CN116136484A - 翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，涉及翼型叶片覆冰粘结强度测量领域，解决了传统测量装置操作不便以及受环境影响较大的问题。本发明包括若干叶片、固定座、若干除冰滑块、若干滑轨和若干叶片固定梁，固定座安装于试验台上，由试验台驱动旋转；固定座左右对称安装有若干滑轨和若干叶片固定梁，滑轨上安装有除冰滑块，叶片固定梁末端安装有叶片；通过除冰滑块和冰层旋转产生的离心力对叶片表面冰层进行清除。本发明可直接在结冰风洞试验段内测量叶片表面冰层粘结强度，避免了叶片拆装配过程对测试结果造成的影响；通过离心与剪切方式的配合，降低了试验转速，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及翼型叶片覆冰粘结强度测量领域，具体为一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法。
背景技术
风能是可再生能源中不可或缺的一部分，风力机的高效稳定运行是保证高效获取风能的重要条件，然而风力机的高效运行依赖于空气的密度和流速，因此风力机多数建立于低温和比较潮湿的地区。这就导致了风力机表面结冰问题的产生，风力机叶片表面结冰会导致叶片气动外形改变，破坏叶片气动性能，降低发电效率；还会影响叶片表面的载荷分布，使叶片振动幅度增加，严重时将导致风力机倒塌；冰层在叶片旋转过程中脱落，造成甩冰现象，对周围环境造成危害；还会降低传感器性能，增加信息采集时的误差。因此，需要探究冰与叶片之间的粘结强度关系，为除冰防冰做准备。
针对翼型叶片表面覆冰粘结强度的测量问题，国内外学者进行了大量研究，设计了多种翼型叶片覆冰粘结强度测量装置。公开号为CN113484235A的中国专利公开了一种《风力机叶片表面冰粘附强度测量装置》，其中记载了一种剪切式覆冰粘结强度测量装置，如图1所示，测试前，将翼型叶片安装在结冰风洞试验段内进行结冰试验；当叶片表面冰层厚度满足测试要求后，将结冰叶片从结冰风洞中取下并固定在滑块上；滑块在压力传感器的驱动下沿平行轨道滑动，当结冰叶片通过翼型叶片除冰孔时，叶片表面冰层在切向力的作用下与叶片表面分离，压力传感器实时测量剪切力的大小，并将其传输至计算机中。然而，剪切式测试方法的缺陷主要存在于两个方面，第一，在覆冰粘结强度测试前需要将结冰叶片从结冰风洞试验段内拆卸，然后装配至测试装置。在结冰叶片拆卸和装配的过程中，叶片磕碰可能会对叶片表面冰层的粘结造成影响，进而对覆冰粘结强度的测试结果造成影响。第二，结冰风洞试验段内环境温度较低而测试装置所处的室内环境温度较高，当结冰叶片从结冰风洞试验段内拆卸并装配至测试装置，受室内环境温度影响叶片表面冰层可能发生融化现象，对覆冰粘结强度的测试结果造成影响。
Spinning Rotor Blade Tests in Icing Wind Tunnel[J].Aiaa Journal公开了一种离心式覆冰粘结强度测量装置，测试前，将试验装置安装在结冰风洞试验段内。在结冰试验过程中试验样件以恒定的加速度加速旋转，当旋转产生的离心力大于冰与基底材料表面的粘结力时冰与基材表面分离，此时，根据从样件表面脱落的冰块长度计算基材表面冰的粘结强度。
离心式测试方法在覆冰叶片表面冰层粘结强度的测试过程中避免了拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响。然而，在测试过程中过冷液滴与样件表面撞击速度随旋转半径的增加而增加，导致样件表面冰层厚度及迎风面积随旋转半径增加几乎呈线性增长。随着冰层厚度及迎风面积增加以及转速的升高，叶片、叶片表面结冰与空气之间的摩擦逐渐增大，空气载荷和振动载荷影响增大，导致样件表面应力分布不均，从而对测试结果造成影响。
发明内容
本发明为了解决上述传统测量装置拆装过程操作不便以及受环境影响较大的问题，特此提出了一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，可以直接在结冰风洞试验段内测量覆冰叶片表面冰层粘结强度，避免了叶片拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响；同时，通过离心与剪切方式的配合，使测量覆冰叶片表面粘结强度时在低转速下即可完成，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响，使测量数据更精准。
