CN101949770A - 风力发电机叶片静力认证试验测试*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机叶片静力认证试验测试***，主要包括由测力传感器和有温度自补偿的应变片组成的信号检测元件和信号处理装置，该信号处理装置具有分流校准模块，可重新校准应变片的灵敏度；具有远程距离检测模块，可补偿测力传感器信号电缆内阻对测力传感器桥工作电压的线路损失；具有调平载荷和应变值归零模块，可将叶片调平时所产生的载荷初始值和应变初始值自动归零；具有高速同步数据采集卡，可高速同步采集并保持信号检测元件的输出信号。

Description

风力发电机叶片静力认证试验测试***

技术领域：

本发明涉及风力发电机叶片，具体涉及该叶片静力认证试验测试***，属测试技术领域。

背景技术：

风力发电机组的风轮叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的好坏直接影响风力发电机组的效率、寿命和性能。而叶片的研制、生产涉及到多个学科，是多学科的高科技产品。由于国内缺乏制造大型风机叶片的技术基础，因此在“九五”以前，我国的风力发电叶片几乎全部依赖进口。随着风电叶片技术的引进和消化，我国也开始自主设计和生产兆瓦级风电叶片风电叶片的产品化，但是风电叶片的产品化必须得到相应国际组织的认证。而风电叶片的静力认证是风电叶片认证必不可少的认证项目之一。目前，国内设计的叶片主要需要通过德国GL(船级社)或者中国船级社或中国鉴衡现场静力试验的认证。其认证的目的为：

◆确定叶片各个截面的实际刚度；

◆在110％极限载荷下，确定叶片结构的剩余强度等级；

◆在110％极限载荷下，确定叶片结构的稳定性或屈曲强度；

◆用静力试验的测试数据来对比设计计算结果，一般要求计算的叶片频率值和叶片敏感处的应变分别在±5％和±10％范围之内，只有试验测试值和设计计算值达到容许范围之内后，方能认定设计和制造的一致性，同时可以认定设计的可靠性和可行性。

静力试验主要包含以下工作内容：

◆测试风电叶片在flapwise方向和edgewise方向的第一和第二阶弯曲振动频率和阻尼；

◆在0％-40％-60％-80％-100％试验加载载荷步下，测量叶片各个加载位置的加载载荷值和叶片敏感点的应变值。

在现有叶片静力认证试验测试技术中，主要存在以下几个问题：

1.应变片没有温度自动补偿功能，不得不增加2倍应变片，组成桥式检测电路来实现温度补偿，不仅成本高，且当补偿应变片与测试应变片温度差异较大时，其补偿效果则较差。

2.由于叶片的几何尺寸很大，其长度往往在20米以上，故应变片、测力传感器与测试装置之间的连接电缆很长，至少50米，电缆内阻抗较大，检测到的应变片输出电压信号及传感器的桥工作电压(测力传感器是有源传感器)衰减大，测量精度低。

3.由于应变测点和加载载荷的测点很多，一般不少于20个点，目前最多可达70多个点，而在叶片静力试验过程中，每个加载步骤的停留时间不能够太长，目前是用静态测试应变仪进行测试，该仪器是分时扫描，导致各个测点的信号不能够实现同步采集，并使得一个测试周期的时间较长，当叶片的测点很多时，就无法进行连续不间断测试，只能够记录每个加载步骤的测试数据，不能够实时记录静力加载过程中整个叶片加载载荷和应变的连续变化过程，因而不能及时发现叶片应变突变的前兆，容易发生叶片断裂、伤人毁物的重大安全事故。

4.由于叶片自重和加载夹具的影响，在静力试验开始之前，必须对叶片进行调平，在叶片调平后，应变式测力传感器和应变片就有了初始值，而这个初始值应为实际静力试验加载的零点，如果不能够在叶片正式静力加载前，将这些初始值进行归零，则整个静力试验过程的测试值均包含了叶片调平后的初始值，而真正的测试值是应该减去该初始值的，为此，对于几万个测试数据来说，这显然增加了试验后离线数据分析的工作量，繁琐的计算花费很多时间，使得试验周期很长。

