兆瓦級風(fēng)電葉片靜力測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與研究

張　蕾，彭思敏

（1.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京100872；2.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，鹽城224051）

兆瓦級風(fēng)電葉片靜力測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與研究

張蕾1，彭思敏2

（1.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京100872；2.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，鹽城224051）

為了滿足兆瓦級風(fēng)電葉片全尺寸靜力加載試驗(yàn)要求，改變傳統(tǒng)液壓加載出力不精確、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，研究了新型大功率機(jī)組葉片電動(dòng)加載測試試驗(yàn)臺。簡述了試驗(yàn)臺的總體方案設(shè)計(jì)、葉片載荷計(jì)算、加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其靜力測試試驗(yàn)過程。該試驗(yàn)臺測試方案總體上采用拉力閉環(huán)控制的方式，使用多軸變頻系統(tǒng)和多臺變頻電機(jī)共同組成加載裝置。試驗(yàn)過程中通過對對實(shí)驗(yàn)葉片進(jìn)行加載試驗(yàn)。由拉力傳感器檢測加載的拉力值，并實(shí)時(shí)的反饋回控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對加載機(jī)構(gòu)的精確控制，保證大柔度葉片連續(xù)、平穩(wěn)、協(xié)調(diào)加載，使其能完全滿足兆瓦級風(fēng)電葉片全尺寸靜力加載試驗(yàn)要求。

風(fēng)機(jī)葉片；靜力測試；變頻電動(dòng)加載；閉環(huán)控制

0 引言

如今，由于傳統(tǒng)能源價(jià)格走高和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，使得風(fēng)能、太陽能、核能等一些新能源的開發(fā)利用成為了世界能源可持續(xù)發(fā)展的必然方向，風(fēng)能憑借著清潔、廉價(jià)、安全等特點(diǎn)，已經(jīng)成為最具有商業(yè)規(guī)?；?xiàng)目之一。其中，葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件之一，其涉及氣動(dòng)設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)。其葉片的質(zhì)量優(yōu)劣直接決定了風(fēng)機(jī)能否安全、高效的工作，尤其是隨著風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷的增加，風(fēng)機(jī)葉片長度也隨著不斷增加，其制造工藝難度和制造成本也隨著增加。如果葉片在機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)損壞，那么就會(huì)給風(fēng)電廠家和發(fā)電業(yè)主造成巨大損失，因此葉片質(zhì)量問題得到越來越多的重視［1］。故對葉片進(jìn)行全尺寸檢測和對葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝制造改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，一方面用于對葉片的質(zhì)量和設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，另一方面為整機(jī)分析提供必要的參數(shù)，指導(dǎo)機(jī)組合理運(yùn)行。

1 全尺寸葉片測試總體方案設(shè)計(jì)

超大功率全尺寸葉片檢測主要是依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求對葉片的振動(dòng)特性、極限載荷、疲勞破壞等方面進(jìn)行檢測和評估。其中，檢測的主要內(nèi)容包含:葉片基本屬性檢測（質(zhì)量分布、剛度分布、各階固有頻率等）、葉片靜力載荷、葉片疲勞載荷。靜態(tài)應(yīng)變測試的目的就是驗(yàn)證葉片承受極限載荷的能力以及測量葉片在極端載荷下的變形情況，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-23的規(guī)定，極限載荷能力是葉片測試的重要內(nèi)容之一［2］。

兆瓦級全尺寸葉片加載測試試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由安裝底座、靜力加載裝置、控制系統(tǒng)和被測葉片組成［3-4］。安裝底座采用整體鑄造的方式，耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能優(yōu)點(diǎn)，滿足葉片試驗(yàn)臺模態(tài)、靜力和疲勞測試；靜力加載裝置由加載卷揚(yáng)機(jī)、加載支架和上端電動(dòng)葫蘆組成，能實(shí)現(xiàn)加載位置動(dòng)態(tài)可調(diào)和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，以保證加載力盡可能垂直于被測葉片，不帶來附加彎矩；被測葉片通過高強(qiáng)度螺栓連接在安裝臺座上?？刂葡到y(tǒng)由傳感檢測系統(tǒng)和加載控制系統(tǒng)組成，采用拉力閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視與控制。

