每年,大约每200个风力涡轮机叶片中就有一个出现故障。这些故障给涡轮机所有者带来了双重担忧。首先,当刀片失效时,会出现计划外停机和潜在的保险问题。第二,叶片制造商、涡轮机所有者和运营商如何能确信他们涡轮上的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,风能部的一部分和Villum高级结构和材料测试中心(CASMaT)的研究人员相信他们有答案。该测试设施由丹麦建筑和房地产机构建造,于2017年在DTU Risø校区开放。那里的科学家们专注于开发新的、先进的测试方法,以更好地了解大型结构的破坏。
对于风力涡轮机行业来说,按照既定标准对叶片进行测试和认证是强制性的。
“但是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时候的经验,”高级研究科学家、DTU风能结构设计和测试团队负责人Kim Branner博士说。“该标准要求在四个不同方向进行静态测试,并进行疲劳测试,使叶片向两个方向摆动,以其固有频率激励叶片。”
根据Branner的说法,这些测试方法还不足以反映出刀片在使用中发生的情况。他说,目前的标准只测试刀片的某些部分,而实际上,现场的载荷要复杂得多。Branner和他的团队正在进行一些项目,以更现实的方式加载刀片,并且比传统测试更快。风能行业希望有更快的测试方法,尤其是更大的叶片(长度不超过100米)的固有频率更慢。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了测试。
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备,以帮助制造商可靠、高效地复制现场条件。在征求方案并从丹麦政府获得项目资金后,DTU选择了英国的Moog及其技术合作伙伴T A Savery和Qualter Hall。Moog在飞机结构测试和一系列精密控制系统、驱动产品和工程支持服务(包括建模和仿真能力)方面的专长,吸引了DTU团队。穆格已经开发了驱动装置专门设计的风力涡轮机叶片。
“测试是在风能领域取得成功的一个关键因素,”Branner说。“Moog明白。”
大规模测试设施的挑战
DTU和穆格开始思考,他们需要什么样的设备来进行更先进的测试,包括双轴频率测试,即在不同的方向同时加载叶片。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。
穆格最初进行了模拟和建模工作,以证明其设计可以满足DTU的规格。例如,DTU的一项要求是同时在两个方向激发风力涡轮机叶片,同时运行三个试验台(尺寸从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一次刺激一个频率的单轴。DTU希望最大限度地使用设备,同时要求三个看台,这为客户和DTU提供了更大的测试灵活性。
Branner说:“在研究中,我们一直在尝试新的方向,拥有提供灵活性的设备是很重要的。”“我们必须拥有一套可以用于许多方面的设备。”
设计一个解决方案
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。为了给DTU提供测试灵活性,Moog及其合作伙伴设计并安装了测试设备,用于三个试验台,可容纳15m、25m和45m叶片。Moog工程师进行了测试设备套件的安装和调试,并为DTU员工提供培训和持续支持。Moog为三个叶片试验台提供的供应范围包括水力发电厂和配电网络,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台质量共振励磁器(MRE)和线性执行器组件。该解决方案还包括所有管道工作,软管和驱动装置,控制系统电子和应用软件。
T A Savery公司总经理Graham Wood说:“很多分析都是关于MRE如何工作、频率以及DTU希望它如何工作。”“这不是一份客户只说要做a、B和C的合同。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。”
在设计设施的设备时,穆格的目标是给DTU进行一系列测试的空间。例如,如果研究人员想要使用一个测试舱来对叶片进行动态测试,液压系统将能够适应较大的压力波动。如果接下来的测试需要一个带绞盘的静态测试,DTU可以设置液压来满足非常低的流量。
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完全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的类型、安全系数以及在绞盘上安装一个液压歧管,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盘的角度。竞争的叶片测试设计使用带有绞盘的巨大塔,设备管理人员用叉车移动来进行水平静态测试。DTU的绞盘垂直加载叶片,因此研究人员可以用6台绞盘在6个位置加载叶片进行极端载荷的静态测试,同时将测试样本拉向地板,模拟100年风暴中经历的极端风载荷。在DTU设备中,刀片的尖端可以移动14米,而刀片的根部可以移动几厘米。DTU想要一个重力和测试方向相同的设施。用塔来测试垂直叶片与横向叶片的优势在于,如果采用后者的结构,研究人员将得到一个在测试过程中弯曲的塔;这使得控制负载位置变得困难,并且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,这个概念已经很成熟了。但他们所做的是开发一个更强大的版本,将灵活的工具移植到它上面。
“疲劳测试的挑战之一是确保你是在疲劳测试样本,而不是进行测试的设备,”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;我们分析了预期寿命的每个组成部分。”
在设计MRE的驱动装置时,穆格公司设计了用于飞机工业的液压驱动装置。在MRE内是一个标准的穆格驱动器构建块,刺激刀片。DTU还关注MRE的重量,因为测试机构生产的类似设备包括流形和管道,增加了质量。穆格与DTU合作,用高强度飞机铝制造了一个控制歧管,DTU可以安装在任何地方。
Cherrett说:“对于每一位客户,对于这些类型的系统,我们寻求参与服务水平协议、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,我们会一直和DTU在一起。”
穆格通过一个项目继续支持DTU的工作,在这个项目中,研究人员希望看到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想知道它是否能预测损伤。
Branner说:“Moog的技术在这方面有所帮助,因为我们将在带有内置缺陷的测试叶片中嵌入传感器,并监测损伤是如何增长的。”穆格的刺激器会给刀片带来真实的负荷
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孪生叶片,风电场的操作者可以用它来模拟叶片的未来状态。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失效前预测到它。
点击这里查看系统视频:http://info.moog.co.uk/DTU/DW
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