5.振动频率和阻尼测量、加载载荷及应变测量使用两套专用的测试装置分别测试，用振动试验台或锤击法和频谱分析仪测量振动频率和阻尼，用应变试验装置测量加载载荷及应变，使得测试装置繁杂，装备投资巨大；且试验的步骤繁多。

发明内容：

本发明的目的，是提供一个设计科学合理、先进实用的风电叶片静力测试***，可以有效地就解决上述现有技术中的问题，其技术解决方案是：

本风力发电机叶片静力认证试验测试***包括：

-试验台，用于安装受试叶片；

-试验载荷加载装置，用于向叶片施加静力试验载荷；

-多个应变式测力传感器，分别布置在叶片各个加载点与试验载荷加载装置的连接链中，用于检测加载点试验载荷的静力值；

-多个具有温度自补偿的应变片，分别粘贴在叶片的各个敏感点上，用于检测叶片在试验载荷下这些敏感点的应变值；

-桥式应变数据处理器，用于处理所有应变式测力传感器检测到的加载静力载荷值信号数据和所有应变片检测到的应变值信号数据，它包含以下功能模块：

分流校准模块，用于重新校准应变片的灵敏度，消除连接电缆内阻对应变片灵敏度的影响；远程距离检测模块，用于补偿测力传感器连接电缆内阻对测力传感器桥工作电压的线路损失；调平载荷值和应变值归零模块，用于将叶片调平时所产生的载荷初始值和应变初始值归零。

-高速同步数据采集卡，用于将应变片、测力传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并高速同步采集和保持这些信号数据，将其送入计算机；

-计算机处理器，用于处理应变片输出的电压信号数据和测力传感器输出的电压信号数据，将载荷和应变的电压信号转换成实际的测量值以及将测量值进行百分比变换；

-计算机存储器，用于存储应变片输出的测量信号数据、测力传感器输出的测量信号数据；

-显示器，用于显示经过处理后的应变片输出信号的测量值和测力传感器输出信号的测量值。

所述试验载荷加载装置是1台或多台汽车吊，其吊钩分别对应叶片的加载点，每一加载点上固定有一加载夹具，各夹具通过吊索悬挂在各自对应的汽车吊的吊钩上。

所述应变式测力传感器布置在夹具与吊索之间的连接点上。

所述应变片是具有-20℃～40℃环境温度自补偿的应变片。

所述应变片采用室温快速固化的胶水粘贴在叶片的敏感点上，粘后的裸露表面涂有防水和防尘涂层。

所述受试叶片上固定布置有一应变片电缆接线箱，应变片的电缆连接该接线箱内的接线端子上，再通过带插头的电缆同桥式应变数据处理器连接。

本测试***的技术效果：

本测试***可以应用于所有型号的风电叶片的静力认证试验的测试，在叶片静力试验过程中，可以满足96个测试通道的测试信号采集和存储工作，通过本套测试***主要可以实现以下功能：

1)叶片固有频率和阻尼测试；

2)自动实现测力传感器的remote sense(远距离自动检测)功能，确保测力传感器测试精度不受导线长度的影响；

3)自动实现分流校准(shunt calibration)，确保应变测试数据精度不受导线长度的影响；

4)实现多点测试数据的同步和保持功能(Simultaneous Sample and Hold)，严格保证了多点测试数据的同步实时性；

5)自动实现初始测试数据的归零工作(Offset Null Compensation)，减少了人工处理测试数据的工作量，其原理为利用数字电位计将桥电压的输出值规整为零；

