CN113109006A - 用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于对风力涡轮机叶片（2）进行疲劳测试的测试装置（1、1'），包括安装在地板上的测试架（3），所述测试架（3）具有用于将所述风力涡轮机叶片（2）固定到所述测试架（3）的固定装置（4）以及用于以测试频率激励所述风力涡轮机叶片（2）的激励组件（5），其中，所述测试架（3）包括液体箱（9），所述液体箱（9）具有容纳预定液体（11）的腔室（10、10a、10b），其中，所述液体箱（9）中的所述液体（11）具有谐振频率，所述谐振频率取决于所述液体箱（9）中的液体（11）的量和所述腔室几何形状。

Description

用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的测试装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的测试装置，该测试装置包括安装在地板上的测试架（test rig），该测试架具有用于将风力涡轮机叶片固定到测试架的固定装置以及用于以测试频率激励叶片的激励组件。本发明还涉及一种用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的方法。
背景技术
风力涡轮机叶片在风力涡轮机中使用期间必须承受强力和负载，在将它们用于实际的风力涡轮机设施之前必须对它们进行测试。用于整个风力涡轮机的测试方法通常至少包括所谓的静态测试和疲劳测试，在静态测试中，静态负载被施加到风力涡轮机叶片，在疲劳测试中，通常以等于或接近叶片谐振频率的测试频率来激励叶片多个循环，例如超过一百万个循环。
用于疲劳测试的测试装置通常包括测试架，风力涡轮机叶片固定到该测试架。测试架也可称为测试台、试验台或叶片支撑件。
测试架是块状的结构（massive structure），并且通常包括由高密度材料（例如混凝土、钢和/或铅）制成的主体。另一方面，用于以测试频率激励风力涡轮机叶片的激励组件与测试架间隔放置以激励叶片，其中，在现有技术中已经提出了用于激励风力涡轮机叶片的多种具体方法。当激励风力涡轮机叶片时，尖端以高的振幅进行振动，使得在叶片根部处也发生相应的振动，风力涡轮机叶片在叶片根部固定到测试架。
因此，测试架必须设计成承受由叶片根部的这些振动所导致的力和负载。在已知的测试装置中，叶片根部处的大力矩通过测试架传递到地面/地板中。因此，需要结实的、坚固耐用的试验装备。
US8631704B2公开了一种用于风力涡轮机叶片测试的疲劳测试装置，特别是一种用于风力涡轮机叶片的疲劳激励器。在使用致动器1进行激励期间，风力涡轮机叶片本身被固定在测试台20中，测试台20被承载于地面上。因此，测试台20对应于测试架。
由于产生过大负载的大力矩和强力必须被测试架吸收并传递到地面，所以测试架被构造成大的、重的且昂贵的结构。通常，测试架被设计成承受在测试特定风力涡轮机叶片（特别是具有特定尺寸/长度的风力涡轮机叶片）期间发生的负载，因为叶片支撑件上的负载随着叶片长度的增加而增加。然而，目前，具有更长叶片的风力涡轮机被开发出来，使得现有的测试装置（特别是测试架）可能不能够应付在这些更长的风力涡轮机叶片的疲劳测试期间发生的负载。必须构造新的、昂贵的测试装置，有时从决定到完成需要花费一年。
发明内容
本发明的目的是降低对用于风力涡轮机叶片的疲劳测试的测试装置的测试架的要求，和/或允许将被设计成用于较小（特别是较短）的风力涡轮机叶片的测试架也用于较大（特别是较长）的风力涡轮机叶片。
该目的通过提供根据权利要求1的测试装置和根据权利要求10的用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的方法来实现。有利的实施例由从属权利要求描述。
在如最初所描述的测试装置中，根据本发明，测试架包括液体箱，该液体箱具有容纳预定液体的腔室，其中，液体箱中的液体具有谐振频率，该谐振频率取决于箱中的液体的量和腔室几何形状。液体箱可以被理解为被引入到测试架中的用于阻尼风力涡轮机叶片的振动的阻尼装置或者阻尼装置的一部分。
