CN114294144B - 气动式波浪能发电装置透平综合性能测试*** - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋能利用技术领域，提供了一种气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***。该气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***，包括波面模拟***、气体整流***、透平装置、桌面支撑结构、仪器支撑架和传感分析***；利用可编程直线电机驱动风箱，来模拟气动式波浪能发电装置复杂振荡气流，并针对透平***的各项性能指标配置完整的传感器和测量***，最终为气动式波浪能发电装置的发电效益和综合性能评估提供一种有效的技术评价手段。本发明实现了对气动式波浪能发电装置气室内复杂振荡气流的实验室模拟，大大降低了实验风险和成本；拼装和拆卸工艺简便，具有很高的灵活性，可以针对不同透平尺寸和测试需求，搭建多种测试环境。

Description

气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***

技术领域

本发明涉及海洋能利用技术领域，尤其涉及气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***。

背景技术

海洋波浪能是一种储备巨大、分布广泛、极具发展潜力的可再生能源。波浪能发电装置形式多样，依据发电原理可以分为气动式、液压式、机械式、直驱式等形式，其中气动式波浪能发电装置因其结构简单、活动部件少、易于维护等优点，在产业化应用方面具有较大潜力。气动式波浪能发电装置的核心结构包括水面气室和空气透平，其工作时，气室内水面在外部波浪的作用下发生振动，进而迫使气室内气体往复通过气室上方的空气管道，气体推动空气管道内的透平发生旋转，由此驱动电机发电。透平的综合性能直接决定了气动式波浪能发电装置的效率与稳定性，对透平的综合性能进行准确测试和评估，是波浪能装置设计和优化的关键环节。

传统透平测试***主要利用鼓风机或空气压缩机来产生单向和稳定气流，并通过测试透平在稳定气流驱动下的发电效果来评估透平的性能，未考虑气动式波浪能装置的独特性。对于气动式波浪能发电装置，驱动透平的气流由气室内复杂的水面振荡产生，该气流具有往复性、振荡性和随机性等特点，无法由传统透平测试***实现。因此，本发明旨在提出一种可以模拟气动式波浪能发电装置复杂振荡气流的机构，并针对透平***的各项性能指标配置完整的传感器和测量***，形成一套气动式波浪能发电装置透平综合性能的测试***。

发明内容

本发明目的在于针对气动式波浪能发电装置的透平***，设计了一套完整的综合性能测试***，利用可编程直线电机驱动风箱，来模拟气动式波浪能发电装置复杂振荡气流，并针对透平***的各项性能指标配置完整的传感器和测量***，最终为气动式波浪能发电装置的发电效益和综合性能评估提供一种有效的技术评价手段。

本发明的技术方案：

一种气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***，包括波面模拟***、气体整流***、透平装置、桌面支撑结构、仪器支撑架和传感分析***；

波面模拟***包括风箱整流衔接板23、可压缩风箱24、风箱罩4、推动板3、刚性连杆2和可编程直线电机1；刚性连杆2水平放置，两端分别与可编程直线电机1和推动板3固连；推动板3另一侧同可压缩风箱24接触；可压缩风箱24安装于风箱罩4内，通过风箱罩4内的支撑保护和约束，使得可压缩风箱24实现双向直线运动；风箱整流衔接板23嵌入风箱罩4内部；风箱整流衔接板23固定连接可压缩风箱24出气口和气体整流***；可编程直线电机1通过位移设定信号带动刚性连杆2进行随时间变换的水平运动；刚性连杆2带动推动板3挤压可压缩风箱24，可压缩风箱24内的气体，按照设定规律压缩和膨胀，模拟因波面运动而引起的气柱振荡效果；

