CN113624428A - 一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，通过分别考虑风电叶片在挥舞与摆振方向的目标载荷，在叶片挥舞与摆振方向分别安放加载装置以及配重质量块。通过试加载，分别监控叶片在挥舞与摆振方向振动情况的力矩分布情况，通过调节加载装置位置、配重质量块的质量大小与位置，以及加载频率和加载幅值，实现在挥舞方向与摆振方向的加载载荷与测试目标载荷相一致或相接近。
Description
技术领域
本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，该方法可实现对风电叶片在挥舞、摆振两个方向上同时进行疲劳加载，从而实现满足叶片双轴疲劳测试的加载需求。
背景技术
风电叶片疲劳性能评估是风电叶片研发、设计所关注的一项重要内容。叶片在运行中承受复杂的疲劳载荷谱，主要包括挥舞方向的疲劳载荷谱与摆振方向的疲劳载荷谱。这两种载荷谱同时作用在叶片上，对叶片的疲劳损伤性能起着影响作用。
新型叶片在开发试制后一般都要在试验台上开展疲劳测试，用以探索叶片的抗疲劳性能。目前行业对叶片的疲劳测试大都是分别开展挥舞方向与摆振方向的疲劳测试。这种分别加载的测试方法与叶片实际运行情况下的受载情况与损伤情况会有很多差别，不能很好地真实反映叶片的实际抗疲劳性能。
为了更准确反映叶片的实际抗疲劳性能，有必要开发叶片同时进行挥舞方向与摆振方向的加载技术与方法，实现对叶片真实加载情况下的疲劳测试。
考虑到共振式加载方法具有节省能源的良好经济型特点，本专利提出一种共振式双轴疲劳加载方法，通过分别对挥舞、摆振方向的加载装置进行调整的基础上，再逐步在挥舞、摆振两种载荷共同作用下的加载装置进行调整，通过多次调整，实现在挥舞、摆振共同加载情况下，挥舞、摆振方向测试载荷与目标载荷相一致或相接近的目标，最终实现所希望的双轴载荷加载方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有风力机叶片疲劳测试中，大都采用挥舞或摆振方向单方向加载，不能满足叶片实际运行情况下抗疲劳性能的评估这一问题。本发明旨在提供一种风力机叶片共振式双轴疲劳试验加载方法，通过分别在挥舞、摆振加载下进行加载装置与配重质量块的调整，初步实现对目标载荷的逼近，再通过同时施加挥舞、摆振载荷情况下，对加载装置与配重质量块的不断调整，最终实现在同时施加挥舞、摆振疲劳载荷，且能保证挥舞方向与摆振方向的测试载荷分布情况与目标载荷相一致或相接近。
(二)技术方案
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
SS1.根据待测试风力机叶片的设计要求，确定叶片在挥舞与摆振方向的疲劳测试目标载荷；
SS2.采用在叶片挥舞方向上单轴疲劳载荷加载的方式，对固定在叶片实验台架上的叶片，安装加载装置与配重质量块，加载装置可采用电动加载装置或液压加载装置，安装配重质量块的目的是为了调节叶片在共振情况下的载荷分布与目标载荷的分布情况相一致。通过调节加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值，找到并确定满足叶片在挥舞方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近的加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值；
SS3.实现步骤SS2中挥舞方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将该步骤中加载装置与配重质量块的各项质量位置参数，以及加载频率和加载幅值等参数记录下来；
SS4.将挥舞方向的加载装置与配重质量块从待测叶片上拆卸下来，待测叶片恢复到加载装置安装前的初始状态；
SS5.不改变叶片在实验台上的安装位置，采用在叶片摆振方向单轴疲劳载荷加载的方式，对固定在叶片实验台架上的叶片，安装加载装置与配重质量块，加载装置可采用电动加载装置或液压加载装置，通过调节加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值，找到并确定满足叶片在摆振方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近的加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值；
SS6.实现步骤SS5中摆振方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将摆振方向的加载装置与配重质量块继续保持安装在叶片上，参照SS3所记录的挥舞方向加载装置与配重质量块的各项质量与位置参数，重新将挥舞方向加载装置与配重质量安装到待测叶片上；
SS7.在挥舞、摆振方向加载装置与配重质量块都安装在叶片上的情况下，只施加挥舞载荷，测量并记录此时的挥舞方向的力矩分布情况，以及挥舞载荷在摆振方向导致的载荷分布情况，之后只施加摆振载荷，测量并记录此时的摆振力矩分布情况，以及摆振载荷在挥舞方向导致的载荷分布情况，并记录两种情况下挥舞实测载荷与摆振实测载荷跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
SS8.根据步骤SS7中挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，对配重质量块位置进行调整，调整策略为先将配重质量沿叶片展向的某一方向进行调整，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定调整的方向与调整的尺寸多少，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
SS9.之后再根据配重质量块位置调节后，叶片挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，进一步调节配重质量块的质量大小，调整策略为先将配重质量进行增加后减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定质量是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