本发明提出了一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其具体包括若干叶片、固定座、若干除冰滑块、若干滑轨和若干叶片固定梁，所述固定座安装于试验台上，由试验台驱动旋转；固定座左右两侧对称安装有若干滑轨和若干叶片固定梁，滑轨上安装有除冰滑块，叶片固定梁末端安装有叶片；试验开始前，若干除冰滑块通过固定装置固定于固定座上，试验开始后，拆下固定装置；通过除冰滑块和冰层因翼型叶片结冰粘结强度测量机构旋转产生的离心力对叶片表面冰层进行清除。
更进一步地，离心力以及粘结强度计算公式为：
F＝(m冰r冰+m滑块r滑块)ω2
式中F-离心力，m冰-冰质量，r冰-冰旋转半径，m滑块-滑块质量，r滑块-滑块旋转半径，ω-转速，τ-粘结强度，S-叶片除冰面积。
更进一步地，所述叶片和除冰滑块均为中心对称布置方式。
更进一步地，所述除冰滑块为中空结构，中空结构轮廓与叶片外形匹配。
更进一步地，所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括直线轴承，若干除冰滑块通过直线轴承安装在滑轨上。
更进一步地，所述滑轨内部设置有电热丝。
更进一步地，所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括若干除冰滑块挡板，除冰滑块挡板安装在滑轨末端。
更进一步地，所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括定位板，通过定位板将叶片固定于叶片固定梁末端。
一种采用上述翼型叶片结冰粘结强度测量机构的测量装置，包括翼型叶片结冰粘结强度测量机构和试验台，所述试验台包括转轴、轴承端盖、轴承套、轴承座下端盖、支柱、连接座、平台板、电机座和支腿架，所述支腿架上安装有平台板，平台板下侧安装有电机座，上侧安装有支柱和连接座，支柱上端安装有轴承座下端盖，轴承座下端盖上安装有轴承套，轴承套上端安装有轴承端盖，转轴穿过轴承端盖和轴承座下端盖安装在轴承套上；所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构通过固定座安装于转轴上，转轴驱动固定座旋转。
一种采用上述翼型叶片结冰粘结强度测量机构的试验方法，它具体包括以下步骤：
a.完成测量装置装配，设置试验参数，对试验区域进行预冷；
b.试验区域环境参数稳定后，进行结冰试验；结冰实验结束后，去除滑轨表面结冰；
c.解除除冰滑块与固定座的连接，将除冰滑块贴至叶片内表面，同时记录叶片表面冰形；
d.驱动转轴以恒定加速度旋转直至叶片表面结冰脱落，记录结冰脱落时转轴转速，记录叶片表面残留冰形；
e.收集脱落冰块并称重，进行粘结强度计算，完成试验。
本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法的有益效果为：
(1)本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，克服了传统剪切式或离心式试验装置操作不便、容易受环境影响的问题，可以在结冰风洞试验段内直接测量覆冰叶片表面的冰层粘结强度，在测试过程中避免了叶片拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响；
(2)本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，通过设置的除冰滑块将离心式与剪切式方法相结合，降低了试验时所需要的转速，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响，使测量数据更精准。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是背景技术中提到的剪切式覆冰粘结强度测量装置结构示意图；
图2是本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构的结构示意图；
图3是本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构的固定座的结构示意图；
