CN110608138B - 风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统及操作方法，所述系统针对叶片面载的特点设计，包括：动力传动系统、支撑系统、检测控制系统和安全保障系统。动力传动系统包含电源、开关控制器、气泵和气囊；支撑系统包含主支撑钢架、传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢和叶片装载装置；检测控制系统包含激光传感器、PLC控制箱和PC机；安全保障系统包含机械安全保障系统和电气安全保障系统。本发明能够实现对实际风力机叶片工作载荷的加载，通过检测控制系统调节各个加载区域的载荷量值，实现对结构加载的控制，具有结构简单，有效实用，安装方便等优点，可满足风力机叶片实尺寸结构模拟风力的加载。

Description

风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统及操作方法

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统及操作方法，属于叶片载荷模拟试验领域。

背景技术

随着常规能源的日渐消耗和全球生态环境恶化情况的日益加重，风能作为一种无污染可再生的新能源有着巨大的发展潜力，不管是对于风能资源丰富沿海城市，原始山区及广阔草原等，还是对于因交通不便电网发展缓慢的偏远农村边疆，都有着十分重要的意义。现在叶片疲劳性能很难通过单纯计算得到，主要原因有下面三点：(1)叶片材料性质特殊；(2)叶片结构工艺复杂(3)叶片工作环境恶劣。想要对设计叶片进行可靠性确认，目前只有进行全尺寸叶片的疲劳测试。国际上的风电技术发达国家的相关科研机构大都建有大型叶片检测平台，疲劳加载试验主要采用液压直接加载和偏心块加载模式。近几年国内风电叶片疲劳检测技术发展较快，叶片检测已形成外资企业、民营企业、研究院所等多元化的形式。偏心块加载试验是叶片疲劳检测常用的加载方法之一，具有设备成本低、节省能量、试验时间短等优点。所以现有的测试系统大部分均基于偏心块加载方式设计一套风力机叶片摆锤共振疲劳加载系统。通过电机驱动偏心块旋转实现叶片的相同幅度振动。这种加载方式一定程度上还原了叶片结构实际受载时的应力应变状态。但这种测试系统也存在着许多局限性，例如工作时叶片实际受载是表面流场作用的面载，而摆锤共振系统提供的载荷相对叶片尺寸来说属于点载，作用载荷形式不同的问题目前还没有较为明确的解决办法。

发明内容

本发明的目的是为了能够给叶片疲劳加载试验提供一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统及操作方法，能够实现对风力机叶片实尺寸工作状态下的表面进行模拟风力加载。

本发明采用的技术方案为：一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统，包括动力传动系统、支撑系统、检测控制系统和安全保障系统；

所述支撑系统包括主支撑钢架、传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢架和叶片夹具；所述主支撑钢架通过高强度螺栓一固定在地面上，主支撑钢架上部分通过高强度螺栓二连接传动系统支撑钢板，主支撑钢架下部分通过高强度螺栓三连接叶片支撑L型角钢架，所述叶片夹具通过销钉固定在叶片支撑L型角钢架上；

所述动力传动系统包括电源、开关控制器、气泵和气囊；所述电源和气泵都通过螺栓连接的方式固定在传动系统支撑钢板侧面，所述气囊安装在传动系统支撑钢板下边；在参考叶片表面流场特征后需要进行分区处理。

所述检测控制系统包括激光传感器、PLC控制箱和PC机；所述PLC控制箱和PC机在主支撑钢架的侧面；

所述PC机一个端口通过导线连接PLC控制箱，PLC控制箱通过导线连接电源，电源通过导线连接开关控制器控制气泵工作，气泵通过软管连接气囊，所述PC机另一个端口通过导线连接安放在叶片支撑L型角钢架下部上的激光传感器；激光传感器采集叶片受载时的频率信号传递给PC机，该信号作为载荷变化的控制信号。

所述安全保障系统包括机械安全保障系统和电气安全保障系统，所述机械安全保障系统包括安全架和尼龙网，所述电气安全保障系统包括电压保护装置、电流保护装置、通信故障显示装置和紧急停止装置。

作为优选，所述支撑系统材料选用钢材，主要结构包括主支撑钢架、传动系统支撑钢板和叶片支撑L型角钢架构成。考虑到主支撑钢架需要承载整个加载系统的反作用力，因此主支撑钢架的设计要求需具备足够的刚度，保证试验加载过程的安全，并减小结构自身变形对加载系统所施加载荷的影响。主支撑钢架可由多个简单外形的钢材，通过高强度螺栓连接而成，方便加工。传动系统支撑钢板和叶片支撑L型角钢架分别需要承载动力传动系统和叶片装载装置(包含固定的测试叶片)，前者仅需要满足强度要求，对刚度要求不是很高，后者为提高测试精度，对刚度也具备一定要求。传动系统支撑钢板和叶片支撑L型角钢架均通过高强度螺栓与主支撑钢架连接，加垫圈设规定预紧力，保证加载系统的稳定性和可靠性。

