CN102607831A - 一种水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平轴风力机叶片的疲劳寿命评估方法，其目的在于通过采用低成本、高效率的试验检测与计算分析手段，获得比较精确的叶片疲劳性能参数，满足叶片设计研发与检测的需求。该方法特点在于，基于水平轴风力机叶轮转速较低，各项疲劳载荷的周期变化频率也较低这一特点，采用对风力机叶片进行静态加载测试，获得叶片在各疲劳载荷作用下的应力/应变幅值分布情况，并结合材料性能曲线与损伤累积理论进行分析等一系列步骤，实现对叶片疲劳性能的评估。与现有的水平轴风力机叶片疲劳测试技术相比，该方法具有周期短、成本低、可以获得叶片最终寿命参数等优点。

Description

一种水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力机叶片的疲劳损伤与寿命评估方法。

背景技术

风电叶片疲劳损伤问题是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要内容。在风电叶片设计中，一般都要求风电叶片能满足20年的使用寿命。风电机组在非定常载荷作用下的运行特性使其易发生疲劳破坏，严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。而恶劣的工作环境，特殊的材料性质，以及结构与工艺所带来的种种问题，给叶片寿命评估带来相当大的难度。风电叶片疲劳研究涵盖了环境，载荷，结构，材料等多方面的内容，涉及空气动力学、结构动力学、气动弹性理论、疲劳理论、复合材料等许多学科。

导致疲劳破坏的不确定因素很多，疲劳性能很难单纯依赖计算得到，由于风电叶片结构及运行情况的特殊性，其它行业已建立的工程实践经验和知识不能有效的应用到风电机组叶片的性能评估中来。进行全尺寸叶片的疲劳测试可以提供对设计的可靠确认。对于新设计、新工艺、新材料的风电叶片，疲劳测试是保证叶片质量关键的一环。通过测试，可以将测量数据与设计的数据进行比较，以掌握叶片的疲劳性能。并且可以利用测试的结果改进与优化结构设计。

然而，目前所开展的叶片疲劳检测方法大都周期很长，成本很高，而且大都采用等效载荷和加速试验的办法以检测时间，这些办法等都可能导致实验结果的偏差。同样由于缩短检测周期的原因，目前大都是检测在一定设计周期内(即一定的疲劳载荷周期范围内)叶片是否发生疲劳损伤为目的，而不是以检测叶片发生损伤的实际寿命为目的，因此，检测结果只是反应叶片在设计周期内是否能不发生疲劳破坏，而不能反映出叶片的实际寿命情况。因此可以说，目前所开展的疲劳检测大都具有检测周期长、检测成本高、难以获得叶片实际寿命情况等缺点。

发明内容

针对现有检测技术手段的以上问题，本专利提出一种新的叶片疲劳性能测试评估方法，可通过静态测试获得叶片的强度分布，并结合材料性能曲线与损伤累积理论，评估叶片的疲劳性能。该方法具有周期短、成本低、可以获得叶片最终寿命参数等优点。此外，该方法评估中需要依据材料疲劳性能曲线，而目前现有通用的叶片检测方法在进行等效载荷处理和加速试验时，也必须依据材料性能曲线，因此，本方法中由于材料性能曲线方面可能导致的分析误差方面，与现有通用方法相比，也并无逊色。该方法可利用现有国内外叶片静态检测设施开展测试，因此在设备投资上也是比较经济的，采用静态测试进行疲劳性能评估，是由于风电机组叶轮转速较低，各项疲劳载荷的周期变化频率也较低，采用静态测试获得的应力/应变幅值与实际运行情况比较符合。

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片疲劳测试检测周期长、检测成本高、难以获得叶片实际寿命情况等缺点，本发明提出了一种依据疲劳载荷谱，开展静态测试获得叶片在各疲劳载荷作用下的应力/应变周期变化的幅值分布情况，并结合材料性能曲线与损伤累积理论，评估叶片的疲劳性能的方法。可实现周期短、成本低、能够获得叶片实际寿命等优点。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种风力机叶片疲劳性能评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)依据所将评估叶片的疲劳载荷谱，确定评估分析所应包含的各项疲劳载荷的载荷幅值与均值；

2)将叶片固定在叶片实验台架上，在叶片表面及内部设置应变片(或其它类型的应力/应变传感器)，传感器的数量与布置位置取决于具体叶片，其要求是尽可能地覆盖叶片的疲劳危险发生位置；

3)依据1)中所确定的各项疲劳载荷，选取每一疲劳载荷周期变化的最大值与最小值，对叶片进行两次静态加载实验，实验设施可利用现有通用的叶片静态检测的实验设施，采用应力/应变测量设备测量得到两次实验中叶片测点处的应力/应变值，即获得该疲劳载荷作用下，叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况；

4)通过重复3)中的过程，获得1)中载荷谱中各疲劳载荷作用下，叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况；

5)根据4)中各疲劳载荷作用下的叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况。并结合材料的疲劳性能曲线(该性能曲线可来自材料疲劳试验，也可来自已有材料数据库)，获得叶片在该疲劳载荷作用下，最危险处的寿命及损伤。考虑到目前叶片材料性能曲线大都为应力-寿命曲线，因此可据此性能曲线进行评估，但也不排除采用其它疲劳性能曲线，如应变-寿命曲线；

6)根据载荷谱中各载荷在叶片生命周期中所占的比例，以及5)中所获得的各载荷下的损伤值，采用适合的损伤累积方法进行叶片损伤累积计算，最终获得叶片在整个生命周期中的疲劳寿命及损伤数据。考虑到目前叶片设计与分析中，大都采用线性损伤累积方法，因此可用该理论进行叶片疲劳损伤的线性叠加评估，但也不排除采用其它损伤累积理论与方法，如非线性损伤累积方法；

