试验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及试验装置。本发明描述了用于对部件进行试验的试验装置，其包括：安装在可旋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。
【专利说明】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]—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找中被发现。
[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。[0015]在下文中，在绝不以任何方式对本发明加以限制的情况下，可假定处于试验下的部件类型旨在安装在塔架或类似支承结构(例如，风力涡轮机的壳体)的顶部上。处于试验下的部件可大致如其在“真实生活”中会配备的那样被完整地配备。在下文中，同样在绝不以任何方式对本发明加以限制的情况下，可假定该部件是风力涡轮机壳体，其可包括机舱、发电机、底座框架、以及诸如毂和偏航接口等的任何其他元件。为了允许试验装置在实际试验环境中操作，风力涡轮机壳体可设置有除了转子叶片之外的全部常规部件或零件。
[0016]可调节径向配重装置可以任何合适的方式来实现。例如，可调节径向配重装置可包括载具主体，所述载具主体被实现为当其绕轴旋转时收集或释放附加配重。该附加配重可实现为延长载具主体的长度，因此使得径向配重装置的质心更加远离轴地移出，并且随着径向配重装置旋转而增加离心力。附加配重会磁性地附着到载具主体。通过使用电磁体，附加配重会根据需要被释放，以使得质心朝向轴往回移动。然而，在相对高的旋转频率下，可能难以附接或释放这种附加配重，或者附接或释放这种附加配重是危险的。因此，在本发明的尤其优选的实施例中，可调节径向配重装置至少包括安装在所述轴上的第一径向配重和第二径向配重，使得所述径向配重之间的角位移是可调节的，所述调节机构被实现为通过改变所述径向配重之间的角位移来调节所述可调节径向配重装置的质心。由于可调节径向配重装置包括两个或更多个单独的径向配重，因此其质心可被认为是单独的径向配重的总体或合成质心。因此在下文中，可调节径向配重装置的质心可被称为“总体质心”、“公共质心”、或“合成质心”。
[0017]单独的径向配重均可移动地安装到轴上。然而，在本发明的优选实施例中，仅第一径向配重被刚性地安装到轴，例如使得该第一径向配重和轴共用公共旋转轴线。第一径向配重可螺栓连接或以其他方式紧固到轴，使得所述轴的一个整圈旋转导致第一径向配重的一个整圈旋转。优选地，第二以及任何其他径向配重可移动地安装在轴上，例如这些径向配重可绕轴自由地旋转，至少在一定角度范围内可绕轴自由地旋转。
[0018]清楚地，对于配重的任何组合来说，径向配重装置的总体质心的位置由单独的配重之间的角距离以及每个单独的配重的质量来确定。在根据本发明的试验装置中，相对于轴的总体质心的位置直接相关于单独的配重之间的角距离，例如第一径向配重和第二径向配重之间的角距离。两个配重之间的角距离要被理解为第一径向配重的纵向轴线与第二径向配重的纵向轴线之间所夹的角度。单独的径向配重的纵向轴线可穿过该径向配重的质心。对于实现为从轴向外延伸的径向臂的配重来说，所述配重的纵向轴线大致与该轴的旋转轴线上的一点重合。
[0019]在本发明的尤其优选的实施例中，调节机构被实现为获得所述第一径向配重和所述第二径向配重之间在0°至180°的范围内的角位移。0°的角位移可例如通过将单独的配重布置成在旋转轴上彼此上下叠置来实现。在该位置中，径向配重装置的总体质心最远离该轴，并且该位置与在操作期间可由试验装置产生的最大离心力相关联。180°的角位移可通过将单独的配重布置成直线(即，在轴的两侧上)来实现，使得所述配重的纵向轴线成直线并且质心位于沿该线的某个点处。在两个相等配重的情况下，径向配重装置的合成质心可被认为是轴的旋转轴线上的点。如果径向配重装置包括不同质量的两个单独的配重，那么当这些单独的配重移位以180°的角位移时，径向配重装置的合成质心将从轴的旋转轴线沿较重配重的方向向外移位一定量。180°的角位移允许由试验装置产生最小的离心力。
