CN113624435A - 一种风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法，针对现有在风力机叶片疲劳测试上大都采用单方向施加载荷，而在一些开展的双方向疲劳加载研究方面，尤其是采用共振激振的双方向疲劳加载研究与尝试方面，叶片在挥舞与摆振两个方向的振动相位关系难与控制，是制约着双方向疲劳加载在测试行业应用的一个瓶颈问题，通过在风电叶片挥舞或摆振方向安装阻尼调节装置，根据试验中挥舞与摆振方向的相位差值，对阻尼进行调整，实现挥舞与摆振方向的相位差保持在所需要的关系。

Description

一种风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，涉及一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，尤其涉及一种基于阻尼调节风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法，该方法可实现对风电叶片在挥舞、摆振两个方向上同时施加疲劳加载情况下，满足叶片两个方向振动响应相位差符合测试方案的需求。

背景技术

风电叶片疲劳性能评估是风电叶片研发、设计所关注的一项重要内容。为了评估叶片的疲劳性能，新型叶片在开发试制后一般都要在试验台上开展疲劳测试。考虑到叶片运行中主要疲劳载荷应包括挥舞方向的疲劳载荷谱与摆振方向的疲劳载荷谱。在进行疲劳测试时，如能同时将这两种载荷谱作用在叶片上，所测量的结果将是更为有效。

然而同时在叶片挥舞与摆振方向施加疲劳载荷，进行叶片性能测量，还存在着许多困难，这些困难也导致目前行业难以有效地开展双轴疲劳测试，而是依然大都采用分别开展挥舞方向与摆振方向的单方向疲劳测试，这对风电行业的发展起到束缚作用。为了实现叶片挥舞、摆振方向同时加载这一目标，有必要对所面临的各项困难展开研究。本发明就是针对双轴加载情况下，挥舞与摆振振动响应的相位关系难以被控制这一问题所开展的，其方法可以解决挥舞与摆振振动响应的相位关系与所期望值不符的问题，从而为开展双轴疲劳测试提供一项技术和方法支撑。

发明内容

(一)所要解决的技术问题

针对现有风力机叶片疲劳测试中，大都采用挥舞或摆振方向单方向加载，不能同时在叶片挥舞与摆振方向施加疲劳载荷，难以有效开展双轴疲劳测试，不能满足叶片实际运行情况下抗疲劳性能的评估这一问题。而叶片共振式双轴疲劳试验加载方法，则可有效评估叶片真实的抗疲劳性能。但要实现双轴疲劳测试，需要面对很多技术难题需要解决。其中，双方向同时加载下，挥舞摆振双方向振动响应之间的相位关系，会受到叶片挥舞、摆振方向阻尼的影响，导致实际测试中相位关系与所期望的相位关系有所差异。而这个差异的存在，将会造成疲劳测试结果不能满足所希望的测试目标。因此，有必要开发一种技术和方法，保证挥舞与摆振双方向疲劳测试中，实际测试中相位关系与所期望的相位关系保持一致。本方法通过对造成上述不一致的原因进行分析，发现导致问题的原因在于叶片挥舞方向与摆振方向的阻尼情况不同，因此，提出增加额外阻尼装置，并通过对阻尼值进行调整，从而实现实际测试中相位关系与所期望的相位关系相一致的目标。

(二)技术方案

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

1、一种基于阻尼调节风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法，主要针对调节风力机叶片双轴共振疲劳加载情况下，由于挥舞与摆振方向阻尼情况差异导致的两个方向振动相位差不能满足实验要求的技术问题，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

SS1.将待测试风力机叶片安装在实验台架上，同时对叶片挥舞方向与摆振方向按照测试方案所要求的相应幅值、频率、相位的测试载荷进行载荷施加；

SS2.对叶片在挥舞、摆振方向振动的位移响应参数进行测量与记录；

SS3.经过一段初始振动，达到稳定振动时，将叶片挥舞与摆振方向位移振动参数的相位值记录下来，并根据步骤SS1中给出的载荷相位值，分别计算挥舞方向与摆振方向载荷与位移响应之间的相位差值，以及挥舞与摆振方向振动位移响应的相位差值；

