JP3242177U - 風力タービンブレードのねじり疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクが偏心せず、非負荷断面に屈曲ねじりを生じない風力タービンブレードのねじり疲労試験装置を提供する。【解決手段】風力タービンブレードのねじり疲労試験装置は、被試験風力タービンブレードの根元の固定に適している試験ステージと、動力部材と、治具と、固定台とを含み、治具の負荷断面は、被試験風力タービンブレードの外周面に適合し、動力部材と固定台はそれぞれ治具の両側に設けられ、治具の両側には、いくつかの負荷点が設けられ、動力部材と治具の間に、ワイヤーロープが設けられ、固定台と治具の間に、弾性体とヒンジ拘束ビームが設けられている少なくとも１つの負荷構造と、動力部材の信号に接続され、ねじり中心位置を特定し、被試験風力タービンブレードに対してトルク試験を行うように、動力部材がワイヤーロープを介して治具を揺動させるように制御するコントローラとを含む。【選択図】図２

Description

本考案は、風力発電の技術分野に関し、具体的に、風力タービンブレードのねじり疲労試験装置に関するものである。

ブレードの長さと可撓性の増加に伴い、大型風力タービンブレードの空力弾性安定性と構造安全性は大きな課題に直面している。従来のブレード試験項目には、通常、振り回し方向と配列方向のみが含まれ、関連する試験装置や方法は非常に成熟しているが、試験項目には、ねじり方向の静的な力および疲労試験が含まれておらず、ブレードのねじり変形データは極めて乏しい。ブレードのねじり応答は、ブレードの性能評価に影響を与える最も重要な要素の１つであり、ブレードのねじり性能に対して、包括的、正確かつ信頼性の高い評価を行うために、関連するねじり疲労試験を実施し、十分なデータを蓄積する必要がある。

現在、ねじりは、回転自由度であり、ブレードは、ねじり荷重に非常に敏感であるが、業界では関連する負荷装置や経験の欠如がある。従来のブレードのねじり疲労試験装置は、ブレードのねじり荷重に対するせん断中心の影響を無視しているため、ブレードに負荷がかかっているとき、せん断中心とねじり中心が完全に一致せず、非負荷断面が曲がっており、試験結果の正確性に影響を与える。

したがって、本考案が解決しようとする技術的課題は、従来技術における試験装置が、使用中ブレードのねじり荷重に対するせん断中心の影響を無視するため、ブレードが負荷がかかっているときせん断中心とねじり中心が完全に一致せず、非負荷断面が曲がっており、試験結果が正確ではない欠点を克服するために、風力タービンブレードのねじり疲労試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本考案は、
被試験風力タービンブレードの根元の固定に適している試験ステージと、
動力部材と、治具と、固定台とを含み、上記の治具の負荷断面は、被試験風力タービンブレードの外周面に適合し、上記の動力部材と固定台はそれぞれ治具の両側に設けられ、上記の治具の両側には、いくつかの負荷点が設けられ、上記の動力部材と治具の間に、ワイヤーロープが設けられ、上記の固定台と治具の間に、弾性体とヒンジ拘束ビームが設けられている少なくとも１つの負荷構造と、
動力部材の信号に接続され、上記のヒンジ拘束ビーム、弾性体およびワイヤーロープはそれぞれ負荷点に接続され、ねじり中心位置を特定し、被試験風力タービンブレードに対してトルク試験を行うように、動力部材がワイヤーロープを介して治具を揺動させるように導くように制御するコントローラと
を含む風力タービンブレードのねじり疲労試験装置を提供した。

