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1、I C S2 7 1 8 0F1 1囝园中华人民共和国国家标准G B T2 5 3 8 4 2 010风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验T u r b i n eb l a d eo fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m sF u l l s c a l es t r u c t u r a lt e s t i n go fr o t O rb l a d e s(I E CT S6 1 4 0 0 一2 3：2 0 0 1，W i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m sP a
2、 r t2 3：F u l l s c a l es t r u c t u r a lt e s t i n go fr o t o rb l a d e s，M O D)2 0 1 0 11 1 0 发布2 0 1 1 0 3 0 1 实施宰瞀鹛鬻瓣警矬瞥星发布中国国家标准化管理委员会仅1 9前言“I E C 引言1 范围-2 规范性引用文件-3 术语和定义4 符号5 总则5 1 试验目的5 2 极限状态5 3 试验中的限制因素5 4 试验结果6 叶片数据-6 1 总则-6 2 外形与接口尺寸-6 36 46 56 66 76 86 9叶片特性材料数据设计载荷和条件测试区域-叶片特殊处理叶
3、根连接部位机械装置7 设计与试验载荷条件的差异7 1总则7 2 加载-7 3 弯矩和剪力7 4 挥舞方向和摆振方向载荷的合成7 5 径向载荷7 6 扭转载荷7 7 机械装置7 8 环境条件7。9 载荷谱和加载顺序8 试验载荷8 1总则-8 2 载荷基试验8 3 强度基试验8 4 静力试验载荷谱8 5 疲劳试验载荷谱一8 6 静力试验和疲劳试验顺序目次G B T2 5 3 8 4 2 0 1 0V 400000000，8880 如M m unun 地心地抱nH“标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载w w w.b z f x w.c o mG B T2 5 3 8 4
4、2 0 1 08 7 机械装置-9 试验载荷系数9 1 总则-9 2 设计中使用的局部安全系数-9 3 试验载荷安全系数-9 4 确定目标载荷时所使用的载荷系数-1 0 试验载荷分布相对于设计要求的评估1 0 1 总则1 0 2 加载的影响1 0 3 静力试验1 0 4 疲劳试验1 1 失效模式1 1 1 总则1 1 2 灾难性失效-1 1 3 功能性失效1 1 4 表面失效-1 2 试验程序和方法1 2 1 总则-1 2 2 试验台与叶根固定装置t 1 2 3 加载装置1 2 4 静力试验1 2 5 疲劳试验-1 2 6 推荐豹试验方法的优缺点1 2 7 试验载荷的修正1 2 8 数据采集1
5、 3 确定叶片特性的其他试验1 3 1 总则-1 3 2 试验台变形1 3 3 叶片挠度1 3 4 刚度分布1 3 5 应变分布测量1 3 6 固有频率1 3 7 阻尼1 3 8 振型1 3 g 质量分布1 3 1 0 蠕变1 3 1 1 其他非破坏性试验1 3 1 2 叶片解剖1 4 组件试验1 4 1 总则1 4 2 组件的定义1 4 3 组件的作用类别一1 4 4 组件试验坫坫拈加盟船舱毖孙弘拈孙髂孔弘卵拈船如札nn钉n札弛弛解船弛w w w.b z f x w.c o mG B T2 5 3 8 4 2 0 1 0H 5 验证程序3 31 4 6 加载方式3 31 4 7 替代性试验3
6、 31 5 试验报告3 41 5 1 总则3 41 5 2 试验报告内容3 5附录A(规范性附录)局部安全系数的确定3 6附录B(规范性附录)疲劳公式对评估的影响-3 7附录c(规范性附录)加载角度变化的影响与补偿3 9附录D(资料性附录)试验设备示例4 1D-1 液压加载器-4 1D 2 偏心旋转质量4 3D 2 1 总则，4 3D 2 z 试验装置4 3D 2 3 建立加载4 3D 2 4 试验控制问题“D 3 凸轮-一4 4D 4 静力试验加载装置4 4参考文献4 8标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载w w w.b z f x w.c o m刖置G B T2
