CN106560685A - 一种针对于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种针对于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性研究的试验台，包括变桨模块、力矩测量模块以及塔架模块。变桨模块中，编码器和伺服电机分别与叶片上下两端的叶片轴连接并固定在支撑臂上；支撑臂一方面通过轴承座与主轴铰接，另一方面通过力矩测量模块中的力传感器、传感器固定轴与主轴固结。本发明的变桨模块采用伺服控制装置，能够实现叶片攻角的动态变化；力矩测量模块中传感器与连接板相互铰接，以消除二者之间的力矩作用，保证力矩测量的准确度；通过设置四种不同的实验台摆放方式，分别进行气动力测量实验，并对多组实验数据进行差分处理，便可实现对叶片升力、阻力以及俯仰力矩的测量，得到叶片的翼型动态气动特性。

Description

一种针对于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台

技术领域

本实验涉及的是一种测量装置，其目的是测量翼型的动态气动特性。该试验台能够实现攻角的动态变化，并同时测量叶片上的升力、阻力与俯仰力矩。

背景技术

风力发电可以有效地减缓气候的变化，提高能源安全。近年来，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。风力发电机主要分为水平轴风力机和垂直轴风力机。随着对风能利用率要求的提高，垂直轴风力机以其独特的优势逐渐成为风力机研究的重要方向。相对于水平轴风力机而言，垂直轴风力机具有以下优点：起风速低、风能利用率高；任何方向的风都可以发电，不择风向，不需对风，节省了对风选向装置；安装维修方便；造价成本较低等优点。虽然其优势明显，但仍存在风能转换效率低，无法自启动的问题。

由于难以有效地摆脱动态失速效应等劣势，垂直轴风力发电机存在启动性能差的缺点。由于翼型的动态气动特性能够直观地反映出动态失速现象，因此，需要专门对其展开研究。翼型动态气动特性实际上是指攻角动态变化时流体作用在翼型上的升力、阻力与俯仰力矩。变桨技术主要通过改变叶片桨距角，实时控制叶片攻角，实现对升力与阻力的合理利用，最终使风力机叶轮获得最优驱动力矩。所以，变桨技术的本质也就是对翼型动态气动特性的有效利用。本发明通过变桨模块控制叶片攻角的动态变化，同时分别在四种不同的试验台摆放方式下进行气动力测量实验，通过合理的数据处理实现对翼型动态气动特性的准确测量。

针对上述问题国内外已有相关公开文件提出了解决方案，且功能也相似。申请号为201210167105.7的专利文件中，提出了一种垂直轴风力机，该机构只能提高风力机的启动性能。申请号为201410109066.4的专利文件中，提出了一种连续式风洞翼型动态特性实验机构，该机构主要针对直升机叶片动态失速进行研究，无法适用垂直轴风力机的翼型动态气动特性。虽然关于垂直轴风力机的机构或装置不少，但是目前关于可实现攻角动态变化并同时测量翼型动态气动特性的实验装置还较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台的控制与数据采集测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明翼型动态气动特性试验台，其特征是：包括塔架、变桨模块、力矩测量模块、上、下支撑臂，变桨模块安装在试验台的上、下支撑臂的同一侧叶片的两端，上、下支撑臂通过轴承座与塔架的主轴相连，力矩测量模块安装在上、下支撑臂与塔架主轴连接处。

本发明还可以包括：

1、所述的塔架机构包括上、下支撑臂、主轴、底架、脚轮和脚支撑架，支撑臂一方面通过轴承座安装在主轴上，另一方面通过力矩测量模块与主轴固结。主轴包括上主轴、下主轴和套筒，上主轴和下主轴通过套筒对接在一起，下主轴通过法兰连接使下主轴与底架固结在一起。底架下层设有脚轮板加装脚轮，此外，底架还设有可调脚支架。

