CN109578223A - 一种用于测试叶片的刚度的装置以及相应测试方法 - Google Patents

一种用于测试叶片的刚度的装置以及相应测试方法 Download PDF

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解晓伟
M·德斯蒙德
王宇
S·乔拿拉加达
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Abstract

本发明涉及一种用于测试叶片的刚度的装置,包括:叶片支承装置,其被配置为在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片;起吊装置,其被配置为在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷,其中所述起吊装置具有用于测量所述载荷的载荷传感器;测量装置,其被配置为测量待测试叶片在载荷下的形变量;以及控制器,其被配置为根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。通过该装置和/或该方法,可以在不移动风机叶片的情况下对风机的刚度进行精确的测量,同时,本发明的装置或方法结构简单、易于操作、可重复性强。

Description

一种用于测试叶片的刚度的装置以及相应测试方法
技术领域
本发明总的来说涉及风力发电领域,具体而言涉及一种用于测试叶片的刚度的装置。此外,本发明还涉及一种用于测试叶片的刚度的方法。
背景技术
近年来,清洁能源领域呈现出快速发展的趋势。作为清洁能源的代表,风力发电机的应用日益增长。
风力发电机的叶片是风力发电机的重要组件,其质量直接关系到设备安全和发电效率。而风力发电机的叶片的刚度(或称刚性)又是叶片质量的一个重要指标,其可靠性直接影响叶片寿命和风力发电机的安全运行。例如,在叶片刚度不足的情况下,叶片可能在受力较大时发生过度弯曲进而击中塔架,或者发生叶片折断、破损,从而导致叶片的预期寿命显著降低。
此外,风机叶片的尺寸一般较大,因此如何在不来回移动叶片的情况下如何对叶片进行有效的刚度测量是一个挑战。例如,兆瓦级风力发电机的叶片展长可超过50m,最长的可达80m,因此如果为了进行测量而移动这样大的叶片,则会显著增加测量成本。
目前,需要一种有效地测量叶片的刚度的手段。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于测试叶片的刚度的装置和方法,通过该装置和/或该方法,可以在不移动风机叶片的情况下对风机的刚度进行精确的测量,同时,本发明的装置或方法结构简单、易于操作、可重复性强。
在本发明的第一方面,该任务通过一种用于测试叶片的刚度的装置,该装置包括:
叶片支承装置,其被配置为在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片;
起吊装置,其被配置为在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷,其中所述起吊装置具有用于测量所述载荷的载荷传感器;
测量装置,其被配置为测量待测试叶片在载荷下的形变量;以及
控制器,其被配置为根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。
在此应当指出,本发明尽管是以风机的叶片为例进行阐述的,但是本发明不限于此,而是还可以应用于其它叶片、如其它大型机械或大型设施的叶片。
在本发明的一个优选方案中规定,第一部位是待测试叶片的叶根;和/或
第二部位是待测试叶片的叶尖。
通过该优选方案,可以确保叶片在所施加的试验载荷下不发生损伤,由此保证测试过程的安全性。但是应当指出,其它叶片部位也是可设想的。
在本发明的另一优选方案中规定,该装置还包括随型支承架,其被配置为在第一部位与第二部位之间的第三部位处支承待测试叶片,使得待测试叶片不接触地面。通过该优选方案,可以保证叶片在试验过程中不接触地面,从而保证测试的精度和安全性。第三部位例如可以根据叶片的重心在第一部位与第二部位之间调整。
在本发明的又一优选方案中规定,所述叶片支承装置包括翻转车,所述翻转车被配置为在测试过程中使叶片翻转。通过该优选方案,可以使得在测量期间转动叶片以调整叶片姿态,从而提供更多测量角度和测量数据,由此使测量更加精确。在此应当指出,在本发明的教导下,其它旋转装置也是可设想的,例如中空转轮,其中叶片被布置在中空部位。此外,叶片的姿态调整可以通过人工摆放或人工转动来完成。
在本发明的另一优选方案中规定,起吊装置包括:
一个或多个吊带,其一端被配置为能够连接待测试叶片,另一端与载荷传感器连接;
一个或多个载荷传感器,其一端与吊带连接并且另一端连接到吊梁;
吊梁,其被配置为将所述一个或多个载荷传感器与天车连接;以及天车,其被配置为对待测试叶片进行起吊以施加载荷。
通过该优选方案,可以简化装置的结构并且提供较好的力传导,从而使测量更精确。载荷传感器的数目和吊带的数目例如可以对应的。载荷传感器的数目例如为2,并且传感器读数为两个载荷传感器的读数的之和。在两个载荷传感器的情况下,可以达到传感器数目和精确度之间的良好折中。其它传感器数目也是可设想的。
在本发明的一个扩展方案中规定,所述测量装置包括:
位移传感器,其被配置为测量叶片与支承装置之间的距离和/或叶片与随型支承架之间的距离;以及
倾角仪,其被配置为测量叶根的倾角。
通过该扩展方案,可以有效地测量叶片在载荷下的形变量。其它形变量也是可以设想的,只要根据所述形变量能够计算出叶片的刚度。
在本发明的另一扩展方案中规定,所述控制器还被配置为以所述载荷和所述形变量为输入执行有限元分析。通过有限元分析,可以对叶片进行精确建模,从而较准确地计算出叶片的刚度数据。所述形变量例如包括叶根的倾角和叶片与支承装置之间的距离和/或叶片与随型支承架之间的距离。
在本发明的又一扩展方能中规定,所述控制器还被配置为执行下列动作:
确定所确定的刚度与刚度额定值的比例;以及
在所述比例大于或等于91%时输出表示刚度合格的信号。
通过该扩展方案,可以保证叶片的刚度满足使用需要。
在本发明的第二方面,前述任务通过一种用于测试叶片的刚度的方法来解决,该方法包括:
在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片;
在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷;
测量所述载荷;
测量待测试叶片在载荷下的形变量;以及
根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。
在本发明的一个扩展方案中规定,根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度包括:
以所述载荷和所述形变量为输入执行有限元分析以确定叶片的刚度。通过有限元分析,可以对叶片进行精确建模,从而较准确地计算出叶片的刚度数据。