7、 5 3 8 4 2 010本标准修改采用I E CT S6 1 4 0 0 一2 3：2 0 0 1 风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验(英文版)。本标准根据I E cT S6 1 4 0 0-2 3：2 0 0 1 重新起草。考虑到我国国情，在采用I E cT s6 1 4 0 0 一2 3：2 0 0 l 时，本标准做了如下修改：增加了第1 4 章组件试验，原来第1 4 章试验报告顺延为第1 5 章；增加了定义：3 2 摆振方向(风轮坐标系)l e a d _ l a g；删除了定义：3 1 7 向内、3 1 8 超前滞后、3 2 3 向外。为了便于使用，本标准做了下列编辑性修改：a)将
8、“本技术规范”一词改为“本标准”；b)用小数点“”代替作为小数点的逗号“，”；c)增加了本标准前言。对于I E cT s6 1 4 0 0 2 3：2 0 0 1 引用的其他国际标准中有被等同或修改采用为我国标准的，本标准用引用我国的这些国家标准或行业标准代替对应的国际标准，其余未有等同采用为我国标准的国际标准，在本标准中均被直接引用(见本标准第2 章)。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国风力机械标准化技术委员会归口。本标准主要起草单位：中航惠腾风电设备股份有限公司。本标准主要起草人：田野、韩玉清、邢晓坡、田卫国、姜兆民、庄岳兴、赵建立。Vw w w.b z f x w.c o mG
9、 B T2 5 3 8 4 2 010I E C 引言风轮叶片是风力发电机组的关键部件。许多国家标准都在设计部分对叶片作了单独的规定，但是很少把叶片测试作为取得认证的必要条件。目前许多国家都有叶片试验室，每个试验室都独立开发了各具特色的试验设备、试验程序和术语，用于叶片的试验。尽管每个试验室的方法可能都有效，但在不同设备上执行叶片试验而获得的结果很难进行比较和评估。I E cT c8 8 技术委员会第8 工作组最初是想找到能被各个试验室普遍认可的试验方法，并在建立叶片试验标准的过程中给予指导。然而由于各试验室使用的试验方法较多(因为试验系统硬件决定试验方法)，制定一个限制性标准支持一种方法而排
10、斥其他方法是不合理的。所以，后来就编写了本技术规范，对推荐的各种试验方法提供指南。本规范包括了许多不同的试验方法。不应该把本规范收录的所有试验都视为每个叶片设计所必需的。所需试验项目取决于设计评估中因采用新材料、新设计理念、新生产工艺等产生的不确定度，以及对结构完整性的可能影响。一般采用推荐的试验方法进行试验(见附录D)，本规范给出了这些方法的优缺点。标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载w w w.b z f x w.c o m风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验G B T2 5 3 8 4 2 0 1 01 范围本标准规定了风轮叶片全尺寸结构试验的总则、叶片数据、设
11、计与试验载荷、试验载荷系数、载荷分布、失效模式、试验程序和方法及叶片特性的其他试验和组件试验。本标准适用于风轮扫略面积大于或等于2 0 0m 2 水平轴风轮叶片的全结构试验。本标准中的绝大部分原理可适用于任何结构、尺寸和材料的风轮叶片。2 规范性g l 用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。G B T2 9 0 0 5 3 2 0 0 1电工术语风力发电机组(I E c6 0
