CN104807630B - 一种h型垂直轴风力机叶片静力结构试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种H型垂直轴风力机叶片结构静力试验装置及方法，包括支座部件、加载抱箍、分配梁、连接部件、力传感器、位移传感器和应变片。试验时，通过调节分配梁长度L和加载抱箍位置B，可以模拟叶片在各类工况下的实际弯矩分布；调节支座部件和加载抱箍结构形式，可模拟叶片的轴向扭转和多攻角下的受力状态。测量叶片在受载情况下的变形和应变分布，进而评估叶片的结构性能。本发明仅对装置施加一个外部载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

Description

一种H型垂直轴风力机叶片静力结构试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种静力结构试验装置，尤其是一种大型H型垂直轴风力发电机叶片静力结构试验装置及方法。

背景技术

大型H型垂直轴风力机的风轮装置由叶片、支架和主轴构成，支架用来连接叶片和主轴，以形成具有一定刚度的大型H型框架结构，常见的框架结构有单支架型和双支架型两种。叶片是风力发电机的关键部件，关系到整个机组的运行安全和稳定，为确保叶片静载荷承载能力和强度，需要对叶片进行结构静力试验，测定叶片在各类工况下的结构性能。在实际运行中，叶片的受力情况比较复杂，风载荷和惯性载荷使叶片承受弯曲、扭转等多种受力形式，且叶片具有一定攻角，这样使得叶片的结构性能分析更为困难。因此，如何有更好的装置和方法来对大型H型垂直轴风力发电机叶片进行静力结构试验，亟待解决。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大型H型垂直轴风力发电机叶片静力结构试验装置及方法，仅对装置施加一个外部载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种H型垂直轴风力机叶片结构静力试验装置，包括支座部件、加载抱箍、分配梁、连接部件、力传感器、位移传感器和应变片，其特征在于，至少一所述支座部件固定设置在基础或地面上，所述支座部件包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑支座和支座抱箍，用于支撑叶片并调节叶片攻角；在每个支座部件两侧一定距离处的叶片上套一对加载抱箍，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角；用连接部件将加载抱箍与分配梁两端相连，分配梁中部施加外部载荷，用于传递并分配载荷；在外部载荷作用点安装力传感器，在加载抱箍位置和/或其他叶片轴线位置安装位移传感器，在叶片轴线方向布置应变片。

优选地，所述支座抱箍由固定外环和旋转内环组合而成，所述固定外环与支撑支座固定连接，所述旋转内环固定套住叶片使二者可一起转动，根据叶片所需攻角调节内环角度，内外环锁紧后可提供叶片所需工况下的攻角。其中，内环固定套住叶片的方式为：先由随形抱箍紧固叶片，再用夹具固定夹持，通过固定销将夹具紧固在旋转内环上。

优选地，所述加载抱箍结构设计为：随形抱箍紧固叶片，两侧面焊接上、下法兰，法兰上设计多个吊孔(距叶片剪力中心有不同的偏心距)，吊孔处通过连接部件连接分配梁，根据法兰和吊孔位置实现叶片偏心扭转以及多攻角加载。

优选地，所述分配梁的设置随支座数目而变化：单支座时，设置一个分配梁，中部承受外加载荷，距离加载点一定距离的两端分别连接加载抱箍；双支座时，设置一个一级分配梁和两个二级分配梁，一级分配梁中部承受外加载荷，二级分配梁两端连接加载抱箍，一级分配梁两端与两个二级分配梁中部用连接部件连接。

本发明的H型垂直轴风力机叶片静力结构试验装置，试验时，在分配梁中部施加拉力，并利用分配梁的力劈长度和加载抱箍位置，近似模拟叶片在各类工况下的实际弯矩分布；同时，支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距使具有一定攻角的叶片产生扭转。这样仅输入一个拉力载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合加载形式。通过载荷、变形和应变分布，可评估叶片在静载荷下的结构性能。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的大型H型垂直轴风力发电机叶片静力结构试验装置进行试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件位置、加载臂B_i、B_j和L_x、L_y的长度，其中，B_i、B_j为一对加载抱箍与支座部件之间的距离，L_x、L_y为分配梁中部加载点与两端之间的距离；

