CN110177938B - 风轮机叶片的扭转测试 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于风轮机叶片(10)的扭转测试的测试设备(100)。测试设备(100)包括：测试台(110)，用于刚性地支撑所述风轮机叶片的根端；载荷框架(120)，用于在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处安装在所述风轮机叶片上；以及至少一个致动器(130)，其连接至载荷框架，用于经由所述载荷框架绕所述风轮机叶片的纵向轴线扭转所述风轮机叶片。所述载荷框架(120)包括：外框架(122)，所述至少一个致动器(130)连接至该外框架；以及翼型嵌件(124)，该翼型嵌件保持在所述外框架内并限定翼型孔隙，该翼型孔隙基本对应于所述风轮机叶片在所述测试位置处的翼型，使得在使用中所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本上整个翼型的外表面并且与该外表面直接接触。还提供了一种用于风轮机叶片扭转测试的系统和方法以及用于测试设备的载荷框架。

Description

风轮机叶片的扭转测试

技术领域

本发明涉及一种用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备。特别地，本发明涉及这样一种用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备，该测试设备包括：测试台，该测试台用于刚性地支撑风轮机叶片的根端；载荷框架，该载荷框架用于安装至风轮机叶片；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器用于经由载荷框架使风轮机叶片绕其纵向轴线扭转。本发明还涉及用于这种测试设备的载荷框架，还涉及风轮机叶片的扭转测试的系统和方法。

背景技术

由于惯性载荷和空气动力载荷(例如升力和曳力)，风轮机叶片在使用期间承受扭转载荷。这种扭转载荷是周期性的，并且在没有适当设计的情况下可能导致叶片在其使用寿命期间弱化，最终导致疲劳失效。另外，由于扭转载荷，使风轮机叶片绕其纵向轴线扭转。这种扭转改变了叶片相对于风向的桨距，这可能影响风能被风轮机捕获和转换的效率。风轮机叶片的桨距通常可在使用期间由风轮机控制器改变，以提高风轮机的效率，并且变桨程度基于通过扭转测试获得的叶片的扭转刚度的估计。

目前的扭转测试通常通过修改用于挥舞载荷测试的测试设备来进行。这种测试设备通常包括：测试台，其用于刚性地支撑叶片的根端，其中叶片的纵向轴线和摆振轴线处于基本水平的取向；以及短框架，其抵靠叶片的两侧上的叶片表面定位并且沿着叶片的宽度的一部分延伸。框架通常包括借助穿过叶片中的钻孔延伸的螺栓连接的压力侧框架元件和相对的吸力侧框架元件。对于挥舞静静态载荷测试，框架连接至一个或多个致动器，所述致动器经由框架向风轮机叶片施加竖向载荷以使叶片沿挥舞方向偏转。对于挥舞疲劳测试，致动器经由框架向风轮机叶片施加循环竖向载荷，以沿着挥舞方向振动叶片。对于扭转测试，框架通常在其下侧的边缘处连接至绞盘并且在其上侧的相对边缘处连接至起重机。起重机和绞盘交替地牵拉框架以使叶片绕其纵向轴线扭转。然后从位于叶片表面上的应变仪获得与叶片的扭转性能有关的数据。

然而，因为用于挥舞加载测试的测试设备未针对扭转测试进行优化并且不允许精细控制叶片偏转，所以从传统扭转测试获得的数据可能与实际操作性能显著不同。这可能导致风轮机叶片的过度操控以满足不具代表性的测试要求。还可能导致扭转刚度的非准确估计，这则可能导致使用期间估计叶片桨距方面的误差。这可能使得更难以确保使用期间叶片处于最佳取向。此外，扭转刚度的知识可以有助于设计成避免操作期间叶片的共振，例如颤振。过度操控和非准确的桨距估计两者都能减少给定风轮机的年发电量。

因此，希望提供一种更能代表实际加载条件的用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备，该测试设备包括：测试台，该测试台用于刚性地支撑所述风轮机叶片的根端；载荷框架，该载荷框架用于在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处安装在所述风轮机叶片上；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器连接在固定安装点和所述载荷框架之间，用于经由所述载荷框架绕所述风轮机叶片的纵向轴线扭转所述风轮机叶片，其中，所述载荷框架包括：外框架，所述至少一个致动器连接至该外框架；以及翼型嵌件，该翼型嵌件保持在所述外框架内，所述翼型嵌件限定翼型孔隙，所述翼型孔隙基本上对应于所述风轮机叶片的在所述测试位置处的翼型或横截面，使得在使用中所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本上整个所述翼型的外表面并且与该外表面直接接触。

