CN103196689B - 一种水平轴风力机叶片静力测试结果修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用试验与计算相结合，开展水平轴风力机叶片在静力载荷作用下结构性能评估的方法。与现有单纯利用叶片台架静力测试进行性能评估的方法相比，该方法可更准确地评估叶片在运行中，承受极限载荷或其它静态载荷时所体现出的结构响应。该方法由以下几部分组成：叶片在试验台架上的静力测试；台架静力测试过程的数值模拟；试验与计算的相关性分析；实际运行情况下离心载荷对叶片结构响应的影响分析；该影响对试验结果的修正。由于该方法引入离心载荷对叶片结构响应的影响分析，并对试验进行修正，可弥补台架静力测试无法反应离心载荷对结构响应影响这一不足，提高了对结构性能评估的准确度。

Description

一种水平轴风力机叶片静力测试结果修正方法

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在静力载荷作用下结构性能的评估方法。

背景技术

风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。我国风能资源储量丰富，从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

风电叶片在极限载荷作用下发生损伤破坏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。在如此长的服役期间和恶劣的工作环境下，风电机组经常要在多种极限载荷作用下运行，严重影响了风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。准确评估叶片运行中，在极限载荷作用下的力学特性，是保证叶片安全运行的一项前提，因此在叶片的设计阶段和检测过程中，合理有效的预测极限载荷作用下的力学特性就十分重要。

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。进行叶片在极限载荷作用下的静力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，静力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，以掌握叶片的结构性能。并且可以利用测试的结果改进与优化结构设计。

为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正向着大尺寸、大功率的方向发展。由于大尺寸叶片质量也往往很大，在运行状态下会产生较大的离心力惯性载荷，在这种大的离心力惯性载荷作用下，叶片有可能会发生非线性变形，这些非线性因素会造成叶片结构刚度相对静止状态下发生改变。而在试验台架上所开展的叶片静力测试则无法反应离心载荷所造成的影响，单纯依靠试验台架上的试验，不能准确预估叶片在极限载荷（或其它静力载荷）作用下的实际结构响应，包括叶片变形与关键部分的应力/应变。由于叶片变形与关键部分的应力/应变是影响叶片安全运行的重要因素，因此，如不能对其作出准确评估，所设计出的叶片将会有可能无法满足叶片及机组的安全运行要求。因此，有必要提供一种更加有效的水平轴风力机叶片在静力载荷作用下结构性能的评估方法，使得在叶片挂机运行之前，能够比较准确地考虑离心载荷对结构响应的影响，从而保证叶片在运行情况下，处于安全合理的变形与应力/应变，保障叶片及机组的安全运行。

本专利所提供方法，就是针对这一目标所发明的，可通过对叶片台架试验条件下的静力测试结果进行相关修正，以达到模拟和评估叶片运行环境中在极限载荷或其它静力载荷作用下结构响应的目的。该方法可利用现有国内外叶片检测设施，采用比较经济的检测方法，获得比较精准的评估效果，具有十分重要与现实的意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对风力机叶片在试验台架上所开展的静力测试难以真实反映叶片实际运行情况下的结构响应，无法反应离心载荷所造成的影响，不能准确预估叶片在极限载荷或其它静力载荷作用下的实际结构响应这一问题，本发明提出了一种利用试验与计算相结合，开展水平轴风力机叶片在静力载荷作用下结构性能评估的方法，通过对叶片台架试验条件下的静力测试结果进行相关修正，以达到模拟和评估叶片运行环境中在极限载荷或其它静力载荷作用下结构响应的目的，使得在叶片挂机运行之前，能够比较准确地考虑离心载荷对结构响应的影响，从而保证叶片在运行情况下，处于安全合理的变形与应力/应变，保障叶片及机组的安全运行，该方法可在保障检测成本较低的前提下，提高对叶片实际结构响应的评判精度。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种利用试验与计算相结合，以获得更为准确的叶片静力结构响应参数的评估方法，其特征在于，该方法由以下几部分组成：叶片在试验台架上的静力测试；台架静力测试过程的数值模拟；试验与计算的相关性分析；实际运行情况下离心载荷对叶片结构响应的影响分析；该影响对试验结果的修正。具体步骤如下：

1）采用现有通用的水平轴风力机叶片静力试验方法，对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振方向的静力测试，获取不同方向下的叶片结构响应，包括叶片变形量与关键部位的应变值；

2）采用数值仿真方法，对步骤1）中的试验过程进行数值模拟，分别对叶片挥舞、摆振方向进行结构静力分析，计算得到叶片在不同方向下的叶片变形量与关键部位的应变值；

3）对步骤1）的测试结果和步骤2）的数值计算结果进行对比，对试验与计算中叶片的尺寸结构、和/或材料性能参数进行分析，确定影响数值计算准确度的因素，调整与完善数值计算中的相关尺寸结构、和/或材料性能参数；

