CN107110736B - 风轮机叶片的疲劳试验 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于对风轮机叶片进行疲劳试验的设备(100)以及使用此设备(100)的系统和方法。该设备(100)包括：基部(110)，其用于支撑所述风轮机叶片(10)的第一端(12)；以及摆振致动器组件(120)。所述摆振致动器组件(120)包括地面支撑的摆振致动器(130)和用于将所述摆振致动器(130)连接到所述叶片(10)的柔性线缆组件(140)。所述摆振致动器(130)和所述柔性线缆组件(140)适于通过将所述叶片(10)在大体水平方向上反复拉动来将所述叶片(10)相对于所述基部在摆振方向上循环偏转。

Description

风轮机叶片的疲劳试验

技术领域

本发明涉及用于对风轮机叶片进行疲劳试验的设备。特别地，本发明涉及这样的用于对风轮机叶片进行疲劳试验的设备，所述设备包括用于支撑风轮机叶片的第一端的基部和用于将叶片相对于基部在摆振(edgewise)方向上循环偏转的摆振致动器。本发明还涉及对风轮机叶片进行疲劳试验的方法。

背景技术

风轮机叶片由于惯性负载和诸如升力和曳力的空气动力学负载，在使用期间承受循环加载。在叶片的摆振和挥舞(flapwise)方向二者上，都承受这些负载。摆振方向与叶片的纵轴垂直并且大体平行于贯穿叶片的前沿和后沿的平面并且对应于叶片在使用期间的旋转方向。挥舞方向垂直于摆振方向和叶片的纵轴二者。此循环加载会造成叶片在它们的寿命期间被削弱，从而最终导致疲劳失效。使用疲劳试验来确定在所期望的叶片寿命持续期间，特定叶片设计是否能耐受预期的循环操作负载，而不发生疲劳失效。

疲劳试验通常是通过在挥舞方向和摆振方向上激励叶片以模拟摆振和挥舞操作负载来执行的。对于较大叶片，通常要连续地执行这两个疲劳试验。为了模拟典型的使用寿命，每个试验均可涉及使叶片经受一百万或更多个疲劳加载周期并且可能花费数月来完成。为了确保疲劳试验结果可靠，重要的是在试验期间施加的循环负载代表实际加载状况。

当前叶片疲劳试验方法包括将风轮机叶片的根端固定到固定基部，使得叶片的纵轴是水平的，并且在摆振方向或挥舞方向上施加循环负载，以使叶片在摆振方向或挥舞方向上偏转。对于摆振疲劳试验，叶片通常被安装成，使得在叶片的前沿和后沿之间延伸的其摆振方向是大体竖直的。为了使试验加载更能代表操作负载，可沿着叶片长度定位附加的小配重，以提供理想的弯矩分布，该弯矩分布复制了此叶片在使用期间经历的弯矩分布。

已知将地面支撑的液压制动器固定到叶片并且通过将液压致动器沿着线性路径往复运动来在挥舞方向或摆振方向上激励叶片。然而，这些布置可约束叶片的移动，从而难以代表疲劳试验期间的实际加载。还已知通过将旋转或往复运动质量块安装在叶片上来施加循环负载，该质量块在致动器的作用下以叶片的谐振频率旋转或往复运动。在提供叶片的有效驱动的同时，此布置可过度限制叶片的移动，从而防止任何移动偏离单纯的摆振/挥舞方向。

因此，将期望提供改进了驱动并且更能代表实际加载状况的对风轮机叶片进行疲劳试验的设备和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种对风轮机叶片进行疲劳试验的设备，该设备包括：基部，所述基部用于支撑所述风轮机叶片的第一端，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平；以及摆振致动器组件，所述摆振致动器组件包括地面支撑的摆振致动器和用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的柔性线缆组件。所述摆振致动器和所述柔性线缆组件适于通过将所述叶片在大体水平方向上反复拉动而将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转。

利用该布置，所述摆振致动器组件没有将所述叶片刚性限制于在疲劳试验期间沿着任何一条或多条特定路径移动。替代地，所述柔性线缆组件允许所述叶片表现出如同它在操作期间中一样的扭转和其他移动。这样使得能够进行更具代表性的试验。