有利地，通过将嵌件布置成使得其基本上封装风轮机叶片翼型或围绕风轮机叶片翼型延伸并且与风轮机叶片的基本上整个翼型的外表面直接接触，相比其中载荷框架仅在叶片翼弦的一部分上与叶片翼型接触的测试设备，扭转载荷更均匀地施加在风轮机叶片翼型上。因此，在测试期间叶片中的应力和应变更能代表实际加载。

翼型嵌件基本上封装风轮机叶片的翼型。这意味着翼型嵌件绕叶片翼型的整个圆周的至少80％(优选至少90％，更优选地至少95％)延伸。翼型嵌件可封装风轮机叶片的整个翼型或绕其延伸。

翼型孔隙的形状使得翼型嵌件在风轮机叶片的基本上整个翼型上与风轮机叶片的外表面直接接触。这意味着翼型嵌件关于叶片翼型的整个圆周的至少80％(优选为至少90％，更优选为至少95％)与风轮机叶片的外表面直接接触。翼型孔隙可以精确地对应于风轮机叶片的翼型，使得翼型嵌件在风轮机叶片的整个翼型上与风轮机叶片的外表面直接接触。

用在本文中时，术语“摆振方向”和“摆振轴线”是指延伸通过叶片的前缘和后缘并且垂直于叶片的纵向轴线的方向。这通常对应于叶片在使用期间的旋转方向。术语“挥舞方向”和“挥舞轴线”是指垂直于叶片的摆振方向和纵向轴线两者的方向。

翼型嵌件优选是柔软的。换句话说，翼型嵌件优选地由压缩强度小于或等于10MPa的一种或多种材料形成。翼型嵌件可以是弹性的。翼型嵌件可以由压缩强度为约0.3MPa至约10MPa(优选约1MPa至约7MPa，最优选约2MPa至约4MPa)的材料形成。

具有柔软的翼型嵌件导致叶片表面上局部增加的压力点的出现减少，否则可能导致测试结果不太能代表叶片在操作期间经受的实际应力和应变。还可以例如通过适应由于制造公差导致的嵌件的形状和叶片翼型之间的差异来改善嵌件与叶片翼型的轮廓的一致程度。嵌件的柔软性质还可以允许载荷框架吸收某些冲击载荷，否则这些冲击载荷可能直接传递至叶片表面并且可能导致损坏。

由翼型嵌件限定的翼型孔隙具有基本上对应于正测试的风轮机叶片的翼型或横截面形状的形状。翼型嵌件可以具有第一端和第二端，风轮机叶片翼型的前缘可以被接收在第一端中，风轮机叶片翼型的后缘可以被接收在第二端中。翼型孔隙的第一端和第二端可以二者直接对应于正测试的风轮机叶片的前缘和后缘的轮廓。在一些实施方式中，翼型嵌件还包括应力减小孔，该应力减小孔与翼型孔隙的对应于风轮机叶片的边缘(例如前缘或后缘)的端部相对应。应力减小孔的曲率半径优选大于风轮机叶片翼型的边缘的曲率半径。

有利地，应力减小孔增加了翼型孔隙的端部处的曲率半径，以减小嵌件的该区域中的应力集中。这可以有助于增加嵌件的使用寿命，并且可以有助于减少可能在嵌件中发生的裂缝传播。翼型嵌件可具有与其每个端部相交的应力减小孔。

应力减小孔优选地具有至少2cm的最小曲率半径。应力减小孔的曲率半径优选为约2cm至约20cm。

应力减小孔可以是设置在嵌件的一侧或两侧上的腔。在优选实施方式中，应力减小孔形成延伸穿过嵌件的厚度的通道。这允许应力集中孔作为通道加倍，仪表缆线可以经由该通道从载荷框架的一侧延伸至另一侧。与不延伸穿过嵌件的厚度的腔相比，这还可以导致更有效的应力降低。

