风力机多场参数同步监测系统的制作方法

本发明涉及风力机多场参数协同测试技术领域，具体涉及一种风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数的同步监测系统。

背景技术：

随着世界化石能源耗竭的加剧，风能无疑将成为人类未来能源开发的主体之一。风力机在复杂自然环境中的多用途性(如工矿企业通风节能回收、农业提水灌溉耕作、城市及乡村日常生活分布式供能、道路交通照明等)备受世界各国关注，已成为风能开发利用中新型的热点。然而，风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数间强烈的相互作用机制，严重制约着风力机多用途化过程中的使用寿命和输出功率提升。故风力机研发领域急待风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数同步测试方法和系统的诞生，以作为风力机多用途化深入发展适应性机型开发中基础研究、产品研发和检测、后期运行中健康监测等多个方面的技术支撑。

风力机流场参数、结构动力学参数和发电机输出参数协同测试技术属于风力机研发领域新型的测试技术，是风力机多场参数耦合试验分析的基础技术支撑，是高性能风力机研发的基础条件和成品测验手段，是近年来随着风力机多用途化对风力机多场参数相互作用机理深入探究渴求应运而生的新型测试技术。由于之前无线旋转遥测设备、高频流场摄像机等技术研发的滞后，导致至今仍没有完备的关于风力机方面的流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数同步监测方法和系统问世。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种风力机多场参数同步监测系统，能够实现风力机流场参数、结构动力学参数和发电机输出参数的同步监测，为风力机流场参数、结构动力学参数和发电机输出参数的关联性分析提供测试系统支撑。

一种风力机多场参数同步监测系统，包括测试台架、风力机发电机组、流场监测分系统、旋转体结构动力学参数监测分系统、非旋转体结构动力学参数监测分系统、发电机输出参数监测分系统和触发集成控制分系统；

所述测试台架为风洞，所述风力机发电机组位于风洞的气流出口端，所述流场监测分系统向风洞气流入口端喷入烟雾，并监测叶片叶尖部位流场，同步监测叶片叶尖的振动位移，实现叶片叶尖流场和叶尖振动位移的同步关联性监测；所述旋转体结构动力学参数监测分系统采集风力机发电机组上叶片的加速度信号或应变信号，将加速度信号或应变信号经换为对应部件的模态振型(振动方式、最大振动位移点、节线)、共振频率、阻尼、阻尼比和应力值(应力的大小和方向)；所述非旋转体结构动力学参数监测分系统采集风力机发电机组上固定部位的加速度或应变信号，除直接采集到的加速度信号(加速度大小和方向)、应变信号(应变的大小和方向)，将加速度信号和应变信号经换为对应部件的模态振型(振动方式、最大振动位移点、节线)、共振频率、阻尼、阻尼比和应力值(应力的大小和方向)；所述发电机输出参数监测分系统记录风力机发电机组的输出电流、电压、电功率和电频率；所述触发集成控制分系统实现各个分系统的工作时序控制。

进一步地，所述测试台架包括风洞和支撑架；所述风洞固定连接在支撑架上；所述风洞为直流式风洞，风洞为风力发电机组提供均匀稳定的来流风速以驱动风力机叶片运转，风洞所提供风速的大小由洞体内部的轴流式风机变频工作实现。

所述风力机发电机组包括塔筒、叶片、发电机和尾舵；所述发电机固定连接在塔筒的顶端，发电机的两端分别与叶片和尾舵连接。

所述旋转体结构动力学参数监测分系统包括无线信号接受器、旋转体结构动力学参数监测控制电脑、无线信号发射器、加速度传感器(或应变片)和漆包线；加速度传感器(或应变片)通过漆包线与无线信号发射器中的数据线接口连接，无线信号发射器不仅可将所采集到的加速度信号(或应变值信号)以无线信号的方式传递给无线信号接受器，风力机的叶片在旋转过程中，叶片受到气动力、离心力等复合力的作用发生振动效应，振动效应的产生使叶片表面所分布的加速度传感器(或应变片)产生电脉冲信号，电脉冲信号通过漆包线和数据线接口传递给无线信号发射器；无线信号发射器通过螺栓与风力机的轮毂实现固接，并随轮毂和风力机的叶片实现同步旋转；无线信号发射器发出的无线信号通过无线信号接受器接收，并通过数据线传递给旋转体结构动力学参数监测控制电脑；

