叶片压力脉动测试系统及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种能够测量叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置的测试系统及风力发电机组。

背景技术：

在风力发电机组运行状态下，当流体流过叶片表面时，在边界层会发生层流向湍流的转捩。转捩位置对叶片的阻力影响较大，一般认为转捩位置向前缘或者向后缘偏移10％，相应的阻力也增加或者减少10％，甚至在极端情况下，叶片如果前缘受到严重磨损或者来流湍流度极高，层流会立即转捩成湍流，叶片的阻力会增加一倍，升力也会相应的下降5％～15％不等，叶片的性能也会相应下降5％～10％。因此，测量转捩位置可以用来分析叶片的气动性能。在叶片表面层流边界层转捩为湍流边界层时，伴随着叶片压力脉动的显著增大。通过测量叶片表面压力脉动，可以获得转捩位置。

因此，需要一种可以满足叶片压力脉动和转捩位置测量要求，并且成本低廉的叶片压力脉动测试系统。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种能够测量叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置的叶片压力脉动测试系统及包括该叶片压力脉动测试系统的风力发电机组。

根据本实用新型的一方面，提供一种叶片压力脉动测试系统，所述叶片压力脉动测试系统包括传声器、放大器集成电路、数据采集器和计算机，其中，传声器安装在叶片表面上，放大器集成电路连接在传声器和数据采集器之间，并且放大器集成电路和数据采集器安装在叶片内腔中，通过数据采集器将采集的信号传送至计算机中。

根据本实用新型的示例性实施例，传声器为多个，叶片表面上设有多个通孔，每个传声器安装至各通孔中且每个传声器的一侧端面与叶片的外表面大致齐平。

根据本实用新型的示例性实施例，多个传声器按照环形布置在叶片表面上，环形所在的平面与叶片的横截面呈预定角度。

根据本实用新型的示例性实施例，预定角度在15度至30度之间。

根据本实用新型的示例性实施例，放大器集成电路包括多个放大器，每个放大器连接至对应的传声器；每个放大器包括电压转换器、阻抗调节器和滤波器。

根据本实用新型的示例性实施例，每个传声器的直径在5mm之内；每个传声器的测量频率范围在100Hz至10KHz之内。

根据本实用新型的示例性实施例，叶片压力脉动测试系统还包括电源，电源与放大器集成电路彼此连接且封装在封装壳体内。

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的叶片压力脉动测试系统。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统通过将电源与放大器集成电路封装在封装壳体内而不与传声器集成在一起，从而减小了对放大器的尺寸限制，还使得传声器的安装更加自由和灵活。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统将与各传声器对应的放大器集成在一起，更加便于供电。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统通过将传声器按照环形布置在叶片表面上且环形所在的平面与叶片的横截面呈预定角度，以减小各传声器彼此之间的影响，提高测试结果的准确性。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统准确测出叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置，并且具有低成本、易于实现等优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的示例性实施例进行详细描述，本实用新型的以上和其它特点及优点将变得更加清楚，附图中：

图1是示意性地示出根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统的示图；

图2是示意性地示出根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统的结构框图；

图3是图2中所示的叶片压力脉动测试系统中的集成于放大器集成电路中的各个放大器的结构框图。

附图标号说明：

1：叶片；2：传声器；3：连接线；4：放大器集成电路；5：电源；6：封装壳体；7：电缆；9：数据采集器；10：计算机；40：放大器；41：电压转换器；42：阻抗调节器；43：滤波器。

具体实施方式

现在将参照附图更全面的描述本实用新型的实施例，在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。

根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统可应用于叶片表面压力脉动以及叶片表面流动转捩位置的测量，但不限于此，该叶片压力脉动测试系统也可以应用于测量翼形模型的表面压力脉动。此外，该叶片压力脉动测试系统可应用于风力发电机组中，也可以应用于包含叶片或翼形模型的其他系统中。根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统可以在风力发电机组运行期间执行测试，以测得叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置。

