CN114631010A - 风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构（1），其包括：支撑单元（12），其被构造成在疲劳测试程序期间支撑转子叶片（2）；激励器（13），其被配置成在疲劳测试程序期间偏转转子叶片（2）；以及用于在安装长度（11L）上安装到转子叶片（2）的刚度增加组件（11），该刚度增加组件（11）实现为增加转子叶片（2）在安装长度（11L）中的刚度。本发明还描述了一种使用这种负载模拟器布置结构（1）在风力涡轮机转子叶片（2）上进行疲劳测试程序的方法。

Description

风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构

技术领域

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构，以及一种使用这种负载模拟器布置结构在风力涡轮机转子叶片上进行材料测试程序的方法。

背景技术

在给予批准开始批量制造之前，风力涡轮机转子叶片通常要经过严格的材料测试。众所周知，沿着风力涡轮机转子叶片间隔地安装负载引入夹具（诸如负载框架）并实施激励器以实现转子叶片的振荡。负载框架通常是重型配件，例如由木材制成，并且成形为在沿着转子叶片长度的特定位置处紧紧地夹持在转子叶片周围。对于长度为50 m或更长的转子叶片，可以使用几个这样的负载框架，每个负载框架都是定制的，以安装在沿着叶片长度的特定位置处。负载框架的大小和重量与转子叶片在其安装位置处的尺寸直接相关，使得用于安装在转子叶片外侧区域中的负载框架将相对地小且轻，但是用于安装在内侧区域中的负载框架将是大且重的。必须仔细计算每个负载框架的重量，使得每个负载框架在其安装位置处获得期望的动态力矩，但不会导致转子叶片的不同区域中的过载。

转子叶片的一个端部（通常是圆形且相对硬的根端）固定到在刚性或固定的支撑块或基座上。电动或液压激励器例如借助于杆联接到一个或多个负载框架配件。为了进行疲劳测试，激励器重复地来回移动致动器，从而实现转子叶片的振荡。循环加载可以持续适当的持续时间，以模拟由风负载、阵风、湍流等引起的长期损坏。在疲劳测试期间，通常从安装在转子叶片的表面上和/或转子叶片的主体中的各种传感器收集数据。例如，多个电阻应变仪可以提供转子叶片如何受到襟翼方向和/或边缘方向弯曲力矩影响的准确图片。在疲劳测试完成之后，转子叶片可另外进行视觉检查、超声波检查或任何其他合适的检查。

IEC标准61400-23：2014（“转子叶片的全尺寸结构测试”）规定，负载框架任一侧上高达75%弦长的区域必须排除在疲劳测试之外，因为负载框架用于加固叶片。因此，为了对转子叶片进行有意义的负载测试，负载框架的数量优选保持在小的数量。例如，在现代风力发电场中更广泛使用的非常长的转子叶片的情况下，其长度在100米的数量级，疲劳测试需要4 - 7个大的（即更重的）负载框架。然而，大负载框架配件处理起来是麻烦的，并且通常必须使用诸如起重机的提升设备提升到位。相对脆弱的转子叶片在这种安装程序期间会容易被负载架的钢架或起重设备的任何链条、吊索等损坏。此外，在对具有大直径根端和相应的重负载框架的长转子叶片进行疲劳测试期间，必需的大激振器振幅（以在根端中实现目标振荡）导致转子叶片的肩部或过渡区域中不合期望的大振荡，这可能导致叶片故障。大型负载框架的另一个问题是，在疲劳测试期间，负载框架和转子叶片表面之间的接触处的摩擦会将接触区域加热到其变脆和劣化的程度。由测试装备造成的这种损坏是不方便的，并且显著增加了开发风力涡轮机转子叶片的总成本。

