一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置及其主动平衡控制方法与流程

1.本发明涉及水轮机实验装置，具体是涉及一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置及其主动平衡控制方法。


背景技术：

2.能源在人类社会进步和发展过程中扮演着重要的角色，它为人类的生产、生活提供了重要的物质资源。随着人类文明的不断进步，全球对资源的需求也在不断地增加，然而一部分传统能源比如石油、煤炭等在人类经年累月的消耗下已经日渐枯竭，且环境、气候等问题因为化石燃料的燃烧而逐渐加剧，现在人类迫切需要发现清洁、环保的新能源，潮流能正是当今世界最有潜力的新能源之一。
3.科学家通过各种各样的实验装置对潮流能性能进行分析，其中水轮机是一种将海流能转化为电能的旋转机械,由于其获能效率高、技术相对成熟等特点,而成为科学家们理想的选择的装置之一。水轮机一般安装在海湾湾口、岛屿之间的水道等一些大流速海域。由于海洋环境复杂恶劣,一旦水轮机工作时出现的故障，维修需要耗费大量的人力、物力和财力，为了保证水轮机在恶劣的环境中平稳安全的工作，在实验水池中进行水轮机的模型实验是一种方便、简单的研究方式。
4.在对水轮机进行实验时，实验平台上安装有为水轮机提供动能以及采集水轮机数据的各种装置，为较还原的模拟水轮机受水流影响，通常会将实验平台也处于漂浮状态，但是实验平台本身在水中的不稳定性会影响水轮机的实验过程。


技术实现要素：

5.发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种保持装置稳定的主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置。
6.本发明还提供一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置的主动平衡控制方法。
7.技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置，包括实验框架、设置于实验框架上端的浮力舱、水轮机及配重块，水轮机及配重块连接于实验框架下端，水轮机通过第一连接杆与实验框架连接，第一连接杆一端与水轮机铰接，第一连接杆另一端通过第一驱动装置与实验框架连接，第一驱动装置带动第一连接杆相对实验框架向前摆动，配重块通过第二连接杆与实验框架连接，第二连接杆一端与配重块铰接，第二连接杆另一端通过第二驱动装置与实验框架连接，第二驱动装置带动第二连接杆相对实验框架向后摆动，所述第一连接杆与第二连接杆的摆动平面为同一平面。
8.进一步的，第一连接杆与第二连接杆的摆动中心位于同一高度，第一连接杆与第二连接杆的长度相同。
9.进一步的，所述第一驱动装置包括第一驱动电机、与第一驱动电机输出轴连接的第一蜗轮蜗杆减速器、与第一蜗轮蜗杆减速器输出轴连接的第一主动齿轮，第一连接杆端
部侧面固定设置第一从动齿轮，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，第一驱动电机通过第一蜗轮蜗杆减速器驱动第一主动齿轮转动，第一主动齿轮转动带动第一从动齿轮转动，从而带动第一连接杆摆动。
10.进一步的，所述第二驱动装置包括第二驱动电机、与第二驱动电机输出轴连接的第二蜗轮蜗杆减速器、与第二蜗轮蜗杆减速器输出轴连接的第二主动齿轮，第二连接杆端部侧面固定设置第二从动齿轮，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，第二驱动电机通过第二蜗轮蜗杆减速器驱动第二主动齿轮转动，第二主动齿轮转动带动第二从动齿轮转动，从而带动第二连接杆摆动。
11.进一步的，所述实验框架与水轮机之间连接有第一从动连接杆，第一从动连接杆两端分别与实验框架和水轮机铰接，第一从动连接杆与第一连接杆保证水轮机运动过程中保持水平。
12.进一步的，所述实验框架与配重块之间连接有第二从动连接杆，第二从动连接杆两端分别与实验框架和配重块铰接，第二从动连接杆与第二连接杆保证配重块运动过程中保持水平。