[0020]调节机构被用于当轴正在旋转时相对于所述轴来调节可调节径向配重装置的总体质心。由此，可针对轴的旋转速度以及配重的合成质心位置的各种组合来获得一定的离心力。例如，调节机构可调节配重的合成质心的位置，使得当旋转速度正在增加或减少时，保持恒定的离心力。
[0021]在根据本发明的试验装置的优选实施例中，调节机构包括位移机构(小齿轮/链条)，所述位移机构被连接在第一径向配重和第二径向配重之间。如上所述，径向配重装置的第一径向配重优选刚性地安装到该轴。因此，调节机构会安装或紧固到第一径向配重，使得第二(以及任何其他)径向配重可相对于第一径向配重移位合适量。位移机构可以是任何合适装置，例如可调节长度的活塞，其第一端安装到第一径向配重并且第二端安装到第二径向配重，使得活塞长度的变化导致第二径向配重相对于第一径向配重的角位移的对应调节。在本发明的又一优选实施例中，位移机构包括链轮和链条。按照需要，位移机构可实现为允许对径向配重之间的角距离的实质上无限调节，或可实现为允许逐步调节。
[0022]在试验装置的操作期间由旋转的径向配重产生的离心力将取决于试验装置部件的重量和尺寸、以及合成质心与所述轴的距离。例如，具有仅为数千克的小质量的径向配重装置可能导致仅数十牛顿的离心力，甚至在高旋转频率下也是如此。这种“小”试验装置可用于试验诸如发电机的安装件和转子叶片等的部件或零件。大约1000 kg的大组合质量可能导致数百kN的离心力，甚至在仅数个Hz的旋转频率下也是如此。因此，优选地尤其对于“大型”试验装置采取了安全预防措施，以确保在例如位移机构失效的失效事件中损坏有限。取决于实现方式，活塞或链条可能断裂，使得第二径向配重不再相对于第一径向配重被固定。对于现在自由地运动的第二径向配重来说的“安全”位置会是使得径向配重装置的总体质心向内往回的位置，使得减少离心力。因此在本发明的优选实施例中，第二径向配重以及任何其他附加径向配重被偏心地安装在旋转的轴上。这可通过在第二径向配重和轴之间安装偏心装置来实现。该偏心装置的中心与该轴的旋转轴线偏离，并且如果第二径向配重由于位移机构的失效而从第一径向配重被释放的话，该偏离可能促进第二径向配重采用相对于固定的第一径向配重的“安全”位置。
[0023]优选地，该位移机构依赖于轴的角速度或旋转频率被控制或调节。因此在本发明的优选实施例中，试验装置包括控制器，所述控制器用于根据所述轴的旋转频率来控制所述角位移调节机构。诸如可编程逻辑控制器(PLC)的单个控制器可被用于控制位移机构以及驱动机构，所述驱动机构驱动该轴。例如，PLC可确定获得在具体旋转频率下的具体离心力所需的位移量；等同地，该PLC可确定用于获得针对具体位移量的具体离心力所需的旋转频率。优选地，控制器以某种合适方式连接到角位移调节机构，例如通过控制器和角位移之间的无线连接或有线连接来实现。这种有线连接例如可通过中空可旋转轴来实现。优选地，根据本发明的方法包括步骤:查阅诸如查询表(LUT)的数据库来确定与待被传递到处于试验下的部件的具体力相关联的角位移和/或轴的旋转频率。被编程以执行一定时间长度的试验并且被约束成不超过某最大离心力的PLC可查阅这种表以确定合适的频率和角位移值的对，并且可因此控制频率和/或角位移。
[0024]径向配重可包括诸如结构钢的单块合适材料，其具有通孔或套筒以使其可安装到试验装置的轴上。在第二径向配重的情况下，套筒可容纳衬套或其他合适类型的轴承，并且还可容纳上述偏心装置。在第一径向配重的情况下，这可包括用于将第一径向配重连接或紧固到轴的一个或多个凸缘。例如当试验装置被用于试验不同部件的不同设置时，为了增加或减少通过试验装置可产生的离心力，这些径向配重中的一个或多个可被拆下或由具有不同质量的类似配重来替换。然而，在本发明的优选实施例中，径向配重包括径向配重主体，该径向配重主体实现为容纳能够连接到其的多个单独的配重元件。例如，一个或多个附加配重元件可附接到径向配重主体以增加其质量，或从该径向配重主体移除以减少其质量。这种附加配重元件可具有为径向配重主体质量的5% - 10%的质量。径向配重可设计成使得数个单独配重元件可例如以堆叠布置的形式连接到大致平坦的径向配重主体的一个或两个平坦侧面。
