CN102089520B - 用于测试风力涡轮机叶片的测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测试风力涡轮机的叶片的测试设备，所述测试设备包括风力涡轮机叶片的根端可固定于其上的固定结构、从所述固定结构延伸的装载质量结构、以及可向装载质量结构施加正弦态力以在装载质量结构与被固定于固定结构的叶片之间建立平衡共振的致动结构。由于所述平衡共振，从测试设备传到地面或其它建筑部件的力可相对于传统叶片测试设备已知的力得到减少。

Description

用于测试风力涡轮机叶片的测试设备

技术领域

本发明涉及一种用于测试风力涡轮机叶片的测试设备。该测试设备包括固定结构以及致动结构，用于风力涡轮机的叶片可固定于该固定结构中，该致动结构用于激发该叶片并引起该叶片的振荡运动和弯曲。

背景技术

用于发电的风力涡轮机一般使用从轴毂径向延伸的细长涡轮叶片。该轴毂安装于驱动发电机的轴上。风力涡轮机被制造的越来越大，并且涡轮叶片上的静负载和动负荷也因此增大。

在叶片测试中，静负载用于评估涡轮机叶片的刚度和极限强度。然而，在实践中，叶片上的负载不断改变，并且为了评估叶片的抗疲劳性，可在大型测试设备中施加循环负荷。

在一般测试中，重负载偏心旋转。该负荷在位于叶片梢端与轴毂端之间的位置上被束牢在所述叶片上，并且因此使叶片振荡。

不幸的是，在非常沉的部件的振荡运动过程中，由于传递到地板及其它建筑部件的非常大的力，该转动质量和振荡叶片要求非常重型的大负载建筑设备。

风力涡轮机工业需要成本效率高并且方便的方法来测试大型风力涡轮机叶片的疲劳性，以提高设计和生产中的可靠性。

随着风力涡轮机叶片尺寸的增加，疲劳测试设备需要昂贵并且建造耗时的基座。此外，风力涡轮机叶片现在在世界各个地方制造，并且制造可测试叶片的可移动测试设备需要尝试降低运输的成本并且节省时间。

测试装备对外界环境的影响同样需要降低，例如，在其内操作测试设备的建筑上的压力等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加灵活、更加轻便、或更容易移动的用于测试风力涡轮机的大型叶片的测试设备。本发明的另一目的是在降低测试设备的建筑联合体的强度和耐久性的要求的情况下有助于叶片测试。

根据第一方面，本发明提供了一种用于测试风力涡轮机的叶片的测试设备，所述测试设备包括风力涡轮机叶片的根端可固定于其上的固定结构、从所述固定结构延伸的装载质量(loading mass)结构、以及可向装载质量结构施加力以例如在装载质量与固定在固定结构的叶片之间或者在装载质量与附加装载质量之间建立平衡共振的致动结构。

因为施加的力用于建立装载质量与叶片之间的平衡共振，该设备不会将同样的反作用力传输到地面或其它建筑部件中，并且该测试设备能够因此用在广范围的建筑和测试设施上，并且可能对例如地板等建筑的损害也会降低。

叶片可大致上为任何一种用于风力涡轮机的叶片，并且一般这些叶片具有使叶片与风力涡轮机轴毂连接的凸缘。所述固定结构应将装载质量的振荡运动传递给叶片，并且叶片应因此相对坚固地固定到固定结构上。

叶片可由任何固定方式固定于固定结构。作为举例，叶片可螺栓连接在固定结构上。事实上，该固定结构可部分由具有一定形状的元件构成，或至少按叶片所设计的风力涡轮机的轴毂那样功能性工作。相应地，该固定结构可包括带有一定数量通孔的环形固定凸缘。为了安装叶片，叶片的相匹配环形端部凸缘可紧贴所述固定凸缘布置，并且该叶片可由延伸穿过环形固定凸缘的通孔而进入风力涡轮机叶片根端的内螺旋的螺栓栓接。以此方式，不仅叶片而且叶片与轴毂之间的接触界面也可以被测试。