本发明至少具有下列有益效果:(1)本发明的装置或方法具有装置简单、容易操作、可重复性强的特点;(2)本发明的测量过程例如可以在叶片生产后直接在处理车间中完成,因此无需来回挪动叶片,从而降低测试成本;(3)本发明采用的悬挂式测量方案的结果精度高,易于分析。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的用于测试叶片的刚度的装置的示意图;以及
图2示出了根据本发明的用于测试叶片的刚度的方法的流程。
具体实施方式
应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。在各附图中,给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在此还应当指出,本发明尽管是以风机的叶片为例进行阐述的,但是本发明不限于此,而是还可以应用于其它叶片、如其它大型机械或大型设施的叶片。
在本发明中,除非特别指出,“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。
在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。
图1示出了根据本发明的用于测试叶片的刚度的装置100的示意图。
如图1所示,根据本发明的用于测试叶片的刚度的装置100包括叶片支承装置102,其被配置为在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片101。支承装置102例如是支架或支撑台。第一部位例如是叶根。在叶根的情况下,可以较好地实现整个叶片的刚度的测量。但是其它部位也是可设想的。支承装置102可以附加地具有翻转车(未示出),所述翻转车被配置为在测试过程中使叶片101翻转以调整叶片姿态,由此获得更多测量角度和测量数据。其它旋转装置也是可设想的。此外,叶片的姿态调整可以通过人工摆放或人工转动来完成。
装置100还包括起吊装置103,其被配置为在待测试叶片101的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷,其中所述起吊装置103具有用于测量所述载荷的载荷传感器106。第二部位例如可以是叶尖,由此防止叶片101在测量过程中受到损伤。在本实施例中,起吊装置103包括:
·两个吊带104,其一端被配置为能够连接待测试叶片101,另一端与载荷传感器106连接。其它数目的吊带104也是可设想的。在此,吊带104例如一端与叶尖连接,另一端连接载荷传感器106,由此使得载荷传感器106能够测量施加在叶尖上的载荷。吊带104例如可以由柔性材料、如纤维制成。在本申请中,术语“叶根”,是指叶片的根部本身处以及靠近根部处。“靠近两端中的一端”是指超过两端的中线更靠近该端。术语“叶尖”是指叶片的尖端本身处以及靠近尖端处。
·两个载荷传感器106,其一端与吊带104连接并且另一端连接到吊梁105。在一个实施例中,载荷传感器106的数目与吊带的数目相对应。在载荷传感器的数目为2的情况下,传感器读数为两个载荷传感器的读数的之和,在载荷传感器的数目为3的情况下,传感器读数为三个载荷传感器的读数的之和,以此类推。其它数目的载荷传感器106也是可设想的。
·吊梁105,其被配置为将所述载荷传感器106与天车107连接。吊梁105例如可以是由金属制成的横梁,其下端具有与多个载荷传感器或其延长部连接的连接部。
·天车107,其被配置为对待测试叶片101进行起吊以施加载荷。天车107例如包括升降装置和平移装置,使得能够对叶片101施加所期望的负载,或者使得叶片101能够发生所期望的形变。
装置100还具有测量装置(未示出),其被配置为测量待测试叶片在载荷下的形变量。所述测量装置例如可以包括位移传感器和倾角仪,其中,位移传感器被配置为测量叶片与支承装置之间的距离和/或叶片与随型支承架之间的距离,而倾角仪被配置为测量叶根的倾角。其它测量装置也是可设想的,只要根据所述测量装置的测量结果能够计算出叶片的刚度。
装置100可选地还可以包括随型支承架108,其被配置为在第一部位与第二部位之间的第三部位处支承待测试叶片101,使得待测试叶片不接触地面。第三部位例如居中地位于叶根与叶尖之间。为了增加稳定性,第三部位例如也可以根据叶片的重心在第一部位与第二部位之间调整。随型支承架108例如可采用L I NK 180单元,该单元可模拟随型支承架108与叶片101的接触,使得试验中无需将叶片吊至脱离随型支承架108,从而避免测试对叶片101带来损伤。
装置100的搭建地点例如可以是在叶片后处理车间,无需将叶片挪动至专用的测试地点,不影响叶片生产过程,不占用叶片生产空间,不调用叉车、吊车等额外重型设备。搭建时间是从叶片前后缘外补强完成后开始,整个测试过程约1小时,不影响叶片正常的生产工序。下面阐述装置100的工作过程。
(1)首先,将叶片101尽可能水平地放置到可选地具有翻转车的支承装置102和可选的随型支承架上,保持叶片PS面朝上。
(2)可选地通过翻转车调整叶片101的姿态,以保证叶片101的零度扭角截面的前后缘离地距离之差在允许的范围之内。
(3)通过测量装置记录叶根倾角、叶根翻转车与叶根之间的距离、以及支承架与叶根之间的距离。
(4)将吊带104放置在叶片的指定位置、如叶尖处,随后将传感器与吊梁105连接;最后用钢索将吊梁连接到天车107上。
(5)通过天车107的起吊来给叶片101加载到指定的载荷,并记录所述载荷、叶根倾角、翻转车(支承装置101)与叶根之间的距离、以及随型支承架108与叶根之间的距离。
(6)最后通过所述实验记录计算叶片的刚度,可选地,这通过如下方式来实现:将试验记录载荷作为有限元的输入,并分析有限元结果以得出刚度。
图2示出了根据本发明的用于测试叶片的刚度的方法的流程,其中虚线框表示可选步骤。
在步骤202,在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片101。
在步骤204,在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷。第二部位例如是叶尖。
在步骤206,通过载荷传感器测量所述载荷。
在步骤208,测量待测试叶片在载荷下的形变量。所述形变量例如包括
在步骤210,根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。所述形变量例如包括叶根倾角、翻转车与叶根之间的距离、以及随型支承架与叶根之间的距离
在步骤212,以所述载荷和所述形变量为输入执行有限元分析以确定叶片的刚度。
本发明至少具有下列有益效果:(1)本发明的装置或方法具有装置简单、容易操作、可重复性强的特点;(2)本发明的测量过程例如可以在叶片生产后直接在处理车间中完成,因此无需来回挪动叶片,从而降低测试成本;(3)本发明采用的悬挂式测量方案的结果精度高,易于分析。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述,但是本领域技术人员能够理解,这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围,并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (10)

