CN114109699B - 一种储能式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机、带动水轮机横荡运动实验的横荡运动平台、带动横荡运动平台运动的纵荡运动平台，水轮机位于横荡运动平台和纵荡运动平台下方，横荡运动平台包括横荡储能装置，纵荡运动平台包括纵荡储能装置，横荡/纵荡储能装置均设置导向杆、储能滑块、弹簧；储能滑块在导向杆上滑动，弹簧包围在导向杆外侧，连接运动平台与储能滑块，储能滑块与水轮机/运动平台连接。当水轮机发生横荡或纵荡运动时，弹簧受到拉伸/压缩储蓄能量；返程时储蓄的能量提供动力。利用弹簧作为储能元件，有效降低驱动力在横/纵荡运动中的峰值。且选择不同的弹簧，得到不同的弹性系数，从而适用于不同频率的振荡运动。

Description

一种储能式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及水轮机实验装置，具体是涉及一种储能式水轮机运动模拟实验装置及其控制方法。

背景技术

由于日渐突出的全球范围内资源短缺、环境污染等问题，世界各国都在努力寻求新型能源来代替传统化石能源，在各种可替代传统化石能源的新型能源中，潮流能由于其储量丰富、载荷平稳、可预测性强等优点，成为最具潜力的新型能源之一，因此合理利用和开发潮流能对于改善全球资源危机、环境污染问题具有重大意义。

潮流能水轮机在潮流能开发利用领域为重要的能量转换装置。潮流能水轮机按叶轮旋转轴与水流速度方向平行和垂直分为水平轴潮流能水轮机和垂直轴潮流能水轮机。按支撑载体形式上的不同，可将潮流能发电装置分为坐底式、桩柱式和漂浮式。桩柱式和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，水面来流速度大，可提取能源高，且安装和维护成本较低，因而漂浮式潮流能水轮机受到广泛关注。在水轮机进行潮流能与电能转换时会受到海流、波浪的影响，因此通过把水轮机固定在载体运动模拟平台上模拟水轮机在潮流中的运动，进而研究如何更好的实现潮流能与电能之间的转换一直受到广泛关注。

现有技术中，如专利CN105134472A公开了一种锚泊运动式潮流发电实验装置，该专利中一个利用承力电缆进行锚泊的实验装置，可以实现对潮流流速放大的效果；但是该实验装置中的平台属于固定状态，难以模拟水轮机载体受洋流干扰所产生的纵荡、横荡运动。再如专利CN202010842014.3公开了一种面向漂浮式水平轴水轮机的实验装置，该专利设计了一个水轮机实验平台，模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等高频干扰，但是该实验装置振幅半径固定，难以模拟多种振幅的横荡、纵荡运动，其采用的导轨均为单侧导轨，容易受力不均，实验装置所需驱动力峰值也较大。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种降低了载体运动平台所需驱动力峰值的储能式水轮机运动模拟实验装置。

本发明还提供一种上述实验装置的控制方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种储能式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机、纵荡运动平台、带动水轮机横荡运动实验的横荡运动平台，所述纵荡运动平台带动横荡运动平台运动从而带动水轮机纵荡运动，所述水轮机位于横荡运动平台和纵荡运动平台下方，所述横荡运动平台包括横荡储能装置，所述横荡储能装置包括若干横荡储能单元，所述横荡储能单元包括横荡导向杆、横荡储能滑块、横荡弹簧；所述横荡导向杆设置于横荡运动平台，且横荡导向杆延伸方向平行于水轮机横荡运动方向，所述横荡储能滑块在横荡导向杆上滑动，横荡弹簧套设在横荡导向杆上，且横荡弹簧一端与横荡运动平台固定连接，另一端与横荡储能滑块固定连接，横荡储能滑块与水轮机连接而与水轮机共同横向移动；所述纵荡运动平台包括纵荡储能装置；纵荡储能装置包括若干纵荡储能单元，所述纵荡储能单元包括纵荡导向杆、纵荡储能滑块、纵荡弹簧；所述纵荡导向杆设置于纵荡运动平台，且纵荡导向杆延伸方向平行于水轮机纵荡运动方向，所述纵荡储能滑块在纵荡导向杆上滑动，纵荡弹簧套设在纵荡导向杆上，且纵荡弹簧一端与纵荡运动平台连接，另一端与纵荡储能滑块固定连接，纵荡储能滑块与横荡运动平台连接而与横荡运动平台共同纵向移动；所述横荡导向杆延伸方向垂直于纵荡导向杆延伸方向。

进一步的，所述纵荡储能装置包括调节装置，所述调节装置包括调节丝杆、调节电机、螺母滑块、若干起点滑块，所述调节电机固定设置于纵荡运动平台，调节电机带动调节丝杆转动，调节丝杆上设置螺母滑块，所述螺母滑块与调节丝杆螺纹连接，调节丝杆转动带动螺母滑块沿调节丝杆延伸方向平移，每个所述纵荡导向杆设置一个起点滑块，所述起点滑块沿纵荡导向杆滑动，所有起点滑块与螺母滑块固定连接，所述纵荡弹簧一端连接纵荡储能滑块，另一端通过连接起点滑块而与纵荡运动平台连接。