SS2.支座部件固定设置在基地或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑支座和支座抱箍，支座抱箍的旋转内环套住叶片，根据所需试验的叶片攻角大小调节内环角度，用螺栓锁紧内外环；

SS3.在距离支座部件左右侧分别为B_i、B_j处的叶片上套一对加载抱箍，根据所需扭转角度大小选择适当偏心距的吊孔位置，用连接部件将吊孔与分配梁端部相连；

SS4.当装置为双支座型时，添加两个二级分配梁，连接在一级分配梁与加载抱箍之间，用于二次传递和分配载荷；

SS5.对分配梁中部加载点施加外部载荷，根据现场条件可采用方法：利用吊车施加向上拉力，或利用悬挂重物方式施加向下拉力；

SS6.利用力传感器测量叶片的总载荷，再利用分配梁长度比例L_x、L_y计算作用在各个加载抱箍上的拉力，最后计算叶片的弯矩分布；同样，根据支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距和拉力，可计算扭转角度和扭转力矩；利用位移传感器测量叶片在受载情况下沿轴线的变形分布；利用应变片，测量叶片的应变分布；

SS7.根据叶片的载荷、变形和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片结构性能。

相对于现有技术，本发明的优点在于，仅对装置施加一个外部载荷，便可实现叶片弯曲、扭转、多攻角组合加载形式，操作简单方便，结果准确可靠，具有较强的普适性。

附图说明

图1为本发明的H型垂直轴风力机叶片结构静力试验装置示意图；

图2为本发明的支座部件示意图，其中，(A)为支座部件装置组成图，(B)为支座抱箍内环未锁紧示意图，(C)为支座抱箍内环锁紧示意图；

图3为加载抱箍示意图，其中，(A)为叶片无攻角无扭矩示意图，(B)为支叶片有攻角无扭矩示意图，(C)为叶片无攻角有扭矩示意图，(D)为叶片有攻角有扭矩示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

以双支座叶片为例，如图1所示，本发明的H型垂直轴风力机叶片结构静力试验装置，包括支座部件1、加载抱箍2、一个一级分配梁3、两个二级分配梁4、连接部件5(优选为吊绳或铰链)、力传感器6、位移传感器和应变片。根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件1位置、加载抱箍2位置和一级分配梁3、二级分配梁4的长度，具体包括：加载抱箍2与支座部件1之间的距离B₁、B₂和B₃、B₄，二级分配梁4中部加载点与两端之间的距离L₂₁、L₂₂和L₂₃、L₂₄，一级分配梁3中部加载点与两端之间的距离L₁₁、L₁₂。

参照图2，支座部件1固定设置在基础或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座7、支撑支座8和支座抱箍9，用于支撑叶片并调节叶片攻角。支座抱箍9由固定外环10和旋转内环11组合而成，外环10与支撑支座8固定连接，内环11固定套住叶片使二者可一起转动。其中，内环11固定套住叶片的方式为：先由随形抱箍12紧固叶片，再用夹具13固定夹持，通过固定销14将夹具13紧固在内环11上。根据试验工况所需的叶片攻角，旋转内环11至所需角度，用螺栓15锁紧外环10和内环11。

参照图3，在B₁、B₂和B₃、B₄处的叶片上各套一个加载抱箍2，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角。加载抱箍2结构设计为：随形抱箍12紧固叶片，两侧面焊接上、下法兰16，法兰16上设计多个吊孔17(距叶片剪力中心有不同的偏心距e)。根据是否扭转加载，选择具有适当偏心距e的吊孔17，用吊绳(或铰链)5连接吊孔17和二级分配梁4的两端。

参照图1，用连接部件5将二级分配梁4中部与一级分配梁3两端相连接，用于传递并分配载荷。在一级分配梁3中部施加外部载荷，根据现场条件可利用吊车施加向上拉力，或利用悬挂重物方式施加向下拉力。在外部载荷作用点安装力传感器6，在加载抱箍位置或其他叶片轴线位置安装位移传感器，在叶片轴线方向布置应变片。

利用力传感器6测量叶片的总载荷，再利用分配梁长度比例L₂₁、L₂₂、L₂₃、L₂₄和L₁₁、L₁₂计算作用在各个加载抱箍2上的拉力，最后计算叶片的弯矩分布；同样，根据支座抱箍9旋转角度、加载抱箍2偏心距e和拉力，可计算扭转角度和扭转力矩T。利用位移传感器测量叶片在受载情况下沿轴线的变形分布。利用应变片，测量叶片的应变分布。根据叶片的载荷、变形和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片结构性能。