如本文中使用的，术语“线缆”是指任何合适的细长、柔性连接构件，例如，线缆、线材、绳索、链条、带、条带、环索、皮带、吊索或其任何组合。

如本文中使用的，术语“柔性”用于意指线缆容易弯曲而不发生断裂。包括能沿着其长度延伸的线缆，例如，弹性线缆以及大体不可延伸的线缆。

如本文中使用的，术语“地面支撑的”是指被支撑在直接或经由一个或更多个中间元件间接地相对于设备基部固定的表面上的部件。这包括(但不限于)被地面支撑的部件。

所述柔性线缆组件可包括单个长度的线缆，所述线缆的一个端部附接于所述摆振致动器并且另一个端部适于连接到所述叶片。优选地，以束带的方式，所述柔性线缆组件包括用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的压力侧的第一线缆部分和用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的吸力侧的第二线缆部分。利用该布置，所述柔性线缆组件可连接到所述叶片的任一侧，以提供更均匀的负载施加。还允许所述柔性线缆组件与作为叶片轮廓在结构上最强的部分的内部负载承载结构相邻地附接到所述叶片的压力侧和吸力侧，而不会引起如果所述柔性线缆组件附接到这些侧中的仅一侧则原本会出现的过大扭转。

所述第一线缆部分和第二线缆部分可由不同长度的线缆形成。在这些实施方式中，所述不同长度的线缆可独立连接到所述摆振致动器，或者彼此连接并且一起连接到所述摆振致动器。优选地，所述柔性线缆组件包括形成所述第一线缆部分和所述第二线缆部分二者的第一长度的线缆。这样提供了更简单的设备。

所述柔性线缆组件可直接或间接地连接到所述摆振致动器。在如以上讨论的所述柔性线缆组件包括形成第一线缆部分和第二线缆部分二者的第一长度的柔性线缆的情况下，所述第一长度的线缆可连接到所述摆振致动器，使得所述第一线缆部分和第二线缆部分的相对长度是固定的。另选地，所述第一长度的线缆可经由诸如可滑动护套、环或平衡杆的中间部件连接到所述摆振致动器，所述中间组件允许所述第一线缆部分和第二线缆部分的相对长度变化。优选地，所述柔性线缆组件还包括与所述摆振致动器连接的滑轮，并且其中，所述第一长度的线缆围绕所述滑轮延伸，使得所述第一长度的线缆被所述滑轮划分成所述第一线缆部分和第二线缆部分。所述滑轮提供了简单装置，相应长度的第一线缆部分和第二线缆部分可在试验期间随着叶片的振荡而变化，以平衡所述第一线缆部分和第二线缆部分之间的张力，从而减少所述叶片的扭转或急拉。

所述滑轮可直接地或间接地连接到所述摆振致动器。例如，所述滑轮可经由可以是刚性或柔性的一个或更多个中间部件而间接地连接到所述摆振致动器。在某些实施方式中，所述柔性线缆组件包括第二长度的柔性线缆，所述滑轮通过所述第二长度的柔性线缆连接到所述摆振致动器。

所述滑轮可被悬挂在所述第一长度的柔性线缆和所述摆振致动器之间，而没有与地面或地表面接触。另选地，所述滑轮可例如通过沿着所述地表面滑动而被安装在诸如能相对于地表面移动的支撑框架或臂的可移动结构上。优选地，所述滑轮被安装在可移动臂上，所述可移动臂枢转地附接到地表面。这样提供了当被所述摆振致动器拉动时允许所述滑轮相对于所述叶片移动的简单结构，以保持所述第一长度的柔性线缆中的张力。枢轴可包括诸如抗扭弹簧的一个或更多个弹簧元件，所述一个或更多个弹簧元件被布置成将所述可移动臂返回直立位置。

所述滑轮沿着所述可移动臂的长度的位置可以是固定的。优选地，所述滑轮能沿着所述可移动臂的长度的至少一部分选择性移动，以改变所述滑轮相对于所述叶片的竖向位置。有利地，这样允许所述滑轮的位置在试验之前变化，但是在试验期间相对于所述可移动臂是固定的。这样允许加载方向被调节成更准确地代表实际操作负载，并且由于滑轮位置在试验期间是固定的，因此确保了在振荡之间，加载方向不会显著改变。通过选择性移动所述滑轮的位置，还允许精细调节加载方向。例如，已发现，通过以略小的角度施加负载，允许使某些不期望的更高阶振荡最小化。

所述设备可被布置成只在所述摆振方向上执行疲劳试验。另选地，所述基部可被布置成在试验之间允许所述叶片围绕其纵轴旋转，使得所述摆振致动器组件可用于连续地执行摆振疲劳试验和挥舞疲劳试验两者。在某些实施方式中，所述设备可包括安装在叶片上的诸如由叶片安装致动器驱动的旋转或往复运动质量块的挥舞致动器。优选地，所述设备还包括挥舞致动器组件，所述挥舞致动器组件包括地面支撑的挥舞致动器，所述地面支撑的挥舞致动器被布置成将所述叶片相对于所述基部在挥舞方向上循环偏转。因具有地面支撑的致动器而非叶片安装致动器，在试验设置期间提供更大自由度，以精细调节附加配重的位置来更准确地代表操作加载状况。这样还允许较大负载被施加到所述叶片。