进一步的，所述横荡运动平台还包括横荡第一框架、横荡第二框架、横荡驱动装置，所述水轮机与横荡第一框架固定连接，横荡第二框架内设置有若干第一滑轨，横荡第一框架安装于第一滑轨上，所述横荡驱动装置用于驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动；所述横荡导向杆与横荡第二框架固定连接，横荡导向杆延伸方向与第一滑轨延伸方向平行。

进一步的，所述横荡驱动装置包括横荡驱动电机、横荡驱动丝杆、横荡驱动滑块、横荡丝杆滑块、第一丝杆电机，所述横荡第一框架上设置与其滑动方向垂直的横荡驱动滑轨，横荡驱动滑轨上安装横荡驱动滑块，横荡驱动滑块与横荡驱动丝杆一端连接，所述横荡驱动丝杆上设置横荡丝杆滑块，横荡丝杆滑块与横荡驱动丝杆螺纹连接，所述第一丝杆电机驱动横荡驱动丝杆转动，横荡驱动丝杆转动带动横荡丝杆滑块沿横荡驱动丝杆移动，所述横荡驱动电机输出轴与横荡丝杆滑块固定连接，横荡驱动电机输出轴延伸方向垂直于横荡驱动丝杆延伸方向，所述横荡驱动电机驱动横荡驱动丝杆摆动，横荡驱动丝杆摆动驱动横荡驱动滑块在横荡驱动滑轨上滑动，从而驱动横荡第一框架在第一滑轨上滑动。

进一步的，所述横荡储能单元包括横荡储能切换装置，所述横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆和第二电磁铁伸缩杆，所述第一电磁铁伸缩杆固定端固定于横荡第二框架，第二电磁铁伸缩杆固定端固定于横荡第一框架，所述横荡储能滑块设置第一连接孔和第二连接孔，所述第一电磁铁伸缩杆通电时，第一电磁铁伸缩杆输出端与横荡储能滑块的第一连接孔连接；所述第二电磁铁伸缩杆通电时，第二电磁铁伸缩杆输出端与横荡储能滑块的第二连接孔连接；第一电磁铁伸缩杆和第二电磁铁伸缩杆不同时通电。

进一步的，所述纵荡运动平台还包括纵荡框架、纵荡驱动装置，纵荡框架内设置有若干第二滑轨，横荡第二框架安装于第二滑轨上，所述纵荡驱动装置用于驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动；所述纵荡导向杆与纵荡框架固定连接，纵荡导向杆延伸方向与第二滑轨延伸方向平行。

进一步的，所述纵荡驱动装置包括纵荡驱动电机、纵荡驱动丝杆、纵荡驱动滑块、纵荡丝杆滑块、第二丝杆电机，所述横荡第二框架上设置与其滑动方向垂直的纵荡驱动滑轨，纵荡驱动滑轨上安装纵荡驱动滑块，纵荡驱动滑块与纵荡驱动丝杆一端连接，所述纵荡驱动丝杆上设置纵荡丝杆滑块，纵荡丝杆滑块与纵荡驱动丝杆螺纹连接，所述第二丝杆电机驱动纵荡驱动丝杆转动，纵荡驱动丝杆转动带动纵荡丝杆滑块沿纵荡驱动丝杆移动，所述纵荡驱动电机输出轴与纵荡丝杆滑块固定连接，纵荡驱动电机输出轴延伸方向垂直于纵荡驱动丝杆延伸方向，所述纵荡驱动电机驱动纵荡驱动丝杆摆动，纵荡驱动丝杆摆动驱动纵荡驱动滑块在纵荡驱动滑轨上滑动，从而驱动横荡第二框架在第二滑轨上滑动。

进一步的，所述纵荡储能单元包括纵荡储能切换装置，所述纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆和第四电磁铁伸缩杆，所述第三电磁铁伸缩杆固定端固定于纵荡框架，第四电磁铁伸缩杆固定端固定于横荡第二框架，所述纵荡储能滑块设置第三连接孔和第四连接孔，所述第三电磁铁伸缩杆通电时，第三电磁铁伸缩杆输出端与纵荡储能滑块的第三连接孔连接；所述第四电磁铁伸缩杆通电时，第四电磁铁伸缩杆输出端与纵荡储能滑块的第四连接孔连接；第三电磁铁伸缩杆和第四电磁铁伸缩杆不同时通电。

进一步的，所述水轮机包括桨叶、主轴和固定舱，所述固定舱内设有扭矩仪和发电机；桨叶通过主轴与扭矩仪一端固定连接，扭矩仪另一端与发电机输入轴固定连接。

本发明还采用一种储能式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)根据实验需求确定横荡驱动电机转速w₁；

(2)确定横荡储能装置总的弹性系数k₁，k₁＝m₁w₁ ²；

(3)选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆进行通电，使横荡储能装置弹性系数为k₁；

(4)根据实验需求确定纵荡驱动电机转速w₂；

(5)确定纵荡储能装置总的弹性系数k₂，k₂＝m₂w₂ ²；

(6)选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆进行通电，使纵荡储能装置弹性系数为k₂；

(7)储能式水轮机运动模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定运行速度B；

(8)根据运行速度B确定起点滑块相对初始位置的移动距离D，计算公式为Bc+Dk₂＝0；

(9)将储能式水轮机运动模拟实验装置以横荡驱动电机转速w₁、纵荡驱动电机转速w₂、运行速度B为实验条件进行水轮机的横荡和纵荡实验。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是当水轮机发生横荡或纵荡运动时，横荡弹簧或纵荡弹簧受到拉伸、压缩，储蓄能量；当水轮机返程时，储蓄的能量就可以提供动力。利用弹簧作为储能元件，可以有效的降低驱动力在横荡或纵荡运动中的峰值。且通过选择不同的弹簧，可以构造不同的弹性系数，从而适用于不同频率的振荡运动。