气体整流***包括导流透平衔接板20、水平仪21、导流管6、整流管5、整流风箱衔接板18、整流导流衔接板19、蜂窝管22和单个可拆卸导流筒36；整流管5通过整流风箱衔接板18和风箱整流衔接板23与可压缩风箱24相连；整流管5内部采用蜂窝管22填充，气体通过整流管5实现整流效果；整流管5通过整流导流衔接板19与导流管6连接；导流管6具有一段或多段；每一段导流管6外壁均安装水平仪21，用于判断导流管6的水平度；最后一段导流管6同导流透平衔接板20连接，导流透平衔接板20与透平装置的气室7相连接；气体依次通过整流管5和导流管6通过导流透平衔接板20进入透平装置；

透平装置包括气室7、透平叶片15、导流锥16和导流扇17；气体由导流管6进入气室7；气室7内布置有透平叶片15、导流锥16和导流扇17；气体经过导流锥16和导流扇17的导流作用，将气体呈角度喷向透平叶片15，使其转动进而带动所连接的电机发电；

波面模拟***、气体整流***和透平装置分别固定于独立的桌面支撑结构上；桌面支撑结构包括桌面33、可伸缩桌腿32、短梁31、桌间螺纹拼接孔30和桌脚滑轮34；桌面33侧布置桌间螺纹拼接孔30，各桌面33之间通过桌间螺纹拼接孔30连接；短梁31布置于桌面33的横向侧，其连接可伸缩桌腿32，以增强桌面33的结构稳定性；可伸缩桌腿32为可伸缩杆状结构，便于实验人员调节桌面支撑的高度和整体仪器的水平度；可伸缩桌腿32底部两侧安装桌脚滑轮34；桌脚滑轮34是带有刹车片的滑轮，既便于挪动，也便于固定。

仪器支撑架用于搭载和固定测量仪器，其自下至上依次为钳口25、水平旋转柱26、伸缩柱27和可调节固定槽28；钳口25通过调节下方的螺丝将仪器支撑架固定于桌面33边缘；水平旋转柱26用以保证其上方测量仪器朝向任意水平方向；伸缩柱27用来调节仪器支撑的高度；可调节固定槽28根据所要夹持测量仪器的尺寸来调节夹具开口大小，用以固定测量仪器；

传感分析***包括扭矩传感器8、激光转速传感器11、风速传感器35、激光位移传感器29和压力传感器37；联轴器9将扭矩传感器8两端分别连接于气室7和发电机10；激光转速传感器11由透平端仪器支撑架12固定，置于透平叶片15外侧；通过调节激光转速传感器11的姿态和透平端仪器支撑架12的高度，将激光转速传感器11所发射的激光水平射向透平叶片15，用于测量透平叶片15的瞬时转速；风速传感器35经由导流管6两端顶部的小孔插至导流管6中心轴处，安装完成后对小孔进行密封；风速传感器35用以测量整流后的空气流速以及透平前的空气流速；激光位移传感器29由推板端仪器支撑架14固定，通过调节激光位移传感器29的姿态和推板端仪器支撑架14的高度，使激光位移传感器29所发射的激光水平射向推动板3，用以测量推动板3的实时位移，进而推算出导流管6内的气体通量变化；压力传感器37布置在推动板3和刚性连接杆2之间。

风箱整流衔接板23、导流透平衔接板20、整流风箱衔接板18和整流导流衔接板19上均在相同位置设置相同规格螺纹孔，相邻衔接板之间安装橡胶垫圈，以保证气室的密闭性。

具体使用步骤如下：

步骤一、首先根据实验需要将上述波面模拟***、气体整流***、透平装置、桌面支撑结构、仪器支撑结构和传感器分析***组装完成，利用导流管6外壁上的水平仪21来调节平台姿态至水平；

步骤二、调整仪器支撑架的高度和各传感器姿态，将传感器线路链接到数据处理器13上，通过数据处理器13的显示屏实时观测数据；针对不同尺寸的透平装置开展测试时，制作一个外径等于导流透平衔接板20半径且内径等于所测透平装置气室7半径的环状导流透平衔接板20，并在相应位置做好螺纹孔；