2、所述的变桨模块包括叶片、叶片连接毂、上、下叶片轴、编码器和伺服电机，叶片上端通过叶片连接毂、叶片轴与上支撑臂相连，叶片下端通过叶片连接毂、叶片轴与下支撑臂相连，编码器与叶片上端连接轴相连并固定在上支撑臂处，伺服电机与叶片下端的连接轴相连并固定在下支撑臂上。

3、所述的力矩测量模块共有两组，包括力传感器、传感器固定轴、传感器轴承座和连接板，分布在支撑臂与主轴连接处，传感器连接固定于传感器固定轴与支撑臂之间，传感器固定轴与传感器轴承座相连，传感器轴承座固定在连接板上，连接板通过法兰与主轴连接。

本发明的优势在于：

1.本发明安装有变桨模块，能够实现叶片攻角的动态变化。

2.本发明安装有力矩测量模块，能够通过一组力传感器实现对升力、阻力以及俯仰力矩的测量。

3.本发明通过杠杆原理大大提高了测量精度，同时相较于单纯的力矩传感器，提高了***刚度。

4.本发明将主轴分为上下两端，通过调节主轴上下两段之间的角度来保证叶片上下两端轴承座的同轴度。

5.本发明的力矩测量模块采用轴承座实现传感器与连接板的铰接，可消除二者之间的力矩作用，保证力矩测量的准确度。

6.本发明的叶片采用连接毂连接，结构简单、便于安装与拆卸。

7.本发明的底架设有脚支撑架，可保证平台在凹凸地方上的水平度，消除重力对力传感器的测量数据的影响。

8.本发明通过设置四种不同的实验台摆放方式，分别进行气动力测量实验，并对多组实验数据进行差分处理得到升力阻力以及俯仰力矩，减少了实验测量的次数和实验操作的工作量。

附图说明

图1：本发明一种翼型动态气动特性试验台的三维示意图；

图2：处于叶片上端的变桨模块的结构剖视图；

图3：处于叶片下端的变桨模块的结构剖视图；

图4：力矩测量模块的机构示意图；

图5：叶片转轴在风洞实验中的所受力与力矩图；

图6：升力正向测量时试验台的摆放图；

图7：升力反向测量时试验台的摆放图；

图8：阻力正向测量时试验台的摆放图；

图9：升力反向测量时试验台的摆放图。

具体实施方式

结合图1，包含叶片1、编码器2、伺服电机3等的变桨模块安装在支撑臂上。上、下支撑臂4、10一方面通过轴承座5、9分别安装在主轴上，另一方面通过力矩测量模块分别与主轴固结。考虑到加工中难于保证安装于上下支撑臂上的叶片轴承座的同轴度，因此将主轴设计为上主轴6和下主轴8两段，上主轴6和下主轴8通过套筒7对接在一起，通过调整套筒7来保证叶片上下两端轴承座的同轴度，套筒通过紧定螺钉使上下主轴固定。待组装完毕后，通过调节主轴上下两段之间的角度来保证叶片上下两端轴承座的同轴度。下主轴下端设有法兰，通过法兰连接使下主轴与底架11固结在一起。底架下层设有脚轮板加装脚轮12，可使试验台方便移动，此外，底架还设有可调脚支架13，可调脚支架通过螺纹连接与底架相连，可以调节高度，保证平台在凹凸地方上的水平度，以消除重力对力传感器的测量数据的影响。

结合图2、图3，叶片上下两端分别连接有叶片连接毂12和叶片连接毂18，叶片连接毂通过法兰与上叶片轴15和下叶片轴19固结在一起，以保证叶片可绕轴同步转动，叶片轴通过轴承与轴承16、20相连接。为使叶片与叶片连接毂相连，后者由围绕叶片一圈的薄铁皮和连接叶片轴的平板焊接而成，叶片可嵌入叶片连接毂内。如此实现叶片的连接。叶片上端的连接轴15通过键与编码器2轴相连，后者实现叶片动态攻角的采集，并通过轴承座16和安装板17安装于上支撑臂。叶片下端的连接轴19与伺服电机3减速器轴通过键相连，以传递扭矩，带动叶片转动。伺服电机3通过法兰连接与叶片下部轴承座20相连，其中安装板介 于伺服电机与叶片下端轴承座之间，起过渡连接作用。设计以上变桨模块的最终目的是实现叶片攻角的动态变化。

