专利名称：风轮机叶片测试机的制作方法
技术领域：
本发明涉及风轮机叶片测试机以及测试风轮机叶片的方法。本发明具体地涉及这样的风轮机叶片测试机，该风轮机叶片测试机适于测试用于例如在风电场中进行大型电カ生成的风轮机叶片。
背景技术：
用于风电场上的大型风轮机的风轮机叶片 变得越来越大。例如，叶片长度可超过50m。新设计的这些越来越大的叶片在被投入使用之前通常要进行机械疲劳测试，以确保这些叶片对于风轮机的有效寿命而言是可靠的。在正常使用时，风轮机叶片在旋转时由于作用在其上的力的变化而振动。风轮机叶片经受两种类型的负载，即，空气动力学负载(例如，呈升力、阻力和剪切力的形式)以及惯性负载(例如，呈重力和叶片动力学的形式)。參见图1，负载处于所示风轮机叶片10的拍打方向和翼展方向。翼展方向是风轮机叶片在使用时的旋转方向，拍打方向是与翼展方向垂直的方向并且该拍打方向还垂直于叶片的纵向轴线。空气动力学弯矩通常与拍打方向相关。这些空气动力学弯矩主要归因于随机的风速(也就是说，紊流)。惯性负载通常与翼展方向有夫。这些负载主要归因于在叶片每次旋转期间所经历的重力负载并且本质上更是确定性的。在小型叶片中，与翼展方向负载相比，拍打方向上的负载起主导作用。因此，小型叶片能够仅在ー个方向(拍打方向)上进行测试就已足够。然而，在现代较大的叶片中，由于叶片的长度，与风カ负载相比，叶片的重力负载成比例増加得更多，因此翼展方向负载变得更为显著。因此，对于较大叶片，单轴测试不能提供有效的测试，因此需要进行双轴测试。通常通过以叶片的固有频率(在系统投入运行之后系统自然地振动的频率)激励叶片来完成叶片测试。由此，可以模拟整个叶片上所需的测试弯矩。较长的风轮机叶片具有较低的固有频率并且测试时间增加，这是因为叶片通常需要针对具体数量的振动来进行测试。此外，翼展固有频率和拍打固有频率是不同的。风轮机叶片的翼展固有频率大于拍打固有频率。叶片在每个方向上连续地以固有频率振动的典型测试时间是3个月左右。由于这种负担，较新较长的叶片更加柔韧，这需要更多的能量来使得叶片振动。在通常被容纳在大型建筑中以覆盖被测试的叶片的简单测试装置(未示出)中，风轮机叶片的一端(这一端在使用时将被连接到风轮机的轮毂)被固定到坚固的混凝土支承件，该混凝土支承件可重达数千吨，以支承在测试期间被施加到叶片的主要负载。通过下述方式，叶片的另一端沿ー个方向振动，从而沿该方向对叶片进行测试，所述方式是向风轮机的上表面施加振动质量块,从而使叶片沿其振动的方向以叶片的固有频率振动例如三个月。振动质量块是通常被安装到旋转的电动马达上的质量块。一旦完成测试，就使风轮机叶片旋转90°，并将振动质量块施加到现在的风轮机叶片的上表面，并且按照与叶片在其现在正振动的方向上的固有频率对应的不同频率再次重复测试例如三个月。已知大量的同时在两个方向(拍打和翼展方向)上测试叶片的双轴疲劳测试装置。明显地，这可降低风轮机叶片的总测试时间。然而，正确的控制是十分困难的。这是因为，如上所述，叶片应当在翼展方向和拍打方向上以不同的频率振动。典型地，在这些方向中的ー个方向上的振动会影响另一方向上的振动。美国专利申请NO.US2006/0037402描述了允许同时进行双轴测试的ー种装置。用于施加拍打方向负载的机构包括致动器以及安装在被测试的风轮机叶片上的质量块。控制系统控制致动器以使质量块在被测试的风轮机叶片的谐振频率附近沿拍打方向线性地往复运动。另ー机构向被测试的风轮机叶片施加翼展方向负载。该机构包括通过枢轴安装的钟形曲柄和推杆联接到被测试的风轮机叶片的另一致动器。控制系统还控制翼展测试。在叶片上使用沉重的振动或往复运动质量块増加了被测试的叶片的质量，这增加了被测试的叶片的固有频率。此外，这种布 置是低效且难以控制的，因为推杆的角度总是随着时间而变化。这种测试系统同样是大尺寸的。用于使得双轴测试同时进行的另ー装置在国际专利申请No. WO 2009/097055中进行了描述。在该装置中，被测试的风轮机叶片被安装到框架。彼此垂直地移动的致动器在叶片的不同侧面上作用在框架上。一个致动器通过施加力到被连接到被测试的风轮机叶片的杠杆臂或鳍状部并且使得风轮机叶片振动来提供拍打方向负载。另一致动器通过施加力以引起线性位移来提供翼展方向负载。致动器通过控制系统操作，该致动器具有在固有频率或其他频率下提供的位移。控制系统使用从位于叶片的拍打部和翼展部上的传感器(例如，应变计)接收数据的反馈环。该装置需要由致动器提供沿翼展方向的较大的力，具体地类似于上述的现有技术装置，该装置难以控制并且尺寸大。上述的美国专利申请No. US2006/0037402以及国际专利申请No. W02009/097055的双轴测试布置具有彼此正交地作用在风轮机叶片上的致动器。