所述至少一个致动器可以包括任何合适的致动器。例如，所述至少一个致动器可以包括诸如绞盘之类的旋转致动器，借助柔性缆线连接至载荷框架。优选地，所述至少一个致动器包括线性致动器，例如液压致动器、气动致动器或电动致动器。线性致动器具有高载荷能力，允许测试设备用于具有非常高水平的扭转刚度的叶片。所述至少一个致动器可以布置成在任何方向上在载荷框架上施加力，其中一个分量横向于叶片的纵向轴线。优选地，所述至少一个致动器布置成在基本竖直的方向上在载荷框架上施加力。借助这种布置，所述至少一个致动器可以在测试期间抵抗叶片的重量并支撑叶片。这可以进一步改善测试期间获得的结果与实际操作条件之间的相关性。

所述至少一个致动器可以包括单个致动器。优选地，所述至少一个致动器包括两个或更多个致动器。在一些实施方式中，所述至少一个致动器包括布置成将力偶施加至载荷框架的一对致动器，例如，在翼型孔隙的中心轴线的两侧上的一对致动器。在这种布置中，这一对致动器在正被测试的叶片的纵向轴线的两侧连接至载荷框架。

在所述至少一个致动器包括布置成将力偶施加至载荷框架的一对致动器的情况下，这一对致动器可以以任何合适的方式布置。例如，这一对致动器可以彼此相邻定位或者在载荷框架的相对两侧定位。在一些实施例中，这一对致动器包括位于载荷框架下侧的第一致动器和位于载荷框架上侧的第二致动器。在该实施例中，致动器都缩回或者都延伸以在载荷框架上施加力偶。在其他实施例中，这一对致动器可以并排定位。在这样的实施例中，可以通过延伸一个致动器同时缩回另一个致动器将力偶施加至载荷框架。

优选地，所述至少一个致动器包括一对线性致动器，这一对线性致动器在所述翼型孔隙的中心轴线的两侧连接至外框架，使得每个线性致动器的延伸或缩回在载荷框架上施加基本上竖直的力。

所述至少一个致动器可以是地面安装的。在优选实施方式中，测试设备还包括支撑框架，所述至少一个致动器安装至该支撑框架。支撑框架可以在风轮机叶片的长度方向上相对于测试台移动。这允许所述至少一个致动器和载荷框架更容易地一起移动至测试位置。支撑框架可以包括任何合适的移动装置，例如，在其下侧上的一个或多个轮。优选地，支撑框架在其下侧包括一个或多个轮，还包括一个或多个支脚。轮和支脚中的一者或两者可以选择性地缩回(例如使用螺纹连接至支撑框架)以暴露另一者。这允许支撑框架在需要时容易地移动或者使用支脚固定在适当位置。在支撑框架包括一个或多个支脚的情况下，所述一个或多个支脚可以包括用于在使用期间将支撑框架固定或锚固至地板表面的吸力垫。

载荷框架可以完全由所述至少一个致动器支撑在支撑框架中。优选地，支撑框架包括在支撑框架和载荷框架之间延伸的柔性连杆，用于承受载荷框架的至少一部分重量。支撑框架可以包括配重，用于承受载荷框架的至少一部分重量。例如，配重可以包括一个或多个重量，所述重量通过在一个或多个滑轮或孔眼上延伸的缆线、链条、带索或绳索连接至载荷框架，以承受载荷框架的至少一部分重量。配重或连杆可以布置成承载载荷框架的基本上所有重量。

通过提供布置成承受载荷框架的至少一部分重量的连杆或配重，可以减小或防止由于载荷框架的重量而导致的叶片载荷。这可以通过减少或最小化由摆振载荷引起的叶片运动来提高从扭转测试获得的结果的准确性。因此，获得的叶片移动的测量值可以限于仅由扭转载荷引起的运动。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备，该测试设备包括：测试台，该测试台用于刚性地支撑所述风轮机叶片的根端；载荷框架，该载荷框架用于在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处安装在所述风轮机叶片上；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器连接在固定安装点和所述载荷框架之间，用于经由所述载荷框架绕所述风轮机叶片的纵向轴线扭转所述风轮机叶片，其中，所述测试台、所述载荷框架和所述至少一个致动器布置成使得：在使用中，待测试的所述风轮机叶片由所述测试台刚性支撑，其中所述风轮机叶片的纵向轴线基本上水平并且所述风轮机叶片的摆振轴线基本上竖直。

