叶片旋转实验台及实验方法与流程

本发明涉及一种叶片旋转实验台及实验方法，特别涉及双叶片风力发电机叶片性能研究的实验系统。

背景技术：

能源危机将严重地影响人类社会的进步和发展。为此全世界都在为开发新能源以维持地球的可持续发展做着不懈的努力。风能是一种人类取之不尽的绿色能源，如何有效地利用和开发风能资源一直是科学界不断努力的方向。

双叶片风力发电机具有重量更轻、体积更小、成本更低、效率更高、便于维护等特点，将成为风力发电技术的发展方向。叶片旋转实验台是针对叶片性能研究的实验平台，是对风机叶片气动性能和机械性能研究的一个重要的环节。

进行叶片性能研究，大多采用有限元分析软件对叶片结构设计进行分析，该方法属于理论性研究，不能直观的反应出风机叶片转动过程中功率及气动性能，机械性能参数变化。而直接在实际的机组上进行实验，首先是风力发电机组比较复杂，在风机系统中包括发电机，变桨距系统，液压系统，偏航系统，刹车系统，齿轮箱，控制系统等等，而且各个系统之间相互影响，这样的复杂和繁多的系统给叶片性能检测的实验带来极大的不便，大大增加了实验的周期和难度。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种叶片旋转实验台及实验方法，其目的是解决以往所存在的问题，其主要针对双叶片风力发电机组叶片性能研究，以及理论分析不足，现场实验困难等问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种叶片旋转实验台，其特征在于：该试验台包括两叶片风机平台、配电及控制系统；两叶片风机平台包括叶片、轮毂、变桨机构、主轴、齿轮减速机、同步带传动系统、扭矩传感器、推力传感器、导电滑环和拖动电机；叶片通过变桨机构与轮毂连接，叶片、轮毂及变桨机构均套在主轴上。拖动电机通过同步带传动系统与齿轮减速机连接，齿轮减速机连接主轴并带动主轴及叶片旋转；扭矩传感器设置在拖动电机的电机输出轴上，主轴传动串入推力传感器；轮毂与外部电气联络通过导电滑环实现；

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，控制系统包含主控制器及与主控制器连接的信号采集及通讯单元，主控制器连接拖动电机，扭矩传感器和推力传感器连接至信号采集及通讯单元。

变桨系统通过变桨电机带动叶片，变桨电机连接至主控制器。

在主轴上还设置有扭矩测试仪和检测主轴转速的编码器，编码器和扭矩测试仪连接至信号采集及通讯单元；在拖动电机上还设置有转速传感器，该转速传感器连接至信号采集及通讯单元。

该试验台还包括支撑架和轴承座，轴承座设置在轮毂的下方，主轴的下部穿过轴承座，轴承座设置在支撑架上。

支撑架设置在底座上，底座的两侧各设置有一个固定三脚架，该固定三脚架主要包括两跟活动连接在一起的斜杆和一根横杆，两根斜杆的底端通过转轴活动连接形成开口朝上且开口大小能调的ｖ形结构，该横杆设置在该ｖ形结构的开口内，横杆为水平向横杆，在两根斜杆的内侧设置有滑槽，横杆的两端设置有伸进滑槽内且能沿着滑槽上下移动的滚轮，在转轴的轴心连接有与横杆垂直的立杆，立杆设置有外螺纹，立杆穿过横杆且横杆能相对于立杆做上下移动，且在立杆的上部设置有旋拧螺母，旋拧螺母设置在横杆的上方。

在ｖ形结构的底部设置有倒t形底座，在斜杆的上端设置有使用时压在被支撑物上的压轮。

压轮与被支撑物之间设置有压块，压块上设置有供压轮上下移动的滑槽。

利用上述的叶片旋转实验台所实施的实验方法，其特征在于：在实验台运行中对扭矩，推力，转速进行检测并将数据传送到主控系统，对轮毂旋转角度进行测量，变桨机构实现叶片0-90度旋转，风轮转速为0~150r/min；通过变桨系统进行叶片桨距角调节，实现叶片的力学性能检测，对叶片的升力、阻力，以及疲劳强度进行分析研究，并记录；拖动电机通过同步带传动系统与齿轮减速机带动主轴、风轮旋转；风轮旋转速度、叶片变桨角度、变桨速率、实验运行时间通过主控制系统控制设定，实现在无风的情况下模拟实际风机运行，扭矩传感器检测拖动电机输出扭矩，主轴传动串入推力传感器，检测压力、拉力信号，并记录；轮毂与外部电气联络通过导电滑环实现。

将采集的信号以实时曲线的形式显示，并进行实时分析，记录保存给叶片性能分析研究提供极大的方便，通过人机界面观察数据采集显示统，得到实验台的有关数据，在整个实验过程中，实验台的保护系统起到保护监视实验台的全部部件的设备安全和实验人员安全。