13.进一步的，所述实验框架侧面设置四个推进方向相互垂直的推进器，且四个推进器设置于同一水平面，实验框架侧面还设置有两个推进方向垂直水平面的推进器，所述两个推进器对称设置于实验框架两侧。
14.进一步的，所述实验框架底部两侧对称设置有电力舱和电子舱，电力舱内部设置为整个实验装置供电的电源模块，所述电子舱内部设置控制整个实验装置的控制模块。
15.本发明还采用一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置的主动平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
16.s1：设置第一连接杆与第二连接杆延伸方向竖直向上为初始位置，根据实验需求确定水轮机进入水面深度，调节浮力舱浮力，使水轮机位于目标深度h0；
17.s2：选择水轮机实验深度hn，控制第一连接杆向前摆动角度θ；当hn＞h时，hn＝lcosθ h；当hn＜h时，hn＝h-lsinθ，其中，l为第一连接杆的长度，h为第一连接杆摆动中心到水面的距离；
18.s3：控制第二连接杆向后摆动角度α，计算公式为m1glsinθ＝m2glsinα，其中，m1为水轮机整体质量，m2为配重块整体质量；
19.s4：对水轮机进行实验，并记录保存数据；
20.s5：返回步骤s2，改变水轮机实验深度，进行多次实验。
21.有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是浮力舱、实验框架及实验框架内部安装的部件实验了实验装置本身重力、浮力的主动平衡，实验框架与水轮机通过连接杆连接，使得实验装置的重心、浮心之间的稳心高度较大，从而产生较大的恢复力矩，使得实验装置受到波浪、紊流干扰时可以很快恢复平衡。
22.利用和水轮机对称运动的配重块，形成了一种主动平衡装置。当水轮机向前摆动时，配重块向后摆动，可以对实验装置的姿态进行微量调节，保证了实验装置的力矩平衡。
23.利用电机的旋转带动蜗轮蜗杆减速器输出轴旋转，带动与蜗轮蜗杆减速器输出轴相连接的齿轮转动，从而带动与齿轮啮合的连接杆摆动，从而带动水轮机向上摆动，改变了水轮机叶尖浸没水深，仅需要通过控制两台发电机的旋转角度，即可在保持实验装置本身
力矩平衡的前提下实现水轮机深度调节，降低了实验装置实验过程中能量利用率和轴向载荷系数的波动幅值。
附图说明
24.图1所示为本发明实验装置整体结构示意图；
25.图2所示为本发明实验装置的主视图；
26.图3所示为本发明中第一驱动装置的剖视图；
27.图4所示为本发明中第一驱动装置电机、蜗轮蜗杆及两个齿轮啮合的连接示意图；
28.图5所示为本发明中第一驱动装置电机、蜗轮蜗杆及齿轮啮合俯视图；
29.图6所示为本发明中第一从动连接杆与水轮机和实验框架连接的剖视图；
30.图7所示为本发明中第二驱动装置的剖视图；
31.图8所示为本发明中第二驱动装置电机、蜗轮蜗杆及两个齿轮啮合的关系图；
32.图9所示为本发明中第二驱动装置电机、蜗轮蜗杆及齿轮啮合俯视图；
33.图10所示为本发明中第二从动连接杆与水轮机和实验框架连接的剖视图；
34.图11所示为本发明中实验框架的俯视图；
35.图12所示为本发明中实验装置主动平衡控制的原理示意图。
具体实施方式
36.实施例1
37.如图1和图2所示，本实施例中的一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置，包括实验框架12、设置于实验框架12上端的浮力舱1、设置于实验框架12底部两侧的电力舱10和电子舱11，实验框架12的主要重力集中在实验框架12的下侧，浮力舱1位于实验框架12顶部，从而使得本实验装置的重心、浮心之间的距离较大，从而产生较大的恢复力矩，实现被动平衡。电力舱10内部设置有为整个实验装置供电的电源模块，电子舱11内部设置有控制整个实验装置的控制模块，电力舱10和电子舱11对称分布在实验框架上，有利于实验装置的平衡。实验框架12侧面设置四个推进方向相互垂直的推进器(4、5、6、7)，且四个推进器(4、5、6、7)设置于同一水平面，四个推进器(4、5、6、7)用于驱动实验装置的前进、后退及转向，实验框架12侧面还设置有两个推进方向垂直水平面的推进器(8、9)，两个推进器(8、9)对称设置于实验框12两侧，推进器8和推进器9用于驱动实验装置上升下潜。