任意選択で、上記の治具と動力部材の間には、平面４リンク構造が設けられている。

任意選択で、上記の動力部材は、励磁モーターである。

任意選択で、上記の弾性体は、バネである。

任意選択で、上記の平面４リンク構造は、ワイヤーロープとの間にコントローラと通信接続されている力センサーが設けられるスライダーを備える。

任意選択で、上記の治具は、被試験風力タービンブレードの外周に適合する負荷断面が設けられ、被試験ブレードの外周との間にゴムマットが設けられているフレームを含む。

任意選択で、上記のゴムマットとフレームの間には木ブロックが充填されている。

任意選択で、上記の固定台は、治具に向かう面に、スライドレール、およびスライドレールに適合するスライドテーブルが設けられ、上記のスライドテーブル上には、弾性体とヒンジ拘束ビームとが接続され、上記のスライドテーブルは、スライドレールに沿って上下方向に移動する。

任意選択で、上記の固定台の上部には、スライドテーブルとの間にワイヤーロープを介して接続される捲揚機が設けられている。

本考案の技術的手段は、以下の利点を有する。

１．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、被試験風力タービンブレードの根元の固定に適している試験ステージと、動力部材と、治具と、固定台とを含み、治具の負荷断面は、被試験風力タービンブレードの外周面に適合し、動力部材と固定台はそれぞれ治具の両側に設けられ、治具の両側には、いくつかの負荷点が設けられ、動力部材と治具の間に、ワイヤーロープが設けられ、固定台と治具の間に、弾性体とヒンジ拘束ビームが設けられている少なくとも１つの負荷構造と、動力部材の信号に接続され、ヒンジ拘束ビーム、弾性体およびワイヤーロープはそれぞれ負荷点に接続され、被試験風力タービンブレードのねじり中心とせん断中心とが一致するように、ねじり中心位置を特定し、被試験風力タービンブレードに対してトルク試験を行うように、動力部材がワイヤーロープを介して治具を揺動させるように導くように制御するコントローラとを含む。せん断中心は負荷断面固有の特性であるため、負荷断面を決定すれば、せん断中心の位置を決定することになる。実験において、現場担当者が、被試験風力タービンブレードのせん断中心をねじり中心と一致するように、ヒンジ拘束ビーム、弾性体とワイヤーロープ、負荷点の接続を調整し、試験中、ヒンジ拘束ビームが治具の水平変位を規制し、治具を負荷点の周りにねじり、せん断中心とねじり中心を確保することを前提に、ねじり荷重を加えたときにトルクが偏心せず、非負荷断面に屈曲ねじりを生じないことを保証することによって、試験構造をより正確にする。

２．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、治具と動力部材間には、動力部材の回転移動を、ロッドを介して往復並進移動に変換し、治具に対する力の繰り返し負荷を実現するように、平面４リンク構造が設けられている。

３．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、励磁負荷および動力を与えるため、励磁モーターを動力部材とする。

４．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、試験中に復帰力を与えるため、バネを弾性体とする。

５．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、平面４リンク構造にスライダーが設けられ、スライダーとワイヤーロープの間に力センサーが設けられ、力センサーをコントローラと通信接続することにより、ワイヤーロープに伝達される力の大きさを感知し、感知した力の値をコントローラに伝達する。

６．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、治具が被試験風力タービンブレードの外周に適合する負荷断面が設けられ、被試験ブレードの外周との間にゴムマットが設けられているフレームを含み、ゴムマットが被試験風力タービンブレードの外周とフレームとの剛体衝突を回避する。

７．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、ゴムマットとフレームとの間に、ゴムマットとフレームの間の緩衝材として機能する木ブロックが充填されている。

８．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、固定台は、治具に向かう面に、スライドレール、およびスライドレールに適合するスライドテーブルが設けられ、スライドテーブルには、弾性体とヒンジ拘束ビームとが接続され、スライドテーブルは、スライドレールに沿って上下方向に移動し、スライドテーブルとスライドレールの相互運動によって、負荷構造が同一ブレードの異なる位置に負荷をかける場合、ヒンジ拘束ビームを取り付けるときにフレームに対して常に垂直に保つ。

