(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.05.14
C N 103792074
A (21)申请号 201310527808.0
(22)申请日 2013.10.31
12190856.0 2012.10.31 EP
G01M 13/00(2006.01)
(71)申请人西门子公司
地址德国慕尼黑
(72)发明人 B.G.詹森
(74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公
司 72001
代理人原绍辉
谭祐祥
(54)发明名称
(57)摘要
转的轴上的可调节径向配重装置；用于使轴以轴
旋转速度旋转的驱动机构；用于当轴旋转时相对
于所述轴来调节可调节径向配重装置的质心的调
节机构。本发明还描述了用于试验风力涡轮机的
多个部件的风力涡轮机试验设施，其包括安装至
部件的这种试验装置（1），使得在该试验装置的
操作期间由旋转的径向配重产生的离心力作为横
向力被传递到试验下的风力涡轮机部件。本发明
还描述了用于对部件进行试验的方法，其包括将
这种试验装置安装到试验下的部件以及操作该试
验装置。
(30)优先权数据
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书9页 附图8页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书9页 附图8页(10)申请公布号CN 103792074 A
1.一种用于对部件（20, 21）进行试验的试验装置（1），所述试验装置（1）包括：
安装在可旋转的轴（10）上的可调节径向配重装置（11, 12）；
驱动机构（13），所述驱动机构用于使所述轴（10）以轴旋转速度（ω）旋转；
调节机构（15, 150），所述调节机构用于：当所述轴（10）旋转时，相对于所述轴（10）调节所述可调节径向配重装置（11, 12）的质心（CM_RW）。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其中，所述可调节径向配重装置（11, 12）至少包括安装在所述轴（10）上的第一径向配重（11）和第二径向配重（12），使得这些径向配重（11, 12）之间的角位移（θ）是可调节的。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其中，所述调节机构（15, 150）被实现为：通过改变这些径向配重（11, 12）之间的角位移（θ）来调节所述可调节径向配重装置（11, 12）的质心（CM_RW）。
4.根据权利要求3所述的试验装置，其中，所述调节机构（15, 150）被实现为获得所述第一径向配重（11）和所述第二径向配重（12）之间在0°至180°的范围内的角位移（θ）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的试验装置，其中，所述调节机构（15, 150）包括被连接在所述第一径向配重（11）和所述第二径向配重（12）之间的位移机构（15, 150）。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的试验装置，其中，所述第二径向配重（11）偏心地安装在所述可旋转的轴（10）上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的试验装置，包括可编程控制器，用于根据所述轴旋转速度（ω）来控制所述调节机构（15, 150）。
8.根据前述权利要求中任一项所述的试验装置，包括用于将所述试验装置（1）连接到待被试验的部件（20, 21）的连接机构（19），所述连接机构（19）被实现为将在所述试验装置（1）的操作期间产生的力（Fc）传递到处于试验下的所述部件（20, 21）。
9.一种用于试验风力涡轮机的多个部件（20, 21）的风力涡轮机试验设施（2），所述风力涡轮机试验设施（2）包括根据权利要求1至8中任一项所述的试验装置（1），所述试验装置被安装至风力涡轮机的部件（21），使得在所述试验装置（1）的操作期间由旋转的径向配
）被传递到处于试验下的风力涡轮机的部件重（11, 12）产生的离心力（Fc）作为横向力（F
WT
（21）。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机试验设施，其中，所述试验装置（1）的所述可调节径向配重装置（11, 12）的总重量以及所述试验装置（1）的轴旋转频率被选择成产生与）对应的离心力（Fc）。
风力涡轮机力（F
WT
11.一种用于对部件（20, 21）进行试验的方法，所述方法包括以下步骤：
将根据权利要求1至8中任一项所述的试验装置（1）安装到处于试验下的部件（20, 21）；
致动所述驱动机构（13），以使所述轴（10）以旋转速度（ω）旋转；以及
致动所述调节机构（15, 150），以当所述轴（10）旋转时相对于所述轴（10）调节所述可调节径向配重装置（11, 12）的质心（CM_RW）。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，相对于所述轴（10）调节所述可调节径向配重装置（11, 12）的质心（CM_RW）的步骤依赖于所述轴旋转速度（ω）被执行。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述可调节径向配重装置（11, 12）的
质心（CM_RW）针对与所述试验设施（2）的谐振频率（f
RES
）对应的轴旋转频率被朝向所述轴（10）调节。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，包括在未中断的频率周期中在频率上
限值（f
min ）和频率下限值（f
max
）之间周期性地调节所述轴旋转频率的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，频率周期被重复以预定的持续时间，所述预定的持续时间与处于试验下的所述部件（20, 21）的估计寿命相关。
试验装置
技术领域
