風機葉片邊界層分離區域測定系統的製作方法

2023-05-25 10:17:51 1

風機葉片邊界層分離區域測定系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了風機葉片邊界層分離區域測定系統，包括：數據採集系統，用於採集風機葉片的氣流壓力數據；數據處理系統，用於根據所述氣流壓力數據獲得所述風機葉片邊界層分離點的位置；驗證系統，用於對獲得的所述風機葉片邊界層分離點的位置進行驗證。本實用新型提供的測定系統不受時間和地形限制，可方便有效的進行精細化定量分析，滿足在風電場或全尺寸室外葉片分離區域分析需求，從而克服現有技術無法進行精細化定量分析以及受時間和地形幹擾限制的不足。
【專利說明】風機葉片邊界層分離區域測定系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型設及風電【技術領域】，特別是設及風機葉片邊界層分離區域測定系統。

【背景技術】
[0002] 受結構強度、製造工藝W及效益等因素的影響，風力發電機葉片在氣動性能設計 上沒有達到最優，實際運行時，葉片表面邊界層發生分離，導致風力發電捕獲風能的能力下 降。為了克服由於邊界層分離導致的葉片氣動性能下降，可W在葉片上加裝附件，如禍流發 生器、擾流板、襟翼等。該些附件的安裝位置直接影響最終改造效果，而安裝位置的確定則 依賴於葉片表面邊界層分離區域的確定。
[0003] 目前確定葉片邊界層分離區域一般是通過在葉片上粘貼由輕質毛繩及膠帶組成 的測風縷，再通過高速攝像設備拍攝所述輕質毛繩的運動狀況進行分析判斷。但該種方法 存在如下缺點；（1)只能做粗趟的定量分析；(2)攝像時受地形影響，在攝像機無法擺放的 地方，不能採用此方法；（3)可採集時間短，攝像只宜在白天進行；(4)攝像設備只能在某個 點聚焦，因此只能在葉片轉動到某個角度時進行拍攝。
[0004] 由此可見，上述現有的風機葉片邊界層分離區域的測定系統顯然仍存在有不便與 缺陷，而亟待加W進一步改進。如何創設一種不受時間和地形限制，可方便有效的進行精細 化定量分析，滿足在風電場或全尺寸室外葉片分離區域分析需求的新的風機葉片邊界層分 離區域測定系統，實屬當前業界極需改進的目標。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的目的是提供風機葉片邊界層分離區域測定系統，使其能夠不受時間 和地形限制，可方便有效的進行精細化定量分析，滿足在風電場或全尺寸室外葉片分離區 域分析需求，從而克服現有技術無法進行精細化定量分析W及受時間和地形幹擾限制的不 足。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：
[0007] 風機葉片邊界層分離區域測定系統，包括；數據採集系統，用於採集風機葉片的氣 流壓力數據；數據處理系統，用於根據所述氣流壓力數據獲得所述風機葉片邊界層分離點 的位置；驗證系統，用於對獲得的所述風機葉片邊界層分離點的位置進行驗證。
[000引進一步地，所述數據採集系統包括多個壓力傳感器陣列，所述壓力傳感器陣列鋪 設於所述風機葉片上。
[0009] 進一步地，所述每個壓力傳感器陣列包括沿長度方向和寬度方向設置的互相連接 的多個傳感器單元。
[0010] 進一步地，所述傳感器單元採用基於MEMS的微型傳感器。
[0011] 進一步地，所述數據處理系統採用PLC控制器。
[0012] 進一步地，所述驗證系統包括安裝在所述風機葉片上的攝像頭和煙霧發生器，所 述攝像頭用於拍攝所述煙霧發生器產生的煙霧在葉片表面的流動圖像。
[0013] 進一步地，所述煙霧發生器的煙霧出氣孔設於風機葉片上且位於距葉根2米處。
[0014] 由於採用上述技術方案，本實用新型至少具有W下優點：
[001引 （1)由於採用微型壓力傳感器陣列，提高了檢測精度，彌補了現有技術無法進行精 細化定量分析的不足，同時也解決了時間限制和地形幹擾導致現有方案不適用的問題。
[0016] (2)由於採用自動採集分析系統，實現風力機葉片邊界層分離線自動化檢測，實現 了 24小時連續採集，解決了測試數據不能連續採集的問題，減少人為幹擾因素，縮短採集 分析工作所需工時。
