CN114199500A - 大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种新的大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统。所述疲劳加载试验是对被试叶片进行水平横向拉伸、水平纵向拉伸、弯曲、扭转单一的加载以及对被试叶片进行拉弯扭组合加载。被试叶片横向通过主支撑装置上的三抓卡盘固定于加载试验支座上，叶片上设有加载部，从而对叶片进行表面风载仿真模拟。该测试系统包括：高精度液压伸缩臂、叶片夹具、叶片、滑块导轨底座、滑轨、小型伸缩杆、弹簧支撑杆、滑块、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、横梁导轨、夹持器、螺栓、三抓卡盘、主支撑装置、PC机、PLC控制箱、激光传感器、橡胶垫片。本发明能够实现对大型风力机叶片实尺寸表面风载进行仿真模拟，在更贴近现实受载特征的情况下得到更可靠的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统，属于叶片载荷模拟试验领域。
背景技术
风力机叶片是整个风力发电机组的核心部件，其制造成本占风力发电机组的总成本的20％～30％，其气动性能在很大程度上决定了风力发电机组的可靠性和风能利用的经济性。风力机叶片的翼型、材料都决定着风力机的输出功率和叶片的受力情况，从而影响着风力机的使用寿命，随着风力机的功率的不断地增加，风力机的叶片也不断地增长，目前有些大功率风力机的叶片已有100多米长，叶片承受很大的载荷。叶片受到的力包括空气动力使叶片承受的弯曲和扭转力；叶片离心力使叶片承受的拉伸、弯曲和扭转；重力使叶片承受的拉伸、弯曲和扭转。风力机叶片载荷评估问题是风力机叶片设计与运行中所关注的一项重要内容。在风力机叶片设计中，需要对叶片的载荷情况进行分析与评估，并作为后续设计的基础。在实际设计中，大都是依据风场的统计数据与相关规范要求，结合叶片气动计算，进行载荷的分析与评估。然而，由于实际叶片的气动特性大都处于非定常流场工况，叶片载荷包含了气动载荷、惯性载荷、控制载荷等多种因素的叠加效应，叶片大型化、柔性化导致的叶片气弹耦合作用也使载荷问题更为复杂，采用计算手段获取叶片载荷的实际分布情况，在计算精度与计算效率上都面临着很大的不足。采用风洞试验可以在一定程度上开展叶片载荷情况的评估与研究，但由于风力机叶片的结构尺度较大，现有的大型风洞难以满足对全尺寸风力机叶片载荷的测试评估。
发明内容
本发明的目的是为了能够给叶片疲劳加载试验提供一种大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统，能够实现对风力机叶片实尺寸工作状态下进行模拟风力加载。
本发明的目的是这样实现的：大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统，所述疲劳加载试验是对被试叶片进行水平横向拉伸、水平纵向拉伸、弯曲、扭转单一的加载以及对被试叶片进行拉弯扭组合加载。被试叶片横向通过主支撑装置上的三抓卡盘固定于加载试验支座上，叶片上设有加载部，从而对叶片进行表面风载仿真模拟。该测试系统包括：高精度液压伸缩臂、叶片夹具、叶片、滑块导轨底座、滑轨、小型伸缩杆、弹簧支撑杆、滑块、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、横梁导轨、夹持器、螺栓、三抓卡盘(可自动定心)、主支撑装置、PC机、PLC控制箱、激光传感器、橡胶垫片。
主支撑装置通过高强度螺栓固定在地面上，它是由液压伸缩原理控制支撑臂的上下运动，叶片通过三抓卡盘固定且可带动叶片旋转，主支撑装置底部内放置有PC机和PLC控制箱。叶片加载部安装对应的叶片夹具，根据测试叶片型号选取对应的叶片夹具的型号，通过螺栓闭合叶片夹具，安装于叶片的加载部。叶片的各加载部与叶片夹具之间均设有垫片，避免加载试验过程对加载部造成表面损伤。垫片优先选用橡胶垫片。
PC机一个端口通过导线连接PLC控制箱，控制箱通过导线连接电源，电源通过导线连接开关控制器控制高精度液压伸缩臂、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、主支撑装置工作，另一个端口通过导线连接安放在高精度液压伸缩臂、滑轨、弹簧支撑杆、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、横梁导轨、主支撑装置上的激光传感器。