由风力涡轮机叶片的叶片根部经由固定装置引入到测试架中的振动以及由此产生的力矩激励液体箱的腔室中的液体，从而耗散能量。
这降低了测试架上的负载，使得例如可以降低对测试架的设计要求，并且可以在被设计成用于较小风力涡轮机叶片的现有测试架上对大的、新的风力涡轮机叶片进行疲劳测试，使得节省了建造新的测试架的成本和时间。
为了实现优化的能量耗散并因此实现优化的阻尼，优选地，选择或可以选择液体的量和腔室几何形状，使得液体的谐振频率至少基本等于测试频率。换句话说，液体箱和液体箱中的液体的量可以被设计成使得液体将会在测试频率处谐振。然而，由于测试频率和/或待阻尼的频率可能改变，甚至在单次测试期间也可能改变，例如由于叶片磨损和/或温度变化，所以如下面更详细地描述的，优选地提供致动装置以改变腔室中液体的谐振频率。
然而，已经注意到，在这一点上，不需要谐振频率等于测试频率来耗散能量。尽管优选的是将液体箱设计成尽可能稳定和坚固耐用，但是可能存在这样的实施例，其中，必须将液体箱的某些功率限制考虑在内。在这种情况下，为了将功率限制考虑在内，可以将腔室中的液体的谐振频率故意选择成与测试频率不同。
测试架也可称为试验台、测试台或叶片支撑件。
如已知的，疲劳测试的目的是激励风力涡轮机叶片，特别是在其谐振频率处或接近其谐振频率处激励风力涡轮机叶片。这将会导致大的叶片尖端偏转，并因此导致大的叶片根部力矩。这些力矩通常被测试架吸收并传递到地面，因为测试架是安装在地面上的。通过使用具有优选地谐振液体的液体箱，将会减小由测试架受到的并且将被引入到地面中的负载。
在特别有利的实施例中，测试装置包括用于调节液体的谐振频率的致动装置，特别是液体量调节装置和/或腔室几何形状调节装置。通过改变容纳在腔室中的液体量和/或腔室几何形状，例如通过改变其长度，腔室中的液体的谐振频率也被改变，使得可以适应于其他测试频率。例如，如果将要使用测试装置对另一个叶片（例如更新的、更大的风力涡轮机叶片）进行疲劳测试，则可以调节腔室中的液体量，例如其填充水平，使得腔室中的液体的谐振频率至少基本等于测试频率，或者一般而言基本等于待阻尼的频率，该待阻尼的频率通常取决于测试频率。在其它较不优选的实施例中，也可以改变腔室几何形状。如果使用液体量调节装置，则其可例如包括液体储存器、至少一个阀和/或至少一个泵。液体量调节装置可特别地被设计成使得可以实现容纳在腔室中的液体的量的全自动调节。关于腔室几何形状调节装置，其可例如包括可移动腔室壁和/或可移动元件，例如翅片等。与致动装置的具体实现方式无关，致动装置优选地可由控制装置控制。
在优选实施例中，测试装置因此可以包括控制装置，该控制装置适于控制致动装置，使得液体的参考频率变得至少基本等于测试频率，或者一般而言基本等于待阻尼的频率，该待阻尼的频率取决于测试频率。以这种方式，提供了一种可用于大量测试频率的可适应的测试装置。换句话说，具有致动装置的测试装置可以被理解为能够适于各种叶片长度的“适合目的”的测试装置。然而，也可以根据疲劳试验期间的变化的试验频率实时调节液体的谐振频率。例如，测试频率可由于风力涡轮机叶片的磨损和/或温度变化而改变。注意，可以对不同的模式进行调节。例如，如果测试频率等于风力涡轮机叶片的挥舞（flapwise）激励的第一模式，则液体的谐振频率也可被选择成等于风力涡轮机叶片的第二模式挥舞频率。
优选地，控制装置还可以控制激励组件。以这种方式，当前使用的测试频率对于控制装置是已知的，使得可以实现腔室中的液体的谐振频率的自动调节，特别是在可由操作者选择的宽范围的测试频率上。
一般而言，根据本发明，激励组件的激励发生在沿着风力涡轮机叶片与测试架相距一定距离处，例如在沿着叶片与测试架间隔开的预定位置处。任何类型的已知的激励组件可以用在根据本发明的测试装置中。这也适用于固定装置，其例如可以包括凸缘等，特别是在风力涡轮机的转子毂处的模仿固定装置，在该转子毂处将使用风力涡轮机叶片。
测试架可以包括特别地块状的主体，其安装在地板上，特别地经由基座安装在地板上。这种主体可以包括混凝土和/或其它材料，特别是高密度材料，例如钢和/或铅。主体可以放置在基座上，基座本身可以例如由混凝土等制成并且可以提供额外的稳定性。