4）利用步骤3）中经过完善的尺寸结构、和/或材料性能参数重新进行步骤2）中的数值计算过程，以获得良好的数值仿真结果（数值仿真结果和测试结果一致或接近一致，使得数值仿真结果和测试结果之间的误差限定在一定的误差范围内即可）；

5）根据叶片实际运行转速范围计算叶片的离心惯性载荷，并将离心惯性载荷施加于上述的叶片数值模型上，并采用非线性结构分析方法，计算出离心惯性载荷对叶片结构刚度的影响以及刚度的变化情况，利用变化后的结构刚度，重新计算叶片在挥舞与摆振等不同方向下的结构响应，包括叶片变形量与关键部位的应变值；

6）分析比较步骤4）、5）中的结构响应计算结果，获得二者之间的数值比例关系；

7）将步骤6）中所得到的数值比例关系，引入到步骤1)中，对步骤1）中获得的叶片各方向变形量与关键部位的应变值进行修正，即将步骤1）中获得的叶片各方向的变形量与关键部位的应变值乘以步骤6）中所得到的数值比例关系，以相乘得到的数据作为修正后的结构响应结果。

8）依据7）中获得结构响应结果，可以评估叶片运行状态下，在相应的静力载荷和离心惯性载荷作用下，所发生的变形情况和应变分布情况。

优选的，采用该方法进行叶片极限载荷（或其它静力载荷）下结构响应的评估，其前提在于对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振等方向的静力测试，获取各自方向下的叶片变形量与关键部位应变值。

优选的，通过进行测试与计算的相关性分析，用以完善数值仿真过程及结果。

优选的，为了反应叶片在实际运行情况下离心惯性载荷载荷对结构响应的影响，在数值仿真分析中，采用了非线性分析方法。

优选的，步骤5）中，分别根据叶片实际运行转速的上限和下限计算叶片的离心惯性载荷，并分别将叶片实际运行转速的上限和下限情况下的离心惯性载荷分别施加于上述的叶片数值模型上，分别计算出上限和下限转速下离心惯性载荷对叶片结构刚度的影响以及刚度的变化情况，利用变化后的结构刚度，分别重新计算叶片在上限和下限转速下挥舞与摆振方向下的结构响应。

优选的，所述步骤6）中，将步骤5）中得到的上限和下限转速下挥舞与摆振方向下的结构响应，即位移与应变的计算结果，分别与4）中计算结果相除，获得二者之间数值比例关系的上下限。

优选的，所述步骤7）中，将步骤6）中得到的数值比例关系上下限数值，引入到步骤1)中，对步骤1）中获得的叶片各方向的位移与应变值进行修正，模拟得到叶片在实际转速范围之间运行情况下结构响应的数值范围。

本发明的核心发明点在于:利用试验与计算相结合，通过对叶片台架试验条件下的静力测试结果进行相关修正，实现了模拟和评估叶片运行环境中，考虑离心惯性载荷的影响，在极限载荷或其它静力载荷作用下所产生的结构响应这一目的，使得在叶片挂机运行之前，能够比较准确地评估叶片的结构响应，从而保证叶片在运行情况下，处于安全合理的变形与应力/应变范围，保障叶片及机组的安全运行。

（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）与现有单纯采用试验台架条件下的静力测试方法相比，采用该方法可提高对运行情况下性能评估的精度。

2）与直接在运行机组上安装测试设备，进行动态条件下的结构响应测试相比，采用该方法对检测设备与环境的要求较低，能满足当前大多数检测机构和叶片企业的条件要求，且检测成本大大降低。而且可以在叶片试制之后、挂机运行之前就得到比较准确的性能数据，有利于设计的优化。

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，对本发明进一步详细说明。

本实施例对象为某MW级风电机组叶片，该机组运行工况下风轮转速在11～19rpm范围之间。采用以下步骤对叶片结构在静力载荷作用下结构的响应（变形与应变）进行测试和结果修正：

1）将该叶片固定在试验台架上，根据设计部门所提供的载荷，对叶片分别在挥舞与摆振方向进行静力加载，可利用皮尺（或其它变形测量设备）测量叶片载荷作用下的变形量，通过应变采集设备采集叶片在载荷作用下所关心部位的应变值，即获得叶片在挥舞、摆振方向的结构响应信息，以上过程为目前叶片静力测试的通用技术；

2）使用MSC.Patran/Nastran等有限元结构分析软件进行数值仿真方法，模拟1）中的试验环境，分别对叶片挥舞、摆振方向进行静力数值计算，获得叶片在不同方向下的变形与应变；

3）对步骤1）的测试结果和步骤2）的数值仿真结果进行对比，对试验与计算中叶片的尺寸结构、材料性能等参数进行分析，寻找影响数值计算准确度的因素，进而完善数值计算中的相关尺寸结构、材料性能等参数；