９．本考案が提供する風力タービンブレードのねじり疲労試験装置では、固定台の上部には、スライドテーブルとの間にワイヤーロープを介して接続される捲揚機が設けられ、捲揚機により固定台に対するスライドテーブルの位置を調整する。

本考案の具体的な実施形態または先行技術における技術的ソリューションをより明確に説明するために、以下に具体的な実施形態または先行技術の記載で使用する必要のある添付図面を簡単に説明するが、以下の説明における添付図面は、本考案の実施形態の一部であり、創造的な活動を行うことなく、それらに基づいて他の図面を得ることができることが当該技術分野における当業者にとって明らかであろう。

図１は、本考案の実施形態に提供される風力タービンブレードのねじり疲労試験装置の模式図である。

図２は、本考案の実施形態に提供される負荷構造のＡ－Ａ方向の断面図である。

図３は、本考案の実施形態に提供される被試験風力タービンブレードの力図である。

以下、図面と併せて、本考案の技術的ソリューションを明確かつ完全に説明するが、上記の実施例は、本考案における実施例の一部であり、それらのすべてではないことが明らかである。当該技術分野における当業者の場合、本考案の実施例に基づき、創造的な活動を行うことなく得た他の実施例は、すべて本考案の保護範囲に属する。

本考案の記載において、用語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「鉛直」、「水平」、「内」、「外」などで示される向きや位置関係は、図面に示されたものに基づくものであって、考案の説明を容易にするか、簡略化するにすぎず、言及された装置や要素が特定の向きを有し、特定の向きで構成または動作しなければならないことを示したり示唆するものではないため、本考案を制限すると解釈してはならないものである。さらに、「第１」、「第２」、「第３」という用語は、記載のためにのみ使用され、相対的な重要性を示したり示唆するものとして理解されるものではない。

本考案の記載において、明示的な指定や制限がない限り、「取付け」、「連なる」、「接続」という用語は、例えば、固定的な接続や、着脱可能な接続であっても、または一体的な接続であってもよく、機械的接続であっても、または電気的接続であってもよく、直接的に接するものであっても、または中間体を介して間接的に連なるものであってもよく、２つの素子の内部で連なっているものであってもよいように、広義に理解されることに留意されたい。当該技術分野における当業者であれば、具体的な状況に従って、本考案における上記の用語の具体的な意味を理解することができる。

なお、以下に記載する本考案の異なる実施形態に係る技術的特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせることができる。

図１～図３に示される風力タービンブレードのねじり疲労試験装置の具体的実施形態の１つは、被試験風力タービンブレード２の根元を固定するための試験ステージ１と、被試験風力タービンブレード２にトルク負荷をかけるために用いられ離間して設置される３つの負荷構造３とを含む。

図２に示されるように、各負荷構造３は、動力部材４、治具８および固定台１１を含み、ここで、治具８は動力部材４と固定台１１の間に設け、動力部材４と治具８の間にはワイヤーロープ６が設けられ、固定台１１と治具８の間には弾性体９およびヒンジ拘束ビーム１０が設けられる。具体的に、弾性体９はバネであり、動力部材４は励磁モーターである。治具８への接続を容易にするために、治具８のフレームの両側がそれぞれ２列の負荷点１２に接続され、各列の負荷点１２は５つであり、ワイヤーロープ６、弾性体９およびヒンジ拘束ビーム１０がそれぞれ負荷点１２を通過して、ねじり中心の位置を決定するために治具８に接続され、負荷点１２の接続を調整することにより同一の負荷断面７のせん断中心をねじり中心と一致させると共に、ヒンジ拘束ビーム１０を固定台１１にヒンジ結合する。動力部材４の回転移動を並進移動に変換するために、動力部材４と治具８との間に平面４リンク構造５が設けられている。ワイヤーロープ６にかかった力を測定するために、平面４リンク構造５は、ワイヤーロープ６との間に力センサーが設けられるスライダーが設けられている。

