CN105403588A - 一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，包括可模拟结冰环境和融冰环境的人工气候室，人工气候室内设有测试试验台，所述测试试验台包括中心转轴，所述中心转轴上固定连接有多个连接杆，所述连接杆的端部用于安装涂料测试样板，所述涂料测试样板具有与风机叶片一致的翼型剖面，多个涂料测试样板沿以中心转轴轴心为圆心的径向圆周均匀设置；所述测试系统还包括用于安装在所述涂料测试样板上的结冰传感器和温度传感器，以及用于安装在所述中心转轴上的重量传感器。本发明还提供了应用上述测试系统评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试方法。本发明试验投入成本低，试验结果准确可靠，可全面、真实地反映叶片抗冰冻涂料的性能。

Description

一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统及方法
技术领域
本发明涉及风电叶片技术领域，特别是涉及一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统及方法。
背景技术
我国中、南部地区冬季温度低、湿度高，多冻雨、雾凇等结冰气候，风电叶片在此种冰冻环境下极易发生结冰。风轮叶片结冰后会造成风电机组发电量降低甚至停机，结冰后叶片的质量不平衡会造成塔筒底部的疲劳损伤增强，旋转叶片上冰块从高空甩落会产生危害隐患，因此叶片的冰冻问题亟待解决。在此背景下，国内外在风电叶片抗冰冻领域进行广泛研究，其中在风电叶片表面涂覆防冰涂料是重要的技术解决方案。防冰涂料可以明显延缓冰层在叶片上形成和富集，并可以降低冰层与叶片表面的附着力，进而提高叶片的抗冰冻能力。
风电叶片的结冰行为大部分发生在风轮转动的过程中，过冷水滴或冻雨击打低温叶片表面，水滴转化为冰层并覆盖在叶片表面上。结冰后叶片的气动外形发生变化，导致风机出力不足而停机。在太阳光照、风载、振动等条件下，冰层发生脱粘行为，从叶片表面脱落。防冰涂料抗冰冻性能测试应对涂料的结冰行为和冰层脱粘行为进行全过程测试，依据在全过程中的性能表现综合评价防冰涂料的抗冰冻性能。
在防冰涂料的研发和应用过程中，防冰涂料抗冰冻性能的测试方法是十分重要的。由于结冰环境和叶片运行状态十分复杂，目前防冰涂料抗冰冻性能的测试方法尚无规范可循，已有的测试方法主要包括测试常温和低温条件下涂料表面与水滴的接触角和滚动角，测量静止涂料表面的结冰阻滞时间，测量静止涂料表面与冰层的剪切粘附力。然而这些方法基本针对防冰涂料的某一性能进行测试，无法全面、真实地测量防冰涂料的抗冰冻性能。在飞机结冰适航领域多采用冰风洞进行结冰测试，但冰风洞需要建设较复杂的供风系统，设备投资巨大，试验费用高，因此，亟待创设一种试验费用低，试验结果准确度高，可全面、真实反映涂料性能，适合进行风电叶片涂料防冰性能的测试系统及方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，造价成本低，试验结果准确可靠，可全面、真实地反映涂料性能，适合进行风电叶片涂料防冰性能测试。
本发明的又一个目的是提供应用上述测试系统评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，包括可模拟结冰环境和融冰环境的人工气候室，所述人工气候室内设有测试试验台，所述测试试验台包括中心转轴，所述中心转轴上固定连接有多个连接杆，所述连接杆的端部用于安装涂料测试样板，所述涂料测试样板具有与风机叶片一致的翼型剖面，多个涂料测试样板沿以所述中心转轴轴心为圆心的径向圆周均匀设置；所述测试系统还包括用于安装在所述涂料测试样板上的结冰传感器和温度传感器，以及用于安装在所述中心转轴上的重量传感器。
作为进一步地改进，所述结冰传感器安装在所述涂料测试样板的翼型前缘，所述温度传感器安装在所述涂料测试样板的翼型后缘，所述重量传感器安装在所述中心转轴的轴心处。
