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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案为：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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果：本专利技术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。本专利技术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，使通过本专利技术模拟的风力加载，具有较强的普遍性和通用性的技术特点。本专利技术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，即本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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。


2.根据权利要求1所述的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：所述主支撑钢架由多个钢材通过高强度螺栓连接而成。


3.根据权利要求1所述的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：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。


4.根据权利要求1或2或3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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭剑锋，蔡建纲，史瑞鹏，周天熠，夏云松，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32