致动结构包括可被电力、水力或气动驱动的致动部分，并且它可包括带有偏心地安装的质量或杠杆臂的转动部件。为了防止超负荷或可能对设备产生的损害，该致动结构最好与装载质量结构恒定接触。作为举例，该致动结构的致动部分包括可以相对于固定部分移动的可移动部分。当所述固定部分被螺栓连接或者用其他方式固定于在该设备下的地面上或者其他固定建筑部件时，所述可移动部分可以被螺栓连接、捆扎或者用其他方式固定于所述装载质量结构上。该致动部分可包括常规的致动器，例如以水力驱动或电力驱动活塞在汽缸中移动的形式。

该致动结构通过与所述装载质量结构在其激发点接触以激发装载质量结构移动。该致动结构例如相对于装载质量结构可移动，以使激发点可沿着所述装载质量结构选定。

为了使装载质量的固有频率保持尽可能高，有利地是设计致动结构使得不增加装载质量结构的重量，例如通过使所述设备在其内运行的建筑完全承担致动结构的重量，例如由地面承担。类似的也适用于叶片，叶片最好不要负担任何附加在其上的元件的重量。

该致动结构可进一步包括致动控制系统，它为该系统选择激发频率。该激发频率可选定成例如相对于叶片所取得振荡的振幅提供最小输入力。最有效率的激发频率一般为或者接近所述装载质量和/或所述叶片的固有频率。

该频率可由PC控制的数字正弦波发生器调节。

该输入力可经由多种不同方法被确定。一种方法是通过安装张力敏感结构，例如在致动部分和装载质量之间或致动部分以及/或装载质量以及/或被测试叶片上的不同位置上布置张力量计、光纤或类似装置。当叶片偏斜，该张力敏感结构提供表示致动部分作用于叶片的力的信号。另一种方法是测量致动部分在叶片偏斜过程中消耗的能量。还另一种方法是测量装载质量与致动部分之间的连接的偏斜。

来自张力敏感结构的信号或表示使叶片偏斜所必需的力的类似信号可在调节频率的时间段内被取样。通过将频率与取样的输入力相联系，可确定需要最少输入力的频率。

特别地，施加在装载质量上的力为正弦态力。正弦态力在此表示具有连续的波形或曲线的力的振幅的广义的定义，也就是说，该力是变化的以获得处于平衡共振的装载质量和叶片的振荡运动。该力的振幅可以遵循精确的数学正弦形状，但不是必需遵循这样的精确数学正弦形状。

平衡共振在此表示装载质量结构和叶片在不同方向例如在相反方向按相同频率运动，也就是说，例如，叶片与装载质量结构朝向彼此或远离彼此运动。

为了促进平衡共振，该装载质量结构可安置在或形成一个或者多个从所述固定结构或至少从所述固定结构附近处的某个位置延伸的细长装载臂的部分。该装载质量结构连接于固定结构，以使装载质量结构的振荡运动被传递到所述固定结构，并且因此进一步传递到被测试叶片。

特别的，该装载质量结构可由两个在所述叶片的相反侧从固定结构延伸的装载臂构成。特别的，这两个装载臂为具有相同几何形状及/或重量的相同臂。在一个实施例中，该装载臂可拆卸安装到固定结构，以使装载臂可由另一只臂替换，例如，为了改变臂的几何形状或重量。

致动结构可包括用于每个装载臂的至少一个致动器。

为了测试具有不同的几何形状或重量以及因此具有不同固有频率的叶片，该设备可包括调节装置，通过此调节装置该装载质量结构的质量可以被改变，或通过此调节装置装载质量结构远离固定结构延伸的长度可被改变。

前面提到的装载臂可例如具有不同的长度，或每个臂包括相对于臂可移动的或者可拆卸并因此可以被具有不同重量的作用体替换的作用体。在一个实施例中，例如具有不同重量的一个或多个元件可被沿着具有固定或可改变长度的臂安装。通过这种方法，装载臂的固定频率可通过选择从固定结构到元件之间的特定距离来调节。

通过这种方法，作用体到激发点或到固定结构之间的距离可改变，或者装载质量结构的质量可改变。

为了使叶片的共振频率改变，该叶片可进一步在沿着叶片的不同位置被限制或固定。举个例子来说，具体地相对于叶片梢端的测试可能很有趣。通过在叶片的轴毂端与梢端之间的位置将叶片固定到地板或任何其它周围物体上，叶片的梢端可能振荡更快，并且测试的持续时间可进一步减小。相应地，该设备可包括至少一个固定装置，固定装置是可调节的以使叶片在沿着叶片的不同位置固定在周围物体上。