在尤其优选的实施例中，液体箱可以侧向地安装到主体，并且可以包括或者附接到与主体相对的固定装置。以这种方式，液体箱定位在主体和叶片之间。换句话说，叶片、液体箱和主体彼此串联地附接。以这种方式，已经被耗散以激励液体箱的腔室中的液体的负载甚至不会被传递到主体，使得实现了对于主体的特别有效的负载释放。例如，可以使用长螺栓或短螺栓将液体箱附接在主体的一侧，其可以具有附接到其的板，特别是钢板，以便于附接液体箱，而固定装置可以一体地形成在液体箱中或者附接到液体箱，与主体相对。
在较不优选的实施例中，液体箱可以安装在主体的顶上。而且，在该位置处，被引入到主体中的能量可以通过激励液体箱的腔室中的液体而至少部分地耗散。当然，液体箱的其它位置也是可以想到的，只要液体箱的腔室中的液体能够被叶片的振动激励，从而耗散能量。
在具体的实施例中，腔室可以具有立方形或圆柱形的形状。立方形形状（即矩形盒形状）是优选的，其它几何上简单的形状也是优选的，因为对于这种基本的几何形状，可以更容易地导出将腔室中液体的谐振频率与腔室中的液体的量和腔室几何形状联系起来的公式。例如，在Jae Hwan Jung等人的标题为“Effect of natural frequency modes onsloshing phenomenon in a rectangular tank”的论文（Int. Nav. Archit. Ocean Eng.（2015）7：580-594）中，作者描述了矩形腔室中的水如何具有由重力、水高度、模式号和腔室长度限定的谐振频率。他们导出了用于第n个模式的谐振频率fn的以下等式
Figure 207165DEST_PATH_IMAGE002
， (1)
其中，g是重力常数，h是液体箱中的水的高度，并且L是立方形腔室的长度。当然，如果在液体箱的腔室中使用除水之外的其它液体，则可能必须相应地修改该公式。
特别地，在液体箱布置在固定装置和主体之间的优选实施例中，液体箱本身需要是坚固耐用的并且承受大的负载，特别是从叶片根部引入的力矩。优选地，液体箱因此可以由钢和/或纤维增强材料制成。
液体可以包括水和/或油和/或具有大于1 Pa*s的粘度的材料，特别是粘泥（slime）。注意，也可以使用多种材料的混合物。虽然在一些情况下，高粘性材料（例如粘泥）可能是合适的，但是已经表明，在长度高达几米的矩形腔室中的水谐振频率满足用于风力涡轮机叶片的疲劳测试的许多通常的测试频率。
在有利的实施例中，测试装置可以包括多个液体箱和/或液体箱可以包括多个腔室，用于不同的振动方向和/或测试频率。在对风力涡轮机叶片进行疲劳测试时，可以使用不同的测试频率，例如用于不同的谐振模式和/或振动方向。为了适应那些不同的测试频率，可以使用多个液体箱和/或可以使用具有多个腔室的至少一个液体箱。每个腔室或液体箱中的液体分别具有与测试频率中的一个相对应的谐振频率。
本发明还涉及一种使用根据本发明的测试装置对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的方法，包括以下步骤
- 选择用于所述风力涡轮机叶片的测试频率，其特别是至少基本匹配所述风力涡轮机叶片的谐振频率，
- 根据所述测试频率调节腔室中的液体的量和/或腔室几何形状，特别地使得腔室中的液体的谐振频率至少基本等于所述测试频率，以及
- 以所述测试频率激励所述风力涡轮机叶片。
关于测试装置的所有特征和评论也相应地适用于根据本发明的方法，使得可以实现相同的优点。
特别地，可以使用用于水作为液体的立方形腔室，其中，腔室中的水的量根据上面已经描述的等式（1）来确定。
根据本发明的方法优选地完全自动地执行，特别是通过上述控制装置执行。
附图说明
从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得明显。然而，附图仅仅是原理图设计，仅仅是为了说明的目的，而不是限制本发明。附图示出：
图1是根据本发明的测试装置的第一实施例的示意图，
图2是图1的测试装置的测试架的正视图，
图3是曲线图，示出了取决于水的量和腔室几何形状的水的谐振频率，
图4是根据本发明的测试装置的第二实施例的示意图，
图5是根据图4的测试装置的测试架的正视图，以及