上述风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统的操作方法，包括以下步骤：

1)根据风力机实际工作时的风载量值确定传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的材料的承载极限，其中叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的加工材料在满足强度要求的前提下，为了提高测试数据的准确性，还应该满足刚度要求；支撑系统满足测试要求的情况下，加载系统将根据激光传感器采集的叶片振动频率信号，对系统施加的载荷进行控制；

2)加载时首先通过PC机给定一个初始信号，系统开始加载；加载过程中，激光传感器采集叶片振动频率信号，并与PC机内预设的叶片正常工作实际振动频率作对比，不断发出调节指令使加载量值到达到对叶片形成相同振动频率的载荷值；

3)加载载荷由气囊提供，PLC控制箱控制不同区域气囊内部的气压，实现非均布面载的效果；

叶片工作时，表面风力加载的方式为面载，气囊施加载荷的加载方式能满足这一加载形式，考虑到测试叶片工作时表面载荷的差异性，需要对施加载荷的气囊进行分区处理，不同区域连接不同的气泵，这样根据PLC控制系统传来的不同控制信号，实现不同区域内不同气压，从而达到施加不同分布载荷的目的；试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为开始为气泵提供工作能量；不同区域的气囊均连接一个气泵，每个气泵均实现正反转，正转鼓气，气囊施加的载荷增加，反转抽气，气囊施加的载荷减小，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号；

4)以上述步骤反复循环直至振动频率信号达到预设正常值，实现模拟风力加载的效果，控制系统形成闭环系统。

作为优选，所述步骤3)中在测试精度要求相对不高的情况下，气囊施加载荷的表面处理不做要求，在测试精度要求较高的情况下，需要先对叶片工作时的表面流场做充分的分析，然后根据分析报告对气囊表面进行特殊加工，从而实现更好的模拟效果。

综上，本发明提供了一种适用于风力机叶片实尺寸结构具备较强通用性和实用性的模拟风力加载系统，该加载系统工作模块包括动力传动系统、支撑系统和检测控制系统三大部分，外加起安全辅助作用的安全保障系统。动力传动系统主要起加载作用，主要包括电源、气泵和气囊；支撑系统主要起支撑连接作用，包括主支撑钢架、传动系统支撑钢板、L型角钢和叶片夹具；检测控制系统主要起调节控制作用，主要包括PC机、PLC控制箱和激光传感器。本发明能够实现对实际风力机叶片工作载荷的加载，通过检测控制系统调节各个加载区域的载荷量值，实现对结构加载的控制，具有结构简单，有效实用，安装方便等优点，可满足风力机叶片实尺寸结构模拟风力的加载。

本发明的有益效果：本发明试验装置的各零部件采用工厂规格化定制，采用现场高强度螺栓连接方式固定连接，试验装置安装速度快。本发明能够根据测试叶片的型号自由选择叶片的装载装置的长度和加载装置的面积，通过PLC控制系统控制变载，使通过本发明模拟的风力加载，具有较强的普遍性和通用性的技术特点。本发明可以通过改变加载气囊的加载面积以及它内部的压强实现结构表面加载的可控性和准确性，即本发明通过参考测试叶片型号合理安排加载气囊的加载位置分布，通过参考激光传感器反馈的频率信号控制加载装置所施加载荷的量值来实现模拟设计风载加载，针对叶片表面流场特点，加载气囊进行分区处理，每个加载区域的负载，由传感器测量反馈方法得到，再由PLC控制系统控制实现。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明PC机和PLC控制箱安装示意图；

图4为本发明电源和气泵安装示意图；

图5为本发明激光传感器安装示意图；

图6为本发明叶片夹具示意图。

图中：1电源；2气泵；3传动系统支撑钢板；4气囊；5主支撑钢架；6高强度螺栓二；7高强度螺栓三；8 PC机；9 PLC控制箱；10叶片支撑L型角钢架；11销钉；12激光传感器；13叶片夹具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-6所示，一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统，包括动力传动系统、支撑系统、检测控制系统和安全保障系统；

