CN108760260A - 一种用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加载分布式交变气动载荷的疲劳试验装置及方法，通过往复变桨手段实现周期性改变迎角，以模拟叶片在实际运行环境中由于来流变化引起的迎角变化，结合叶片旋转运动，模拟叶片在实际运行过程中遭受的疲劳载荷，相对传统单点集中加载方式，能够更准确模拟叶片实际受载情况，交变气动载荷的均值及幅值可分别通过调整转速和桨距角实现。

Description

一种用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置与方法

技术领域

本发明属于风电设备试验技术领域，涉及一种叶片疲劳试验加载装置及方法，更具体涉及一种用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置与方法。

背景技术

风电叶片运行在大气边界层环境中，强湍流所表现的来流非定常特征使得叶片长期遭受非定常气动载荷，这种非定常气动载荷是叶片服役期间内所受疲劳载荷的主要来源，因此每一款新叶片的应用都须经过静力和疲劳试验的验证，以确保叶片在服役期限内的结构可靠性。

传统疲劳试验的加载方法原理是在叶片展向某一位置(一般是靠近叶尖位置)采用电机带动偏心锤按某一载荷方向的一阶频率进行动态激振，使叶片产生大幅度往复变形，以达到疲劳加载目的。上述疲劳加载方法属于单点集中加载方式，而叶片在实际运行过程中遭受的非定常气动载荷是典型的分布式载荷，用单点集中加载模拟叶片遭受的分布式气动载荷应预先进行等效性验证，否则将不能准确模拟叶片实际情况。

实际上，叶片受到非定常气动载荷的主要原因是来流方向和大小的变化导致叶片各叶素的迎角发生变化，而气动力大小与迎角直接相关，从而诱发气动力随着来流变化而变化形成非定常气动载荷。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种加载分布式交变气动载荷的疲劳试验装置及方法，可在试验叶片上加载分布式的交变气动载荷，以更真实模拟叶片在实际运行过程中遭受的疲劳载荷，交变气动载荷的均值及幅值可分别通过调整叶片的转速和桨距角实现。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置，包括驱动电机、旋转主轴、轮毂、变桨电机和试验叶片，其特征在于，所述旋转主轴竖直布置，所述轮毂固定安装在所述旋转主轴的顶端，所述试验叶片可拆卸地安装在所述轮毂上，所述变桨电机固定安装于所述轮毂上并可带动每一所述试验叶片进行变桨运动，所述驱动电机与所述旋转主轴驱动连接，所述驱动电机用以驱动所述旋转主轴、轮毂及试验叶片进行旋转运动，所述气动载荷由驱动电机驱动试验叶片的旋转产生，所述交变气动载荷由试验叶片旋转的同时变桨电机驱动叶片桨距角往复变化产生。

优选地，所述装置还包括一减速器，所述驱动电机通过所述减速器与所述旋转主轴驱动连接。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述利用疲劳试验装置进行风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验方法，包括提取等效疲劳载荷谱、匹配旋转运动速度、匹配往复变桨幅值、运行疲劳试验、试验结果分析等步骤：

SS1.提取等效疲劳载荷谱

提取试验叶片的设计数据，利用试验叶片设计过程中根据服役期间所遭遇的疲劳载荷，估算等效疲劳载荷谱，确定等效疲劳载荷谱的均值和幅值；

SS2.匹配旋转运动速度

根据步骤SS1得到的等效疲劳载荷均值，调整驱动电机的旋转速度，监测试验叶片的气动载荷大小，直到试验叶片的气动载荷达到等效疲劳载荷均值，得到最终疲劳试验所需的旋转运动速度；

SS3.匹配叶片往复变桨幅值

根据步骤SS1得到的等效疲劳载荷幅值，利用变桨电机调整试验叶片的往复变桨幅值，监测试验叶片的气动载荷变化范围，直到试验叶片的气动载荷达到等效疲劳载荷幅值，得到最终疲劳试验所需的往复变桨幅值；

SS4.运行疲劳试验

根据步骤SS2、SS3得到的旋转运动速度和往复变桨幅值设置疲劳试验装置运行参数，根据风电叶片的行业测试标准确定周期性加载次数，运行疲劳试验装置，记录监测数据，直到达到要求的加载次数，结束试验；

SS5.试验结果分析

根据步骤SS4疲劳试验所记录的监测数据，分析叶片经过长期加载疲劳载荷的损伤情况和刚度衰减情况，确认叶片在服役期间能否保证结构可靠性。

优选地，步骤SS4中，通过调整变桨电机的往复变桨频率，可减少或增加疲劳试验运行时间。

同现有技术相比，本发明的加载分布式交变气动载荷的疲劳试验装置及方法，通过往复变桨手段实现周期性改变迎角，以模拟叶片在实际运行环境中由于来流变化引起的迎角变化，结合叶片旋转运动，模拟叶片在实际运行过程中遭受的疲劳载荷，相对传统单点集中加载方式，能够更准确模拟叶片实际受载情况。

