承19的连线为轴周期性摆 动，如图4所示。
[0070]
所述能量转化系统的数量为两个，分别连接在倒“t”字连杆20左右两端， 能量转化系统包括发电机固定座4、联轴器5、发电机安装支架6和发电机，发 电机固定座4通过固定螺栓13和固定螺母14固定安装在发电机安装支架6上， 发电机包括发电机外壳15、发电机轴16、发电机转子17和发电机定子18，发 电机外壳15固定在发电机固定座4上，发电机外壳15内设有发电机轴16、发 电机转子17和发电机定子18，其中发电机定子18固定在发电机外壳15内壁上， 发电机转子17固定在发电机轴16上，发电机轴16伸出发电机外壳15并通过 联轴器5与倒“t”字连杆20的左/右端连接；当捕能系统在涡激作用力驱动下 以两个滚动轴承19连线为轴作周期性摆动时，倒“t”字连杆20带动发电机轴 16和发电机转子17旋转，发电机转子17和发电机定子18相互作用，切割磁感 线产生电流，将捕能系统从来风中捕获的机械能转化为电能。
[0071]
所述测量系统包括六维力传感器10、线路11和万能表12，两个发电机之 间通过线路11连接起来，万能表12连接在线路11中用于测量线路11中的电流， 六维力传感器10通过底座固定螺钉9与底座7固联，且为保证安装精度，底座 7和六维力传感器10各开有2个定位孔，如图1所示。
[0072]
一种风致涡激振动发电的试验方法，将风致涡激振动发电的试验装置25按 如图5所示的方向固定于风洞试验段26，六维力传感器10测量沿坐标轴x、y、 z的分力f
x
、fy、fz，以及绕坐标轴x、y、z的力矩t
x
、ty、tz，如图6所示， 其中：
[0073][0074]
式中f
l
为捕能柱涡激作用力，f
l
′
为捕能柱单位长度上的涡激作用力，h为捕 能柱下端面距六维力传感器10端面高度，h为捕能柱高度；
[0075][0076]
式中fd为捕能柱阻力，f
′d为捕能柱单位长度上的阻力；
[0077]fz
＝g
总
＝g
捕
+g
复
+g
传
+g
转
+g
其它
[0078]
式中g
总
是重力之和，g
捕
是捕能系统的重力，g
捕
是复位系统的重力，g
传
是 能量传递系统的重力，g
转
是能量转化系统的重力，g
其它
是底座7和底座固定螺 钉9的重力。