步骤三、开展测试，可编程直线电机1接收到实验人员的输入位移设定信号后，水平推动刚性连杆2并带动推动板3做往复运动；推动板3始终在风箱罩4的范围内做往复运动；推动板3带动可压缩风箱24做往复运动，挤压空气；激光位移传感器29和压力传感器37实时测量推动板3的位移变化和受力变化曲线；可压缩风箱24通过风箱整流衔接板23与整流管5连接；可压缩风箱24推动空气进入整流管5，并通过蜂窝管22进行气体整流；整流后的气体进入导流管6，并由导流管内部的风速传感器a35-1和风速传感器b35-2进行风速测量；导流管6与透平装置通过导流透平衔接板20密封连接；不同尺寸的透平***，通过调整导流透平衔接板20上的螺纹孔位置实现导流管6与透平装置紧密连接；气体进入透平结构气室7后，在导流锥16和导流扇17的导流作用下，呈角度射向透平叶片15，透平叶片15的转动速度由激光转速传感器11测量；透平叶片15带动轴承转动，带动发电机10发电，由扭矩传感器8测量透平叶片15与发电机10转轴之间的实时扭矩。

评估透平综合性能指标的方法如下：利用激光位移传感器29所测得推动板3的位移数据和压力传感器37所测得的压力数据，计算可编程直线电机1向***输入的机械能；利用扭矩传感器8所测得的扭矩和激光转速传感器11所测得的转速数据，计算透平装置所获得的机械能，通过与可编程直线电机1向***输入的机械能相比，得到透平装置的俘能效率；测量电机的发电功率与透平所获机械能相比，计算透平装置的发电效率。

本发明的有益效果：

(1)实现了对气动式波浪能发电装置气室内复杂振荡气流的实验室模拟，并针对透平***的各项性能指标配置完整的传感器和测量***，形成了气动式波浪能发电装置透平综合性能的评估方法。

(2)将需要在水槽或者实际海洋中进行的模型测试实验，转至室内，大大降低了实验风险和成本。

(3)该测试平台模块化设计，拼装和拆卸工艺简便，具有很高的灵活性，可以针对不同透平尺寸和测试需求，搭建多种测试环境。

附图说明

图1是气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***的整体结构图；

图2是波面模拟***结构图；

图3是气体整流***结构图；

图4是单个可拆卸导流筒结构图；

图5是气体整流***的左视图；

图6是桌面支撑结构图；

图7是仪器支撑结构图；

图8是透平装置底部结构图；

图9是透平装置、扭矩传感器和发电机整体图；

图10是气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***的数据处理器概念图。

图中：1可编程直线电机；2刚性连杆；3推动板；4风箱罩；5整流管；6导流管；7气室；8扭矩传感器；9联轴器；10发电机；11激光转速传感器；12透平端仪器支撑架；13数据处理器；14推板端仪器支撑架；15透平叶片；16导流锥；17导流扇；18整流风箱衔接板；19整流导流衔接板；20导流透平衔接板；21水平仪；22蜂窝管；23风箱整流衔接板；24可压缩风箱；25钳口；26水平旋转柱；27伸缩柱；28可调节固定槽；29激光位移传感器；30桌间螺纹拼接孔；31短梁；32可伸缩桌腿；33桌面；34桌角滑轮；35风速传感器；35-1风速传感器a；35-2风速传感器b；36单个可拆卸导流筒；37压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述。

气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***包括波面模拟***、气体整流***、透平***、桌面支撑结构、仪器支撑架和传感分析***。开展测试工作时，可编程直线电机1接收到实验人员输入的设定位移电信号开始进行水平往复，通过刚性连杆2带动推动板3做水平往复运动。推动板3带动可压缩风箱24做往复运动，挤压空气。同时，激光位移传感器29和压力传感器37开始采集数据，测得推动板3的位移变化曲线和受力变化曲线。