[0025]优选地，径向配重被安装到该轴上，使得径向配重的主平面大致垂直于该轴的旋转轴线。这种径向配重是大致“平坦”形状的。具有彼此上下叠置地安装在该轴上的两个或更多个这种单独的径向配重的实现方式允许这些径向配重容易地设置成“堆叠”布置，其公共质心处于最远离该轴的位置。当单独的径向配重以风扇状布置散布时，这些径向配重的合成质心设置成更接近该轴。另选地或另外，径向配重可被实现为赋予嵌套布置，即:使一个径向配重可大致装配在一个或多个其他径向配重周围或以其他方式容纳所述一个或多个其他径向配重。
[0026]由试验装置产生的离心力优选地大致直接地转化为作用在试验下的部件上的力或负载。因此，在本发明的优选实施例中，试验装置包括用于将试验装置连接到试验下的部件的连接机构或负载传递机构。该连接机构优选地实现为将在试验装置的操作期间产生的离心力转换为作用在试验下的部件上的横向力。例如，连接机构或负载传递机构可包括刚性笼或框架。该轴优选地在两端处都安装到该笼或框架，例如通过允许其自由旋转的合适轴承实现。该笼或框架优选地实现为牢固地安装到处于试验下的部件，即在该笼与试验下的部件之间几乎无自由度或者无自由度。由此，由旋转的配重产生的离心力经由该轴传递到该笼，并且经由该笼传递到试验下的部件。优选地，轴的轴线以合适取向安装在该笼中，这是因为离心力的平面将垂直于轴的旋转轴线。例如，由绕竖直轴旋转的配重产生的离心力可通过合适的刚性的笼或框架转换为作用在试验下的部件上的水平横向力。
[0027]当径向配重绕所述轴旋转时，横向力的方向和量值也将变化。对于安装到试验机舱的鼻部或毂上的试验装置来说，离心力可转换为当叶片旋转时发生在风力涡轮机中的真实横向加载力，或者简单地转换为风力作用在机舱和塔架上的结果。
[0028]根据本发明的试验装置允许恒定负载被施加到处于试验下的部件。在此，“恒定负载”应当被理解为恒定最大负载或恒定负载量值，这是因为施加到试验下的部件上的横向力的方向(即，力矢量)将随着径向配重绕该轴旋转而变化。使用根据本发明的试验装置，这种“恒定负载”甚至在该轴的增加的旋转频率下也可被施加到试验下的部件，这是因为径向配重的质心随着旋转频率的调节而可被容易地调节。该离心力由下述方程给出:
F 二 m' r - mA
其中，m是径向配重装置的质量；ω是轴的角速度，即单位为弧度每秒的旋转频率；半径r是旋转轴线与径向配重装置的合成质心之间的距离。
[0029]要记住的是，质心可容易地大致设置在位于其上述最大值和最小值之间的任何点处，要清楚的是，通过调节半径可简单地增加或减少离心力；同样地，甚至当角速度变化时，通过半径的相应调节可将离心力保持恒定。这允许试验装置甚至在试验设施的谐振频率下操作。例如，当试验装置频率接近这种谐振频率时，径向配重装置的质心可减少以减少离心力并且同时保持该频率。该离心力的减少导致施加到试验下的部件的横向力的减少，使得将不会形成试验设施的谐振频率摆动。通过诸如附接到试验下的部件的合适区域和/或附接到试验装置的应变计或加速度计的传感器，可检测到对谐振频率的接近。由此，根据本发明的试验装置可在更宽范围的试验条件下被使用。如上所述，实际施加到试验下的部件的横向力的量值比离心力的量值大得多，即该离心力在谐振频率附近通过试验设施的摆动行为被有效地倍增或放大。
[0030]试验装置可构造成尽可能接近地模拟现实的力，甚至在量值和频率上也是如此。然而，由于施加到真实部件上的负载的效果可能相对缓慢地形成，因此使用这种试验装置的试验必需运行相对长时间，例如数年。例如，作用在风力涡轮机或类似结构上的阵风可具有非常低的“频率”，例如仅为大约0.1 Hz,0.01 Hz或甚至更低。强劲的、有规律的阵风可导致对各种结构部件的加载，并且可导致风力涡轮机塔架在这些频率下的摆动。源自这种加载的对疲劳的实时试验会花费难以承受的长时间。因此，在本发明的优选实施例中，试验装置被实现为使得从试验装置传递到试验下的部件的力相对于施加到这种部件的真实力被放大至少10的因子、更优选地至少20的因子、最优选的至少30的因子的比例。在10的比例因子下，具有仅0.1 Hz的平均频率的这种有规律的阵风的效果可利用在大约I Hz的频率下的根据本发明的试验装置来模拟。