6)实时同步显示和存储叶片静力试验的测试数据；

7)测试数据存储为文本ASCII码方式，既方便利用打印机输出数据，又方便利用Excell程序打开，以便进行测试数据的分析；

在不同的风电叶片静力认证试验前，可以根据不同类型的叶片和试验工况更改存储文件的名称以及测试工况名称。

另外，用本***可以完成振动频率及阻尼测量、加载载荷及应变测量两个试验项目的测试，可以省去振动频率及阻尼试验装置，节约大量试验装备投资，经济效果也非常显著。

附图说明：

图1是本测试***的构成及使用状态结构图(以3台吊车加载为例)。

图2是图1中测试***的拓扑结构图。

图3是本测试***的软件程序结构图。

图4是叶片频率测试模块的流程图(虚线为离线分析过程)。

图5是叶片阻尼测试模块的流程图(虚线为离线分析过程)。

图6是叶片静力试验测试的流程图(虚线为离线分析过程)。

图7是测力传感器远距离自动检测的原理图。

图8是自动实现分流校准的原理图。

图9是数据同步和保持的原理图(图9中代号表示：1-保持时间；2-跟踪时间；3-应变桥式处理器最大时间)。

图10是风电叶片频率测试程序的结构图。

图11是风电叶片阻尼测试程序的结构图。

图12是风电叶片静力试验测试程序的结构图(注：图12-1、图12-2、图12-3、图12-4、图12-5、图12-6是依序相连的整体图12)。

具体实施方式：

本测试***的构成及使用状态结构参见图1(以3台吊车加载为例)，它主要包括试验台1，用于固定接受测试的风电叶片2；三台汽车吊，用于向叶片2的三个加载部位施加加载载荷，叶片的三个加载部位分别设有夹具，以保护叶片免受损伤，再由吊索将夹具悬挂在吊车3的挂钩上，当吊臂伸出、挂钩上移时，叶片受到拉力，向上弯曲变形，此时，叶片的各个敏感点将发生应变。测力传感器4布置在吊索与夹具之间的连接部，这样即可检测到加载载荷的值；应变片5则是粘贴叶片的各个敏感点，可检测到应变值。试验的目的，就是要检测出在0％-40％-60％-80％-100％试验加载载荷步下，叶片各个加载位置的加载载荷值和叶片敏感点的应变值，通过桥式应变数据处理器6、高速同步采集卡7和计算机8在线数据采集、处理和后期离线分析，与规范的规定值进行对比，从而判断叶片是否合格。

由于风电叶片尺寸较大(长度一般均超过20m)，因此，粘贴应变片5的胶水应采用室温快速固化的胶水，如T-1型502快干胶水，当周围环境比较潮湿时，还应采用电吹风对应变片的粘贴表面，保证其应变片5粘贴的可靠性；另外由于叶片的所有静力试验项目多在在露天环境下进行，因此，需要采用专业的防水和防尘材料(如应变片的防水、防潮专用胶水以及防水腻子)对应变片进行保护，充分保证应变片在试验过程中的可靠性。

解决应变片5温度补偿问题是本发明的关键技术之一，本发明首先根据叶片采用的材料制作样板，测试其线膨胀系数，然后根据叶片材料的线膨胀系数以及叶片静力试验的环境温度-20℃～40℃确定应变片温度自补偿的范围，再委托专业生产厂商加工，制造出满足上述性能指标的应变片。应变片具有温度自补偿的优点是可以不采用另外增加补偿应变片来消除露天环境温度变化对应变测试精度的影响，同时也减少了试验材料成本的开支(如应变片和导线等)和简化了测试***。

为充分保证静力试验中测试数据的真实性、可靠性，本发明的测试***做了重大改进，测试***的拓扑结构参见图2，主要由桥式应变数据处理器6、高速同步数据采集卡7，计算机8、显示器9组成。其中，装在计算机8的测试程序在整个测试过程中自动控制桥式应变数据处理器6的远程距离检测模块6.1、分流校准模块6.2、调平载荷和应变值归零功能模块6.3；高速同步数据采集卡7的同步采集和保持模块以及计算机处理器8.1和存储器8.2。

这部分是本发明的重点，包含多个发明点，分别详细说明如下：

◆桥式应变数据处理器6，其中包括：

●远程距离检测模块6.1

在静力试验过程中，测试叶片加载载荷的测力传感器(应变式测力传感器4)装在汽车吊挂钩和加载夹具之间，考虑到叶片的变形和试验台位的具体情况，其测力传感器的测试导线往往不能够小于50米，这样测试导线的内电阻会衰减测试仪器向载荷传感器的供电的桥电压，直接导致测力传感器测试灵敏度的产生变化，从而使得测力传感器不能够真实反映叶片静力试验过程的实际加载载荷，为此，对普通的测力传感器进行了一定的修改，增加了测试传感器实际供电桥电压值的功能，然后再利用LabView编程手段，增加了Remote Sense(远距离自动检测)功能，用于补偿长导线对供电电压的衰减，保证测力传感器的实际供电电压，使得测力传感器能够精确反映汽车吊对叶片的实际加载载荷。该模块的原理参见图7。