附图说明

图1所示为本发明实验装置整体结构示意图；

图2所示为本发明装置去除框架外侧挡板的整体示意图；

图3所示为本发明中水轮机的剖视图；

图4所示为本发明中叶轮结构示意图；

图5所示为本发明横荡运动平台和水轮机连接的主视图；

图6所示为本发明横荡运动平台的侧视图；

图7所示为图5中A-A的剖视图，即横荡储能单元的结构示意图；

图8所示为本发明中纵荡运动平台的主视图；

图9所示为图8中B-B的剖视图；

图10所示为本发明中纵荡储能装置的结构示意图；

图11所示为本发明横荡运动平台不带机械储能装置的机构运动简图；

图12所示为本发明横荡运动平台带机械储能装置的机构运动简图；

图13所示为本发明纵荡运动平台不带机械储能装置的机构运动简图；

图14所示为本发明纵荡运动平台带机械储能装置的机构运动简图；

图15所示为本发明中实验装置的控制流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中的一种储能式水轮机运动模拟实验装置，包括水轮机1、横荡运动平台、纵荡运动平台。如图5和图6所示，横荡运动平台包括横荡第一框架28、横荡第二框架29、横荡驱动装置、横荡储能装置，水轮机1通过立柱27与横荡第一框架28固定连接，水轮机1随横荡第一框架28的运动而运动；横荡第二框架29内上、下均水平设置有第一滑轨32，在本实施例中采用上、下均设置双第一滑轨32，横荡第一框架28外侧上下设置有第一滑块33，横荡第一框架28通过第一滑块33安装于第一滑轨32上，横荡驱动装置驱动横荡第一框架28在第一滑轨32上滑动，横荡第一框架28设置与其滑动方向垂直的横荡驱动滑轨42，横荡驱动滑轨42竖直设置且位于第一滑轨32水平方向的中间位置，横荡驱动滑轨42上安装横荡驱动滑块41。

横荡驱动装置包括横荡驱动电机31、横荡驱动丝杆37、横荡驱动滑块41、横荡丝杆滑块35、第一丝杆电机36；横荡驱动滑块41与横荡驱动丝杆37一端通过第一交错滚子轴承39连接，横荡驱动滑块41通过第一轴承固定座40与第一交错滚子轴承39内圈固定连接，横荡驱动丝杆37通过第一固定台38与第一交错滚子轴承39外圈固定连接，横荡驱动丝杆37与横荡驱动滑块41相对摆动。横荡驱动丝杆37摆动平面平行于横荡驱动滑轨42和第一滑轨32，横荡驱动丝杆37上螺纹连接横荡丝杆滑块35，第一丝杆电机36带动横荡驱动丝杆37绕延伸方向旋转，横荡驱动丝杆37旋转带动横荡丝杆滑块35沿横荡驱动丝杆37移动。横荡第二框架29平行于第一滑轨32延伸方向的一侧设置第一电机支架30，横荡驱动电机31安装于第一电机支架30上，横荡驱动电机31的输出轴位于第一滑轨32水平方向的中间位置，横荡驱动电机31输出轴通过第一联轴器法兰34与横荡丝杆滑块35固定连接，横荡驱动电机31输出轴延伸方向垂直于横荡驱动丝杆37延伸方向，横荡驱动电机31带动横荡驱动丝杆37周期性摆动，横荡驱动丝杆37周期性摆动带动横荡驱动滑块41在横荡驱动滑轨42上往复运动，从而带动横荡第一框架28在第一滑轨32上横向往复运动，实现模拟水轮机1受到横向水流影响的横荡运动实验。

横荡储能装置包括若干横荡储能单元78，在本实施例中，沿竖直方向设置四个横荡储能单元78，如图7所示，横荡储能单元78包括横荡导向杆47、横荡储能滑块44、横荡弹簧48、横荡储能切换装置；横荡导向杆47两端通过第一固定件46固定在横荡第二框架29上，且横荡导向杆47延伸方向平行于第一滑轨32，横荡储能滑块44在横荡导向杆47上滑动，且横荡储能滑块44上设置第一连接孔和第二连接孔，横荡弹簧48包围在横荡导向杆47外侧，横荡弹簧48一端与横荡第二框架29固定连接，另一端与横荡储能滑块44固定连接。