12、 0 5 0 一4 1 5：19 9 9，I D T)G B1 8 4 5 1 1 2 0 0 1 风力发电机组安全要求(I E C6 1 4 0 0 一1：1 9 9 9，I D T)G B T2 7 0 2 52 0 0 8 检测和校准实验室能力的通用要求(I s O I E c1 7 0 2 5：2 0 0 5，I D T)I s O2 3 9 4：1 9 9 8 结构可靠性的一般原则3 术语和定义G B T2 9 0 0 5 3 所确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3 1p 公式s _ Nf o r m u l a t i o 用来描述材料、部件或结构的应力(s)与循环次数(N)关
13、系特性的一种方法。3 2摆振方向(风轮坐标系)l d _ I a g与风轮扫掠面平行且与未变形叶片的纵轴垂直的方向。3 3摆振方向(叶片削面坐标系)e d g e w i 与当地弦线平行的方向。3 4变幅加载v a r i a b l e 锄p I i t u d el d i g通过施加非恒定平均值、非恒定周期变程的方式使试验对象经受相应载荷循环次数的方法。3 5等幅加载c o m t a：n ta m p l i t u d el d i g在疲劳试验过程中，以恒定的幅值和平均值施加循环载荷的方法。3 6点载荷p o i n t l o a d i n g分散施加在不同展向位置上的一个载荷
14、或一系列载荷。】w w w.b z f x w.c o mG B T2 5 3 8 4 2 0 1 03 7非破坏性试验n o m d 晒t r u c t i v et 鼯t i n g(N D T)不改变结构性能的检验方法。3 8分配粱w h i m et r 把集中载荷分配到试验件上的多点加载的一种装置。3 9刚度s t i f f n e 载荷的变化与弹性物体对应的位移变化之比。3 1 0工作载荷s e“i c el d s代表实际工作条件的载荷谱，包括顺序。3”固定装置f i x t r e给试验件加载或支撑试验件的部件或装置。3 1 2固有频率n a t u m lf r e q
15、u 蚰c y当结构受扰动并自由振动时表现出来的频率。3 1 3挥舞方向(风轮坐标系)n a p w i s e与风轮未变形叶片轴线扫过的面垂直的方向。3 1 4挥舞方向(叶片剖面坐标系)a a t w i s e沿叶片轴线分布并垂直于局部弦线的方向。3 1 5厚度t h i c k n e s s在翼型上下表面之间垂直于弦线方向测得的最大距离。3 1 6极限强度u I t i 瑚t es t r e n g t h材料或结构最大(静力)承载能力的一种量度。3 1 7加载器a c t u t o r一种能被控制、可以施加恒定载荷或变化载荷与位移的装置。3 1 8静力试验s t a t i ct
16、e s t对试验件施加大小恒定、方向不变的指定载荷的试验。3 1 9径向位置n d i a lp i t i 在与风轮旋转轴垂直的平面内，某点到轮毂中心的距离。3 2 0局部安全系数p a r t i a ls a f e t yf a c t o 考虑代表(特征)值的不确定度时用于载荷和材料强度的系数。标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载w w w.b z f x w.c o m3 2 13 2 23 2 33 2 43 2 53 2 63 2 73 2 83 2 93 3 03 3 13 3 23 3 33 3 4模态试验m o d a lt t s用来确定结构
17、的固有频率、阻尼和振型的试验。扭转t w i s t叶片剖面弦线的角度在展向的变化。疲劳公式f a t i g u ef o I u l a t i o n用以估算疲劳寿命的方法。疲劳强度f a t i g u es t r e n g t h材料或结构承受交变载荷能力的度量。疲劳试验f a t i g u et t给试验件施加等幅或变幅循环载荷的试验。屈曲b u c k n n g一种失效模式，其特征是随压缩载荷的变化其挠度呈非线性增加。全尺寸试验f u I l-s c a I et$t在实际结构或部件上进行的试验。蠕变c r p在持续载荷作用下，应变随时间增加而增加的现象。设计载荷d i
