CN113677974A - 用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试的激励器装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风力涡轮机的叶片（2）的疲劳测试的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），包括用于生成周期性激励力的致动器和用于将所述致动器联接到待测试的叶片（2）的联接装置（6），其特征在于，所述激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f）包括预张紧装置（13），其施加预张力，使得在整个周期上所述激励力仅作用在拉动或推动方向上。

Description

用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试的激励器装置和方法

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试的激励器装置，其包括用于生成周期性激励力的致动器（特别地马达）和用于将马达联接到待测试的叶片的联接装置。本发明进一步涉及用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试的方法，其中周期性激励力由致动器（特别地马达）生成并且通过用于将致动器联接到叶片的联接装置被施加到叶片。

背景技术

在风力涡轮机中使用的叶片需要在很长时间段内承受变化的强大力。因此，关于叶片的机械性能，特别是疲劳进行全面测试。特别地，激励器装置被联接到叶片，使得由致动器（特别地马达）生成的激励力作用在待测试的叶片上。这种激励器装置的目的可以例如是在叶片上施加正弦激励力，其频率接近或对应于叶片的本征频率（考虑到激励器本身的影响），例如使用数百万次循环。可以适当地选择沿着叶片长度的激励力所作用的位置。在这种可能使用长时间来执行、例如高达几个月的疲劳测试期间，叶片的尖端可能在几米范围上振荡。

用于叶片的已知激励器装置包括伺服马达和联接装置，其中联接装置可以包括变速箱、激励器臂和推杆。这样的激励器装置例如描述于http://www.blaest.com/news-2/176-blaest-developed-a-new-electro-mechanical-exciter-for-fatigue-testing。在这种激励器装置中，电动马达将反向转矩施加到变速箱的输入轴上，该变速器将来自输入轴的小转矩和高速度转换成输出轴上的大转矩和低速度。转矩臂被夹持到输出轴，从而上下运动例如30度。借助于柔性连接件，诸如旋转轴承，推拉杆被连接在转矩臂和叶片之间且因而能够将激励力从激励器装置传递到叶片。

然而，在使用这样的激励器装置时存在多种问题。第一个问题是磨损。对于在拉动方向和推动方向之间的每次方向变化，在变速箱中的齿轮的齿因为齿必须与之前相反的齿相互作用而将改变其接合侧。因为在变速箱中总是存在一些齿隙，所以将存在运动且因此存在典型的咔嗒声。这些变速箱反转将随时间磨损变速箱。关于这些变速箱反转的另一个问题是待施加的正弦力是嘈杂的且将影响测试品质和时间。

另一个问题是激励器装置的成本。不仅使用的伺服马达比标准马达更贵，而且变速箱、激励器臂和推杆也是昂贵的。注意到使用伺服马达，这是因为马达需要具有小的马达轴惯性以便减少上文提到的齿磨损。

第三个问题是疲劳测试所需的时间。特别地，激励器臂和推杆的质量以及齿轮式马达轴惯性对测试结果具有显著影响。根据本征频率，摆振叶片测试需要进行大约三个月。被添加到叶片的质量越大，则将需要越多的时间来测试叶片。因为本征频率是叶片的等效刚度除以叶片的等效质量的平方根，所以在增加额外质量时，测试持续时间会显著增加。

最后，基于会导致叶片以不同方式弯曲的任意附加质量，也会影响沿着叶片的力矩分布。在叶片疲劳测试期间，例如沿着叶片每半米存在对弯曲的硬约束，该硬约束必须被遵守。如果由激励器装置添加了过大质量，则这会导致对叶片的某些区域的过度测试。

总之，现有的激励方法需要昂贵的齿轮和马达类型以及重的臂和推杆。此外，来自变速箱反转的噪声会磨损齿轮并且其次会导致至叶片的嘈杂的激励力输入。最后，重的臂/推杆和齿轮式马达轴延长测试时间并且导致潜在的过度测试。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种改进的激励器装置，特别地较少地经历磨损，从而产生较少的嘈杂激励力并且向叶片添加较少的质量。

这个目标通过提供根据独立权利要求的激励器装置和方法而实现。在从属权利要求中描述了有利实施例。

在最初描述的激励器装置中，根据本发明，激励器装置包括预张紧装置，其施加预张力，使得在整个周期上激励力仅作用在拉动或推动方向上。

预张力能够被理解为周期性激励力的偏移，使得周期性激励力不会改变符号。特别地，周期性（优选地正弦）激励力可以仅作用在拉动方向上，这是因为添加到叶片的任意质量也将作用在这个方向上，使得在一些情况下会施加较少的预张力。

