CN103245576A

CN103245576A - 风力发电叶片疲劳测试试验装置及试验方法

Info

Publication number: CN103245576A
Application number: CN2013101522112A
Authority: CN
Inventors: 彭超义; 靳交通; 曾竟成; 邢素丽; 冯学斌; 肖加余
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103245576B

Abstract

本发明公开了一种风力发电叶片疲劳测试试验装置，包括用于固定叶片叶根部的试验基座和用于给叶片叶面加载的加载装置，加载装置包括驱动装置、曲柄连杆机构和叶片限位装置，驱动装置通过曲柄连杆机构与叶片限位装置相连，叶片限位装置为一限制待测试叶片的加载部位在特定范围内位移的限位装置。该试验装置对风力发电叶片进行疲劳测试的试验方法包括：先根据安装方向将叶片固定，然后依据挠度变形和疲劳载荷大小设计相关构件尺寸；再确定加载部位，调试加载设备，启动驱动装置使其带动曲柄连杆机构及叶片等作往复运动；通过位移传感器监测并控制叶片位移，以实现叶片性能测试。本发明具有试验周期短、试验成本低、试验结果准确科学等优点。

Description

风力发电叶片疲劳测试试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种风电叶片的性能测试装置及测试方法，尤其涉及一种风电叶片的疲劳测试装置及测试方法。

背景技术

叶片是风力发电设备的关键部件。疲劳测试试验是风力发电叶片在设计、定型、生产过程中重要的测试试验，叶片的设计寿命是20年，通过疲劳测试试验可确定风电叶片能否在设计寿命期间内安全地工作。

在整个风电叶片的使用期间，叶片受到各种外界环境及风载荷的组合影响，叶片载荷较复杂，叶片疲劳载荷谱可由计算得到，也可用测试方法得到。在疲劳试验过程中，为了在可接受的时间内完成试验，必须将载荷放大。目前，使用较多的疲劳加载方法有液压加载和共振法加载，液压加载准确、可靠，但价格昂贵，成本太高，共振法加载成本低但误差大，试验不易控制，且只能满足一个方向加载。

如何改进现有的风电叶片疲劳加载方法，进而为风电叶片性能提供更加准确、可靠和经济的性能检测数据和预报，这成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种试验结果准确可靠、试验成本低、结构简单的风力发电叶片疲劳测试试验装置，还相应提供一种试验周期短、试验成本低、试验结果准确科学的风力发电叶片疲劳测试试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种风力发电叶片疲劳测试试验装置，包括用于固定叶片叶根部的试验基座和用于给叶片叶面加载的加载装置，所述加载装置包括驱动装置、曲柄连杆机构和叶片限位装置，所述驱动装置通过曲柄连杆机构与叶片限位装置相连，所述叶片限位装置为一限制待测试叶片的加载部位在特定范围内位移的限位装置。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，所述特定范围内位移可以不作严格的限制，但优选是指加载部位在设定长度范围内作往复直线位移。前述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，所述直线位移的方向同样并无严格限制，但优选为竖直方向的往复直线位移或水平方向的往复直线位移。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，所述叶片限位装置优选包括限位基架和使待测试叶片的加载部位能在限位基架内滑动的工装（工装与限位基架相互配合），所述工装与所述曲柄连杆机构的自由端相连（曲柄连杆机构的另一端则连接驱动装置）。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，所述工装优选的结构形式是由两定位组件对接而成，两定位组件的对接部位开设有供叶片穿过的定位槽；所述定位组件的外侧安装有滚轮，所述限位基架上安装有供滚轮滑动的轨道。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，所述定位槽内优选设有缓冲叶片与定位组件相互作用的缓冲垫。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，优选的，所述驱动装置主要由偏心轮、电机和减速器构成。

上述的风力发电叶片疲劳测试试验装置中，优选的，所述曲柄连杆机构主要由曲柄和连杆连接组成，所述曲柄与所述驱动装置相连，所述连杆与叶片限位装置相连。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述试验装置对风力发电叶片进行疲劳测试的试验方法，包括以下步骤：

（1）依据计算的疲劳载荷确定疲劳载荷（挥舞和摆振两个方向）的合力方向作为叶片的安装方向，根据安装方向将待测试叶片的叶根部固定安装于所述试验基座上；

（2）根据疲劳载荷大小，通过有限元方法和试验方法确定加载部位的挠度变形，再依据挠度变形和疲劳载荷大小设计所述叶片限位装置、驱动装置、曲柄连杆机构的尺寸大小；

（3）设计并确定待测试叶片的加载部位（一般可依据试验标准和经验确定试验区域和加载部位），并通过所述叶片限位装置限制待测试叶片的加载部位在特定范围内位移；安装叶片限位装置时使待测试叶片的加载方向与位移方向一致；