发明内容
下述风轮机叶片测试机的发明人最先认识到，风轮机叶片(具体地，可用于风电场的风轮机上的大型风轮机叶片)可利用一对可线性往复运动的致动器同时在拍打方向和翼展方向进行充分的测试，该致动器例如是液压致动器，并且每个致动器都被设置成将一行程赋予被测试的风轮机叶片，并且由每个致动器赋予的行程均提供翼展和拍打方向上的受控力。风轮机叶片在拍打方向具有较低的刚度，且因此在该方向上需要大位移来实现目标弯矩，并且该方向上的空气动力学阻尼是主导因素。比较而言，翼展方向仅需要力来克服相对低的结构性阻尼。因此，克服上述力所需的カ在拍打方向比在翼展方向要大得多。这可例如通过本文所述的装置来实现。在被测试的风轮机叶片的固有频率下进行测试意味着，将发生谐振(谐振是当风轮机叶片在其固有频率下被激励时出现的大振幅的增长)，并且所需的唯一力是用于克服叶片的结构性阻尼以及空气动力学阻尼的力。在这种情况下，通常而言，拍打力与翼展カ的比是10 I。本文所述的风轮机叶片测试机的实施例以紧凑的设计实现了风轮机叶片在两个方向(翼展和拍打方向)上同时进行快速、有效且可靠的测试。实施例仅需要在被测试的叶片下方的低的离地距离(low ground clearance)。总体而言,这允许更优化风轮机叶片设计，且因此允许在更短的时间内将新产品投放到市场。所描述的示例性叶片测试机能够补偿致动器角度的变化。通过以被测试的叶片的固有频率激励叶片，可通过质量分布来实现所需的局部弯矩。这允许毎次测试只需较低的能量以及相对小的激励力。由于后者的作用，测试设备所需的相对强度是低的，这降低了成本。本文所述的风轮机叶片测试机的实施例还在单轴测试方面提供优势。该风轮机叶片测试机约束沿叶片未被测试的轴线的运动，并且这降低了翼展和拍打方向之间的交联。叶片不需要在翼展和拍打测试之间 进行变桨。同样，用于单轴测试的示例性风轮机叶片测试机还可提供用于翼展测试的正确平均负载。具体地，本发明在各个方面由下述方面限定。有利的特征由下述其它方面限定。本发明的优选实施方式将在下文进行更详细的描述，并且采用风轮机叶片测试机的形式，该风轮机叶片测试机包括一对能够线性往复运动的致动器，例如，液压致动器。每个所述致动器均被设置成将一行程赋予被测试的风轮机叶片。由每个所述致动器赋予的所述行程提供翼展方向以及拍打方向上的受控力。这种布置允许沿两条轴线(拍打和翼展方向)同时容易地控制被测试的风轮机叶片的加载。另选地，由于这种布置能够约束沿未被测试的轴线的运动，因此允许在单条轴线(拍打或翼展方向)上进行稳定的测试。对于单轴测试，采用本文所述的布置，被测试的叶片不需要在翼展和拍打测试之间进行变桨(并且反之亦然)。同样，对于单轴测试，采用本文所述的布置，能够提供用于翼展测试的正确的平均负载，从而能够反映在现场实际使用中所经历的负载。已知的翼展疲劳测试具有高翼展平均负载和零拍打平均负载。相比而言，在现场使用时，风轮机叶片具有高拍打平均负载以及零翼展平均负载。这种布置允许以实时且精确的方式实施测试。实施方式具有低循环时间，因为这些实施方式不在被测试的叶片上使用沉重的旋转质量块，沉重的旋转质量块会增加叶片的固有频率。此外，该カ可能比旋转质量块大，从而允许测试更大的叶片。每个致动器均可相对于被测试的风轮机叶片倾斜一角度。这提供了紧凑的构造。每个致动器均可被设置成将一行程赋予被测试的所述风轮机叶片的同一侧。这提供了尤其紧凑的构造。每个所述致动器均可被独立地控制。每个所述致动器均可由闭环控制器独立地控制。