總體方案具有多點(diǎn)動(dòng)態(tài)加載特點(diǎn)，在預(yù)定的加載位置和方向上進(jìn)行最大載荷的加載來測試葉片的強(qiáng)度、剛度及其屈曲穩(wěn)定性，以及葉尖處的最大位移。用電測法測量葉片在加載工況下的葉片載荷、位移、應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)角，并整理測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，對葉片的性能進(jìn)行評估。

圖1　葉片測試試驗(yàn)臺總體方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall scheme of the blade test platform

2 靜力加載葉片載荷計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組依靠葉片將風(fēng)的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉片是其主要的承載部件。葉片主要承受三種力［5］:氣動(dòng)載荷、慣性載荷和重力載荷。如圖2所示，建立了葉片載荷計(jì)算坐標(biāo)系。以葉片延展方向?yàn)閆坐標(biāo)，沿平行于弦長的方向指向翼型尾部為Y坐標(biāo)，X坐標(biāo)按右手法則垂直于YZ平面。建模后完成風(fēng)電機(jī)組的性能系數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行載荷、穩(wěn)態(tài)停機(jī)載荷等靜態(tài)載荷計(jì)算，然后對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算，包括正常啟動(dòng)、停機(jī)、正常發(fā)電等情況的載荷計(jì)算與分析，最終得出葉片的如下6個(gè)受力值:Fx揮舞方向剪力、Fy擺振方向剪力、Fz葉片徑向力、Mx擺振方向彎矩、My揮舞方向彎矩及其Mz葉片扭矩。

圖2　葉片載荷計(jì)算坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system of blade load calculation

其中葉片氣動(dòng)載荷計(jì)算時(shí)，綜合了動(dòng)量理論和葉素理論，考慮了葉尖損失、葉柵效應(yīng)和間隙修正等因素的影響，根據(jù)此理論可以得出葉片揮舞方向和擺振方向的剪力的計(jì)算:

式中，ρ為空氣密度，Ω為風(fēng)輪角速度，B為風(fēng)輪葉片數(shù)，C為弦長，r為剖面半徑，θ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方位角，CX、CY為慣性坐標(biāo)下的升阻力系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算的葉片揮舞方向和擺振方向的剪力推算葉片根部的揮舞力矩、擺振力矩和扭轉(zhuǎn)力矩分別為:

式中，ρ為翼型壓力中心，C為扭轉(zhuǎn)中心。

最終再根據(jù)計(jì)算的葉片載荷值和加載點(diǎn)的位置將載荷彎矩進(jìn)行折算轉(zhuǎn)化到每個(gè)加載點(diǎn)上的拉力值進(jìn)行加載試驗(yàn)。

3 全尺寸葉片靜力加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1靜力加載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大兆瓦級風(fēng)電葉片在進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)時(shí)，要求各個(gè)加載點(diǎn)處的加載力能夠均勻平滑變化，以盡可能精確地模擬葉片的實(shí)際受力狀況，這就要求了加載裝置結(jié)構(gòu)能在不同的加載工況下都能實(shí)現(xiàn)加載力的協(xié)調(diào)加載。設(shè)計(jì)了如圖3所示，由電動(dòng)葫蘆、加載電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)、加載支架組成的加載裝置結(jié)構(gòu)［3-4］。電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)葉片在同一方向、多個(gè)不同部位按一定流程加載，速度均勻、緩慢，各點(diǎn)受力均勻，且全程可控，每個(gè)加載點(diǎn)配備一只與最大加載力相匹配的拉力傳感器。施力臺架用地腳螺栓固定于側(cè)拉導(dǎo)軌上，能夠方便的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，臺架在承受最大載荷時(shí)不能出現(xiàn)破壞、變形等現(xiàn)象，加載點(diǎn)位置在垂直于地面方向可調(diào)，以保證試驗(yàn)時(shí)拉力的作用線通過葉片的軸線并且平行于水平面。

