CN202661260U - 风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置，属于叶片载荷模拟试验领域，解决现有试验装置结构复杂，可靠性差的问题。本装置的被试叶片横向固定于加载试验支座上，在叶片一截面上安装叶片夹具，本装置包含：电机，固定于叶片夹具底部；减速机，固定于叶片夹具底部并与电机连接，其输出轴端设置一销轴；连杆，一端铰接于输出轴的销轴；质量块，固定于连杆另一端。本装置利用偏心质量块旋转频率与叶片横向固有频率一致产生共振对叶片进行加载，电机运行功耗少，节省加载能量；因质量块连杆铰接于减速机输出轴，可避免由于质量块自重所产生的对减速机输出轴的弯矩，减少对设备的损坏；本装置结构简单，有利于提高疲劳试验的可靠性。

Description

风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组风轮叶片载荷模拟试验技术，尤其是指一种风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置。

背景技术

风力发电机组风轮叶片载荷模拟试验装置的主要功能是对风力发电机组风轮叶片进行模拟加载试验，其中可分为静力模拟加载和疲劳模拟加载。

对疲劳模拟加载而言，又可分为垂直疲劳加载、水平疲劳加载、扭转疲劳加载以及由垂直、水平、扭转三者不同组合的复合疲劳加载。

对于叶片水平方向的疲劳加载，现有的加载装置及其加载方式有以下几种：

（1）作动器强制加载装置，该装置以大地为支点，作动器连杆对叶片的某个截面施加一水平方向的载荷。这种利用作动器对叶片进行强制往复加载运动的装置能量消耗较大，且加载装置结构较复杂。

（2）液压惯性加载装置，如图1所示，该液压惯性加载装置100安装在叶片10的某个截面的夹具上，通过其中的液压缸101带动质量块102作水平往复运动，其往复频率与叶片10横向固有频率基本一致，依靠质量块102的惯性力对叶片10进行共振加载。这种加载方式虽然是共振加载，但其中液压缸的往复运动需要依靠电液伺服***得以实现，而电液伺服***结构复杂，控制要求高，能耗大，效率低（电液伺服***的最大有效效率还不到非伺服***的40%），且由于该装置涉及泵、阀、缸、蓄能器等诸多液压元件，这些元件本身的疲劳寿命会影响叶片疲劳加载试验的可靠性。

（3）旋转偏心质量块加载装置，如图3a、图3b所示，该加载方式为：被试叶片30横向固定于加载试验支座31上，在叶片30的某个截面上安装叶片夹具32，在叶片夹具32的上部装有旋转偏心质量块加载装置300，对叶片30进行旋转偏心质量块加载。该旋转偏心质量块加载装置300包含：电机301；减速机302，与电机301连接，受电机301驱动，减速机302的输出轴303作旋转运动，其旋转频率与叶片横向固有频率基本一致；连杆304，其一端固定于输出轴303端部，随输出轴303一起旋转；质量块305，其固定于连杆304的另一端，通过连杆304带动质量块305旋转产生离心力对叶片30进行共振加载；环形托架306，由圆环架及支撑圆环架的数个支脚组成，圆环架的圆环尺寸与质量块305旋转轨迹相匹配，数个支脚置于叶片夹具32上，其高度是使圆环架与质量块305底部接触，该环形托架306作用：由于偏心质量块305是悬臂的，其重力将会对装置输出轴303产生较大的弯矩，该环形托架306是支撑偏心质量块305重力的托架，质量块305沿着环形托架306的圆环架为轨道作旋转运动，以减小对装置输出轴303的弯矩。由此可见，由于旋转偏心质量块加载装置300需要环形托架306，结构显得比较复杂，会影响叶片疲劳加载试验的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种结构简单，功耗少，并能提高叶片疲劳加载试验可靠性的风力发电机组风轮叶片水平方向疲劳加载试验装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置，所述疲劳加载试验装置对被试叶片进行水平方向疲劳加载模拟试验，被试叶片横向固定于加载试验支座上，在叶片的一个截面上安装叶片夹具，其中所述疲劳加载试验装置包含：

