風力發電葉片疲勞測試試驗裝置及試驗方法
2023-05-24 20:03:16 1
專利名稱：風力發電葉片疲勞測試試驗裝置及試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種風電葉片的性能測試裝置及測試方法，尤其涉及一種風電葉片的疲勞測試裝置及測試方法。
背景技術：
葉片是風力發電設備的關鍵部件。疲勞測試試驗是風力發電葉片在設計、定型、生產過程中重要的測試試驗，葉片的設計壽命是20年，通過疲勞測試試驗可確定風電葉片能否在設計壽命期間內安全地工作。在整個風電葉片的使用期間，葉片受到各種外界環境及風載荷的組合影響，葉片載荷較複雜，葉片疲勞載荷譜可由計算得到，也可用測試方法得到。在疲勞試驗過程中，為了在可接受的時間內完成試驗，必須將載荷放大。目前，使用較多的疲勞加載方法有液壓加載和共振法加載，液壓加載準確、可靠，但價格昂貴，成本太高，共振法加載成本低但誤差大，試驗不易控制，且只能滿足一個方向加載。如何改進現有的風電葉片疲勞加載方法，進而為風電葉片性能提供更加準確、可靠和經濟的性能檢測數據和預報，這成為本領域技術人員需要解決的問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種試驗結果準確可靠、試驗成本低、結構簡單的風 力發電葉片疲勞測試試驗裝置，還相應提供一種試驗周期短、試驗成本低、試驗結果準確科學的風力發電葉片疲勞測試試驗方法。為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用於固定葉片葉根部的試驗基座和用於給葉片葉面加載的加載裝置，所述加載裝置包括驅動裝置、曲柄連杆機構和葉片限位裝置，所述驅動裝置通過曲柄連杆機構與葉片限位裝置相連，所述葉片限位裝置為一限制待測試葉片的加載部位在特定範圍內位移的限位裝置。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述特定範圍內位移可以不作嚴格的限制，但優選是指加載部位在設定長度範圍內作往復直線位移。前述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述直線位移的方向同樣並無嚴格限制，但優選為豎直方向的往復直線位移或水平方向的往復直線位移。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述葉片限位裝置優選包括限位基架和使待測試葉片的加載部位能在限位基架內滑動的工裝(工裝與限位基架相互配合)，所述工裝與所述曲柄連杆機構的自由端相連(曲柄連杆機構的另一端則連接驅動裝置)。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述工裝優選的結構形式是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設有供葉片穿過的定位槽；所述定位組件的外側安裝有滾輪，所述限位基架上安裝有供滾輪滑動的軌道。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，所述定位槽內優選設有緩衝葉片與定位組件相互作用的緩衝墊。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，優選的，所述驅動裝置主要由偏心輪、電機和減速器構成。上述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置中，優選的，所述曲柄連杆機構主要由曲柄和連杆連接組成，所述曲柄與所述驅動裝置相連，所述連杆與葉片限位裝置相連。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種用上述試驗裝置對風力發電葉片進行疲勞測試的試驗方法，包括以下步驟:
(I)依據計算的疲勞載荷確定疲勞載荷(揮舞和擺振兩個方向)的合力方向作為葉片的安裝方向，根據安裝方向將待測試葉片的葉根部固定安裝於所述試驗基座上；
(2 )根據疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗方法確定加載部位的撓度變形，再依據撓度變形和疲勞載荷大小設計所述葉片限位裝置、驅動裝置、曲柄連杆機構的尺寸大小；
(3)設計並確定待測試葉片的加載部位(一般可依據試驗標準和經驗確定試驗區域和加載部位)，並通過所述葉片限位裝置限制待測試葉片的加載部位在特定範圍內位移；安裝葉片限位裝置時使待測試葉片的加載方向與位移方向一致；
(4)調試加載設備，配平試驗區內葉片的重力荷載，再調節葉片的撓度變形直至達到設計要求，然後開始疲勞試驗；