所述支撑系统包括主支撑钢架5、传动系统支撑钢板3、叶片支撑L型角钢架10和叶片夹具13；所述主支撑钢架5通过高强度螺栓一固定在地面上，主支撑钢架5上部分通过高强度螺栓二6连接传动系统支撑钢板3，主支撑钢架5下部分通过高强度螺栓三7连接叶片支撑L型角钢架10，所述叶片夹具13通过销钉11固定在叶片支撑L型角钢架10上；

所述动力传动系统包括电源1、开关控制器、气泵2和气囊4；所述电源1和气泵2都通过螺栓连接的方式固定在传动系统支撑钢板3侧面，所述气囊4安装在传动系统支撑钢板3下边；在参考叶片表面流场特征后需要进行分区处理。

所述检测控制系统包括激光传感器12、PLC控制箱9和PC机8；所述PLC控制箱9和PC机8在主支撑钢架5的侧面；

所述PC机8一个端口通过导线连接PLC控制箱9，PLC控制箱9通过导线连接电源1，电源1通过导线连接开关控制器控制气泵2工作，气泵2通过软管连接气囊4，所述PC机8另一个端口通过导线连接安放在叶片支撑L型角钢架10下部上的激光传感器12；激光传感器12采集叶片受载时的频率信号传递给PC机8，该信号作为载荷变化的控制信号。

所述安全保障系统包括机械安全保障系统和电气安全保障系统，所述机械安全保障系统包括安全架和尼龙网，所述电气安全保障系统包括电压保护装置、电流保护装置、通信故障显示装置和紧急停止装置。

所述支撑系统材料选用钢材，主要结构包括主支撑钢架5、传动系统支撑钢板3和叶片支撑L型角钢架10构成。考虑到主支撑钢架5需要承载整个加载系统的反作用力，因此主支撑钢架5的设计要求需具备足够的刚度，保证试验加载过程的安全，并减小结构自身变形对加载系统所施加载荷的影响。主支撑钢架5可由多个简单外形的钢材，通过高强度螺栓连接而成，方便加工。传动系统支撑钢板3和叶片支撑L型角钢架10分别需要承载动力传动系统和叶片装载装置(包含固定的测试叶片)，前者仅需要满足强度要求，对刚度要求不是很高，后者为提高测试精度，对刚度也具备一定要求。传动系统支撑钢板3和叶片支撑L型角钢架10均通过高强度螺栓与主支撑钢架5连接，加垫圈设规定预紧力，保证加载系统的稳定性和可靠性。

上述风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统的操作方法，包括以下步骤：

1)根据风力机实际工作时的风载量值确定传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的材料的承载极限，其中叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的加工材料在满足强度要求的前提下，为了提高测试数据的准确性，还应该满足刚度要求；支撑系统满足测试要求的情况下，加载系统将根据激光传感器采集的叶片振动频率信号，对系统施加的载荷进行控制；

2)加载时首先通过PC机给定一个初始信号，系统开始加载；加载过程中，激光传感器采集叶片振动频率信号，并与PC机内预设的叶片正常工作实际振动频率作对比，不断发出调节指令使加载量值到达到对叶片形成相同振动频率的载荷值；

3)加载载荷由气囊提供，PLC控制箱控制不同区域气囊内部的气压，实现非均布面载的效果；

叶片工作时，表面风力加载的方式为面载，气囊施加载荷的加载方式能满足这一加载形式，考虑到测试叶片工作时表面载荷的差异性，需要对施加载荷的气囊进行分区处理，不同区域连接不同的气泵，这样根据PLC控制系统传来的不同控制信号，实现不同区域内不同气压，从而达到施加不同分布载荷的目的；试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为开始为气泵提供工作能量；不同区域的气囊均连接一个气泵，每个气泵均实现正反转，正转鼓气，气囊施加的载荷增加，反转抽气，气囊施加的载荷减小，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号；在测试精度要求相对不高的情况下，气囊施加载荷的表面处理不做要求，在测试精度要求较高的情况下，需要先对叶片工作时的表面流场做充分的分析，然后根据分析报告对气囊表面进行特殊加工，从而实现更好的模拟效果。

4)以上述步骤反复循环直至振动频率信号达到预设正常值，实现模拟风力加载的效果，控制系统形成闭环系统。

本发明的模拟风力加载试验原理：

根据传感器在实际中采集的流场数据或者数字仿真的分析结果，将风力机叶片在正常工作的情况下表面对应的载荷进行工程简化处理，得到结构表面的简化后的风载压力系数及振动频率，通过压力系数计算得到模拟风力加载时所需要的风载值。