图4是本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构及装置的主视图；
图5是本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构及装置的俯视图；
图6是本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构及装置的轴测图。
其中：1-除冰滑块挡板，2-叶片，3-固定座，4-固定螺母，5-直线轴承，6-除冰滑块，7-滑轨，8-叶片固定梁，9-定位板，10-转轴，11-轴承端盖，12-轴承套，13-轴承座下端盖，14-支柱，15-连接座，16-平台板，17-电机座，18-支腿架，19-除冰孔，20-压力传感器，21-液压推进器，22-传感器夹具。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-图6具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构具体包括若干叶片2、固定座3和若干除冰滑块6、若干滑轨7和若干叶片固定梁8，所述固定座3安装在试验台上，并由试验台驱动旋转；固定座3左右两侧对称安装有若干滑轨7和若干叶片固定梁8，滑轨7上安装有除冰滑块6，叶片固定梁8末端安装有叶片2；所述滑轨7的长度大于叶片固定梁8的长度；在进行冰粘结强度试验前，除冰滑块6通过螺栓固定于固定座3上，当开始进行冰粘结强度试验时解除除冰滑块6与固定座3的固定连接关系，并将除冰滑块6贴合于叶片2的内侧表面上，通过除冰滑块6与冰层自身重量产生的离心力进行叶片2表面结冰的清除，从而根据离心力计算得到冰与叶片之间的粘结强度。
离心力以及粘结强度计算公式为：
F＝(m冰r冰+m滑块r滑块)ω2 (1)
式中F-除冰滑块6和冰层受到的离心力之和，m冰-冰质量，r冰-冰旋转半径，m滑块-滑块质量，r滑块-滑块旋转半径，ω-转速，τ-粘结强度，S-叶片除冰面积。
公式(1)中的冰质量m冰是通过将叶片2表面脱落的冰层进行收集称重后得到的；冰旋转半径r冰是依据叶片2的设计安装位置得到，取叶片2宽度中心位置处与转轴10轴心的距离为旋转半径；滑块质量m滑块在试验开始前提前进行称重获得；滑块旋转半径r滑块依据叶片2的设计安装位置得到，当除冰滑块6贴合于叶片2内侧表面时，取除冰滑块6宽度中心位置处与转轴10轴心的距离为旋转半径；转速ω通过试验台上安装的转速扭矩测量仪直接测得。
公式(2)中的叶片除冰面积S是在粘结强度试验开始前以及结束后通过相机记录叶片表面覆冰区域变化，后期通过软件处理得到。
所述若干叶片2和若干除冰滑块6均为中心对称布置方式，所述若干叶片2和若干除冰滑块在圆周方向上朝向一致。
所述除冰滑块6为中空结构，中空结构轮廓与叶片2外形匹配，叶片2可以从除冰滑块6的中空结构中穿过，除冰滑块6内部的中空结构轮廓与叶片2曲面表面之间的间隙为1mm。
在叶片2进行结冰试验过程中，除冰滑块6通过螺栓与固定座3固定到一起，并在除冰滑块6和固定座3表面缠绕薄膜；结冰试验结束后开始叶片表面结冰粘结强度试验前，将除冰滑块6和固定座3表面缠绕薄膜以及薄膜上凝结的冰进行清除，然后解除除冰滑块6和固定座3之间的固定连接关系，将除冰滑块6贴合到叶片2的内侧表面。
所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括直线轴承5，若干除冰滑块6通过直线轴承5安装在滑轨7上，通过直线轴承5来减小除冰滑块6和滑轨7之间的摩擦力，使最终得到的粘结强度结果更加准确；所述滑轨7内部设置有电热丝，在结冰试验结束后，粘结强度试验开始前通过电热丝加热对滑轨7上的结冰进行去除。
所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括若干除冰滑块挡板1，除冰滑块挡板1安装在滑轨7末端，滑轨7末端攻有螺纹，除冰滑块挡板1通过滑轨7末端的阶梯结构和螺母进行紧固，用于防止叶片2表面结冰脱落后除冰滑块6因离心力的作用而从滑轨7上飞出，保证实验过程的安全。
所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括定位板9，叶片固定梁8末端加工有阶梯结构和螺纹，定位板9和阶梯结构将叶片2夹在中间，通过螺母进行紧固。