横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆43和第二电磁铁伸缩杆45，第一电磁铁伸缩杆43固定端固定连接于横荡第二框架29外侧，横荡第二框架29设置有让第一电磁铁伸缩杆43输出端穿过的孔，第一电磁铁伸缩杆43通电后输出端穿过横荡第二框架29上的孔穿入第一连接孔，此时第二电磁铁伸缩杆45断电，横荡储能滑块44被固定于横荡第二框架29上。第二电磁铁伸缩杆45固定端固定连接于横荡第一框架28内侧，横荡第一框架28设置有让第二电磁铁伸缩杆45输出端穿过的孔，第二电磁铁伸缩杆45通电后输出端穿过横荡第一框架28上的孔穿入第二连接孔，此时第一电磁铁伸缩杆43断电，横荡储能滑块44与横荡第一框架28固定连接，通过第一电磁铁伸缩杆43和第二电磁铁伸缩杆45的通断电情况，切换横荡第一框架28与横荡储能单元78的连接情况，从而有选择性的接入横荡储能单元78进行实验。

如图8所示，纵荡运动平台包括纵荡框架49、纵荡驱动装置、纵荡储能装置；纵荡框架49内上、下均水平设置有第二滑轨53，在本实施例中采用上、下均设置双第二滑轨53，横荡第二框架29外侧上下设置有第二滑块52，横荡第二框架29通过第二滑块52安装于第二滑轨53上，纵荡驱动装置驱动横荡第二框架29在第二滑轨53上滑动，纵荡框架49设置与其滑动方向垂直的纵荡驱动滑轨67，纵荡驱动滑轨67竖直设置且位于第二滑轨53水平方向的中间位置，纵荡驱动滑轨67上安装纵荡驱动滑块66。横荡、纵荡框架均使用双侧导轨进行连接，受力均衡。

纵荡驱动装置包括纵荡驱动电机58、纵荡驱动丝杆62、纵荡驱动滑块66、纵荡丝杆滑块60、第二丝杆电机61；纵荡驱动滑块66与纵荡驱动丝杆62一端通过第二交错滚子轴承64连接，纵荡驱动滑块66通过第二轴承固定座65与第二交错滚子轴承64内圈固定连接，纵荡驱动丝杆62通过第二固定台63与第二交错滚子轴承64外圈固定连接，纵荡驱动丝杆62与纵荡驱动滑块66相对摆动。纵荡驱动丝杆62摆动平面平行于纵荡驱动滑轨67和第二滑轨53，纵荡驱动丝杆62上螺纹连接纵荡丝杆滑块60，第二丝杆电机61带动纵荡驱动丝杆62绕延伸方向旋转，纵荡驱动丝杆62旋转带动纵荡丝杆滑块60沿纵荡驱动丝杆62移动。纵荡框架49平行于第二滑轨53延伸方向的一侧设置第二电机支架57，纵荡驱动电机58安装于第二电机支架57上，纵荡驱动电机58的输出轴位于第二滑轨53水平方向的中间位置，纵荡驱动电机58输出轴通过第二联轴器法兰59与纵荡丝杆滑块60固定连接，纵荡驱动电机58输出轴延伸方向垂直于纵荡驱动丝杆62延伸方向，纵荡驱动电机58带动纵荡驱动丝杆62周期性摆动，纵荡驱动丝杆62周期性摆动带动纵荡驱动滑块66在纵荡驱动滑轨67上往复运动，从而带动横荡第二框架29在第二滑轨53上横向往复运动，实现模拟水轮机1受到纵向水流影响的纵荡运动实验。

纵荡储能装置包括若干纵荡储能单元79和调节装置，在本实施例中，沿竖直方向设置四个纵荡储能单元79，如图9所示，纵荡储能单元79包括纵荡导向杆71、纵荡储能滑块72、纵荡弹簧70、纵荡储能切换装置；纵荡导向杆71两端通过第一固定件46固定在纵荡第二框架29上，且纵荡导向杆71延伸方向平行于第二滑轨53，纵荡储能滑块72在纵荡导向杆71上滑动，且纵荡储能滑块72上设置第三连接孔和第四连接孔，纵荡弹簧70包围在纵荡导向杆71外侧，纵荡弹簧70一端与起点滑块69固定连接，另一端与纵荡储能滑块72固定连接。

纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆54和第四电磁铁伸缩杆55，第三电磁铁伸缩杆54固定端固定连接于纵荡框架49外侧，纵荡框架49设置有让第三电磁铁伸缩杆54输出端穿过的孔，第三电磁铁伸缩杆54通电后输出端穿过纵荡框架49上的孔穿入第三连接孔，此时第四电磁铁伸缩杆55断电，纵荡储能滑块72被固定于纵荡框架49上。第四电磁铁伸缩杆55固定端固定连接于横荡第二框架29内侧，横荡第二框架29设置有让第四电磁铁伸缩杆55输出端穿过的孔，第四电磁铁伸缩杆55通电后输出端穿过横荡第二框架29上的孔穿入第四连接孔，此时第三电磁铁伸缩杆54断电，纵荡储能滑块72与横荡第二框架29固定连接，通过第三电磁铁伸缩杆54和第四电磁铁伸缩杆55的通断电情况，切换横荡第二框架29与纵荡储能单元79的连接情况，从而有选择性的接入纵荡储能单元79进行实验。

