一種俯仰方向轉動的風洞實驗用定日鏡模型的製作方法

2023-12-04 03:20:11

專利名稱：一種俯仰方向轉動的風洞實驗用定日鏡模型的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風洞實驗用定日鏡模型，特別涉及一種俯仰方向可旋轉的風洞實驗用定日鏡模型。
背景技術：
太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年減少、國際能源形勢日趨嚴峻的今天，開發利用太陽能是實現能源供應多元化、保證能源安全的重要途徑之一。 塔式熱發電裝置基本原理是利用眾多的定日鏡，將太陽輻射反射到置於塔上的吸熱器上， 藉助加熱工質產生過熱蒸汽或高溫空氣，驅動發電機組，產生電能。對於一個IOMW規模的太陽能塔式熱發電站，其定日鏡與吸熱器間最大距離可達1公裡，風力作用下定日鏡的微小顫動就可引起反射的太陽光在吸熱器上的較大偏離，因此，在預定風載荷作用下保證定日鏡的高跟蹤精度成為定日鏡設計者的重要考慮因素之一。尤其對於反射面積較大的定日鏡，結構質量較大，結構自振頻率降低，迎風面積大，風荷載成為重要控制荷載。在風洞中對定日鏡的抗風性能進行實驗研究是優化定日鏡結構的必要手段。國外已開展了一些研究， 美國科羅拉多州立大學科研人員在1987年在大氣邊界層風洞中完成了定日鏡場風載荷實驗，驗證了定日鏡場的排列型式對定日鏡所受的風荷載有比較大的影響。1988年到1992 年，Peterka進行了一系列定日鏡風洞實驗研究，提出了一種確定定日鏡結構風荷載的方法。但這些風洞實驗中的定日鏡模型大多是理想化的平板形狀，沒有考慮鏡面的支撐構件對定日鏡整體風效應的影響，也未進行風壓分布和脈動特性測量，得到的數據難以直接指導定日鏡產品的設計。

發明內容
本發明的目的是克服現有風洞實驗用定日鏡模型的缺陷，提供一種可進行俯仰方向轉動的定日鏡模型，並準確模擬定日鏡原型的支撐構件，用於進行模型的測壓和測力實驗。為達到上述目的，本發明的風洞實驗用定日鏡模型由鏡面反射板、轉動裝置、轉動軸、立柱和支撐構件組成。鏡面反射板由兩塊幾何尺寸相同、材質相同的平板有機玻璃拼裝而成，測壓管線封裝於鏡面反射板的兩塊有機玻璃的拼裝處，鏡面反射板的前後表面對稱布置了測壓孔，測壓孔採用均勻布置的方式，前後表面各布置100到150個測壓孔。轉動裝置由定位板和法蘭轉動盤組成，定位板與立柱相聯接，法蘭轉動盤與鏡面反射板和轉動軸相聯接。定位板上加工有一個定位螺栓孔，法蘭轉動盤上加工有刻度槽，在刻度槽上標註0 度到90度之間的刻度，最小刻度單位為5度。定位螺栓孔和刻度槽之間採用定位螺杆聯接， 定位螺杆可在刻度槽內自由滑動。定位板固定不動，法蘭轉動盤和鏡面反射板繞轉動軸在俯仰方向進行旋轉，此時定位螺杆沿著刻度槽的標註刻度進行相應滑動，當定位螺杆滑動到刻度槽的5度刻度時，用螺母將定位螺杆固定，此時的定日鏡模型的俯仰角度就是5度， 以此類推，可以使定日鏡模型在俯仰角度0度和90度之間進行自由旋轉。支撐構件採用有機玻璃製作，在支撐構件和轉動軸之間設置聯接板，在聯接板上穿孔安裝可拆裝的聯接螺栓，將支撐構件和轉動軸聯接為一體，用螺釘在鏡面反射板的壓條上穿孔聯接，將支撐構件和鏡面反射板聯接為一體。通過拆裝螺栓和螺釘，就可將支撐構件做成可拆卸、可組裝的形式。本發明具有如下特點第一，模型採用有機玻璃製作，相比於傳統的鋼鐵結構，有機玻璃具有密度低、易於加工的特徵，可滿足風洞模型測力實驗的要求，即模型剛度較大、 質量相對較輕，材質易於加工且不易變形的要求。第二，測壓管線封裝在兩塊平板之間，可以保證定日鏡模型周圍的風場不受測壓管線的幹擾，保證風洞實驗的精度。