参照图1和图2，根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统包括传声器2、放大器集成电路4、数据采集器9和计算机10，其中，传声器2安装在叶片表面上，放大器集成电路4连接在传声器2和数据采集器9之间，以接收传声器2的测试信号并将该信号放大并传输至数据采集器9，数据采集器9将采集的信号传送至计算机10中，通过对采集信号的处理，获得叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置，其中，放大器集成电路4和数据采集器9均安装在叶片内腔中。

也就是说，放大器集成电路4与传声器2分开布置并且二者之间通过连接线3连接，而非集成在一起，不仅可以合理布置放大器集成电路4与传声器2的安装位置，减少对叶片内腔的空间占用，而且便于工作人员对各部件的检测及维护。为了避免连接线3在叶片内腔中来回晃动，可利用粘接胶将连接线3粘贴在叶片1的内表面。

连接线3的长度可以在大约50mm至500mm的范围之内。连接线3的长度若小于50mm，则会导致传声器2的布置受限，无法按照测试要求在叶片1的外周面上设置多个传声器2。若连接线3的长度大于500mm，则测试信号衰减严重，影响信号采集的准确性。优选地，连接线3的长度可设置为大约300mm。

根据本实用新型的示例性实施例，为了获得叶片表面的压力脉动，可在叶片表面上按照等间距或者不等间距地设置多个传声器2。具体地，如图1所示，可在叶片表面上的前缘位置处设有多个通孔，将每个传声器2分别安装至各通孔中，同时使得每个传声器2的一侧端面与叶片1的外表面大致齐平(或略低于外表面)，避免传声器2的一侧端面超过叶片1的外表面而改变叶片翼型，使得流体经过传声器2时直接发生转捩，从而影响叶片表面的压力脉动及转捩位置的准确判断。传声器2的安装位置及数量可以根据实际测试需求进行确定，例如可以设置在叶片表面的后缘位置，只要可以准确监测叶片被测区域的压力脉动即可。

此外，还可利用粘接胶将传声器2粘在通孔中以进行固定。为了防止雨水或潮湿空气进入传声器2或叶片内腔中而对传声器2或叶片内腔中的电子元件等造成损坏，可在传声器2或者安装有传声器2的叶片外表面处设置保护膜。需要说明的是，可以根据传声器2的实际尺寸在叶片的表面或从内腔侧在测试位置设置多个凹槽，将传声器2分别固定在各个凹槽中，同样地，确保传声器2的一侧端面与叶片1的外表面大致齐平(或略低于外表面)。只要可以将传声器2固定在叶片表面且不影响叶片翼型即可。

根据本实用新型的示例性实施例，为了更准确地监测和判断出叶片表面压力脉动和转捩位置，可在叶片1的相对的两表面上分别从前缘至后缘设置多个传声器2。为了减小各传声器2之间的影响以提高测试结果的准确性，多个传声器2可按照环形布置在叶片表面上，环形所在的平面与叶片1的横截面呈预定角度，在此，该环形指的是从叶片的前缘至后缘而后绕回至前缘(或者，从后缘至前缘而后绕回至后缘)以环绕叶片1的相对的两表面的形状，横截面指的是沿着叶片1的弦向截取的截面。该预定角度可大于或等于15度。优选地，预定角度在15度至30度之间，例如，预定角度可为20度或者25度。

根据本实用新型的示例性实施例，放大器集成电路4包括多个放大器40，每个放大器40通过连接线3对应连接至相应的传声器2，放大器40接收传声器2测得的电压信号并进行放大处理。通过将多个放大器40进行集成设置，不仅方便供电，同时可以提高放大器40的安装效率，方便工作人员操作。其中，每个放大器40包括电压转换器41、阻抗调节器42和滤波器43。电压转换器41、阻抗调节器42和滤波器43可具有本领域技术人员所知的电路或结构，只要可以实现放大信号即可，在此将不对其进行详细描述。

具体地，每个传声器2的直径在5mm之内；每个传声器2的测量频率范围在100Hz至10KHz之内。具体地，传声器2可以是麦克风，例如，可采用Knowles公司的麦克风FG23742-C05作为传声器2，这种麦克风性能稳定，而且目前已经大规模生产，成本较低。