图6是具有两个腔室的液体箱。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的测试装置的第一优选实施例。测试装置1适于对同样在图1中示出的但不形成测试装置1的一部分的风力涡轮机叶片2进行疲劳测试。
测试装置1包括测试架3，风力涡轮机叶片2可以经由固定装置4固定到该测试架，该固定装置4例如是具有与风力涡轮机的转子毂相同的固定装置的凸缘，在该转子毂处可以使用风力涡轮机叶片2。测试装置1还包括仅示意性示出的激励组件5，其适于在远离安装在地面上的测试架3的位置处使用测试频率激励风力涡轮机叶片2，该测试频率可以等于或接近风力涡轮机叶片2的谐振频率。因此，测试架3是不可移动的并且固定到地板，使得从叶片根部6引入的力矩经由测试架3至少部分地传递到地面。
测试架3包括由混凝土制成的主体7，其可以可选地附接到也由混凝土制成的基座8。然而，在该第一实施例中，固定装置4不是直接安装在主体7上，而是在固定装置4和主体7之间安装了液体箱9，液体箱9限定容纳液体11（在该情况下为水）的腔室10。液体箱9可以被理解为阻尼装置，因为由于风力涡轮机叶片2的振动而从叶片根部6经由固定装置4引入的力矩激励腔室10内的液体11，因此，能量被耗散并且较少的负载施加到主体7上，因为叶片根部6、固定装置4、液体箱9和主体7串联布置。
在图1的实施例中，腔室10中的液体11的谐振频率可适应于激励组件5所使用的测试频率。特别地，在该实施例中，腔室10是长方体，即，矩形盒。根据上述公式（1），水作为腔室10中的液体11的谐振频率取决于腔室几何形状（尤其是其长度L）以及液体11的量（在这种情况下，腔室10内的水的高度h）。图3的曲线图示出了取决于h和L的频率f1。如可以看出的，腔室10中的液体11的谐振频率所具有的值对于用于对叶片2进行疲劳测试的测试频率而言也是典型的。
虽然原则上可以想到具有预定的水的量和预定的腔室几何形状，其适于用于特定尺寸（特别是长度）的风力涡轮机叶片2的疲劳测试的特定测试频率，但是在该实施例中，提供了包括液体量调节装置13的致动装置12。液体量调节装置13包括用于水的储存器14、泵15和阀，为了简单起见，这些阀在图1中未示出。使用致动装置12，腔室10中的水的量可以被配置成使得腔室10中的水的特定谐振频率产生，该特定谐振频率优选地至少基本等于所使用的测试频率，但是也可以例如涉及风力涡轮机叶片2的其它模式。为了允许对将要被测试的风力涡轮机叶片2的这种适应性，测试装置1还包括适于控制激励组件5以及致动装置12的控制装置16。由于激励组件5所使用的测试频率因此对于控制装置16是已知的，所以致动装置12（特别是液体量调节装置13）可以被控制以适应腔室10中的液体11的量，使得液体11的谐振频率至少基本等于激励组件5所使用的测试频率，或者等于待阻尼的另一频率。水的量可以例如根据公式（1）确定。
在图1和图2所示的实施例中，液体箱9由钢制成，并通过螺栓17固定到主体7。在图中，示出了长螺栓17，然而，也可以使用较短的螺栓17。附接到主体7的厚钢板（未示出）可以用作液体箱9的附接辅助件。以这种方式，获得了稳定、坚固耐用的结构。
图4和图5示出了根据本发明的测试装置1的修改的第二实施例。在这种情况下，固定装置4直接附接到主体7上，其中，液体箱9布置在主体7的顶上。在该实施例中，从风力涡轮机叶片2的叶片根部6接收的负载在通过激励液体箱9中的液体11而被减小之前，依然作用在主体7上。
在使用两个或更多个测试频率的情况下，例如用于以两种不同的模式激励风力涡轮机叶片2的情况下，可以使用如图6所示的液体箱构造。图6中的液体箱9包括两个腔室10a、10b，这两个腔室都容纳一定量的液体11并且具有腔室几何形状，使得测试频率中的一个例如与相应腔室10a、10b中的液体11的谐振频率匹配。在这种情况下，例如，致动装置12可以与每个腔室10a、10b相关联，使得可以调节相应液体11的两个谐振频率。
注意，在其它实施例中，腔室10、10a、10b可以具有不同的几何形状，例如圆柱形。此外，所使用的液体11也可以是或包括另一种材料，例如油或粘泥。最后要注意的是，致动装置12还可以包括腔室几何形状调节装置，使得也可以通过改变腔室几何形状（例如长度L）来调节液体11的谐振频率。