如图10所示，调节装置包括调节丝杆77、调节电机75、螺母滑块73、若干起点滑块69，每个纵荡导向杆71设置一个起点滑块69，起点滑块69沿纵荡导向杆71滑动，在本实施例中，四个纵荡储能单元79对应设置四个起点滑块69，螺母滑块73通过横杆74与各起点滑块69依次固定连接，螺母滑块73与调节丝杆77螺纹连接，调节丝杆77通过调节电机75驱动以延伸方向为轴转动，调节丝杆77转动带动螺母滑块73沿调节丝杆77延伸方向移动，调节电机75固定设置于纵荡框架49上，调节装置设置编码器50和接近开关51控制调节电机的工作。利用滚珠丝杠模组转动带动螺母滑块73移动，通过螺母滑块73移动带动整体起点滑块69移动，用于调节纵荡弹簧70初始位置，有效的降低驱动力在纵荡运动中的峰值。

横荡运动平台和纵荡运动平台均采用正弦机构驱动，把电机的转动转化为纵荡、横荡框架的直线运动，电机处于运动中心位置，电机匀速转动即可驱动横荡、纵荡框架实现正弦振荡，控制算法简单。丝杆滑块与驱动滑块之间的距离可以调节的，则可以改变运动平台振荡半径，实现模拟多种振幅的运动。当储能滑块在中间位置时，弹簧保持原长。当储能滑块向两端运动时，弹簧受到拉伸、压缩，储蓄能量；当储能滑块返程时，储蓄的能量就可以提供动力。利用弹簧作为储能元件，可以有效的降低驱动力在横/纵荡运动中的峰值。通过电磁铁伸缩杆通电推出、断电收回的特性，来实现储能滑块与横荡框架的连接与断开，从而实现横荡框架与弹簧的连接与断开。通过选择不同的弹簧，可以构造不同的弹性系数，从而适用于不同频率的振荡运动。

如图5所示，水轮机1固定于立柱27下端，且位于横荡运动平台和纵荡运动平台下方，水轮机包括桨叶4、轴承***和固定舱，如图3所示，水轮机桨叶4与叶轮3之间通过螺栓固定连接，如图4所示，叶轮3中心加工有花键槽，花键槽四周加工有螺纹孔，花键固定板8通过螺钉连接于花键槽四周的螺纹孔。叶轮四面均加工有螺栓固定孔，便于选择不同个数及不同水动力参数的桨叶4进行实验，增加了实验装置的适用范围。主轴5一端加工有花键，主轴5上的花键与叶轮3上的花键槽配合，主轴5与叶轮3之间通过花键固定板8连接，主轴5另一端与扭矩仪18连接，主轴5外部设置主轴套筒12，主轴5与主轴套筒12之间设置第一轴承9，第一轴承9用于支撑主轴5，主轴套筒12和主轴5均设有用于固定第一轴承9的轴肩，第一轴承9外侧使用第二卡簧13进行限位。主轴5中间设置多个凹槽，凹槽中放入第一卡簧10，且相邻两个卡簧10之间设置油封11，形成主轴密封。

主轴套筒12外侧设置主轴舱11，主轴舱11与叶轮3之间设置有前端盖6，主轴套筒12与前端盖6通过螺栓固定连接。主轴套筒12一端与前端盖6连接，另一端与扭矩仪舱14连接，扭矩仪18位于扭矩仪舱14内；主轴5与扭矩仪18连接部分设置轮毂17，主轴5与扭矩仪18输出轴通过键连接在轮毂17上，轮毂17与扭矩仪舱14之间设置第二轴承16，轮毂17外侧加工有轴肩，用于放置一对第二轴承16，扭矩仪舱14内加工有凹槽，用于放置一对第三卡簧15，用于第二轴承16外侧进行限位。扭矩仪18利用螺栓固定在扭矩仪座19上，扭矩仪座19通过丝杆20固定在发电机舱22上，发电机舱22内设置发电机23，发电机23输出轴通过第一联轴器21与扭矩仪18另一端连接，发电机23通过螺栓24进行限位固定，发电机23另一端设置后端盖25。主轴套筒12与前端盖6、主轴舱11与前端盖6、主轴舱11与扭矩仪舱14、扭矩仪舱14与发电机舱22、发电机舱22与后端盖25之间均用螺栓连接和密封圈26进行密封。水轮机本体采用分段筒作为舱体，分段筒之间用密封圈法兰进行静密封，稳定可靠。而且用分段筒的方式，更加便于各大型零件的安装，保证了各零部件安装的精确性和可靠性。

实验装置的实验过程为：将实验装置固定在行车上，水轮机1整***于水面以下，横荡实验平台和纵荡实验平台位于水面以上，行车带动实验装置向前运动，水流冲击桨叶4，桨叶4叶片转动，叶片带动主轴5转动，主轴5带动扭矩仪18转动，扭矩仪18带动发动机23转动，从而通过发电机将潮流能转换为电能，在电能转换过程中，横荡运动平台和纵荡运动平台通过电机驱动横荡第一框架28横向往复运动和横荡第二框架29纵向往复运动，从而带动水轮机做高频、精密的横荡、纵荡运动，从而模拟水轮机在受潮汐流驱动过程中的波浪、紊流等高频干扰。

实施例2

一种上述实施例中储能式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)根据实验需求确定横荡驱动电机转速w₁，第一摇臂工作长度A₁(即横荡丝杆滑块35与横荡驱动滑块41沿横荡驱动丝杆37延伸方向的距离A₁)；