优选地，所述挥舞致动器包括诸如液压、气动或电致动器的线性致动器，所述线性致动器的一个端部枢转地附接到地表面并且另一个端部具有枢轴，所述枢轴用于枢转地附接到所述叶片。利用大叶片，将所述叶片在所述挥舞方向上振荡所需的力可比将所述叶片在所述摆振方向上振荡所需的力大得多，这至少部分是由于所述叶片在所述挥舞方向上承受的气动阻尼。线性致动器具有高负载能力，从而允许所述设备成功地克服所述叶片在所述挥舞方向上承受的气动阻尼力。

所述摆振致动器组件和所述挥舞致动器组件(如果存在的话)可在使用期间通过任何合适的装置(例如，使用一个或更多个孔眼或螺纹螺栓)附接到所述叶片。优选地，所述设备还包括负载框架，所述摆振致动器组件和/或所述挥舞致动器组件通过所述负载框架能附接于所述叶片，所述负载框架包括至少一个附加配重，用于在疲劳试验期间模拟所述叶片上的操作加载状况。利用该布置，所述框架将偏转力遍及叶片轮廓，而非具有点负载，并且将配置整合到所述负载框架中导致所述设备被简化。在一个特定实施方式中，所述负载框架包括通过框架螺栓连接的压力侧框架元件和对向的吸力侧框架元件，所述框架螺栓贯穿所述叶片的压力侧和吸力侧中的钻孔。所述压力侧框架元件和所述吸力侧框架元件沿着所述叶片的至少部分宽度延伸并且优选地符合所述叶片的轮廓外形。在替代实施方式中，所述负载框架可形成包围所述叶片的罩。所述至少一个附加配重可与所述负载框架形成一体，或者通过任何合适的方法(例如，通过胶合)附接到所述负载框架。

根据本发明的第二方面，提供了一种对风轮机叶片进行疲劳试验的系统，该系统包括根据任何上述实施方式所述的设备和待试验的风轮机叶片，其中，所述风轮机叶片的第一端被所述设备的所述基部支撑，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平，并且其中，所述摆振致动器组件的柔性线缆装置在远离所述叶片的所述第一端的位置处附接到所述叶片。优选地，所述叶片的所述第一端对应于所述叶片的根端。

所述叶片可被保持在所述基部中，使得所述叶片的压力侧面向上或面向下。优选地，所述叶片被保持在所述基部中，使得所述叶片的压力侧面向上并且吸力侧面向下。在风轮机操作期间，平均挥舞加载往往会朝向所述吸力侧。因此，保持所述叶片使得其吸力侧面向下可提供更具代表性的试验，因为重力将朝向所述叶片的所述吸力侧作用，从而造成试验期间的平均加载还向着所述叶片的所述吸力侧作用。

所述系统可被布置成，使得所述摆振致动器组件向着所述前沿或所述后沿拉动。优选地，所述系统被布置成，使得所述摆振致动器向着所述前沿拉动。在风轮机操作期间，平均加载的方向往往会朝向所述前沿，因为这是气动升力的方向。因此，将所述系统以这种方式布置可提供更具代表性的试验。

所述柔性线缆组件可被附接于所述叶片的沿着所述叶片的长度的一个或多个任何合适位置处。例如，所述柔性线缆组件可附接成靠近所述叶片的所述第一端，或者处于或朝向所述叶片的所述梢端。在所述柔性线缆组件朝向所述叶片的所述第一端附接的情况下，需要较小的位移和较大的力，而在所述柔性线缆朝向所述叶片的所述梢端附接的情况下，需要较大的位移和较小的力。所述柔性线缆组件的最佳附接位置因此是致动器所需的力和位移之间的平衡。对于不同叶片而言，这可根据叶片的刚度及其振动行为而变化，并且还可取决于致动器的特性和性能。

在所述系统包括摆振致动器组件和挥舞致动器组件的情况下，所述摆振致动器组件和挥舞致动器组件可沿着所述叶片的长度附接于所述叶片上的同一位置。优选地，所述挥舞致动器组件和所述摆振致动器组件附接到叶片的不同位置处。因为所述摆振致动器组件和挥舞致动器组件的最佳附接位置是致动器所需的力和位移之间的平衡，所以将所述摆振致动器组件和挥舞致动器组件附接到不同位置允许独立地选择每个致动器组件的最佳位置。