4）利用步骤3）中经过完善的尺寸结构、材料性能等参数重新进行步骤2）中的数值计算过程，以获得良好的数值仿真结果；

5）根据叶片运行转速下限为11rpm，计算其离心惯性载荷。将离心惯性载荷施加于叶片上，分析评估该载荷对结构的非线性影响，计算出在这些影响下叶片结构刚度的变化，并利用变化后的结构刚度，重新计算出叶片在相应挥舞与摆振载荷作用下的结构响应；

6）再根据叶片运行转速上限为19rpm，计算其离心惯性载荷。将离心惯性载荷施加于叶片上，考虑非线性影响，并计算在这种影响下刚度的改变，并利用变化后的结构刚度，重新计算出叶片在相应挥舞与摆振载荷作用下的结构响应；

7）将步骤5）、6）中的位移与应变的计算结果，分别与4）中计算结果相除，获得二者之间数值比例关系的上下限；

8）将步骤6）中所得到的比例关系上下限数值，引入到步骤1)中，对步骤1）中获得的叶片各方向的位移与应变值进行修正，模拟得到叶片在11～19rpm范围之间运行情况下结构响应的数值范围。

通过以上步骤实施，利用目前普遍使用的风力机叶片静力测试条件和设备，结合数值仿真计算，获得了可以描述叶片运行情况下的结构响应参数。

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在静力载荷作用下结构性能评估的方法，其特征在于，该方法由以下几部分组成：叶片在试验台架上的静力测试，台架静力测试过程的数值计算，测试结果与计算结果的相关性分析，实际运行情况下离心惯性载荷对叶片结构响应的影响分析，以及利用该影响对测试结果的修正；

该方法的具体步骤如下：

1)采用现有通用的水平轴风力机叶片静力试验方法，对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振方向的静力测试，获取不同方向下的叶片结构响应，包括叶片变形量与关键部位的应变值；

2)采用数值计算方法，对步骤1)中的试验过程进行数值模拟，分别对叶片挥舞、摆振方向进行结构静力分析，计算得到叶片在不同方向下的叶片变形量与关键部位的应变值；

3)对步骤1)的测试结果和步骤2)的数值计算结果进行对比，对试验与数值计算中叶片的尺寸结构、和/或材料性能参数进行分析，确定影响数值计算准确度的因素，调整与完善数值计算中的相关尺寸结构、和/或材料性能参数；

4)利用步骤3)中经过完善的尺寸结构、和/或材料性能参数重新进行步骤2)中的数值计算过程，以获得良好的数值计算结果，使数值计算结果和步骤1)的测试结果一致或接近一致；

5)根据叶片实际运行转速范围计算叶片的离心惯性载荷，并将离心惯性载荷施加于步骤2)的叶片数值计算模型上，并采用非线性结构分析方法，计算出离心惯性载荷对叶片结构刚度的影响以及刚度的变化情况，利用变化后的结构刚度，重新计算叶片在挥舞与摆振方向下的结构响应，包括叶片变形量与关键部位的应变值；

6)分析比较步骤4)、5)中的结构响应计算结果，获得二者之间的数值比例关系；

7)将步骤6)中所得到的数值比例关系，引入到步骤1)中，对步骤1)中获得的叶片各方向变形量与关键部位的应变值进行修正，即将步骤1)中获得的叶片各方向的变形量与关键部位的应变值乘以步骤6)中所得到的数值比例关系，以相乘得到的数据作为修正后的结构响应结果；

8)依据步骤7)中获得结构响应结果，评估叶片运行状态下，在相应的静力载荷和离心惯性载荷作用下，所发生的变形情况和应变分布情况；

步骤5)中，分别根据叶片实际运行转速的上限和下限计算叶片的离心惯性载荷，并分别将叶片实际运行转速的上限和下限情况下的离心惯性载荷分别施加于步骤2)的叶片数值计算模型上，分别计算出上限和下限转速下离心惯性载荷对叶片结构刚度的影响以及刚度的变化情况，利用变化后的结构刚度，分别重新计算叶片在上限和下限转速下挥舞与摆振方向下的结构响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用该方法进行叶片极限离心惯性载荷下结构响应的评估，其前提在于对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振方向的静力测试，获取各自方向下的叶片变形量与关键部位应变值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了反应叶片在实际运行情况下离心惯性载荷对结构响应的影响，在数值计算分析中，采用了非线性分析方法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中，将步骤5)中得到的上限和下限转速下挥舞与摆振方向下的结构响应，即叶片变形量与应变的计算结果，分别与步骤4)中计算结果相除，获得二者之间数值比例关系的上下限。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中，将步骤6)中得到的数值比例关系上下限数值，引入到步骤1)中，对步骤1)中获得的叶片各方向的叶片变形量与应变值进行修正，模拟得到叶片在实际转速范围之间运行情况下结构响应的数值范围。