该设备可包括适用于在激发频率使所述叶片偏斜的附加致动器，所述激发频率可以与上述提到的致动部分的频率相等，或者可与上述提到的致动部分的激发频率不相同。该附加致动器可以沿着叶片可调节地定位，以在沿着叶片的不同点上产生偏斜。

事实上，为了使叶片的共振频率改变，该设备可包括任何数量的固定装置以将叶片固定于周围物体上，例如，固定于测试区域的地面，并且可安装任何数量的致动器以使叶片在沿着叶片上的不同位置偏斜。

该设备可包括支持测试设备在地面上的定位的基部，基部允许固定结构以及该装载质量结构绕着铰链点相对于基部可转动的运动。

该固定结构适合将叶片固定，使得它从固定结构全长度无支撑地延伸。为实现此目的，该设备可包括锚定结构，锚定结构将该设备锚定至其所安放的地面或建筑的壁上。通过该锚定结构，叶片在设备上的转动惯量可被传递给固定的建筑部件。

该设备可进一步包括用于抑制装载质量结构的移动以及/或抑制被测试叶片的移动的阻尼结构。该阻尼结构可包括弹性可变形材料例如橡胶材料制成的主体，该主体安置在固定建筑部件与装载质量结构之间。

在第二个方面，本发明提供一种测试风力涡轮机叶片的方法，该方法包括将叶片固定到根据本发明第一个方面中所述类型的设备的固定结构上。叶片通过向装载质量结构施加正弦态力被移动并偏离，力被施加成使得装载质量结构与叶片之间建立平衡共振。

特别的，该方法可进一步包括在测试过程中反复调节频率以及其后重新选择激发频率的一个步骤或多个步骤。这是为了将叶片的固有频率的改变考虑进来，并且对于长持续时间的测试，这可能对于测试结果以及对于测试的经济性很重要。

在第三个方面，本发明提供了一种用于控制本发明的第一个方面中所描述类型的设备的控制系统。该控制系统适合调节所述致动结构向所述装载质量结构施加力时的激发频率，确定当向所述装载质量结构施加力时由所述致动结构消耗的输入功率，确定所述叶片或所述装载质量结构的运动振幅，并且根据输入力与振幅之间的比率选择激发频率。本发明可在常规PC上运行的软件中执行，通过标准接口与伺服增幅器连接或通过类似接口与致动器连接。

该设备及方法可在现实中被应用于不仅测试风力涡轮机的叶片，也用于测试通风设备、船只、直升机等的螺旋桨叶片。

附图说明

下面，本发明的实施例将结合附图进行进一步说明，其中：

图1所示为根据本发明的测试设备的顶视图；以及

图2所示为图1中的测试设备的侧视图。

具体实施方式

该测试设备1适合测试用于风力涡轮机的叶片，但也可用于测试类似的大尺寸细长部件，例如，达到50米长或更长。该测试设备1包括固定结构2，风力涡轮机叶片4的根端3可固定于此。该设备包括带有臂6，7的装载质量结构5，臂6，7在叶片4的两相反侧上从所述固定结构2延伸。该臂6，7在固定结构2与作用体8，9之间延伸。提供作用体以使各作用体的重量可通过增加附加重量元件或通过从各臂上移除重量元件被单独改变。此外，该作用体可沿着臂被定位在不同位置。

该设备进一步包括带有安装在各个装载质量结构下方的致动器10的致动结构。该致动器是可控的以便施加正弦态力到装载质量结构，以使装载质量结构与叶片4之间建立平衡共振。

该测试设备进一步包括支持测试设备在水平地面12上安置的基座11。该固定结构2以及装载质量结构5可转动地铰接在基部，以使它们可绕着销13转动。

如图所示，该固定结构足够坚硬，并且该设备被锚定在地面，这使得叶片可以在其全长度上无支撑地从固定结构延伸。

阻尼结构14位于各臂的下方，并且抑制它的振荡运动。

该设备进一步包括未在图1中示出的控制系统，但将在下文中被详细描述：

该控制系统可包括一组可以固定于叶片上或装载质量结构上的不同位置上的张力敏感结构。该张力敏感结构可被用于确定偏斜度，例如，用于确定偏斜的振幅，或该张力敏感结构可被用于确定叶片的大致情况，例如，用来观察叶片在疲劳测试过程中的变化。来自张力敏感结构的信号被收集并被用于频率调节算法。