所述系统可包括一个摆振致动器组件，或者包括沿着所述叶片的长度附接并且一起将所述叶片偏转的任何合适数量的摆振致动器组件。另选地或另外地，所述系统可包括一个挥舞致动器组件，或者包括沿着所述叶片的长度附接并且一起将所述叶片偏转的任何合适数量的挥舞致动器组件。

根据本发明的第三方面，提供了一种对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，该方法包括以下步骤：将风轮机叶片的第一端支撑于基部中，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平；使用柔性线缆组件将所述叶片连接到地面支撑的摆振致动器；以及通过用所述摆振致动器产生循环偏转力并且用所述柔性线缆组件将所述叶片在大体水平方向上反复拉动，而将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转。

如以上针对本发明的设备描述的，利用根据本发明的方法，所述叶片不被刚性限制于在所述摆振致动器组件的作用下沿着任何特定的一条或多条路径移动。替代地，所述柔性线缆组件允许所述叶片表现出如它将在操作期间一样的扭转和其他移动。这样使得能够进行更具代表性的试验。

所述柔性线缆组件可连接到所述叶片的任何合适部分和沿着所述叶片的长度的任何合适位置处。所述柔性线缆组件可包括在所述叶片和所述摆振致动器之间延伸的单个长度的线缆。优选地，所述柔性线缆组件包括第一线缆部分和第二线缆部分，并且其中，通过以束带的方式将所述第一线缆部分连接到所述叶片的压力侧并且将所述第二线缆部分连接到所述叶片的吸力侧来执行将所述叶片连接到所述摆振致动器的步骤。有利地，这样在疲劳试验期间向所述叶片提供了更均衡的负载应用。这还确保了所述柔性线缆组件与作为叶片轮廓在结构上最强的部分的内部负载承载结构相邻地附接，而没有引起如果所述柔性线缆组件只附接到压力侧或吸力侧中的一个则原本会出现的过大扭转。

优选地，所述柔性线缆组件包括形成所述第一线缆部分和所述第二线缆部分二者的第一长度的线缆。这样提供了更简单的布置。

优选地，所述柔性线缆组件还包括与所述摆振致动器连接的滑轮，所述第一长度的线缆围绕所述滑轮延伸，使得所述第一长度的线缆被所述滑轮划分成所述第一线缆部分和第二线缆部分，并且其中，通过将循环偏转力传输到所述滑轮以将所述滑轮在所述摆振方向上往复拉动来执行将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转的步骤。利用该布置，相应长度的第一线缆部分和第二线缆部分能够在试验期间随着所述叶片的振荡而变化，以平衡施加到所述叶片的压力侧和吸力侧的张力，从而减少所述叶片在试验期间的扭转或急拉。

可由所述摆振致动器在任何合适的频率下产生循环偏转力。优选地，由所述摆振致动器以所述叶片的摆振谐振频率或大体以所述叶片的摆振谐振频率(例如，以所述叶片的第一摆振谐振频率或第二摆振谐振频率)产生循环偏转力。通过以摆振谐振频率偏转所述叶片，由于所述叶片激励，偏转所述叶片所需的力远小于其他频率下所需的力，从而减小了试验的能量要求和所述摆振致动器所需的负载能力。执行试验时所处的摆振谐振频率取决于所述叶片的特性，但通常在0.6至1Hz的区间内，更特别地，大约0.8Hz。

可执行该方法，使得只在所述摆振方向上对叶片进行疲劳试验。另选地，通过在试验之间通过将所述叶片围绕其纵轴旋转，可使用所述摆振致动器组件在摆振方向和挥舞方向上对所述叶片连续地进行疲劳试验。优选地，该方法还包括以下步骤：(i)在远离所述叶片的所述第一端的位置处将挥舞致动器组件附接到所述叶片，所述挥舞致动器组件包括地面支撑的挥舞致动器；以及(ii)通过用所述地面支撑的挥舞致动器产生挥舞循环偏转力并且将所述挥舞循环偏转力传输到所述叶片，而将所述叶片相对于所述基部在所述挥舞方向上循环偏转。

可由所述挥舞致动器以任何合适的频率产生所述循环偏转力。优选地，以所述叶片的挥舞谐振频率或大体以所述叶片的挥舞谐振频率产生所述挥舞循环偏转力。如以上针对摆振谐振频率提到的，将所述叶片以挥舞谐振频率偏转意味着，偏转所述叶片所需的力远小于其他频率下所需的力，从而减少试验的能量要求和所述挥舞致动器所需的负载能力。执行试验时所采用的挥舞谐振频率取决于所述叶片的特性，但通常在0.35至0.65Hz的区间内，更特别地，大约0.5Hz。可以大体相同的频率或不同频率产生所述摆振循环偏转力和所述挥舞循环偏转力。