38.如图3所示，第一连接杆22一端与实验框架12连接，实验框架12上固定设置有轴承座ⅰ96，轴承座ⅰ96内设置轴承ⅰ13，旋转杆ⅰ16一端穿过轴承ⅰ13，另一端穿过第一连接杆22的一端，轴承ⅰ13右侧设置轴承挡板ⅰ15，轴承挡板ⅰ15利用螺栓ⅰ14与旋转杆ⅰ16连接，第一连接杆22左侧设置挡板ⅰ17，挡板ⅰ17利用螺栓ⅱ18与旋转杆ⅰ16连接，轴承挡板ⅰ15和挡板ⅰ17用于旋转杆ⅰ16端部的限位。旋转杆ⅰ16将第一连接杆22定位于实验框架12上，第一连接杆22顶部固定设置有齿轮，旋转杆ⅰ16为齿轮旋转轴线，第一驱动装置通过驱动第一连接杆22顶部的齿轮绕旋转杆ⅰ16旋转，从而驱动第一连接杆22相对于实验框架摆动。
39.如图4、图5和图9所示，第一驱动装置包括与第一连接杆22顶部齿轮啮合的第一主动齿轮19、第一蜗轮蜗杆减速器21、第一驱动电机90。第一主动齿轮19通过齿轮连接板ⅰ20与第一蜗轮蜗杆减速器21输出轴连接，实验框架12上固定设置电机固定板ⅰ94，第一驱动电
机90固定在电机固定板ⅰ94上，第一驱动电机90输出轴与第一蜗轮蜗杆减速器21连接，第一驱动电机90尾部装有编码器ⅰ89。
40.第一连接杆22另一端通过旋转杆ⅱ30与水轮机95铰接，水轮机95舱体上方固定设置有水轮机固定板48，水轮机固定板48后端上固定连接轴承座ⅱ26，轴承座ⅱ26内设置轴承ⅱ27，旋转杆ⅱ30一端穿过轴承ⅱ27，另一端穿过第一连接杆22靠近水轮机95的一端，轴承ⅱ27左侧设置轴承挡板ⅱ28，轴承挡板ⅱ28利用螺栓ⅳ29与旋转杆ⅱ30连接，第一连接杆22右侧设置挡板ⅱ23，挡板ⅱ23利用螺栓ⅲ24与旋转杆ⅱ30连接，轴承挡板ⅱ28和挡板ⅱ23用于旋转杆ⅱ30端部的限位，旋转杆ⅱ30上套设有套筒ⅰ25，套筒ⅰ25位于第一连接杆22和轴承ⅱ27之间，用于限定第一连接杆22和轴承ⅱ27之间的距离。
41.如图6所示，第一从动连接杆41一端与实验框架12铰接，实验框架12上固定设置有轴承座ⅲ49，轴承座ⅲ49内设置轴承ⅲ33，旋转杆ⅲ35一端穿过轴承ⅲ33，另一端穿过第一从动连接杆41的一端，轴承ⅲ33左侧放置轴承挡板ⅲ31，轴承挡板ⅲ31利用螺栓
ⅴ
32与旋转杆ⅲ35连接，第一从动连接杆41右侧放置挡板ⅲ36，挡板ⅲ36利用螺栓ⅵ37与旋转杆ⅲ35连接，轴承挡板ⅲ31和挡板ⅲ36用于旋转杆ⅲ35端部的限位。旋转杆ⅲ35上套设有套筒ⅱ46，套筒ⅱ46位于第一从动连接杆41和轴承ⅲ33之间，用于限定第一从动连接杆41和轴承ⅲ33之间的相对距离。
42.第一从动连接杆41另一端与水轮机95铰接，水轮机95舱体上的水轮机固定板48前端上固定连接轴承座ⅳ42，轴承座ⅱ26、轴承座ⅳ42交错排列在水轮机固定板48上，轴承座ⅳ42内设置轴承ⅳ45，旋转杆ⅳ40一端穿过轴承ⅳ45，另一端穿过第一从动连接杆41靠近水轮机的一端，第一从动连接杆41左侧放置挡板ⅳ38，挡板ⅳ38利用螺栓ⅶ39与旋转杆ⅳ40连接，轴承ⅳ42右侧放置轴承挡板ⅳ43，轴承挡板ⅳ43利用螺栓
ⅷ
44与旋转杆ⅳ40连接，挡板ⅳ38和轴承挡板ⅳ43用于旋转杆ⅳ40端部的限位，旋转杆ⅳ40上套设有套筒ⅲ47，套筒ⅲ47位于第一从动连接杆41和轴承ⅳ45之间，用于限定第一从动连接杆41和轴承ⅳ45之间的距离。
43.如图7所示，第二连接杆68一端与实验框架12连接，实验框架12上固定设置有轴承座
ⅴ
53，轴承座
ⅴ
53内放置轴承
ⅴ
54，旋转杆
ⅴ
55一端穿过轴承
ⅴ
54，另一端穿过第二连接杆68的一端，轴承
ⅴ
54左侧放置轴承挡板
ⅴ
52，轴承挡板
ⅴ
52利用螺栓
ⅸ
51与旋转杆
ⅴ
55连接，第二连接杆68右侧放置挡板
ⅴ
56，挡板
ⅴ
56利用螺栓
ⅹ
57与旋转杆
ⅴ
55连接，轴承挡板
ⅴ