第三，鏡面反射板的前後表面前後對稱、均勻布置100-150個測壓孔可保證實驗的準確度，可滿足定日鏡俯仰旋轉和水平旋轉時引起鏡面反射板局部位置出現較大風壓的測量要求，通過分析鏡面反射板前後表面疊加後的淨風壓可得到鏡面風載體型係數，得到有效的定日鏡風荷載計算方法。第四，定日鏡可根據標註刻度在0度到90度之間進行俯仰方向的自由旋轉，並且能夠保證仰角精度，結構簡單，操作簡便。第五，在轉動裝置中分別設置加強螺杆和定位螺杆， 不僅能夠保持仰角固定，而且可以加強立柱、轉動裝置和鏡面反射板的聯接處的剛度，保證在風荷載作用下，聯接處不會產生晃動。第六，將支撐構件做成可拆卸、可組裝的形式，當定日鏡原型的支撐裝置改變時，僅需拆換模型的支撐構件，大大降低了模型的製作費用，減少實驗準備時間，並且可以採用一個定日鏡模型實現模擬多種支撐形式進行風洞實驗。本發明工作過程如下在風洞中模擬定日鏡場所在地的實際風場中，將定日鏡模型安裝在風洞的轉盤中央，將六分力測力天平安裝在模型基座處，將一端聯接模型測壓孔的測壓管線的另一端聯接壓力掃描閥的插口，將壓力掃描閥放置在模型轉動軸的空腔中，在模型右前方的參考高度處安裝熱線風速儀，完成定日鏡風洞實驗的準備工作。定日鏡模型的測試工況包括俯仰旋轉和水平旋轉，其中，模型隨著轉動裝置的轉動，進行O度到90度之間的俯仰旋轉，模型隨著風洞轉盤的轉動，進行0度到180度之間的水平旋轉。模型以水平角的每15度(0-180度)、俯仰角的每10度(0-90度)進行一次測試記錄，每個工況的測試記錄的採樣頻率和採樣時間均滿足模型和原型之間的相似比要求，通過水平角和俯仰角的兩兩組合，定日鏡模型的風洞實驗總計有130個測試工況。啟動風機，產生風場，當風洞模擬風場達到實際風場的湍流度要求和風速要求時， 開啟測試儀器，壓力掃描閥分別記錄130個測試工況的鏡面反射板表面的每個測壓孔的壓力數據，測力天平記錄130個測試工況的模型的六方向分力阻力、側向力、升力、方位力矩、側向力矩和基底傾覆力矩，熱線風速儀記錄實驗過程中的參考高度處的風速和湍流度， 完成定日鏡風洞實驗的全過程。


圖1是定日鏡風洞模型的整體結構示意圖；圖2是鏡面反射板的結構示意圖；圖3是轉動裝置的結構示意圖；圖4是支撐構件的結構示意圖；圖5是圖4A處的局部放大視圖6是圖4B處的局部放大視圖；圖7是定日鏡模型在風洞中進行實驗的示意圖。圖中1鏡面反射板、2轉動裝置、3轉動軸、4立柱、5支撐構件、6加強螺杆、7定位螺杆、8法蘭轉動盤、9定位板、10託板、11壓條、12測壓孔、13反射板的正立面平板、14反射板的背立面平板、15轉動軸和支撐構件的聯接板、16聯接板的聯接螺栓、17支撐構件和反射板的聯接螺釘、18測壓管線、19刻度槽、20定日鏡風場模擬裝置、21風洞轉盤、22定日鏡模型、23熱線風速儀。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。本發明實施例是塔式太陽能發電系統中的100平方米的矩形定日鏡的風洞模型。本發明的整體結構如圖1所示。可進行仰角旋轉的定日鏡風洞模型由鏡面反射板 1、轉動裝置2、轉動軸3、立柱4和支撐構件5構成，上述五部分構件均採用有機玻璃製作。 立柱4和轉動軸3的中心線垂直相交。立柱4的上端安裝託板10，轉動裝置2安裝在託板 10的上端。轉動裝置2由定位板9和法蘭轉動盤8組成，定位板9與立柱4相聯接。法蘭轉動盤8與鏡面反射板1和轉動軸3相聯接，轉動軸3分為左右對稱的兩部分，分別通過法蘭轉動盤8聯接在轉動裝置2的兩側。鏡面反射板1分別同轉動軸3和法蘭轉動盤8相連， 與法蘭轉動盤8同步進行仰角旋轉。