所述流场监测分系统包括烟雾发生器、流场信号监测控制电脑显示器、流场信号监测控制电脑主机箱、高速信号采集器、高频流场摄相机和激光发生器；

所述非旋转体结构动力学参数监测分系统包括非旋转体结构动力学参数监测控制电脑、数据卡集成箱、数据采集卡、三向加速度传感器Ⅰ、三向加速度传感器Ⅱ和三向加速度传感器Ⅲ；

所述发电机输出参数监测分系统负责发电机输出电流、电压、电功率、电频率等发电机实时输出参数的监测，该分系统包括发电机输出信号监测控制电脑、发电机输出信号采集器和恒温负载箱；

所述触发集成控制分系统包括同步触发器Ⅰ、同步触发器Ⅱ、同步触发器Ⅲ、同步触发器Ⅳ、触发控制电脑、延时触发器Ⅰ、延时触发器Ⅱ、延时触发器Ⅲ、延时触发器Ⅳ和延时触发器Ⅴ。

进一步地，上述分系统之间的整体连接关系为：所述风力机发电机组通过支撑底板固定连接在风洞的气流出口端；所述流场监测分系统的烟雾发生器设置在风洞的气流入口端，所述激光发生器位于风力机发电机的正后方，所述高频流场摄相机位于风力机发电机的叶片的正上方，高频流场摄相机顺序连接高速信号采集器、流场信号监测控制电脑主机箱和流场信号监测控制电脑显示器；

所述非旋转体结构动力学参数监测分系统中的三向加速度传感器Ⅰ布置在发电机顶部、所述三向加速度传感器Ⅱ布置在塔筒中部、所述三向加速度传感器Ⅲ布置在支撑底板顶部，传感器通过数据线将采集到的信号传递给数据采集卡，数据采集卡通过插槽开关和插槽安装在数据卡集成箱中，数据卡集成箱为数据采集卡提供电源及实现各数据采集卡信号的同步性；数据卡集成箱通过数据线将采集到的数据传递给非旋转体结构动力学参数监测控制电脑进行数据记录；

所述触发集成控制分系统中的延时触发器Ⅰ与高频流场摄相机相连，所述延时触发器Ⅱ与旋转体结构动力学参数监测控制电脑相连，所述延时触发器Ⅲ与非旋转体结构动力学参数监测控制电脑相连；所述延时触发器Ⅳ与激光发生器上的同步触发器Ⅳ相连；所述延时触发器Ⅴ与发电机输出信号监测控制电脑相连；所述同步触发器Ⅲ与安装在烟雾发生器上的同步触发器Ⅰ相连；

所述延时触发器Ⅰ、同步触发器Ⅲ、延时触发器Ⅱ、延时触发器Ⅲ、延时触发器Ⅳ和延时触发器Ⅴ并联后串联同步触发器Ⅱ再与触发控制电脑连接；

发电机输出信号通过发电机底端三项电源线经塔筒底端穿出，并与发电机输出信号采集器实现连接；发电机输出信号采集器通过电源线将被测量后的电能传递给恒温负载箱进行被测电能的终端消耗；发电机输出信号采集器通过数据线将采集到的数据传递给发电机输出信号监测控制电脑进行数据记录。

进一步地，所述三向加速度传感器Ⅰ、三向加速度传感器Ⅱ和三向加速度传感器Ⅲ可由应变片花代替进行应变值测量。

进一步地，所述烟雾发生器上设有便携把手，使得设备便于携带和安放。

有益效果：

1、本发明可实现风力机流场参数、叶片/发电机/塔筒/地基结构动力学参数、发电机输出参数的同步监测，为风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数的关联性分析提供测试系统支撑，填补风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数同步监测类设备的空白。

2、本发明利用同一高频流场摄相机在监测流场参数的同时获得叶片的振动位移，流场摄像机采用速度为1万张/秒的高频流场摄相机，以图2中所示高频流场摄相机与叶片的相对位置布置方式为例，在高频流场摄相机捕获叶片叶尖流场参数的同时，可利用相机的高频拍摄特性捕获叶片叶尖的瞬态振动位移。