所述涂料测试样板为三个，三个涂料测试样板分别通过连接杆与所述中心转轴连接并随之转动。
所述涂料测试样板与所述连接杆之间的角度可调。
所述涂料测试样板包括基板和可分离式安装在所述基板上用于喷覆待测涂料的外表层。
所述测试试验台还包括用于驱动所述中心转轴的调速电机。
所述人工气候实验室内设有多个环境模拟系统，包括温度调节系统、湿度调节系统、送风系统、气压调节系统、过冷液滴生成和雨水喷淋系统以及氙灯辐照系统。
所述人工气候实验室内还安装有摄像监控系统。
还包括PLC控制系统，所述PLC控制系统连接并控制所述人工气候室，并监测所述结冰传感器、温度传感器及重量传感器的采集信号。
应用所述的测试系统评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试方法，包括以下步骤：A.利用所述人工气候室模拟结冰环境；B.启动所述测试试验台，使所述中心转轴带动涂覆有待测涂料的涂料测试样板旋转C.通过获取所述涂料测试样板的结冰阻滞时间、冰层面积、冰层重量、冰层厚度参量评估待测涂料的抗结冰能力；D.利用所述人工气候室模拟融冰环境；E.通过获取所述涂料测试样板上的冰层脱粘时间评估待测涂料与冰层的脱粘能力。
由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
本发明评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统投入费用低，可有效、准确的实现涂料抗冰冻性能动态测试。应用所述测试系统评估风电叶片涂料抗冰冻性能的方法作为涂料抗冰冻性能的动态测试方法，可以在模拟真实的结冰环境和叶片运动状态情况下，评估叶片涂料的抗结冰能力，并且，可模拟融冰环境，评估待测涂料与冰层的脱粘能力，从而综合测量防冰涂料的抗冰冻性能，试验结果准确，可全面、真实反映涂料性能。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统结构示意图。
图2是测试试验台上涂料测试样板的安装结构示意图。
图3是测试试验台的控制流程图。
具体实施方式
根据冰层在叶片涂料表面上的结冰行为和脱粘行为，本发明提出一种在模拟自然环境下的叶片涂料抗冰冻能力的全过程测试系统及方法，可用于评价抗冰冻涂料的结冰行为和冰层脱粘行为，从而全面、真实地测量防冰涂料的抗冰冻性能。
请参阅图1所示，本发明提供一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，包括一套人工气候室1，该人工气候室1可以模拟自然状态下实际的结冰环境和融冰环境。人工气候室1内设有多个环境模拟系统，所述环境模拟系统包括送风和温度调节系统11、过冷液滴生成和雨水喷淋系统12、湿度调节系统13、气压调节系统14、氙灯辐照系统15。通过设置上述环境模拟系统，人工气候室1可控的气候参数包括温度、湿度、风速、气压、降雨量、过冷液滴尺寸、液态水含量、太阳光照等，可以更真切地模拟大自然实际的结冰环境和融冰环境。此外，人工气候室1内还安装一套高清摄像监控系统16，可以实时监测和记录室内情况。
作为一种具体的实施例，所述人工气候室的主要技术参数可设置如下：
1.温度范围：-50℃-10℃
2.湿度范围：40％RH-95％RH
3.风速范围：0-30m/s
4.气压范围：0.8-1.1bar
5.雨量范围：0-5L/min
6.过冷液滴粒径：20μm-300μm
7.液态水含量：0.1-5g/m3
8.太阳光照：氙灯提供全光谱太阳光，使用特殊滤光片，产生光谱符合多种曝晒标准，辐照度强度范围：0.55-0.25w/m2，控制点：300-400nm。
请配合参阅图2所示，本发明的测试系统还包括安装在人工气候室1内部的测试试验台2，测试试验台2包括中心转轴23，所述中心转轴23上固定连接有多个连接杆21，所述连接杆21的端部用于安装涂料测试样板22。多个涂料测试样板22沿以中心转轴23轴心为圆心的径向圆周均匀设置。