可连续地执行将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转的步骤和将所述叶片相对于所述基部在所述挥舞方向上循环偏转的步骤。优选地，同时执行将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转的步骤和将所述叶片相对于所述基部在所述挥舞方向上循环偏转的步骤。这样减少了执行叶片疲劳试验所花费的时间。另外，由于叶片将在风轮机操作期间经历同时的挥舞偏转和摆振偏转，因此试验可更能代表操作载荷状况。

附图说明

现在，将仅以举例的方式并且参照附图来进一步描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的试验设备的第一示例的示意性俯视图，示出的是设备附接到风轮机叶片；

图2是图1的试验设备的示意性侧视图；

图3是通过图1中的线3-3截取的示意性剖视图；

图4是根据本发明的试验设备的第二示例的示意性俯视图，示出的是设备附接到风轮机叶片；

图5是图4的试验设备的示意性侧视图；以及

图6是通过图4中的线6-6截取的示意性剖视图。

具体实施方式

图1至图3示出了对设备100所附接的风轮机叶片10进行疲劳试验的第一试验设备100。风轮机叶片10具有根端12和对向的梢端14。在根端12和梢端14之间的是翼型区域，翼型区域具有异形轮廓，包括压力侧16和吸力侧18以及前沿20和后沿22。摆振方向24在前沿20和后沿22之间延伸。因为叶片10的形状在根端12和梢端14之间扭转，摆振方向24可沿着叶片10的长度改变。

试验设备100包括基部110和摆振致动器组件120。基部110包括固定支撑结构，该固定支撑结构安装在设备100的地表面105上(诸如，安装在地板中的钢轮毂)，并且在固定支撑结构上设置有用于固定地支撑叶片10的根端12的刚性安装件(未示出)上。如图2和图3中所示，叶片10由基部110支撑，使得叶片10的摆振方向24和纵轴26大体水平，并且使得叶片10的压力侧16面向上而叶片10的吸力侧18面向下。刚性安装件可包括任何合适的连接装置。例如，刚性安装件可包括多个螺纹螺栓，这些螺纹螺栓从支撑结构延伸，旋入叶片10的根端12处的对应螺纹螺栓孔(未示出)中。

摆振致动器组件120包括摆振致动器130和柔性线缆组件140，柔性线缆组件140将摆振致动器130经由第一负载框架160连接到叶片10，如下所述。

在本示例中，摆振致动器130包括线性致动器，线性致动器具有气缸132和能在气缸132内滑动的活塞134。然而，摆振致动器可包括任何合适的致动器，例如，旋转致动器。摆振致动器130通过气缸132所附接的枢轴136铰接于设备100的地表面105。在图3中，活塞134被示出为处于中间冲程位置，即，完全缩回位置和完全伸长位置之间的中途。在该位置，柔性线缆组件140在张力下，而叶片10没有偏转。

柔性线缆组件140包括与叶片10连接的第一长度的柔性线缆或线缆束带142、与摆振致动器130连接的第二长度的柔性线缆144以及定位在束带142和第二长度的柔性线缆144之间的滑轮机构146。

滑轮机构146包括安装在可移动臂150上的滑轮148。可移动臂150从地表面105向上延伸并且通过枢轴152铰接于地表面105。滑轮148可通过可调支柱154可旋转地附接于可移动臂150，可调支柱154附接于沿着可移动臂150的长度的位置H。在该示例中，可调支柱154包括锁定销(未示出)，锁定销与沿着可移动臂150的长度布置的一个或更多个对应的调节孔(未示出)接合。可通过以下步骤来选择性调节沿着臂150长度的滑轮148的位置H：从可移动臂150中去除锁定销，将支柱154移至新位置使其与调节孔相邻，并且将锁定销插入调节孔中的新位置处。然而，可使用任何合适的调节机构将滑轮148可旋转地附接于臂150。

束带142绕着滑轮148延伸并且被滑轮148划分成第一线缆部分156和第二线缆部分158。如以下讨论的，使用第一负载框架160，在束带142的第一端将第一线缆部分156连接至叶片10的压力侧16，并且在束带142的第二端将第二线缆部分158连接至叶片10的吸力侧18。