(2)确定横荡储能装置总的弹性系数k₁，k₁＝m₁ω₁ ²；

(3)根据弹簧并联公式k₁＝a₁k₁′+a₂k₂′+a₃k₃′+a₄k₄′+……+a_nk_n′，选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆进行通电，其中

a₁、a₂、a₃、a₄......a_n∈{0，1}，当横荡储能单元的横荡储能滑块44通过第二电磁铁伸缩杆与横荡第一框架28连接时，对应的a＝1；当横荡储能单元的横荡储能滑块44通过第二电磁铁伸缩杆与横荡第一框架28断开时，对应的a＝0，得到横荡储能装置总的弹性系数为k₁；

(4)根据实验需求确定纵荡驱动电机转速ω₂，第二摇臂工作长度A₂(纵荡丝杆滑块60与纵荡驱动滑块66沿纵荡驱动丝杆62延伸方向的距离A₂)；

(5)确定纵荡储能装置总的弹性系数k₂，k₂＝m₂w₂ ²；

(6)根据弹簧并联公式k₂＝a₁k₁′+a₂k₂′+a₃k₃′+a₄k₄′+......+a_nk_n′，选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆进行通电，其中

a₁、a₂、a₃、a₄......a_n∈{0，1}，当纵荡储能单元的纵荡储能滑块72通过第四电磁铁伸缩杆55与横荡第二框架29连接时，对应的a＝1；当纵荡储能单元的纵荡储能滑块72通过第四电磁铁伸缩杆55与横荡第二框架29断开时，对应的a＝0，得到纵荡储能装置弹性系数为k₂；

(7)储能式水轮机运动模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定运行速度B；

(8)根据运行速度B确定起点滑块相对初始位置的移动距离D，计算公式为Bc+Dk₂＝0；得到需要的

(9)将储能式水轮机运动模拟实验装置以横荡驱动电机转速w₁、纵荡驱动电机转速w₂、运行速度B为实验条件进行水轮机的横荡和纵荡实验，并采集和存储实验数据。

在实验过程中，横荡运动平台不与横荡储能装置连接时，如图11所示，以横荡驱动电机31为直角坐标系坐标原点，当横荡驱动电机31转速为w₁时，则横荡驱动滑块41的X轴位置为x₁＝A₁sinw₁t，速度为x₁′＝A₁w₁cosw₁t，加速度为x₁″＝-A₁w₁ ²sinw₁t；横荡驱动滑块41的Y轴位置为y₁＝A₁cosw₁ ^t速度为y₁′＝-A₁w₁sinw₁t，加速度为y₁″＝-A₁w₁ ²cosw₁t，横荡运动平台受力为F₁＝m₁x″+x′c，且如图F₁＝F₁′。其中，c为阻力系数，m₁为横荡运动平台整体质量。得到横荡驱动电机31的驱动力：

当时，横荡运动平台不与横荡储能装置连接时的理论驱动力最大,为/>

横荡运动平台与横荡储能装置连接时，如图12所示，以横荡驱动电机31为直角坐标系坐标原点，当横荡驱动电机31转速为w₁时，则横荡驱动滑块41的X轴位置为x₁＝A₁sinw₁t，速度为x₁′＝A₁w₁cosw₁t，加速度为x₁″＝-A₁w₁ ²sinw₁t；横荡驱动滑块41的Y轴位置为y₁＝A₁cosw₁t，速度为y₁′＝-A₁w₁sinw₁t，加速度为y₁″＝-A₁w₁ ²cosw₁t，横荡运动平台受力为F₁＝m₁x″+x′c+k₁x F₁＝F₁′。其中，c为阻力系数，m₁为横荡运动平台整体质量。得到横荡驱动电机31的驱动力：

当时，横荡运动平台与横荡储能装置连接时的理论驱动力最大,为/>

当k₁＝m₁ w₁ ²时，横荡运动平台与横荡储能装置连接时的驱动力峰值为cA₁ ²w₁小于横荡运动平台不与横荡储能装置连接时的最大驱动力

纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时，如图13所示，以纵荡驱动电机58为坐标原点，当纵荡驱动电机58转速为w₂时，则纵荡驱动滑块66的X轴位置为x₂＝A₂sinw₂t，由于装置沿Z轴以速度B作前进运动，所以纵荡驱动滑块66实际速度为横荡第二框架29的速度加装置运行速度为x₂′＝A₂w₂cosw₂t+B，加速度为x₂″＝-A₂w₂ ²sinw₂t；纵荡驱动滑块66的Y轴位置为y₂＝A₂cosw₂t，速度为y₂′＝-A₂w₂sinw₂t，加速度为y₂″＝-A₂w₂₂ ^cosw₂t，纵荡运动平台受力为F₂＝m₂x″+x′c F₂＝F₂′。其中，m₂为纵荡运动平台整体质量。得到纵荡驱动电机58的驱动力：

