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
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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
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Bi、Bj和Lx、Ly的长度,其中,Bi、Bj为一对加载抱箍与支座部件之间的距离,Lx、Ly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Bi、Bj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Lx、Ly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Bi、Bj和Lx、Ly的长度,Bi、Bj为一对加载抱箍与支座部件之间的距离,Lx、Ly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Bi、Bj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Lx、Ly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。
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