本發(fā)明涉及一種葉片旋轉實驗臺及實驗方法，特別涉及雙葉片風力發(fā)電機葉片性能研究的實驗系統(tǒng)。

背景技術：

能源危機將嚴重地影響人類社會的進步和發(fā)展。為此全世界都在為開發(fā)新能源以維持地球的可持續(xù)發(fā)展做著不懈的努力。風能是一種人類取之不盡的綠色能源，如何有效地利用和開發(fā)風能資源一直是科學界不斷努力的方向。

雙葉片風力發(fā)電機具有重量更輕、體積更小、成本更低、效率更高、便于維護等特點，將成為風力發(fā)電技術的發(fā)展方向。葉片旋轉實驗臺是針對葉片性能研究的實驗平臺，是對風機葉片氣動性能和機械性能研究的一個重要的環(huán)節(jié)。

進行葉片性能研究，大多采用有限元分析軟件對葉片結構設計進行分析，該方法屬于理論性研究，不能直觀的反應出風機葉片轉動過程中功率及氣動性能，機械性能參數變化。而直接在實際的機組上進行實驗，首先是風力發(fā)電機組比較復雜，在風機系統(tǒng)中包括發(fā)電機，變槳距系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)等等，而且各個系統(tǒng)之間相互影響，這樣的復雜和繁多的系統(tǒng)給葉片性能檢測的實驗帶來極大的不便，大大增加了實驗的周期和難度。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種葉片旋轉實驗臺及實驗方法，其目的是解決以往所存在的問題，其主要針對雙葉片風力發(fā)電機組葉片性能研究，以及理論分析不足，現(xiàn)場實驗困難等問題。

技術方案：本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

一種葉片旋轉實驗臺，其特征在于：該試驗臺包括兩葉片風機平臺、配電及控制系統(tǒng)；兩葉片風機平臺包括葉片、輪轂、變槳機構、主軸、齒輪減速機、同步帶傳動系統(tǒng)、扭矩傳感器、推力傳感器、導電滑環(huán)和拖動電機；葉片通過變槳機構與輪轂連接，葉片、輪轂及變槳機構均套在主軸上。拖動電機通過同步帶傳動系統(tǒng)與齒輪減速機連接，齒輪減速機連接主軸并帶動主軸及葉片旋轉；扭矩傳感器設置在拖動電機的電機輸出軸上，主軸傳動串入推力傳感器；輪轂與外部電氣聯(lián)絡通過導電滑環(huán)實現(xiàn)；

配電及控制系統(tǒng)由配電回路及主控制單元構成，配電回路提供實驗系統(tǒng)所有部件供電，控制系統(tǒng)包含主控制器及與主控制器連接的信號采集及通訊單元，主控制器連接拖動電機，扭矩傳感器和推力傳感器連接至信號采集及通訊單元。

變槳系統(tǒng)通過變槳電機帶動葉片，變槳電機連接至主控制器。

在主軸上還設置有扭矩測試儀和檢測主軸轉速的編碼器，編碼器和扭矩測試儀連接至信號采集及通訊單元；在拖動電機上還設置有轉速傳感器，該轉速傳感器連接至信號采集及通訊單元。

該試驗臺還包括支撐架和軸承座，軸承座設置在輪轂的下方，主軸的下部穿過軸承座，軸承座設置在支撐架上。

支撐架設置在底座上，底座的兩側各設置有一個固定三腳架，該固定三腳架主要包括兩跟活動連接在一起的斜桿和一根橫桿，兩根斜桿的底端通過轉軸活動連接形成開口朝上且開口大小能調的ｖ形結構，該橫桿設置在該ｖ形結構的開口內，橫桿為水平向橫桿，在兩根斜桿的內側設置有滑槽，橫桿的兩端設置有伸進滑槽內且能沿著滑槽上下移動的滾輪，在轉軸的軸心連接有與橫桿垂直的立桿，立桿設置有外螺紋，立桿穿過橫桿且橫桿能相對于立桿做上下移動，且在立桿的上部設置有旋擰螺母，旋擰螺母設置在橫桿的上方。