SS4.由于叶片自身结构以及振动时周围空气的影响，在挥舞与摆振方向都存在着振动阻尼的影响，因此导致振动响应与振动载荷之间存在着一定的相位差，考虑到叶片大型化的趋势下，阻尼对该相位差的影响也不可忽略。而由于叶片在挥舞方向与摆振方向的振动阻尼有所不同，从而造成两个方向的阻尼对两个方向载荷与响应之间的相位影响亦不相同。因此最终导致，叶片振动情况下，挥舞与摆振方向两个振动位移响应之间的相位关系因阻尼的影响而无法提起准确预判，这导致实际测试中挥舞与摆振方向两个振动位移响应之间的相位关系与测试方案所预期两方向之间的相位差值会有所不同。因此，根据步骤SS3计算得到的相位差值，进行评估，比较两个方向振动响应之间的相位差值是否与测试方案所要求的相一致，如果一致，则无需进行调整，如不一致，需要进行后续调整；

SS5.对需要调整的情况，比较挥舞方向与摆振方向的振动位移的相位情况，判断是在挥舞方向还是摆振方向安装阻尼调节装置，所述阻尼调节装置用以增加或减少阻尼值，增加阻尼装置实现阻尼调节的原则是，如果希望在某一方向增大振动物体的相位值，则需在该方向增大阻尼，反之，如希望减少某一方向的相位值，则在该方向减小阻尼；

SS6.完成安装阻尼调节装置后，重新进行加载与测量，记录在安装阻尼调节装置后挥舞、摆振方向振动相位差值，根据测量结果，对阻尼调节装置的阻尼值进行调整，再重新进行测量与调节，直至挥舞、摆振方向振动相位差值满足测试方案的要求；

SS7.通过上述调节后，叶片在同时进行挥舞加载与摆振加载情况下，叶片在挥舞与摆振方向振动响应的相位差值将满足试验所希望的要求。

优选的，当需要增加某一方向的阻尼数值时，所述阻尼调节装置选择为在叶片上安装某个方向风阻较大的平板或类似结构体；当需要减少某一方向的阻尼数值时，所述阻尼调节装置选择为在叶片上安装某个方向具有流线型外形的装置。

进一步地，通过增减平板面积以调节阻尼数值的增加量，或通过增减流线型外外形面积以调节阻尼数值的减少量。

优选的，所述方法是为了解决叶片在挥舞摆振双方向同时施加疲劳载荷时，两个方向振动响应的相位差值不能满足测试方案所要求的情况下所开发的。

优选的，为了调节挥舞、摆振双方向加载情况下振动响应的相位差值，需要对未安装额外阻尼装置情况下的原始相位差进行测量，并根据该差值与测试方案的不同进行评估，选择在叶片哪个方向安装阻尼装置，以及阻尼装置是选用增大阻尼还是减少阻尼的装置。

优选的，为了达到满意的阻尼调节效果，需要在安装装置情况下，进行加载测试，验证阻尼装置的影响效果，并根据效果进行多次调整，直至满足测试方案的要求。

本发明基于阻尼调节挥舞摆振振动相位关系的方法，通过在挥舞或摆振方向上增加阻尼装置，改变某一方向的振动阻尼情况，使挥舞摆振两个方向的振动相位关系保持在所预期的数值，从而满足双方向疲劳加载的目标。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明基于阻尼调节挥舞摆振振动相位关系的方法具有如下明显的实质特点和显著优点：

现有行业在风力机叶片疲劳测试上大都采用单方向施加载荷，而在一些开展的双方向疲劳加载研究方面，尤其是采用共振激振的双方向疲劳加载研究与尝试方面，叶片在挥舞与摆振两个方向的振动相位关系难与控制，是制约着双方向疲劳加载在测试行业应用的一个瓶颈问题，本方法通过在挥舞或摆振方向上增加阻尼装置，改变某一方向的振动阻尼情况，使挥舞摆振两个方向的振动相位关系保持在所预期的数值，这为实现双方向疲劳加载目标的实现提供了一个关键的技术支撑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施例中，以当前主流的MW级风力机叶片为例，在实施本发明的基于阻尼调节风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法时，采用以下步骤进行实施：

1)将待测试风力机叶片安装在实验台架上，对叶片挥舞方向与摆振方向按照测试方案所要求的相应幅值、频率、相位的测试载荷进行载荷施加；

2)对叶片在挥舞、摆振方向振动的响应参数进行测量与记录；

3)经过一段初始振动，达到稳定振动时，在叶片挥舞与摆振方向的相位值记录下来，分别计算挥舞方向摆振方向载荷与响应的相位差值，以及挥舞与摆振二者振动响应的相位差值；

4)根据步骤3)中所测量记录的相位差值，进行评估，看两个方向振动响应之间的相位差值是否与测试方案所要求的相一致，如果一致，则无需进行调整，如不一致，需要进行后续调整，本示例中假定为不一致，因此需要进行后续调整；