大型风力机叶片叶尖右侧放置如图2所示的叶片水平横向拉伸机构，该叶片水平横向拉伸机构由滑块、横梁导轨、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆构成，横梁导轨上放置滑块可向右拉伸叶片。
大型风力机叶片前面放置如图3所示的水平纵向拉伸机构，该叶片水平纵向拉伸机构由滑块导轨支撑座、滑块、小型伸缩臂与夹持器构成，由于叶片自身具有一定的旋转角度，导致叶片夹具安装的高度位置不统一，所以应用小型伸缩臂来避免对叶片高度不统一而造成的破坏，叶片夹具通过夹持器与小型伸缩臂连接，由滑块带动叶片进行水平纵向拉伸。
试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为主支撑装置、三抓卡盘、高精度液压伸缩臂、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆提供工作能量，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号，激光传感器采集叶片受载时的频率信号传递给PC机，该信号作为载荷变化的控制信号。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明对被试叶片可进行水平横向拉伸方向、水平纵向拉伸方向、水平弯曲方向、扭转方向单一的加载也可对被试叶片进行拉弯扭组合加载，较为真实的反应叶片所受载荷的情况，并且试验装置的各零部件采用工厂规格化定制，采用现场高强度螺栓连接方式固定连接，试验装置安装速度快。本发明能够根据测试叶片的型号自由选择叶片的装载装置的高度，通过PLC控制系统控制变载，通过本发明模拟的风力加载，具有较强的普遍性和通用性的技术特点。本发明通过参考测试叶片型号合理安排叶片夹具的加载位置分布，通过参考激光传感器反馈的频率信号控制加载装置所施加载荷的量值来实现模拟设计风载加载，针对叶片表面流场特点，夹具上所受力的大小进行差别处理，每个加载区域的负载，由激光传感器测量反馈方法得到，再由PLC控制系统控制实现。本发明可真实反映载荷工况、结构特征等实际因素对评估分析的影响，并且此加载方式平稳、连续且节约占地空间。
附图说明
图1是模拟风力机叶片疲劳加载系统三维图及局部放大图；
图2是模拟风力机叶片水平横向拉伸疲劳加载示意图；
图3是模拟风力机叶片水平纵向拉伸疲劳加载示意图；
图4是模拟风力机叶片弯曲疲劳加载示意图；
图5是模拟风力机叶片扭转疲劳加载示意图；
图中：
高精度液压伸缩臂1.1～1.4；叶片夹具3.1～3.5；叶片4；滑块导轨底座5；滑轨6；小型伸缩杆2；弹簧支撑杆7；滑块8；可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2；横梁导轨10；夹持器11；三抓卡盘(可自动定心)13；主支撑装置12；PC机和PLC控制箱位于主支撑装置12底部内；其中高精度液压伸缩臂1.1～ 1.4、滑轨6、弹簧支撑杆7、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2、横梁导轨10、小型伸缩杆2、主支撑装置12上都存在激光传感器，叶片与叶片夹具之间存在橡胶垫片。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的一种大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统的具体实施方式，如图1至图5所示，其结构主要包括：高精度液压伸缩臂1.1～1.4、叶片夹具3.1～3.5、叶片4、滑块导轨底座5、滑轨6、小型伸缩杆2、弹簧支撑杆7、滑块8、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2、横梁导轨10、夹持器11、三抓卡盘(可自动定心)13、主支撑装置12、PC机和PLC控制箱位于主支撑装置12底部内、激光传感器、橡胶垫片(叶片与叶片夹具之间)。