本发明的想法因此在于，作用在叶片上的激励力不改变符号，例如，总是正的。这是一种关于疲劳测试激励应如何工作的全新方法，因为已知方法总是假设，要成功激励叶片，将需要推和拉二者。然而，主要目的是向叶片施加正弦力。这也能够通过使用由预张力提供的偏移在本发明中被实现。以此方式，如果使用变速箱，则可以避免变速箱反转，从而也减少了上文讨论的不利影响。但是另外，然而，激励力仅作用在一个方向上且不改变符号的构思允许实现激励器装置的有利的新设计，如下文详细列出的。

大体而言，在许多实施例中，激励器装置进一步包括控制装置，该控制装置被构造成控制致动器（特别地马达）以产生具有预定频率的用于叶片的周期性激励力，特别地由叶片的本征频率和/或根据叶片的联接点计算该预定频率。通常，激励器装置也将包括测压元件，从而提供实际施加的激励力的测量数据。以此方式，可以由控制装置执行反馈控制，因为测量数据被提供给控制装置。作为测压元件的替代方案，当然也可以使用其他的力测量装置。

在较不优选的实施例中，联接装置可以包括变速箱。例如，可以使用其中联接装置还包括激励器臂（转矩臂）和推杆的已知设计。在这种情况下本发明的目标在于防止作为输入轴被连接到马达轴的变速箱反转。预张紧装置作用在马达轴上并且施加预张力，使得不发生齿轮反转。即，在生成周期性激励力期间，变速箱的齿轮的齿保持接合，从而绝不会接触相反的齿。以此方式，能够极大地减少变速箱的磨损和激励力的噪声。

在具有变速箱的实施例中，因为预张力被施加到马达轴，优选地，预张紧装置可以包括马达本身，从而至少施加预张力的一部分，特别地通过使用控制装置来相应地控制马达。然而，预张力也可以至少部分地由预张紧装置的单独构件来施加，所述构件是例如弹簧或活塞。

然而，在本发明的特别优选的实施例中，联接装置包括：

-用于安装到叶片以便向叶片传递激励力的传递装置；

-被安装到致动器的致动器轴的滑轮；以及

-用于将滑轮联接到传递装置的柔性联接元件，滑轮被构造成缠绕金属丝以传递激励力，

-其中联接元件通过预张紧装置被预张紧。

本发明的基本想法在于提供激励力，特别地正弦激励力，所述激励力从不改变符号，因此该激励力仅在推动或优选地拉动方向上被施加，该想法能够被用于提供用疲劳测试的激励器装置的全新设计。在这种设计中，代替变速箱，使用滑轮，其中滑轮的直径被选择成在标称旋转速度（rpm）下获得某个缠绕速度（米/秒）。因为力仅作用在一个方向上，在这种情况下是拉动方向上，所以柔性联接元件可以被用于将滑轮联接到叶片。

柔性联接元件特别地可以是金属丝状或带状。即，柔性联接元件是细长的，至少在其纵向方向上基本无弹性并且与纵向方向垂直是柔性的。特别地，联接元件可以选自包括钢丝、绳、带和纤维的组。

联接元件被固定到滑轮，其中滑轮可以具有轨道以用于联接元件或每个联接元件与其固定。联接元件也被附接到传递装置，从而完成联接。在优选实施例中，滑轮可以被放置在叶片上的接触点下方，不过附加滑轮可以被用于重定向柔性联接元件，特别地用于引导激励力，使得其在拉动方向上竖直地作用在叶片上。在操作中，由于联接元件被固定到滑轮，所使得动器的周期性转矩导致重复地将柔性联接元件缠绕到滑轮和从滑轮展开柔性联接元件。因为柔性联接元件（且因此滑轮和致动器轴，特别地马达轴）借助于预张紧装置被预张紧，所以滑轮的每次旋转运动且因此联接装置的每次缠绕都导致被施加在叶片上的（拉动）激励力的变化。

