[发明专利]疲劳测试

说明书

本发明涉及一种用于对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行疲劳测试的方法，所述方法包括：响应于与样本相关联的至少一个应变时程，计算所述细长样本的至少一个相应第一部段上的一个或多个位置处的使用寿命损害总和；确定可单独地应用于所述样本的多个预定测试块中的每一个在所述一个或多个位置处的预测测试损害总和；以及基于所述一个或多个位置中的每一个位置的所述预测测试损害总和与所述使用寿命损害总和的比较来选择与所述多个预定测试块相关联的至少一个测试块，其中，所述选择的至少一个测试块可应用于所述样本以使得在所述一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在所述一个或多个位置中的每一个位置处的所述使用寿命总和相匹配。

技术领域

本发明涉及对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行测试。尤其是，但并非限于，本发明涉及对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行双轴线疲劳测试。

当前风力涡轮机行业内存在朝着较大风力涡轮机发展的趋势，以便减小风力涡轮机在安装、维修和网格连接上的成本对由风力涡轮机转换的能量的总成本的影响。为此，设计并且生产了较长且较大的叶片来从风中捕获更多的能量，其中，一些叶片超过75mm长。尺寸增加导致叶片在使用中所受负载增加。叶片是涡轮机最重要的部件之一，因此所有新的叶片设计在投放市场之间均要进行全面的测试，以确保其在运行时不会出现故障。

主要有两种风力涡轮机叶片测试：静态测试和动态疲劳测试。静态测试证明叶片可以承受在运行中遇到的极端负载，而疲劳测试证明叶片可以在涡轮机的设计寿命内保持完好。

照惯例，将绞盘或者线性致动器附接至叶片以通常在四个不同方向上对叶片施力，同时在叶片表面限定点处测量应变。通常，将叶片水平定向，并通过用螺栓将其根部连接至合适的固定测试床而在所有方向上将其束缚。然后沿着叶片在期望位置处和期望方向上对叶片施加负载。垂直于叶片的纵向轴线并且大体上垂直于翼型件的翼弦所施加的一种负载被称为翼面向负载。同样垂直于叶片的纵向轴线并且大体上平行于翼型件的翼弦所施加的另一种负载被称为沿边负载。这些测试可以是静态测试或者动态测试，以分别确定叶片的刚度和强度或其疲劳性能。

另一种已知的测试是使叶片在其根部处从固定测试床上悬臂似的伸出并且使得叶片在自然频率模式下共振。为了使叶片共振，已知的是在翼面向方向或者沿边方向上施加正弦负载以在一个或多个位置处激励该叶片，该一个或多个位置选择成使得所产生的模态形状导致沿着叶片长度与期望负载更加匹配。计算这些负载，以使得在给定循环次数(通常约为一百万次循环)之后发生与预测叶片使用寿命(通常为约20年)期间会发生的损害量相等的损害量。

叶片的共振减少了会对叶片施加例如弯曲或者横向负载所需能量的量。因此，共振激励是对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的理想方法。然而，该测试通常受限于其上安装有所有测试装备的叶片的第一自然频率。此外，随着叶片的长度和质量的增加，循环疲劳测试期间出现的力、偏转、以及气动阻尼全都增加，并且叶片的共振频率也会减小，从而导致该测试花费更长时间且相关成本增加。

此外，通常在翼面向方向和沿边方向上均对风力涡轮机叶片进行疲劳测试，并且这些测试单独进行，其中，每个方向通常为约一百万次循环至五百万次循环。然而，在运行中，该两个负载一起出现，因此该测试方法不代表现实运行条件并且需要大量时间和成本。对于特别大的叶片，测试程序可能花费一年以上，因此，需要一种减少测试时间的测试方法。

常规的双轴线测试方法是强迫位移测试，其中，通过附接至固定结构的线性致动器在翼面向方向和沿边方向上使叶片受负载。可使所施负载负载之间具有适当的相位角，这解决了过度测试的问题，但由于施加负载的频率与叶片的自然频率有很大差别，所以该负载实际上是准静态的。这意味着叶片的超出圆筒附接点的部分是无载的，并且根部与圆筒之间的弯曲力矩分布是线性的。在实践中，这意味着仅仅可以在叶片跨度的一小部分上实现目标负载。除了这些问题之外，所需要的高负载和位移意味着使用了大量能量且初始资本成本也非常高。为此，随着叶片尺寸的增加，强迫位移测试就变得越来越无吸引力。