基于光纤光栅测量的风力机叶片应变实验研究

摘要

随着风电产业近年来良好的发展势头，全球风电技术日益成熟。叶片作为风力发电机的核心部件，其良好的结构特性是机组长期安全高效运行的前提。叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击，以及强烈的紫外线照射等外界侵蚀，裂纹在恶劣的环境下频繁地产生。因此对风力发电机叶片应变进行实时状态监测是完全必要的。光纤光栅传感器结构简单、尺寸小、精度高，可以组成传感网络进行分布式测量，而且具有灵敏度高、绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀、耐高温等优点，满足叶片运行时复杂环境下的传感应用要求。
　　 本论文针对光纤光栅传感器在风力发电机叶片应变监测的应用，在国家自然基金项目(51175390)、武汉市学科带头人计划基金项目(200951830557)和武汉理工大学自主创新研究基金项目(2010-ZY-JD-007)资助下，主要对200W小型风力机叶片的空气流场、表面静压、静载应变、不同频率激振下的应变响应进行了研究。论文的主要研究内容如下：
　　 ●对叶片的二维翼型流场和三维旋转流场进行了仿真分析，得到了0°～20°攻角下叶片二维翼型流场和表面静压分布，额定工况下运转时叶片三维旋转流场和表面静压分布。
　　 ●根据流场分析的结果，计算了7m/s～12m/s风速下0.2r～r叶片段不同截面位置的气动力，并利用光纤光栅传感器，对叶片以悬臂梁的形式进行了静载应变实验，研究了叶片表面应变的分布以及叶片最大应变随载荷变化的关系。
　　 ●利用激振器对叶片激振，利用加速度传感器测量了叶片的一阶固有频率，利用光纤光栅传感器测量了一阶固有频率附近频率(30Hz～80Hz)每个频率下的应变响应值，研究了叶片表面各测量点在不同频率下的应变响应以及固有频率下叶片表面的应变响应分布。