1.一种用于测试叶片的刚度的装置,包括:
叶片支承装置,其被配置为在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片;
起吊装置,其被配置为在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷,其中所述起吊装置具有用于测量所述载荷的载荷传感器;
测量装置,其被配置为测量待测试叶片在载荷下的形变量;以及
控制器,其被配置为根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。
2.根据权利要求1的装置,其中第一部位是待测试叶片的叶根;和/或
第二部位是待测试叶片的叶尖。
3.根据权利要求1的装置,还包括随型支承架,其被配置为在第一部位与第二部位之间的第三部位处支承待测试叶片,使得待测试叶片不接触地面。
4.根据权利要求1的装置,其中所述叶片支承装置包括翻转车,所述翻转车被配置为在测试过程中使叶片翻转。
5.根据权利要求1的装置,其中起吊装置包括:
一个或多个吊带,其一端被配置为能够连接待测试叶片,另一端与载荷传感器连接;
一个或多个载荷传感器,其一端与吊带连接并且另一端连接到吊梁;
吊梁,其被配置为将所述一个或多个载荷传感器与天车连接;以及
天车,其被配置为对待测试叶片进行起吊以施加载荷。
6.根据权利要求3的装置,其中所述测量装置包括:
位移传感器,其被配置为测量叶片与支承装置之间的距离和/或叶片与随型支承架之间的距离;以及
倾角仪,其被配置为测量叶根的倾角。
7.根据权利要求1的装置,其中所述控制器还被配置为以所述载荷和所述形变量为输入执行有限元分析。
8.根据权利要求1的装置,其中所述控制器还被配置为执行下列动作:
确定所确定的刚度与刚度额定值的比例;以及
在所述比例大于或等于91%时输出表示刚度合格的信号。
9.一种用于测试叶片的刚度的方法,包括:
在待测试叶片的第一部位处支承待测试叶片;
在待测试叶片的与第一部位相距一定距离的第二部位处吊起叶片以便对待测试叶片施加载荷;
测量所述载荷;
测量待测试叶片在载荷下的形变量;以及
根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度。
10.根据权利要求9所述的方法,其中根据所述载荷和所述形变量确定叶片的刚度包括:
以所述载荷和所述形变量为输入执行有限元分析以确定叶片的刚度。
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