CN104792516B - 一种h型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置及方法，包括支座部件、分配梁、加载抱箍、支撑连杆和偏心电机。分配梁、加载抱箍与支撑连杆用螺栓连接，组成整个载荷分配系统，能有效传递上下往复作用的疲劳载荷。试验时，通过调节分配梁长度L和加载抱箍位置B，可以模拟叶片在各类工况下的疲劳弯矩分布；调节支座部件和加载抱箍结构形式，可模拟叶片在轴向扭转和多攻角下的疲劳受力状态。测量叶片在疲劳受载情况下的应变分布，进而评估叶片疲劳结构性能。本发明仅对装置施加一个外部疲劳载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合疲劳加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

Description

一种H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳结构试验装置及方法，尤其涉及一种大型H型垂直轴风力机叶片疲劳结构试验装置及方法。

背景技术

大型H型垂直轴风力机的风轮装置由叶片、支架和主轴构成，支架用来连接叶片和主轴，以形成具有一定刚度的大型H型框架结构，常见的框架结构有单支架型和双支架型两种。叶片是风力发电机的关键部件，设计使用寿命一般为20年，疲劳损伤是导致叶片损坏的重要原因之一，其疲劳性能关系到整个机组的运行安全和稳定。为确保叶片在疲劳载荷下的承载能力和强度，需要对叶片进行结构疲劳试验，测定叶片在各类工况下的疲劳性能。在实际运行中，叶片的受力情况比较复杂，风载荷和惯性载荷使叶片承受弯曲、扭转等多种受力形式，且叶片具有一定攻角，这样使得叶片的结构疲劳性能分析更为困难。因此，如何有更好的装置和方法来对大型H型垂直轴风力发电机叶片进行结构疲劳试验，亟待解决。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大型H型垂直轴风力发电机叶片结构疲劳试验装置及方法，仅对装置施加一个外部上下往复载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合疲劳加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，包括支座部件、分配梁、加载抱箍、支撑连杆和偏心电机，其特征在于，分配梁、加载抱箍与支撑连杆用螺栓连接，组成整个载荷分配系统，用于传递并分配上下往复作用的疲劳载荷；所述支座部件固定设置在基础或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑立柱和支座抱箍，用于支撑叶片并调节叶片攻角；在每个支座部件两侧一定距离处的叶片上套一对加载抱箍，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角；加载抱箍通过支撑连杆与分配梁连接，在分配梁中部设置用于提供上下往复作用疲劳载荷的偏心电机，在偏心电机上安装速度传感器，在叶片轴线方向布置应变片。

优选地，所述偏心电机的转速和偏心质量可以调节，用于提供不同频率、不同量级的疲劳载荷。

优选地，所述支座抱箍由固定外环和旋转内环组合而成，固定外环与支撑立柱固定连接，旋转内环固定套住叶片使二者可一起转动，根据叶片所需攻角调节内环角度，内外环锁紧后可提供叶片所需工况下的攻角。其中，内环固定套住叶片的方式为：先由随形抱箍紧固叶片，再用夹具固定夹持，通过固定销将夹具紧固在旋转内环上。

优选地，所述加载抱箍结构设计为：随形抱箍紧固叶片，两侧面焊接上、下法兰，法兰通过支撑连杆连接分配梁，通过法兰的偏心位置(距叶片剪力中心有偏心距)实现往复扭矩加载。

优选地，所述分配梁的设置随支座数目而变化：单支座时，一个分配梁，中部安装偏心电机，距离偏心电机一定距离的两端分别连接加载抱箍；双支座时，分配梁包括一个一级分配梁和两个二级分配梁，一级分配梁中部安装偏心电机，二级分配梁两端连接加载抱箍，分配梁、加载抱箍与支撑连杆组成内部静定结构。其中，分配梁材料一般选用工字钢，保证截面抗弯刚度，避免分配梁的过度变形。

本发明的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，试验时，通过调节分配梁长度L和加载抱箍位置B，近似模拟叶片在各类工况下的疲劳弯矩分布；同时，支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距使具有一定攻角的叶片承受疲劳扭转载荷。测量叶片在疲劳受载情况下的应变分布，进而评估叶片疲劳结构性能。这样仅通过偏心电机，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合疲劳加载形式。通过疲劳载荷和应变分布，可评估叶片在疲劳载荷下的结构性能。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置进行试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件位置、加载臂B_i、B_j和L_x、L_y的长度，其中B_i、B_j为一对加载抱箍与支座部件之间的距离，L_x、L_y为分配梁中部加载点与两端之间的距离；

