专利名称：风电用大型叶片的静强度测试方法及其测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机叶片的静强度测试方法及其测试系统，尤其涉及一种用于风 力发电机大型叶片的静强度测试方法及其测试系统。
背景技术：
在风电设备中，风力发电机的叶片是极为重要的关键部件，其性能直接决定发电机组的 功率和使用寿命。为降低风电的发电成本，风电产业对单机容量的要求越来越高，而叶片每 增长6%，其捕获的风能可增加12%，因此风力发电机所使用的叶片也在向大型化方向发展。 目前，主流的兆瓦级风力发电机所使用的叶片的单片长度一般在30m以上。叶片在不同风速 下运行，要承受不同大小的风载，在设计时要求叶片要具有足够的静强度以保证叶片在极限 风载下不会发生破坏。检验叶片设计是否满足静强度要求的直接途径是进行叶片的全尺寸静 力加载实验，即通过人为的机械加载模拟实际风场的风载条件，检验叶片在此静力加载下是 否会发生破坏，以验证叶片的静强度储备，并为校验该叶片强度、刚度计算方法以及结构合 理性提供必要的数据。叶片出厂后一般均要通过全尺寸静强度测试之后才能够装机运行。由 于目前兆瓦级风力发电机的叶片长度在30m 50m之间，属于大尺寸巨型构件，若要建立专用 的超大型实验室和实验设备进行室内测试，不仅存在工期长、建造和维护费用高昂等缺点， 而且叶片出厂后要运送到该专用实验室进行测试，测试完成后再运送到装机现�。谠耸渖� 也费时、费力，进一步增加了成本。现有技术中存在的上述缺点和不便都大大增加了叶片的 制造成本，限制了大型风电用叶片的生产和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种场地限制小、测试成本低、 工艺操作方便、测量结果准确快捷的风电用大型叶片的静强度测试方法，还提供一种可在户 外现场进行组装、制作简单方便、成本低、使用寿命长的用于风电用大型叶片的静强度测试 方法中的测试系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种风电用大型叶片的静强度测试方法 ，其步骤为先将叶片平放，并使其叶根一端固定，然后用吊车对叶片进行竖向加载，加载 的方式为吊车单点加载后再通过载荷分配梁转换成对叶片的多点加载，多点加载后的载荷再 通过叶片加载夹具传递到叶片上，吊车的起吊点与载荷分配梁、载荷分配梁与叶片加载夹具
4之间均通过吊索连接，所述吊索上安装有载荷传感器，叶片上安装有应变片和位移传感器， 根据所述载荷传感器、应变片和位移传感器在吊车加载过程中分别采集到的受力、形变及位 移数据信息，判断出叶片的静强度是否满足设计要求。
上述的风电用大型叶片的静强度测试方法中，所述叶片一般是指单片长度在30m以上的 大型叶片，特别是指用于兆瓦级风力发电机的长度为30m 50m的叶片。本发明的测试方法用 于测试大型叶片具有明显的比较优势。
上述的风电用大型叶片的静强度测试方法中，所述叶片的叶根一端是通过转接法兰盘固 定于一固定支座上。所述载荷分配梁优选的设计方式是包括载荷分配主梁和载荷分配副梁， 其对应的加载的方式具体是指吊车单点加载后先通过载荷分配主梁传递到载荷分配副梁，再 通过载荷分配副梁转换成对叶片的多点加载。
本发明还提供一种可用于上述测试方法中的风电用大型叶片的静强度测试系统，其特征 在于所述测试系统包括固定支座、加载系统和数据采集处理系统，所述固定支座上安装有 一用于固定待测试叶片的转接法兰盘，所述加载系统安装于待测试叶片上设定的加载点处( 所述加载点的位置应根据实际风载的作用点进行设定)，所述数据采集处理系统包括有连接 到各自数据处理终端上的载荷传感器、应变片和位移传感器，所述载荷传感器安装在加载系 统上，所述应变片和位移传感器安装于待测试叶片上。