由于这些原因，需要使用更大的负载框架配件会使得难以为这样长的转子叶片计划和实施疲劳测试。此外，负载框架的最大允许重量可能受到安全要求的限制。

这种重量限制有效地限制了疲劳测试的范围，使得也许不可能获得对转子叶片承受负载能力的彻底了解。没有这样的信息，可能难以建立对转子叶片寿命的准确预测，或者难以预测转子叶片在其预期寿命内将如何表现。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在风力涡轮机转子叶片上进行疲劳测试的改进方法。

这个目的通过权利要求1的负载模拟器布置结构和权利要求14的在风力涡轮机转子叶片上进行疲劳测试程序的方法来实现。

根据本发明，风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构或“测试装备”包括：支撑单元或基座，其被构造成在疲劳测试程序期间支撑转子叶片；激励器，其被配置成在疲劳测试程序期间向转子叶片施加力；以及用于安装到转子叶片的刚度增加组件，该刚度增加组件实现为增加安装区域中转子叶片的刚度。

在本发明的上下文中，刚度增加组件应被理解为在安装区域上安装到转子叶片，并且在该区域上起作用。换句话说，刚度增加组件增加了安装区域中的转子叶片刚度。本发明的测试装备的优点在于，通过有意增加特定区域中的转子叶片刚度，可以减少负载框架。

根据本发明，使用这种负载模拟器布置结构在风力涡轮机转子叶片上进行疲劳测试程序的方法包括以下步骤：将转子叶片的根端固定到支撑单元；将刚度增加组件安装到转子叶片；将激励器连接到转子叶片；以及致动激励器预定的持续时间，以使转子叶片经受循环负载。

本发明方法的一个优点是刚度增加组件有效地防止了转子叶片的不合期望的大的振荡，从而降低了在疲劳测试期间损坏转子叶片的可能性，并且增加了在疲劳测试期间收集的数据的价值。

如下面的描述中所揭示的，从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合，以给出本文没有描述的进一步的实施例。

在下文中，可以假设风力涡轮机转子叶片具有100米数量级的长度。还可以假设转子叶片的根端具有4米数量级的直径，并且圆柱形根端延伸超过10米范围的长度

表达“疲劳测试”、“材料测试”和“负载测试”可视为同义词，并且在下文中可互换使用。术语“负载模拟器布置结构”和“测试装备”是同义词，并且在下文中可以互换使用。

刚度增加组件可以以任何适当的方式实现。在本发明的特别优选的实施例中，刚度增加组件包括安装在转子叶片上第一位置处的第一端部配件、安装在转子叶片上第二位置处的第二端部配件以及在端部配件之间延伸的承拉元件。在本发明的优选实施例中，端部配件之间的距离包括转子叶片长度的10%。在本发明的上下文中，每个端部装配件应被理解为固定地安装到转子叶片，并且可被实现为紧紧地夹持在转子叶片周围。

承拉元件应被理解为以这样一种方式附接在端部配件之间，使得这些端部配件彼此施加张力。这种构造的效果是增加端部配件之间区域中的转子叶片刚度。因此，刚度增加组件在该区域上不如转子叶片那么有柔性。优选地，刚度增加组件的柔性在该长度上至多为转子叶片柔性的75%。

存在实现承拉元件的各种方式。在本发明的优选实施例中，承拉元件包括在第一端部配件和第二端部配件之间延伸的至少一个弹簧。优选地，若干个相同的弹簧围绕转子叶片的圆周等距离地布置。在这种布置结构中，刚度增加组件可以非常有效地增加该区域上的转子叶片刚度。

在本发明的替代实施例中，承拉元件包括在第一端部配件和第二端部配件之间延伸的弹性或承拉“软管”。例如呈软管形式的金属丝网、玻璃纤维网、碳纤维网等可以在端部配件之间延伸。可以选择网的密度和材料的选择，以在该区域中实现转子叶片刚度的期望的增加。

承拉元件可以是夹具（弹簧、钢筋、网）的任何布置结构，当安装在端部配件之间时，其确保刚度增加组件的柔性小于转子叶片在该区域中的柔性。

在本发明的优选实施例中，刚度增加组件包括可调节的承拉元件，即可以被调节或调整以获得所期望程度的增加的转子叶片刚度的承拉元件。这可以例如通过弹簧元件的适当预张紧来实现。