(5)啟動驅動裝置，使驅動裝置帶動曲柄連杆機構、並進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片在所述特定範圍內作往復運動；通過位移傳感器控制待測試葉片的位移，以實現設定疲勞荷載下的葉片性能測試。每間隔一段時間測試葉片的剛度衰減情況，並根據剛度衰減情況重新調整加載裝置，繼續進行疲勞試驗`。上述的試驗方法中，所述驅動裝置優選主要由偏心輪、電機和減速器構成。本發明的上述技術方案主要基於平面連杆機構設計和運動原理，通過旋轉式驅動裝置(優選如偏心輪)帶動一曲柄連杆機構對葉片進行循環加載，並通過葉片限位裝置的作用強迫葉片按設計的軌跡運動，該曲柄連杆機構可以滿足正弦變化的速度特性，同時可實現揮舞方向和擺振方向兩個方向的同時加載。與現有技術相比，本發明的優點在於:本發明提供的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置和試驗方法，能同時滿足揮舞和擺振兩個方向上的疲勞載荷，本發明的試驗裝置和試驗方法不僅能準確地控制葉片位移變化，而且可以更好地保證風電葉片疲勞試驗的準確性、科學性，且節約了試驗周期；相比於其他的液壓等其他的普通驅動方式，本發明也大大降低了試驗成本，為工業應用和推廣提供了良好的條件。
圖1為本發明實施例中葉片在豎直方向進行疲勞試驗時的加載原理示意圖。圖2為本發明實施例中葉片在水平方向進行疲勞試驗時的加載原理示意圖。圖3為本發明實施例中葉片試驗平臺示意圖。圖4為本發明中葉片在揮舞方向的動作示意圖。圖5為本發明中葉片在擺振方向的動作示意圖。圖例說明
1、限位基架；2、工裝；3、緩衝墊；4、滾輪；5、連杆；6、曲柄；7、偏心輪；8、葉片；9、試驗基座。
具體實施例方式以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。實施例:
如圖1 圖3所示，一種本發明的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用於固定葉片8葉根部的試驗基座9和用於給葉片8的葉面加載的加載裝置。本實施例中的加載裝置包括驅動裝置、曲柄連杆機構和葉片限位裝置。本實施例中的驅動裝置主要由偏心輪7、電機和減速器構成；曲柄連杆機構主要由曲柄6和連杆5連接組成，曲柄6的一端與驅動裝置的偏心輪7相連，另一端與連杆5的一端相連，連杆5的另一端則與葉片限位裝置相連；偏心輪7通過曲柄連杆機構與葉片限位裝置相連。葉片限位裝置為一限制待測試葉片8的加載部位在特定範圍內位移的限位裝置。本實施例的葉片限位裝置包括限位基架I和使待測試葉片8的加載部位能在限位基架I內滑動的工裝2，工裝2與曲柄連杆機構的自由端(即連杆5的端部)相連。工裝2是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設有供葉片8穿過的定位槽；定位組件的外側安裝有滾輪4，限位基架I上安裝有供滾輪4滑動的軌道，通過滾輪4在軌道上的滑動即可實現對葉片8的位移方向的有效控制。定位槽內設有緩衝葉片8與定位組件相互作用的緩衝墊3，即緩衝墊3填充於工裝2與葉片8的表面之間以保護葉片，本實施例選用一 5mm IOmm厚的橡膠墊作為緩衝墊3。通過採用本實施例的葉片限位裝置，可以迫使葉片8的加載部位在設定長度範圍內作往復直線位移，具體的，該往復直線位移可以為圖1所示的豎直方向往復直線位移或者如圖2所示的水平方向往復直線位移。採用本實施例的上述試驗裝置對風力發電葉片進行疲勞測試的試驗方法，具體包括以下步驟:
(I)首先，依據計算的疲勞載荷(疲勞載荷是通過風機載荷專用軟體計算的等效疲勞載荷)，確定載荷(揮舞和擺振兩個方向，參見圖4和圖5)的合力方向，藉助轉接法蘭將待測試的葉片8的葉根部固定於試驗基座9上，使合力方向垂直於地面；
(2 )根據疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗方法確定加載部位的撓度變形，再依據撓度變形和疲勞載荷大小設計葉片限位裝置(限位基架I)、偏心輪7、曲柄連杆機構的尺寸大小；
(3)設計並確定待測試的葉片8的加載部位(加載部位距葉根部距離為葉片8總長的3/4)，並通過葉片限位裝置的工裝2使葉片8的加載部位位於限位基架I內，並使工裝2的滾輪4安裝在限位基架I的軌道上，以實現葉片8的位移方向的控制；安裝葉片限位裝置時使待測試葉片8的加載方向與位移方向一致，在本實施例中即是將加載方向調整到與滾輪4的軌道方向一致；
(4)調試加載設備，在開始疲勞試驗前，先配平葉片試驗區內的重力荷載，保持應力比為-1 ;再調節葉片8的撓度變形直至達到設計要求，然後開始疲勞試驗；
(5)啟動驅動裝置，使驅動裝置帶動曲柄連杆機構、並進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片8在水平方向( 或豎直方向)的直線範圍內作往復運動；通過位移傳感器監測待測試葉片8在加載部位的撓度大小，以實現設定疲勞荷載下的葉片性能測試；葉片在疲勞試驗過程中，每隔一段時間(本實施例設定為10萬次循環)，要測試葉片8的剛度衰減情況，根據剛度的衰減值，重新調節試驗的振幅大小，並始終保持載荷幅值不變。本實施例的上述試驗方法和試驗裝置通過偏心輪7帶動曲柄連杆機構，經連杆實現葉片的往復運動，藉助滾輪4和軌道控制葉片8的運動方向，該曲柄連杆機構可以滿足正弦變化的速度特性。同時，本實施例的試驗方法可根據葉片8揮舞方向(參見圖4)和擺振方向(參見圖5 )疲勞載荷的合力，實現兩個方向同時進行疲勞試驗，試驗過程更加符合實際載荷工況，且節約了試驗成本。 ·