圖3　葉片靜力加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of blade static loading device

3.2靜力加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的兆瓦級風(fēng)電葉片靜力加載系統(tǒng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程控制器（PLC）和拉力傳感器組成。加載控制策略采用拉力閉環(huán)控制，加載過程中，拉力傳感器將拉力轉(zhuǎn)換為電壓值，傳送到PLC的模擬量輸入單元，該值與CPU預(yù)先設(shè)定好的命令值進(jìn)行比較運(yùn)算后，通過Profibus-DP通信將控制指令傳送給變頻器，變頻器轉(zhuǎn)給下達(dá)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)指令，通過驅(qū)動(dòng)輸入接口，傳送給伺服電機(jī)控制器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)拉力閉環(huán)控制。上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC通信，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視與控制。

加載過程中，控制系統(tǒng)采用智能算法來將多個(gè)加載點(diǎn)之間的牽引力耦合等效為單個(gè)加載點(diǎn)上的牽引力撓動(dòng)。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由各種不同的驅(qū)動(dòng)組件構(gòu)成的模塊化系統(tǒng)［6］。根據(jù)全尺寸葉片測試試驗(yàn)臺的控制要求，選用2個(gè)控制單元，1個(gè)整流模塊，5個(gè)單軸逆變模塊和5個(gè)編碼器模塊，組成該套變頻系統(tǒng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)葉片實(shí)驗(yàn)臺的5臺卷揚(yáng)電機(jī)。變頻系統(tǒng)基于先進(jìn)的三相異步電動(dòng)機(jī)模型，使用先進(jìn)控制算法，控制加載卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度，達(dá)到最快的響應(yīng)速度。此外，變頻系統(tǒng)還內(nèi)嵌過電流、過電壓、超速、轉(zhuǎn)矩過大、欠壓、輸出短路、輸出接地、單相輸入跌落、通信故障、模擬輸入信號衰減、電流不平衡等多種安全保護(hù)功能。

3.3靜力加載傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜力加載控制系統(tǒng)的傳感檢測部分主要有拉力傳感器、位移傳感器和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀［8］。力傳感器被串聯(lián)到加載電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)上的牽引鋼絲繩，以實(shí)時(shí)測量施加在葉片上加載點(diǎn)處的加載力，采用線性精度0.05％FS的拉力傳感器滿足大兆瓦葉片實(shí)驗(yàn)中心的測試要求，并且可以在戶外無故障運(yùn)行，具有一定的防護(hù)等級（IP65或以上）。位移傳感器用于測量葉片的彎曲撓度，最大測量長度達(dá)到20m，并具有一定的防護(hù)等級（IP65或以上），具備100m信號傳輸功能。電阻式應(yīng)變片采用單臂（多點(diǎn)）半橋方式粘貼在葉片的特定區(qū)域，由于在測量前對主方向未知，為了減少角度誤差而產(chǎn)生的測量結(jié)果誤差，所以試驗(yàn)采用三軸60°應(yīng)變花粘貼方案，每一個(gè)測點(diǎn)上按照0°、60°、120°三個(gè)方向粘貼一枚應(yīng)變片，測量三個(gè)方向的應(yīng)變ε0、ε60、ε120，然后采用主應(yīng)變求解公式進(jìn)行計(jì)算主應(yīng)力大小和方向。靜態(tài)應(yīng)變儀完成應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集、分析及處理［7］。

為了保證數(shù)據(jù)的精度，采用相對觀測值的誤差平方和的最小值對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，假定測量值與實(shí)際值呈線性關(guān)系，相對誤差最小二乘法滿足:

式中，a、b為常數(shù)；xi為實(shí)際值；yi為理論值；N為樣本容量。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（5）得到各傳感器的擬合方程:

式中，ai、bi均為常數(shù)。

加載過程中，將測量數(shù)據(jù)按照式（6）進(jìn)行擬合消除測量誤差，獲得更準(zhǔn)確數(shù)值為正確評估葉片性能提供依據(jù)。

4 靜力加載測試試驗(yàn)