该实现方法如下：

变桨系统:通过电气信号，控制变桨电机动作，变桨电机以恒定速度实现桨叶0-90度位置同步控制；

扭矩加载:扭矩加载通过拖动电机实现，加载力矩大小通过主控制系统给定；

扭矩检测:由扭矩测试仪检测主轴所受的转矩，并将信号传送到主控制系统；

推力检测：由传感器将推力信号传送到主控制系统；

转速检测：通过转速传感器检测拖动电机转速，将信号传送到主控系统；

轮毂旋转角度测量：通过编码器检测主轴转速，将信号传送到主控系统；

配电及控制系统：

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，包含220v母线配电系统及24v线路配电系统等；控制系统包含主控制器，信号采集及通讯单元，逻辑控制及保护功能；实现方法：

“阶跃”运行模式：设定变桨角度值，变桨速度值，时间间隔时长；在到达时间间隔时长时，系统将按照设定的变桨角度值，变桨速度值进行一次变桨动作；

“往复”运行模式：设定变桨角度往复值，设定变桨速度往复值，设定往复次数值；按照变桨角度及速度往复值及往复次数，进行变桨动作。

优点及效果：

本发明提供一种叶片旋转实验台及实验方法，包括两叶片风机平台、配电及控制系统。

该实验平台适应于叶片性能研究，按照风力发电机组所实现的功能进行设计，通过变桨系统，桨距角调节，负载转矩加载等功能进行模拟风机运行。

本实验台根据实际风机的空气动力学特性，在不具备实际风场环境下的实验室也可以模拟出风机的实际工况，给双叶片风力发电机组的实验带来极大的方便；实验台叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，以达到不同工作特性的需要，给实验人员提供很大的方便。本发明根据不同的风速风向，可以模拟双叶片风力发电机组的运行，对叶片的性能包括功率，气动性能，机械性能进行研究。

附图说明

图1为风机平台结构示意图；

图2为系统控制界面图；

图3为参数修订界面图—“零点校验模式”参数修订界面；

图4为机组参数设置图—初始化模式”参数修订界面；

图5为“测试模式”参数修订界面；

图6为实验监控界面；

图7为历史数据界面；

图8为固定三脚架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种叶片旋转实验台，该试验台包括两叶片风机平台、配电及控制系统；两叶片风机平台包括叶片1、轮毂3、变桨机构4、主轴2、齿轮减速机5、同步带传动系统6、扭矩传感器7、推力传感器8、导电滑环和拖动电机10；叶片1通过变桨机构4与轮毂3连接，叶片1、轮毂3及变桨机构3均套在主轴2上，拖动电机10通过同步带传动系统6与齿轮减速机5连接，齿轮减速机5连接主轴并带动主轴及叶片1旋转；扭矩传感器7设置在拖动电机10的电机输出轴上，主轴传动串入推力传感器8；轮毂3与外部电气联络通过导电滑环实现；

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，控制系统包含主控制器及与主控制器连接的信号采集及通讯单元，主控制器连接拖动电机10，扭矩传感器7和推力传感器8连接至信号采集及通讯单元。

变桨系统通过变桨电机带动叶片1，变桨电机连接至主控制器。

在主轴上还设置有扭矩测试仪和检测主轴转速的编码器，编码器和扭矩测试仪连接至信号采集及通讯单元；在拖动电机10上还设置有转速传感器，该转速传感器连接至信号采集及通讯单元。

该试验台还包括支撑架9和轴承座11，轴承座11设置在轮毂3的下方，主轴2的下部穿过轴承座11，轴承座11设置在支撑架9上。

如图8所示,支撑架9设置在底座12上，底座12的两侧各设置有一个固定三脚架，该固定三脚架主要包括两跟活动连接在一起的斜杆13和一根横杆14，两根斜杆13的底端通过转轴15活动连接形成开口朝上且开口大小能调的ｖ形结构，该横杆14设置在该ｖ形结构的开口内，横杆14为水平向横杆，在两根斜杆13的内侧设置有滑槽16，横杆14的两端设置有伸进滑槽16内且能沿着滑槽16上下移动的滚轮17，在转轴15的轴心连接有与横杆14垂直的立杆18，立杆18设置有外螺纹，立杆18穿过横杆14且横杆14能相对于立杆18做上下移动，且在立杆18的上部设置有旋拧螺母19，旋拧螺母19设置在横杆14的上方。

在ｖ形结构的底部设置有倒t形底座20，在斜杆13的上端设置有使用时压在被支撑物上的压轮21，压轮21的作用是便于斜杆13对被支撑物的顶紧，防止摩擦力过大造成调整困难。

压轮21与被支撑物之间设置有压块22，压块22上设置有供压轮21上下移动的滑槽。

使用时，将两个固定三脚架设置在底座12的两侧与墙壁之间，然后先设定好其中一边的三脚架的位置，然后，旋拧另一边的旋拧螺母19使得横杆14逐渐下移进而使得两根斜杆13组成的v形结构的开口逐渐变大，两根斜杆13的上端逐渐顶紧墙壁和底座12，进而完成底座12的固定，防止在试验的过程中底座12发生震动，进而影响实验效果。

叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，通过变桨系统进行叶片桨距角调节，实现叶片的力学性能检测，可以对叶片的升力、阻力，以及疲劳强度进行分析研究，拖动电机通过同步带传动系统与齿轮减速机带动主轴、风轮旋转，风轮转速为0~150r/min。风轮旋转速度、叶片变桨角度、变桨速率、实验运行时间可以通过主控制系统控制设定，实现在无风的情况下模拟实际风机运行，扭矩传感器检测拖动电机输出扭矩，并记录。主轴传动串入推力传感器，检测压力、拉力信号，并记录。轮毂与外部电气联络通过导电滑环实现。

将采集的信号以实时曲线的形式显示，并进行实时分析，记录保存给叶片性能分析研究提供极大的方便，通过人机界面可以观察数据采集显示统，可以得到实验台的有关数据，在整个实验过程中，实验台的保护系统起到保护监视实验台的全部部件的设备安全和实验人员安全

在实验台运行中对扭矩，推力，转速进行检测并将数据传送到主控系统，对轮毂旋转角度进行测量。

实现方法：

（1）、变桨系统:通过电气信号，控制变桨电机动作，变桨电机以恒定速度实现桨叶0-90度位置同步控制。

（2）、扭矩加载:扭矩加载通过拖动电机实现，加载力矩大小通过主控制系统给定。

（3）、扭矩检测:由扭矩测试仪检测主轴所受的转矩，并将信号传送到主控制系统。

（4）、推力检测：由传感器将推力信号传送到主控制系统。

（5）、转速检测：通过转速传感器检测拖动电机转速，将信号传送到主控系统。

（6）、轮毂旋转角度测量：通过编码器检测主轴转速，将信号传送到主控系统。

配电及控制系统：

配电及控制系统由配电回路及主控制单元构成，配电回路提供实验系统所有部件供电，包含220v母线配电系统及24v线路配电系统等。控制系统包含主控制器，信号采集及通讯单元，逻辑控制及保护功能。实现方法：

（1）、“阶跃”运行模式：设定变桨角度值，变桨速度值，时间间隔时长。在到达时间间隔时长时，系统将按照设定的变桨角度值，变桨速度值进行一次变桨动作；

（2）、“往复”运行模式：设定变桨角度往复值，设定变桨速度往复值，设定往复次数值。按照变桨角度及速度往复值及往复次数，进行变桨动作。

参照图1叶片通过变桨机构与轮毂连接，变桨机构实现叶片0-90度旋转，拖动电机通过同步带传动系统与齿轮减速机带动主轴、风轮旋转，风轮转速为0~150r/min。扭矩传感器检测拖动电机输出扭矩，并记录。主轴传动串入推力传感器，检测压力、拉力信号，并记录。轮毂与外部电气联络通过导电滑环实现。

参考图2本设备监控与操作软件采用双叶片旋转测试系统专用软件。该测试系统按功能可分为3个部分，分别为：实验设定、实验监控、历史数据。其中实验设定功能为系统默认显示，而启动、停机、故障复位等功能按钮和运行模式、运行状态、故障报警即时显示区不会随着选项卡按钮的切换而消失即为常驻显示。运行模式包括：零点校验模式、初始化模式、测试模式；运行状态包括：系统运行、系统停止；故障报警包括：系统振动、系统超速、测试结束、系统急停、无故障。

参考图3零点校验模式下只可以修改超速停机保护设置、振动停机保护设置1、振动停机保护设置2，零点校验下的桨距角的设定等数据。

参考图4初始化模式下只可以修改方位角初始设定值、变桨角度初始值、超速停机保护设置、振动停机保护设置1、振动停机保护设置2定等数据。

参考图5测试模式下除了方位角初始设定值、变桨角度初始值、零点校验下的桨距角的设定这3个数据，其他数据都可以修改。当点击“测试模式”按钮后，在模式参数设置区域的变桨角度设定后会出现“阶跃开”和“阶跃关”两个按钮，这个功能按钮只在测试模式下起作用，其他两个模式不会出现该功能按钮。

参考图6实验监控界面分为两部分，第一部分为测量参数实时曲线，第二部分为测量参数数据反馈，实时显示plc的数据，反馈数据包括：变桨角度、变桨速度、旋转速度、旋转方位角、扭矩、压拉力、振动信号1y、振动信号1x、振动信号2y、振动信号2x、变桨次数、拖动电机功率、测试运行累计时间。

参考图7在未启动系统时，可通过历史数据界面查询之前做实验所存储的相关数据，根据需求通过选择时间段进行查询，查询部分分为历史数据（数值）和历史数据曲线，点击查询后会弹出查询数据对话框，分为全部显示、以秒为步长（以秒为单位显示）、以分为步长、以小时为步长，如图2至7所示，同时也可倒出需求的数据，存储成excel文件、删除数据等操作。

本发明通过控制变桨电机的动作实现变桨系统，对风轮特性进行模拟。利用拖动电机实现扭矩加载，在不具备实际风场环境的实验室也可以模拟出风力发电机组的实际工作特性，利用人机界面的实时信号采集，实时曲线显示，实现了对双叶片风机叶片的力学性能测试要求，尤其是叶片变桨对叶片疲劳强度影响方面的研究。