电机，是三相交流电机，固定于所述叶片夹具的底部；

减速机，固定于所述叶片夹具的底部并与所述电机连接，在其输出轴端部设置一个销轴；

连杆，其一端铰接于所述输出轴端部的销轴上；

质量块，其固定于所述连杆的另一端。

所述减速机采用蜗轮减速机或伞齿轮减速机。

本实用新型的有益效果：

本加载试验装置是将被试叶片横向固定于加载试验支座上，在叶片的某个截面上安装叶片夹具，在叶片夹具的底部装有水平方向疲劳加载试验装置，该装置通过偏心质量块旋转产生的离心力对叶片进行水平方向疲劳加载，具有以下特点：

（1）利用偏心质量块旋转频率与叶片横向固有频率基本一致产生共振对叶片进行加载，能够节省加载能量；

（2）由于质量块连杆铰接于减速机输出轴，因此可避免由于质量块自重所产生的对减速机输出轴的弯矩，减少对减速机输出轴及其轴承的损坏，延长装置寿命；

（3）在装置启动时，由于质量块下垂，电机的启动惯性扭矩很小；在装置运行过程中，由于质量块是悬空旋转的，无需克服质量块旋转摩擦阻力，因此电机运行功耗少；

（4）与同类水平加载装置相比，本装置结构比较简单，这对于提高疲劳加载装置本身的可靠性、延长其寿命具有较大的实用意义；进而也可提高叶片疲劳加载试验的可靠性。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为现有的一种叶片水平方向疲劳加载装置（液压惯性加载装置）加载时的状态示意图；

图2为本实用新型的叶片水平方向疲劳加载试验装置计算模型图；

图3a为现有的另一种叶片水平方向疲劳加载装置（旋转偏心质量块加载装置）加载时的状态示意图；

图3b为图3a中液压惯性加载装置的结构示意图；

图4a为本实用新型的叶片水平方向疲劳加载试验装置加载时的状态示意图；

图4b为图4a中叶片水平方向疲劳加载试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

参见图4a及图4b，本实用新型的风力发电机组风轮叶片水平方向疲劳加载试验装置（以下简称疲劳加载试验装置400）对被试叶片40进行水平方向疲劳加载模拟试验，被试叶片40横向固定于加载试验支座41上，在叶片40的某个截面上安装叶片夹具42，本实用新型的疲劳加载试验装置400的电机401与减速机402安装于所述叶片夹具42的底部，该疲劳加载试验装置400采用惯性质量水平振动加载方式，通过偏心质量块405旋转产生的离心力对叶片40进行水平疲劳共振加载。

如图4a及图4b所示，本实用新型的疲劳加载试验装置400包含：

电机401，是三相交流电机，固定于所述叶片夹具42的底部；

减速机402，采用蜗轮减速机或伞齿轮减速机，其固定于所述叶片夹具42的底部并与所述电机401连接，受电机401驱动，减速机输出轴403作旋转运动，在该输出轴403的外端部设置一个销轴406；

连杆404，其一端铰接于输出轴403端部的销轴406上，输出轴403旋转时，其随输出轴403一起旋转；

质量块405，其固定于连杆404的另一端，连杆404未作旋转运动时，由于重力的作用，质量块405下垂；疲劳加载试验装置400启动后，连杆404作旋转运动，质量块405随连杆404一起旋转，旋转的质量块405产生水平方向的离心力，随着连杆404转动速度加快，离心力增大，使质量块405的离心力克服重力后与连杆404一起绕着销轴406向上旋转甩动，质量块405的旋转半径逐渐增大，直到旋转频率与所述叶片横向固有频率一致时，达到共振，此时旋转的质量块产生的水平方向离心力对所述叶片进行水平疲劳共振加载。