支撑系统结构在设计时主要考虑主支撑钢架和L型角钢的承载变形，主支撑钢架的高度应根据试验的要求合理选取，同时为了保证试验加载过程的安全，并减小结构自身变形对加载系统所施加载荷的影响，在材料选取和加工处理上存在一定要求，传动系统支撑钢板主要考虑强度问题，以满足工作要求。传动系统支撑钢板和L型角钢在与主支撑钢架连接的时候，考虑连接处强度和刚度问题的前提下，为保证加载过程中的可靠性，同时考虑连接的平整性和防松性能，由于加载过程中环境的特殊性，连接处的高强度螺栓均处于高频振动的状态，这对螺栓连接的防松要求提出很大要求，除了螺栓本身的防松处理，可以外部添加一些防松部件，保证支撑系统的结构安装连接到达预期加载效果。另外为满足不同型号叶片的测试要求，叶片装载装置实行规格配套定制规定，保证加载系统的适用对象的普遍性和测试结果的精确性。

模拟风力加载过程控制：通过给定的初始载荷，经过PLC控制系统控制电动机提供动力，气泵工作鼓风为气囊充气，气囊内气压增加施加载荷。试验过程中，激光传感器采集测试叶片受载后的振动频率信号传递给PC机，PC机将该信号与预设叶片正常工作频率作对比后发出调节指令，再经PLC控制系统控制电动机，以此反复循环直至振动频率信号达到预设正常值，实现模拟风力加载的效果，控制系统形成闭环系统。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统，其特征在于：包括动力传动系统、支撑系统、检测控制系统和安全保障系统；

所述支撑系统包括主支撑钢架、传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢架和叶片夹具；所述主支撑钢架通过高强度螺栓一固定在地面上，主支撑钢架上部分通过高强度螺栓二连接传动系统支撑钢板，主支撑钢架下部分通过高强度螺栓三连接叶片支撑L型角钢架，所述叶片夹具通过销钉固定在叶片支撑L型角钢架上；

所述动力传动系统包括电源、开关控制器、气泵和气囊；所述电源和气泵都通过螺栓连接的方式固定在传动系统支撑钢板侧面，所述气囊安装在传动系统支撑钢板下边；

所述检测控制系统包括激光传感器、PLC控制箱和PC机；所述PLC控制箱和PC机在主支撑钢架的侧面；

所述PC机一个端口通过导线连接PLC控制箱，PLC控制箱通过导线连接电源，电源通过导线连接开关控制器控制气泵工作，气泵通过软管连接气囊，所述PC机另一个端口通过导线连接安放在叶片支撑L型角钢架下部上的激光传感器；激光传感器采集叶片受载时的频率信号传递给PC机；

所述安全保障系统包括机械安全保障系统和电气安全保障系统，所述机械安全保障系统包括安全架和尼龙网，所述电气安全保障系统包括电压保护装置、电流保护装置、通信故障显示装置和紧急停止装置；

所述主支撑钢架由多个钢材通过高强度螺栓连接而成；

所述传动系统支撑钢板和叶片支撑L型角钢架均通过高强度螺栓与主支撑钢架连接，加垫圈设规定预紧力。

2.根据权利要求1所述风力机叶片实尺度模拟风力分布式加载测试系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）根据风力机实际工作时的风载量值确定传动系统支撑钢板、叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的材料的承载极限，其中叶片支撑L型角钢架和主支撑钢架的加工材料在满足强度要求的前提下，还应该满足刚度要求；支撑系统满足测试要求的情况下，加载系统将根据激光传感器采集的叶片振动频率信号，对系统施加的载荷进行控制；

2）加载时首先通过PC机给定一个初始信号，系统开始加载；加载过程中，激光传感器采集叶片振动频率信号，并与PC机内预设的叶片正常工作实际振动频率作对比，不断发出调节指令使加载量值到达到对叶片形成相同振动频率的载荷值；

3）加载载荷由气囊提供，PLC控制箱控制不同区域气囊内部的气压，实现非均布面载的效果；

叶片工作时，表面风力加载的方式为面载，气囊施加载荷的加载方式能满足这一加载形式，考虑到测试叶片工作时表面载荷的差异性，需要对施加载荷的气囊进行分区处理，不同区域连接不同的气泵，这样根据PLC控制系统传来的不同控制信号，实现不同区域内不同气压，从而达到施加不同分布载荷的目的；试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为开始为气泵提供工作能量；不同区域的气囊均连接一个气泵，每个气泵均实现正反转，正转鼓气，气囊施加的载荷增加，反转抽气，气囊施加的载荷减小，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号；

4）以上述步骤反复循环直至振动频率信号达到预设正常值，实现模拟风力加载的效果，控制系统形成闭环系统。