上述的风电用大型叶片的静强度测试系统中，所述加载系统包括吊车、载荷分配梁和叶 片加载夹具，所述吊车的起吊点通过吊索与载荷分配梁连接，所述载荷分配梁通过吊索与叶 片加载夹具连接，各吊索上均安装有所述的载荷传感器，所述加载系统通过叶片加载夹具安 装于待测试叶片设定的加载点上。作为对载荷分配梁的进一步优化，所述载荷分配梁包括载 荷分配主梁和载荷分配副梁，所述吊车的起吊点通过吊索先与载荷分配主梁连接，所述载荷 分配主梁再通过吊索与载荷分配副梁连接，载荷分配副梁再通过吊索与所述的叶片加载夹具 连接，以此形成一完整的加载系统。所述载荷分配梁的梁体和梁端部均焊接有吊耳，在梁体 上的不同位置可焊接多个吊耳，通过吊装位于不同位置上的吊耳，可以调节加载在载荷分配 梁两端的载荷大小；而梁端处焊接的吊耳可以挂靠调节工装，用以调节载荷分配梁自身的重 力平衡。
上述的风电用大型叶片的静强度测试系统中，所述叶片加载夹具的一种优化结构为包括 一由两个U形钢架对接成的固定框(可通过U形钢架端面处的紧固螺栓进行对接固定)，所述 固定框内侧的上、下方各固定有一个垫块(所述垫块优选为非刚性的木制垫块或橡胶垫快， 以免刚性过大的垫块对叶片表面造成破坏)，上、下两垫块均设有一与叶片翼型面形状相配合的夹持面(使用时上、下两垫块的夹持面与叶片的翼型面紧密配合，并夹持叶片于加载点 处)；所述固定框外侧上方固接有两个锁扣，两股钢丝绳分别从两个锁扣穿出后与连接该叶 片加载夹具的吊索上设置的载荷传感器相连。
上述的风电用大型叶片的静强度测试系统中，所述固定支座需要承担测试过程中因承载 叶片所产生的支座反力和弯矩，因此对固定支座的稳定性要求较高，其材质建议采用整体钢 结构，并埋设于承拉混凝土浇筑的地基平台上。所述固定支座包括一用于安装转接法兰盘的 竖直钢板，竖直钢板中央设有一观察窗，以便能在测试实验中透过该观察窗监视叶片内部的 受力及形变情况；围绕观察窗的竖直钢板上还设有呈圆形布置的法兰对接螺孔，以便于与转 接法兰盘进行固接。所述固定支座的外型尺寸建议按照测试用的最大型叶片叶根尺寸及转接 法兰盘尺寸进行设计，固定支座结构的设计应适当考虑转接法兰盘螺栓用定矩扳手安装的方 便性。
上述的风电用大型叶片的静强度测试系统中，所述转接法兰盘包括相互固接的内转接法 兰盘和外转接法兰盘，内转接法兰盘上设有一圈用于与叶片叶根处固接的内转接螺孔，外转 接法兰盘上设有一圈用于与固定支座连接的外转接螺孔。
上述的风电用大型叶片的静强度测试系统中，所述载荷传感器、应变片和位移传感器分 别连接到其各自的数据处理终端，各个数据处理终端分别与显示器连接，所述的各数据处理 终端和显示器均安放在一移动工作台上。移动工作台自带稳压电源，位置可以根据测试实验 的需要进行调整，在不进行测试实验时，也可以整体存放和保护。
与现有技术相比，本发明提出了兆瓦级风力发电机叶片外场全尺寸的测试方法及其测试 系统，其优点在于首先，本发明的测试方法使得测试实验能够在外场露天条件下进行，进 行测试前可方便快速地搭建整套测试系统以进行兆瓦级风力发电机叶片的全尺寸静强度测试 ，这大大节省了建造巨型叶片全尺寸测试实验室的巨额费用；其次，本发明测试方法和测试 系统的加载方式是采用工程上常见的吊车进行加载，无需专门采购，只需在进行测试时临时 租借即可，这进一步降低了组建整套测试平台和进行测试实验的相关费用，更易于承受；再 次，本发明的测试系统采用了受力、形变和位移三种静强度分析用数据的数据采集处理系统 ，可以在一次测试实验中获得尽可能多的数据信息，这便于对测试结果进行进一步地评估， 为叶片的结构设计和可靠性提供更多的参考；最后，本发明的测试系统将数据采集处理系统 中的各个数据处理终端集成在统一的移动工作台上，移动工作台可适应多种外场的实验条件 ，可同时对受力、形变和位移进行记录和数据处理，便于在外场迅速对测试结果进行分析和 评估。