当时，纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时的理论驱动力最大,为

纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时，如图14所示，以纵荡驱动电机58为坐标原点，当纵荡驱动电机58转速为w₂，给定起点滑块69初始位移D时，则纵荡驱动滑块66的X轴位置为x₂＝A₂sinw₂t+D，由于装置沿Z轴以速度B作前进运动，所以纵荡驱动滑块66实际速度为横荡第二框架29的速度加装置运行速度为x₂′＝A₂w₂cosw₂t+B，加速度为x₂″-A₂w₂ ²sinw₂t；纵荡驱动滑块66的Y轴位置为y₂＝A₂cosw₂t，速度为y₂′＝-A₂w₂sinw₂t，加速度为y₂″＝-A₂w₂ ²cosw₂t，纵荡运动平台受力为F₂＝m₂x″+x′c+k₂x F₂＝F₂′。其中，c为阻力系数，m₂为纵荡运动平台整体质量。得到纵荡驱动电机58的驱动力：

当时，纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时的理论驱动力最大,为

当k₂＝m₂w₂ ²且Bc+Dk₂＝0时，纵荡运动平台与纵荡储能装置连接时的驱动力峰值为cA₂ ²w₂小于纵荡运动平台不与纵荡储能装置连接时的驱动力峰值

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Claims (2)

1.一种储能式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，实验装置包括水轮机（1）、纵荡运动平台、带动水轮机（1）横荡运动实验的横荡运动平台，所述纵荡运动平台带动横荡运动平台运动从而带动水轮机（1）纵荡运动实验，所述水轮机（1）位于横荡运动平台和纵荡运动平台下方，其特征在于，所述横荡运动平台包括横荡储能装置，所述横荡储能装置包括若干横荡储能单元（78），所述横荡储能单元（78）包括横荡导向杆（47）、横荡储能滑块（44）、横荡弹簧（48）；所述横荡导向杆（47）设置于横荡运动平台，且横荡导向杆（47）的延伸方向平行于水轮机（1）横荡运动方向，所述横荡储能滑块（44）在横荡导向杆（47）上滑动，横荡弹簧（48）套设在横荡导向杆（47）上，且横荡弹簧（48）一端与横荡运动平台固定连接，另一端与横荡储能滑块（44）固定连接，横荡储能滑块（44）与水轮机（1）连接而与水轮机（1）共同横向移动；所述纵荡运动平台包括纵荡储能装置；纵荡储能装置包括若干纵荡储能单元（79），所述纵荡储能单元（79）包括纵荡导向杆（71）、纵荡储能滑块（72）、纵荡弹簧（70）；所述纵荡导向杆（71）设置于纵荡运动平台，且纵荡导向杆（71）延伸方向平行于水轮机（1）纵荡运动方向，所述纵荡储能滑块（72）在纵荡导向杆（71）上滑动，纵荡弹簧（70）套设在纵荡导向杆（71）上，且纵荡弹簧（70）一端与纵荡运动平台连接，另一端与纵荡储能滑块（72）固定连接，纵荡储能滑块（72）与横荡运动平台连接而与横荡运动平台共同纵向移动；所述横荡导向杆（47）延伸方向垂直于纵荡导向杆（71）延伸方向；

所述纵荡储能装置包括调节装置，所述调节装置包括调节丝杆（77）、调节电机（75）、螺母滑块（73）、若干起点滑块（69），所述调节电机（75）固定设置于纵荡运动平台，调节电机（75）带动调节丝杆（77）转动，调节丝杆（77）上设置螺母滑块（73），所述螺母滑块（73）与调节丝杆（77）螺纹连接，调节丝杆（77）转动带动螺母滑块（73）沿调节丝杆（77）延伸方向平移，每个所述纵荡导向杆（71）设置一个起点滑块（69），所述起点滑块（69）沿纵荡导向杆（71）滑动，所有起点滑块（69）与螺母滑块（73）固定连接，所述纵荡弹簧（70）一端连接纵荡储能滑块（72），另一端通过连接起点滑块（69）而与纵荡运动平台连接；

所述横荡运动平台还包括横荡第一框架（28）、横荡第二框架（29）、横荡驱动装置，所述水轮机（1）与横荡第一框架（28）固定连接，横荡第二框架（29）内设置有若干第一滑轨（32），横荡第一框架（28）安装于第一滑轨（32）上，所述横荡驱动装置用于驱动横荡第一框架（28）在第一滑轨（32）上滑动；所述横荡导向杆（47）与横荡第二框架（29）固定连接，横荡导向杆（47）延伸方向与第一滑轨（32）延伸方向平行；

所述横荡驱动装置包括横荡驱动电机（31）、横荡驱动丝杆（37）、横荡驱动滑块（41）、横荡丝杆滑块（35）、第一丝杆电机（36），所述横荡第一框架（28）上设置与其滑动方向垂直的横荡驱动滑轨（42），横荡驱动滑轨（42）上安装横荡驱动滑块（41），横荡驱动滑块（41）与横荡驱动丝杆（37）一端连接，所述横荡驱动丝杆（37）上设置横荡丝杆滑块（35），横荡丝杆滑块（35）与横荡驱动丝杆（37）螺纹连接，所述第一丝杆电机（36）驱动横荡驱动丝杆（37）转动，横荡驱动丝杆（37）转动带动横荡丝杆滑块（35）沿横荡驱动丝杆（37）移动，所述横荡驱动电机（31）输出轴与横荡丝杆滑块（35）固定连接，横荡驱动电机（31）输出轴延伸方向垂直于横荡驱动丝杆（37）延伸方向，所述横荡驱动电机（31）驱动横荡驱动丝杆（37）摆动，横荡驱动丝杆（37）摆动驱动横荡驱动滑块（41）在横荡驱动滑轨（42）上滑动，从而驱动横荡第一框架（28）在第一滑轨（32）上滑动；