气体进入整流管5后，经由蜂窝管22将紊乱的气体整流。气体从整流管5出来后进入导流管6，放置在导流管6尾部的风速传感器b35-2进行第一次风速测量，接着放置在导流管头6部的风速传感器a35-1也进行第一次风速测量。气体进入透平装置的气室7后，经由导流锥16和导流扇17的导流作用，将高密度的气体喷向透平叶片15，此时转速传感器11开始测量透平叶片15的转动速度。同时透平叶片15将带动轴承转动，使得发电机10开始发电，扭矩传感器8也同步开始测量工作。

本发明的产品设计要充分考虑以下因素：

(1)针对不同尺寸的透平装置进行测试时，要按照每个待测量的透平装置尺寸和导流管6的尺寸，制作一个外径等于导流透平衔接板20半径且内径等于所测透平装置气室7半径的圆环状导流透平衔接板20，并在相应的位置做好螺纹孔。由此重复利用该测试***，对不同尺寸和形式的透平装置灵活进行测试分析。

(2)每个部件的边缘都设计了衔接板，在组建测试***时，利用垫块等配件，使得各部件处于同一个水平面。

(3)装置采用推动板3压缩气体的方法来模拟水面对波浪能装置内气体的驱动效果，在进行装置拼接和安装时，确保推动板3与透平装置之间的气体通道的密闭性。

气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***的施工安装流程如下：

(1)按设计图纸要求，制作导流管6、整流管5、桌面支撑结构、仪器支撑结构、可压缩风箱、多种管道箱体衔接块等测试***的各个部件。

(2)针对目标透平装置和导流管6的尺寸，制作一个外径等于导流透平衔接板20半径且内径等于所测透平装置气室7半径的圆环状导流透平衔接板20，并在相应的位置做好螺纹孔。

(3)拼装桌面支撑结构，将仪器支撑结构固定在桌面33相应的位置，制作风箱罩24。

(4)连接压力传感器33与推动板3，将可压缩风箱24两端的衔接板与可压缩风箱24密闭连接，并安装风箱罩4。

(5)连接刚性连杆2和可编程直线电机1，连接推动板3与可压缩风箱24的一端，连接刚性连杆2与推动板3，连接可压缩风箱24与整流管5，连接整流管5与导流管6，连接导流管6与透平装置。

(6)布置剩余传感器，并通过鼓风测试检查各部件的气密性。

(7)调整各部件和传感器的放置位置和角度等。由此完成***的安装。

实施例的具体参数如下：

对于波面模拟***，刚性连杆2选为直径0.05m、长度为0.6m的不锈钢管；推动板3、风箱罩4和风箱整流衔接板23均选取厚度为0.01m的有机玻璃板，风箱罩4横截面尺寸为0.5m*0.5m；可压缩风箱24采用厚度0.3m的海维拉纤维作为骨架材料和厚度为0.35mm的阻燃铂金硅树脂作为表面材料。

气体整流***的整流风箱衔接板18、整流导流衔接板19、导流管6、整流管5、导流透平衔接板20和单个可拆卸导流筒36均采用厚度为0.01m的有机玻璃制成，气体整流***总长0.3m，横截面尺寸为0.5m*0.5m。

透平装置的气室7、透平叶片15、导流锥16和导流扇17为ABS树脂材料，经由3D打印制成。透平叶片15与导流扇17的叶片数量、形状和倾斜角度都相同。不同透平装置的透平叶片15的直径不同，导流扇17的直径比透平叶片15的直径大0.01m。气室7为正方体形状，直径比导流扇17的外接正方形大0.02m。