（4）调试加载设备，配平试验区内叶片的重力荷载，再调节叶片的挠度变形直至达到设计要求，然后开始疲劳试验；

（5）启动驱动装置，使驱动装置带动曲柄连杆机构、并进而带动叶片限位装置和待测试叶片在所述特定范围内作往复运动；通过位移传感器控制待测试叶片的位移，以实现设定疲劳荷载下的叶片性能测试。每间隔一段时间测试叶片的刚度衰减情况，并根据刚度衰减情况重新调整加载装置，继续进行疲劳试验。

上述的试验方法中，所述驱动装置优选主要由偏心轮、电机和减速器构成。

本发明的上述技术方案主要基于平面连杆机构设计和运动原理，通过旋转式驱动装置（优选如偏心轮）带动一曲柄连杆机构对叶片进行循环加载，并通过叶片限位装置的作用强迫叶片按设计的轨迹运动，该曲柄连杆机构可以满足正弦变化的速度特性，同时可实现挥舞方向和摆振方向两个方向的同时加载。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的风力发电叶片疲劳测试试验装置和试验方法，能同时满足挥舞和摆振两个方向上的疲劳载荷，本发明的试验装置和试验方法不仅能准确地控制叶片位移变化，而且可以更好地保证风电叶片疲劳试验的准确性、科学性，且节约了试验周期；相比于其他的液压等其他的普通驱动方式，本发明也大大降低了试验成本，为工业应用和推广提供了良好的条件。

附图说明

图1为本发明实施例中叶片在竖直方向进行疲劳试验时的加载原理示意图。

图2为本发明实施例中叶片在水平方向进行疲劳试验时的加载原理示意图。

图3为本发明实施例中叶片试验平台示意图。

图4为本发明中叶片在挥舞方向的动作示意图。

图5为本发明中叶片在摆振方向的动作示意图。

图例说明

1、限位基架；2、工装；3、缓冲垫；4、滚轮；5、连杆；6、曲柄；7、偏心轮；8、叶片；9、试验基座。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1～图3所示，一种本发明的风力发电叶片疲劳测试试验装置，包括用于固定叶片8叶根部的试验基座9和用于给叶片8的叶面加载的加载装置。本实施例中的加载装置包括驱动装置、曲柄连杆机构和叶片限位装置。本实施例中的驱动装置主要由偏心轮7、电机和减速器构成；曲柄连杆机构主要由曲柄6和连杆5连接组成，曲柄6的一端与驱动装置的偏心轮7相连，另一端与连杆5的一端相连，连杆5的另一端则与叶片限位装置相连；偏心轮7通过曲柄连杆机构与叶片限位装置相连。叶片限位装置为一限制待测试叶片8的加载部位在特定范围内位移的限位装置。本实施例的叶片限位装置包括限位基架1和使待测试叶片8的加载部位能在限位基架1内滑动的工装2，工装2与曲柄连杆机构的自由端（即连杆5的端部）相连。工装2是由两定位组件对接而成，两定位组件的对接部位开设有供叶片8穿过的定位槽；定位组件的外侧安装有滚轮4，限位基架1上安装有供滚轮4滑动的轨道，通过滚轮4在轨道上的滑动即可实现对叶片8的位移方向的有效控制。定位槽内设有缓冲叶片8与定位组件相互作用的缓冲垫3，即缓冲垫3填充于工装2与叶片8的表面之间以保护叶片，本实施例选用一5mm～10mm厚的橡胶垫作为缓冲垫3。通过采用本实施例的叶片限位装置，可以迫使叶片8的加载部位在设定长度范围内作往复直线位移，具体的，该往复直线位移可以为图1所示的竖直方向往复直线位移或者如图2所示的水平方向往复直线位移。

采用本实施例的上述试验装置对风力发电叶片进行疲劳测试的试验方法，具体包括以下步骤：

（1）首先，依据计算的疲劳载荷（疲劳载荷是通过风机载荷专用软件计算的等效疲劳载荷），确定载荷（挥舞和摆振两个方向，参见图4和图5）的合力方向，借助转接法兰将待测试的叶片8的叶根部固定于试验基座9上，使合力方向垂直于地面；

（2）根据疲劳载荷大小，通过有限元方法和试验方法确定加载部位的挠度变形，再依据挠度变形和疲劳载荷大小设计叶片限位装置（限位基架1）、偏心轮7、曲柄连杆机构的尺寸大小；

