一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置

摘要

一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，包括夹持机构、载荷施加机构和测量执行机构，所述夹持机构与被测量叶片的根部圆柱体匹配，所述载荷施加机构与被测量叶片的叶尖匹配，所述测量执行机构包括位移传感器、力传感器、静态应变测量系统和计算机，所述位移传感器布置在被测量叶片不同位置截面的前缘和后缘处，所述力传感器安装在载荷施加机构上，所述静态应变测量系统输入端与位移传感器及力传感器连接，其输出端与计算机连接。本发明实现了在风力发电机装机前对叶片弯扭耦合特性的准确测算，保证了风力发电机的可靠运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，属发电技术领域。

背景技术

风力发电机叶片是风力发电机的关键部件，常选用复合材料制作，由于复合材料中包含了具有不同铺层角度及铺层厚度的纤维布，使得复合材料具有各向异性的特点，因此叶片在纯弯曲或纯扭转载荷下都会同时发生扭转变形和弯曲变形，即复合材料叶片具有弯扭耦合变形特性。叶片的弯扭耦合特性决定了叶片在载荷作用下的变形行为，利用风力发电机叶片材料各向异性的特性，叶片能随风速的变化，自动改变形状，产生合理的扭曲变形，从而拓宽风力机正常运行风速范围，提高风能捕获能力，降低叶片承受的冲击载荷，并在高风速时改善其安全性能。

风力发电机叶片的弯扭耦合特性属于叶片整体的固有特性，可通过叶片弯扭耦合向量表示，弯扭耦合向量即叶片各翼型截面弯扭耦合向量α组成的向量（），截面弯扭耦合向量α为产生弯曲角度β与扭转角度θ的比值（）。为了保证风力发电机工作的可靠性，在风力发电机装机前需要对叶片的弯扭耦合向量进行测算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，以实现在风力发电机装机前对叶片弯扭耦合特性的准确测算，保证风力发电机的可靠运行。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，包括夹持机构、载荷施加机构和测量执行机构；所述夹持机构的结构与被测量叶片的根部圆柱体匹配，所述载荷施加机构的结构与被测量叶片的叶尖匹配；所述测量执行机构包括位移传感器、力传感器、静态应变测量系统和计算机，所述位移传感器布置在被测量叶片不同位置截面的前缘和后缘处，所述力传感器安装在载荷施加机构上，所述静态应变测量系统输入端与位移传感器及力传感器连接，其输出端与计算机连接。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述载荷施加机构包括液压加载组件、辅助夹具、第一支架和第二支架；所述辅助夹具套装在被测量叶片的叶尖部位，由上下两个夹持板组成，在上下两个夹持板的中部形成与被测量叶片叶尖匹配的夹持腔，在上下两个夹持板左右两端设置加载工作面。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述液压加载组件由第二液压泵站及液压缸组成，所述第二液压泵站与液压缸连接，在液压泵站中设有液压控制系统，所述液压缸包括固定在第一支架上的第一液压缸和固定在第二支架上的第二液压缸，所述第一液压缸的活塞杆向下伸展，所述第二液压缸的活塞杆向上伸展，两个液压缸的活塞杆分别与辅助夹具左右两端的加载工作面对应。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述辅助夹具的夹持腔内壁上设置橡胶垫。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述第一支架和第二支架均为可移动结构。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述夹持机构包括夹持座、液压夹具和第一液压泵站，所述夹持座固定在水平地面上，在夹持座上设置叶片安装孔，在叶片安装孔的周边均匀布置三套液压夹具。

上述风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，所述液压夹具包括夹持油缸和夹持块，所述夹持油缸与第一液压泵站连接，夹持油缸的活塞杆与夹持块固定装配，所述夹持块设有与叶片根部匹配的弧形夹持面。