刚度增加组件优选地安装到叶片、靠近或邻近根端区域，以避免在转子叶片的该部分中需要重且难处理的负载框架配件。

在本发明的特别优选的实施例中，刚度增加组件直接安装在根端区域中。在这样的实施例中，第一端部配件安装到支撑单元，并且第二端部配件沿着叶片的根端以一定距离安装。这种布置结构的优点在于，在转子叶片的最内端处不需要轭。

刚度增加组件的端部配件可以实现为夹持在转子叶片周围的轭。替代地，端部装配件可包括附接在转子叶片的相对侧上的一对板。该板（例如金属板或由玻璃纤维材料制成的板）优选地通过粘合剂结合附接到转子叶片表面。每个板还包括将其连接到承拉元件（诸如弹簧）的装置。在这种实现中，承拉元件可以在两个端部配件的板之间延伸，或者在支撑结构和一个端部配件的板之间延伸。

使用粘合板代替夹持轭或负载框架的优点是减少了静态负载。此外，与夹持轭相比，到叶片的负载引入显著更精确，因为对于夹持轭而言，不可能精确地确定负载在其处传递到转子叶片的点。

本发明的测试装备优选地还包括多个负载模拟器配件或负载框架，其被实现为用于附接到转子叶片。每个负载框架可以如从现有技术中已知的那样构造，例如作为木制“轭”，其成形为夹持在转子叶片的特定部分周围，并且其被包含在钢架中。将被安装在转子叶片的翼型部分上的特定位置处的每个负载模拟器配件将被成形为在该位置处围绕弯曲轮廓配合。对于长度在100米数量级的转子叶片，本发明的测试装备可以实施五个或更多个负载框架。

负载框架优选地被实现为用于连接到激励器，例如它可以被构造成具有将其连接到从激励器延伸的刚性致动器杆或连杆的装置。

为了使用本发明的测试装备进行疲劳测试，将刚度增加组件放置在根端区域中或附近的适当位置，将适当数量的负载模拟器配件安装到转子叶片，并且将这些配件中的至少一个连接到激励器的致动器。然后激活激励器以使转子叶片以受控的方式振荡。循环加载持续预定长度的时间，在此期间，可从传感器收集数据，所述传感器诸如是安装在转子叶片上的应变仪。

附图说明

从下面结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应当理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

图1 - 4示出了本发明测试装备的实施例；

图5示出了现有技术的测试装备；

图6示出了本发明测试装备的另一实施例；

图7示出了在测试转子叶片期间的归一化偏转的曲线图。

在图中，相同的数字始终指代相同的对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了本发明的测试装备1的第一实施例。转子叶片2的根端22已经安装到支撑块12或基座12。该图示出了作为水平布置结构的组件，但是应当理解，转子叶片可以竖直地安装到支撑块12。这里，呈负载框架形式的多个负载模拟器配件10已经以预定间隔被夹持在风力涡轮机转子叶片2周围。转子叶片尖端端部21附近的外侧负载模拟器配件10的质量可以在200 kg的数量级。负载模拟器配件10的质量朝着内侧端或根端22增加，即在根端22附近需要更重的配件。在内侧端22附近，代替简单的负载框架，刚度增加组件11在从转子叶片长度2L的2%延伸到30%的区域11L上安装到转子叶片。在该实施例中，刚度增加组件11包括夹持在转子叶片2周围的两个端部配件110，以及在端部配件110之间延伸的多个张紧夹具111。张紧夹具111在端部配件110之间施加拉力F₁₁，这表现为转子叶片2沿着安装区域11L的刚度增加。张力F₁₁或拉力F₁₁的方向平行于转子叶片2的表面。张紧夹具111可以是在端部配件110之间实现期望拉力F₁₁的任何结构，例如张紧杆、预张紧弹簧、预张紧线缆、压力弹簧等。刚度增加组件11被构造成使得当安装到转子叶片2时，刚度增加组件11的刚度大于转子叶片2在安装区域11L上的刚度。