3、本发明系统中各分系统的协同工作由触发集成控制系统管控，系统集成化程度高，控制便捷，人为干扰影响因素小，测试精度高。

附图说明

图1为本发明的整体系统组成示意图；

图2为本发明测试台架与风力机发电机组的组成结构图；

图3为本发明旋转体结构动力学参数监测系统的组成结构图

图4为本发明流场参数监控系统的组成结构图；

图5为本发明非旋转体结构动力学参数监测分系统的组成结构图；

图6为本发明发电机输出参数监测分系统的组成结构图；

图7为本发明触发集成控制分系统的组成结构图。

其中，1-风洞，2-支撑架，3-肋板，4-烟雾发生器，5-便携把手，6-同步触发器Ⅰ，7-烟油箱，8-流场信号监测控制电脑显示器，9-流场信号监测控制电脑主机箱，10-高速信号采集器，11-高频流场摄相机，12-同步触发器Ⅱ，13-延时触发器Ⅰ，14-同步触发器Ⅲ，15-延时触发器Ⅱ，16-延时触发器Ⅲ，17-延时触发器Ⅳ，18-触发控制电脑，19-同步触发器Ⅳ，20-激光发生器，21-叶片，22-三向加速度传感器Ⅰ，23-发电机，24-尾舵，25-无线信号发射器，26-塔筒，27-三向加速度传感器Ⅱ，28-三向加速度传感器Ⅲ，29-支撑底板，30-数据采集卡，31-插槽开关，32-插槽，33-数据卡工作指示灯，34-数据线接头，35-数据卡集成箱，36-非旋转体结构动力学参数监测控制电脑，37-旋转体结构动力学参数监测控制电脑，38-无线信号接受器，39-加速度传感器(或应变片)，40-漆包线，41-天线，42-螺栓，43-数据线接口，44-轮毂、45-延时触发器Ⅴ，46-发电机输出信号监测控制电脑，47-发电机输出信号采集器，48-恒温负载箱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明的风力机多场参数同步监测系统包括测试台架、风力机发电机组、流场监测分系统、旋转体结构动力学参数监测分系统、非旋转体结构动力学参数监测分系统、发电机输出参数监测分系统和触发集成控制分系统；

如附图2所示，所述测试台架包括风洞1、肋板3和支撑架2；所述风洞1通过螺栓固定在支撑架2上，支撑架2之间通过肋板3加固；所述风洞1为直流式风洞，风洞1为风力发电机组提供均匀稳定的来流风速以驱动风力机叶片运转，从而满足测试要求；风洞1所提供风速的大小由洞体内部的轴流式风机变频工作实现；风洞1左侧为气流入口，右侧为气流出口，

所述风力机发电机组包括塔筒26、叶片21、发电机23和尾舵24；所述发电机23固定连接在塔筒26的顶端，发电机23的两端分别与叶片21和尾舵24连接；

如附图3所示，所述旋转体结构动力学参数监测分系统包括无线信号接受器38、旋转体结构动力学参数监测控制电脑37、无线信号发射器25、加速度传感器(或应变片)39和漆包线40；加速度传感器(或应变片)39通过漆包线40与无线信号发射器25中的数据线接口43连接，无线信号发射器25不仅可将所采集到的加速度信号或应变值信号以无线信号的方式传递给无线信号接受器38，风力机的叶片21在旋转过程中，叶片21受到气动力、离心力等复合力的作用发生振动效应，振动效应的产生使叶片表面所分布的加速度传感器39(或应变片)产生电脉冲信号，电脉冲信号通过漆包线40和数据线接口43传递给无线信号发射器25；无线信号发射器25通过螺栓42与风力机的轮毂44实现固接，并随轮毂44和风力机的叶片21实现同步旋转；无线信号发射器25发出的无线信号通过无线信号接受器38接收，并通过数据线传递给旋转体结构动力学参数监测控制电脑37；

如附图4所示，所述流场监测分系统包括烟雾发生器4、流场信号监测控制电脑显示器8、流场信号监测控制电脑主机箱9、高速信号采集器10、高频流场摄相机11和激光发生器20，烟雾发生器4上设有便携把手5。

如附图5所示，所述非旋转体结构动力学参数监测分系统包括非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36、数据卡集成箱35、数据采集卡30、三向加速度传感器Ⅰ22、三向加速度传感器Ⅱ27和三向加速度传感器Ⅲ28。

如附图6所示，发电机输出参数监测分系统主要负责发电机输出电流、电压、电功率、电频率等发电机实时输出参数的监测，该分系统包括发电机输出信号监测控制电脑46、发电机输出信号采集器47和恒温负载箱48。

如附图7所示，所述触发集成控制分系统包括同步触发器Ⅰ6、同步触发器Ⅱ12、同步触发器Ⅲ14、同步触发器Ⅳ19、触发控制电脑18、延时触发器Ⅰ13、延时触发器Ⅱ15、延时触发器Ⅲ16、延时触发器Ⅳ17和延时触发器Ⅴ45。