本文所論述的葉片測試試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案旨在對大功率兆瓦級全尺寸葉片靜力加載試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)葉片所承受的極限載荷能力。將被測風(fēng)電葉片通過高強(qiáng)度螺栓固定在安裝臺座上，將加載電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)上鋼絲繩與葉片夾具上的相連，葉片夾具夾緊在被測葉片的加載點(diǎn)處，安裝好力傳感器、位移傳感器及靜態(tài)應(yīng)變儀等設(shè)備，進(jìn)行傳感器調(diào)零，消除葉片和夾具自重的影響，將載荷加載到最大載荷的20％，記錄下此刻被測葉片測試點(diǎn)處的位移、應(yīng)變和扭角，及其各個(gè)加載點(diǎn)處的實(shí)際加載載荷，按照相同的方法將載荷逐步加載到50％、80％、100％、105％和110％。在110％的載荷下應(yīng)停留不低于10s。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

在揮舞正方向工況下，如圖4所示，在葉片測試位置處施加載荷x1（F1）、x2（F2）、x3（F3）、x4（F4）和x5（F5），然后協(xié)調(diào)加載，記錄各級載荷下各截面（A～H截面）的應(yīng)變值，然后逐級卸載，觀察修正應(yīng)變值，得出葉片主應(yīng)變圖，如圖5所示。

圖4　葉片揮舞方向加載示意圖Fig.4 The loading diagram of blade waving direction

圖5　葉片揮舞方向的測點(diǎn)主應(yīng)變圖Fig.5 The main strain diagram of the measuring point of blade waving direction

根據(jù)對試驗(yàn)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析可以得出以下結(jié)論:

1）葉片在其他方向上的應(yīng)變相比較沿主梁方向的應(yīng)變較小，且在靠近葉片根部較近的截面范圍內(nèi)應(yīng)變較小，并沿著主梁方向應(yīng)變逐步變大，在F截面處應(yīng)力最大，然后逐步回歸變小。

2）總體來看，葉片在揮舞正向工況下內(nèi)側(cè)面受壓，外側(cè)面受拉。

3）葉片在揮舞正向工況下各個(gè)截面的位移由根部到葉尖處逐步增大，并在葉尖處位移達(dá)到最大值。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的大功率機(jī)組葉片全尺寸測試試驗(yàn)臺最大可以對5個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行靜力加載測試，系統(tǒng)采用加載電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，與傳統(tǒng)的液壓加載方案相比不僅具有精度高的優(yōu)勢，還可以在負(fù)載狀態(tài)不規(guī)則變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的快速響應(yīng)，從而保證了葉片靜力加載精度。該試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和控制方案完全滿足全尺寸葉片測試試驗(yàn)的要求。

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Research and Design of MW Wind Turbine Blade Static Test System

ZHANG Lei1，PENG Si-min2
（1.Sinovel Wind Group Co.，Ltd.，Beijing 100872；2.School of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051）

In order to meet the demands of static loading testing of MW-class wind turbine blades，change the disadvantages of inaccurate output and slow speed response of traditional hydraulic loading system.A new electric loading test system of wind turbine blade is designed.This paper briefly introduces overall design of the test system，load calculation，blade loading system design and static test process.The program of test use the tension closed loop control method，loading device use frequency multi axis system and frequency multiple conversion motor.during the test，through loaded on the experiment of blade.Values from the tension sensor detecting loading tension，and real time feedback controller，so as to realize the accurate control of the loading mechanism，this make the large blade load steady and coordinate.The static loading bench is consistent with the MW wind turbine blade static loading test requirements fully.

wind turbine blade；static test；variable frequency electric loading；closed-loop control

TM315

A

1674-5558（2016）05-01171

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.015

張蕾，男，機(jī)械電子工程專業(yè)，碩士，工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)設(shè)計(jì)。

2015-07-24

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（編號:15KJB480004）