激励器装置的该设计可以被简述为是用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试的激励器装置，其包括用于生成周期性激励力的致动器（特别地马达）和用于将致动器联接到待测试的叶片的联接装置，其特征在于所述联接装置包括用于安装到叶片以将激励力传递到叶片的传递装置、被安装到致动器的致动器轴的滑轮以及用于将滑轮联接到传递装置的柔性联接元件，滑轮被构造成缠绕金属丝以传递激励力，其中联接元件通过预张紧装置被预张紧。

利用滑轮的具体构造的优点首先在于不需要变速箱，使得无论如何不会发生变速箱反转。因此减少了对所述至少一个滑轮和联接元件的磨损的磨损。此外，通过去除了激励器臂、推杆和齿轮式马达轴惯性，减少了等效质量，使得增加装置的本征频率并且能够减少疲劳测试的时间。第三，提高了疲劳测试的品质，这是因为激励器装置在单个点处不会引入大的质量和惯性。

在有利的实施例中，马达可以是三相感应马达。即，本发明允许使用便宜的标准三相感应马达来代替伺服马达，使得能够进一步降低激励器装置的成本。

在具体实施例中，预张紧装置可以包括弹簧或质量件或活塞，其中通过使用被固定到滑轮的柔性预张紧元件来施加预张力。作为附加柔性联接元件的柔性预张紧元件也可以是金属丝状或带状（如关于柔性联接元件所描述的）并且也被固定到滑轮，使得由于附接到弹簧、质量件或活塞，预张紧力作用在滑轮上，从而也张紧柔性联接元件。特别地，弹簧可以被附接到预张紧元件和配对轴承，例如混凝土块或者类似物，使得预张力被施加到滑轮且因此被施加到致动器轴和联接元件。如果使用质量件，则自由悬置的质量件可以被附接到预张紧元件，使得重力提供预张紧力。注意到，例如如果弹簧被集成到预张紧元件中，则配对轴承当然可以包括预张紧元件的一部分。

在尤其优选的设计中，配对轴承可以包括联接元件和/或用于联接元件的附接装置和/或传递装置被用作配对轴承。以此方式，得到非常紧凑的激励器装置，使得需要较小空间。本质上，在这种实施例中，叶片本身提供配对轴承的主要质量。

替代性地或者此外，预张紧装置可以包括致动器，其施加预张力的至少一部分，特别地通过使用控制装置来相应地控制致动器。在这种情况下，如果致动器施加全部预张力，则预张紧装置不需要附加构件，从而允许非常紧凑的设计。预张力例如可以通过向致动器的控件添加偏移来实现。

如从现有技术已经已知的，传递装置可以包括轭。不过，在优选实施例中，传递装置也可以包括围绕叶片吊挂的吊索，因为在这种实施例中激励力仅作为拉力作用。吊索的使用进一步减少了质量、复杂性和成本。相比于柔性联接元件和柔性预张紧元件，吊索可以由金属丝（特别地钢丝）、绳、带或纤维材料制成。

联接元件可以通过附接装置被附接到传递装置，该附接装置包括用于固定联接元件的至少一个通孔。优选地，如果传递装置包括如上所述的吊索，则附接装置可以包括用于吊索的附加通孔。

如已经讨论的，激励器装置可以包括测压元件，其特别地被连接到控制装置。控制装置可以使用测量数据来用于反馈控制。

在有利实施例中，测压元件可以被附接装置包括。附接装置的位置是提供被用于控制激励器装置的力测量的理想点。因此，测压元件可以被集成到附接装置中或者甚至用于附接装置。

本发明进一步涉及用于风力涡轮机的叶片的疲劳测试方法，其中周期性激励力由致动器（特别地马达）生成并且通过用于将致动器联接到叶片的联接装置被施加到叶片，其中预张力被施加到叶片，使得在周期性激励力的整个周期上激励力仅作用在拉动或推动方向上。关于根据本发明的激励器装置的所有特征和注释也适用于根据本发明的方法，从而实现相同的优点。特别地，根据本发明的激励器装置被用于根据本发明的方法。

