[發明專利]風輪機葉片測試機

有效

• 申請號: 201210011179.1
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號: CN102680215A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: S·蓋伊;T·厄斯金
• 申請（專利權）人: 維斯塔斯風力系統有限公司
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 黨曉林;王小東

技術領域

本發明涉及風輪機葉片測試機以及測試風輪機葉片的方法。本發明具體地涉及這樣的風輪機葉片測試機，該風輪機葉片測試機適于測試用于例如在風電場中進行大型電力生成的風輪機葉片。

背景技術

用于風電場上的大型風輪機的風輪機葉片變得越來越大。例如，葉片長度可超過50m。新設計的這些越來越大的葉片在被投入使用之前通常要進行機械疲勞測試，以確保這些葉片對于風輪機的有效壽命而言是可靠的。

在正常使用時，風輪機葉片在旋轉時由于作用在其上的力的變化而振動。風輪機葉片經受兩種類型的負載，即，空氣動力學負載(例如，呈升力、阻力和剪切力的形式)以及慣性負載(例如，呈重力和葉片動力學的形式)。參見圖1，負載處于所示風輪機葉片10的拍打方向和翼展方向。翼展方向是風輪機葉片在使用時的旋轉方向，拍打方向是與翼展方向垂直的方向并且該拍打方向還垂直于葉片的縱向軸線。空氣動力學彎矩通常與拍打方向相關。這些空氣動力學彎矩主要歸因于隨機的風速(也就是說，紊流)。慣性負載通常與翼展方向有關。這些負載主要歸因于在葉片每次旋轉期間所經歷的重力負載并且本質上更是確定性的。在小型葉片中，與翼展方向負載相比，拍打方向上的負載起主導作用。因此，小型葉片能夠僅在一個方向(拍打方向)上進行測試就已足夠。然而，在現代較大的葉片中，由于葉片的長度，與風力負載相比，葉片的重力負載成比例增加得更多，因此翼展方向負載變得更為顯著。因此，對于較大葉片，單軸測試不能提供有效的測試，因此需要進行雙軸測試。

通常通過以葉片的固有頻率(在系統投入運行之后系統自然地振動的頻率)激勵葉片來完成葉片測試。由此，可以模擬整個葉片上所需的測試彎矩。較長的風輪機葉片具有較低的固有頻率并且測試時間增加，這是因為葉片通常需要針對具體數量的振動來進行測試。此外，翼展固有頻率和拍打固有頻率是不同的。風輪機葉片的翼展固有頻率大于拍打固有頻率。葉片在每個方向上連續地以固有頻率振動的典型測試時間是3個月左右。由于這種負擔，較新較長的葉片更加柔韌，這需要更多的能量來使得葉片振動。

在通常被容納在大型建筑中以覆蓋被測試的葉片的簡單測試裝置(未示出)中，風輪機葉片的一端(這一端在使用時將被連接到風輪機的輪轂)被固定到堅固的混凝土支承件，該混凝土支承件可重達數千噸，以支承在測試期間被施加到葉片的主要負載。通過下述方式，葉片的另一端沿一個方向振動，從而沿該方向對葉片進行測試，所述方式是：向風輪機的上表面施加振動質量塊，從而使葉片沿其振動的方向以葉片的固有頻率振動例如三個月。振動質量塊是通常被安裝到旋轉的電動馬達上的質量塊。一旦完成測試，就使風輪機葉片旋轉90°，并將振動質量塊施加到現在的風輪機葉片的上表面，并且按照與葉片在其現在正振動的方向上的固有頻率對應的不同頻率再次重復測試例如三個月。

已知大量的同時在兩個方向(拍打和翼展方向)上測試葉片的雙軸疲勞測試裝置。明顯地，這可降低風輪機葉片的總測試時間。然而，正確的控制是十分困難的。這是因為，如上所述，葉片應當在翼展方向和拍打方向上以不同的頻率振動。典型地，在這些方向中的一個方向上的振動會影響另一方向上的振動。

美國專利申請No.US2006/0037402描述了允許同時進行雙軸測試的一種裝置。用于施加拍打方向負載的機構包括致動器以及安裝在被測試的風輪機葉片上的質量塊。控制系統控制致動器以使質量塊在被測試的風輪機葉片的諧振頻率附近沿拍打方向線性地往復運動。另一機構向被測試的風輪機葉片施加翼展方向負載。該機構包括通過樞軸安裝的鐘形曲柄和推桿聯接到被測試的風輪機葉片的另一致動器。控制系統還控制翼展測試。

在葉片上使用沉重的振動或往復運動質量塊增加了被測試的葉片的質量，這增加了被測試的葉片的固有頻率。此外，這種布置是低效且難以控制的，因為推桿的角度總是隨著時間而變化。這種測試系統同樣是大尺寸的。

用于使得雙軸測試同時進行的另一裝置在國際專利申請No.WO?2009/097055中進行了描述。在該裝置中，被測試的風輪機葉片被安裝到框架。彼此垂直地移動的致動器在葉片的不同側面上作用在框架上。一個致動器通過施加力到被連接到被測試的風輪機葉片的杠桿臂或鰭狀部并且使得風輪機葉片振動來提供拍打方向負載。另一致動器通過施加力以引起線性位移來提供翼展方向負載。致動器通過控制系統操作，該致動器具有在固有頻率或其他頻率下提供的位移。控制系統使用從位于葉片的拍打部和翼展部上的傳感器(例如，應變計)接收數據的反饋環。

該裝置需要由致動器提供沿翼展方向的較大的力，具體地類似于上述的現有技術裝置，該裝置難以控制并且尺寸大。