多個相互平行的支撐構件5等距離分布並垂直聯接在轉動軸3和鏡面反射板1上，支撐構件5做成可拆卸、可組裝的形式。圖2所示為鏡面反射板1的結構示意圖。如圖2a、圖2b所示，鏡面反射板1由兩塊幾何尺寸相同、材質相同的平板有機玻璃13和14拼裝而成，測壓管線18封裝於鏡面反射板1的兩塊平板有機玻璃13和14的拼裝處，鏡面反射板1的前後表面對稱布置測壓孔 12，例如，在本實施例中，兩塊平板各布置144個測壓孔，測壓孔以16行X9列的形式分布。 每個測壓孔12連接一條測壓管線18。在兩塊平板有機玻璃13和14之間設置壓條11，分別在壓條11的多個位置安裝螺釘17，將平板有機玻璃13和14鉚接在一起，將鏡面反射板 1和支撐構件5鉚接在一起。在鏡面反射板1的背面開縫，開縫位置位於鏡面反射板1和轉動軸3的聯接處，使得封裝在兩塊平板13和14之間的測壓管線18能夠從縫隙處穿出鏡面反射板1，連接到壓力掃描閥上，壓力掃描閥放置在轉動軸3的空腔中。圖3所示為轉動裝置2的結構示意圖。轉動裝置2由定位板9和法蘭轉動盤8構成，定位板9位於法蘭轉動盤8內側，與立柱4相聯接，法蘭轉動盤8與鏡面反射板1和轉動軸3相聯接。定位板9上加工有一個定位螺栓孔，法蘭轉動盤8上加工有刻度槽19，在刻度槽19上標註0度到90度之間的刻度，最小刻度單位為5度。定位螺栓孔和刻度槽19之間採用定位螺杆7聯接，定位螺杆7可在刻度槽19內自由滑動。定位板9固定不動，法蘭轉動盤8和鏡面反射板1繞轉動軸3在俯仰方向進行旋轉，此時定位螺杆7沿著刻度槽19 的標註刻度進行相應滑動，當定位螺杆7滑動到刻度槽19的5度刻度時，用螺母將定位螺杆7固定，此時的定日鏡模型的俯仰角度就是5度，以此類推，可以使定日鏡模型在俯仰角度0度和90度之間進行自由旋轉。在轉動裝置2上設置加強螺杆6，用螺母擰緊固定，用於加強立柱4、轉動裝置3和鏡面反射板2的聯接處的剛度。圖4所示為支撐構件5的結構示意圖。支撐構件5採用有機玻璃製作，在支撐構件5和轉動軸3之間設置聯接板15，在聯接板15上穿孔，安裝可拆裝的聯接螺栓16，將支撐構件5和轉動軸3聯接為一體，見圖5所示。鏡面反射板1內設置有壓條11，用螺釘17 在壓條11上穿孔，將支撐構件5和鏡面反射板1聯接為一體，見圖6所示。通過拆裝螺栓 16和螺釘17，就可將支撐構件5做成可拆卸、可組裝的形式。 圖7所示為定日鏡模型在風洞中進行實驗的示意圖。在風洞中模擬定日鏡場所在地的實際風場，布設定日鏡的風場模擬裝置20，將定日鏡模型22安裝在風洞的轉盤21的中央，將六分力測力天平安裝在模型基座處，將六分力測力天平的一端聯接模型測壓孔12的測壓管線18，六分力測力天平的另一端聯接壓力掃描閥的插口，將壓力掃描閥放置在模型轉動軸3的空腔中。在模型22的右前方的參考高度處安裝熱線風速儀23，完成定日鏡風洞實驗的準備工作。工作時，啟動風機，產生風場，當風洞模擬風場達到實際風場的湍流度要求和風速要求時，開啟測試儀器，壓力掃描閥記錄鏡面反射板1表面的每個測壓孔12的壓力數據，六分力測力天平記錄模型的六方向分力阻力、側向力、升力、方位力矩、側向力矩和基底傾覆力矩，熱線風速儀23記錄參考高度處的風速和湍流度，完成定日鏡風洞實驗的全過程。
權利要求
