每年,大约每200个风力涡轮机叶片中就有一个失效。这些故障给涡轮机所有者带来了双重担忧。首先,当刀片出现故障时,会出现计划外的停机时间和潜在的保险问题。其次,叶片制造商、涡轮所有者和操作人员如何确信他们的涡轮叶片经过了充分的测试?
丹麦技术大学(DTU)大型设施的研究人员,风能系和Villum先进结构和材料测试中心(CASMaT)的一部分,相信他们找到了答案。该测试设施由丹麦建筑和财产局建造,于2017年在丹麦理工大学里斯ø校区开放。那里的科学家专注于开发新的、先进的测试方法,以更好地了解大型结构的失效。
对于风力涡轮机行业来说,根据既定标准对叶片进行测试和认证是强制性的。
“但这些标准的当前版本是从2014年开始的,它是基于涡轮机小得多的经验,”DTU风能结构设计与测试团队的高级研究科学家兼负责人Kim Branner博士说。“该标准要求在四个不同的方向上进行静态测试,并进行疲劳测试,使叶片向两个方向摆动,以其固有频率刺激叶片。”
根据Branner的说法,这些测试方法还不足以反映刀片在使用中的情况。他说,今天的标准只测试刀片的某些部分,而实际上现场的负载要复杂得多。Branner和他的团队正在进行项目,以更现实的方式加载叶片,并比传统的测试速度更快。风能行业需要更快的测试方法,特别是因为更大的叶片(长度可达100米)的自然频率更慢。目前的行业测试标准要求制造商等待一年才能知道其刀片是否通过测试。
DTU的愿景是开发一种能够测试大规模叶片和其他工业部件的设施,以帮助制造商可靠有效地复制现场条件。在征求方案并从丹麦政府获得项目资金后,丹麦工业大学选择了英国的穆格及其技术合作伙伴T A Savery和Qualter Hall。穆格在飞机结构测试和精密控制系统、驱动产品和工程支持服务(包括建模和仿真能力)方面的专业知识吸引了DTU的团队。穆格公司已经开发出专门为风力涡轮机叶片设计的驱动装置。
Branner说:“测试是在风能领域取得成功的一个重要因素。”穆格明白这一点。”
大规模测试设备的挑战
DTU和Moog开始考虑他们需要什么样的设备来进行更高级的测试,包括同时向不同方向加载叶片的双轴频率测试。从一开始,这个项目几乎没有什么可以用现成的商业解决方案来解决的。
穆格最初进行了仿真和建模工作,以证明其设计能够满足DTU的规范。例如,DTU的一项要求是同时向两个方向激发风力涡轮机叶片,同时运行三个试验台(大小从15米到45米不等)。相比之下,风能行业的标准叶片测试只涉及激发一个轴,一次一个频率。同时运行三个试验台的要求是DTU充分利用设施的愿望,这为客户和DTU提供了更大的测试灵活性。
布拉纳说:“在研究中,我们一直在尝试新的方向,拥有具有灵活性的设备很重要。”“我们必须有一套可以在很多方面使用的设备。”
设计解决方案
Moog在闭环伺服控制和驱动方面的专业知识帮助它创建了一个由数字闭环控制系统和应用软件支撑的测试设施。为了为DTU提供测试的灵活性,穆格及其合作伙伴设计并安装了用于三个试验台的测试设备,这些试验台可以使用15米、25米和45米的叶片。穆格工程师进行了一系列测试设备的安装和调试,并为DTU员工提供培训和持续支持。穆格为三个叶片试验台提供的供应范围包括液压发电厂和配电网络,用于静态测试的6台液压绞车,以及用于动态测试工作的8个质量共振激励器(MRE)和线性执行器组件的组合。该解决方案还包括所有管道工程、软管和驱动装置、控制系统电子设备和应用软件。
T A Savery董事总经理Graham Wood表示:“我们对MRE的工作方式、频率以及DTU希望它如何发挥作用进行了大量分析。“在这份合同中,客户不是简单地要求制造a、B和C,仅此而已。穆格赢得了合同,然后开始了大量的技术研究、建模和硬件设计。”
在设计该设施的设备时,穆格的目标是为DTU提供进行一系列测试的自由度。例如,如果研究人员想使用试验室对叶片进行动态测试,液压系统将适应较大的压力波动。如果下一次测试需要使用绞车进行静态测试,DTU可以将液压设置为非常低的流量。
Moog工业解决方案与服务集团系统与服务业务部门经理Kevin Cherrett表示:“DTU可以选择他们想要的,而不受设备的限制。
为了设计绞车组件,穆格选择了英国的Qualter公司。这项工作包括讨论绳索类型、安全因素以及在绞车上安装液压集成块,这样DTU的研究人员就可以根据2、4或6个负载点的配置来调整绞车的角度。相互竞争的叶片测试设计使用带绞车的巨大塔,设备经理用叉车移动塔,进行水平静态测试。DTU的绞车垂直加载叶片,因此研究人员可以用六台绞车在六个位置加载叶片,同时将测试样本拉向地面,模拟100年风暴中经历的极端风载荷,对极端载荷进行静态测试。DTU设备中的叶片尖端可以移动14米,而叶片根部只能移动几厘米。DTU想要一个重力和测试方向相同的设备。垂直测试叶片与侧面测试叶片的优势在于,在后者的配置中,研究人员有一个在测试过程中会弯曲的塔;这使得控制负载位置变得困难,加上在不使用时占用了大量的设施空间。
关于MRE的设计,Wood和Cherrett解释说,这个概念已经得到了很好的确立。但他们所做的是开发一个更健壮的版本,将灵活的工具嫁接到这个概念上。
“疲劳测试的挑战之一是确保疲劳的是测试样本,而不是执行测试的设备,”Cherrett说。“我们进行了大量的测试、建模和模拟,以预测设备的寿命;我们分析了每个组成部分的预期寿命。”
在MRE的驱动设计中,穆格公司采用了飞机工业中使用的液压驱动器设计。在MRE内部是一个标准穆格驱动器构建块,用于激发刀片。DTU也关注MRE的重量,因为由测试机构制造的类似设备包括歧管和管道,增加了质量。穆格与DTU合作,开发了一种由高强度飞机铝制成的控制歧管,DTU可以安装在任何地方。
Cherrett说:“对于每一个客户,对于这些类型的系统,我们都会寻求服务水平协议、支持包、预防性维护和技术支持。”“我们对技术支持的定义不是一次性的;在设备使用期间,我们将与DTU在一起。”
穆格通过一个项目继续支持DTU的工作,研究人员希望在这个项目中看到一个工作的风力涡轮机叶片的未来。通过开发嵌入刀片的传感器,DTU想知道它是否可以预测损伤。
Branner表示:“穆格的技术有助于解决这一问题,因为我们将在带有内置缺陷的测试叶片中嵌入传感器,并监测损伤的增长情况。”穆格激励器会在叶片上施加真实的载荷。”
Branner认为这个项目不仅可以帮助叶片制造商制造出更好的叶片,还可以为每个叶片创建一个数字化的双胞胎,让风电场运营商可以用它来模拟叶片未来的状态。如果一切按计划进行,总有一天,风电场控制中心可以在叶片故障发生前预测到。
点击此处查看该系统的视频:http://info.moog.co.uk/DTU/DW
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