结合图1、图4，力矩测量模块共有两组，分别分布在上支撑臂4与上主轴6连接处和下支撑臂10与下主轴8连接处。以位于上支撑臂的力传感器为例。传感器21通过螺栓连接固定于传感器固定轴22与上支撑臂4之间，可测风力作用于叶片时产生的升力、阻力对支撑臂产生的作用。与支撑臂端面的连接需要保证力传感器的测量方向与支撑臂的垂直度。传感器固定轴22通过轴承与传感器轴承座23相连，传感器轴承座23与连接板24通过螺钉固定。轴承座的设定保证了力传感器与连接板的铰接，可消除二者之间的力矩作用保证力矩测量准确度，提高了实验数据的准确性。

运行原理：

对处于风场中的叶片来说，所受的气动力可以分解为：作用在支点A且垂直于风向的升力，作用在支点A且垂直于风向的阻力以及作用于旋转轴A处的俯仰力矩。受力如图五所示，图五为叶片转轴在风洞实验中的所受力与力矩图。气动实验时，对于风对“叶片+支撑臂”的作用来说，所存在的力主要有：主轴处所受约束反力可分解为x方向的力F_x和y方向的力F_y；力传感器处受垂直于支撑臂的作用力F_m；对于叶片来说，风对其作用力存在有：作用在旋转轴A上的升力F_l、阻力F_d以及相对于叶片转轴A的俯仰力矩M_fy；由于伺服电机的作用，叶片攻角动态变化中，叶片的角加速度不为零，因此叶片上还存在一个相对于旋转轴A的惯性力矩M_gx。

图5所示为实验台在风洞实验中摆放方式中的其中一种摆放方式以及其“叶片+支撑臂”的受力分析图，对于实验台在风场中的其他摆放方式来说，叶片与支撑臂上均存在上述的力和力矩，其中的不同点只是在于力或力矩之间的相对方向不同而已。

所有外力对主轴处所取力矩可得：升力F_l(或阻力F_d)对主轴所产生的矩；叶片攻角动态变化是因角加速度不为零而存在的惯性力矩M_gx；空气动力对于叶片产生的俯仰力矩M_fy以及力传感器处受力F_m对主轴所产生的矩。

本试验台的特点是仅采用单一自由度的力传感器，便可实现对叶片所受的升力、阻力以及俯仰力矩的测量。这主要是通过设置四种不同的实验台摆放方式，分别进行气动力测量实验，并对多组实验数据进行差分处理实现的。这四种试验台摆放方式(或者说测量方式)主要有：①如图3所示，将试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向平行，叶片先于支撑臂受 风，可称之为升力正向测量；②如图4所示，将试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向平行，支撑臂先于叶片受风，(既将试验台旋转至与升力正向测量时相交180°时。)可称之为升力反向测量；③如图5所示，将试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向垂直，叶片处于支撑臂右侧，(将试验台顺时针旋转90°与升力正向测量时垂直。)可称之为阻力正向测量；④如图6所示，将试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向垂直，叶片处于支撑臂左侧，(既将试验台旋转至与阻力正向测量时相交90°时。)可称之为阻力反向测量。升力与阻力的测量方法相同，只是试验台的摆放方式不同而已，以升力的测量方法为例，测量方式如下：

1.升力正向测量

试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向平行，此时阻力作用线重合于支撑臂，仅有升力对主轴产生正向作用力矩，用于测量叶片所受的升力，称之为升力正向测量。升力正向测量时叶片与支撑臂所受的力及力矩图如图六所示

测量实验的关键是获得相对于主轴B的力矩平衡方程。

由上图受力分析可知，实验台在该种摆放方式下，特点在于使叶片上分解后的升力与支撑臂垂直，而阻力与支撑臂平行并指向主轴，升力对主轴的作用力矩方向与惯性力矩方向相同。这样，在力矩平衡方程中消除了的阻力，仅存在升力。