所述中心转轴23通过调速电机驱动，所述涂料测试样板22可在调速电机的带动下随中心转轴23在水平面圆周旋转。优选地，所述涂料测试样板22设为3个，也可以成倍增加数量如6个。每个涂料测试样板22各自通过连接杆21与所述中心转轴23连接并随之转动。连接杆21可制成配套的金属连接工装。优选地，调速电机的转速范围选择0-8000r/min，涂料测试样板22中心距离中心转轴23的轴心1000mm，通过控制调速电机转速，涂料测试样板22中心区域的转速为0-100m/s。为防止调速电机在结冰环境中存在电气安全风险，需要在电机外安装保护壳，并具备较高的电气安全等级。
所述涂料测试样板22具有与风机叶片一致的翼型剖面，如可设置为常用的DACA系列翼型和DU系列翼型等。涂料测试样板22的材质优选玻璃钢复合材料材质或金属材质，如不锈钢等。测试时，待测涂料涂覆在涂料测试样板22的外表面。作为具体的实施例，可将所述涂料测试样板22制成内部基板加外部表层的结构，即用于喷覆待测涂料的外表层可分离式安装在所述基板上，这样基板可多次使用，而外表层能够去除更换，节约材料。也可以直接制成具有涂料层的标准测试样件，一次测试使用后不再使用。
所述涂料测试样板22上安装结冰传感器25和温度传感器24，所述中心转轴23上安装重量传感器26。结冰传感器25安装在涂料测试样板22上，可以检测样板是否结冰，并调用探测冰层厚度。温度传感器24安装在涂料测试样板22上，可以检测样板表面温度。重量传感器26安装在中心转轴23上，可以探测结冰过程中的重量变化。实施时，结冰传感器25位于叶片前缘这一重点结冰区，温度传感器24可以位于翼型后侧。重量传感器26一般安装在轴心，可以测量每个涂料测试样板22的重量变化，以及总的重量变化。
此外，涂料测试样板22与连接杆21的相对角度可以通过手动或电动马达控制，进而调节涂料测试样板22与风速、过冷液滴、雨流方向之间的攻角，进而用于评估不同攻角下该翼型涂料测试样板22的结冰情况。
请配合参阅图3所示，本发明的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统还包括PLC控制系统，用于监控所述人工气候室1及所述试验测试台2等。如人工气候室1的气候参数，测试试验台2的转速，结冰传感器25、温度传感器24及重量传感器26的采集信号等可以通过PLC控制系统进行控制和监测，进一步地，还可配置于所述PLC控制器连接的PC上位机，通过组态软件监控系统进行试验控制和监测。
由于采用了以上技术方案，应用上述的测试系统可以在模拟真实的结冰环境和叶片运动状态情况下，测试叶片涂料的抗结冰能力，还可以在模拟融冰环境下，通过测试涂料测试样板22上的冰层脱粘时间评估涂料与冰层之间的脱粘能力。在模拟结冰环境中，所述测试试验台2作为结冰测试单元，涂料测试样板22高速旋转的条件下，通过涂料测试样板22的结冰阻滞时间、冰层面积、冰层重量、冰层厚度等参量评估涂料的抗结冰能力，在模拟太阳光照、风载环境下，所述测试试验台2作为融冰测试单元，通过测试涂料样板22上的冰层脱粘时间评估涂料与冰层之间的脱粘能力。通过分析以上性能，实现对涂料抗冰冻能力的综合、全面评估。
以下结合附图1、2、3，对上述测试过程做具体介绍：在人工气候室1形成的结冰气候环境中，调速电机带动涂料测试样板22围绕中心转轴23轴心旋转，涂料测试样板22表面发生结冰。结冰传感器25和高清摄像监控系统16可以检测和监控涂料测试样板22的结冰情况，并给出结冰信号。PLC控制系统可以控制结冰气候的各项气候参数和调速电机转速，并采集结冰探测器25和高清摄像监控系统16的数据信号。相关数据信号由安装在PC机中的组态软件进行实施监控和动态显示，并储存在数据库中。组态软件可以建立结冰气候参数、样板转速和结冰情况的关系，便于对涂料抗冰性能的评估。涂料测试样板22可以更换不同翼型，并通过控制测试试验台2的旋转速度，模拟风电叶片的不同位置区域在不同转速下的结冰情况。通过PLC控制系统和组态软件监控系统建立结冰环境、叶片转速、结冰情况的对应关系，并建立数据库。
