一种用于大型风力机柔性叶片气动性能改善的装置的制作方法

本发明涉及风工程技术领域，具体涉及一种用于大型风力机柔性叶片气动性能改善的装置。

背景技术：

近年来，随着我国对清洁能源需求的日益升高，风力机设计建造技术不断提高，其输出功率也在不断增长，从最初的1.5mw到如今的5～6mw，甚至未来可能投入使用的10mw风力机。风力机输出功率的提高，使得其叶片转动半径已从早前的30m扩展至现在的90m，叶片日益轻柔化。在此过程中，叶片的风敏感性进一步增强，流场与结构叶片之间流固耦合发生频率逐渐升高，其叶片静力扭转失稳、挥舞、摆振、扭振等不利气弹现象日益突出，这将很大程度上影响风力机运行的安全。

叶片气动改善装置，是一种通过监测系统实时记录响应信息，并通过数据集成模块实现叶片风振控制的智能系统，多用于超大型风力机，用以控制叶片挥舞、摆振、扭振等不利气弹现象，并实现风场数据收集。现有风振控制设备，多用于大跨度桥梁工程中，且多以被动机械控制措施和气动措施为主，即通过中央开槽、增设导流板、设置阻尼器等措施控制桥梁节段或吊杆的风场响应，无法主动适应风攻角、偏航角等风场参数的变化，针对超大型风力机柔性叶片的气动响应，本发明提出一种可主动控制多种叶片气动响应、实时记录数据的气动改善装置。

技术实现要素：

本发明的目的是为了抑制超大型风力机柔性叶片易发生的不利气弹现象，而提供的一种组装方便、适用于多类风场工况、操作自动化水平高的气动性能改善装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于大型风力机叶片气动性能改善的装置，包括叶片气弹响应监测系统、数据集成处理系统、叶片转向系统、附加质量调整系统和涡流发生系统五部分。

所述叶片气弹响应监测系统由监测智能控制单元、数据采集单元、传感器组成。所述监测智能控制单元用以控制数据采集单元完成对应传感器的数据采集，包括：叶片应变、结构应力、速度、加速度、位移，偏转角，并具备数据通信功能。

所述数据集成处理系统由响应转换器、复核对比模块、振动模态识别器、指令生成模块组成。所述响应转换器将叶片实测位移数据，转换成叶片旋转平面内位移及垂直于叶片旋转平面的位移；所述复核对比模块基于不同时刻所测偏转角，计算叶片位移数值，同实测数据对比，用以保证气弹响应监测系统的可靠性；所述振动模态识别器用以根据响应数据判断叶片气弹形态，如：挥舞、摆振或扭振，并判断叶片是否处于颤振等不利形态；所述指令生成模块根据振动模态识别器和叶片安全限值，基于攻角和刚度计算模块，生成各类机械控制指令传至叶片转向系统、附加质量调整系统和涡流发生系统。

所述叶片转向系统由控制接收器、机械转向臂、环向螺栓、姿态收集器组成。所述控制接收器用以接收指令生成模块所发送数据，并根据初始叶片位置数据控制机械转向臂，用以恢复叶片初始攻角，机械转向臂中段由转向轴承及卡位阻尼装置组成；所述环向螺栓用以固定机械转向臂下端与风力机主体结构的刚接；所述姿态收集器用以反馈实时调整结果；用以得出调整效果及作出下一步调整评价。

所述附加质量调整系统由控制接收器、集水箱、输水管、流量控制阀组成。所述控制接收器用以接收指令生成模块所发送数据，控制集水箱，用以向叶片腔内通过输水管注水；所述流量控制阀用于控制加载速度，以增加叶片气动刚度从而消减叶片气弹位移。