该控制系统进一步包括可执行下述步骤的频率调节结构：

-在第一个步骤中手动选择固有频率的近似值。

-该控制系统以略微高于或低于选定频率的值不断调节该频率。

-该控制系统监控张力敏感结构的振幅并将其与平均力输入相比较以及计算效率。

-选定频率接着重置为达到最高效率的值。通过这种方法，操作频率向最有效的操作条件自动地移动以改变条件。

-同时运行的分开控制回路确保张力的振幅维持在测试所需的水平。

该频率算法传递用于振幅和频率调节控制的控制信号。该控制信号可以与作为数字正弦波发生器输入的振幅和频率成比例的电压的形式。

该信号例如被数字信号发生器接收，数字信号发生器作为响应产生信号以控制致动器，例如用于控制流体在压力作用下向水力致动器流动的阀的开/关信号或成比例信号。

Claims (16)

1.一种用于测试风力涡轮机的叶片的测试设备，所述测试设备包括风力涡轮机叶片的根端可固定于其上的固定结构、从所述固定结构延伸的装载质量结构、以及可向所述装载质量结构施加力以建立平衡共振的致动结构，其中，所述平衡共振表示所述装载质量结构和所述叶片在不同方向按相同频率运动。

2.根据权利要求1所述的测试设备，其特征在于，所述装载质量结构包括从所述固定结构延伸的至少一个装载臂，每个装载臂包括可相对于所述固定结构移动的作用体。

3.根据权利要求2所述的测试设备，其特征在于，所述装载臂从固定点的相反侧延伸，固定在所述固定结构的叶片从所述固定点延伸。

4.根据权利要求2或3所述的测试设备，其特征在于，所述致动结构包括用于每个装载臂的至少一个致动器。

5.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，所述致动结构可相对于所述装载质量结构移动，使得所述致动结构与所述装载质量结构接触的激发点被选定在所述装载质量结构上的不同位置。

6.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，还包括支持所述测试设备安置于地面上的基部，所述固定结构和所述装载质量结构可转动地铰接于所述基部。

7.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，所述固定结构适合于固定叶片，使得所述叶片可在其全长上无支撑地从工作台延伸。

8.根据权利要求7所述的测试设备，其特征在于，还包括锚定结构，所述测试设备通过所述锚定结构锚定到固定建筑部件上。

9.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，还包括用于抑制所述装载质量结构移动的阻尼结构。

10.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，所述致动结构包括致动控制系统，所述致动控制系统可为所述致动结构选择激发频率。

11.根据权利要求10所述的测试设备，其特征在于，所述致动控制系统可分析所述装载质量结构或固定在所述固定结构中的叶片的振荡，并且基于此，选择相对于所述叶片或所述装载质量结构所获得振荡的振幅提供最小输入力的激发频率。

12.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，施加于所述装载质量结构的力是正弦态力。

13.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，在所述装载质量结构与固定于所述固定结构中的叶片之间建立平衡共振。

14.根据权利要求1-3任一所述的测试设备，其特征在于，还包括致动控制系统，所述致动控制系统适合于调节所述致动结构向所述装载质量结构施加力时的激发频率，确定当向所述装载质量结构施加力时由所述致动结构消耗的输入功率，确定所述叶片或所述装载质量结构的运动振幅，并且根据输入力与振幅之间的比率选择激发频率。

15.一种测试风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括将叶片固定到根据权利要求1-11任一所述的测试设备的固定结构上，以及通过向所述装载质量结构施加正弦态力激发叶片上的振荡运动，所述力被施加成使得在所述装载质量结构与所述叶片之间建立平衡共振。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述运动在激发频率和输入力下被激发，并且激发频率和输入力中的至少一个在测试过程中被调节。

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