该试验装置和方法亦可适用于单支座的大型H型垂直轴风力发电机复合材料叶片结构静力试验，此时，装置仅有一个支座部件1、两个加载抱箍2和一个分配梁3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种H型垂直轴风力机叶片结构静力试验装置，包括支座部件、加载抱箍、分配梁、连接部件、力传感器、位移传感器和应变片，其特征在于，至少一所述支座部件固定设置在基础或地面上，所述支座部件包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑支座和支座抱箍，用于支撑叶片并调节叶片攻角；在每个支座部件两侧一定距离处的叶片上套一对加载抱箍，用于确定加载点，控制叶片扭转角度和攻角；用连接部件将加载抱箍与分配梁两端相连，分配梁中部施加外部载荷，用于传递并分配载荷；在外部载荷作用点安装力传感器，在加载抱箍位置或其他叶片轴线位置安装位移传感器，在叶片轴线方向布置应变片；

所述加载抱箍结构为：随形抱箍紧固叶片，两侧面焊接上、下法兰，法兰上设计多个吊孔，吊孔处通过连接部件连接分配梁，根据法兰和吊孔位置实现叶片偏心扭转以及多攻角加载。

2.根据权利要求1所述的叶片结构静力试验装置，其特征在于，所述多个吊孔距叶片剪力中心有不同的偏心距。

3.根据权利要求1所述的叶片结构静力试验装置，其特征在于，所述支座抱箍由固定外环和旋转内环组合而成，固定外环与支撑支座固定连接，旋转内环固定套住叶片使二者可一起转动，根据叶片所需攻角调节内环角度，内外环锁紧后可提供叶片所需工况下的攻角。

4.根据权利要求3所述的叶片结构静力试验装置，其特征在于，所述旋转内环与叶片的固定方式为：先由随形抱箍紧固叶片，再用夹具固定夹持，通过固定销将夹具紧固在旋转内环上。

5.根据权利要求1所述的叶片结构静力试验装置，其特征在于，所述分配梁的设置随支座数目而变化：单支座时，设置一个分配梁，该分配梁的中部承受外加载荷，距离加载点一定距离的两端分别连接加载抱箍；双支座时，设置一个一级分配梁和两个二级分配梁，一级分配梁中部承受外加载荷，二级分配梁两端连接加载抱箍，一级分配梁两端与两个二级分配梁中部用连接部件连接。

6.一种利用权利要求1至5任一项所述的叶片结构静力试验装置进行试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.根据叶片所需加载的弯矩分布，确定支座部件位置、加载臂B_i、B_j和L_x、L_y的长度，B_i、B_j为一对加载抱箍与支座部件之间的距离，L_x、L_y为分配梁中部加载点与两端之间的距离；

SS2.支座部件固定设置在基地或地面上，包括从下到上依次安装在一起的固定基座、支撑支座和支座抱箍，支座抱箍的旋转内环套住叶片，根据所需试验的叶片攻角大小调节内环角度，用螺栓锁紧内外环；

SS3.在距离支座部件左右侧分别为B_i、B_j处的叶片上套一对加载抱箍，根据所需扭转角度大小选择适当偏心距的吊孔位置，用连接部件将吊孔与分配梁端部相连；

SS4.当装置为双支座型时，添加两个二级分配梁，连接在一级分配梁与加载抱箍之间，用于二次传递和分配载荷；

SS5.对分配梁中部加载点施加外部载荷，方法包括：利用吊车施加向上拉力，或利用悬挂重物方式施加向下拉力；

SS6.利用力传感器测量叶片的总载荷，再利用分配梁长度比例L_x、L_y计算作用在各个加载抱箍上的拉力，最后计算叶片的弯矩分布；同样，根据支座抱箍旋转角度、加载抱箍偏心距和拉力，可计算扭转角度和扭转力矩；利用位移传感器测量叶片在受载情况下沿轴线的变形分布；利用应变片，测量叶片的应变分布；

SS7.根据叶片的载荷、变形和应变分布，确定叶片受力关键截面的位置和应变水平，进而评估叶片结构性能。