附图说明

进一步的细节和优点在结合附图从具体实施例的后续描述中变得显而易见，在附图中：

图1示出根据本发明的激励器装置的原理图，

图2是示出常规施加的激励力和根据本发明施加的激励力的曲线图，

图3示出根据本发明的激励器装置的第一实施例，

图4示出关于第一实施例的细节，

图5示出根据本发明的激励器装置的第二实施例，

图6示出根据本发明的激励器装置的第三实施例，

图7示出根据本发明的激励器装置的第四实施例，

图8示出根据本发明的激励器装置的第五实施例，以及

图9示出根据本发明的激励器装置的第六实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的激励器装置1的大体结构。激励器装置1将被用于通过沿叶片2在某个位置处在叶片上施加周期性（在这种情况下是正弦）激励力来疲劳测试叶片2。为了产生这种激励力，激励器装置1大体包括马达3作为致动器，所述马达在这种情况下是三相感应马达，其由控制装置4控制。在马达轴5处输出某个转矩的马达3通过使用在6处被大体示出的联接装置被联接到叶片2。联接装置6大体包括至少一个测压元件7，所述测压元件测量实际激励力，其中对应测量数据被应用到控制装置4从而使得能够实现反馈控制。

因为马达3在相对高转速（rpm）下输出相对小转矩，所以这个输出通过转换装置被转换成在叶片上的某个施加的拉动速度/力。关于本发明，存在两种选择。

在较不优选的第一实施例中，使用变速箱8，其输出轴向机械装置9供应更大的输出转矩，该机械装置9包括激励器臂和推杆（在这种情况下该推杆被更恰当地称为拉杆）。后者通过使用传递装置10被附接到叶片2，在这种较不优选实施例中该传递装置10是轭或大体是夹子。

在优选的第二选择中，滑轮11被附接到马达轴5，例如钢丝、绳或带的柔性联接元件12被固定到所述马达轴。柔性联接元件的另一端经由包括测压元件7的附接装置被附接到传递装置10。

对于第二选择的可行性至关重要的是预张紧装置13，其至少作用在马达轴5上，从而提供预张力，使得在正弦波形式的整个周期上激励力仅作用在拉动方向上。换言之，预张力能够被理解为周期性激励力的偏移，使得周期性激励力永不改变符号。

这在图2的曲线图中被示出，其中绘制激励力（单位为kN）与时间的关系。曲线14示出由根据现有技术的常规激励器装置产生的激励力。如能够看出的，正弦激励力基本围绕零振荡，从而导致在叶片上的交替的推拉操作。然而，曲线15示出了由根据本发明的激励器装置1产生的正弦激励力。如能够看出的，由预张紧装置13提供的预张力用作偏移16，使得激励力的符号总是"加号"，从而导致激励力仅施加在拉动方向上。以此方式，当使用变速箱8时，不发生变速箱反转，而在优选实施例中，当使用被固定到滑轮11的柔性联接元件12时，这种构造变得可行。

下列附图示出了根据本发明的激励器装置1的具体实施例。

图3示出激励器装置的第一实施例1a。在这种实施例中且在下文的实施例中，钢丝将被示例性用作柔性联接元件12和柔性预张紧元件17（在适用的情况下）。如能够看出的，在第一具体实施例中，钢丝18被固定到滑轮11，使得反转操作的马达3作用于从滑轮11缠绕和展开钢丝18。预张紧装置13包括自由悬置的质量件20，其被固定到用作柔性预张紧元件17的另一钢丝19。钢丝19也被固定到滑轮11，从而向滑轮11、马达轴和联接元件12（即钢丝18）提供预张力，从而保持其被预张紧。滑轮11可以为两个钢丝18、19提供轨道。

图4示出了用于钢丝19的附加滑轮21的使用，例如用于将自由悬置的质量件20水平放置在马达3下方。

返回图3，还在更大程度上示出了将经历测试的叶片2。叶片根部被牢固地固定在混凝土块22中。叶片2在某个位置处被传递装置10接收，使得施加的激励力可以导致叶片振荡，如箭头23所示。

图5示出根据本发明的激励器装置的第二实施例1b。在这种情况下，传递装置10包括木制轭24，待测试的叶片2被接收在该木制轭24中。用作柔性联接元件12的钢丝18被附接装置25附接到轭24，该附接装置25具有用于附接钢丝18的通孔并且也包括测压元件7。请注意在其他实施例的每个中测压元件7也可以被集成到附接装置25中，不过出于简明和可理解的原因，这将不被示出。