主支撑装置12通过高强度螺栓固定在地面上，其材料选用钢材，主要由液压控制的可上下伸缩的两节伸缩臂与夹持叶片根部的三抓卡盘13构成，叶片通过三抓卡盘13固定且可带动叶片旋转。考虑到主支撑装置12需要承载整个加载系统的反作用力，因此主支撑装置的设计要求需具备足够的刚度，保证试验加载过程的安全，并减小结构自身变形对加载系统所施加载荷的影响。
如图1所示，叶片加载部安装对应的叶片夹具3.1～3.5，根据测试叶片型号选取对应的叶片夹具的型号，通过螺栓闭合叶片夹具，安装于叶片4的加载部。叶片4的各加载部与叶片夹具3.1～3.5之间均设有垫片，避免加载试验过程对加载部造成表面损伤。垫片优先选用橡胶垫片。
如图2所示，本实施例中，在对风力机叶片进行水平横向方向上的拉伸试验时，叶片通过主支撑装置12上的三抓卡盘13将叶片根部固定，同时叶片水平横向拉伸机构(滑块8、横梁导轨10、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2)共同作用，通过滑块8与其叶片夹具3.5通过螺栓连接，叶片同滑块8共同向右进行拉伸，弹簧支撑杆7可防止叶片产生变形，从而使叶片产生水平横向拉力。
如图3所示，本实施例中，在对风力机叶片进行水平纵向方向上的拉伸试验时，叶片通过主支撑装置 12上的三抓卡盘13将叶片根部固定，小型伸缩杆2与叶片夹具3通过夹持器11连接，且小型伸缩杆2通过滑块8可在滑块导轨底座5上纵向运动同时带动叶片进行水平纵向拉伸，从而使叶片产生水平纵向拉力。
如图4所示，本实施例中，在对风力机叶片进行弯曲方向的加载试验时，叶片通过主支撑装置12上的三抓卡盘13将叶片根部固定，通过叶片夹具3.1～3.3和3.5上的螺栓(施加载荷点)与高精度液压伸缩臂1.1～1.4连接，通过高精度液压伸缩臂1.1～1.4向下收缩带动叶片运动，高精度液压伸缩臂1.1～ 1.4下降收缩位移均不同，越靠近叶尖下降位移越大，最终使叶片实现水平弯曲运动，同时弹簧支撑杆7 可以防止由于弯曲而使叶片前端承受巨大的弯曲变形而使叶片折断。
如图5所示，本实施例中，在对风力机叶片进行扭转方向的加载试验时，叶片通过主支撑装置12上的三抓卡盘13将叶片根部固定并通过三抓卡盘13的旋转带动叶片进行旋转的同时叶片前端受夹具3.5与高精度液压伸缩臂1.4的作用，使其叶片最终产生扭矩。
如图1所示，本实施例中，在对风力机叶片同时进行水平横向拉伸方向、水平纵向拉伸方向、弯曲方向、扭转方向上的加载试验时，叶片通过主支撑装置12上的三抓卡盘13将叶片根部固定，通过三抓卡盘 13旋转带动叶片产生扭转，以及叶片水平横向拉伸机构对叶片产生水平横向拉力，同时滑块导轨底座5上的小型伸缩杆2通过夹持器11带动叶片进行水平纵向拉伸与高精度液压伸缩臂1.1～1.4向下收缩带动叶片产生弯曲变形，弹簧支撑杆7防止叶片弯曲变形程度严重而使叶片折断，叶片上各加载受力同时进行间隔加载设置，最终使叶片承受拉弯扭组合加载，间隔加载设置可使各个方向上的加载力都很均匀，进而确保四个方向上的加载试验结果都较为准确和可靠。
最后说明的是，试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为主支撑装置12、三抓卡盘13、高精度液压伸缩臂1.1～1.4、小型伸缩杆2、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2提供工作能量，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号，激光传感器采集叶片受载时的频率信号传递给PC机，该信号作为载荷变化的控制信号。
本实施例的加载试验装置不仅能够实现叶片单一受水平横向拉伸方向、水平纵向拉伸方向、弯曲方向、扭转方向上的加载试验，还能够同时实现叶片受拉弯扭组合的加载试验，因此，本发明的加载试验装置试验功能比较齐全，使用范围更为广泛。
综上，本发明提供了一种适用于风力机叶片具备较强通用性和实用性的模拟风力加载系统，其结构主要包括：高精度液压伸缩臂1.1～1.4；叶片夹具3.1～3.5；叶片4；滑块导轨底座5；滑轨6；小型伸缩杆2；弹簧支撑杆7；滑块8；可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2；横梁导轨10；夹持器11；三抓卡盘(可自动定心)13；主支撑装置12；PC机和PLC控制箱位于主支撑装置12底部内；其中高精度液压伸缩臂1.1～1.4、滑轨6、弹簧支撑杆7、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆9.1～9.2、横梁导轨10、小型伸缩杆2、主支撑装置12上都存在激光传感器，叶片与叶片夹具之间存在橡胶垫片。其中PC机、PLC控制箱和激光传感器组成检测控制系统，主要起调节控制作用。本发明能够实现对实际风力机叶片工作载荷的加载，通过检测控制系统调节各个加载区域的载荷量值，实现对结构加载的控制，具有结构简单，有效实用，安装方便等优点，可满足风力机叶片实尺寸结构模拟风力的加载。
