CN213336734U - 一种风机叶片扭转疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种风机叶片扭转疲劳试验装置，包括驱动装置、力臂架、叶片截面夹具和限位支撑装置；所述驱动装置通过球铰轴承装于地基上，其驱动杆通过球铰轴承与其上方的力臂架相连接；所述叶片截面夹具套于叶片上，该叶片截面夹具与力臂架相连接；所述限位支撑装置支撑于叶片截面夹具的下方，该限位支撑装置的一端通过球铰轴承与叶片截面夹具相连接，其另一端通过球铰轴承支撑于地基上。本实用新型的风机叶片扭转疲劳试验装置，填补了现有疲劳测试中叶片扭转疲劳测试的空白，可以更为准确地评估叶片寿命，对大型风电机组叶片的结构设计以及减少叶片疲劳失效造成的经济损失具有非常重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及风力发电风机叶片疲劳测试的技术领域，尤其是指一种风机叶片扭转疲劳试验装置。
背景技术
风电机组的各组成部分中，风机叶片是将风能转换成机械能的重要部件，是风电机组的核心部件之一，其结构、强度和稳定性对机组的可靠性起着重要作用。在风机叶片设计中，一般要求陆上风机叶片能满足20年的使用寿命，海上风机叶片要求25年的使用寿命。风电机组在非定常载荷作用下的运行特性使风机叶片易发生疲劳损坏，严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命，且由于风机叶片材质、结构、工艺以及工作环境的复杂性，导致叶片的疲劳性能通常采用对全尺寸风机叶片进行疲劳测试，以确认设计的可靠性。
现有技术中，一般将叶片沿翼型截面厚度方向的弯曲运行称为挥舞运动，而沿其弦长方向的弯曲运动称为摆振运动。现有叶片的动态疲劳试验的具体方法是将叶片叶根固定在试验台后，通过在指定截面安装激振装置，使叶片分别进行沿挥舞和摆振两个方向进行一定数目一定振幅的循环往复运动，使相应截面达到疲劳损伤的目的，从而验证叶片在挥舞方向和摆振方向承受疲劳载荷的能力。随着风电机组单机装机容量的增加，叶片的长度也不断增长，叶片变得更柔更长。伴随着叶片变长变柔，扭转疲劳载荷对叶片的影响会越来越大，验证扭转疲劳载荷下的叶片安全性也变得愈加必要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风机叶片扭转疲劳试验装置，填补了现有疲劳测试中叶片扭转疲劳测试的空白，通过扭转疲劳试验装置对叶片施加扭转疲劳载荷，从而验证叶片在扭转疲劳载荷下的扭转刚度变化以及扭转载荷下横截面上的切应力对疲劳损伤的影响，可以更为准确地评估叶片寿命，对大型风电机组叶片的结构设计以及减少叶片疲劳失效造成的经济损失具有非常重要的意义。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种风机叶片扭转疲劳试验装置，包括驱动装置、力臂架、叶片截面夹具和限位支撑装置；所述驱动装置通过球铰轴承装于地基上，其驱动杆通过球铰轴承与其上方的力臂架相连接，通过驱动杆的上下运动作用于力臂架上产生扭转力矩；所述叶片截面夹具套于叶片上，其内侧面包裹住叶片上待加载扭转载荷的翼型截面，该叶片截面夹具与力臂架相连接；所述限位支撑装置支撑于叶片截面夹具的下方，该限位支撑装置的一端通过球铰轴承与叶片截面夹具相连接，其另一端通过球铰轴承支撑于地基上，且初始平衡状态下限位支撑装置的轴线与叶片待加载扭转载荷截面的扭转中心重合，所述叶片截面夹具在扭转力矩的作用下以其与限位支撑装置相连接的支撑点为中心旋转。
进一步，所述驱动杆上分别安装有第一力传感器和位移传感器，所述第一力传感器用于测量驱动杆的驱动力大小，所述位移传感器用于测量加载位置处的位移变化量。
进一步，所述驱动装置为液压缸或电动缸。
进一步，所述限位支撑装置包括限位支撑杆和第二力传感器，所述限位支撑杆的两端分别通过球铰轴承与地基及叶片截面夹具相连接，所述第二力传感器装于限位支撑杆上，用于测量限位支撑杆传递给叶片的支撑力。
进一步，所述力臂架沿其长度方向加工有多个连接孔位，选择不同的连接孔位与叶片截面夹具相连接以改变力臂的长度，进而调节扭转力矩的大小。
进一步，所述叶片截面夹具和力臂架之间设有用于传递载荷的斜支撑。
进一步，所述叶片截面夹具包括铁制框架和内置于铁质框架内的木芯，所述木芯根据叶片待加载扭转载荷的翼型截面的外形制作，且木芯与叶片之间设有橡胶垫。