其中当支座部件为两个时，分配梁包括一个一级分配梁和两个二级分配梁；

SS2.支座部件固定设置在基地或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、立柱和支座抱箍，支座抱箍的旋转内环套住叶片，根据所需试验的叶片攻角大小调节内环角度，用螺栓锁紧内外环；

SS3.在距离支座部件左右侧分别为B_i、B_j处的叶片上套一对加载抱箍，根据所需扭矩大小确定焊接法兰的偏心距；

SS4.用支撑连杆将加载抱箍与分配梁连接，形成稳定的内部静定结构。

SS5.在一级分配梁中部安装偏心电机，用于施加上下往复作用的疲劳载荷；

SS6.利用偏心电机的旋转次数或应变片记录的应变时程数据推算疲劳载荷次数，利用偏心电机上的速度传感器测量疲劳载荷频率，根据偏心电机和质量块的总质量计算输入疲劳载荷大小；利用分配梁长度比例L_x、L_y计算在各个加载抱箍处的作用力，获得叶片疲劳弯矩分布；同样，根据支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距和作用力，可计算疲劳扭矩分布；利用应变片，测量叶片的应变分布；

SS7.根据叶片的疲劳弯矩分布、疲劳扭矩分布和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片疲劳结构性能。

相对于现有技术，本发明的优点在于，仅对装置施加一个外部载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

附图说明

图1为本发明的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置示意图，其中(A)为正视图，(B)为侧视图；

图2为本发明的支座部件示意图，其中，(A)为支座部件装置组成图，(B)为支座抱箍内环未锁紧示意图，(C)为支座抱箍内环锁紧示意图；

图3为加载抱箍示意图，其中，(A)为叶片无攻角无扭矩示意图，(B)为支叶片有攻角无扭矩示意图，(C)为叶片无攻角有扭矩示意图，(D)为叶片有攻角有扭矩示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

以双支座叶片为例，如图1所示，本发明的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，它包括支座部件1、加载抱箍2、一级分配梁3、二级分配梁4、支撑连杆5、偏心电机6。一级分配梁3、二级分配梁4、加载抱箍2与支撑连杆5用螺栓连接，组成整个载荷分配系统，用于传递并分配上下往复作用的疲劳载荷；在一级分配梁3中部设置偏心电机6，偏心电机6用于提供上下往复作用的疲劳载荷。支座部件1固定设置在基础或地面上，用于支撑叶片并调节叶片攻角；在每个支座部件1两侧一定距离处的叶片上套一对加载抱箍2，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角。

根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件1位置、加载抱箍2位置和分配梁3、4长度，具体包括：加载抱箍2与支座部件1之间的距离B₁、B₂和B₃、B₄，二级分配梁4中部加载点与两端之间的距离L₂₁、L₂₂和L₂₃、L₂₄，一级分配梁3中部加载点与两端之间的距离L₁₁、L₁₂。

参照图2，支座部件1固定设置在基础或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座7、立柱8和支座抱箍9，用于支撑叶片并调节叶片攻角。支座抱箍9由固定外环10和旋转内环11组合而成，外环10与立柱8固定连接，内环11固定套住叶片使二者可一起转动。其中，内环11固定套住叶片的方式为：先由随形抱箍12紧固叶片，再用夹具13固定夹持，通过固定销14将夹具13紧固在内环11上。根据试验工况所需的叶片攻角，旋转内环11至所需角度，用螺栓15锁紧外环10和内环11。

参照图3，在B₁、B₂和B₃、B₄处的叶片上各套一个加载抱箍2，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角。加载抱箍2结构设计为：随形抱箍12紧固叶片，两侧面焊接上法兰16和下法兰17；根据是否扭转加载，设置具有适当偏心距e的下法兰17。

参照图1，用支撑连杆5连接下法兰17和二级分配梁4，以及连接二级分配梁4与一级分配梁3，组成整个载荷分配系统，用于传递并分配载荷。在一级分配梁3中部设置偏心电机6，用于提供上下往复作用的疲劳载荷。在偏心电机6上安装速度传感器，在叶片轴线方向布置应变片。