權利要求
1.一種風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用於固定葉片(8)葉根部的試驗基座(9)和用於給葉片(8)葉面加載的加載裝置，其特徵在於:所述加載裝置包括驅動裝置、曲柄連杆機構和葉片限位裝置，所述驅動裝置通過曲柄連杆機構與葉片限位裝置相連，所述葉片限位裝置為一限制待測試葉片(8)的加載部位在特定範圍內位移的限位裝置。
2.根據權利要求1所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述特定範圍內位移是指加載部位在設定長度範圍內作往復直線位移。
3.根據權利要求2所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述直線位移為豎直方向的往復直線位移或水平方向的往復直線位移。
4.根據權利要求1、2或3所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述葉片限位裝置包括限位基架(I)和使待測試葉片(8)的加載部位能在限位基架(I)內滑動的工裝(2 )，所述工裝(2 )與所述曲柄連杆機構的自由端相連。
5.根據權利要求4所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述工裝(2)是由兩定位組件對接而成，兩定位組件的對接部位開設有供葉片(8)穿過的定位槽；所述定位組件的外側安裝有滾輪(4)，所述限位基架(I)上安裝有供滾輪(4)滑動的軌道。
6.根據權利要求5所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述定位槽內設有緩衝葉片(8)與定位組件相互作用的緩衝墊(3)。
7.根據權利要求1、2或3所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述驅動裝置主要由偏心輪(7 )、電機和減速器構成。
8.根據權利要求1、2或3所述的風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，其特徵在於:所述曲柄連杆機構主要由曲柄(6)和連杆(5)連接組成，所述曲柄(6)與所述驅動裝置相連，所述連杆(5)與葉片限位裝置相連。
9.一種用權利要求1 8中任一項所述試驗裝置對風力發電葉片進行疲勞測試的試驗方法，包括以下步驟: (1)依據計算的疲勞載荷確定疲勞載荷的合力方向作為葉片的安裝方向，根據安裝方向將待測試葉片(8)的葉根部固定安裝於所述試驗基座(9)上； (2 )根據疲勞載荷大小，通過有限元方法和試驗方法確定加載部位的撓度變形，再依據撓度變形和疲勞載荷大小設計所述葉片限位裝置、驅動裝置、曲柄連杆機構的尺寸大小； (3)設計並確定待測試葉片(8)的加載部位，並通過所述葉片限位裝置限制待測試葉片(8)的加載部位在特定範圍內位移；安裝葉片限位裝置時使待測試葉片(8)的加載方向與位移方向一致； (4)調試加載設備，配平試驗區內葉片(8)的重力荷載，再調節葉片的撓度變形直至達到設計要求，然後開始疲勞試驗； (5)啟動驅動裝置，使驅動裝置帶動曲柄連杆機構、並進而帶動葉片限位裝置和待測試葉片(8)在所述特定範圍內作往復運動；通過位移傳感器監測並控制待測試葉片(8)的位移，以實現設定疲勞荷載下的葉片性能測試；每間隔一段時間測試葉片的剛度衰減情況，並根據剛度衰減情況重新調整加載裝置，繼續進行疲勞試驗。
10.根據權利要求9所述的試驗方法，其特徵在於:所述驅動裝置主要由偏心輪(7)、電機和減速器構成。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電葉片疲勞測試試驗裝置，包括用於固定葉片葉根部的試驗基座和用於給葉片葉面加載的加載裝置，加載裝置包括驅動裝置、曲柄連杆機構和葉片限位裝置，驅動裝置通過曲柄連杆機構與葉片限位裝置相連，葉片限位裝置為一限制待測試葉片的加載部位在特定範圍內位移的限位裝置。該試驗裝置對風力發電葉片進行疲勞測試的試驗方法包括先根據安裝方向將葉片固定，然後依據撓度變形和疲勞載荷大小設計相關構件尺寸；再確定加載部位，調試加載設備，啟動驅動裝置使其帶動曲柄連杆機構及葉片等作往復運動；通過位移傳感器監測並控制葉片位移，以實現葉片性能測試。本發明具有試驗周期短、試驗成本低、試驗結果準確科學等優點。
文檔編號G01N3/32GK103245576SQ20131015221
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優先權日2013年4月27日
發明者彭超義, 靳交通, 曾竟成, 邢素麗, 馮學斌, 肖加餘 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學