桌面支撑结构的桌面33为18厘刨花板，外贴2mm防静电胶皮。可伸缩桌腿32、短梁31均由40mm*40mm*1mm钢板制成。桌间螺纹拼接孔30直径为0.01m。仪器支撑结构的钳口25、水平旋转住26、伸缩柱27和可调节固定槽28均有ABS树脂材料制成。钳口25的横截面为0.1m*0.08m*0.08m，壁厚0.01m。水平旋转柱26的直径和高度均为0.05m，在钳口25的顶面做360度水平旋转。伸缩柱27的下半部分为0.1m*0.05m*0.2m、壁厚5mm的长方空心柱，上半部分为0.09m*0.04m*0.2m、壁厚5mm的长方空心柱。可调节固定槽28由两端的滑块和底部的滑轨组成。

传感分析***的扭矩传感器8的量程范围为5Nm到100Nm；激光位移传感器量程为10mm，范围为30+-5mm，精度为10微米。压力传感器量程为2000N，精度为0.1％。发电机10采用稀土永磁三相交流发电机，额定功率为50W。

Claims (3)

1.一种气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***，其特征在于，该气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***包括波面模拟***、气体整流***、透平装置、桌面支撑结构、仪器支撑架和传感分析***；

波面模拟***包括风箱整流衔接板（23）、可压缩风箱（24）、风箱罩（4）、推动板（3）、刚性连杆（2）和可编程直线电机（1）；刚性连杆（2）水平放置，两端分别与可编程直线电机（1）和推动板（3）固连；推动板（3）另一侧同可压缩风箱（24）接触；可压缩风箱（24）安装于风箱罩（4）内，通过风箱罩（4）内的支撑保护和约束，使得可压缩风箱（24）实现双向直线运动；风箱整流衔接板（23）嵌入风箱罩（4）内部；风箱整流衔接板（23）固定连接可压缩风箱（24）出气口和气体整流***；可编程直线电机（1）带动刚性连杆（2）进行水平运动；刚性连杆（2）带动推动板（3）挤压可压缩风箱（24），可压缩风箱（24）内的气体，按照设定规律压缩和膨胀，模拟因波面运动而引起的气柱振荡效果；

气体整流***包括导流透平衔接板（20）、水平仪（21）、导流管（6）、整流管（5）、整流风箱衔接板（18）、整流导流衔接板（19）、蜂窝管（22）和单个可拆卸导流筒（36）；整流管（5）通过整流风箱衔接板（18）和风箱整流衔接板（23）与可压缩风箱（24）相连；整流管（5）内部采用蜂窝管（22）填充，气体通过整流管（5）实现整流效果；整流管（5）通过整流导流衔接板（19）与导流管（6）连接；导流管（6）具有一段或多段；每一段导流管（6）外壁均安装水平仪（21），用于判断导流管（6）的水平度；最后一段导流管（6）同导流透平衔接板（20）连接，导流透平衔接板（20）与透平装置的气室（7）相连接；气体依次通过整流管（5）和导流管（6）通过导流透平衔接板（20）进入透平装置；

透平装置包括气室（7）、透平叶片（15）、导流锥（16）和导流扇（17）；气体由导流管（6）进入气室（7）；气室（7）内布置有透平叶片（15）、导流锥（16）和导流扇（17）；气体经过导流锥（16）和导流扇（17）的导流作用，将气体呈角度喷向透平叶片（15），使其转动进而带动所连接的电机发电；

波面模拟***、气体整流***和透平装置分别固定于独立的桌面支撑结构上；桌面支撑结构包括桌面（33）、可伸缩桌腿（32）、短梁（31）、桌间螺纹拼接孔（30）和桌脚滑轮（34）；桌面（33）侧布置桌间螺纹拼接孔（30），各桌面（33）之间通过桌间螺纹拼接孔（30）连接；短梁（31）布置于桌面（33）的横向侧，其连接可伸缩桌腿（32）；可伸缩桌腿（32）为可伸缩杆状结构；可伸缩桌腿（32）底部两侧安装桌脚滑轮（34）；