尽管已经参照优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，本领域技术人员能够从所公开的示例导出其它变型而不脱离本发明的范围。

Claims (11)

1.用于对风力涡轮机叶片（2）进行疲劳测试的测试装置（1、1'），包括安装在地板上的测试架（3），所述测试架（3）具有用于将所述风力涡轮机叶片（2）固定到所述测试架（3）的固定装置（4）以及用于以测试频率激励所述风力涡轮机叶片（2）的激励组件（5），其特征在于，所述测试架（3）包括液体箱（9），所述液体箱（9）具有容纳预定液体（11）的腔室（10、10a、10b），其中，所述液体箱（9）中的所述液体（11）具有谐振频率，所述谐振频率取决于所述液体箱（9）中的液体（11）的量和所述腔室几何形状。
2.根据权利要求1所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述测试装置（1、1'）包括用于调节所述液体（11）的谐振频率的致动装置（12），特别是液体量调节装置（13）和/或腔室几何形状调节装置，和/或所述液体（11）的量和所述腔室几何形状被选择成使得所述液体（11）的谐振频率至少基本等于所述测试频率。
3.根据权利要求2所述的测试装置（1、1'），其特征在于，其包括控制装置（16），所述控制装置（16）适于控制所述致动装置（12），使得所述液体（11）的谐振频率变得至少基本等于所述测试频率。
4.根据前述权利要求中的一项所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述测试架（3）包括特别地块状的主体（7），其安装在地板上，特别地经由底座（8）安装在地板上。
5.根据权利要求4所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述液体箱（9）侧向地安装到所述主体（7）并且包括或附接到与所述主体（7）相对的所述固定装置（4）。
6.根据权利要求4所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述液体箱（9）安装在所述主体（7）的顶上。
7.根据前述权利要求中的一项所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述腔室（10、10a、10b）具有立方形或圆柱形的形状，和/或所述液体箱（9）由钢和/或纤维增强材料制成。
8.根据前述权利要求中的一项所述的测试装置（1、1'），其特征在于，所述液体（11）包括水和/或油和/或具有大于1Pa*s的粘度的材料，特别是粘泥。
9.根据前述权利要求中的一项所述的测试装置（1、1'），其特征在于，其包括多个液体箱（9）和/或所述液体箱（9）包括多个腔室（10a，10b），用于不同振动方向和/或测试频率。
10.使用根据前述权利要求中的一项所述的测试装置（1、1'）对风力涡轮机叶片（2）进行疲劳测试的方法，包括：
- 选择用于所述风力涡轮机叶片（2）的测试频率，其特别是至少基本匹配所述风力涡轮机叶片（2）的谐振频率，
- 根据所述测试频率调节所述腔室（10、10a、10b）中的液体（11）的量和/或所述腔室几何形状，特别地使得所述腔室（10、10a、10b）中的所述液体（11）的谐振频率至少基本等于所述测试频率，以及
- 以所述测试频率激励所述风力涡轮机叶片（2）。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用用于水作为所述液体（11）的立方形腔室（10、10a、10b），其中，根据如下等式确定所述腔室（10、10a、10b）中的水的量，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，fn是第n个模式的谐振频率，g是重力常数，h是所述液体箱（9）中的水的高度，并且L是立方形腔室（10、10a、10b）的长度。
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