一种采用上述翼型叶片结冰粘结强度测量机构的冰粘结强度测量装置，具体包括翼型叶片结冰粘结强度测量机构和试验台，所述试验台包括转轴10、轴承端盖11、轴承套12、轴承座下端盖13、支柱14、连接座15、平台板16、电机座17和支腿架18，所述支腿架18上安装有平台板16，平台板16下侧安装有电机座17，电机座17上安装有驱动电机；平台板16上侧安装有支柱14和连接座15，连接座15上安装有转速扭矩测量仪；支柱14上端安装有轴承座下端盖13，轴承座下端盖13上安装有轴承套12，轴承套12内部安装有轴承，轴承套12上端安装有轴承端盖11，转轴10穿过轴承端盖11、轴承和轴承座下端盖13安装在轴承套12上；所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构通过固定座3以及螺母安装固定于转轴10上，固定座3内部开有键槽，通过键和键槽进行传动；驱动电机、转速扭矩测量仪和转轴10之间通过联轴器进行连接，驱动电机驱动转轴10旋转，转轴10驱动固定座3来带动整个翼型叶片结冰粘结强度测量机构进行旋转。
一种采用上述翼型叶片结冰粘结强度测量机构的试验方法，它具体包括以下步骤：
a.完成测量装置装配，设置试验参数，对试验区域进行预冷(所述试验区域为结冰风洞试验段)；
b.试验区域环境参数稳定后，在除冰滑块6和固定座3表面缠绕薄膜，进行结冰试验；结冰实验结束后，通过设置的电热丝去除滑轨7表面结冰；
c.将除冰滑块6和固定座3表面缠绕薄膜以及薄膜上凝结的冰进行清除，解除除冰滑块6与固定座3的连接，将除冰滑块6贴至叶片2内表面，同时记录叶片2表面冰形；
d.驱动转轴10以恒定加速度旋转直至叶片2表面结冰脱落，记录结冰脱落时转轴10转速，记录叶片2表面残留冰形；
e.收集脱落冰块并称重，进行粘结强度计算，完成试验。
本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构的具体试验过程为：
试验前准备工作：组装试验装置，将叶片固定梁8对称安装在固定座3两侧，将叶片2安装到叶片固定梁8的末端，再在叶片固定梁8末端安装定位板9，通过螺母和定位板9将叶片2紧固在叶片固定梁8上；将滑轨7对称安装在固定座3两侧，将除冰滑块6套装在滑轨7上，并将滑轨7通过螺母紧固到固定座3上；在滑轨7末端安装除冰滑块挡板1，通过螺母进行紧固；将上述组装后的结构安装到转轴10上，并利用薄膜将除冰滑块6与固定座3进行缠绕包裹，从而防止除冰滑块6与固定座3表面结冰；
设置结冰风洞试验参数，运行结冰风洞试验系统，对试验区域进行预冷；当结冰风洞试验段内环境参数稳定后，进行结冰试验。结冰试验完成后，将滑轨7内电热丝加热去除滑轨7表面结冰；当滑轨7表面冰层去除后，将除冰滑块6与固定座3上缠绕的薄膜以及薄膜上的冰去除，将除冰滑块6与固定座3之间的固定螺栓拧下，而后将除冰滑块6贴合至叶片2内表面。通过相机记录叶片2表面的结冰冰形。
试验阶段：启动电机，驱动转轴10以恒定加速度进行旋转。当除冰滑块6和冰层旋转产生的离心力大于冰与叶片2表面的粘结力时，冰层与叶片2表面在除冰滑块6的剪切作用下分离。此时，关闭电机并通过转速扭矩测量仪记录冰层分离时的转轴10转速。通过相机记录除冰后叶片2表面残留的冰形；将脱落的冰块进行收集，通过天平记录冰块重量。通过软件处理得到叶片2表面的除冰面积，试验完成。
冰的粘结力等于除冰滑块6和冰层受到的离心力之和，根据公式F＝(m冰r冰+m滑块r滑块)ω2计算得出；相应地，粘结强度根据公式
通过计算得到的离心力以及叶片2表面的除冰面积计算得出。
总结上述实施案例，本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，克服了传统剪切式或离心式试验装置操作不便、容易受环境影响的问题，可以在结冰风洞试验段内直接测量覆冰叶片表面的冰层粘结强度，在测试过程中避免了叶片拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响；本发明所述的一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，通过设置的除冰滑块6将离心式与剪切式方法相结合，降低了试验时所需要的转速，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响，测量数据更精准。