通过将测试设备布置成使得：在使用时，叶片在其纵向轴线基本上水平并且其摆振轴线基本竖直的情况下被支撑和测试，与其中叶片在其摆振轴线基本水平的情况下被支撑的测试设备相比，叶片在其自身重量下经受较小的偏转。这意味着可以通过叶片处于更能代表其在操作期间的实际状态的偏转状态来评估叶片的扭转刚度，从而产生更准确的测试结果。这还可以减少叶片的“过度操控”，否则可能由于在较少代表性的测试期间寻求实现所需的性能而导致“过度操控”。

所述至少一个致动器可以包括单个致动器。优选地，所述至少一个致动器包括两个或更多个致动器。在一些实施方式中，所述至少一个致动器包括布置成将力偶施加至载荷框架的一对致动器，例如，在翼型孔隙的中心轴线的两侧上的一对致动器。在这种布置中，这一对致动器在正测试的叶片的纵向轴线的两侧连接至载荷框架。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于风轮机叶片的扭转测试的系统，该系统包括根据以上描述的任一实施方式所述的测试设备，还包括待测试的风轮机叶片，其中所述风轮机叶片的根端由所述测试设备的所述测试台支撑，使得所述风轮机叶片的纵向轴线基本上是水平的，并且所述风轮机叶片的摆振轴线基本上是竖直的，并且其中载荷框架在所述测试位置处安装在风轮机叶片上。

可以沿着叶片的长度在任何合适的测试位置将载荷框架固定至叶片。例如，载荷框架可以靠近叶片的根端固定，或者固定在叶片的梢端处或朝向叶片的梢端布置，或布置在根端和梢端之间的任何位置。在载荷框架朝向叶片的根端安装的情况下，需要更小的位移和更大的力。在载荷框架朝向叶片的梢端安装的情况下，需要更大的位移和更小的力。根据叶片的刚度及其扭转特性，载荷框架的最佳位置可能随叶片不同而变更，并且还可能取决于致动器的特性和性能。可以通过计算在典型操作期间施加至叶片的扭转载荷的近似平均位置并将载荷框架安装在叶片上的该位置来选择测试位置。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于上述任一实施方式的测试设备的载荷框架，所述载荷框架包括：外框架，该外框架具有至少一个致动器安装点；以及翼型嵌件，该翼型嵌件保持在所述外框架内，所述翼型嵌件限定翼型孔隙，所述翼型孔隙基本上对应于待测试的风轮机叶片的在沿着该风轮机叶片的长度的测试位置处的翼型或横截面形状，使得在使用中所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本整个翼型的外表面并且与该外表面直接接触。

根据本发明的第五方面，提供了一种扭转测试风轮机叶片的方法，该方法包括：将所述风轮机叶片的根端刚性地支撑在测试台中，使得所述风轮机叶片的纵向方向基本上是水平的，并且所述风轮机叶片的摆振方向基本上是竖直的；在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处将载荷框架安装在所述风轮机叶片上；在固定安装点和所述载荷框架之间连接至少一个致动器；以及使用所述至少一个致动器和所述载荷框架在所述测试位置处使所述风轮机叶片绕该风轮机叶片的纵向轴线扭转。

在刚性支撑风轮机叶片的根端的同时使风轮机叶片在测试位置绕其纵向轴线扭转的步骤使得叶片扭转并且可以模拟在操作期间可能发生的叶片的扭转。通过向载荷框架施加静态载荷来执行使风轮机叶片绕其纵向轴线扭转的步骤。

优选地，载荷框架包括：外框架，所述至少一个致动器连接至该外框架；以及翼型嵌件，该翼型嵌件保持在所述外框架内，所述翼型嵌件限定翼型孔隙，所述翼型孔隙基本上对应于风轮机叶片的在所述测试位置处的所述翼型或横截面形状，使得所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本上整个翼型的外表面并且与该外表面直接接触。