如附图1所示，上述分系统之间的整体连接关系为：所述风力机发电机组通过支撑底板29固定连接在风洞1的气流出口端；所述流场监测分系统的烟雾发生器4设置在风洞1的气流入口端，所述激光发生器20位于风力机发电机的正后方，所述高频流场摄相机11位于风力机发电机的叶片21的正上方，高频流场摄相机11顺序连接高速信号采集器10、流场信号监测控制电脑主机箱9和流场信号监测控制电脑显示器8；

所述非旋转体结构动力学参数监测分系统中的三向加速度传感器Ⅰ22布置在发电机23顶部、所述三向加速度传感器Ⅱ27布置在塔筒26中部、所述三向加速度传感器Ⅲ28布置在支撑底板29顶部，传感器通过数据线将采集到的信号传递给数据采集卡30，数据采集卡30通过插槽开关31和插槽32安装在数据卡集成箱35中，数据卡集成箱35为数据采集卡30提供电源及实现各数据采集卡信号的同步性；数据卡集成箱35通过数据线将采集到的数据传递给非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36进行数据记录；

所述触发集成控制分系统中的延时触发器Ⅰ13与高频流场摄相机11相连，所述延时触发器Ⅱ15与旋转体结构动力学参数监测控制电脑37相连，所述延时触发器Ⅲ16与非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36相连；所述延时触发器Ⅳ17与激光发生器20上的同步触发器Ⅳ19相连；所述延时触发器Ⅴ45与发电机输出信号监测控制电脑46相连；所述同步触发器Ⅲ14与安装在烟雾发生器4上的同步触发器Ⅰ6相连；

所述延时触发器Ⅰ13、同步触发器Ⅲ14、延时触发器Ⅱ15、延时触发器Ⅲ16、延时触发器Ⅳ17和延时触发器Ⅴ45并联后串联同步触发器Ⅱ12再与触发控制电脑18连接；

发电机输出信号通过发电机底端三项电源线经塔筒26底端穿出，并与发电机输出信号采集器47实现连接；发电机输出信号采集器47通过电源线将被测量后的电能传递给恒温负载箱48进行被测电能的终端消耗；发电机输出信号采集器47通过数据线将采集到的数据传递给发电机输出信号监测控制电脑46进行数据记录。

工作原理：测试系统控制整体由触发控制电脑18完成，测试开始时，测试人员通过触发控制电脑18开启测试指令，触发控制电脑18收到指令后，向同步触发器Ⅱ12发出测试指令，同步触发器Ⅱ12接收指令后，同一时间向延时触发器Ⅰ13、同步触发器Ⅲ14、延时触发器Ⅱ15、延时触发器Ⅲ16、延时触发器Ⅳ17和延时触发器V45发出测试指令；同步触发器Ⅲ14在收到测试指令后，同一时间向同步触发器Ⅰ6发出测试指令，同步触发器Ⅰ6收到测试指令后，激活烟雾发生器4开始喷射烟雾，所喷射烟雾在风洞1内轴流式风机的吸力作用下随空气进入风洞1，并经由风洞1出口到达风力机工作区域；根据实际测试风速可获得油烟由喷射起到达风洞出口处所需监测区域的时长，定义该段时长为最短延时Δt_min；烟雾持续喷射时间可人为设定，最短延时与烟雾喷射时间之合定义为最长延时Δt_max；延时触发器Ⅰ13、延时触发器Ⅱ15、延时触发器Ⅲ16、延时触发器Ⅳ17和延时触发器V45在最短延时后同步触发，激光发生器20、高频流场摄相机11、旋转体结构动力学参数监测控制电脑37、非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36、发电机输出信号采集器46同步开启测试并记录数据，且应使测试时长保持在最短延时和最长延时范围内。

在同步触发器Ⅱ12向同步触发器Ⅲ14发出测试指令的同时，向延时触发器Ⅳ17和延时触发器Ⅰ13发出测试指令，由于烟雾由喷射至到达风力机工作区需一定时长，故使用延时触发器使得延后时长可人为调控。当达到延时时长后，延时触发器Ⅳ17和延时触发器Ⅰ13同时分别向激光发生器20和高频流场摄相机11发出测试指令。指到测试指令后，激光发生器20发射激光到达所需测试区域，照亮测试背景，激光所覆盖测试区域、激光亮度、激光照射时长人为可调。指到测试指令后，高频流场摄相机11针对所需测试区域进行流场拍摄，随高频流场摄相机11布置位置不同，可进行不同区域流场的监测，所获流场照片经相关软件分析计算，可转换为流场的速度特征(流速的大小和方向)、加速度特征(加速度的大小和方向)、湍流特征(湍流强弱和方向)、涡旋特征(叶片叶尖涡、附着涡、中心涡的涡量大小和方向)、流速脉动及雷诺应力等多种流场参数。