●分流校准模块6.2

同样应变片的测试导线也是非常长的，导线的电阻也会直接影响应变片的灵敏度，因此，在测试程序中，采用了分流校准(shunt calibration)功能，它可以校准测试导线的实际电阻对应变片灵敏度的影响，充分保证应变片能够反映叶片静力试验过程中的实际应变值，该模块的原理参见图8。

●调平载荷和应变值归零模块6.3。

由于叶片自重和加载夹具重量等因素的影响，在静力加载前，需要进行叶片的调平工作，当叶片调平后，测力传感器和应变片均有了叶片调平后所产生的初始值(此时的测力传感器的输出就为叶片调平的载荷值)，如果不能够在叶片正式静力加载前，将这些初始值进行归零，则整个静力试验过程的测试值均包含了叶片调平后的初始值，而真正的测试值是应该减去该初始值的，为此，对于几万个测试数据来说，这显然增加了试验后离线数据分析的工作量。然而本测试***则能够自动实现初始测试数据的归零(Offset NullCompensation)，保证了所有的测试数据均为叶片静力加载的实际值，减少今后试验数据分析和整理的工作量。

上述桥式应变处理器6的几个功能完全通过基于Labview编制的软件来自动控制桥式应变处理器6来实现，软件程序结构参见图3。

◆高速同步数据采集卡7，该卡具备数据同步采集和保持功能。

在整个叶片静力记载过程中，其测试***既包含测力传感器的测试，也包含应变测试，其测点的数量往往在20多点以上，甚至达到70多个测点，而且当加载载荷在最大试验载荷60％以上时，叶片停留的时间不能够过长，此时如还采用传统的静态测试应变仪进行测试，则会因静态应变测试仪的分时扫描而导致各个测点不能够实现同步采集，且不能够实时记录静力加载过程中，整个叶片加载载荷和应变的连续变化过程，只能够记录每个加载步骤的测试数据，而本测试***则利用了采集卡所具备的同步采样和保持功能(Simultaneous Sample and Hold)进行连续的采样，不但保证了所有测试通道的同步采集，而且保证了加载过程中测试数据的连续性，方便在试验出现问题时，及时分析所记录测试和加载数据，找出试验出现故障的原因，及时发现事故前兆，避免发生重大安全事故。同时，其各个通道的采样点数仅仅受到采集板采样参数的控制，因此，在试验中能够在0.0002秒的间隔甚至更低的采样间隔进行测试数据的同步和连续采集，该卡的原理参见图9。

此外，由于叶片静力试验往往需要在几个方向分别进行加载，因此，在完成一个方向加载的静力试验后，则需要将叶片翻身到另外一个方向进行静力加载试验，此时所有的应变片测试电缆如果没有固定，则这些零散的测试电缆将会给叶片翻身带来极大的困难，且在进行另外一个方向静力试验前，还需要重新进行仪器测试电缆的拆线和接线工作。在本测试***中，在叶片的叶根附近上固定了一个应变片电缆接线箱，应变片的电缆连接该接线箱内的接线端子上，再通过带插头的电缆同桥式应变数据处理器连接，所有的应变片测试电缆均进入并固定于该箱中，在叶片翻身和重新进行另外一个方向的静力试验时，只需要将连接测试仪器和固定在叶片上的应变电缆接线箱的专用电缆取掉和***即可。