Claims (8)
1.大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统，所述疲劳加载试验是对被试叶片进行水平横向拉伸、水平纵向拉伸、弯曲、扭转单一的加载以及对被试叶片进行拉弯扭组合加载，被试叶片横向通过主支撑装置上的三抓卡盘固定于加载试验支座上，叶片上设有加载部，从而对叶片进行表面风载仿真模拟；该测试系统包括：高精度液压伸缩臂、叶片夹具、叶片、滑块导轨底座、滑轨、小型伸缩杆、弹簧支撑杆、滑块、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、横梁导轨、夹持器、螺栓、三抓卡盘、主支撑装置、PC机、PLC控制箱、激光传感器、橡胶垫片。
2.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：主支撑装置通过高强度螺栓固定在地面上，它是由液压伸缩原理控制支撑臂的上下运动，叶片通过三抓卡盘固定且可带动叶片旋转，主支撑装置底部内放置有PC机和PLC控制箱。
3.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：叶片加载部安装对应的叶片夹具，根据测试叶片型号选取对应的叶片夹具的型号，通过螺栓闭合叶片夹具，安装于叶片的加载部，叶片的各加载部与叶片夹具之间均设有垫片，避免加载试验过程对叶片加载部造成表面损伤，垫片优先选用橡胶垫片。
4.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：PC机一个端口通过导线连接PLC控制箱，控制箱通过导线连接电源，电源通过导线连接开关控制器控制高精度液压伸缩臂、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、主支撑装置工作，另一个端口通过导线连接安放在高精度液压伸缩臂、滑轨、弹簧支撑杆、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆、横梁导轨、主支撑装置上的激光传感器。
5.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：大型风力机叶片叶尖右侧放置水平横向拉伸机构，该水平横向拉伸机构由滑块、横梁导轨、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆构成，横梁导轨上放置滑块可向右拉伸叶片。
6.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：大型风力机叶片前面放置水平纵向拉伸机构，该叶片水平纵向拉伸机构由滑块导轨支撑座、滑块、小型伸缩臂与夹持器构成，叶片夹具通过夹持器与小型伸缩臂连接，由滑块带动叶片进行水平纵向拉伸。
7.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：大型风力机叶片进行水平弯曲方向的加载试验时，叶片通过主支撑装置上的三抓卡盘将叶片根部固定，通过叶片夹具上的螺栓与高精度液压伸缩臂连接，通过高精度液压伸缩臂向下收缩带动叶片运动，高精度液压伸缩臂下降收缩位移均不同，越靠近叶尖下降位移越大，最终使叶片实现水平弯曲运动，同时弹簧支撑杆可以防止由于弯曲而使叶尖处承受巨大的弯曲变形而使叶片折断。
8.根据权利要求1所述的大型风力机叶片实尺度模拟风力加载测试系统，其特征在于：试验过程中电源接受PLC控制箱传递过来的控制信号为主支撑装置、三抓卡盘、高精度液压伸缩臂、可上下伸缩的横梁导轨支撑杆提供工作能量，具体工作情况依据激光传感器的反馈信号，激光传感器采集叶片受载时的频率信号传递给PC机，该信号作为载荷变化的控制信号。
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