1.一種俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於所述的定日鏡模型由鏡面反射板(1)、轉動裝置O)、轉動軸(3)、立柱(4)和支撐構件(5)組成；所述的立柱⑷和轉動軸C3)的中心線垂直相交，轉動裝置( 位於立柱(4)的上端；轉動軸C3)分為左右對稱的兩部分，所述的兩部分分別聯接在轉動裝置O)的兩側；鏡面反射板(1)同轉動軸(3) 和轉動裝置( 相連，鏡面反射板(1)同轉動軸( 和轉動裝置O)同步進行仰角旋轉；多個相互平行的支撐構件(5)等距離分布並垂直聯接在轉動軸(3)和鏡面反射板(1)上；支撐構件( 通過聯接螺栓(16)和轉動軸( 聯接為一體；支撐構件( 通過聯接螺栓(17) 和鏡面反射板(1)聯接為一體。
2.按照權利要求1所述的俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於所述的鏡面反射板(1)由兩塊幾何尺寸相同、材質相同的平板有機玻璃(13、14)拼裝而成，測壓管線(18)封裝於鏡面反射板(1)的兩塊有機玻璃(13、14)的拼裝處，鏡面反射板(1)的前後表面均勻對稱布置有測壓孔(12)。
3.按照權利要求1所述的俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於所述的轉動裝置O)由定位板(9)和法蘭轉動盤(8)組成，定位板(9)與立柱(4)相聯接，法蘭轉動盤(8)與鏡面反射板(1)和轉動軸( 相聯接；定位板(9)上加工有定位螺栓孔，法蘭轉動盤⑶上加工有刻度槽(19)，在刻度槽(19)上標註0度到90度之間的刻度；所述的定位螺栓孔和刻度槽(19)之間採用定位螺杆(7)聯接。
4.按照權利要求3所述的俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於所述的定位螺杆(7)在刻度槽(19)內自由滑動，所述的定位板(9)固定不動，所述的法蘭轉動盤 ⑶和鏡面反射板⑴繞轉動軸⑶在俯仰方向旋轉，此時定位螺杆⑵沿著刻度槽(19) 的標註刻度進行相應滑動，用螺母將定位螺杆⑵固定，定位螺杆(7)所在的刻度就是定日鏡模型的俯仰角度。
5.按照權利要求1所述的俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於在所述的支撐構件( 和轉動軸( 之間設置聯接板(15)，聯接板(1 上安裝可拆裝的聯接螺栓(16)，將支撐構件( 和轉動軸C3)聯接為一體；用螺釘(17)在鏡面反射板(1)的壓條 (11)上穿孔聯接，將支撐構件(5)和鏡面反射板⑴聯接為一體；拆裝螺栓(16)和螺釘 (17)，便能拆卸、組裝支撐構件(5)。
6.按照權利要求1所述的俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，其特徵在於所述的鏡面反射板⑴、轉動裝置⑵、轉動軸⑶、立柱⑷和支撐構件(5)均採用有機玻璃製作。
全文摘要
一種俯仰方向轉動風洞實驗用定日鏡模型，由鏡面反射板(1)、轉動裝置(2)、轉動軸(3)、立柱(4)和支撐構件(5)組成，所述各組成部件採用有機玻璃製作。鏡面反射板(1)由平板(13)和(14)拼裝而成，鏡面反射板(1)的前後表面均勻對稱布置測壓孔(12)，進行風壓分布和脈動特性測量。轉動裝置(2)由定位板(9)和法蘭轉動盤(8)構成，定位板(9)的定位螺栓孔和法蘭轉動盤(8)的刻度槽(19)之間採用定位螺杆(7)聯接，定位螺杆(7)在刻度槽(19)的0度和90度之間自由滑動，從而帶動模型的俯仰旋轉。支撐構件(5)做成可拆換的形式。
文檔編號G02B1/04GK102175422SQ201110059109
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月11日 優先權日2011年3月11日
發明者宮博, 張劍寒, 王志峰, 白鳳武, 臧春城 申請人:中國科學院電工研究所