[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。

[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。

[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1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1的实施例的局部剖视图。试验装置1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Fc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Fc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_11、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Fc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Fc的x分量。当径向配重装置11、12旋转了360º的整圈旋转时，离心力矢量Fc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180º的相同摆动）。对于180º的角位移θ（即，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0º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Fx_max表示的最大值。对于任何其他位置、例如对于90º的角位移θ（即，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fRES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fRES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fLIM_1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fLIM_2界定的频率范围内循环来产生离心力60。频率极限值fLIM_1、fLIM_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Fc在试验设施的谐振频率fRES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Fc对于在谐振频率fRES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1.0 Hz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Fc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。