在这种实施例中的预张紧装置13也包括钢丝19作为预张紧元件，弹簧26被集成在所述预张紧元件中。钢丝19在附接装置25附近被固定到钢丝18，使得导致预张紧力。

图6示出了根据本发明的激励器装置的第三实施例1c，其与图5的实施例的区别在于传递装置10包括围绕叶片2悬吊的吊索27。吊索27例如可以穿过附接装置25的另一通孔。此外，在这种情况下，钢丝绳19也被固定到附接装置。

图7示出根据本发明的激励器装置的第四实施例1d。在使用木制轭24的这种实施例中，马达3本身形成预张紧装置13的一部分，因为其将预张力本身提供作为电转矩，所述电转矩特别地由控制装置4控制。预张紧装置13的这种实施例也可以与预张紧装置13的其他具体实施方式相结合；此外，代替木制轭24，也可以使用其他传递装置10，例如吊索27。

在图8中示出了根据本发明的激励器装置的另外的第五实施例1e。在这种变型中，弹簧26使用混凝土块28作为配对轴承以提供预张力。

作为根据本发明的激励器装置的第六实施例1f，在图9中再次示出了吊索27还可以被用作传递装置10的一部分。

虽然已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受公开的示例的限制，在不偏离本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够从所公开的示例中获得其他变型。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机的叶片（2）的疲劳测试的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），包括用于生成周期性激励力的特别为马达（3）的致动器和用于将所述致动器联接到待测试的叶片（2）的联接装置（6），其特征在于，所述激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f）包括预张紧装置（13），其施加预张力，使得在整个周期上所述激励力仅作用在拉动或推动方向上。

2.根据权利要求1所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f）进一步包括控制装置（4），所述控制装置（4）被构造成控制所述致动器生成具有预定频率的用于所述叶片（2）的周期性激励力，特别地由所述叶片（2）的本征频率和/或根据所述叶片（2）的联接点来计算所述预定频率。

3.根据权利要求1或2所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述联接装置（6）包括变速箱（8）。

4.根据权利要求1或2所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述联接装置（6）包括：

-用于安装到所述叶片（2）以便向所述叶片（2）传递所述激励力的传递装置（10）；

-被安装到所述致动器的致动器轴的滑轮（11）；以及

-用于将所述滑轮（11）联接到所述传递装置（10）的柔性联接元件（12），所述滑轮（11）被构造成缠绕金属丝以传递所述激励力，

-其中所述联接元件（12）通过所述预张紧装置（13）被预张紧。

5.根据权利要求4所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述致动器是三相感应马达（3）和/或所述联接元件（12）选自包括钢丝（18）、绳、带和纤维的组。

6.根据权利要求4或5所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述预张紧装置（13）包括弹簧（26）或质量件（20）或活塞，其中通过使用被固定到所述滑轮（11）的柔性预张紧元件（17）来施加预张力。

7.根据权利要求6所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述弹簧（26）被附接到所述预张紧元件（17）和配对轴承或者自由悬置的质量件（20）被附接到所述预张紧元件（17）。

8.根据权利要求7所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述配对轴承包括所述联接元件（12）和/或用于所述联接元件（12）的附接装置（25）和/或所述传递装置（10）被用作所述配对轴承。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述预张紧装置（13）包括所述致动器，所述致动器施加所述预张力的至少一部分，特别地通过使用所述控制装置（4）来相应地控制所述致动器。

10.根据权利要求4至9中一项所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述传递装置（10）包括轭（24）和/或围绕所述叶片（2）悬吊的吊索（27）。

11.根据权利要求4至10中一项所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，所述联接元件（12）通过附接装置（25）被附接到所述传递装置（10），所述附接装置包括用于固定所述联接元件（12）的至少一个通孔。

12.根据权利要求11所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，在所述传递装置（10）包括根据权利要求10所述的吊索（27）的情况下，所述附接装置（25）包括用于所述吊索的附加通孔。

13.根据前述权利要求中一项所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f），其特征在于，其包括测压元件（7），所述测压元件（7）特别地被连接到所述控制装置（4）。

14.一种用于风力涡轮机的叶片（2）的疲劳测试的方法，其中周期性激励力由特别是马达（3）的致动器生成并且通过用于将所述致动器联接到所述叶片（2）的联接装置（6）被施加到所述叶片（2），其特征在于，预张力被施加到所述叶片（2），使得在整个周期上所述激励力仅作用在拉动或推动方向上。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至13中任一项所述的激励器装置（1、1a、1b、1c、1d、1e、1f）。

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