18、弘l d s在设计时确定的叶片应经受的载荷，包括适当的局部安全系数。测试区域t e s t e da r e a试验对象上承受预定载荷的区域。试验载荷t t e dl d试验过程中施加的力和力矩。弦长c h o r d按常规定义，弦长为连接叶片翼形剖面前、后缘点的参考直线(弦线)长度。叶根h l a d er 0 0 t叶片上与轮毂相连的部分。叶片b l a d e使风轮旋转并产生气动力的部件。G B T2 5 3 8 4 2 010w w w.b z f x w.c o mG B T2 5 3 8 4 2 01 03 3 5应变s t n i n用以描述材料变形程度的力学量，线应变等于材料伸
19、长量与原长之比，切应变等于材料直角单元的变化角度(弧度)。3 3 6应力比R-r a t i o一个载荷循环中最小值和最大值之比。3 3 7载荷包络l o a d v e l o p e不同径向位置各个方向最大设计载荷的集合。3 3 8展向s p w i 与叶片的纵轴平行的方向。3 3 9自重载荷t a r el o a d s由重力产生的力和力矩。4 符号4 1 英文符号F I挥舞方向剪力(风轮坐标系)F，摆振方向剪力(风轮坐标系)E径向力(拉力)(风轮坐标系)M；摆振方向弯矩(风轮坐标系)M，挥舞方向弯矩(风轮坐标系)舰叶片扭矩(风轮坐标系)F a挥舞方向剪力(叶片剖面坐标系)F-摆振方向
20、剪力(叶片剖面坐标系)F。径向力(拉力)(叶片剖面坐标系)t摆振方向弯矩(叶片剖面坐标系)乱挥舞方向弯矩(叶片剖面坐标系)M。叶片扭矩(叶片剖面坐标系)D理论损伤c材料强度转换系数，强度F载荷g强度参数4 2 希腊符号y局部安全系数d应力4 3 下标d e s i g n设计载荷条件d f设计载荷：疲劳d u设计载荷：静力d标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载w w w.b z f x w.c o m试验载荷中疲劳公式的不确定性载荷疲劳载荷静力载荷特征值材料失效后果疲劳失效后果静力失效后果叶片与叶片的差异：疲劳试验载荷叶片与叶片的差异：静力试验载荷目标载荷条件试验载
21、荷条件静强度系数相对静强度系数最低静强度相对最低静强度疲劳应力系数相对疲劳应力系数最低疲劳强度相对最低疲劳强度风力发电机组G B T2 5 3 8 4 2 0 1 05 总则5 1 试验目的风轮叶片试验的基本目的是在一个合理的置信度下证明：按相应标准制造出的一种型号叶片，在特定极限状态下具有所规定的可靠性。或者更确切地说是为了验证叶片不会达到指定的极限状态。由此证明叶片具有其设计规定的强度和使用寿命。在试验中应证明：叶片在设计使用寿命内能够承受设计规定的极限载荷和疲劳载荷。本标准中涉及的全尺寸试验是在少数试验件上进行的，由于只用一到两片叶片试验，因此不能获得产品叶片的强度统计分布。尽管试验能够
22、对相应叶片型号提供有效的信息，但它不能替代严密的设计方法，也不能代替叶片批量生产中的质量保证体系。5 2 极限状态为了确定和评估试验载荷，应要了解一些设计知识。叶片的设计通常遵照某些标准或准则，比如G B l 8 4 5 1 1，它依据I s 02 3 9 4 的原则确定极限状态和局部安全系数，以获得相应的设计值。简单地说：极限状态就是结构承受最大载荷的情况下仍能满足设计要求的状态。局部安全系数体现了各种不准确度，选用局部安全系数是为了使结构达到极限状态的概率低于规定的值。因此，如果叶片承受试验载荷(根据设计载荷确定)时未达到极限状态，则认为叶片通过了试验。试验载荷代表值应高于设计载荷，以计人
23、诸如环境影响、试验不确定度和制造差异等的影响(见第9 章)。应确定极限状态的实际界限，因为这种界限可为试验叶片的强度提供一种实际安全性的度量。但这些值不容易分析，应使用概率方法才能确定。5t，rFLr ruLv gt 坤FS 琵nf 1Ev rd，饪h。缸。“。一雠一|一|耋一肿一一一一w w w.b z f x w.c o mG B T2 5 3 8 4 2 0 1 05 3 试验中的限制因素在实施这些试验时会受到许多技术和经济方面的制约。主要原因是：叶片上的分布载荷只能近似地模拟；试验时间通常需要一年左右；只能对一片或少数几片叶片进行试验；某些失效难以发现。由于上述限制因素，叶片试验需要采
24、取一些折中方式，使最终试验结果能够用于确定叶片极限状态的评估。对试验结果进行整理分析时，应注意用于试验的叶片通常是批量生产中首批叶片中的一片，试验前会对它进行局部加固等修改工作，但有时很小的修改也可能影响试验的有效性。5 4 试验结果设计载荷是确定试验载荷的基础，也是试验完成后对试验载荷的作用强度进行评估的基础。如果在试验过程中叶片未发生任何损坏，试验完成后对叶片结构和试验载荷也进行了正确的评估，则表明叶片设计满足要求。不过，应注意在试验中哪些已进行了试验验证，哪些没有经过试验验证。5 4 1 经过试验验证的项目根据设计计算结果，叶片应具有承受设计载荷的能力。在设计计算时应进行了以下假设：一应
