一种模拟水轮机运动变化的实验装置

摘要

本发明公开了一种模拟水轮机运动变化的实验装置，包括叶轮和机舱，叶轮与机舱的一端固定连接，还包括用于控制机舱摇摆频率和振幅的摆动装置以及用于控制叶轮转速的主动调节装置。本发明通过分别控制和旋转平台及导力轴相连的电机，改变实验装置摇摆频率、振幅和水轮机旋转速度，从而定量研究摇摆频率、振幅和水轮机旋转速度对流场或水轮机性能的影响，控制精确，结构简单，稳定牢靠，减少实验成本，适于实验推广，满足实验需要。

权利要求

1.一种模拟水轮机运动变化的实验装置，包括叶轮(1)和机舱(2)，所述叶轮(1)与机舱(2)的一端固定连接，其特征在于：还包括与机舱(2)连接的用于控制机舱(2)摇摆的摆动装置以及与叶轮(1)连接的用于控制叶轮(1)转速的主动调节装置；所述摆动装置包括第一电机(31)、旋转平台(32)、连接杆(33)和支撑柱(34)，所述连接杆(33)固定设于旋转平台(32)的两端，沿旋转平台(32)两端对称向外延伸，所述第一电机(31)与位于一端的连接杆(33)的端部固定连接，旋转平台(32)底部垂直向下设置支撑柱(34)，所述支撑柱(34)的底部与机舱连接，所述第一电机(31)通过旋转平台(32)带动机舱(2)进行摆动；所述主动调节装置包括第二电机(41)、第一转向齿轮(42)、导力轴(43)、第二转向齿轮(44)和旋转轴(45)，所述的第二电机(41)固定在旋转平台(32)上，所述的导力轴(43)垂直设于支撑柱(34)内，所述第二电机(41)的传动轴通过第一转向齿轮(42)与导力轴(43)的一端连接，导力轴(43)的另一端通过第二转向齿轮(44)与旋转轴(45)连接，所述的旋转轴(45)平行设于机舱(2)内，旋转轴(45)的端部与叶轮(1)连接，所述第二电机(41)分别通过导力轴(43)和旋转轴(45)带动叶轮(1)进行旋转。

2.根据权利要求1所述的模拟水轮机运动变化的实验装置，其特征在于：所述连接杆(33)上设有用于固定旋转平台(32)的支撑底座(35)，所述支撑底座(35)与连接杆(33)活动连接。

3.根据权利要求1所述的模拟水轮机运动变化的实验装置，其特征在于：所述机舱(2)由依次连接的前段(21)、中段(22)、连接段(23)以及后段(24)组成；所述连接段(23)与支撑柱(34)连通；所述前段(21)、中段(22)和后段(24)内布置有用于防止旋转轴滑动的轴承(51)和止推器(52)。

4.根据权利要求1所述的模拟水轮机运动变化的实验装置，其特征在于：所述支撑柱(34)内布置有用于防止导力轴(43)滑动的轴承(51)和止推器(52)。

5.根据权利要求1所述的模拟水轮机运动变化的实验装置，其特征在于：所述叶轮(1)包括叶片(11)和轮毂(12)，所述轮毂(12)外侧沿周向设有叶片固定孔(121)，所述轮毂(12)端面靠近叶片固定孔(121)的位置设有相匹配的叶片螺纹孔(122)；所述轮毂(12)端面的中心设有用于旋转轴(45)连接的转轴固定孔(123)，所述轮毂(12)外侧设有与转轴固定孔(123)匹配的转轴螺纹孔(124)。

说明书

一种模拟水轮机运动变化的实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水轮机实验装置，尤其涉及一种模拟水轮机在海洋中运动变化的实验装置。

背景技术

[0002] 潮流能作为最有开发前景的可再生能源之一，具有清洁、密度高和可预测性强等优点。合理开发利用潮流能对于缓解全球能源危机和改善环境污染问题具有重大意义。目
前，潮流能水轮机发电装置主要有坐底式潮流能水轮机和漂浮式潮流能水轮机。坐底式潮
流能水轮机安装在海底，安装和维护成本高；而漂浮式潮流能水轮机安装在水面，来流速度
大，可提取能源高，且安装和维护成本较低，因而受到广泛关注。

[0003] 实际运用中，因为受到波浪和潮流变化的影响，漂浮式潮流能水轮机会发生摇摆，从而影响水轮机后方的尾流场形成及其能源提取性能。对于漂浮式潮流能水轮机的实验多
为受迫运动，即水轮机在水体作用下随机摆动，因此无法定量研究水轮机摇摆频率、振幅和
旋转速度对水轮机尾流场或者能源提取性能的影响。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明的目的在于提供一种通过控制水轮机摇摆频率、摇摆振幅和旋转速度对尾流场性能进行研究的实验装置。