本发明通过夹持机构将被测量叶片的根部圆柱体固定，再将载荷施加机构中辅助夹具套装在被测量叶片的叶尖部位，然后由固定在第一支架上的第一液压缸和固定在第二支架上的第二液压缸分别对辅助夹具左右两端的加载工作面施以大小相同、方向相反的推力，使被测量叶片在扭转力矩作用下产生扭转弯曲变形；此时布置在被测量叶片不同位置截面前缘和后缘的位移传感器将采集到的信息通过静态应变测量系统传递给计算机，同时安装在载荷施加机构上的力传感器将采集到的力载荷信息传递给计算机，再由计算机中设置的程序对不同位置截面前缘和后缘位移传感器采集的信息分析、计算，获得在不同扭矩载荷情况下叶片不同位置截面前缘和后缘的位移值，然后根据该位移值计算出风力发电机叶片的弯扭耦合向量α值，进而得出弯扭耦合向量。由于本发明夹持机构中的夹持块由夹持油缸驱动，并且载荷施加机构中第一支架和第二支架均为可移动结构，因此本发明具有良好的通用性能，适用于对不同型号的风力发电机叶片的测量。由此可见，本发明实现了在风力发电机装机前对叶片弯扭耦合特性的准确测算，保证了风力发电机的可靠运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的夹持机构主视图；

图3是本发明的夹持机构侧视图；

图4是本发明的载荷施加机构示意图；

图5是本发明载荷施加机构中辅助夹具结构示意图；

图6是本发明的测量执行机构示意图；

图7是被测量叶片某一截面位置处位移传感器安装位置示意图；

图8是在载荷加载前后被测量叶片某一截面位置变化示意图；

图9是根据叶片不同截面前缘和后缘的位移值计算弯扭耦合向量α值的原理图；

图10是不同截面弯曲变形w随叶片展向坐标z变化曲线图。

图中各标号清单为：1、夹持机构，1-1、夹持座，1-1-1、叶片安装孔，1-2、夹持油缸，1-3、夹持块，1-4、第一液压泵站，2、载荷施加机构，2-1、第一支架，2-2、第一液压缸，2-3、第二液压缸，2-4、辅助夹具，2-4-1、夹持板，2-4-2、加载工作面，2-4-3、夹持腔，2-4-4、橡胶垫，2-5、第二支架，2-6、第二液压泵站，3、测量执行机构，3-1、位移传感器，3-2、静态应变测量系统，3-3、计算机，3-4、力传感器，4、被测量叶片，4-1、前缘，4-2、后缘。

具体实施方式

参看图1、图6、图7，本发明包括夹持机构1、载荷施加机构2和测量执行机构3，所述夹持机构1的结构与被测量叶片4的根部圆柱体匹配，所述载荷施加机构2的结构与被测量叶片4的叶尖匹配，所述测量执行机构3包括位移传感器3-1、力传感器3-4、静态应变测量系统3-2和计算机3-3，所述位移传感器3-1布置在被测量叶片4不同位置截面的前缘4-1和后缘4-2处，所述力传感器3-4安装在载荷施加机构2上，所述静态应变测量系统3-2输入端与位移传感器3-1及力传感器3-4连接，其输出端与计算机3-3连接。

参看图1、图4、图5，本发明的载荷施加机构2包括液压加载组件、辅助夹具2-4、第一支架2-1和第二支架2-5；所述辅助夹具2-4套装在被测量叶片4的叶尖部位，由上下两个夹持板2-4-1组成，在上下两个夹持板2-4-1的中部形成与被测量叶片叶尖匹配的夹持腔2-4-3，在上下两个夹持板左右两端设置加载工作面2-4-2，所述辅助夹具2-4的夹持腔2-4-3内壁上设置橡胶垫2-4-4；所述液压加载组件由第二液压泵站2-6及液压缸组成，所述第二液压泵站2-6与液压缸连接，并在第二液压泵站2-6中设置液压控制系统；所述液压缸包括固定在第一支架2-1上的第一液压缸2-2和固定在第二支架2-5上的第二液压缸2-3，所述第一液压缸2-2的活塞杆向下伸展，所述第二液压缸2-3的活塞杆向上伸展，两个液压缸的活塞杆分别与辅助夹具2-4左右两端的加载工作面2-4-2对应；所述第一支架2-1和第二支架2-5均为可移动结构。