附图说明

图1为本发明的用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置示意图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置，包括驱动电机6、减速器5、旋转主轴4、轮毂3、变桨电机1和试验叶片2，驱动电机6依次连接减速器5、旋转主轴4和轮毂3，试验叶片2安装固定在轮毂3上，驱动电机6通过减速器5驱动旋转主轴4、轮毂3及试验叶片2进行旋转运动，变桨电机1安装于轮毂3上，驱动试验叶片2同时发生变桨运动。

利用图1所示的疲劳试验装置进行风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验时，按照如下步骤进行：

SS1.提取等效疲劳载荷谱

提取试验叶片的设计数据，利用试验叶片设计过程中根据服役期间所遭遇的疲劳载荷，估算为固定均值和幅值的等效疲劳载荷，以某一实际叶片为例，采用应变表征载荷，等效疲劳载荷的均值和幅值分别为1000με和400με；

SS2.匹配旋转运动速度

旋转运动速度，指叶轮旋转速度，由空气动力学知识可知，气动载荷大小与旋转速度的平方成正比，根据步骤SS1得到的等效疲劳载荷的均值(以1000με为例)，调整驱动电机6的旋转速度，监测试验叶片2的气动载荷大小，直到试验叶片2的气动载荷达到等效疲劳载荷的均值1000με，得到最终疲劳试验所需的旋转运动速度为270r/min；

SS3.匹配叶片往复变桨幅值

往复变桨幅值，指叶片桨距角周期性变化的幅值，当叶片桨距角改变时，叶片各叶素的有效迎角则跟随变化，从而使得气动载荷以一定幅值周期性变化，根据步骤SS1得到的等效疲劳载荷的幅值400με，利用变桨电机1调整试验叶片2的往复变桨幅值，监测试验叶片2的气动载荷变化范围，直到试验叶片2的气动载荷达到等效疲劳载荷幅值400με，得到最终疲劳试验所需的往复变桨幅值为20°；

SS4.运行疲劳试验

疲劳试验，指在叶片上长期加载疲劳载荷的试验过程，以步骤SS2、SS3得到的旋转运动速度270r/min和往复变桨幅值20°，设置疲劳试验装置的运行参数，根据风电叶片的行业测试标准确定周期性加载次数为2×10⁶，往复变桨频率设置为3Hz，运行疲劳试验装置，记录监测的应变数据，经过185小时疲劳实验，达到要求的加载次数，结束试验；

SS5.试验结果分析

试验结果分析，指根据步骤SS4疲劳试验所记录的应变数据，分析试验叶片经过长期加载疲劳载荷的损伤情况和刚度衰减情况，确认试验叶片有无损伤、刚度有无明显衰减，从而确认试验叶片在服役期间的结构可靠性。

以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内，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 (4)

1.一种用于风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验装置，包括驱动电机、旋转主轴、轮毂、变桨电机和试验叶片，其特征在于，所述旋转主轴竖直布置，所述轮毂固定安装在所述旋转主轴的顶端，所述试验叶片可拆卸地安装在所述轮毂上，所述变桨电机固定安装于所述轮毂上并可带动每一所述试验叶片进行变桨运动，所述驱动电机与所述旋转主轴驱动连接，所述驱动电机用以驱动所述旋转主轴、轮毂及试验叶片进行旋转运动。

2.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述装置还包括一减速器，所述驱动电机通过所述减速器与所述旋转主轴驱动连接。

3.一种利用权利要求1、2所述的疲劳试验装置进行风电叶片加载交变气动载荷的疲劳试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.提取等效疲劳载荷谱

提取试验叶片的设计数据，利用试验叶片在设计过程中根据服役期间所遭遇的疲劳载荷，估算等效疲劳载荷，确定等效疲劳载荷的均值和幅值；

SS2.匹配旋转运动速度

根据步骤SS1所得到的等效疲劳载荷的均值，调整驱动电机的旋转速度，并监测试验叶片的气动载荷大小，直到试验叶片的气动载荷达到等效疲劳载荷的均值，得到最终疲劳试验所需的旋转运动速度；

SS3.匹配叶片往复变桨幅值

根据步骤SS1得到的等效疲劳载荷的幅值，利用变桨电机调整试验叶片的往复变桨幅值，并监测试验叶片的气动载荷变化范围，直到试验叶片的气动载荷达到等效疲劳载荷的幅值，得到最终疲劳试验所需的往复变桨幅值；

SS4.运行疲劳试验

根据步骤SS2、SS3得到的旋转运动速度和往复变桨幅值，设置疲劳试验装置的运行参数，并根据风电叶片的行业测试标准确定周期性加载次数，运行疲劳试验装置，记录监测数据，直到达到要求的加载次数，结束试验；

SS5.试验结果分析

指根据步骤SS4疲劳试验所记录的监测数据，分析试验叶片经过长期加载疲劳载荷的损伤情况和刚度衰减情况，确认叶片在服役期间能否保证结构可靠性。

4.根据权利要求3所述的疲劳试验方法，其特征在于，步骤SS4中，通过调整变桨电机的往复变桨频率来调整疲劳试验的运行时间。