此外，本发明的测试系统中仅固定支座需要安装在户外，其余所有的系统组件均可以方便地移动、组装和拆卸，只需在进行测试实验时短暂地在户外组装使用，在不进行测试实 验时可以妥善地放置于室内进行保存，有效地保护了测试系统中的精密仪器和组件，延长了 整套测试系统的使用寿命。
图l为本发明实施例中的测试系统结构示意图； 图2为本发明实施例的测试系统中固定支座的立体结构示意图； 图3为本发明实施例的测试系统中转接法兰盘的立体结构示意图； 图4为本发明实施例的测试系统中载荷分配副梁的结构示意图5为本发明实施例的测试系统中叶片加载夹具的结构示意图(图1中的A向视图)；
图6为图1中B处的局部放大图。
图例说明
1、叶片；2、固定支座；21、支座基板；22、竖直钢板；23、观察窗；24、法兰对接螺 孔；25、三角加强筋；3、地基平台；4、加载系统；41、吊车；42、载荷分配梁；421、载
荷分配主梁；422、载荷分配副梁；423、吊耳；424、调节工装；43、叶片加载夹具；431、 U形钢架；432、固定框；433、垫块；434、紧固螺栓；435、锁扣；44、吊索；5、数据采集 处理系统；51、载荷传感器；52、应变片；53、位移传感器男；54、数据记录仪；55、静态 应变仪；56、位移采集处理器；57、显示器；58、移动工作台；6、转接法兰盘；61、内转 接法兰盘；62、外转接法兰盘；63、内转接螺孔；64、外转接螺孔；65、转接螺杆。
具体实施例方式
实施例
一种本发明的风电用大型叶片(1.5兆瓦风力发电机叶片，长约40m)的静强度测试方法 ，该测试方法将用到如图l所示的本发明的静强度测试系统，该测试系统包括固定支座2、加 载系统4和数据采集处理系统5，测试时将待测试叶片l平放，叶片l的叶根一端是通过转接法 兰盘6安装在固定支座2上(如图6所示)，加载系统4安装于叶片1上设定的加载点处，数据 采集处理系统5包括安装在加载系统4上的载荷传感器51和安装在叶片1上的应变片52和位移 传感器53，所述载荷传感器51、应变片52和位移传感器53分别与各自的数据处理终端连接。
本实施例的测试方法具体包括以下步骤
1、固定支座的装设。考虑到固定支座2主要用于固定待测试的大型叶片1，且固定方法 是从叶片l的叶根处单边固定，因此固定支座2将主要承受单边的弯矩载荷。为此，本实施例 中将固定支座2设计成如图2所示的直角三角架构型，其材质为整体钢结构，该固定支座2的底部有四个支腿，每个支腿下方焊接有一块支座基板21，该直角三角架构型的固定支座2的 一直角面为竖直钢板22，竖直钢板22的中央开设有观察窗23，观察窗23周围开设有呈圆形布 置的法兰对接螺孔24，本实施例中设置有三圈不同半径的法兰对接螺孔24，以适应不同型号 大小的叶片l的安装测试；为了增强固定支座2的抗弯性能，竖直钢板22下方的支座基板21上 采用钢制三角加强筋25进行加强。固定支座2制作完成后，利用高强螺栓并通过支座基板21 上预设的地脚螺栓孔将固定支座2固定在承拉混凝土浇筑的地基平台3上。