下面对本实用新型中连杆404的长度，质量块405的质量以及电机401的功率选用依据用公式进行详细说明

本实用新型中叶片水平方向疲劳加载试验装置400计算旋转的质量块产生的水平方向离心力F（以下简称离心力F）与已知参数之间的关系模型如图2所示，由图中得到离心力F与已知参数之间的关系：

$\frac{F}{\mathrm{mg}}=\frac{m{\mathrm{\ω}}^{2}r}{\mathrm{mg}}=\frac{r}{\sqrt{L^2-r^2}}$ 公式1

得：

$r=\sqrt{L^2-\frac{g^2}{{\mathrm{\ω}}^4}}$ 公式2

则：

公式3

图2及上述公式1-公式3中的符号含义：

m—质量块质量（可根据加载要求调整其值，单位为kg）；

r—质量块的旋转半径，单位为m；

g-重力加速度，单位为m/s²；

ω—质量块绕减速机输出轴旋转的角速度，单位为1/s；

L—连杆长度，单位为m；

—质量块旋转时连杆与竖直平面的夹角，单位为°（度）；

F-质量块旋转产生的水平方向离心力，单位为N。

质量块旋转时离心力克服重力甩动起来的条件是：公式2中根号内必须为非负，也即当质量块角速度ω接近叶片40的横向共振频率时，装置连杆404长度L必须满足：

$L\≥\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}$ 公式4

此时，质量块旋转时离心力才能克服重力旋转甩动起来。

在对叶片40的振动加载过程中，偏心质量块产生的离心力F在每一个振动周期内对叶片作功，来补偿叶片40阻尼所消耗的能量，当离心力F作功与叶片40振动消耗的能量相等时，振动进入稳定状态。

在一个振动周期T内，离心力F对叶片所作的功（加载***对叶片作功）W_F为：

$W_F={\∫}_0^T\mathrm{Fdx}={\∫}_0^{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}}-m\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}\·\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\·\mathrm{\ω}A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}$

$=\mathrm{\πAm}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}\sin \mathrm{\θ}$ 公式5

式中：

A—叶片加载点振幅（其值由理论计算或实测得到），单位为m；

θ—叶片与偏心质量块振动相位差，单位为°；

dx—离心力F在其作用方向上的距离微分；

dt—离心力F对叶片作功的时间微分。

当偏心质量块与叶片处于共振时，叶片振动相位与偏心质量块的相位差约为90°，即

此时加载***对叶片作功最大，为W_Fmax：

$W_{F\max }=\mathrm{\πAm}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}$ 公式6

叶片阻尼力与叶片在阻尼力方向上的速度成正比，其比例系数即叶片阻尼系数c为：

$c=\frac{2\mathrm{k\ξ}}{\mathrm{\ω}}$ 公式7

式中：

ξ—叶片阻尼比（ξ是理论计算值或实测值）；

k—叶片加载点刚度系数（其值由理论计算或实测得到），单位为N/m。

在一个振动周期T内，叶片阻尼力所消耗的能量W_r为：

$W_r={\∫}_0^{T}c{x}^{\′}\mathrm{dx}={\∫}_0^{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}}c{A}^2{\mathrm{\ω}}^2{\left(\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\right)}^2\mathrm{dt}$

$=c{A}^2{\mathrm{\ω}}^2{\∫}_0^{\frac{2T}{\mathrm{\ω}}}{\sin }^2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\mathrm{dt}$

$=\mathrm{\πc}{A}^2\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πk}{A}^2\mathrm{\ξ}$ 公式8

式中：x′—叶片在阻尼力方向上的运动速度，单位为m/s。

根据能量守恒定律，质量块在一个周期内对叶片所作的功与叶片阻尼消耗的能量相等，从而维持叶片作简谐等幅运动，即：

W_Fmax=W_r            公式9

即：

$\mathrm{\πAm}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}=2\mathrm{\πk}{A}^2\mathrm{\ξ}$