所述致动器可以是液压致动器或连杆(ram)。这允许测试机达到高振幅。这是重要的，因为现代风轮机叶片是高度柔性的并且需要高振幅(且确实需要高能量)以使得叶片振动。所述致动器可被设置成连接到地面。所述致动器中的ー个可相对于所述地面成锐角，并且所述致动器中的另ー个可相对于所述地面成钝角。所述致动器可设置成相对于彼此成锐角。所述致动器之间的所述锐角可小于70°、小于45°或小于35°。所述致动器的处于被测试的所述风轮机叶片处的那些端部可间隔开。另选地，所述致动器可在被测试的所述风轮机叶片处共轴。可设置用于沿被测试的所述风轮机叶片间隔开地安装的传感器。传感器可包括应变计。所述传感器中的至少ー些传感器可适于测量沿被测试的所述风轮机叶片的两个正交方向的应变。在本发明的一方面，提供了一种测试风轮机叶片的方法，所述方法包括控制ー对能线性往复运动的致动器，以使每个致动器均将一行程赋予被测试的风轮机叶片，从而具有翼展方向以及拍打方向上的力。
现将以实施例的方式參 照附图来说明本发明的优选实施方式，附图中图I是示出了作用在风轮机叶片上的力的命名惯例的示意图；图2是体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机的剖面的端视图；图3是体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机的控制系统的示意图；图4A和图4B是体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机的致动器在ー个平面中的单个參照点处的位移的图；图4C是示出了将图4A和图4B的致动器的位移相加以得出两个平面中的曲线的图；图5是体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机的一部分的侧视图；图6是体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机从下方看的立体图；以及图7是用于夹持到被测试的风轮机叶片的装置的端视图。
具体实施例方式图2示出了体现本发明的一方面的风轮机叶片测试机100，风轮机叶片102在该风轮机叶片测试机中进行测试。简言之，风轮机叶片测试机使用液压致动器中的液压比例激励阀或比例阀在被测试的风轮机叶片上产生正弦输入力，该正弦输入力由闭环控制系统保持。这消除了瞬时负载，同时能保持液压致动器的加载能力，并且还能提供负载稳定性。被测试的叶片102在正常使用时连接到风轮机轮毂的那一端被连接到大型固定质量块。测试机100作用在叶片的朝向叶片尖端并与固定端间隔开的一部分上。测试机或疲劳测试机100通常呈所谓的平行操纵器的形式。测试机或疲劳测试机包括一对能线性往复运动的致动器104，每个致动器都设置成将一行程或位移赋予被测试的风轮机叶片102。每个致动器都相对于被测试的风轮机叶片倾斜一角度。这些致动器均作用在被测试的风轮机叶片的同一侧、面或表面。在该实施例中，致动器104是液压致动器或连杆。液压致动器具有最适于测试现代大型风轮机叶片的高负载性能。每个致动器104的一端106均被紧固到底座108。底座通过例如螺母和螺栓112的连接器连接到测试建筑物的地面或地基110。因此，每个致动器的一端相对于另一致动器的一端被固定。通过在地面上安装激励器或液压致动器，能够输入高负载且在叶片上不存在不想要的平均负载(当振动质量块被设置在叶片102上以使其振动时情况如此，例如參照美国专利申请No. US2006/0037402在上文描述的)。每个致动器的自由端被连接到夹持或保持被测试的风轮机叶片的一部分的夹持组件116。每个致动器104均相对于被测试的风轮机叶片102倾斜一角度。每个致动器的自由端114沿从底座108大致向上的方向突出。在该实施例中，一个致动器相对于地面110成鋭角，且另一致动器相对于地面成钝角；致动器彼此相互成鋭角。致动器在其自由端处沿翼展方向间隔开。致动器也沿翼展方向延伸。致动器之间的角度是可调节的。角度的选择取决于拍打力与翼展カ的比。在该实施例中，致动器之间的角度小于35°，具体地为30.01521644°。