叶片结冰后叶片的气动效率显著下降，并最终导致风机停止运行。在阳光辐照的环境中，叶片上冰层受热融化脱落后，风机才能够重新运行。为模拟融冰过程中冰层在涂料表面的脱粘过程，可利用本发明的测试系统模拟自然融冰环境，如阳光辐照、风载条件下，测试样件表面的冰层脱粘情况。具体地，通过调节人工气候室1内的氙灯辐照系统15、送风和温度调节系统11，模拟自然光照和无冰冻环境，通过测量涂料测试样板22上的冰层脱粘时间来评估涂料与冰层的脱粘性能。
上述的两种试验环境依据自然环境设定，使用有代表性且相同的环境参数，可保证不同涂料产品之间的可对比性。如在相同外界条件下对比不同涂料测试样板22的结冰面积、结冰厚度、结冰重量、结冰阻滞时间等结冰行为，可以准确的评估不同防冰涂料的抗冰冻能力，评估结果可全面、真实反映涂料性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，包括可模拟结冰环境和融冰环境的人工气候室，所述人工气候室内设有测试试验台，所述测试试验台包括中心转轴，所述中心转轴上固定连接有多个连接杆，所述连接杆的端部用于安装涂料测试样板，所述涂料测试样板具有与风机叶片一致的翼型剖面，多个涂料测试样板沿以所述中心转轴轴心为圆心的径向圆周均匀设置；所述测试系统还包括用于安装在所述涂料测试样板上的结冰传感器和温度传感器，以及用于安装在所述中心转轴上的重量传感器。
2.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述结冰传感器安装在所述涂料测试样板的翼型前缘，所述温度传感器安装在所述涂料测试样板的翼型后缘，所述重量传感器安装在所述中心转轴的轴心处。
3.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述涂料测试样板为三个，三个涂料测试样板分别通过连接杆与所述中心转轴连接并随之转动。
4.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述涂料测试样板与所述连接杆之间的角度可调。
5.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述涂料测试样板包括基板和可分离式安装在所述基板上用于喷覆待测涂料的外表层。
6.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述测试试验台还包括用于驱动所述中心转轴的调速电机。
7.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述人工气候实验室内设有多个环境模拟系统，包括温度调节系统、湿度调节系统、送风系统、气压调节系统、过冷液滴生成和雨水喷淋系统以及氙灯辐照系统。
8.根据权利要求1所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，所述人工气候实验室内还安装有摄像监控系统。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试系统，其特征在于，还包括PLC控制系统，所述PLC控制系统连接并控制所述人工气候室，并监测所述结冰传感器、温度传感器及重量传感器的采集信号。
10.应用权利要求1-9中任一项所述的测试系统评估风电叶片涂料抗冰冻性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.利用所述人工气候室模拟结冰环境；
B.启动所述测试试验台，使所述中心转轴带动涂覆有待测涂料的涂料测试样板旋转；
C.通过获取所述涂料测试样板的结冰阻滞时间、冰层面积、冰层重量、冰层厚度参量评估待测涂料的抗结冰能力；
D.利用所述人工气候室模拟融冰环境；
E.通过获取所述涂料测试样板上的冰层脱粘时间评估待测涂料与冰层的脱粘能力。
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