或：

$m\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}=2\mathrm{kA\ξ}$ 公式10

由此可得质量块等效质量：

$m=\frac{2\mathrm{kA\ξ}}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}}$ 公式11

在一个振动周期T内，为克服叶片阻尼所消耗的平均功率

为：

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{W_r}{T}=W_r\·\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\mathrm{\ωk}{A}^2\mathrm{\ξ}$ 公式12

由公式3可知，叶片水平振动引起的对质量块的最大附加扭矩T_fmax为：

$T_{f\max }=\mathrm{mL}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}$ 公式13

最大附加功率P_f为：

$P_f=\mathrm{\ω}{T}_{f\max }=\mathrm{\ωmL}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}$ 公式14

则***稳态运行时电机所需要的最大功率P_max为：

$P_{\max }=\stackrel{\‾}{P}+P_f=\mathrm{\ωk}{A}^2\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ωmL}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}$ 公式15

式中：

—在一个振动周期T内，为克服叶片阻尼所消耗的平均功率,单位为W；

P_f—最大附加功率，单位为W；

P_max—***稳态运行时电机所需要的最大功率，单位为W。

上述公式1-16描述的目的是表示根据被试叶片40的性质设计连杆长度、质量块质量以及采用的电机功率。

下面举一个应用例：

某型叶片，测得其阻尼比ξ=0.025，加载点刚度k=155000N/m，叶片加载点振幅A＝0.2m，叶片横向固有频率f=1.0Hz，即ω=2πf1/s（每秒弧度）。

首先须满足***起振条件，由公式4得装置连杆长度：

$L\≥\frac{g}{{\mathrm{\ω}}^2}=\frac{g}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}=\frac{9.81}{{(2\×3.14\×1)}^2}\≈0.25m$

（注：如果叶片横向固有频率f=0.5Hz，则装置连杆长度必须满足L≥1m。）

如果取装置连杆长度L＝1m，则所需质量块质量由公式11确定为：

$m=\frac{2\mathrm{kA\ξ}}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}}=\frac{2\×155000\×0.2\×0.025}{\sqrt{{(2\mathrm{\π}\×1)}^4\×1^2-9.81^2}}\≈40.5\mathrm{kg}$

由公式15确定电机所需要的最大功率P_max为：

$P_{\max }=\stackrel{\‾}{P}+P_f=\mathrm{\ωk}{A}^2\mathrm{\ξ}+\mathrm{\ωmL}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^4{L}^2-g^2}$

$=2\mathrm{\π}\×1\×155000\×{0.2}^2\×0.025+2\mathrm{\π}\×1\×40.5\×1\×\sqrt{{(2\mathrm{\π}\×1)}^4\×1^2-{9.8}^2}$

$=973+9716=10689W\≈10.7\mathrm{kW}$

由本例具体计算数值还可以发现，加载***为克服由叶片水平振动引起的对质量块的附加扭矩，其消耗的附加功率通常远大于叶片阻尼消耗的功率。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置，所述疲劳加载试验装置（400）对被试叶片（40）进行水平方向疲劳加载模拟试验，被试叶片（40）横向固定于加载试验支座（41）上，在叶片（40）的一个截面上安装叶片夹具（42），其特征在于所述疲劳加载试验装置（400）包含：

电机（401），是三相交流电机，固定于所述叶片夹具（42）的底部；

减速机（402），固定于所述叶片夹具（42）的底部并与所述电机（401）连接，在其输出轴（403）端部设置一个销轴（406）；

连杆（404），其一端铰接于所述输出轴（403）端部的销轴（406）上；

质量块（405），其固定于所述连杆（404）的另一端。

2.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片疲劳加载试验装置，其特征在于：

所述减速机（402）采用蜗轮减速机或伞齿轮减速机。

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