（3）设计并确定待测试的叶片8的加载部位（加载部位距叶根部距离为叶片8总长的3/4），并通过叶片限位装置的工装2使叶片8的加载部位位于限位基架1内，并使工装2的滚轮4安装在限位基架1的轨道上，以实现叶片8的位移方向的控制；安装叶片限位装置时使待测试叶片8的加载方向与位移方向一致，在本实施例中即是将加载方向调整到与滚轮4的轨道方向一致；

（4）调试加载设备，在开始疲劳试验前，先配平叶片试验区内的重力荷载，保持应力比为-1；再调节叶片8的挠度变形直至达到设计要求，然后开始疲劳试验；

（5）启动驱动装置，使驱动装置带动曲柄连杆机构、并进而带动叶片限位装置和待测试叶片8在水平方向（或竖直方向）的直线范围内作往复运动；通过位移传感器监测待测试叶片8在加载部位的挠度大小，以实现设定疲劳荷载下的叶片性能测试；叶片在疲劳试验过程中，每隔一段时间（本实施例设定为10万次循环），要测试叶片8的刚度衰减情况，根据刚度的衰减值，重新调节试验的振幅大小，并始终保持载荷幅值不变。

本实施例的上述试验方法和试验装置通过偏心轮7带动曲柄连杆机构，经连杆实现叶片的往复运动，借助滚轮4和轨道控制叶片8的运动方向，该曲柄连杆机构可以满足正弦变化的速度特性。同时，本实施例的试验方法可根据叶片8挥舞方向（参见图4）和摆振方向（参见图5）疲劳载荷的合力，实现两个方向同时进行疲劳试验，试验过程更加符合实际载荷工况，且节约了试验成本。

Claims

1.一种风力发电叶片疲劳测试试验装置，包括用于固定叶片（8）叶根部的试验基座（9）和用于给叶片（8）叶面加载的加载装置，其特征在于：所述加载装置包括驱动装置、曲柄连杆机构和叶片限位装置，所述驱动装置通过曲柄连杆机构与叶片限位装置相连，所述叶片限位装置为一限制待测试叶片（8）的加载部位在特定范围内位移的限位装置。

2.根据权利要求1所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述特定范围内位移是指加载部位在设定长度范围内作往复直线位移。

3.根据权利要求2所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述直线位移为竖直方向的往复直线位移或水平方向的往复直线位移。

4.根据权利要求1、2或3所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述叶片限位装置包括限位基架（1）和使待测试叶片（8）的加载部位能在限位基架（1）内滑动的工装（2），所述工装（2）与所述曲柄连杆机构的自由端相连。

5.根据权利要求4所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述工装（2）是由两定位组件对接而成，两定位组件的对接部位开设有供叶片（8）穿过的定位槽；所述定位组件的外侧安装有滚轮（4），所述限位基架（1）上安装有供滚轮（4）滑动的轨道。

6.根据权利要求5所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述定位槽内设有缓冲叶片（8）与定位组件相互作用的缓冲垫（3）。

7.根据权利要求1、2或3所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述驱动装置主要由偏心轮（7）、电机和减速器构成。

8.根据权利要求1、2或3所述的风力发电叶片疲劳测试试验装置，其特征在于：所述曲柄连杆机构主要由曲柄（6）和连杆（5）连接组成，所述曲柄（6）与所述驱动装置相连，所述连杆（5）与叶片限位装置相连。

9.一种用权利要求1～8中任一项所述试验装置对风力发电叶片进行疲劳测试的试验方法，包括以下步骤：

（1）依据计算的疲劳载荷确定疲劳载荷的合力方向作为叶片的安装方向，根据安装方向将待测试叶片（8）的叶根部固定安装于所述试验基座（9）上；

（3）设计并确定待测试叶片（8）的加载部位，并通过所述叶片限位装置限制待测试叶片（8）的加载部位在特定范围内位移；安装叶片限位装置时使待测试叶片（8）的加载方向与位移方向一致；

（4）调试加载设备，配平试验区内叶片（8）的重力荷载，再调节叶片的挠度变形直至达到设计要求，然后开始疲劳试验；

（5）启动驱动装置，使驱动装置带动曲柄连杆机构、并进而带动叶片限位装置和待测试叶片（8）在所述特定范围内作往复运动；通过位移传感器监测并控制待测试叶片（8）的位移，以实现设定疲劳荷载下的叶片性能测试；每间隔一段时间测试叶片的刚度衰减情况，并根据刚度衰减情况重新调整加载装置，继续进行疲劳试验。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于：所述驱动装置主要由偏心轮（7）、电机和减速器构成。