在ｖ形結構的底部設置有倒t形底座，在斜桿的上端設置有使用時壓在被支撐物上的壓輪。

壓輪與被支撐物之間設置有壓塊，壓塊上設置有供壓輪上下移動的滑槽。

利用上述的葉片旋轉實驗臺所實施的實驗方法，其特征在于：在實驗臺運行中對扭矩，推力，轉速進行檢測并將數據傳送到主控系統(tǒng)，對輪轂旋轉角度進行測量，變槳機構實現(xiàn)葉片0-90度旋轉，風輪轉速為0~150r/min；通過變槳系統(tǒng)進行葉片槳距角調節(jié)，實現(xiàn)葉片的力學性能檢測，對葉片的升力、阻力，以及疲勞強度進行分析研究，并記錄；拖動電機通過同步帶傳動系統(tǒng)與齒輪減速機帶動主軸、風輪旋轉；風輪旋轉速度、葉片變槳角度、變槳速率、實驗運行時間通過主控制系統(tǒng)控制設定，實現(xiàn)在無風的情況下模擬實際風機運行，扭矩傳感器檢測拖動電機輸出扭矩，主軸傳動串入推力傳感器，檢測壓力、拉力信號，并記錄；輪轂與外部電氣聯(lián)絡通過導電滑環(huán)實現(xiàn)。

將采集的信號以實時曲線的形式顯示，并進行實時分析，記錄保存給葉片性能分析研究提供極大的方便，通過人機界面觀察數據采集顯示統(tǒng)，得到實驗臺的有關數據，在整個實驗過程中，實驗臺的保護系統(tǒng)起到保護監(jiān)視實驗臺的全部部件的設備安全和實驗人員安全。

該實現(xiàn)方法如下：

變槳系統(tǒng):通過電氣信號，控制變槳電機動作，變槳電機以恒定速度實現(xiàn)槳葉0-90度位置同步控制；

扭矩加載:扭矩加載通過拖動電機實現(xiàn)，加載力矩大小通過主控制系統(tǒng)給定；

扭矩檢測:由扭矩測試儀檢測主軸所受的轉矩，并將信號傳送到主控制系統(tǒng)；

推力檢測：由傳感器將推力信號傳送到主控制系統(tǒng)；

轉速檢測：通過轉速傳感器檢測拖動電機轉速，將信號傳送到主控系統(tǒng)；

輪轂旋轉角度測量：通過編碼器檢測主軸轉速，將信號傳送到主控系統(tǒng)；

配電及控制系統(tǒng)：

配電及控制系統(tǒng)由配電回路及主控制單元構成，配電回路提供實驗系統(tǒng)所有部件供電，包含220v母線配電系統(tǒng)及24v線路配電系統(tǒng)等；控制系統(tǒng)包含主控制器，信號采集及通訊單元，邏輯控制及保護功能；實現(xiàn)方法：

“階躍”運行模式：設定變槳角度值，變槳速度值，時間間隔時長；在到達時間間隔時長時，系統(tǒng)將按照設定的變槳角度值，變槳速度值進行一次變槳動作；

“往復”運行模式：設定變槳角度往復值，設定變槳速度往復值，設定往復次數值；按照變槳角度及速度往復值及往復次數，進行變槳動作。

優(yōu)點及效果：

本發(fā)明提供一種葉片旋轉實驗臺及實驗方法，包括兩葉片風機平臺、配電及控制系統(tǒng)。

該實驗平臺適應于葉片性能研究，按照風力發(fā)電機組所實現(xiàn)的功能進行設計，通過變槳系統(tǒng)，槳距角調節(jié)，負載轉矩加載等功能進行模擬風機運行。

本實驗臺根據實際風機的空氣動力學特性，在不具備實際風場環(huán)境下的實驗室也可以模擬出風機的實際工況，給雙葉片風力發(fā)電機組的實驗帶來極大的方便；實驗臺葉片通過變槳機構與輪轂連接，變槳機構實現(xiàn)葉片0-90度旋轉，以達到不同工作特性的需要，給實驗人員提供很大的方便。本發(fā)明根據不同的風速風向，可以模擬雙葉片風力發(fā)電機組的運行，對葉片的性能包括功率，氣動性能，機械性能進行研究。

附圖說明

圖1為風機平臺結構示意圖；

圖2為系統(tǒng)控制界面圖；

圖3為參數修訂界面圖—“零點校驗模式”參數修訂界面；

圖4為機組參數設置圖—初始化模式”參數修訂界面；

圖5為“測試模式”參數修訂界面；

圖6為實驗監(jiān)控界面；

圖7為歷史數據界面；

圖8為固定三腳架的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種葉片旋轉實驗臺，該試驗臺包括兩葉片風機平臺、配電及控制系統(tǒng)；兩葉片風機平臺包括葉片1、輪轂3、變槳機構4、主軸2、齒輪減速機5、同步帶傳動系統(tǒng)6、扭矩傳感器7、推力傳感器8、導電滑環(huán)和拖動電機10；葉片1通過變槳機構4與輪轂3連接，葉片1、輪轂3及變槳機構3均套在主軸2上，拖動電機10通過同步帶傳動系統(tǒng)6與齒輪減速機5連接，齒輪減速機5連接主軸并帶動主軸及葉片1旋轉；扭矩傳感器7設置在拖動電機10的電機輸出軸上，主軸傳動串入推力傳感器8；輪轂3與外部電氣聯(lián)絡通過導電滑環(huán)實現(xiàn)；