[0001] 本发明描述了用于试验部件的试验装置、风力涡轮机试验装置、以及用于试验部件的方法。
背景技术
[0002] 一些结构（例如，高的塔架、风力涡轮机等）在其寿命期间经受结构加载。例如，在风力涡轮机的操作期间作用在风力涡轮机的机舱和塔架上的力可能导致各种结构元件的过度磨损和材料疲劳，所述各种结构元件例如是轴承、机舱、底座框架毂、偏航环等。诸如轴承之类的零部件上的过度磨损可能需要昂贵的维护和修复程序，而材料疲劳可能导致形成发丝般裂纹或较大裂纹，最终导致严重的损坏和部件失效。
[0003] 然而，难以预测这种损坏的可能性、位置和程度。例如，材料疲劳可能要花费很长时间来形成。在形成损坏的任何迹象之前可能已经经过了数年，并且这些迹象可能仅偶然被发现或在对这种迹象的具体寻中被发现。
[0004] 因此，这种结构的制造商可能要在结构试验中投入大量的努力，并且可能试图对相对短的时间内加载的效果进行建模，以便预测在结构的实际寿命期间加载的实际效果。例如，用于风力涡轮机的试验装置可安装在示例性壳体上，例如安装到安装于机舱的毂上。试验装置可设计成产生力，并且将这些力大致直接地传递到壳体。出于试验的目的，不必将机舱安装在塔架上或者将转子叶片附接到毂，并且许多有用的信息可通过将传感器（例如，应变计、加速度计等）布置在易遭受材料疲劳的任何相关部件或
元件处来收集。已知的试验装置使用了安装在框架中的旋转的径向配重，所述框架被紧固到这种试验设施中的毂上。马达驱动配重所连接的轴，并且得到的离心力作为负载被传递到风力涡轮机试验设施。这种试验装置可用于在与实际部件的“真实”寿命时间跨度对应的相对短的时间跨度内收集关于试验设施的负载和疲劳信息。例如，用于风力涡轮机试验设施的试验装置可连续地操作仅数周或数月的时间跨度，以便收集与可比较的风力涡轮机的数十年对应的信息。[0005] 然而，具有一个或多个自由度或者“弹性”的任何大型结构将具有一个或多个谐振频率。这也适用于这种试验设施，其中试验装置被安装到这种结构。自由度或一定量的弹性可能是不可避免的，这是因为试验装置自身由结合到一起的数个元件制成，并且试验装置也必须利用紧固件或其他连接件安装到处于试验下的部件；并且处于试验下的部件可能自身被连接到或安装到其他部件或零件等。因此，如果要避免对试验装置和/或试验设施的损坏，已知试验装置仅可被安全地用在关于试验设施的谐振频率的临界范围之外。例如，当力和旋转频率接近具有试验下的部件的试验装置的谐振频率范围时，必须停止试验装置，该试验装置产生离心力并且将所述离心力作为横向力传递到处于试验下的部件。因此，如果该横向力由试验装置的谐振行为“放大”，则实际施加到试验下的部件的横向力可能比离心力自身的量值大得多。这意味着：由于关于谐振频率的必要“间隙”，因此可收集的有用加载/疲劳信息的量受限，从而使得难以将试验结果外插或内插至令人满意的精度。缺乏在试验设施的操作期间收集的精确信息使得难以确定用于诸如轴承、连接器、紧固件、底座框
架等的结构部件的正确材料强度。结果是，在结构的寿命内，材料疲劳可能形成在未想到的位置形成和/或比预期更早地形成。
发明内容
[0006] 因此，本发明目的在于提供一种用于结构地试验部件的改进方法。
[0007] 该目的通过权利要求1的试验装置、权利要求9的风力涡轮机设施、以及权利要求11的用于试验部件的方法来实现。
[0008] 根据本发明，用于对部件进行试验的试验装置包括：安装在可旋转的轴上的可调节径向配重装置；驱动机构，所述驱动机构用于使所述轴以一定的轴旋转速度旋转；以及调节机构，所述调节机构用于当所述轴旋转时相对于所述轴调节所述可调节径向配重装置的质心。
[0009] 相对于所述轴对所述径向配重装置的质心的调节导致了当所述径向配重装置旋转时产生的离心力的改变。根据本发明的试验装置的优势在于：可无中断地改变所述可调节径向配重装置的质心，使得试验装置可连续地操作。通过将力以某种合适的方式传递到处于试验下的部件，这种试验装置可用于对试验下的部件的应力试验和/或疲劳试验。在本发明的上下文中，“径向配重”将被理解为通过径向“臂”安装到轴的质量或配重，使得该质量的较大部分从所述轴偏离以与该径向臂的长度大致对应的距离。径向配重可具有任何合适形式，例如从该轴径向向外延伸的简单块状，或者其质量的较大部分定位在径向臂的外端处的更复杂形状。换言之，径向配重可安装到旋转轴上，使得径向配重的质心定位在从所述旋转轴移开的一定距离处。
[0010] 根据本发明，用于试验风力涡轮机的部件的风力涡轮机试验设施包括被安装到风力涡轮机部件的这种试验装置，使得由旋转的可调节径向配重装置产生的离心力在试验装置的操作期间作为横向力或加载力被传递到处于试验下的风力涡轮机部件，即作为可与在正常操作期间会作用在风力涡轮机上的力相比较的力。
[0011] 根据本发明的风力涡轮机试验设施的优势在于：其可用于十分精确地模拟在机舱的寿命期间可能施加到该机舱上的更宽范围的负载。由于径向配重在试验装置的操作期间可调节，即试验装置不必停止或中止以便手动调节径向配重的质心来增加或减少离心力，因此与现有技术试验相比可在更短时间段内执行无中断试验并且同时还需要更少的管理。因此可减少执行该试验的成本，并且与此同时可得到更有用且更信息丰富的试验结果。收集的数据可用作用于校正设计瑕疵或改进可比较的风力涡轮机的设计的基础。这可导致显著的成本节约，这是因为长的部件寿命对于诸如风力涡轮机之类的大型昂贵结构件来说是非常重要的，这些结构件的制造、安装和维护都是昂贵的。
[0012] 根据本发明，用于试验部件的方法包括以下步骤：将这种试验装置安装到处于试验下的部件；致动所述驱动机构以使所述轴以一定的旋转频率旋转；以及致动所述调节机构，以便当所述轴旋转时相对于所述轴调节所述可调节径向配重装置的质心。
[0013] 根据本发明的方法的优点在于：通过相对小的努力，可在能够大致无中断地执行的试验期间收集真实且信息丰富的数据。
[0014] 本发明的尤其有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在下述说明中披露的那样。不同权利要求类型的特征可适当地结合，以得出在本文未描述的其他实施例。
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