SS10.在完成配重质量块的位置与质量调节后，在保持原有加载频率的情况下，分别调节挥舞与摆振方向的加载幅值，调整策略为先将加载幅值进行增加或减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定加载幅值是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
SS11.通过上述调节后，叶片在分别进行挥舞加载与摆振加载情况下，试验载荷分布情况与目标载荷会达到比较接近的情况，此时可同时施加挥舞载荷与摆振载荷，测量并记录这种情况下挥舞方向载荷分布与摆振载荷分布跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
SS12.根据步骤SS11中测试载荷与目标载荷的差距；对挥舞、摆振方向的配重质量大小、位置以及加载幅值进行微调，调节策略参照上述各项，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
SS13.通过上述操作，可实现叶片在挥舞与摆振双轴疲劳加载情况下，测试载荷与目标载荷的一致性或接近性。
优选的，步骤SS2与SS5中，采用的单轴加载方法为现有技术。
优选的，为实现双轴加载情况下测试载荷与目标载荷的接近，步骤SS7到步骤SS10，所进行的调节均为只启动挥舞加载或只启动摆振加载，而在步骤SS11到步骤SS12，所进行的调节均为同时启动挥舞加载与摆振加载。
本发明的风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，通过在只施加挥舞、摆振单方向载荷下对加载装置和配重质量块的调节，以及同时施加挥舞、摆振方向下加载装置和配重质量块的调节，最终可实现同时施加挥舞、摆振方向载荷，且保证挥舞、摆振测试载荷在叶片上的分布情况与目标载荷相一致或相接近的目的。与现有的风力机叶片只在单方向施加载荷相比，该方法可实现同时在挥舞摆振两个方向的载荷施加，可以更好地实现对叶片抗疲劳性能的评估。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的风力机叶片双轴共振式疲劳加载方法具有如下明显的实质特点和显著优点：
与现有只在单方向施加载荷的疲劳加载方法相比，本方法可实现同时在挥舞、摆振两个方向的载荷施加，可以更好地实现对叶片抗疲劳性能的评估。由于采用了共振式的双轴疲劳加载方法，可以降低加载装置的功率输出，提高测试的经济性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
本实施例中，以当前主流的MW级风力机叶片为例，采用以下步骤进行实施：
1)依据该待测试风力机叶片的设计文件，确定叶片在挥舞与摆振方向的疲劳测试目标载荷；
2)对固定在叶片实验台架上的叶片，安装加载装置与配重质量块，加载装置采用液压加载装置，通过多次调节加载装置与配重装置的位置与加载频率和加载幅值，找到并确定满足叶片在挥舞方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近的加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值；
3)实现步骤2)中挥舞方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将该步骤中加载装置与配重质量块的各项质量位置参数，以及加载频率和加载幅值等参数记录下来；
4)将挥舞方向的加载装置与配重质量块从待测叶片上拆卸下来，待测叶片恢复到加载装置安装前的初始状态；
5)不改变叶片在实验台上的安装位置，采用与2)中相一致的步骤，进行叶片摆振方向单轴疲劳加载过程，实现叶片在摆振方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近；
6)在实现步骤5)中摆振方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将摆振方向的加载装置与配重质量继续保持安装在叶片上。参照3)所记录的挥舞方向加载装置与配重质量块的各项质量与位置参数，重新将挥舞方向加载装置与配重质量块安装到待测叶片上；。
7)在挥舞、摆振方向加载装置与配重质量都安装在叶片上的情况下，只施加挥舞载荷，测量并记录此时的挥舞力矩分布情况，以及挥舞载荷在摆振方向导致的载荷分布情况。之后只施加摆振载荷，测量并记录此时的挥舞力矩分布情况，以及挥舞载荷在摆振方向导致的载荷分布情况。并记录两种情况下挥舞载荷分布与摆振载荷分布跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
8)根据7)中挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，对配重质量块的位置进行调整，调整策略为先将配重质量沿叶片展向的某一方向进行调整，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定调整的方向与调整的尺寸多少，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
9)之后再根据配重质量块位置调节后，叶片挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，进一步调节配重质量块的质量大小。调整策略为先将配重质量进行增加后减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定质量是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