2、 叶片的安装(模拟叶片挂机运行时的状态安装)。本实施例的叶片1是通过如图3所 示的转接法兰盘6连接到上述的固定支座2上，该转接法兰盘6 (采用Q235A钢板焊接)包括相 互固接的内转接法兰盘61和外转接法兰盘62，内转接法兰盘61上设有一圈用于与叶片1叶根 处固接的内转接螺孔63，外转接法兰盘62上设有一圈用于与固定支座2连接的外转接螺孔64
。用转接法兰盘6进行连接时，首先利用T型螺栓通过内转接螺孔63将叶片1的叶根部固定到 内转接法兰盘61上，再利用螺杆通过外转接螺孔64将外转接法兰盘62固定到上述的固定支座 2上(如图6所示)，最后通过转接螺杆65将内转接法兰盘61和外转接法兰盘62固接到一起， 完成整个叶片l的安装，本实施例的安装过程是在吊车、叉车等机械的辅助下完成。
3、 加载系统对叶片进行加载。本实施例的加载系统4包括吊车41、载荷分配梁42和叶片 加载夹具43，本实施例的载荷分配梁42又包括一根载荷分配主梁421和两根载荷分配副梁 422，吊车41是采用单点起吊，其起吊点通过吊索44与载荷分配主梁421的中部连接，载荷分 配主梁421再通过设于其两端的吊索44分别与两根载荷分配副梁422连接，每根载荷分配副梁 422再通过设于其两端的吊索44连接到叶片加载夹具43，并通过叶片加载夹具43夹持于叶片 l上设定的加载点处。
本实施例中，如图4所示的各载荷分配梁42的梁体为工字钢横梁，在梁体上方的中间段 位置上焊接有多个吊耳423 (本实施例中焊有3个)以方便吊装，而且可通过吊装位于不同位 置的吊耳423以调节加载在载荷分配梁42左右两端的载荷大小。在载荷分配梁42的梁端部也 焊有吊耳423，以便于挂靠调节工装424以调节载荷分配梁42自身的重力平衡。在具体实践中 ，载荷分配梁的组成、数量以及吊耳焊接的数量及焊接位置等均可根据实际叶片的测试要求 由设计人员进行调整和确定。
整个加载系统4加载的载荷最终是通过叶片加载夹具43传递到叶片1上。叶片加载夹具 43的结构如图5所示，叶片加载夹具43包括一固定框432，该固定框432是由两个U形钢架431 通过U形端面处的紧固螺栓434进行对接固定而成，固定框432内侧的上、下方各固定有一个 木制的垫块433，上、下两垫块433的夹持面与叶片1的翼型面紧密配合，并夹持叶片l于加载点处。为保持叶片加载夹具43的平衡，避免在测试实验中出现失稳，本实施例的叶片加载夹 具43是采用双锁扣的吊装方式，即在固定框432外侧上方固接有两个锁扣435，两股钢丝绳分 别从两个锁扣435穿出后与连接该叶片加载夹具的吊索上设置的载荷传感器51相连。载荷传 感器51属于数据采集处理系统5的组成部分，本实施例中每一条吊索44上均安装有一个载荷 传感器51，临近叶片1的吊索44上安装的载荷传感器51是直接通过上述的钢丝绳与叶片加载 夹具43上的锁扣435相连接，这样便于实时监控载荷分配梁42在各点上的载荷分配比例和加 载点上承受的载荷值大小。
本实施例的加载系统是通过吊车施加向上载荷进行加载，并且是按照实际风载进行多点 按比例同时加载。加载点的确定和各加载点分配的载荷大小是由叶片设计人员根据叶片设计 的强度和结构要求进行确定。