第一负载框架160包括通过框架螺栓166连接的压力侧框架元件162和吸力侧框架元件164，框架螺栓166贯穿叶片10的压力侧16和吸力侧18中的钻孔。压力侧框架元件162和吸力侧框架元件164横跨叶片的部分宽度延伸并且符合叶片10的轮廓外形。压力侧框架元件162和吸力侧框架元件164均包括一个或更多个线缆安装点(未示出)，束带142的第一部分156和第二部分158在张力下通过线缆安装点附接。第一负载框架160还包括附加配重168，附加配重168被胶合于压力侧框架元件162，以模拟操作负载。附加配重168可替代地附接于吸力侧框架元件164，或设备的另一个部分，或叶片本身。另外的附加配重(未示出)还可附接于第一负载框架160或者在其他位置直接或间接地附接于叶片10。

第一负载框架160附接于叶片10，与叶片10的根端12相隔距离L1。如以上讨论的，摆振致动器组件120的最佳附接位置取决于叶片的刚度和振动特性以及致动器本身的特性。

第二长度的柔性线缆144其第一端被固定附接于可移动臂150，并且其第二端固定附接于地面支撑的摆振致动器130的活塞134。第二长度的柔性线缆144因此在摆振致动器130和滑轮机构146之间延伸。

在使用中，活塞134在诸如液压或气动泵的致动器驱动装置(未示出)或电源的作用下相对于气缸132往复运动，以生成借助柔性线缆组件140传输到叶片的循环偏转力。在每个周期期间，在致动器驱动装置的作用下，活塞134交替地缩回离开滑轮机构146并且向着滑轮机构146延伸。

在每个缩回冲程期间，如图3中的箭头R所指示的，活塞134拉动第二长度的柔性线缆144，以将臂150向着摆振致动器130枢转。当臂150向着摆振致动器130枢转时，滑轮148在摆振方向上远离叶片10移动，并且拉动束带142的第一线缆部分156和第二线缆部分158，以将叶片10在摆振方向上偏转。允许相应长度的第一线缆部分156和第二线缆部分158通过在滑轮148之上移动进行调节，以平衡第一线缆部分156和第二线缆部分158二者中的张力。以这种方式，叶片10可围绕其纵轴扭转并且在挥舞方向上移动，而没有受柔性线缆组件140刚性限制。

在每个伸长冲程期间，活塞134向着滑轮机构移动，直到它到达其完全伸长位置。当束带142和第二长度的线缆144为柔性时，叶片10自由地返回其未偏转位置，而是在其自身刚度的作用下远离致动器在摆振方向上偏转。如同叶片10在每个缩回冲程期间叶片10的偏转一样，叶片10可围绕其纵轴扭转并且在挥舞方向上移动，而刚性没有受柔性线缆组件140限制。

在启动时，摆振致动器130所生成的循环偏转力从0开始稳定地增加，直到它在叶片的摆振谐振频率下达到其操作频率，在试验的持续时间内，保持处于该操作频率。摆振谐振频率的值取决于叶片的特性并且通常在0.6至1.0Hz的区间内，更特别地，是大约0.8Hz。结果，叶片被激励并且朝向和远离摆振致动器在摆振方向上偏转，尽管事实是只向着摆振致动器施加循环偏转力。叶片的激励产生比被摆振致动器施加到叶片的偏转负载大得多的弯曲负载。循环偏转力只被施加用于启动并保持激励状态。

以这种方式，叶片10在摆振方向上循环偏转，如图3中的箭头E所指示的，但能够在试验期间在其他方向上扭转和移动。因此，设备100可对叶片10施加更能代表实际操作状况的应力和应变。

图4至图6示出第二试验设备200，第二试验设备200用于对设备200所附接的风轮机叶片10进行疲劳试验。试验设备200与图1至图3中示出的试验设备100类似。然而，除了摆振致动器组件220之外，试验设备200还包括用于将叶片10在挥舞方向上循环偏转的挥舞致动器组件270。

挥舞致动器组件270包括挥舞致动器280和第二负载框架290，第二负载框架290连接到挥舞致动器280和叶片10。

挥舞致动器280包括具有气缸282的线性致动器和能在气缸282内滑动的活塞284。挥舞致动器280其一个端部通过气缸282所附接的第一枢轴铰接于地表面205，并且其另一个端部通过活塞284所附接的第二枢轴铰接于负载框架290。在图4和图5中，活塞284被示出为处于中间冲程位置，即，完全缩回位置和完全伸长位置之间的中途。在该中间冲程位置，叶片10没有在挥舞致动器280的作用下偏转。