52和挡板
ⅴ
56用于旋转杆
ⅴ
55端部的限位。旋转杆
ⅴ
55将第二连接杆68定位于实验框架上，旋转杆
ⅴ
55和旋转杆ⅰ16位于同一高度，第二连接杆68顶部固定设置有齿轮，旋转杆
ⅴ
55为齿轮旋转轴线，第二驱动装置通过驱动第二连接杆68顶部的齿轮绕旋转杆
ⅴ
55旋转，从而驱动第二连接杆68相对于实验框架摆动，第一连接杆22和第二连接杆68的摆动中心位于同一高度。
44.如图8至图10所示，第二驱动装置包括与第二连接杆68顶部齿轮啮合的第二主动齿轮59、第二蜗轮蜗杆减速58、第二驱动电机91。第二主动齿轮59通过齿轮连接板ⅱ50与第二蜗轮蜗杆减速58输出轴连接，实验框架12上固定设置电机固定板ⅱ93，第二驱动电机91固定在电机固定板ⅱ93上，第二驱动电机91输出轴与第二蜗轮蜗杆减速58连接，第二驱动电机91尾部装有编码器ⅱ92。
45.第二连接杆68另一端通过旋转杆ⅵ70与配重块67铰接，配重块67上方固定设置有
重物固定板66，重物固定板66前端上固定连接轴承座ⅵ62，轴承座ⅵ62内设置轴承ⅵ63，旋转杆ⅵ70一端穿过轴承ⅵ63，另一端穿过第二连接杆68靠近配重块的一端，第二连接杆68左侧放置挡板ⅵ69，挡板ⅵ69利用螺栓
ⅺ
60与旋转轴ⅵ70连接，轴承ⅵ63右侧放置轴承挡板ⅵ64，轴承挡板ⅵ64利用螺栓
ⅻ
65与旋转轴ⅵ70连接，第二连接杆68和轴承ⅵ63之间放置套筒ⅳ61。
46.如图11所示，第二从动连接杆83一端与实验框架12铰接，实验框架12上固定设置有轴承座ⅶ71，轴承座ⅶ71内放置轴承ⅶ75，旋转杆ⅶ72一端穿过轴承ⅶ71，另一端穿过第二从动连接杆83的一端，轴承ⅶ75右侧放置轴承挡板ⅶ76，轴承挡板ⅶ76利用螺栓a77与旋转杆ⅶ72连接，第二从动连接杆83右侧放置挡板
ⅷ
73，挡板
ⅷ
73利用螺栓b74与旋转杆ⅶ72连接，旋转杆ⅶ72上套设有套筒
ⅴ
86，套筒
ⅴ
86位于第二从动连接杆83和轴承ⅶ71之间。
47.第二从动连接杆83另一端与配重块67铰接，配重块67上的重物固定板66后端上固定连接轴承座
ⅷ
88，轴承座
ⅷ
88、轴承座ⅵ62交错排列在重物固定板66上，轴承座
ⅷ
88内设置轴承
ⅷ
80，旋转杆
ⅷ
78一端穿过轴承
ⅷ
80，另一端穿过第二从动连接杆83，第二从动连接杆83右侧放置挡板
ⅷ
84，挡板
ⅷ
84利用螺栓c85与旋转轴
ⅷ
78连接，轴承
ⅷ
80左侧放置轴承挡板
ⅷ
81，轴承挡板
ⅷ
81利用螺栓d82与旋转轴
ⅷ
78连接，旋转杆
ⅷ
78上套设有套筒ⅵ87，套筒ⅵ87位于第二从动连接杆83和轴承
ⅷ
80之间。
48.实施例2
49.一种上述实施例中主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置的主动平衡控制方法，如图12所示，包括以下步骤：
50.s1：设置第一连接杆22与第二连接杆68延伸方向竖直向上为初始位置，根据实验需求确定水轮机进入水面深度，调节浮力舱浮力，使水轮机位于目标深度h0；在本实施例中，初始状态下，第一连接杆22与第二连接杆68的摆动中心位于同一深度，配重块与水轮机也位于同一深度，第一连接杆的长度与第二连接杆的长度相同；
51.s2：根据实验条件，选择水轮机实验深度hn，电机ⅰ驱动第一主动齿轮19转动从而控制第一连接杆向前摆动角度θ；当hn＞h时，此时0＜θ＜90
°
，hn＝lcosθ h；当hn＜h时，此时90
°
＜θ＜180
°
，hn＝h-lsinθ，其中，l为第一连接杆的长度，h为第一连接杆摆动中心到水面的距离；
52.s3：第二驱动电机91驱动第二主动齿轮59转动从而控制第二连接杆向后摆动角度α，配重块向后摆动，平衡水轮机的摆动，通过配重块进行微量调节，实现实验装置的主动平衡控制，保证实验装置本身力矩平衡，第二连接杆摆动角度的计算公式为m1glsinθ＝m2glsinα，其中，m1为水轮机整体质量，m2为配重块整体质量；
53.s4：控制推进器推动实验装置，对水轮机进行实验，并记录保存数据；
54.s5：返回步骤s2，改变水轮机实验深度，进行多次实验。