该图还示出了通过刚性致动器133联接到负载模拟器配件10中的一个的激励器13。为了进行材料测试，激励器13操作预定的持续时间，以使转子叶片2经受循环加载。可以计划材料测试，以预定的速率或频率，对于预定数量的振荡，使被联接的负载模拟器配件10偏转特定的振幅13A，即如图中所示的致动器133的冲程。

刚度增加组件11的作用是减少或抑制转子叶片内侧端22中的振荡，从而防止疲劳测试期间的过冲。在该图中指示了转子叶片2在该区域中减小的偏转D1。通过使用刚度增加组件11，可以增加致动器冲程13A和/或致动器速度和/或测试持续时间，使得可以获得更彻底和更有信息的测试结果，同时避免在沿着转子叶片2的任何点处的临界过度振荡。尽管图中未示出，但是可以提供应变仪的布置结构，例如每隔1 - 5米。

图2示出了替代实施例，其中刚度增加组件11包括作为连接在两个端部配件110之间的张紧夹具的网111。网111被构造成在端部配件110之实现拉力F₁₁或张紧。这种构造的优点在于，与上面图1中提到的使用单个弹簧相比，负载可以更均匀地分布，因为分立的弹簧基本上在一个主要方向上施加其拉力。在该图中指示了转子叶片2在该区域中减小的偏转D2。

在图1和图2中，刚度增加组件11的端部配件110可以实现为负载框架10或简单的轭，其构造主要目的是牢固地夹持在转子叶片2的主体周围，以充当用于刚度增加组件11的锚。

图3示出了刚度增加组件11的替代实现，其中端部配件110以两个板的形式提供，这两个板通过粘合剂在转子叶片2的相对侧上结合到转子叶片表面。该图示出了面向观察者的一个板，并且该端部配件110的另一个板可被假定为附接在转子叶片2的相对侧上。在该实施例中，承拉元件111在板和支撑块12之间延伸。这里，张力的方向也平行于转子叶片2的表面。在该图中指示了转子叶片2在该区域中减小的偏转D3。图4是另一个简化示意图，示出了一个实施例，其中刚度增加组件11的两个端部配件110都由附接到转子叶片表面的板实现，并且每个弹簧元件111在一对板之间延伸。在图3和图4所示的实施例中，应理解的是，弹簧元件111可以布置成非常靠近转子叶片。

图5示出了用于风力涡轮机转子叶片2的现有技术测试装备5。这里，若干个负载框架10已经沿着转子叶片2的长度被夹持在转子叶片2周围。靠近转子叶片尖端21的外侧负载模拟器配件10的质量可以在200 kg的数量级，而靠近转子叶片根部22的内侧负载模拟器配件10的质量可以高达5000 kg。这种重型配件会导致疲劳测试期间过载，这由较大的偏转D5指示，并且由此产生的不合期望的“过度测试”会降低疲劳测试期间收集的数据的质量，并且甚至可能导致转子叶片的损坏。

图6示出了本发明测试装备的另一个实施例，其中，刚度增加组件11在从转子叶片长度2L的0%延伸到20%的安装区域11L上安装到转子叶片。这种构造的优点在于，一个端部配件10还可以安装到支撑块12。在该图中指示了转子叶片2在该区域中减小的偏转D6。