进一步，所述叶片能够根据需要在合适位置安装扭角仪，用于观察在扭转载荷作用下叶片不同截面的扭角变化。
进一步，所述叶片能够根据需要在合适位置粘贴应变片，用于观察在扭转载荷作用下叶片特定位置的应变分布。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本实用新型的风机叶片扭转疲劳试验装置，拓宽了现有疲劳测试范围，填补了现有疲劳测试中叶片扭转疲劳测试的空白，通过扭转疲劳试验装置对叶片施加扭转疲劳载荷，从而验证叶片在扭转疲劳载荷下的扭转刚度变化以及扭转载荷下横截面上的切应力对疲劳损伤的影响，可以更为准确地评估叶片寿命，对大型风电机组叶片的结构设计以及减少叶片疲劳失效造成的经济损失具有非常重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型的扭转疲劳试验装置的结构示意图。
图2为本实用新型的扭转疲劳试验装置进行叶片扭转疲劳测试时的运动示意图。
图3为本实用新型的扭转疲劳试验装置与叶片及试验台的安装示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，包括驱动装置1、力臂架2、叶片截面夹具3和限位支撑装置4；所述驱动装置1为液压缸或电动缸，其底部通过球铰轴承5装于地基上，其驱动杆101通过球铰轴承5与其上方的力臂架2相连接，所述驱动杆101上分别安装有第一力传感器102和位移传感器(图中未示出)，所述第一力传感器102用于测量驱动杆101的驱动力大小，所述位移传感器用于测量加载位置处的位移变化量，通过驱动杆101的上下运动作用于力臂架2上产生扭转力矩；所述叶片截面夹具3包括铁质框架301和内置于铁质框架301内的木芯302，所述木芯302根据叶片待加载扭转载荷的翼型截面的外形制作，且木芯302与叶片7之间设有橡胶垫(图中未示出)，将叶片截面夹具3套于叶片7上，由木芯302包裹住叶片7上待加载扭转载荷的翼型截面，通过橡胶垫对叶片7进行保护，防止表面损伤，外侧的铁质框架301与力臂架2相连接，且该铁质框架301和力臂架2之间还设有用于传递载荷的斜支撑6，加载扭矩通过力臂架2、斜支撑6和叶片截面夹具3施加到叶片7上；所述限位支撑装置4包括限位支撑杆401和第二力传感器402，所述限位支撑杆401的两端分别通过球铰轴承5与地基及上方的铁质框架301相连接，所述第二力传感器402装于限位支撑杆401上，用于测量限位支撑杆401传递给叶片7的支撑力，且初始平衡状态下限位支撑杆401的轴线与叶片7待加载扭转载荷截面的扭转中心重合，这样可以最大限度地限制叶片7竖直方向的位移，以摆脱扭转疲劳测试中竖直方向载荷及变形对扭转疲劳测试的影响；整个叶片截面夹具3及装于其上的叶片7在扭转力矩的作用下以限位支撑杆401顶部的支撑点为中心旋转，通过球铰轴承5不限制驱动杆101和限位支撑杆401在水平方向和沿叶片7展向的位移。
另外，通过在力臂架2沿其长度方向加工多个连接孔位，选择不同的连接孔位与叶片截面夹具3相连接以改变力臂的长度，进而调节扭转力矩的大小；所述叶片7能够根据需要在合适位置安装扭角仪(图中未示出)，用于观察在扭转载荷作用下叶片不同截面的扭角变化；所述叶片7能够根据需要在合适位置粘贴应变片(图中未示出)，用于观察在扭转载荷作用下叶片特定位置的应变分布。
本实施例所述的风机叶片扭转疲劳试验装置的测试方法，包括以下步骤，
1)根据叶片7扭转疲劳载荷要求，选定需要进行扭转疲劳验证的截面，设计并确定待测叶片7的加载位置，确定加载位置处的目标扭矩，并确定加载位置的扭转变形量与加载载荷大小；
2)如图3所示，将叶片7的叶根通过法兰固定在试验台8上，并使叶片7的0°弦方向水平，将叶片截面夹具3套于叶片7上，使叶片截面夹具3包裹需要进行扭转疲劳验证的截面；
3)在叶根与叶片7安装叶片截面夹具3的位置之间选定测试的目标截面安装扭转仪和应变片；
4)确定叶片截面夹具3内叶片7需要进行扭转疲劳验证的截面的扭转中心，进而确定限位支撑装置4与叶片截面夹具3的连接位置，保证初始平衡状态下限位支撑杆401的轴线与叶片加载截面的扭转中心重合；
5)对初始平衡状态下所有传感器清零；
6)调试扭转疲劳试验装置，逐渐增加驱动载荷，使扭转力矩以及叶片7扭转的变形能够达到测试的目标值，达到设计要求完成调试，其中扭转力矩M的计算公式如下，
M＝(F驱动-F支撑)/2×L