4、数据信息的采集。数据信息的采集是依靠数据采集处理系统5进行，数据采集处理系 统5包括上述安装在加载系统4中的载荷传感器51，还包括安装在叶片1上的多个应变片52 ( 本实施例中安装有5个)和拉线式位移传感器53 (本实施例中安装有3个，应变片52和位移传 感器53安装的位置是叶片设计人员根据加载点的位置和预先确定的测试方案进行确定)。上 述所有的载荷传感器51通过导线连接汇集到一数据记录仪54上，在测试过程中，载荷传感器 51将实时采集的受力数据信息转化为电信号，再传送、输入到数据记录仪54中进行集中处理 ，并在与数据记录仪54相连接的显示器57中实时显示，以便于测试实验控制人员控制吊车进 行加载和卸载，这些受力数据信息经相应软件处理后可导入到计算机中。上述所有的应变片 52通过导线连接汇集到一静态应变仪55上，在测试过程中，所有的应变片52将实时采集到的 形变数据信息转化为电信号，再传送、输入到静态应变仪55中，静态应变仪55对这些电信号 进行处理并自动存储测量结果到计算机中，再通过与静态应变仪55相连接的显示器57实时显 示。由于本实施例待测试的叶片尺寸巨大，而应变片52和静态应变仪55之间的距离较远，为 排除电信号在连接导线中传输时引入的干扰，本实施例采用屏蔽电缆线作为其传输导线。另 外，所有的位移传感器53通过导线连接汇集到一位移采集处理器56上，本实施例采用的拉线 式位移传感器53具有安装简单、精度高等特点，在测试过程中，所有拉线式位移传感器53将 实时采集到的位移数据信息传送到位移采集处理器56中，并在与其相连接的显示器57中实时 显示出来。通过显示器57中显示出的各项数据信息可以实时监控测试实验过程，及时发现异 常情况并设法排除。整个数据采集处理系统的所有数据处理终端(包括数据记录仪54、静态 应变仪55、位移采集处理器56和显示器57)均安放在移动工作台58上，移动工作台58自备稳 压电源，可根据测试实验时叶片的变形情况随时方便地进行移动。
95、测试结果判断。在吊车41不断向上加载的过程中，叶片l上各加载点的载荷也不断增 大，在加载过程中采集到的受力、形变及位移数据信息显示，叶片l上各测试点的形变及位 移符合设计要求，不断增大的载荷并未给待测试叶片l造成局部损伤或破坏。通过将采集到 的受力、形变及位移数据信息与叶片的设计参数进行对比，发现叶片设计时的强度、刚度计 算方法基本符合要求，叶片的结构设计趋于合理。当吊车41施加的载荷达到本实施例叶片设 计的最大载荷时，叶片未出现裂痕、破坏及其他损伤，叶片的静强度储备满足设计强度要求
权利要求
1.一种风电用大型叶片的静强度测试方法，其步骤为先将叶片平放，并使其叶根一端固定，然后用吊车对叶片进行竖向加载，加载的方式为吊车单点加载后再通过载荷分配梁转换成对叶片的多点加载，多点加载后的载荷再通过叶片加载夹具传递到叶片上，吊车的起吊点与载荷分配梁、载荷分配梁与叶片加载夹具之间均通过吊索连接，所述吊索上安装有载荷传感器，叶片上安装有应变片和位移传感器，根据所述载荷传感器、应变片和位移传感器在吊车加载过程中分别采集到的受力、形变及位移数据信息，判断出叶片的静强度是否满足设计要求。
2 根据权利要求l所述的风电用大型叶片的静强度测试方法，其特征在于所述叶片为兆瓦级风力发电机的叶片，叶片长度为30m 50m。
3 根据权利要求1或2所述的风电用大型叶片的静强度测试方法，其 特征在于所述叶片的叶根一端是通过转接法兰盘固定于一固定支座上；所述载荷分配梁包 括载荷分配主梁和载荷分配副梁，所述加载的方式具体是指吊车单点加载后先通过载荷分配 主梁传递到载荷分配副梁，再通过载荷分配副梁转换成对叶片的多点加载。
4 一种风电用大型叶片的静强度测试系统，其特征在于所述测试 系统包括固定支座、加载系统和数据采集处理系统，所述固定支座上安装有一用于固定待测 试叶片的转接法兰盘，所述加载系统安装于待测试叶片上设定的加载点处，所述数据采集处 理系统包括有连接到各自数据处理终端上的载荷传感器、应变片和位移传感器，所述载荷传 感器安装在加载系统上，所述应变片和位移传感器安装于待测试叶片上。