可以通过将一对线性致动器在叶片纵向轴线的两侧连接至载荷框架来执行将至少一个致动器连接至载荷框架的步骤，并且通过利用这一对线性致动器施加力偶来执行使风轮机叶片绕其纵向轴线扭转的步骤。该一对致动器可以以任何合适的方式布置。例如，这一对致动器可以彼此相邻定位或者在载荷框架的相对两侧定位。在一些实施例中，该一对致动器包括位于载荷框架下侧的第一致动器和位于载荷框架上侧的第二致动器。在这样的实施例中，致动器都缩回或者都延伸以在载荷框架上施加力偶。在其他实施例中，这一对致动器可以并排定位。在这样的实施例中，可以通过延伸一个致动器同时缩回另一个致动器将力偶施加至载荷框架。

优选地，所述至少一个致动器包括一对线性致动器，所述线性致动器在风轮机叶片的纵向轴线的两侧连接至外框架，使得每个线性致动器的延伸或缩回均在载荷框架上施加基本竖直的力。

所述至少一个致动器可以是地面安装的。在优选实施方式中，将至少一个致动器连接至载荷框架的步骤包括提供支撑框架，所述至少一个致动器安装至该支撑框架，并且经由所述至少一个致动器将载荷框架连接至支撑框架。支撑框架可以在风轮机叶片的长度方向上相对于测试台移动。这允许所述至少一个致动器和载荷框架更容易地一起移动至测试位置。支撑框架可以包括任何合适的移动装置，例如，在其下侧上的一个或多个轮。优选地，支撑框架在其下侧上包括一个或多个轮，还包括一个或多个支脚。轮和支脚中的一者或两者可以选择性地缩回(例如使用螺纹连接至支撑框架)以暴露另一者。这允许支撑框架在需要时容易地移动或者使用支脚固定在适当位置。

载荷框架可以由两个或更多个分立的框架元件形成，这些框架元件可以组装在一起以形成完整的载荷框架。在这样的实施例中，将载荷框架安装在风轮机叶片上的步骤可以通过在测试位置处将分立的框架元件绕风轮机叶片组装在一起来执行。在其他实施例中，将载荷框架安装在风轮机叶片上的步骤可以通过沿着叶片的长度方向从叶片的梢端到测试位置滑动载荷框架来执行。

在一些实施例中，将所述至少一个致动器连接至载荷框架的步骤包括提供可移动支撑框架，所述至少一个致动器安装到该可移动支撑框架，并且经由所述至少一个致动器将载荷框架连接至支撑框架，并且通过移动支撑框架以沿着叶片的长度方向使载荷框架从叶片的梢端滑动到测试位置来执行将载荷框架安装在风轮机叶片上的步骤。

用在本文中时，术语“地面支撑的”和“地面安装的”是指直接地或经由一个或多个中间元件间接地支撑在相对于设备的测试台固定的表面上的部件。这包括但不限于由地板直接支撑的部件。

关于一个或多个方面描述的特征同样可以应用于本发明的其他方面。特别地，关于第一方面的测试设备描述的特征可以同样地应用于第二方面的测试设备、第三方面的系统、第四方面的载荷框架、第五方面的方法，反之亦然。

附图说明

现在将仅以实施例的方式并参考附图进一步描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的测试设备的示意性立体图，示出了固定至风轮机叶片设备；以及

图2是图1的测试设备的载荷框架、支撑框架和致动器的放大视图。

具体实施方式

图1示出了用于风轮机叶片10的扭转静态测试的测试设备100，设备100固定至该风轮机叶片10。风轮机叶片10具有根端12和相对的梢端14。在根端12和梢端14之间是翼型区域，该翼型区域具有包括压力侧和吸力侧以及前缘16和后缘18的翼型轮廓。摆振方向20在前缘16和后缘18之间延伸。随着叶片10的形状在根端12和梢端14之间扭转，摆振方向20可以沿着叶片10的长度改变。

测试设备100包括测试台110、载荷框架120和致动器130，该致动器130在叶片10的纵向轴线的两侧上操作以用于经由载荷框架120将力偶并因此将扭转载荷施加至叶片10。测试设备100还包括支撑框架140，支撑框架140为致动器130提供相对于地面固定的固定支座，并且载荷框架120在未固定至叶片时可以由支撑框架140支撑。