配電及控制系統(tǒng)由配電回路及主控制單元構成，配電回路提供實驗系統(tǒng)所有部件供電，控制系統(tǒng)包含主控制器及與主控制器連接的信號采集及通訊單元，主控制器連接拖動電機10，扭矩傳感器7和推力傳感器8連接至信號采集及通訊單元。

變槳系統(tǒng)通過變槳電機帶動葉片1，變槳電機連接至主控制器。

在主軸上還設置有扭矩測試儀和檢測主軸轉速的編碼器，編碼器和扭矩測試儀連接至信號采集及通訊單元；在拖動電機10上還設置有轉速傳感器，該轉速傳感器連接至信號采集及通訊單元。

該試驗臺還包括支撐架9和軸承座11，軸承座11設置在輪轂3的下方，主軸2的下部穿過軸承座11，軸承座11設置在支撐架9上。

如圖8所示,支撐架9設置在底座12上，底座12的兩側各設置有一個固定三腳架，該固定三腳架主要包括兩跟活動連接在一起的斜桿13和一根橫桿14，兩根斜桿13的底端通過轉軸15活動連接形成開口朝上且開口大小能調的ｖ形結構，該橫桿14設置在該ｖ形結構的開口內，橫桿14為水平向橫桿，在兩根斜桿13的內側設置有滑槽16，橫桿14的兩端設置有伸進滑槽16內且能沿著滑槽16上下移動的滾輪17，在轉軸15的軸心連接有與橫桿14垂直的立桿18，立桿18設置有外螺紋，立桿18穿過橫桿14且橫桿14能相對于立桿18做上下移動，且在立桿18的上部設置有旋擰螺母19，旋擰螺母19設置在橫桿14的上方。

在ｖ形結構的底部設置有倒t形底座20，在斜桿13的上端設置有使用時壓在被支撐物上的壓輪21，壓輪21的作用是便于斜桿13對被支撐物的頂緊，防止摩擦力過大造成調整困難。

壓輪21與被支撐物之間設置有壓塊22，壓塊22上設置有供壓輪21上下移動的滑槽。

使用時，將兩個固定三腳架設置在底座12的兩側與墻壁之間，然后先設定好其中一邊的三腳架的位置，然后，旋擰另一邊的旋擰螺母19使得橫桿14逐漸下移進而使得兩根斜桿13組成的v形結構的開口逐漸變大，兩根斜桿13的上端逐漸頂緊墻壁和底座12，進而完成底座12的固定，防止在試驗的過程中底座12發(fā)生震動，進而影響實驗效果。

葉片通過變槳機構與輪轂連接，變槳機構實現(xiàn)葉片0-90度旋轉，通過變槳系統(tǒng)進行葉片槳距角調節(jié)，實現(xiàn)葉片的力學性能檢測，可以對葉片的升力、阻力，以及疲勞強度進行分析研究，拖動電機通過同步帶傳動系統(tǒng)與齒輪減速機帶動主軸、風輪旋轉，風輪轉速為0~150r/min。風輪旋轉速度、葉片變槳角度、變槳速率、實驗運行時間可以通過主控制系統(tǒng)控制設定，實現(xiàn)在無風的情況下模擬實際風機運行，扭矩傳感器檢測拖動電機輸出扭矩，并記錄。主軸傳動串入推力傳感器，檢測壓力、拉力信號，并記錄。輪轂與外部電氣聯(lián)絡通過導電滑環(huán)實現(xiàn)。

將采集的信號以實時曲線的形式顯示，并進行實時分析，記錄保存給葉片性能分析研究提供極大的方便，通過人機界面可以觀察數據采集顯示統(tǒng)，可以得到實驗臺的有關數據，在整個實驗過程中，實驗臺的保護系統(tǒng)起到保護監(jiān)視實驗臺的全部部件的設備安全和實驗人員安全