5)比较挥舞方向与摆振方向的相位情况，判断是在挥舞方向还是摆振方向安装阻尼调节装置，所述阻尼调节装置用以增加或减少阻尼值，本示例假定需要在挥舞方向振动相位进行调整，且通过减少该方向相位值可实现挥舞与摆振振动的相位差值与期望值相一致，因此选择在挥舞方向进行阻尼调整，通过减少该方向阻尼值，可达到减少该方向相位值得目的，因此考虑在挥舞方向增加减少阻尼的装置；

6)为实现上述目标，在叶片上安装若干个泡沫材料做成的流线型外罩，每个外罩沿叶片展向长度为50厘米，外罩内部与叶片型线相一致，以保证能套在叶片上，外部为挥舞方向具有流线型的结构；

7)完成安装阻尼调节装置后，重新进行加载与测量，记录在安装额外阻尼装置后在挥舞、摆振方向振动相位差值，根据测量结果，对阻尼调节装置的位置与数量进行调整，比如适当增加或减少外罩的数量，之后重新进行加载与测量，直至挥舞、摆振方向振动相位差值满足测试方案的要求；

8)通过上述调节后，叶片在同时进行挥舞加载与摆振加载情况下，叶片在挥舞与摆振方向振动响应的相位差值将满足试验所希望的要求。

通过以上步骤的实施，可实现叶片共振式疲劳双向加载时挥舞与摆振方向振动响应的相位关系满足预期希望的要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于阻尼调节风力机叶片双轴共振式疲劳加载响应相位关系的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

SS1.将待测试风力机叶片安装在实验台架上，同时对叶片挥舞方向与摆振方向按照测试方案所要求的相应幅值、频率、相位的测试载荷进行载荷施加；

SS2.对叶片在挥舞、摆振方向振动的位移响应参数进行测量与记录；

SS3.经过一段初始振动，达到稳定振动时，将叶片挥舞与摆振方向位移振动参数的相位值记录下来，并根据步骤SS1中给出的载荷相位值，分别计算挥舞方向与摆振方向载荷与位移响应之间的相位差值，以及挥舞与摆振二者振动位移响应的相位差值；

SS4.根据步骤SS3计算得到的相位差值进行评估，比较两个方向振动响应之间的相位差值是否与测试方案所要求的相一致，如果一致，则无需进行调整，如不一致，需要进行后续调整；

SS5.比较挥舞方向与摆振方向的振动位移的相位情况，判断是在挥舞方向还是摆振方向安装阻尼调节装置，所述阻尼调节装置用以增加或减少阻尼值，如果希望在某一方向增大振动物体的相位值，则在该方向上增大阻尼值，反之，如希望减少某一方向的相位值，则在该方向减小阻尼值；

SS6.完成安装阻尼调节装置后，重新进行加载与测量，记录在安装阻尼调节装置后挥舞、摆振方向振动相位差值，根据测量结果，对阻尼调节装置的阻尼值进行调整，之后重新进行测量与调节，直至挥舞、摆振方向振动相位差值满足测试方案的要求；

SS7.通过上述调节后，叶片在同时进行挥舞加载与摆振加载情况下，叶片在挥舞与摆振方向振动响应的相位差值将满足试验所希望的要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当需要增加某一方向的阻尼数值时，所述阻尼调节装置选择为在叶片上安装某个方向风阻较大的平板或类似结构体；当需要减少某一方向的阻尼数值时，所述阻尼调节装置选择为在叶片上安装某个方向具有流线型外形的装置。

3.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，通过增减平板面积以调节阻尼数值的增加量，或通过增减流线型外外形面积以调节阻尼数值的减少量。

4.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，为了调节挥舞、摆振双方向加载情况下振动响应的位移相位差值，需要对未安装阻尼调节装置情况下的原始振动位移相位差进行测量，并根据该差值与测试方案的不同，进行评估，选择在叶片哪个方向安装阻尼调节装置，以及阻尼调节装置是选用增大阻尼还是减少阻尼的装置。

5.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，为了达到满意的阻尼调节效果，需要在安装装置情况下，重新进行加载测试，验证阻尼调节装置的影响效果，并根据效果进行多次调整，直至满足测试方案的要求。