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：包括若干叶片(2)、固定座(3)、若干除冰滑块(6)、若干滑轨(7)和若干叶片固定梁(8)，所述固定座(3)安装于试验台上，由试验台驱动旋转；固定座(3)左右两侧对称安装有若干滑轨(7)和若干叶片固定梁(8)，滑轨(7)上安装有除冰滑块(6)，叶片固定梁(8)末端安装有叶片(2)；试验开始前，若干除冰滑块(6)通过固定装置固定于固定座(3)上，试验开始后，拆下固定装置；通过除冰滑块(6)和冰层因翼型叶片结冰粘结强度测量机构旋转产生的离心力对叶片(2)表面冰层进行清除。
2.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：离心力以及粘结强度计算公式为：
F＝(m冰r冰+m滑块r滑块)ω2
式中F-离心力，m冰-冰质量，r冰-冰旋转半径，m滑块-滑块质量，r滑块-滑块旋转半径，ω-转速，τ-粘结强度，S-叶片除冰面积。
3.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述若干叶片(2)和若干除冰滑块(6)均为中心对称布置方式。
4.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述除冰滑块(6)为中空结构，中空结构轮廓与叶片(2)外形匹配。
5.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括直线轴承(5)，若干除冰滑块(6)通过直线轴承(5)安装在滑轨(7)上。
6.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述滑轨(7)内部设置有电热丝。
7.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括若干除冰滑块挡板(1)，除冰滑块挡板(1)安装在滑轨(7)末端。
8.根据权利要求1所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构，其特征在于：所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构还包括定位板(9)，通过定位板(9)将叶片(2)固定于叶片固定梁(8)末端。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的翼型叶片结冰粘结强度测量机构的测量装置，其特征在于：包括翼型叶片结冰粘结强度测量机构和试验台，所述试验台包括转轴(10)、轴承端盖(11)、轴承套(12)、轴承座下端盖(13)、支柱(14)、连接座(15)、平台板(16)、电机座(17)和支腿架(18)，所述支腿架(18)上安装有平台板(16)，平台板(16)下侧安装有电机座(17)，上侧安装有支柱(14)和连接座(15)，支柱(14)上端安装有轴承座下端盖(13)，轴承座下端盖(13)上安装有轴承套(12)，轴承套(12)上端安装有轴承端盖(11)，转轴(10)穿过轴承端盖(11)和轴承座下端盖(13)安装在轴承套(12)上；所述翼型叶片结冰粘结强度测量机构通过固定座(3)安装于转轴(10)上，转轴(10)驱动固定座(3)旋转。
10.一种采用权利要求9所述的翼型叶片结冰粘结强度测量装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.完成测量装置装配，设置试验参数，对试验区域进行预冷；
b.试验区域环境参数稳定后，进行结冰试验；结冰实验结束后，去除滑轨(7)表面结冰；
c.解除除冰滑块(6)与固定座(3)的连接，将除冰滑块(6)贴至叶片(2)内表面，记录叶片(2)表面冰形；
d.驱动转轴(10)以恒定加速度旋转直至叶片(2)表面结冰脱落，记录结冰脱落时转轴(10)转速，记录叶片(2)表面残留冰形；
e.收集脱落冰块并称重，进行粘结强度计算，完成试验。
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