参看图1、图2、图3，本发明的夹持机构1包括夹持座1-1、液压夹具和第一液压泵站1-4，所述夹持座1-1固定在水平地面上，在夹持座1-1上设置叶片安装孔1-1-1，在叶片安装孔1-1-1的周边均匀布置三套液压夹具；所述液压夹具包括夹持油缸1-2和夹持块1-3，所述夹持油缸1-2与第一液压泵站1-4连接，夹持油缸1-2的活塞杆与夹持块1-3固定装配，所述夹持块1-3设有与叶片根部匹配的弧形夹持面。

参看图1、图7，复合材料风力机叶片在载荷的作用下，不仅会发生弯曲变形，同时还会发生扭转变形。为了测算复合材料叶片结构产生的弯扭耦合变形特性，需要对叶片施加纯弯曲载荷或者纯扭转载荷。由于叶片材料的各向异性及截面的不规则性，使得叶片截面的弯曲中心很难找到，因此在待测风力机叶片上施加一个垂直方向的力时，不能保证该力恰巧通过弯曲中心，即不能保证对叶片施加纯弯曲载荷，所以，本发明采用了纯扭载荷加载方式，即对待测叶片叶尖部位施加一对等值反向的平行力。

风力发电机叶片的弯扭耦合特性可通过向量描述，式中，(i=1,2,3…n)为叶片第i个截面弯扭耦合向量，即叶片在承受纯扭转载荷时在该截面产生的弯曲角度和扭转角度θ的比值（）。因此，在对叶片的弯扭耦合向量Δ进行测算时，首先需要对叶片各个截面的弯曲角度和扭转角度θ值进行测算，而叶片弯曲角度和扭转角度θ与叶片承受载荷后截面前缘4-1和后缘4-2处位移密切相关，所以可通过对叶片截面前缘4-1和后缘4-2处位移值的测量来推算叶片截面的弯扭耦合向量α_i。

参看图1～图7，本发明为一种风力发电机叶片弯扭耦合向量测量装置，其工作过程为：将被测量叶片4的根部圆柱体固定，再将载荷施加机构2中辅助夹具2-4套装在被测量叶片4的叶尖部位；调整位移传感器3-1，使得被测量叶片4在自重下的变形位置作为传感器测量的初始位置；通过加载合适的扭转载荷，使被测量叶片4发生小角度扭转变形（如扭转角度小于2°），再通过布置在被测量叶片4不同位置截面前缘4-1和后缘4-2处的位移传感器3-1，将前缘4-1和后缘4-2处的位移变化信息通过静态应变测量系统3-2传递给计算机3-3，由计算机3-3计算并显示被测量叶片4前缘4-1的位移量u₁和后缘4-2的位移量u₂。

参看图8、图9、图10，根据u₁和u₂的数值可分别计算出弯曲角度和扭转角度θ值，从而进一步计算出弯扭耦合向量α值。其理论依据为：AC、BD分别为加载前、加载后叶片某截面的弦线，弦线长度为L；由于叶片的扭转角度很小，因此直线位移近似等于弧线位移，即AB为被测量叶片4前缘4-1的位移量u₁；CD为被测量叶片4后缘4-2的位移量u₂，将BD直线平行移动到AE位置，则截面扭转变形的扭转角度：

；

截面弯曲变形用1/4弦长处所对应的变形FH(FH=FI-HI)表示，记做w：

w=FI-HI=

或

将不同截面的弯曲变形作曲线拟合w=w(z)，得到图10所示不同截面的弯曲变形w随叶片展向坐标z变化的曲线。将w求导，得到截面弯曲角度，即；

然后即可通过公式计算出截面弯扭耦合向量α值，最终得到描述叶片弯扭耦合特性的向量Δ（）。