测试台110安装在地面(例如地板或安装至地板的钢制轮毂)上，并且包括刚性支架112，用于固定地支撑叶片10的根端12，使得叶片的摆振方向20叶片基本上是竖直的并且叶片10的纵向方向22基本上是水平的(如图1中所示)。刚性支架112可以包括用于附接至叶片10的任何合适的连接装置。例如，刚性支架可以包括从测试台110延伸的多个螺栓，螺栓拧入叶片的根端12处的相应螺栓孔(未示出)中。

载荷框架120在叶片10的根端12和梢端14之间的位置处并且以距根端12为距离L绕风轮机叶片10固定。

参考图2，载荷框架120包括外框架122以及布置在外框架122内的嵌件124。载荷框架120借助外框架122上的安装点126在两侧可枢转地连接至致动器130。在该实施例中，安装点126呈水平取向的枢轴销的形式，其允许载荷框架120相对于致动器130绕水平轴线127铰接，水平轴线127平行于叶片的纵向方向。在该实施例中，外框架122由两个平行的金属(例如铝)板形成，这两个金属板固定在一起。以这种方式，外框架122具有这样的结构，该结构在由致动器130施加的力偶的平面中坚固，同时仍然相对较轻。切除掉邻近安装点126的区域中的制成外框架122的板，以进一步减少载荷框架120的总重量和所需的材料。出于同样的原因，外框架朝向其上端变窄，以消除从致动器130到叶片的载荷路径之外的材料的需要。

嵌件124由柔软或略微弹性的材料形成，并且其内表面125限定翼型孔隙128，翼型孔隙128对应于风轮机叶片的沿叶片长度的待安装载荷框架120的位置处的翼型或横截面。也就是说，参考图1和图2，翼型孔隙128的形状对应于风轮机叶片的在距叶片10的根端12为距离L处的翼型或横截面。这意味着叶片的翼型完全封装在嵌件124内，使得嵌件124的内表面125基本上绕叶片的整个翼型与风轮机叶片的外表面接触。嵌件124可以成形为使得孔隙128的一端或两端以对应于叶片翼型的边缘的窄角终止。然而，在该实施例中，应力减小部分以圆孔129的形式设置在嵌件124中，圆孔129朝向翼型孔隙128的上端与翼型孔隙128相交。如在图1中可以看出的，孔隙128的上端布置成接收叶片的后缘，叶片的后缘通常是叶片翼型的最薄部分。圆孔129增加孔隙128的上端的曲率半径，以减小该区域中的应力集中。这可以有助于减少可能在嵌件124中发生的裂缝传播。孔129还在嵌件124中提供通道，仪表缆线可以穿过该通道从载荷框架的一侧延伸至另一侧。

嵌件124可以由任何合适的柔软或弹性材料制成，该材料能够将扭转载荷从致动器130传递至叶片而不会损坏叶片的外表面。在该实施例中，嵌件由Divinycell(RTM)H130制成，Divinycell(RTM)H130可从瑞典赫尔辛堡的Diab International AB获得。因为嵌件124是柔软的或有弹性的，所以它形成抵靠叶片的柔软表面。相对于传统嵌件(例如木材嵌件)，这可以改善载荷框架120与叶片翼型的轮廓的程符合度。这允许载荷框架在叶片表面上施加更均匀分布的载荷。它还减少了局部增加的压力点的出现，否则这些压力点的出现可能导致测试结果不太能代表叶片在操作期间经受的实际应力和应变。嵌件124的柔软度或弹性还可以允许载荷框架吸收某些冲击载荷，否则冲击载荷可能会直接传递至叶片表面。

每个致动器130均包括线性致动器，线性致动器具有气缸132和可在气缸132内滑动的活塞134。然而，每个致动器均可以包括任何合适的致动器，例如借助缆线、链条或线束连接至其相应安装点的旋转致动器。每个致动器130均具有在其下端相对于地面固定的固定安装点，并且铰接至支撑框架140，以允许致动器130的基部相对于支撑框架绕水平枢轴线137枢转，水平枢轴线137平行于活塞134和载荷框架120之间的枢轴线127。在图2中，每个活塞134被示出在中间冲程位置，即在完全缩回位置和完全延伸位置之间的中途。在该位置，载荷框架120旋转地对准，并且没有扭转载荷经由载荷框架120施加至叶片。致动器130布置在叶片的纵向轴线的两侧上并且两个致动器130都定位在叶片下方，使得活塞从气缸的延伸在载荷框架上产生大致向上的竖向力。然而，应当理解，可以使用致动器的其他布置以在载荷框架上产生力偶。例如，致动器可以连接至支撑框架，使得一个致动器向下推动载荷框架而另一个致动器向上推动载荷框架。另选地，一个或两个致动器可以连接至支撑框架的侧面并且布置成向载荷框架施加基本水平的力。