[0005] 技术方案：本发明的模拟水轮机运动变化的实验装置，包括叶轮和机舱，所述叶轮与机舱的一端固定连接，还包括与机舱连接的用于控制机舱摇摆的摆动装置以及与叶轮连
接的用于控制叶轮转速的主动调节装置。

[0006] 进一步地，所述摆动装置包括第一电机、旋转平台、连接杆和支撑柱，所述连接杆固定设于旋转平台的两端，沿旋转平台两端对称向外延伸，所述第一电机与位于一端的连
接杆的端部固定连接，旋转平台底部垂直向下设置支撑柱，所述支撑柱的底部与机舱连接，
所述第一电机通过旋转平台带动机舱进行摆动。

[0007] 进一步地，所述主动调节装置包括第二电机、第一转向齿轮、导力轴、第二转向齿轮和旋转轴，所述的第二电机固定在旋转平台上，所述的导力轴垂直设于支撑柱内，所述第
二电机的传动轴通过第一转向齿轮与导力轴的一端连接，导力轴的另一端通过第二转向齿
轮与旋转轴连接，所述的旋转轴平行设于机舱内，旋转轴的端部与叶轮连接，所述第二电机
分别通过导力轴和旋转轴带动叶轮进行旋转。

[0008] 进一步地，所述连接杆上设有用于固定旋转平台的支撑底座，所述支撑底座与连接杆活动连接，支撑底座的间距可根据实际与之连接的开式水槽边壁间距进行调整。

[0009] 进一步地，所述机舱由依次连接的前段、中段、连接段以及后段组成；所述连接段与支撑柱连通；所述前段、中段和后段内布置有用于防止旋转轴滑动的轴承和止推器，利用
前段、中段和尾段设置的螺纹连接处进行位置固定；所述支撑柱内布置有用于防止导力轴
滑动的轴承和止推器；利用螺丝将所述止推器和旋转轴相连接使得止推器和轴承相贴合。

[0010] 进一步地，所述叶轮包括叶片和轮毂，所述轮毂外侧沿周向设有叶片固定孔，所述轮毂端面靠近叶片固定孔的位置设有相匹配的叶片螺纹孔；所述轮毂端面的中心设有用于
旋转轴连接的转轴固定孔，所述轮毂外侧设有与转轴固定孔匹配的转轴螺纹孔。

[0011] 本发明的实际运行原理是两个电机分别控制水轮机叶轮的旋转速度和实验装置的前后摇摆频率与振幅：其中一个电机位于旋转平台上，通过导力轴和旋转轴与叶轮相连
接；另一个电机固定在水槽外部结构上，和旋转平台相连接。运行过程中，分别向两个电机
输送信号，控制电机的旋转，其中一个电机通过导力轴和旋转轴带动水轮机叶轮旋转，另一
个电机带动旋转平台连接着整个设备摆动。

[0012] 有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过分别控制和旋转平台及导力轴相连接的电机，改变实验装置摇摆频率、振幅和水轮机旋转速度，从而定量
研究摇摆频率、振幅和水轮机旋转速度对流场或水轮机性能的影响，控制精确，结构简单，
稳定牢靠，减少实验成本，适于实验推广，满足实验需要。

附图说明

[0013] 图1为本发明的实验装置整体结构示意图；

[0014] 图2为本发明的机舱及内部结构示意图；

[0015] 图3为本发明的支撑柱及内部结构示意图

[0016] 图4为本发明的旋转平台及支撑底座示意图；

[0017] 图5为本发明的轮毂结构示意图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0019] 参见图1和图5所示的模拟水轮机运动变化的实验装置，包括叶轮1和机舱2，叶轮1与机舱2通过螺纹固定连接，叶轮1包括叶片11和轮毂12，轮毂12外侧沿周向轮廓设有叶片
固定孔121，轮毂12端面靠近叶片固定孔121的位置设有相匹配的叶片螺纹孔122，叶片11的
固定端插入叶片固定孔121中，采用螺丝经叶片螺纹孔122和水轮机的轮毂固定连接；轮毂
12端面的中心设有转轴固定孔123，轮毂12外侧设有与之匹配的转轴螺纹孔124，旋转轴45
前端插入到转轴固定孔123中，采用螺丝经过旋转轴螺纹孔124和水轮机的叶轮1固定连接。