下面介绍本***的工作过程。

用本***对风机叶片进行静力认证试验，是在叶片自由状态下且存在不影响叶片固有频率附加质量的情况下，测试确定叶片的固有频率，同时利用记录的叶片衰减波形计算出叶片各阶模态阻尼；并在静力试验过程中，实时同步采集，显示和存储加载的载荷和叶片敏感点处的应变测试数据，静力试验完成后可以用Microsoft Excel程序方便打开试验中所存储的数据文件进行后续测试数据处理，并可以方便进行测试数据的打印输出，以利于试验数据的分析，最终通过实时显示的数据和离线的试验数据分析和处理判断叶片静力试验过程是否符合试验规范所要求的内容。

对于每一种新型风电叶片的静力试验，首先应分别进行叶片的固有频率和阻尼的测试，最后进行叶片静态加载的静力试验。

在试验准备阶段首先需要确定叶片静力试验中，其应变敏感点的数量和位置，并在车间内将叶片静力试验的所需要测试应变片粘贴在相应的位置，并做好相应的防水和防尘处理，同时将应变片测试电缆接入固定在叶片叶根上的应变电缆接线箱中，然后将叶片转运至露天的叶片静力试验现场。

叶片固有频率测试过程，参见图4。

按照试验规范的要求，将叶片的叶根固定在试验台位上，叶片安装完成后则处于自由状态，用多芯电缆将应变电缆接线箱同测试设备连接后，用共振法向叶片施加一个共振激振力，在计算机上运行叶片固有频率测试程序，进入测试程序主界面后，设置固有频率测试的应变通道、采样频率、采样截止频率，同时设置测试设备的初始化模块和应变片参数设置以及采样数据存储文件名和地址等工作，完成后上述工作后，运行测试叶片固有频率的测试程序，随后利用共振法的原理激励出叶片固有频率，则程序将依照图7运行流程进行应变片的归零和灵敏度的标定工作，并完成多通道采样测试的同步和追踪功能，最终测试的数据分为两路，一路进入FFT(傅里叶)计算并实时显示出叶片固有频率的频谱图，另外一路则实时存储所有测试通道的测试数据，已备今后离线分析叶片的固有频率。频率测试的频谱图则可以保存为bmp格式的图，方便今后直观分析以及试验报告的附图。固有频率测试的程序结构参见图10。

叶片阻尼测试过程，参见图5。

在进行完叶片固有频率测试后，关闭叶片固有频率测试程序，用共振法对叶片施加一个激振力，运行叶片阻尼测试程序，在程序的主界面的设置与叶片固有频率测试程序一样，完成设置后并运行测试程序，则测试设备将自动记录叶片固有频率下振动的衰减波形，并同时完成衰减波形数据的存储，此时，可以根据程序峰值检测的功能得到叶片振动衰减波形各个波峰或波谷的应变值，然后再利用振动原理计算出叶片每阶固有频率下的模态阻尼值，同时，也可以利用离线的读波形文件程序或Microsoft Excel程序读取存储在数据文件中的振动衰减波形再做进一步分析和处理，确保叶片的模态阻尼值的准确性。阻尼测试的程序结构参见图11。