仪器支撑架用于搭载和固定测量仪器，其自下至上依次为钳口（25）、水平旋转柱（26）、伸缩柱（27）和可调节固定槽（28）；钳口（25）通过调节下方的螺丝将仪器支撑架固定于桌面（33）边缘；水平旋转柱（26）用以保证其上方测量仪器朝向任意水平方向；伸缩柱（27）用来调节仪器支撑的高度；可调节固定槽（28）根据所要夹持测量仪器的尺寸来调节夹具开口大小，用以固定测量仪器；

传感分析***包括扭矩传感器（8）、激光转速传感器（11）、风速传感器（35）、激光位移传感器（29）和压力传感器（37）；联轴器（9）将扭矩传感器（8）两端分别连接于气室（7）和发电机（10）；激光转速传感器（11）由透平端仪器支撑架（12）固定，置于透平叶片（15）外侧；通过调节激光转速传感器（11）的姿态和透平端仪器支撑架（12）的高度，将激光转速传感器（11）所发射的激光水平射向透平叶片（15），用于测量透平叶片（15）的瞬时转速；风速传感器（35）经由导流管（6）两端顶部的小孔插至导流管（6）中心轴处，安装完成后对小孔进行密封；风速传感器（35）用以测量整流后的空气流速以及透平前的空气流速；激光位移传感器（29）由推板端仪器支撑架（14）固定，通过调节激光位移传感器（29）的姿态和推板端仪器支撑架（14）的高度，使激光位移传感器（29）所发射的激光水平射向推动板（3），用以测量推动板（3）的实时位移，进而推算出导流管（6）内的气体通量变化；压力传感器（37）布置在推动板（3）和刚性连杆（2）之间。

2.根据权利要求1所述的一种气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***，其特征在于，风箱整流衔接板（23）、导流透平衔接板（20）、整流风箱衔接板（18）和整流导流衔接板（19）上均在相同位置设置相同规格螺纹孔，相邻衔接板之间安装橡胶垫圈，以保证气室的密闭性。

3.根据权利要求1或2所述的一种气动式波浪能发电装置透平综合性能测试***，其特征在于，具体使用步骤如下：

步骤一、首先根据实验需要将上述波面模拟***、气体整流***、透平装置、桌面支撑结构、仪器支撑结构和传感器分析***组装完成，利用导流管（6）外壁上的水平仪（21）来调节平台姿态至水平；

步骤二、调整仪器支撑架的高度和各传感器姿态，将传感器线路链接到数据处理器（13）上，通过数据处理器（13）的显示屏实时观测数据；针对不同尺寸的透平装置开展测试时，制作一个外径等于导流透平衔接板（20）半径且内径等于所测透平装置气室（7）半径的环状导流透平衔接板（20），并在相应位置做好螺纹孔；

步骤三、开展测试，可编程直线电机（1）接收到实验人员的输入位移设定信号后，水平推动刚性连杆（2）并带动推动板（3）做往复运动；推动板（3）始终在风箱罩（4）的范围内做往复运动；推动板（3）带动可压缩风箱（24）做往复运动，挤压空气；激光位移传感器（29）和压力传感器（37）实时测量推动板（3）的位移变化和受力变化曲线；可压缩风箱（24）通过风箱整流衔接板（23）与整流管（5）连接；可压缩风箱（24）推动空气进入整流管（5），并通过蜂窝管（22）进行气体整流；整流后的气体进入导流管（6），并由导流管内部的风速传感器a（35-1）和风速传感器b（35-2）进行风速测量；导流管（6）与透平装置通过导流透平衔接板（20）密封连接；不同尺寸的透平***，通过调整导流透平衔接板（20）上的螺纹孔位置实现导流管（6）与透平装置的紧密连接；气体进入透平结构气室（7）后，在导流锥（16）和导流扇（17）的导流作用下，呈角度射向透平叶片（15），透平叶片（15）的转动速度由激光转速传感器（11）测量；透平叶片（15）带动轴承转动，带动发电机（10）发电，由扭矩传感器（8）测量透平叶片（15）与发电机（10）转轴之间的实时扭矩。

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