致动器之间的其他角度也是可能的，例如小于70°或小于45°。致动器104包括伺服阀118，该伺服阀控制液压流体到其致动器的流量且因此控制液压流体的排量。液压致动器104的伺服阀118是比例阀。这些阀在液压致动器中产生正弦或振动力。这消除了瞬时负载并且保持了液压致动器提供的负载能力，同时还提供了负载稳定性。液压致动器且具体 地比例阀被将在下文描述的闭环控制系统控制。致动器104是具有对称孔和环的双活塞装置。这确保了在两个方向上的对称的环响应。如上所述，风轮机叶片测试机100包括如图3所示的控制器200。控制器控制叶片测试机，使得由每个致动器104赋予的行程或位移提供沿被测试的叶片102的翼展方向和拍打方向的受控力。在该实施例中，控制器控制风轮机叶片测试机(具体地，控制其致动器)，使得被测试的叶片沿翼展方向以及拍打方向同时以风轮机叶片的不同固有频率振动。另选地，控制器可控制风轮机叶片测试机(具体地，控制其致动器)，使得被测试的叶片仅沿ー个方向(拍打方向或翼展方向)以该方向上的固有频率振动。由于存在被控制的两个致动器104，因此在翼展方向(如图2所示的z轴)以及拍打方向(如图2所示的y轴)存在两个自由度需要进行控制。在实践中，还存在沿风轮机叶片102的纵向轴线(沿图2的X轴)的小量未受控的运动。另外，两个致动器104可被控制以在需要时提供叶片102的旋转运动。控制器200从呈应变计的形式的传感器(未示出)接收信号，该传感器沿被测试的风轮机叶片102间隔开地安装。控制器利用位移反馈来控制所述ー对致动器104的位移或行程，使得沿拍打方向和翼展方向作用在被测试的风轮机叶片上的力被独立地控制。在该实施例中，传感器沿被测试的风轮机叶片102安装在离散点。沿叶片可存在间隔开的例如20至100个传感器。具体地，在该实施例中，44个传感器沿叶片间隔开。传感器的数量与被测试的叶片的长度成比例。每个传感器适于测量沿被测试的风轮机叶片的两个正交方向(水平和竖直/翼展方向和拍打方向)的应变。由此，可以在拍打方向以及翼展方向上实现叶片中期望的应变大小。通过标定产生的应变是要实现的目标。图3的控制系统200提供对致动器104的位置控制；该控制系统以位置模式工作。这确保了致动器的位移曲线针对随机无功负载不变化。控制系统具有顺序參照。也就是说，參照是预定位移序列。控制系统是十分可靠的，以确保低停机时间和故障安全布置。图3的控制系统200是已知为迭代学习控制(ILC)系统的所谓智能控制架构。ILC这样操作将误差信号历史写入并存储到存储器中并且将该误差信号历史往回输入到下一次迭代或时间步骤的循环中。该ILC被嵌入到现场可编程门阵列(FPGA)。这允许MHz量级的快速控制或循环速度。存在高于风轮机叶片102的振动速率的许多幅值量级，且因此确保控制系统200不是限制性因素。这是重要的，因为被控制的系统是高度动态的。ILC允许通过利用过去的经验来改进控制的性能，以减少误差。ILC具有通用组调节參数，其通过“自调节”而针对每次应用进行优化。这克服了调节该系统的问题，由于该系统不是确定性的并且液压或致动器系统的表现是非线性的，因此寻找满足全部序列领域的调节函数可能是有问题的。在图3的控制系统200中，对于ー对致动器104中的每个致动器，时序误差历史ek(t)在该序列内的相应时间戳处沿闭环或反馈循环201反馈给參照信号uk(t)。该反馈首先经过长度η的移位寄存器和滤波器P (q)以减弱其作用，使得在最大数量的序列uk+n(t)具之后參照位置和实际位置逼近。这反映在下式中uk+1(t) = L (q) Uk (t) +P (q) ek (t)用于每次迭代的误差信号经过由下述公式限定的PID (比例-积分-微分)算法
权利要求
1.一种风轮机叶片测试机，该风轮机叶片测试机包括 一对能线性往复运动的致动器，每个所述致动器均被设置成将一行程赋予被测试的风轮机叶片，由每个所述致动器赋予的所述行程均提供翼展方向以及拍打方向上的受控力。
2.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，每个所述致动器均相对于被测试的所述风轮机叶片倾斜一角度。