如同第一负载框架260一样，第二负载框架290包括通过框架螺栓296连接的压力侧框架元件292和吸力侧框架元件294，框架螺栓296贯穿叶片10的压力侧16和吸力侧18中的钻孔。压力侧框架元件292和吸力侧框架元件294横跨叶片的部分宽度延伸并且符合叶片10的轮廓外形。吸力侧框架元件294包括安装点(未示出)，挥舞致动器280通过第二枢轴借助所述安装点枢转地附接至第二负载框架290。第二负载框架290还包括附加配重298，附加配重298被胶合于压力侧框架元件292，以模拟操作负载。附加配重298可替代地附接于吸力侧框架元件294，或设备的另一部分，或叶片本身。另外的附加配重(未示出)还可附接于第一负载框架260、第二负载框架290或者在其他位置直接或间接地附接于叶片10。

第二负载框架290附接于叶片10，与叶片10的根端12相隔距离L2。如同摆振致动器230一样，挥舞致动器280的最佳附接位置取决于叶片的刚度和振动特性以及致动器本身的特性。在该示例中，L2大于L1，使得相比于摆振致动器组件220，挥舞致动器组件270附接于叶片的更靠近梢端14处。

在使用中，如同第一试验设备100一样，第二试验设备200的摆振致动器230的活塞234相对于气缸232往复运动，以在每个缩回冲程期间生成循环偏转力(如图6中的箭头R所指示的)，以将叶片10在摆振方向上向着摆振致动器230拉动。允许相应长度的第一线缆部分256和第二线缆部分258通过在滑轮248之上移动进行调节，以平衡第一线缆部分256和第二线缆部分258二者中的张力。如同第一设备100一样，在摆振致动器230的每个伸长冲程期间，叶片10自由地返回其未偏转位置，并且在其自身刚度的作用下远离致动器在摆振方向上偏转。以这种方式，叶片10在摆振方向上循环偏转，如图6中的箭头E所指示的，并且自由地围绕其纵轴扭转，而没有受柔性线缆组件240刚性限制。

同时，挥舞致动器280的活塞284在诸如液压或气动泵的挥舞致动器驱动装置(未示出)或电源的作用下相对于气缸284往复运动，以生成传输到叶片的循环挥舞偏转力。在挥舞致动器280的每次往复运动期间，在挥舞致动器驱动装置的作用下，活塞284交替地缩回离开叶片10并且向着叶片10伸长，以使叶片10相对于基部210在挥舞方向上循环偏转，如图6中的箭头F所指示的。

在启动时，摆振致动器230所生成的摆振循环偏转力从0开始稳定地增加，直到它在叶片的摆振谐振频率下达到其操作频率，在试验的持续时间内，保持处于该操作频率。摆振谐振频率的值取决于叶片的特性并且通常在0.6至1.0Hz的区间内，更特别地，是大约0.8Hz。

同时，挥舞致动器280所生成的挥舞循环偏转力从0开始稳定地增加，直到它在叶片的挥舞谐振频率下达到其操作频率，在试验的持续时间内，保持处于该操作频率。挥舞谐振频率的值取决于叶片的特性并且通常在0.35至0.65Hz的区间内，更特别地，是大约0.5Hz。结果，叶片在挥舞方向上被挥舞致动器激励并且在摆振方向上被摆振致动器激励。

以这种方式，叶片10同时循环地在摆振方向和挥舞方向二者上偏转。这样允许同时执行摆振和挥舞疲劳试验，从而减少执行叶片疲劳试验所需的时间。另外，当摆振致动器230通过柔性线缆组件240附接到叶片10并且挥舞致动器280枢转地附接到叶片10和地表面205二者时，叶片10能够扭转并且相比于对比试验期间更自由地移动。因此，设备200可在试验期间对叶片10施加更能代表实际操作状况的应力和应变。

在以上两个实施方式中，通过改变摆振致动器和柔性线缆组件以适合通过施加大体水平的力在摆振方向上偏转叶片，可在叶片被支撑为其摆振方向大体水平的情况下执行摆振疲劳试验。在该位置，前沿和后沿处的峰值应变值更低且更能代表负载和R值，R值是相比于其中叶片摆振方向大体竖直的传统设备在操作期间承受的最小应力与最大应力的比率。这样提高了试验结果的准确性并且减少了当计算预期疲劳寿命时对材料数据外推的依赖性。这样还可减少叶片的“过度设计”，不再试图防止在边沿应变较高的不太具有代表性的试验期间可能会出现的边沿翘曲。不仅正在试验的叶片的峰值应变值较小，而且试验设备承受的平均负载和峰值力矩也较小，从而导致试验设备部件的磨损较低。这样可延长试验设备的寿命并且减少维修要求。