支撑框架140包括两个平行的立柱141，立柱141在其上端借助横梁142连接并且在其下端借助支撑基座143连接。支撑基座143在其下侧包括轮144，支撑框架140可以借助轮144移动以调节其相对于叶片的位置。支撑基座143还在其下侧包括多个支脚145，支撑框架140可以以固定方式被支脚145支撑。支脚在其下侧包括吸力垫，以允许支撑框架在使用期间锚固至地板表面。一旦支撑框架处于正确位置，轮144可选择性地向上缩回，以允许支撑框架搁置在支脚145上。支撑基座可以承载额外的重物(未示出)，以进一步限制支撑框架在使用期间的移动。每个立柱141均包括致动器支架146，致动器130的端部相对于地面固定至致动器支架146，但是枢转地连接至支撑框架140。为了在不使用测试设置时为载荷框架120提供支撑，支撑框架140还包括配重块147，配重块147经由缆线148和滑轮连接至载荷框架120。配重块、缆线和滑轮装置用作配重，以承受载荷框架120的至少一部分重量。这减小了当载荷框架120未安装在叶片上时由载荷框架120的重量引起的致动器130上的载荷。它还减少了使用期间由载荷框架的重量引起的叶片的摆振载荷量。这可以通过减少或最小化由摆振载荷引起的叶片运动来提高从扭转测试获得的结果的准确性。这可以确保获得的叶片运动的测量仅限于由扭转载荷引起的运动。

为了将载荷框架120安装在叶片上，载荷框架120、致动器130和支撑框架140一起移动至叶片的梢端，并且嵌件124放置在梢端上。然后支撑框架140朝向测试台110移动，以使载荷框架120沿着叶片的长度朝向根端滑动，直到达到沿叶片长度的正确位置，此时嵌件牢固地贴合叶片表面。

一旦载荷框架固定在叶片上，一对致动器130中的一个延伸，而另一个同时借助诸如液压泵或气动泵或电动马达之类的致动器驱动装置(未示出)以相反方式缩回，以将力偶绕叶片的纵向方向施加至载荷框架120。该力偶经由嵌件传递至叶片，以使叶片绕其纵向方向扭转，从而产生扭转载荷。通常，选择静态扭转测试期间产生的扭转载荷以评估叶片的扭转刚度。还可以选择它来表示叶片在其设计使用寿命期间预计承受的极限载荷。每个致动器伸出或缩回的程度应该与另一个致动器的伸出或缩回程度成镜像，以使由测试设备施加至叶片的竖向弯曲载荷最小化。当扭转载荷由翼型嵌件施加并且基本上施加在叶片的整个翼型上时，由测试设备100在叶片中产生的扭转应力和应变更能代表实际操作条件。

此外，通过将载荷框架和致动器布置成使得叶片保持摆振取向(即，其纵向方向基本上水平并且其摆振方向基本上竖直)，叶片在其自重下经受较小的偏转。这意味着可以利用处于更能代表操作期间的实际状态的偏转状态的叶片来评估叶片的扭转刚度，从而产生更准确的测试结果。对叶片的扭转刚度的改进的知识还可以允许设计成避免操作期间叶片的共振，例如颤振。更准确的扭转测试还可以减少由于在应变较高的不太具有代表性的测试期间寻求实现所需的性能导致的叶片的“过度操控”。

在所示的实施例中，外框架122和嵌件124均设置为单个封闭结构。在其他实施例中，外框架122和嵌件124中的一者或两者可以设置在两个或更多个分立元件中。这允许通过将框架元件固定在一起而在测试位置处绕叶片组装载荷框架。这避免了沿叶片长度滑动的需要。例如，在测试设备的其他部件(例如应变仪或其他载荷框架)在安装载荷框架之前附接至叶片的情况下，这可能是有用的。