3.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器均被设置成将一行程赋予被测试的所述风轮机叶片的同一侧。
4.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，每个所述致动器均被独立地控制。
5.根据权利要求4所述的风轮机叶片测试机，其中，每个所述致动器均由闭环控制器独立地控制。
6.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器包括液压致动器。
7.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器被设置成连接到地面。
8.根据权利要求7所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器中的一个致动器相对于所述地面成锐角，并且所述致动器中的另一个致动器相对于所述地面成钝角。
9.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器被设置成彼此成锐角。
10.根据权利要求9所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器之间的所述锐角小于70。。
11.根据权利要求9所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器之间的所述锐角小于45。。
12.根据权利要求9所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器之间的所述锐角小于35。。
13.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器的处于被测试的所述风轮机叶片处的那些端部间隔开。
14.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，其中，所述致动器的处于被测试的所述风轮机叶片处的那些端部共轴。
15.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，所述风轮机叶片测试机还包括用于沿被测试的所述风轮机叶片间隔开地安装的传感器。
16.根据权利要求15所述的风轮机叶片测试机，其中，所述传感器包括应变计。
17.根据权利要求15所述的风轮机叶片测试机，其中，所述传感器中的至少一些传感器适于测量沿被测试的所述风轮机叶片的两个正交方向的应变。
18.根据权利要求I所述的风轮机叶片测试机，所述风轮机叶片测试机还包括用于定位在被测试的风轮机叶片上的结构，该结构包括能够沿一条轴线且只沿一条轴线移动的质量块。
19.根据权利要求18所述的风轮机叶片测试机，其中，所述一条轴线沿被测试的所述风轮机叶片的所述翼展方向。
20.根据权利要求18所述的风轮机叶片测试机，其中，所述结构被设置成使得在测试期间所述质量块沿所述轴线滑动。
21.一种测试风轮机叶片的方法，该方法包括 控制一对能线性往复运动的致动器中的每个致动器，以使每个致动器均将一行程赋予被测试的风轮机叶片， 从而提供翼展方向以及拍打方向上的力。
全文摘要
本发明涉及风轮机叶片测试机。风轮机叶片测试机(100)包括一对能线性往复运动的致动器(104)，例如，液压致动器。每个所述致动器(104)均被设置成将一行程赋予被测试的风轮机叶片(102)。由每个所述致动器(104)赋予的所述行程提供翼展方向以及拍打方向上的受控力。
文档编号G01M13/00GK102680215SQ201210011179
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年3月7日
发明者S·盖伊, T·厄斯金 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司