図２に示されるように、治具８は、被試験風力タービンブレード２の外周に適合する負荷断面７が設けられ、ゴムマットとの間に木ブロックが充填されるフレームを含む。

負荷構造３に同一の被試験風力タービンブレード２の異なる位置へねじり荷重を印加させるために、固定台１１は、治具８に向かう面に、スライドレール、およびスライドレールに適合するスライドテーブルが設けられ、スライドテーブル上には、弾性体９とヒンジ拘束ビーム１０とが接続され、スライドテーブルは、スライドレールに沿って上下方向に移動する。スライドテーブルの上下移動のために、固定台１１の上部には、スライドテーブルとの間にワイヤーロープを介して接続される捲揚機が設けられている。

風力タービンブレードのねじり疲労試験装置に基づく試験方法、以下の試験ステップを含む。

１）被試験風力タービンブレード２を試験ステージ１に吊設して固定的に実装し、実際試験中、被試験風力タービンブレード２を、配列方向に前縁を地面に向けて地上に対して垂直にして、試験要件で指定された断面位置に応じて負荷構造３を設置し、治具８を被試験風力タービンブレード２の負荷断面７に取り付け、適切な位置で固定台１１を固定し、取り付け完了後に、環境の温度と湿度を測定し、関連する装置の規格化および校正を行う。

２）ブレードのねじり疲労試験を行う前に、コントローラのシミュレーション計算により各断面のねじり剛性とせん断中心位置を取得し、捲揚機がスライドテーブルの位置を調整することによって、ヒンジ拘束ビーム１０、弾性体９およびワイヤーロープがそれぞれある負荷点１２に接続され、同一の負荷断面７のねじり中心がせん断中心と一致するように、ねじり中心の位置を決定する。

３）各試験要件が満たされた場合、まず、ワイヤーロープ６を治具８の負荷穴の１つに接続、動力部材４、平面４リンク機構およびワイヤーロープ６によってプリロードし、ゆっくりと荷重を増やす。

４）本試験開始後、治具８の左右の２つの負荷点１２（ワイヤーロープ６と治具８の接続ポイント、弾性体９と治具８の接続ポイント）の位置を変えることで、トルクの負荷を測定し、負荷断面７のねじり角の振幅を公式に従って求め、最後に荷重をアンロードし、試験を完了する。

ブレードのねじり疲労試験中の該断面のねじり角の振幅ψを以下の式から算出し、その後のねじり疲労の分析計算を行う。
Ψ＝Ｔ／Ｋ＝（Ｆ＊Ｌ_２）／（Ｋ_Ｔ＋Ｋ_Ａ＊Ｌ_１）

ここで、引張力Ｆは動力部材４のトルクと正の相関があり、力センサーは動力部材４のあるパワー動作でスライダーにかかる力Ｆを測定し、Ｌ_１とＬ_２は負荷穴とヒンジ拘束ビーム１０のピッチであり、直接測定が可能であり、Ｋ_Ａはバネの固有特性である可撓性バネの引張剛性であり、Ｋ_Ｔはブレード断面のねじり剛性であり、試験の前にコントローラにより算出される。

実際の試験中に、負荷断面７にねじり変形以外の屈曲変形が発生した場合は、直ちにシミュレーション結果を確認するか、または拘束ビームの位置を調整することに注意されたく、被試験風力タービンブレード２のねじり疲労試験の要件に応じて、実際の動力部材４の構成と試験時間の要件に合わせて、被試験風力タービンブレード２のねじり疲労試験の振動周波数を調整するように、動力部材４の回転数を調整する。被試験風力タービンブレード２の単一の断面に対してねじり疲労試験を行う場合に、動力部材４の位相を調整する必要はなく、同一の被試験風力タービンブレード２の複数の断面に対して試験を同時に行う場合に、動力部材４の回転数と位相を一致するように調整してもよい。