[0017] (3)由於設置了驗證系統，可W對根據壓力傳感器陣列數據的分析結果進行校驗 W保證最終結果的有效性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 上述僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手 段，W下結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0019] 圖1是鋪設在風力發電機葉片上的壓力傳感器陣列示意圖。
[0020] 圖2是壓力傳感器陣列剖面結構示意圖。
[0021] 圖3是採用煙霧發生器及攝像頭進行驗證的控制流程。

【具體實施方式】
[0022] 本實用新型提供的風機葉片邊界層分離區域測定系統，包括；數據採集系統，用於 採集風機葉片的氣流壓力數據；數據處理系統，用於根據所述氣流壓力數據獲得所述風機 葉片邊界層分離點的位置；驗證系統，用於對獲得的所述風機葉片邊界層分離點的位置進 行驗證。
[0023] 請參閱圖1所示，作為優選的實施例，本實用新型的風機葉片邊界層分離區域測 定系統，包括：壓力傳感器陣列1，PLC控制器，煙霧發生器2、微型攝像頭3及電源適配器。 其中，壓力傳感器陣列1作為數據採集系統，PLC控制器作為數據處理系統，煙霧發生器2 及微型攝像頭3作為驗證系統，電源適配器通過電纜與220V/AC交流電直接相連並轉換成 PLC控制器所需的24V/DC。
[0024] 如圖1所示，壓力傳感器陣列1相隔一定的距離鋪設於所述風機葉片上，鋪設覆蓋 範圍可根據需求確定，若只要測量葉片前半段的分離區域則只鋪設前半段，若要測量至葉 片後半段則可繼續延伸。壓力傳感器陣列1的數量和間距設置遵循W下原則：不會嚴重影 響葉片原氣動性能，但足W用於擬合所測區域的分離線。壓力傳感器陣列主要完成的功能 為；在儘量減少對氣流擾動的前提下，檢測當前點氣流的壓力，將壓力信號轉換成電信號， 並傳送至數據處理系統。
[0025] 圖1中沿葉片根部至葉尖方向鋪設有多條傳感器陣列，每條壓力傳感器陣列包括 沿長度方向和寬度方向設置的多個傳感器單元。所述傳感器單元優選採用基於微電機系統 (MEM巧的微型傳感器。請配合參閱圖2所示，圖2中所示的傳感器陣列在寬度方向設置了 3個壓力傳感器，每個壓力傳感器包括娃基底11、氧化娃12及二者之間的真空腔13, W及壓 敏電阻14和彈性膜片15。圖中細導線16分別與粗導線17及壓敏電阻14連接。當外部大 氣壓變化時，真空腔13的體積發生改變，從而導致壓敏電阻14的電阻值產生變化，相應地， 壓敏電阻14兩端的電壓也產生變化，測得此電壓信號就可W間接換算出大氣壓力值。上述 壓力傳感器並不局限於設置3個，可W根據需求調整數量。因此，可W理解為每條壓力傳感 器陣列為在長度方向設N個傳感器、寬度方向設M個傳感器（N、M為自然數）的陣列，由於 採用陣列式布置，一條傳感器陣列相當於包括N*M個傳感器，其測量的是一個N行M列矩陣 上多點的空氣壓力。
[0026] 壓力傳感器陣列採集到的氣流壓力信號經放大後輸入到所述數據處理系統，數據 處理系統實現的主要功能包括：
[0027] (1)接收壓力傳感器陣列採集到的壓力數據；
[002引 （2)分析所述壓力數據，求出測量區域的邊界層分離點。具體可採用如下方法：
[0029] 對同一塊壓力傳感器陣列採集到的在空間上連續分布的N*M個壓力數據進行擬 合，在矩形陣列區域的兩個垂直方向（即長度方向及寬度方向）上求一階導數與二階導數， 然後利用方向導數^二L (式中f表示測得的壓力，1表示某個方向的向量），尋找導 數為零的特定方向，計算時可W直接用差分方法也可W先擬合成多項式再求導數。若某個 點在特定方向的一階導數為零，並且二階導數為負值，則該個點就是分離點。進一步地，根 據該些離散的分離點獲得風機葉片表面翼型流線分離點連線（分離線），具體可通過曲線 擬合如分段線性擬合、多項式擬合、分段樣條函數擬合、最小二乘法擬合得到分離線。
[0030] (3)控制煙霧發生器，當收到指令需要進行分離點驗證時控制煙霧發生器產生煙 霧及攝像頭啟動拍攝。具體而言：