[0020] 参见图4为控制机舱2摇摆频率和振幅的摆动装置，包括第一电机31、旋转平台32、连接杆33和支撑柱34，旋转平台32的两端分别设有两组平行对称的连接杆33，其中一组连
接杆33的端部与第一电机31固定连接，连接杆33上设置固定孔位和螺纹孔位，用于第一电
机31的固定，第一电机31可以采用步进电机，旋转平台32中部向下垂直设置支撑柱34，支撑
柱34内部为中空的结构，支撑柱34的一端与旋转平台32连通，另一端与机舱2连通；实际测
试中，第一电机31固定在开式水槽上，旋转平台32以下的部分完全浸于水槽中，连接杆33上
还设有可拆卸的支撑底座35，支撑底座35带有凹槽，在凹槽中放置轴承与连接杆33活动连
接，支撑底座35安装在开式水槽的边壁上，可以根据开式水槽边壁间距进行调整，进而将旋
转平台32固定在水槽中；当第一电机31运作时，由于旋转平台32两端相对固定，因此位于旋
转平台32下方的支撑柱34和机舱2在电机的带动下进行左右摆动，进而可以模拟潮流变化
中的随机摆动形式，通过第一电机31端直接控制摇摆频率和摆动幅度，因此就可以得出对
应摇摆频率和振幅下的流场性能，检测中需要控制摇摆频率为1～2Hz，摆动幅度为0～14°。

[0021] 参见图3和图2为控制叶轮1转速的主动调节装置，包括第二电机41、第一转向齿轮42、导力轴43、第二转向齿轮44和旋转轴45，第二电机41固定在旋转平台32上，由于支撑柱
34为中空结构，因此导力轴43垂直设于支撑柱34内，导力轴43的上端穿出支撑柱34和旋转
平台32，第二电机41采用直流正反转电机，第二电机41的传动轴通过第一转向齿轮42与导
力轴43连接，导力轴43的下端通过第二转向齿轮44与旋转轴45连接，支撑柱34内的上、下端
布置有轴承51，导力轴43分别通过轴承51的中心，利用螺丝将止推器52和导力轴43固定连
接，轴承51外部贴合设置止推器52，有效防止导力轴43在支撑柱34内上下滑动；旋转轴45平
行设于机舱2内，机舱2包括前段21、中段22、连接段23以及后段24，前段21和中段22、中段22
和连接段23、连接段23和尾段24之间均为螺纹连接；连接段23与支撑柱34相互连通，第二转
向齿轮44设置在连通处；前段21、中段22和后段24内布置有轴承51，旋转轴45分别通过轴承
51的中心，利用螺丝将止推器52和旋转轴45固定连接，止推器52和水轮机机舱前段轴承和
尾段轴承相贴合，有效防止旋转轴45在水轮机机舱2内滑动。实际测试中，第二电机41分别
通过导力轴43和旋转轴45带动叶轮1进行旋转，进而可以模拟潮流变化的转动形式，通过第
二电机41端直接控制转速，因此就可以得出对应转速下的流场性能，实际测试中控制叶轮
的转速为60～120rpm。

[0022] 性能测试结果

[0023] 首先将支撑底座35放置在开式水槽两侧固定，固定好第一电机31位置，将第一电机31连接电机控制器、计算机和电源，通过计算机输入预定信号，控制设备摆动频率1～
2Hz，摆动幅度0～14°。将第二电机41连接电机控制器、计算机和电源，通过计算机输入预定
信号，控制第二电机41旋转速度为60～120rpm，导力轴43连接外部测量仪器，可测量水轮机
性能参数Cp。表1显示摆动频率1Hz，旋转速度90rpm，不同摆动振幅的试验结果。表2显示摆
动幅度14°，旋转速度90rpm，不同摆动频率的试验结果；表3显示摆动幅度0，摆动频率0，不
同旋转速度的试验结果。

[0024] 表1不同摆动振幅的试验结果

[0025]

[0026] 表2不同摆动频率的试验结果

[0027]

[0028] 表3不同旋转速度的试验结果

[0029]

[0030] 由表1～3可以看出，随着摆动频率和幅度提高，水轮机性能可能有所下降；而随着旋转速度提高，水轮机性能先提高后下降。

[0031] 采用多普勒声速测速仪测量流场信息，测量叶轮中心下游2倍叶轮直径处的流场信息，流场平均值和均方差如表4所示。

[0032] 表4叶轮中心下游2倍叶轮直径处的流场信息，流场平均值和均方差

[0033] 组次1 平均流速(m/s) 均方差(m/s)摆动幅度：14°，摆动频率1Hz，旋转速度90rpm 0.3 0.03
摆动幅度：7°，摆动频率1Hz，旋转速度90rpm 0.31 0.02
摆动幅度：14°，摆动频率2Hz，旋转速度90rpm 0.29 0.035
摆动幅度：14°，摆动频率1Hz，旋转速度60rpm 0.35 0.03

[0034] 由表4可以看出，摆动幅度和摆动频率对流场平均值影响不大，但提高摆动幅度和摆动频率均可能提高流场均方差，而旋转速度对流场均方差影响不大，主要影响流场平均
特性。