10)在完成配重质量块的位置与质量调节后，在保持原有加载频率的情况下，分别调节挥舞与摆振方向的加载幅值，调整策略为先将加载幅值进行增加或减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定加载幅值是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
11)通过上述调节后，叶片在分别进行挥舞加载与摆振加载情况下，试验载荷分布情况与目标载荷会达到比较接近的情况。此时可同时施加挥舞载荷与摆振载荷，测量并记录这种情况下叶片并记录两种情况下挥舞载荷分布与摆振载荷分布跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
12)根据11)中测试载荷与目标载荷的差距，对挥舞、摆振方向的配重质量大小、位置以及加载幅值进行微调，调节策略参照上述各项，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
13)通过上述操作，可实现叶片在挥舞与摆振双方向疲劳加载情况下，测试载荷与目标载荷的一致性或接近性。
通过以上步骤的实施，完成了对该叶片共振式疲劳加载载荷方案的确定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。
Claims (3)
1.一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
SS1.根据待测试风力机叶片的设计要求，确定叶片在挥舞与摆振方向的疲劳测试目标载荷；
SS2.采用在叶片挥舞方向上单轴疲劳载荷加载的方式，对固定在叶片实验台架上的叶片，安装加载装置与配重质量块，通过调节加载装置与配重装置的位置与加载频率和加载幅值，找到并确定满足叶片在挥舞方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近的加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值；
SS3.实现步骤SS2中挥舞方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将该步骤中加载装置与配重质量块的各项质量位置参数，以及加载频率和加载幅值等参数记录下来；
SS4.将挥舞方向的加载装置与配重质量块从待测叶片上拆卸下来，待测叶片恢复到加载装置安装前的初始状态；
SS5.不改变叶片在实验台上的安装位置，采用在叶片摆振方向单轴疲劳载荷加载的方式，对固定在叶片实验台架上的叶片，安装加载装置与配重质量块，通过调节加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值，找到并确定满足叶片在摆振方向的实际加载载荷与目标载荷相一致或相接近的加载装置与配重质量块的位置与加载频率和加载幅值；
SS6.实现步骤SS5中摆振方向加载载荷与目标载荷相一致或相接近的目标后，将摆振方向的加载装置与配重质量块继续保持安装在叶片上，参照步骤SS3所记录的挥舞方向加载装置与配重质量块的各项质量与位置参数，重新将挥舞方向加载装置与配重质量块安装到待测叶片上；
SS7.在挥舞、摆振方向加载装置与配重质量块都安装在叶片上的情况下，只施加挥舞载荷，测量并记录此时的挥舞方向的力矩分布情况，以及挥舞载荷在摆振方向导致的载荷分布情况；之后只施加摆振载荷，测量并记录此时的摆振力矩分布情况，以及摆振载荷在挥舞方向导致的载荷分布情况；并记录两种情况下挥舞实测载荷与摆振实测载荷跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
SS8.根据步骤SS7中挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，对配重质量块的位置进行调整，调整策略为先将配重质量块沿叶片展向的某一方向进行调整，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定调整的方向与调整的尺寸多少，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
SS9.之后再根据配重质量块位置调节后，叶片挥舞与摆振方向测试载荷与目标载荷的差距情况，进一步调节配重质量块的质量大小。调整策略为先将配重质量进行增加后减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定质量是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷相近可能一致或接近；
SS10.在完成配重质量块的位置与质量调节后，在保持原有加载频率的情况下，分别调节挥舞与摆振方向的加载幅值，调整策略为先将加载幅值进行增加或减少，根据加载后实测载荷与目标载荷的差距大小决定加载幅值是增加或减少，以及增减的数量，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
SS11.通过上述调节后，叶片在分别进行挥舞加载与摆振加载情况下，试验载荷分布情况与目标载荷会达到比较接近的情况。此时可同时施加挥舞载荷与摆振载荷，测量并记录这种情况下挥舞方向载荷分布与摆振载荷分布跟目标挥舞载荷与摆振目标载荷的差距；
SS12.根据步骤SS11中测试载荷与目标载荷的差距；对挥舞、摆振方向的配重质量大小、位置以及加载幅值进行微调，调节策略参照上述各项，直至叶片载荷分布趋势与目标载荷尽可能一致或接近；
SS13.通过上述操作，可实现叶片在挥舞与摆振双轴疲劳加载情况下，测试载荷与目标载荷的一致性或接近性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加载装置可采用电动加载装置或液压加载装置。
3.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，为实现挥舞、摆振双方向加载情况下测试载荷与目标载荷的接近，步骤SS7到步骤SS10所进行的调节均为只启动挥舞加载或只启动摆振加载，而在步骤SS11到步骤SS12，所进行的调节均为同时启动挥舞加载与摆振加载。
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