7)依据以上步骤的检测与分析，实现了对叶片疲劳性能的评估。

优选的，采用该方法进行叶片疲劳寿命评估，其前提在于具备相应叶片的疲劳载荷谱和材料疲劳性能曲线，因此确定合适的疲劳载荷谱和材料疲劳性能曲线是保证评估准确性的前提。

优选的，采用该方法可对载荷谱中的多项疲劳载荷作用下的叶片应力/应变幅值周期变化情况进行测试。

优选的，采用该方法只需采用静态加载方式进行叶片应力/应变幅值周期变化情况的测试，可大大提高检测效率。

优选的，采用该方法需采用疲劳损伤累积理论，对不同载荷作用下的疲劳损伤进行累积分析。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点：

1)与现有对叶片疲劳性能进行评估的检测方法相比，该方法采用静态加载试验结果评估叶片疲劳性能，可实现周期短、成本低、能够获得叶片实际寿命等优点。而由于风电机组叶轮转速较低，各项疲劳载荷的周期变化频率也较低，采用静态测试获得的应力/应变幅值与实际运行情况比较符合。因此，该方法在提高效率的同时，也保证了检测精度。此外，同样由于该方法采用静态加载，而不像现有通用的疲劳检测方法那样需要进行加速试验，因此避免了进行加速试验可能带来的分析误差。

2)该方法可利用现有国内外叶片静态检测设施，因此在设备投资上也是比较经济的。

附图说明

图1为叶片挥舞方向的静态加载示意图；

图2为叶片摆振方向的静态加载示意图；

其中，1.叶片，2.试验夹具，F1.叶片挥舞方向施加的静态载荷，F2.叶片摆振方向施加的静态载荷

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本实施例中，以当前主流的MW级风力机叶片为例，采用以下步骤进行检测和结果修正：

1)依据设计部门所提供的该叶片疲劳载荷谱，确定评估分析所应包含的各项疲劳载荷的载荷幅值与均值，本实例中选取疲劳载荷谱中起主要影响作用的7个载荷项进行后续评估；

2)将该叶片固定在叶片实验台架上，在叶片表面及内部设置应变片，本实例中传感器的数量为50片，布置位置尽可能地覆盖叶片的疲劳危险发生位置(疲劳危险发生位置根据叶片设计得到)；

3)依据1)中所确定的各项疲劳载荷，选取每一疲劳载荷在周期变化中的最大值与最小值，对叶片进行两次静态加载实验，实验设施利用现有的叶片静态检测的实验设备，图1、图2所示，分别为根据载荷方向而在叶片挥舞方向与摆振方向的加载示意图。采用应变传感器测量得到实验中叶片各测点处的应变值，经过两次测试，即获得该疲劳载荷作用下，叶片各测点处应变周期变化的幅值与均值，将应变值乘以叶片各处材料的弹性模量，即得到应力值；

4)通过重复3)中的过程，获得1)中载荷谱中各疲劳载荷作用下，叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况；

5)根据4)中各疲劳载荷作用下的叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况。并结合材料疲劳性能的应力-寿命曲线，(该性能曲线可来自材料疲劳试验，也可来自已有材料数据库)，获得叶片在该疲劳载荷作用下，最危险处的寿命及损伤；

6)根据载荷谱中各载荷在叶片生命周期中所占的比例，以及5)中所获得的各载荷下的损伤值，采用线性损伤累积方法进行叶片损伤累积计算，最终获得叶片在整个生命周期中的疲劳损伤以及叶片最终寿命等数据；

通过以上步骤的实施，完成了对该叶片疲劳性能的评估。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)依据所将评估叶片的疲劳载荷谱，确定评估分析所应包含的各项疲劳载荷的载荷幅值与均值；

2)将叶片固定在叶片实验台架上，在叶片表面及内部设置应力/应变测量设备，应力/应变测量设备尽可能地覆盖叶片的疲劳危险发生位置；

3)依据步骤1)中所确定的各项疲劳载荷，选取每一疲劳载荷周期变化的最大值与最小值，对叶片进行两次静态加载实验，采用应力/应变测量设备测量得到两次静态加载实验中叶片各测点处的应力/应变值，获得每一疲劳载荷作用下叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况；

4)根据步骤3)中测得的各疲劳载荷作用下的叶片应力/应变周期变化的幅值与均值分布情况，并结合叶片材料的疲劳性能曲线，获得叶片在各疲劳载荷作用下，最危险处的寿命及损伤值；

5)根据载荷谱中各载荷在叶片生命周期中所占的比例，以及步骤4)中所获得的各载荷下的寿命及损伤值，采用损伤累积方法进行叶片损伤累积计算，最终获得叶片在整个生命周期中的疲劳寿命及损伤数据。

2.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法，其特征在于，采用该疲劳寿命评估方法进行叶片疲劳寿命评估，其前提在于有相应叶片的疲劳载荷谱和材料性能曲线。

3.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法，其特征在于，安装在叶片表面及内部的应力/应变测量设备的传感器数量与布置位置取决于具体叶片，其要求是尽可能地覆盖叶片的疲劳危险发生位置。

4.根据权利要求1至3任一项所述的水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法，其特征在于，上述步骤3)中，可利用现有通用的叶片静态检测设施对叶片进行静态加载实验。

5.根据上述任一项权利要求所述的水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命评估方法，其特征在于，上述步骤4)中，叶片材料的疲劳性能曲线来自材料的疲劳试验数据或已有的材料数据库。

Images