在實驗臺運行中對扭矩，推力，轉速進行檢測并將數據傳送到主控系統(tǒng)，對輪轂旋轉角度進行測量。

實現(xiàn)方法：

（1）、變槳系統(tǒng):通過電氣信號，控制變槳電機動作，變槳電機以恒定速度實現(xiàn)槳葉0-90度位置同步控制。

（2）、扭矩加載:扭矩加載通過拖動電機實現(xiàn)，加載力矩大小通過主控制系統(tǒng)給定。

（3）、扭矩檢測:由扭矩測試儀檢測主軸所受的轉矩，并將信號傳送到主控制系統(tǒng)。

（4）、推力檢測：由傳感器將推力信號傳送到主控制系統(tǒng)。

（5）、轉速檢測：通過轉速傳感器檢測拖動電機轉速，將信號傳送到主控系統(tǒng)。

（6）、輪轂旋轉角度測量：通過編碼器檢測主軸轉速，將信號傳送到主控系統(tǒng)。

配電及控制系統(tǒng)：

配電及控制系統(tǒng)由配電回路及主控制單元構成，配電回路提供實驗系統(tǒng)所有部件供電，包含220v母線配電系統(tǒng)及24v線路配電系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)包含主控制器，信號采集及通訊單元，邏輯控制及保護功能。實現(xiàn)方法：

（1）、“階躍”運行模式：設定變槳角度值，變槳速度值，時間間隔時長。在到達時間間隔時長時，系統(tǒng)將按照設定的變槳角度值，變槳速度值進行一次變槳動作；

（2）、“往復”運行模式：設定變槳角度往復值，設定變槳速度往復值，設定往復次數值。按照變槳角度及速度往復值及往復次數，進行變槳動作。

參照圖1葉片通過變槳機構與輪轂連接，變槳機構實現(xiàn)葉片0-90度旋轉，拖動電機通過同步帶傳動系統(tǒng)與齒輪減速機帶動主軸、風輪旋轉，風輪轉速為0~150r/min。扭矩傳感器檢測拖動電機輸出扭矩，并記錄。主軸傳動串入推力傳感器，檢測壓力、拉力信號，并記錄。輪轂與外部電氣聯(lián)絡通過導電滑環(huán)實現(xiàn)。

參考圖2本設備監(jiān)控與操作軟件采用雙葉片旋轉測試系統(tǒng)專用軟件。該測試系統(tǒng)按功能可分為3個部分，分別為：實驗設定、實驗監(jiān)控、歷史數據。其中實驗設定功能為系統(tǒng)默認顯示，而啟動、停機、故障復位等功能按鈕和運行模式、運行狀態(tài)、故障報警即時顯示區(qū)不會隨著選項卡按鈕的切換而消失即為常駐顯示。運行模式包括：零點校驗模式、初始化模式、測試模式；運行狀態(tài)包括：系統(tǒng)運行、系統(tǒng)停止；故障報警包括：系統(tǒng)振動、系統(tǒng)超速、測試結束、系統(tǒng)急停、無故障。

參考圖3零點校驗模式下只可以修改超速停機保護設置、振動停機保護設置1、振動停機保護設置2，零點校驗下的槳距角的設定等數據。

參考圖4初始化模式下只可以修改方位角初始設定值、變槳角度初始值、超速停機保護設置、振動停機保護設置1、振動停機保護設置2定等數據。

參考圖5測試模式下除了方位角初始設定值、變槳角度初始值、零點校驗下的槳距角的設定這3個數據，其他數據都可以修改。當點擊“測試模式”按鈕后，在模式參數設置區(qū)域的變槳角度設定后會出現(xiàn)“階躍開”和“階躍關”兩個按鈕，這個功能按鈕只在測試模式下起作用，其他兩個模式不會出現(xiàn)該功能按鈕。

參考圖6實驗監(jiān)控界面分為兩部分，第一部分為測量參數實時曲線，第二部分為測量參數數據反饋，實時顯示plc的數據，反饋數據包括：變槳角度、變槳速度、旋轉速度、旋轉方位角、扭矩、壓拉力、振動信號1y、振動信號1x、振動信號2y、振動信號2x、變槳次數、拖動電機功率、測試運行累計時間。

參考圖7在未啟動系統(tǒng)時，可通過歷史數據界面查詢之前做實驗所存儲的相關數據，根據需求通過選擇時間段進行查詢，查詢部分分為歷史數據（數值）和歷史數據曲線，點擊查詢后會彈出查詢數據對話框，分為全部顯示、以秒為步長（以秒為單位顯示）、以分為步長、以小時為步長，如圖2至7所示，同時也可倒出需求的數據，存儲成excel文件、刪除數據等操作。

本發(fā)明通過控制變槳電機的動作實現(xiàn)變槳系統(tǒng)，對風輪特性進行模擬。利用拖動電機實現(xiàn)扭矩加載，在不具備實際風場環(huán)境的實驗室也可以模擬出風力發(fā)電機組的實際工作特性，利用人機界面的實時信號采集，實時曲線顯示，實現(xiàn)了對雙葉片風機葉片的力學性能測試要求，尤其是葉片變槳對葉片疲勞強度影響方面的研究。