利用偏心电机6的旋转次数或应变片记录的应变时程数据推算疲劳载荷次数，利用偏心电机6上的速度传感器测量疲劳载荷频率，根据偏心电机6和质量块18的总质量计算输入疲劳载荷大小；利用分配梁长度比例L_x、L_y计算在各个加载抱箍2处的作用力，获得叶片疲劳弯矩分布；同样，根据支座抱箍9旋转角度、加载抱箍2偏心距和作用力，可计算疲劳扭矩T分布；利用应变片，测量叶片的应变分布。根据叶片的疲劳弯矩分布、疲劳扭矩分布和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片疲劳结构性能。

该试验装置和方法亦可适用于单支座的大型H型垂直轴风力发电机复合材料叶片结构静力试验，此时，装置仅有一个支座部件1、两个加载抱箍2和一个分配梁3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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范围之内。

Claims (5)

1.一种H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，包括支座部件、分配梁、加载抱箍、支撑连杆和偏心电机，其特征在于，分配梁、加载抱箍与支撑连杆用螺栓连接，组成整个载荷分配系统，用于传递并分配上下往复作用的疲劳载荷；所述支座部件固定设置在基础或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑立柱和支座抱箍，用于支撑叶片并调节叶片攻角；在每个支座部件两侧一定距离处的叶片上各套一个加载抱箍，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角；加载抱箍通过支撑连杆与分配梁连接，在分配梁中部设置用于提供上下往复作用疲劳载荷的偏心电机，在偏心电机上安装速度传感器，在叶片轴线方向布置应变片；所述加载抱箍包括随形抱箍，所述随形抱箍紧固叶片，随形抱箍的两侧面焊接上法兰、下法兰，下法兰通过支撑连杆连接分配梁，通过下法兰的偏心位置实现往复扭矩加载，所述下法兰的偏心位置为距叶片剪力中心的偏心距。

2.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，其特征在于，所述偏心电机的转速和偏心质量可以调节，用于提供不同频率、不同量级的疲劳载荷。

3.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，其特征在于，所述支座抱箍由固定外环和旋转内环组合而成，外环与支撑立柱固定连接，内环固定套住叶片使二者可一起转动，根据叶片所需攻角调节内环角度，内环与外环锁紧后可提供叶片所需工况下的攻角，其中，内环固定套住叶片的方式为：先由随形抱箍紧固叶片，再用夹具固定夹持，通过固定销将夹具紧固在旋转内环上。

4.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置，其特征在于，

所述分配梁的设置随支座数目而变化：单支座时，设置一个分配梁，中部安装偏心电机，距离偏心电机L_x、L_y的两端分别连接加载抱箍；双支座时，设置一个一级分配梁和两个二级分配梁，一级分配梁中部安装偏心电机，二级分配梁两端连接加载抱箍；

分配梁、加载抱箍与支撑连杆组成内部静定结构；

分配梁材料选用工字钢。

5.一种利用权利要求1至4任一项所述的H型垂直轴风力机叶片结构疲劳试验装置进行试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件位置、加载臂B_i、B_j和L_x、L_y的长度，其中，B为一对加载抱箍与支座部件之间的距离，L为分配梁中部加载点与两端之间的距离；其中双支座时，有一个一级分配梁和两个二级分配梁；

SS2.支座部件固定设置在基地或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、立柱和支座抱箍，支座抱箍的旋转内环套住叶片，根据所需试验的叶片攻角大小调节内环角度，用螺栓锁紧内外环；

SS3.在距离支座部件左右侧分别为B_i、B_j处的叶片上各套一个加载抱箍，根据所需扭矩大小确定焊接法兰的偏心距；

SS4.用支撑连杆将加载抱箍与分配梁连接，形成稳定的内部静定结构；

SS5.在一级分配梁中部安装偏心电机，用于施加上下往复作用的疲劳载荷；

SS6.利用偏心电机的旋转次数或应变片记录的应变时程数据推算疲劳载荷次数，利用偏心电机上的速度传感器测量疲劳载荷频率，根据偏心电机和质量块的总质量计算输入疲劳载荷大小；利用分配梁长度比例L_x、L_y计算在各个加载抱箍处的作用力，获得叶片疲劳弯矩分布；同样，根据支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距和作用力，可计算疲劳扭矩分布；利用应变片，测量叶片的应变分布；

SS7.根据叶片的疲劳弯矩分布、疲劳扭矩分布和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片疲劳结构性能。