[发明专利]翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，涉及翼型叶片覆冰粘结强度测量领域，解决了传统测量装置操作不便以及受环境影响较大的问题。本发明包括若干叶片、固定座、若干除冰滑块、若干滑轨和若干叶片固定梁，固定座安装于试验台上，由试验台驱动旋转；固定座左右对称安装有若干滑轨和若干叶片固定梁，滑轨上安装有除冰滑块，叶片固定梁末端安装有叶片；通过除冰滑块和冰层旋转产生的离心力对叶片表面冰层进行清除。本发明可直接在结冰风洞试验段内测量叶片表面冰层粘结强度，避免了叶片拆装配过程对测试结果造成的影响；通过离心与剪切方式的配合，降低了试验转速，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响。

技术领域

本发明涉及翼型叶片覆冰粘结强度测量领域，具体为一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法。

背景技术

风能是可再生能源中不可或缺的一部分，风力机的高效稳定运行是保证高效获取风能的重要条件，然而风力机的高效运行依赖于空气的密度和流速，因此风力机多数建立于低温和比较潮湿的地区。这就导致了风力机表面结冰问题的产生，风力机叶片表面结冰会导致叶片气动外形改变，破坏叶片气动性能，降低发电效率；还会影响叶片表面的载荷分布，使叶片振动幅度增加，严重时将导致风力机倒塌；冰层在叶片旋转过程中脱落，造成甩冰现象，对周围环境造成危害；还会降低传感器性能，增加信息采集时的误差。因此，需要探究冰与叶片之间的粘结强度关系，为除冰防冰做准备。

针对翼型叶片表面覆冰粘结强度的测量问题，国内外学者进行了大量研究，设计了多种翼型叶片覆冰粘结强度测量装置。公开号为CN113484235A的中国专利公开了一种《风力机叶片表面冰粘附强度测量装置》，其中记载了一种剪切式覆冰粘结强度测量装置，如图1所示，测试前，将翼型叶片安装在结冰风洞试验段内进行结冰试验；当叶片表面冰层厚度满足测试要求后，将结冰叶片从结冰风洞中取下并固定在滑块上；滑块在压力传感器的驱动下沿平行轨道滑动，当结冰叶片通过翼型叶片除冰孔时，叶片表面冰层在切向力的作用下与叶片表面分离，压力传感器实时测量剪切力的大小，并将其传输至计算机中。然而，剪切式测试方法的缺陷主要存在于两个方面，第一，在覆冰粘结强度测试前需要将结冰叶片从结冰风洞试验段内拆卸，然后装配至测试装置。在结冰叶片拆卸和装配的过程中，叶片磕碰可能会对叶片表面冰层的粘结造成影响，进而对覆冰粘结强度的测试结果造成影响。第二，结冰风洞试验段内环境温度较低而测试装置所处的室内环境温度较高，当结冰叶片从结冰风洞试验段内拆卸并装配至测试装置，受室内环境温度影响叶片表面冰层可能发生融化现象，对覆冰粘结强度的测试结果造成影响。

Spinning Rotor Blade Tests in Icing Wind Tunnel[J].Aiaa Journal公开了一种离心式覆冰粘结强度测量装置，测试前，将试验装置安装在结冰风洞试验段内。在结冰试验过程中试验样件以恒定的加速度加速旋转，当旋转产生的离心力大于冰与基底材料表面的粘结力时冰与基材表面分离，此时，根据从样件表面脱落的冰块长度计算基材表面冰的粘结强度。

离心式测试方法在覆冰叶片表面冰层粘结强度的测试过程中避免了拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响。然而，在测试过程中过冷液滴与样件表面撞击速度随旋转半径的增加而增加，导致样件表面冰层厚度及迎风面积随旋转半径增加几乎呈线性增长。随着冰层厚度及迎风面积增加以及转速的升高，叶片、叶片表面结冰与空气之间的摩擦逐渐增大，空气载荷和振动载荷影响增大，导致样件表面应力分布不均，从而对测试结果造成影响。

发明内容

本发明为了解决上述传统测量装置拆装过程操作不便以及受环境影响较大的问题，特此提出了一种翼型叶片结冰粘结强度测量机构、装置及试验方法，可以直接在结冰风洞试验段内测量覆冰叶片表面冰层粘结强度，避免了叶片拆卸和装配过程对测试结果可能造成的影响；同时，通过离心与剪切方式的配合，使测量覆冰叶片表面粘结强度时在低转速下即可完成，减小了空气载荷和振动载荷对测试结果的影响，使测量数据更精准。