升力正向测量时的平衡方程表达式：

水平方向的力：F_x-F_l＝0 ⑴

垂直方向的力：F_y-F_d＝0 ⑵

力矩的平衡方程：

F_l·R+M_fy+M_gx+F_m·r＝0 ⑶

式中R：气动力作用点到力传感器的距离；

r：主轴到力传感器的距离；

其中M_gx＝J·ε，

式中J：叶片相对于旋转中心的转动惯量；

ε：叶片攻角动态变化时的角加速度；

ε可由编码器测得的位置信号进行两次微分计算获得，或者由角加速度传感器直接测量得到。(惯性力矩的准确测量时实验准确行的重要保证。)

2.升力反向测量

试验台置于风场中，使支撑臂与风力方向平行，此时阻力作用线重合于支撑臂，仅有升力对主轴产生反向力矩作用，与升力正向测量受力相同，而外力对主轴所取力矩的方向有所不同。用于测量叶片所受的升力，称之为升力反向测量。升力反向测量时叶片与支撑臂所受的力及力矩图如图七所示

测量实验的关键是获得相对于主轴B的力矩平衡方程。

由上图受力分析可知，实验台在该种摆放方式下，特点在于使叶片上分解后的升力与支撑臂垂直，使阻力与支撑臂平行并指向主轴，升力对主轴的作用力矩方向与惯性力矩相反。这样，在力矩平衡方程中消除了的阻力，仅存在升力。

升力反向测量时的平衡方程表达式：

水平方向的力：F_x-F_l＝0 ⑷

垂直方向的力：F_y-F_d＝0 ⑸

力矩的平衡方程：

-F_l·R+M_fy+M_gx+F_m·r＝0 ⑹

计算过程中根据公式对传感器的量程进行估算，惯性力矩M_gx可忽略，且力传感器与主轴铰接，力F_m对主轴的作用很小，可忽略不计。因此，将公式⑶、⑹整理可得方程组：

M_fy+F_l·R＝0 ⑺

M_fy-F_l·R＝0 ⑻

将公式⑺、⑻进行差分法计算可得F_l、M_fy。

同理，以相同的方法可以实现对阻力的测量，得到阻力F_d、M_fy。

由此计算方法可得在风洞实验中，叶片在风场中所受气动力的升力、阻力以及俯仰力矩。通过伺服电机带动叶片转动，可测得叶片攻角在动态变化时的所受到的升力、阻力以及俯仰力矩。

本发明公开了一种针对于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，本装置通过可调脚支架保证平台在凹凸地方上的水平度，以消除重力对力传感器的测量数据的影响，通过变桨模块实现叶片攻角的动态变化，通过力矩测量模块测量风场中叶片的升力、阻力以及俯仰力矩，从而实现对叶片翼型动态气动特性的测量。

Claims (5)

1.一种基于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，包括变桨模块、力矩测量模块和塔架模块，包含有叶片、主轴、支撑臂、底架、力矩传感器、编码器以及伺服电机，其特征是：主轴安装在底架，上底架上下两端均连接有支撑臂，并且通过连杆使力矩传感器固结于支撑臂上，叶片安装于上下支撑臂的另一端，叶片上端连接有编码器，下端连接伺服电机。

2.根据权利要求1所述的基于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，其特征是：采用伺服控制装置，实现叶片预定的翼型攻角变化规律。

3.根据权利要求1所述的基于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，其特征是：支撑臂与主轴的连接通过轴承座和连杆来实现，有消除力矩、扩大力矩测量范围和提高准确度的效果。

4.根据权利要求1或3所述的基于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，其特征是：有两套力矩测量模块，分布在上下支撑臂与主轴连接处，通过连杆实现与支撑臂的配合。

5.根据权利要求1所述的基于垂直轴风力发电机的翼型动态气动特性试验台，其特征是：在风场中设置四种不同的实验台摆放方式，分别进行气动力测量实验，并对多组实验数据进行差分处理。