类似地，以30的因子的比例放大允许试验装置在大约3 Hz下运行。在这些更实际的旋转速度下，由于这种摆动导致的真实疲劳效果可能在短得多的时间范围内被观测到。清楚地，“正常”负载的长期效果可利用根据本发明的试验装置以比例放大且加速的方式被容易地模拟，所述负载例如是由于在风力涡轮机的操作期间转子叶片的旋转或由阵风或恒定高速风引起的施加在机舱和其他元件上的负载。对于待被用于风力涡轮机试验设施中的试验装置，试验装置的可调节径向配重装置优选地具有合适大的总质量；并且试验装置的驱动机构被实现为使得轴以合适的轴旋转频率旋转。于是，这种试验装置在试验装置的试验运行期间能够施加“真实”横向力至风力涡轮机试验设施的毂和机舱，即，所述横向力等效于在真实时间跨度中由可比较部件经历的力。
[0031]试验程序可包括在固定旋转频率和固定离心力下操作试验装置以特定时间长度，例如数分钟或数小时，之后调节旋转频率和离心力以及施加它们以另一特定时间长度。然而优选地，为了更真实地模拟“真实”加载效果，轴的旋转频率优选地在频率周期中的较低频率和较高频率之间被定期地调节，并且这种频率周期优选地重复预定持续时间，所述预定持续时间对应于试验下的部件的估计寿命或可从该估计寿命导出。
[0032]如上所述，传递到试验下的部件的负载将使得形成应变和疲劳的效果。因此，风力涡轮机试验设施优选地包括诸如应变计和加速度计等的传感器的合适布置，所述传感器被安装或以其他方式连接到易受到材料疲劳的任何相关部件或元件。每个传感器可传递数据到数据记录单元，例如合适计算机，以用于存储和分析。摄像机或其他光学传感器的布置还可用于观测诸如振动或裂纹形成之类的行为。
[0033]本发明的其他目的和特征从下述详细说明结合附图考虑时将变得明显。然而要理解的是，附图仅被设计成用于描述目的，并且不作为对本发明的限制的限定。【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机试验设施的实施例；
图2示出了根据本发明的实施例的试验装置的实施例；
图3示出了根据本发明的实施例的试验装置的实施例中的径向配重装置和可旋转的
轴；
图4是对轴上的径向配重装置的各种位置以及相应离心力的示意图；
图5是在对轴上的径向配重装置的一部分以及相应离心力的示意图；
图6示出了利用现有技术试验设施可获得的横向力的图形；
图7示出了利用根据本发明实施例的风力涡轮机试验设施可获得的横向力的图形；
图8示出了根据本发明的试验装置的又一实施例中的位移机构。
【具体实施方式】
[0035]在附图中，贯穿附图相同的附图标记指代相同的物体。附图中的物体不必按比例绘制。
[0036]图1示出了根据本发明的风力涡轮机试验设施2的实施例。处于试验下的部件包括风力涡轮机的机舱20和毂21。可使用与在现实生活中会被使用的类型相同类型的模型，并且机舱20可安装在塔架模型(例如，短弹簧装置)上，所述塔架模型模拟了合适塔架构造的行为。为了模拟转子叶片旋转和风力负载的效果，根据本发明的试验装置I借助适配器19或连接机构19牢固地安装到毂21，使得在试验装置中产生的离心力作为横向力F大致无减弱地传递到毂21和机舱20。
[0037]图2示出了根据本发明的试验装置I的实施例的局部剖视图。试验装置I包括笼18或框架18，其中可旋转的轴10借助轴承装置101、102可旋转地安装在该笼或框架中。驱动机构13 (例如，马达13)被实现为驱动轴10，并且在该示例中借助驱动带130来驱动轴10。径向配重装置11、12被安装在轴10上。一个径向配重11固定到轴10上，而也安装在轴10上的另一径向配重12可相对于第一径向配重11移位。在该图形中为了清楚起见未示出角位移调节机构，但是可理解的是，所述角位移调节机构改变并保持径向配重11、12之间的角位移。当轴10和径向配重11、12旋转时，产生离心力。离心力的力矢量可被视觉化为从轴向外指向、穿过径向配重装置11、12的公共质心并且随轴10的角速度旋转的矢量。该离心力借助刚性笼18通过连接机构19被传递，并且传入到风力涡轮机试验设施的毂21和机舱中。