所述横荡储能单元（78）包括横荡储能切换装置，所述横荡储能切换装置包括第一电磁铁伸缩杆（43）和第二电磁铁伸缩杆（45），所述第一电磁铁伸缩杆（43）固定端固定于横荡第二框架（29），第二电磁铁伸缩杆（45）固定端固定于横荡第一框架（28），所述横荡储能滑块（44）设置第一连接孔和第二连接孔，所述第一电磁铁伸缩杆（43）通电时，第一电磁铁伸缩杆（43）输出端与横荡储能滑块（44）的第一连接孔连接；所述第二电磁铁伸缩杆（45）通电时，第二电磁铁伸缩杆（45）输出端与横荡储能滑块（44）的第二连接孔连接；第一电磁铁伸缩杆（43）和第二电磁铁伸缩杆（45）不同时通电；

所述纵荡运动平台还包括纵荡框架（49）、纵荡驱动装置，纵荡框架（49）内设置有若干第二滑轨（53），横荡第二框架（29）安装于第二滑轨（53）上，所述纵荡驱动装置用于驱动横荡第二框架（29）在第二滑轨（53）上滑动；所述纵荡导向杆（71）与纵荡框架（49）固定连接，纵荡导向杆（71）延伸方向与第二滑轨（53）延伸方向平行；

所述纵荡驱动装置包括纵荡驱动电机（58）、纵荡驱动丝杆（62）、纵荡驱动滑块（66）、纵荡丝杆滑块（60）、第二丝杆电机（61），所述横荡第二框架（29）上设置与其滑动方向垂直的纵荡驱动滑轨（67），纵荡驱动滑轨（67）上安装纵荡驱动滑块（66），纵荡驱动滑块（66）与纵荡驱动丝杆（62）一端连接，所述纵荡驱动丝杆（62）上设置纵荡丝杆滑块（60），纵荡丝杆滑块（60）与纵荡驱动丝杆（62）螺纹连接，所述第二丝杆电机（61）驱动纵荡驱动丝杆（62）转动，纵荡驱动丝杆（62）转动带动纵荡丝杆滑块（60）沿纵荡驱动丝杆（62）移动，所述纵荡驱动电机（58）输出轴与纵荡丝杆滑块（60）固定连接，纵荡驱动电机（58）输出轴延伸方向垂直于纵荡驱动丝杆（62）延伸方向，所述纵荡驱动电机（58）驱动纵荡驱动丝杆（62）摆动，纵荡驱动丝杆（62）摆动驱动纵荡驱动滑块（66）在纵荡驱动滑轨（67）上滑动，从而驱动横荡第二框架（29）在第二滑轨（53）上滑动；

所述纵荡储能单元（79）包括纵荡储能切换装置，所述纵荡储能切换装置包括第三电磁铁伸缩杆（54）和第四电磁铁伸缩杆（55），所述第三电磁铁伸缩杆（54）固定端固定于纵荡框架（49），第四电磁铁伸缩杆（55）固定端固定于横荡第二框架（29），所述纵荡储能滑块（72）设置第三连接孔和第四连接孔，所述第三电磁铁伸缩杆（54）通电时，第三电磁铁伸缩杆（54）输出端与纵荡储能滑块（72）的第三连接孔连接；所述第四电磁铁伸缩杆（55）通电时，第四电磁铁伸缩杆（55）输出端与纵荡储能滑块（72）的第四连接孔连接；第三电磁铁伸缩杆（54）和第四电磁铁伸缩杆（55）不同时通电；

控制方法包括以下步骤：

S1：根据实验需求确定横荡驱动电机（31）转速；

S2：确定横荡储能装置总的弹性系数，/>，其中/>为横荡运动平台整体质量；

S3：选择部分或全部第二电磁铁伸缩杆（45）进行通电，使横荡储能装置弹性系数为；

S4：根据实验需求确定纵荡驱动电机（58）转速；

S5：确定纵荡储能装置总的弹性系数，/>，其中/>为纵荡运动平台整体质量；

S6：选择部分或全部第四电磁铁伸缩杆（55）进行通电，使纵荡储能装置弹性系数为；

S7：储能式水轮机运动模拟实验装置实验时进行匀速直线运动，根据实验需求确定运行速度B；

S8：根据运行速度B确定起点滑块（69）相对初始位置的移动距离D，计算公式为 ，其中c为阻力系数；

S9：将储能式水轮机运动模拟实验装置以横荡驱动电机（31）转速、纵荡驱动电机（58）转速/>、运行速度B为实验条件进行水轮机（1）的横荡和纵荡实验。

2.根据权利要求1所述的储能式水轮机运动模拟实验装置的控制方法，其特征在于，所述水轮机（1）包括桨叶（4）、主轴（5）和固定舱，所述固定舱内设有扭矩仪（18）和发电机（23）；桨叶（4）通过主轴（5）与扭矩仪（18）一端固定连接，扭矩仪（18）另一端与发电机（23）输入轴固定连接。