风力机运行在大气边界层的自然环境中，遭遇的来流条件有空间非均匀（如风剪切）、时间非定常（如大气湍流）、以及风场中各机组尾迹之间相互干扰等特点。而对这些复杂风况下的叶片气动及结构特性认识不足是风电机组事故频发、实际运行风力机性能与预测结果有较大误差的主要原因之一。研制外场复杂风况下的气动/结构综合测试系统以测量风力机运行过程中的气动与结构特性数据是解决以上科学问题的必要研究手段。
然而，要准确测量风力机在外场复杂风况下的特性数据尤其是气动数据具有很高的挑战性，主要存在以下三个技术难点：首先，在外场环境中，由于来流风的非定常非均匀性，仅依赖远场来流风（测风塔）数据无法准确测定风电叶片气动力的重要参考标尺——来流攻角，还需在近场测量叶片实际感受的来流风数据；其次，风电叶片为大型复合材料结构，不适于大量机械加工，如何在复合材料叶片上布置密集的表面压力测量传感器是技术难点之二，同时还要考虑外场雷雨等恶劣天气的影响；最后，综合测试系统要建立来流条件、气动特性数据、结构特性数据及机组运行状态的关联性，需要保证这些数据的测量同步性，如何将各种具有不同信号类型及通讯方式的传感器和数据采集设备编织成一个互相关联通讯的测控网是技术难点之三，特别需要考虑变频器的电磁干扰以及外场远距离信号衰减的问题。
在中国科学院科研装备研制项目资助下，中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发（实验）中心研究团队结合理论基础和国内外最新研究成果，充分分析了外场综合测试系统的难点和关键技术，针对性地开展了一系列基础研究和技术应用研究。首先，提出了一种在旋转过程中测量叶片前缘来流条件的测量方案，即在叶片前缘布置七孔气流探针，研究团队先后从七孔气流探针设计制造、标定装置研制、适应外场恶劣环境的标定算法以及探针外场工装设计安装四个方面（如图1所示）开展研究，最终成功实现七孔探针的自主研制以及外场环境叶片前缘来流的测量；其次，根据大型复合材料风电叶片的成型工艺特点，提出了基于真空吸注的气动测压管预埋工艺，成功研制了满足气动测试要求的表面测压叶片，并在叶片表面局部开口位置进行铺层设计，在满足强度要求下增加了叶片表面测压系统的可维护功能，如图2所示；最后，按照各设备通讯方式和数据传输协议，设计了风电机组来流条件、表面气动压力分布、结构应变响应以及机组运行状态的同步测量逻辑框架，并研制了相应的同步测控系统，经过挂机实际运行测试（如图3所示）以及数据分析验证，同步时间误差小于20ms，部分参数如来流风速、机组功率、风轮转速、法向气动力、叶根应变的同步测量结果如图4所示。
截止目前，该系统的技术研究成果已申请国家发明专利5项（其中授权2项），发表SCI论文2篇，作国际会议邀请报告1次。风力机外场气动/结构综合测试系统挂机测试的顺利完成，为研究风力机及叶片在外场实际复杂风况下的综合特性及其产生机制提供了必要且有力的测量手段，目前研究团队已测得100kW实验机组在外场多种风况下的重要数据，尤其是首次获得叶片实际运行过程中的气动压力分布，这将为风电叶片气动设计、载荷评估和控制优化提供重要的参考依据。
图 1 叶片前缘七孔气流探针的研制与应用
图 2 气动测试叶片的研制
图 3 综合测试系统的挂机测试照片
图 4 多参数同步测量部分结果