所采用高频流场摄相机11采用1万张/秒量级的高频摄相机，依本例所示高频流场摄相机布置方式，在高频流场摄相机监测叶片叶尖部位流场的同时，可同步监测叶片叶尖的振动位移，该方法单纯利用高频流场摄像机同步实现了叶片叶尖流场和叶尖振动位移的同步关联性监测，并由此为基础，可实现流场特性与叶片振动特性的关联性分析。

风力机的叶片21表面布置加速度传感器(或应变片)39，如图3所示，具体所布传感器类型、布置位置、布置数量可由试验测试需求而定。加速度传感器(或应变片)39通过漆包线40与无线信号发射器25中的数据线接口43连接，无线信号发射器25不仅可将所采集到的加速度信号或应变信号以无线信号的方式传递给无线信号接受器38，同时还可起到为加速度传感器(或应变片)39供电的作用。叶片21在旋转过程中，叶片受到气动力、离心力等复合力的作用发生振动效应，振动效应的产生使叶片表面所布应变片花/加速度传感器39产生电脉冲信号，电脉冲信号通过漆包线40和数据线接口43传递给无线信号发射器25，无线信号发射器25将传感器采集到的信号以无线电波的方式传递出去。无线信号发射器25通过螺栓42与轮毂44实现固接，并随轮毂44和叶片21实现同步旋转。无线信号通过无线信号接受器38接收，并通过数据线传递给旋转体结构动力学参数监测控制电脑37。在同步触发器Ⅱ12向同步触发器Ⅲ14发出测试指令的同时，向延时触发器Ⅱ15发出测试指令，延时触发器Ⅱ15在设定的延时后，向旋转体结构动力学参数监测控制电脑37发出测试指令，控制电脑37开始记录加速度信号或应变值信号。除直接采集到的加速度信号(加速度大小和方向)、应变信号(应变的大小和方向)，将加速度信号或应变值信号经相关软件分析和计算，可经换为对应部件的模态振型(振动方式、最大振动位移点、节线)、共振频率、阻尼、阻尼比、应力值(应力的大小和方向)。

在同步触发器Ⅱ12向同步触发器Ⅲ14发出测试指令的同时，同时向延时触发器Ⅲ16发出测试指令，延时触发器Ⅲ16在设定的延时后，向非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36发出测试指令，非旋转体结构动力学参数监测控制电脑36开始记录加速度/应变信号。除直接采集到的加速度信号(加速度大小和方向)、应变信号(应变的大小和方向)，将加速度信号或应变值信号经相关软件分析和计算，可经换为对应部件的模态振型(振动方式、最大振动位移点、节线)、共振频率、阻尼、阻尼比、应力值(应力的大小和方向)。

在同步触发器Ⅱ12向同步触发器Ⅲ14发出测试指令的同时，同时向延时触发器Ⅴ45发出测试指令，延时触发器Ⅴ45在设定的延时后，向发电机输出信号监测控制电脑46发出测试指令，发电机输出信号监测控制电脑46开始记录电流、电压、电功率、电频率等发电机输出参数。

本发明的风力机多场参数同步监测系统可实现风力机流场信号、叶片振动位移信号、叶片应变/加速度信号、发电机应变/加速度信号、塔筒应变/加速度信号、支撑底板应变/加速度信号的同步监测，以所获直接测试数据为基础，经相关软件分析和计算，可综合获得同一时刻流场的速度特征(流速的大小和方向)、加速度特征(加速度的大小和方向)、湍流特征(湍流强弱和方向)、涡旋特征(叶片叶尖涡、附着涡、中心涡的涡量大小和方向)、流速脉动、雷诺应力；叶片/发电机/塔筒/支撑底板的加速度信号(加速度大小和方向)、模态振型(振动方式、最大振动位移点、节线)、共振频率、阻尼、阻尼比、应变信号(应变的大小和方向)、应力值(应力的大小和方向)；发电机输出电压、电流、电频率、功率参数，为风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数的关联性分析提供试验支撑，为相关的数值仿真、部件优化设计、结构健康监测等设计工作的可靠性论证提供可靠的试验数据，以解决现今风力机多用途化发展过程中，在机理研究、产品研发、后期维护中急需进行风力机流场参数、结构动力学参数、发电机输出参数关联性试验，而无现行同步试验测试系统的瓶颈问题。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。