应该理解，在不脱离随附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员将想到，对上述实施方式可以进行各种修改。

Claims (18)

1.一种对风轮机叶片进行疲劳试验的设备，该设备包括：

基部，所述基部用于支撑所述风轮机叶片的第一端，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平；以及

摆振致动器组件，所述摆振致动器组件包括地面支撑的摆振致动器和用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的柔性线缆组件，

其中，所述摆振致动器和所述柔性线缆组件适于通过将所述叶片在大体水平方向上反复拉动来将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述柔性线缆组件包括用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的压力侧的第一线缆部分和用于将所述摆振致动器连接到所述叶片的吸力侧的第二线缆部分。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述柔性线缆组件包括形成所述第一线缆部分和所述第二线缆部分二者的第一长度的线缆。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述柔性线缆组件还包括与所述摆振致动器连接的滑轮，并且其中，所述第一长度的线缆围绕所述滑轮延伸，使得所述第一长度的线缆被所述滑轮划分成所述第一线缆部分和第二线缆部分。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述滑轮安装在可移动臂上，所述可移动臂枢转地附接到地表面。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述滑轮能沿着所述可移动臂的长度的至少一部分选择性移动，以改变所述滑轮相对于所述叶片的竖向位置。

7.根据前述任一权利要求所述的设备，该设备还包括挥舞致动器组件，所述挥舞致动器组件包括地面支撑的挥舞致动器，所述地面支撑的挥舞致动器被布置成将所述叶片相对于所述基部在挥舞方向上循环偏转。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述挥舞致动器包括线性致动器，所述线性致动器的一个端部枢转地附接到地表面并且另一个端部具有枢轴，所述枢轴用于枢转地附接到所述叶片。

9.根据权利要求7所述的设备，该设备还包括负载框架，所述摆振致动器组件和/或所述挥舞致动器组件通过所述负载框架能附接到所述叶片，所述负载框架包括至少一个附加配重，以在疲劳试验期间模拟所述叶片上的操作加载状况。

10.一种对风轮机叶片进行疲劳试验的系统，该系统包括根据前述任一权利要求所述的设备和待试验的风轮机叶片，其中，所述风轮机叶片的第一端被所述设备的所述基部支撑，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平，并且其中，所述摆振致动器组件的所述柔性线缆组件在远离所述叶片的所述第一端的位置处附接到所述叶片。

11.一种对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，该方法包括以下步骤：

将风轮机叶片的第一端支撑于基部中，使得所述叶片的纵轴和摆振方向二者大体水平；

使用柔性线缆组件将所述叶片连接到地面支撑的摆振致动器；以及

通过用所述摆振致动器产生循环偏转力并且用所述柔性线缆组件将所述叶片在大体水平方向上反复拉动，而将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转。

12.根据权利要求11所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，所述柔性线缆组件包括第一线缆部分和第二线缆部分，并且其中，通过将所述第一线缆部分连接到所述叶片的压力侧并且将所述第二线缆部分附接到所述叶片的吸力侧来执行将所述叶片连接到所述摆振致动器的步骤。

13.根据权利要求12所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，所述柔性线缆组件包括形成所述第一线缆部分和所述第二线缆部分二者的第一长度的线缆。

14.根据权利要求13所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，所述柔性线缆组件还包括与所述摆振致动器连接的滑轮，所述第一长度的线缆围绕所述滑轮延伸，使得所述第一长度的线缆被所述滑轮划分成所述第一线缆部分和第二线缆部分，并且其中，通过将所述循环偏转力传输到所述滑轮以将所述滑轮在大体水平方向上往复拉动来执行将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转的步骤。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，由所述摆振致动器以所述叶片的摆振谐振频率或大体以所述叶片的摆振谐振频率产生所述循环偏转力。

16.根据权利要求11所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，该方法还包括以下步骤：

在远离所述叶片的所述第一端的位置处将挥舞致动器组件附接到所述叶片，所述挥舞致动器组件包括地面支撑的挥舞致动器；以及

通过用所述地面支撑的挥舞致动器产生挥舞循环偏转力并且将所述挥舞循环偏转力传输到所述叶片，而将所述叶片相对于所述基部在所述挥舞方向上循环偏转。

17.根据权利要求16所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，以所述叶片的挥舞谐振频率或大体以所述叶片的挥舞谐振频率产生所述挥舞循环偏转力。

18.根据权利要求16或17所述的对风轮机叶片进行疲劳试验的方法，其中，同时执行将所述叶片相对于所述基部在所述摆振方向上循环偏转的步骤和将所述叶片相对于所述基部在所述挥舞方向上循环偏转的步骤。

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