根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统还可包括电源5，电源5与放大器集成电路4彼此连接且封装在封装壳体6内，通过将电源5与放大器集成电路4封装在封装壳体6内而不与传声器2集成在一起，从而减小了对放大器集成电路4中的放大器的尺寸限制，还使得传声器2的安装更加自由和灵活。封装壳体6可利用结构胶粘贴在叶片1的内腔中，例如，可粘贴在叶片1的内表面上。然而，本实用新型的实施例不限于此，封装壳体6也可通过机械连接等方式固定在叶片1的内腔中。

电源5为放大器集成电路4中的放大器40和传声器2提供电力，并且放大器40中的电压转换器41可将电力转换为适于传声器2的电力之后再传输至传声器2。作为示例，电源5可以为放大器集成电路4中的放大器40提供5V直流电压，经放大器40中的电压转换器41将电压转换为适于传声器2的1.3V直流电压并提供给传声器2。电源5可以是干电池或蓄电池，当然也可以是通过电源线连接到其的外接电源。

根据本实用新型的示例性实施例，数据采集器9和计算机10可通过网线彼此连接，或者通过无线传输测试信号，例如数据采集器9通过电缆7连接到放大器集成电路4，以将从放大器集成电路4接收的放大后的测试信号转换为数字信号，并将该数字信号传输至计算机10，计算机10对输入的数字信号进行处理，例如，对输入的数字信号进行傅里叶变换，以得到各个传声器2所在测量位置的压力脉动频谱，并且可基于压力脉动频谱而获得叶片被测区域各个位置的压力脉动以及叶片表面流动转捩位置。例如，计算机10可将各个传声器2所在测量位置的压力脉动频谱显示于同一坐标内，并且从压力脉动频谱图上可直观地看出每个压力脉动频谱所对应的幅值的变化，若某一压力脉动频谱的幅值明显高于前一个压力脉动频谱的幅值，则说明该频谱所对应的传声器2所在叶片1的位置处的压力脉动显著增大，便可将该测量位置判断为转捩位置。具体地，可以事先对安装的传声器2进行标记，方便工作人员快速判断转捩位置。

此外，为了避免电缆7在叶片内腔中晃动，可利用粘接胶将电缆7粘贴于叶片内表面。

根据本实用新型的实施例，数据采集器9可安装在叶片内腔中，例如，数据采集器9可安装在封装壳体6的外表面上，计算机10可安装在轮毂变桨控制柜中或者其他便于工作人员操作的适当位置。数据采集器9的采样率例如可为100kHz/ch，例如可采用NI或IMC等公司开发的数据采集器。需要说明的是，上述叶片压力脉动测试系统的各部件之间的连接线可根据实际安装位置进行合理布线，并将连接线固定在叶片内腔中，确保线路设置清晰，方便工作人员的检测及维护。

下面将简要描述根据本实用新型的示例性实施例的叶片压力脉动测试系统的工作原理。

风力发电机组在运行过程中，当气体流过叶片表面时，一定数量的传声器2将流经叶片表面的各个测量位置的压力脉动转换为电压信号。该电压信号通过连接线3传递到放大器集成电路4。该电压信号在放大器集成电路4进行滤波和信号放大后通过电缆7传递到数据采集器9。电压信号通过数据采集器9转换为数字信号，发送至计算机10。计算机10对该数字信号进行分析处理，得到叶片表面各个测量位置的压力脉动，以获得压力脉动频谱，从而准确地获得叶片表面流动转捩位置。

根据本实用新型的又一实施例，包括一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的叶片压力脉动测试系统。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统通过将电源与放大器集成电路封装在封装壳体内而不与传声器集成在一起，从而减小了对放大器的尺寸限制、传声器的安装更加自由和灵活。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统将与各传声器对应的放大器集成在一起，更加便于供电，实现各测试部件的合理布局，减少叶片内腔的占用空间。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统通过将传声器按照环形布置在叶片表面上且环形所在的平面与叶片的横截面呈预定角度，从而可减小各传声器彼此之间的影响，提高测试结果的准确性。

采用本实用新型的叶片压力脉动测试系统准确测出叶片压力脉动以及叶片表面流动转捩位置，并且具有低成本、易于实现等优点。

虽然已经参照本实用新型的示例性实施例具体示出和描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。