尽管以上描述涉及使用测试设备进行静态扭转测试，但是应当理解，如果需要，可以通过使用致动器在载荷框架上施加周期加载循环来使测试设备用于进行疲劳扭转测试。

应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，对上述实施方式的各种变型是可能的，并且本领域技术人员会想到这样的变型。

Claims (14)

1.一种用于风轮机叶片的扭转测试的测试设备，该测试设备包括：

测试台，该测试台用于刚性地支撑所述风轮机叶片的根端；

载荷框架，该载荷框架用于在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处安装在所述风轮机叶片上，其中，所述载荷框架包括外框架和保持在所述外框架内的翼型嵌件，所述翼型嵌件限定翼型孔隙，所述翼型孔隙基本上对应于所述风轮机叶片的在所述测试位置处的翼型，使得在使用中所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本上整个所述翼型的外表面并且与该外表面直接接触；

其特征在于，至少一个致动器连接在相对于地面固定的固定安装点和所述载荷框架的所述外框架之间，用于经由所述载荷框架绕所述风轮机叶片的纵向轴线扭转所述风轮机叶片。

2.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述翼型嵌件由压缩强度为0.3MPa至10MPa的材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的测试设备，其中，所述翼型嵌件包括应力减小孔，所述应力减小孔与所述翼型孔隙的与所述风轮机叶片的边缘对应的端部相交，所述应力减小孔的曲率半径大于所述风轮机叶片的所述边缘的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述至少一个致动器包括一对线性致动器，所述一对线性致动器布置成将力偶施加至所述外框架。

5.根据权利要求1所述的测试设备，该测试设备还包括支撑框架，所述至少一个致动器安装至所述支撑框架，所述支撑框架能够在所述风轮机叶片的长度方向上相对于所述测试台以可调节的方式移动。

6.根据权利要求5所述的测试设备，其中，所述支撑框架包括配重，所述配重布置成承受所述载荷框架的至少一部分重量。

7.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述翼型嵌件由压缩强度为1MPa至7MPa的材料形成。

8.根据权利要求1所述的测试设备，其中，所述翼型嵌件由压缩强度为2MPa至4MPa的材料形成。

9.一种用于风轮机叶片的扭转测试的系统，该系统包括根据权利要求1至8中任一项所述的测试设备，还包括待测试的风轮机叶片，其中所述风轮机叶片的根端由所述测试设备的所述测试台支撑，使得所述风轮机叶片的纵向轴线基本上是水平的，并且所述风轮机叶片的摆振轴线基本上是竖直的。

10.一种扭转测试风轮机叶片的方法，该方法包括：

将所述风轮机叶片的根端刚性地支撑在测试台中，使得所述风轮机叶片的纵向方向基本上是水平的，并且所述风轮机叶片的摆振方向基本上是竖直的；

在沿着所述风轮机叶片的长度的测试位置处将载荷框架安装在所述风轮机叶片上；

在相对于地面固定的固定安装点和所述载荷框架之间连接至少一个致动器；以及

使用所述至少一个致动器和所述载荷框架在所述测试位置处使所述风轮机叶片绕该风轮机叶片的纵向轴线扭转。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述载荷框架包括：外框架，所述至少一个致动器连接至所述外框架；以及翼型嵌件，该翼型嵌件保持在所述外框架内，所述翼型嵌件限定翼型孔隙，所述翼型孔隙基本上对应于所述风轮机叶片的在所述测试位置处的翼型，使得所述翼型嵌件基本上封装所述风轮机叶片的基本上整个所述翼型的外表面并且与该外表面直接接触。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，将至少一个致动器连接至所述载荷框架的步骤通过将一对线性致动器连接至所述载荷框架来执行，并且使所述风轮机叶片绕该风轮机叶片的纵向轴线扭转的步骤通过利用所述一对线性致动器施加力偶来执行。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，将至少一个致动器连接到所述载荷框架的步骤包括：提供支撑框架，所述至少一个致动器安装至所述支撑框架，并且经由所述至少一个致动器将所述载荷框架连接至所述支撑框架。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，通过使所述载荷框架沿着所述风轮机叶片的长度从所述风轮机叶片的梢端滑动到所述测试位置来执行将载荷框架安装在所述风轮机叶片上的步骤。

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