[0038]图3示出了在根据本发明的试验装置的实施例中的径向配重装置11、12和可旋转的轴10。具有旋转轴线R的轴10由驱动带(未示出)旋转，所述驱动带可借助安装件131来抓持轴10并且使得轴10旋转。该图还示出了用于将轴10安装到笼的安装凸缘。该图示出了两个径向配重11、12，它们处于由双向箭头示出的角位移。每个径向配重11、12的质心CM_11、CM_12定位在每个径向配重11、12的外部内侧的某个点处。由于径向配重11、12以错开的方式设置在轴10上，因此径向配重装置11、12的公共质心CM_RW处于在径向配重
11、12之间的空间中的一点处。因此，当径向配重装置11、12随轴10旋转时产生的离心力的力矢量Fe将穿过径向配重装置11、12的公共质心CM_RW，如由该图中的力矢量箭头Fe所示的那样。[0039]图4在该图的上部示出了用于轴10上的径向配重装置11、12的各个位置以及相应离心力分量的示意图。该图示出了旋转轴线R、轴10的角速度ω、以及笛卡尔平面的X轴和y轴方向。每个径向配重11、12的质心CM_11、CM_12被示出，并且示出了它们的角位移Θ以及各自相应的半径r_ll、r_12。示出了组合的配重装置11、12的共同质心CM_RW以及相应半径r_RW。离心力矢量Fe包括X和y分量。在该图的下部的绘图中示出的曲线Fx_min、Fx_max、Fx_mid表示离心力矢量Fe的X分量。当径向配重装置11、12旋转了 360°的整圈旋转时，离心力矢量Fe的X分量在零和最大值之间摆动(y分量可被理解为具有相移了 180°的相同摆动)。对于180°的角位移Θ (B卩，其中这些径向配重沿相反方向向外指向)来说，离心力不可能超过由图中的图形Fx_min表示的某个最小值。对于0°的角位移Θ (即，其中这些径向配重彼此上下叠置并且沿同一方向向外指向)来说，离心力可达到由图中的图形Fxjnax表示的最大值。对于任何其他位置、例如对于90°的角位移Θ (g卩，其中这些径向配重处于直角)来说,离心力可达到由图中的图形Fx_mid表示的中间量值。清楚地，角位移Θ的任何中间值将与对应的X分量相关联，使得力矢量大致在与轴10的旋转轴线R正交的平面中旋转。
[0040]图5是在轴10上的径向配重装置的一部分以及离心力的相应X分量的示意图。因此，径向配重11包括径向配重主体，附加配重元件110可紧固到所述径向配重主体。该图中的绘图示出了单独由径向配重主体可得到的离心力的X分量FX_body、以及由附接有多个附加配重元件110的径向配重主体可得到的离心力的X分量Fx_add。这种附加配重元件110可在开始试验过程之前紧固到径向配重主体，以根据在试验下的具体部件的需要或特征来构造试验装置。
[0041]图6示出了利用现有技术试验设施可得到的力F [kN]的图形。现有技术试验装置在操作期间不允许调节径向配重装置，因此不能在试验设施的谐振频率fKES附近操作。该图还示出了用于试验装置的无量纲放大因子MF，如用虚线表示的那样。这是当离心力被转换为传递到在试验下的部件(其已经由试验装置纳入摆动运动中)上的力Fpa时，该离心力被被倍增或放大多少的量度。如该图中示出的那样，临界范围关于试验设施的谐振频率fKES定位。在此，试验装置所产生的力会通过谐振摆动被放大至危险水平，使得利用现有技术试验装置的试验运行必须在该谐振频率附近被中断。因此，现有技术试验过程按照两个阶段来实施。试验装置需要最初配重设置，并且利用该配重产生离心力60。试验装置被允许操作合适时间长度、旋转速度在由频率上限值fun界定的频率范围内循环。然后该试验装置停止，并且配重被调节。利用配重的新组合，通过使得旋转速度在由频率下限值fUM—2界定的频率范围内循环来产生离心力60。频率极限值fUM—pfm—2被选择成与谐振频率fRES具有“安全距离”，使得得到的力Fpa被保持成不超过合理最大值。结果，由试验下的部件上的传感器收集的任何测量值由于在谐振频率附近的不连续性而将不完整。此外，由于配重在操作期间不可被调节，因此试验设施的谐振行为可能导致施加到试验下的部件的实际力的不想要的放大，并且这些力不可被认为是“真实的”，使得由应变计、应力传感器等测量的结果可能不传递用于试验运行的可靠或真实的结果。施加到试验下的部件的横向力Fpa在大多数试验频率范围内可能在量值上显著地大于离心力60，如由这些图形60、Fpa之间的差异所示的。