叶片静态加载测试过程，参见图6。

完成叶片的固有频率和阻尼测试后，按照具体叶片的试验规范确定叶片所需要的加载点数来配置相应汽车吊台数和在叶片上加载位置安装加载夹具，如图1所示则为3台汽车吊同时对叶片静力试验进行加载，本测试***可以通过参数设置实现1台或多台汽车吊同时对叶片进行加载的静力试验的测试。在静态加载试验前，需要在相应的加载夹具上安装吊绳以及测力传感器，并利用吊绳将它们同相应的汽车吊的挂钩连接上，待上述工作完成后，首先应指挥所有的汽车吊进行卸载，保证所有的加载点没有载荷作用于叶片上，使叶片处于自由状态，其次运行静态加载的静力测试程序，并在程序的主界面设置应变测试和加载载荷测试的通道、应变和力传感器的测试参数以及测试电缆的导线电阻等，并完成采样点数和采样截止频率的参数设置以及输入叶片调平的加载载荷，以及测试数据存储文件名和地址设置，则就可以正式运行静力试验的测试程序，测试程序根据图6的程序结构分别对测试模块进行初始化标定、并将所设置的虚拟通道赋值为实际的测试通道，然后对所有通道进行初始值归零处理，并做应变片灵敏度标定和定期进行测力传感器的远程距离监测工作，以消除测试电缆长度对测试精度的影响，然后再对所有通道进行初始值归零处理，同时为所有测试通道附加上同步采样和保持的功能，最后完成测试数据采集的缓存处理，则试验人员就可以根据加载载荷实时显示表指挥汽车吊进行叶片的调平工作，完成叶片的调平工作后，需要在程序中输入各个测点的静态加载静力试验的最大加载载荷和相应各个测点的计算应变值，并选择叶片调平完成按钮，则程序将自动将叶片调平所产生的载荷值和应变值自动清零，则静态加载的静力试验则可以正式进行，所有的测试数据分为两路：一路用于实时显示，以便试验人员控制所有汽车吊在静力试验的协调加载过程，并根据实时显示在程序界面上加载载荷和应变值实时判断静力试验是否能够正常进行，另外一路测试数据则根据所设置的采样点数实时并连续地存储在所设置的存储文件中。存储在数据的文件可以利用Microsoft Excel程序打开，方便进行加载过程图形和数据处理。静态加载测试的程序结构参见图12(即图12-1至图12-6)。

以上图10、图11、图12说明：

图10为风电叶片频率测试程序的结构图，测试程序基于Labview进行编制的；

图11为风电叶片阻尼测试程序的结构图，测试程序基于Labview进行编制的；

图12为风电叶片静力试验测试程序的结构图，测试程序基于Labview进行编制的。

Claims (6)

1.一种风力发电机叶片静力认证试验测试***，包括

-试验台，用于安装受试叶片；

-试验载荷加载装置，用于向叶片施加静力试验载荷；

-多个应变式测力传感器，分别布置在叶片各个加载点与试验载荷加载装置的连接链中，用于检测加载点试验载荷的静力值；

-多个具有温度自补偿的应变片，分别粘贴在叶片的各个敏感点上，用于检测叶片在试验载荷下这些敏感点的应变值；

-桥式应变数据处理器，用于处理所有应变式测力传感器检测到的加载静力载荷值信号数据和所有应变片检测到的应变值信号数据，它包含以下功能模块：

分流校准模块，用于重新校准应变片的灵敏度，消除连接电缆内阻对应变片灵敏度的影响；远程距离检测模块，用于补偿测力传感器连接电缆内阻对测力传感器桥工作电压的线路损失；调平载荷值和应变值归零模块，用于将叶片调平时所产生的载荷初始值和应变初始值归零；

-高速同步数据采集卡，用于将应变片、测力传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并高速同步采集和保持这些信号数据，将其送入计算机；

-计算机处理器，用于处理应变片输出的电压信号数据和测力传感器输出的电压信号数据，将载荷和应变的电压信号转换成实际的测量值以及将测量值进行百分比变换；

-计算机存储器，用于存储应变片输出的测量信号数据、测力传感器输出的测量信号数据；

-显示器，用于显示经过处理后的应变片输出信号的测量值和测力传感器输出信号的测量值。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片静力认证试验测试***，其特征在于：所述试验载荷加载装置是1台或多台汽车吊，其吊钩分别对应叶片的加载点，每一加载点上固定有一加载夹具，各夹具通过吊索悬挂在各自对应的汽车吊的吊钩上。

3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片静力认证试验测试***，其特征在于：所述应变式测力传感器布置在夹具与吊索之间的连接点上。

4.根据权利要求1所述的风力发电机叶片静力认证试验测试***，其特征在于：所述应变片是具有-20℃～40℃环境温度自补偿的应变片。

5.根据权利要求1所述的风力发电机叶片静力认证试验测试***，其特征在于：所述应变片采用室温快速固化的胶水粘贴在叶片的敏感点上，粘后的裸露表面涂有防水和防尘涂层。

6.根据权利要求1所述的风力发电机叶片静力认证试验测试***，其特征在于：所述受试叶片上固定布置有一应变片电缆接线箱，应变片的电缆连接该接线箱内的接线端子上，再通过带插头的电缆同桥式应变数据处理器连接。

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