5 根据权利要求4所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其特征 在于所述加载系统包括吊车、载荷分配梁和叶片加载夹具，所述吊车的起吊点通过吊索与 载荷分配梁连接，所述载荷分配梁通过吊索与叶片加载夹具连接，各吊索上均安装有所述的 载荷传感器，所述加载系统通过叶片加载夹具安装于待测试叶片设定的加载点上。
6 根据权利要求5所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其特征 在于所述载荷分配梁包括载荷分配主梁和载荷分配副梁，所述吊车的起吊点通过吊索与载荷分配主梁连接，所述载荷分配主梁通过吊索与载荷分配副梁连接，所述载荷分配副梁通过 吊索与叶片加载夹具连接。
7. 根据权利要求6所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其特征 在于所述叶片加载夹具包括一由两个U形钢架对接成的固定框，所述固定框内侧的上、下 方各固定有一个垫块，上、下两垫块均设有一与叶片翼型面形状相配合的夹持面；所述固定 框外侧上方固接有两个锁扣，两股钢丝绳分别从两个锁扣穿出后与连接该叶片加载夹具的吊 索上设置的载荷传感器相连。
8. 根据权利要求4 7所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其 特征在于所述固定支座包括一用于安装转接法兰盘的竖直钢板，竖直钢板中央设有一观察 窗，围绕观察窗的竖直钢板上还设有呈圆形布置的法兰对接螺孔。
9. 根据权利要求4 7所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其 特征在于所述转接法兰盘包括相互固接的内转接法兰盘和外转接法兰盘，内转接法兰盘上 设有一圈用于与叶片叶根处固接的内转接螺孔，外转接法兰盘上设有一圈用于与固定支座连 接的外转接螺孔。
10. 根据权利要求4 7所述的风电用大型叶片的静强度测试系统，其 特征在于所述载荷传感器、应变片、位移传感器对应连接的各数据处理终端分别与显示器连接，所述的各数据处理终端和显示器均安放在一移动工作台上。
全文摘要
本发明公开了一种风电用大型叶片的静强度测试方法及测试系统，其测试步骤为先将叶片平放，并通过测试系统的固定支座使叶根一端固定，然后用吊车对叶片进行竖向加载，加载的方式为吊车单点加载后再通过载荷分配梁转换成对叶片的多点加载，再通过叶片加载夹具传递到叶片上，吊车的起吊点、载荷分配梁与叶片加载夹具之间均通过吊索连接，吊索上安装有载荷传感器，叶片上安装有应变片和位移传感器，根据加载过程中分别采集到的受力、形变及位移数据信息，判断出叶片的静强度是否满足设计要求。本发明的测试方法场地限制小、测试成本低、工艺操作方便、测量结果准确；本发明的测试系统的制作简单、组装方便，成本低，使用寿命长。
文档编号G01M13/00GK101634604SQ20091030664
公开日2010年1月27日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者冯学斌, 刘卓峰, 彭超义, 曾竟成, 杨金水, 欧阳玉香, 肖加余, 健 袁 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学;株洲时代新材料科技股份有限公司
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