[0031] 煙霧發生器；用於產生煙霧。在收到來自數據處理系統的指令後，產生煙霧從在葉 片上鋪設的出氣口排出，出氣口位置太近葉根處則發電機機艙對氣流影響大，太遠則由於 葉片變形較大會影響攝像結果，因此，本實施例優選將煙霧出氣口設置在距離葉根2米處， 且只設置一個。由於煙霧出氣口附近流速較高壓力較低，在壓差的作用下煙霧自動從出氣 口吸出，隨氣流流動，形成流線。
[0032] 攝像頭：拍攝煙霧發生器產生的煙霧在風機葉片表面區域的流動圖像，所述圖像 經過數據處理系統處理確定分離點位置，從而驗證傳感器陣列數據處理的結果。
[0033] 煙霧發生器及攝像頭控制流程如圖3所示。只有當所述傳感器陣列獲取的氣流壓 力數據量、能見度W及煙霧發生器狀態=者同時滿足設定條件時，煙霧發生器才產生煙霧， 進而攝像頭啟動進行拍攝。拍攝完成後煙霧發生器關閉，攝像結束。
[0034] (4)根據機組運行數據，計算攻角及入流雷諾數。具體而言：
[0035] 所述機組運行數據包括機組轉速、機艙風速、獎距角、環境溫度、環境壓力、機組偏 航位置等。
[0036] 其中，獎距角、機組轉速、機艙風速、環境溫度及環境壓力是為了計算鋪設傳感器 區域的攻角及入流雷諾數。其中雷諾數的定義為即空氣密度P、特徵長度D、風速V的 乘積與空氣粘度係數y的比值，而空氣密度根據狀態方程由環境溫度及環境壓力計算得 出。
[0037] 機組偏航位置是用於考察風機周邊地形因素的影響，也就是說實際結果是把 360°分成了不同扇區，考察不同扇區地形對葉片流動分離結果的影響。
[003引 由於採用了 W上技術方案，本實用新型的測定風機葉片邊界層分離區域的方法及 系統實現風力機葉片邊界層分離線自動化檢測，提高了檢測精度，縮短所需工時；帶有的煙 霧發生器及成像設備可W對結果進行驗證，保證壓力傳感器陣列測試結果的有效性。
[0039] W上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上 的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均 落在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1. 風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，包括： 數據採集系統，用於採集風機葉片的氣流壓力數據； 數據處理系統，用於根據所述氣流壓力數據獲得所述風機葉片邊界層分離點的位置； 驗證系統，用於對獲得的所述風機葉片邊界層分離點的位置進行驗證。
2. 根據權利要求1所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，所述數據 採集系統包括多個壓力傳感器陣列，所述壓力傳感器陣列鋪設於所述風機葉片上。
3. 根據權利要求2所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，所述每個 壓力傳感器陣列包括沿長度方向和寬度方向設置的互相連接的多個傳感器單元。
4. 根據權利要求3所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，所述傳感 器單元採用基於MEMS的微型傳感器。
5. 根據權利要求1所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，所述數據 處理系統採用PLC控制器。
6. 根據權利要求1-5任一項所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於， 所述驗證系統包括安裝在所述風機葉片上的攝像頭和煙霧發生器，所述攝像頭用於拍攝所 述煙霧發生器產生的煙霧在葉片表面的流動圖像。
7. 根據權利要求6所述的風機葉片邊界層分離區域測定系統，其特徵在於，所述煙霧 發生器的煙霧出氣孔設於風機葉片上且位於距葉根2米處。
【文檔編號】F03D11/00GK204239160SQ201420632121
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月28日 優先權日:2014年10月28日
【發明者】羅林, 羅紹卓 申請人:北京天源科創風電技術有限責任公司