所述涡流发生器由涡发生器、串列螺栓、轨行器。所述涡发生器用以生成诱导涡，实现抵抗逆压梯度下的流动分离，边界层内低能量流体和主流外的高能量流体之间的动量交换；所述串列螺栓用以固定涡发生器组；所述轨行器用以控制涡发生器在叶片不同位置的移动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明适用于超大型风力机柔性叶片，装置全面、参数可显可控，操作可自主智能或无线遥控，有利于风力机设施的正常运行；其数据控制系统可以实现全参数化主动适应设计。

附图说明

图1为本发明整体系统逻辑结构示意图。

图2为叶片简要布置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种用于大型风力机叶片气动性能改善的装置，本发明的结构框图如图1所示，包括叶片气弹响应监测系统、数据集成处理系统、叶片转向系统、附加质量调整系统和涡流发生系统：

所述叶片气弹响应监测系统由监测智能控制单元1、数据采集单元2、传感器3组成；所述的监测智能控制单元1，用以控制数据采集；所述传感器3用于测量风力机叶片应力、应变、速度、加速度、偏转角、位移信息；所述数据采集单元2为与传感器3配套的数据采集设备。

所述数据集成处理系统由响应转换器4、复核对比模块5、振动模态识别器6、指令生成模块7组成，响应转换器4将叶片实测位移数据，转换成叶片旋转平面内位移及垂直于叶片旋转平面的位移；复核对比模块5基于不同时刻所测偏转角，计算叶片位移数值，同实测数据对比，用以保证气弹响应监测系统的可靠性；振动模态识别器用以根据响应数据判断叶片气弹形态，如：挥舞、摆振或扭振，并判断叶片是否处于颤振等不利形态；指令生成模块7根据振动模态识别器和叶片安全限值，基于攻角和刚度计算模块，生成各类机械控制指令传至叶片转向系统、附加质量调整系统和涡流发生系统。

所述叶片转向系统由控制接收器8、机械转向臂9、环向螺栓10、姿态收集器11组成，控制接收器8用以接收指令生成模块所发送数据，并根据初始叶片位置数据控制机械转向臂，用以恢复叶片初始攻角，机械转向臂中段由转向轴承12及卡位阻尼13装置组成；环向螺栓10用以固定机械转向臂下端与风力机主体结构的刚接；姿态收集器11用以反馈实时调整结果；用以得出调整效果及作出下一步调整评价。

所述附加质量调整系统由控制接收器14、集水箱15、输水管16、流量控制阀17组成，控制接收器14用以接收指令生成模块所发送数据，控制集水箱15，用以向叶片腔内通过输水管16注水，流量控制阀17用于控制加载速度，以增加叶片气动刚度从而消减叶片气弹位移。

所述涡流发生器由涡发生器18、串列螺栓19、轨行器20。涡发生器18用以生成诱导涡，实现抵抗逆压梯度下的流动分离，边界层内低能量流体和主流外的高能量流体之间的动量交换；串列螺栓19用以固定涡发生器组；轨行器20用以控制涡发生器在叶片不同位置的移动。

通过智能系统控制，该装置可以有效降低柔性叶片的风振响应，并依据实时数据，获取叶片流场演化的影响及风荷载性能变化规律。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种用于大型风力机柔性叶片气动性能改善的装置，包括叶片气弹响应监测系统、数据集成处理系统、叶片转向系统、附加质量调整系统和涡流发生系统。其中叶片气弹响应监测系统由监测智能控制单元、数据采集单元、传感器组成，数据集成处理系统由响应转换器、振动模态识别器、指令生成模块组成，叶片转向系统由控制接收器、姿态调整模块、机械伸缩臂、固定螺栓组成，附加质量调整系统由控制接收器、集水箱、输水管、流量控制阀组成，涡流发生器由涡发生器、串列螺栓、轨行器。本方法适用于风力机安全设计领域，可有效抑制超大型风力机柔性叶片在流场中发生的气弹现象，保证风力机在各类自然流场作用下的安全运行。

技术研发人员：杨青;柯世堂;王同光
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.10.25
技术公布日：2018.03.06