图7示出了上述转子叶片测试装备的叶片长度L（单位为m）上的测试力矩（单位为kNm）除以目标力矩（单位为kNm）的标量或归一化值的多个曲线图71、72、76、75。曲线图71、72可以被假定为基本相同，并且对应于图1和2所示的本发明的测试装备。曲线图76对应于图6所示的本发明的测试装备。曲线图75对应于图5所示的现有技术测试装备。假设每个测试装备中的转子叶片是相同的。理想地，实际测试力矩等于对应的目标力矩，即测试力矩除以目标力矩所给出的商等于1。当沿着转子叶片的一点处的实际偏转与该点处的目标偏转相同时，标量值1适用，并且这些会聚点对应于夹持在转子叶片2周围的配件10的位置。该图指示了四个这样的节点，其对应于沿着转子叶片的四个配件的位置。小于1.0的商指示测试不足。大于1.0的商指示过度测试。本发明的目的是提供一种测试装备，其最小化过度测试的可能性并且避免测试不足。曲线图75示出了现有技术测试装备导致在转子叶片的所有区域处过度测试。曲线图71、72、76示出了本发明的测试装备可以在叶片刚度增加的区域上（即在安装刚度增加组件的区域上）改善测试结果。

尽管本发明已经以优选实施例及其变型的形式公开，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。

为了清楚起见，应当理解，在本申请中使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。提到“一个单元”并不排除使用多于一个的单元。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机转子叶片负载模拟器布置结构（1），包括：

- 支撑单元（12），其被构造成在疲劳测试程序期间支撑转子叶片（2）；

- 激励器（13），其被配置成在疲劳测试程序期间实现转子叶片（2）的循环偏转；

- 多个负载模拟器配件（10），其中，负载模拟器配件（10）实现为附接到转子叶片（2）；以及

- 用于在安装长度（11L）上安装到所述转子叶片（2）的刚度增加组件（11），所述刚度增加组件（11）实现为增加所述转子叶片（2）在所述安装长度（11L）中的刚度。

2.根据权利要求1所述的负载模拟器布置结构，其中，所述刚度增加组件（11）包括安装在转子叶片（2）上第一位置处的第一端部配件（110）、安装在所述转子叶片（2）上第二位置处的第二端部配件（110）以及在所述端部配件（110）之间延伸的承拉元件（111）。

3.根据权利要求2所述的负载模拟器布置结构，其中，所述端部配件（110）之间的距离包括所述转子叶片长度（2L）的2% - 30%。

4.根据权利要求2或3所述的负载模拟器布置结构，其中，所述承拉元件（111）包括在所述第一端部配件（110）和所述第二端部配件（110）之间延伸的至少一个弹簧。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，所述承拉元件（111）包括在所述第一端部配件（110）和所述第二端部配件（110）之间延伸的网。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，所述第一端部配件（110）和所述第二端部配件（110）限定在所述转子叶片长度（2L）的...%和...之间延伸安装区域。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，所述第一端部配件（110）安装到所述支撑单元（12）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，所述刚度增加组件（11）的刚度在所述安装长度（11L）上为所述转子叶片刚度的至多75%。

9.根据前述权利要求中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，所述刚度增加组件（11）包括可调节的承拉元件（111）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，负载模拟器配件（10）被实现为负载框架。

11.根据前述权利要求中任一项所述的负载模拟器布置结构，包括以预定间隔附接到所述转子叶片（2）的多个负载模拟器配件（10）。

12.根据前述权利要求中任一项所述的负载模拟器布置结构，其中，负载模拟器配件（10）包括附接到转子叶片表面的金属板（10P）。

13.根据权利要求12所述的负载模拟器布置结构，其中，负载模拟器配件（10）通过粘合剂结合附接到所述转子叶片表面。

14.一种使用根据权利要求1至13中任一项所述的负载模拟器布置结构（1）在风力涡轮机转子叶片（2）上进行疲劳测试程序的方法，所述方法包括以下步骤：

- 将转子叶片（2）的根端（22）固定到所述支撑单元（12）；

- 将所述刚度增加组件（11）安装到所述转子叶片（2）；

- 将多个负载模拟器配件（10）安装到所述转子叶片（2）；

- 将所述激励器（13）连接到所述负载模拟器配件（10）；以及

-致动所述激励器（13）预定的持续时间。

Images