式中，F驱动为驱动杆101处的加载力，F支撑为限位支撑装置4的限位支撑杆401的支撑力，L为驱动杆101到限位支撑杆401的水平距离；
7)对叶片7进行扭转疲劳测试，通过驱动装置1的驱动杆101上下运动驱动力臂架2带动待测叶片7绕限位支撑杆401转动设定的角度，使叶片7循环扭转设定的次数，通过两个力传感器实时获取载荷变化，并通过扭转仪和应变片实时获取扭角变化和应变变化；
8)评估扭转疲劳测试损伤，完成叶片7的扭转疲劳测试。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：包括驱动装置、力臂架、叶片截面夹具和限位支撑装置；所述驱动装置通过球铰轴承装于地基上，其驱动杆通过球铰轴承与其上方的力臂架相连接，通过驱动杆的上下运动作用于力臂架上产生扭转力矩；所述叶片截面夹具套于叶片上，其内侧面包裹住叶片上待加载扭转载荷的翼型截面，该叶片截面夹具与力臂架相连接；所述限位支撑装置支撑于叶片截面夹具的下方，该限位支撑装置的一端通过球铰轴承与叶片截面夹具相连接，其另一端通过球铰轴承支撑于地基上，且初始平衡状态下限位支撑装置的轴线与叶片待加载扭转载荷截面的扭转中心重合，所述叶片截面夹具在扭转力矩的作用下以其与限位支撑装置相连接的支撑点为中心旋转。
2.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述驱动杆上分别安装有第一力传感器和位移传感器，所述第一力传感器用于测量驱动杆的驱动力大小，所述位移传感器用于测量加载位置处的位移变化量。
3.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述驱动装置为液压缸或电动缸。
4.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述限位支撑装置包括限位支撑杆和第二力传感器，所述限位支撑杆的两端分别通过球铰轴承与地基及叶片截面夹具相连接，所述第二力传感器装于限位支撑杆上，用于测量限位支撑杆传递给叶片的支撑力。
5.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述力臂架沿其长度方向加工有多个连接孔位，选择不同的连接孔位与叶片截面夹具相连接以改变力臂的长度，进而调节扭转力矩的大小。
6.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述叶片截面夹具和力臂架之间设有用于传递载荷的斜支撑。
7.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述叶片截面夹具包括铁制框架和内置于铁质框架内的木芯，所述木芯根据叶片待加载扭转载荷的翼型截面的外形制作，且木芯与叶片之间设有橡胶垫。
8.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述叶片能够根据需要在合适位置安装扭角仪，用于观察在扭转载荷作用下叶片不同截面的扭角变化。
9.根据权利要求1所述的风机叶片扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述叶片能够根据需要在合适位置粘贴应变片，用于观察在扭转载荷作用下叶片特定位置的应变分布。
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| CN202022026435.7U CN213336734U (zh) | 2020-09-16 | 2020-09-16 | 一种风机叶片扭转疲劳试验装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115979614A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-04-18 | 主力能源(北京)有限公司 | 一种风电叶片扭转测试工装及方法 |
| CN117405532A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-16 | 兰州理工大学 | 一种叶片多功能疲劳测试装置 |
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