[0042]图7示出了利用根据本发明的风力涡轮机试验设施可获得的力的图形。在此，可调节径向配重装置允许离心力Fe在试验设施的谐振频率fKES附近根据需要减少。例如，两个或更多个径向配重可移动到旋转轴的相反两侧上，使得这些径向配重的角位移最大化。由此，离心力Fe对于在谐振频率fKES附近的旋转频率来说可最小化。该图还示出了用于试验装置的无量纲放大因子MF，如用虚线所示的那样。因此，传送到风力涡轮机的所得到的力Fwt将绝不超过危险水平，并且试验可在较低频率fmin和较高频率fmax之间、例如在1.0 Hz和6.0 Hz之间无中断地实施。该试验运行可通过这些频率来循环，即将轴的旋转频率从1.0Hz增加至6.0 Hz、然后将轴的旋转频率从6.0 Hz减少至1.0 Hz，如由离心力Fe的图形上的箭头所示的那样，并且无限地重复该循环。
[0043]图8示出了在根据本发明的试验装置的又一实施例中径向配重装置11、12的实现。在此，链条15被用于改变第一径向配重11和第二径向配重12之间的角位移。链条15由带齿轮150来驱动，所述带齿轮继而由控制器(未示出)依赖于轴10的旋转速度来致动。第二径向配重12借助偏心装置103被安装在轴10上。偏心装置103使得第二径向配重12从轴10的旋转轴线R移位。在位移机构(即，链条15或带齿轮150)失效的情况下，偏心装置103促使第二径向配重12移动到位于轴10的相对侧上的“安全”位置，因此避免损坏试验装置或试验下的部件。
[0044]虽然本发明已经以优选实施例及其变形的形式被公开，但是将理解的是，可对其作出许多附加修改和变化而不偏离本发明的范围。
[0045]为了清楚起见，要理解的是，贯穿本申请，“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。
【权利要求】
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(I)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(I)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(I)的操作期间产生的力(Fe)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(I)，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(I)的操作期间由旋转的径向配重(11，12)产生的离心力(Fe)作为横向力(Fwt)被传递到处于试验下的风力涡轮机的部件(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(I)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(I)的轴旋转频率被选择成产生与风力涡轮机力(Fwt)对应的离心力(Fe)。
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(I)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_Rff)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(fKES)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(fmin)和频率下限值(fmax)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。
【文档编号】G01M13/00GK103792074SQ201310527808
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2012年10月31日
【发明者】B.G.詹森 申请人:西门子公司