本願において、せん断中心はせん断される中心であり、被試験風力タービンブレード２の断面に対して、追加の屈曲変形を発生せず、該点の周りに剪切・ねじり変形を行い、せん断中心は、被試験風力タービンブレード２の断面の固有特性であり、ねじり中心はトルクの中心、すなわちトルク負荷の中心点であり、被試験風力タービンブレード２の断面において、負荷装置に応じてねじり中心の位置を調整することが可能であり、最も好ましいねじり試験負荷は、各断面のねじり中心とせん断中心を一致させることが必要である。

代替の実施形態として、負荷構造３の数は、１つ、２つ、４つ、さらにそれ以上であってもよい。

上記の実施例は、実施形態を制限するのではなく、明確にするための単なる例にすぎないことが明らかである。当該技術分野における当業者であれば、上記の説明に基づいて、様々な形態で変形または変更も可能である。ここですべての実施形態を網羅する必要もないし、可能性もない。そこから導入された明らかな変形または変更は、依然として考案の保護範囲に含まれる。

１．試験ステージ、２．被試験風力タービンブレード、３．負荷構造、４．動力部材、５．平面４リンク構造、６．ワイヤーロープ、７．負荷断面、８．治具、９．弾性体、１０．ヒンジ拘束ビーム、１１．固定台、１２．負荷点

Claims (9)

1. 被試験風力タービンブレード（２）の根元の固定に適している試験ステージ（１）と、
   動力部材（４）と、治具（８）と、固定台（１１）とを含み、前記治具（８）の負荷断面（７）は、被試験風力タービンブレード（２）の外周面に適合し、前記動力部材（４）と固定台（１１）はそれぞれ治具（８）の両側に設けられ、前記治具（８）の両側には、いくつかの負荷点（１２）が設けられ、前記動力部材（４）と治具（８）の間に、ワイヤーロープ（６）が設けられ、前記固定台（１１）と治具（８）の間に、弾性体（９）とヒンジ拘束ビーム（１０）が設けられている少なくとも１つの負荷構造（３）と、
   動力部材（４）の信号に接続され、前記ヒンジ拘束ビーム（１０）、弾性体（９）およびワイヤーロープ（６）はそれぞれ負荷点（１２）に接続され、被試験風力タービンブレード（２）のねじり中心とせん断中心とが一致するように、ねじり中心位置を特定し、被試験風力タービンブレード（２）に対してトルク試験を行うように、動力部材（４）がワイヤーロープ（６）を介して治具（８）を揺動させるように導くように制御するコントローラと
   を含むことを特徴とする
   風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
2. 前記治具（８）と動力部材（４）の間には、平面４リンク構造（５）が設けられていることを特徴とする
   請求項１に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
3. 前記動力部材（４）は、励磁モーターであることを特徴とする
   請求項１に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
4. 前記弾性体（９）は、バネであることを特徴とする
   請求項１に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
5. 前記平面４リンク構造（５）は、ワイヤーロープ（６）との間にコントローラと通信接続されている力センサーが設けられるスライダーを備えることを特徴とする
   請求項２に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
6. 前記治具（８）は、被試験風力タービンブレード（２）の外周に適合する負荷断面（７）が設けられ、被試験ブレードの外周との間にゴムマットが設けられているフレームを含むことを特徴とする
   請求項５に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
7. 前記ゴムマットとフレームとの間には木ブロックが充填されていることを特徴とする
   請求項６に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
8. 前記固定台（１１）は、治具（８）に向かう面に、スライドレール、およびスライドレールに適合するスライドテーブルが設けられ、前記スライドテーブル上には、弾性体（９）とヒンジ拘束ビーム（１０）とが接続され、前記スライドテーブルは、スライドレールに沿って上下方向に移動することを特徴とする
   請求項１～７のいずれか１項に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
9. 前記固定台（１１）の上部には、スライドテーブルとの間にワイヤーロープを介して接続される捲揚機が設けられていることを特徴とする
   請求項８に記載の風力タービンブレードのねじり疲労試験装置。
   

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