25、力或应变是由准确计算或保守估算确定的；一所有相关材料、零件的强度和抗疲劳等级是经过准确地或保守地估算确定的；用于强度计算的强度和疲劳公式是准确或保守的；一叶片生产是按照设计进行的。在作为最终设计验证的全尺寸试验过程中，可同时验证上述假设的正确性。如果叶片在试验过程中失效，则说明至少违背了上述假设中的一项。应进行分析研究，以确定造成失效的原因。当叶片通过了试验并且没有发生意外或严重损坏时，则说明在设计和制造过程中没有导致安全隐患的严重错误。但并不能证明叶片在设计和制造上就绝对没有问题。因为全尺寸试验不能模拟实际工作情况，设计假设中的错误可能会在当前的全尺寸试验中互相抵消。5 4 2 未经试验验证
26、的项目在全尺寸试验过程中，下列内容没有进行试验验证：设计载荷的有效性；试验过程中不同环境条件的影响；试验结果的分散性；制造或设计中可能发生的改变。6 叶片数据6 1 总则叶片通常由图样、标准和零件清单来描述，并且应有装卸、吊装和存放的说明书。对于叶片试验件，应有可追踪的设计和制造证明文件，如图样、参考铺层表和签字的检验报告等。叶片本身应有唯一的标识。尤其是当叶片试验件与批生产叶片之间存在差异时，这些差异应明确地用文件资料说明。完整详细地描述叶片需要大量的数据，以供不同阶段使用。例如试验室应用叶片基本尺寸数据来确定叶片能否在试验台上安装，而评估和试验阶段还需要更详细的材料数据。下面来说明这些数据
27、的基本种类。6 2 外形与接口尺寸叶片的尺寸应使用图样加以说明，应至少给出下列数据(见图1 所示)：6标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载G B T2 5 3 8 4 2 010B L 一叶片长度；T e L 最大弦长位置；L G c 一最大弦长L 9 5 蹦一L 一一9 5 长度位置；L 9 5 蹦一c 9 5“长度位置的弦长；T B L 一叶尖刹车位置距叶根距离D 1 一叶根内径；B。z 一螺栓型式；D 2 一一叶根外径；“m 6 P r 一螺桂数量；B H c螺孔节圆直径；s 僻L 1 一承剪腹板起始位置；S 僻L 2 承剪腹板终止位置；s 僻c P l 一承
28、载腹板起始位置距前缘距离s 僻c P 2 一承载腹板终止位置距前缘距离L长度位置；C 一一弦长；了厚度；丁扭角。围1表达叶片外形和接口尺寸的样图叶片长度(从叶根到叶尖)。螺栓型式与叶根接口尺寸。一一弦长和扭角分布。为了确定试验所需的空间和设备，应提供预计的叶片最大挠度和载荷。6 3 叶片特性为了进行试验和评估，应详细说明下列内容：剖面几何尺寸。包括载荷作用剖面在内，叶片上至少应有5 个分布合理的位置剖面内部主要零件的位置和特性；所用材料(见6 4)；材料分布；主要制造工艺的特性；层板和夹芯结构的构成；钢和金属件；紧固件；胶接件；在叶片上分布合理的至少5 个剖面的下列特性：G B T2 5 3
29、8 4 2 0 1 0a)弹性范围；b)主弯曲刚度；c)主要轴线位置；d)扭转刚度；e)剪切中心。总质量和质量分布；重心位置；一固有频率(挥舞方向和摆振方向的1 阶和2 阶，扭转方向1 阶)；主要参数公差。对于强度基的试验来说，应给出每个选定剖面的强度。6 4 材料数据应给出叶片测试区域所用材料的相应强度、疲劳公式及弹性特性。对予疲劳试验来说，还应包括适当的S _ N 公式、循环计数方法、损伤累积模型、应力比影响等。6 5 设计载荷和条件6 5 1总则对于某一具体载荷工况来说，通常是将叶片上分布的气动和惯性力矩简化为沿叶片展向分布的几个集中力作为试验载荷。对载荷基试验(见8 2)，应具体说明叶
30、片设计载荷，而强度基试验(见8 3)则不需要说明设计载荷。应说明使用的标准及设计载荷中采用的所有局部安全系数。6 5 2 载荷工况沿叶片展向选取足够多的作用位置，每种设计载荷工况都应在相应的作用位置上用6 个载荷分量(F l、F，、E、M I、M，、M：)来定义，以准确评估被测试临界区域的试验载荷。应给出包括相应相位和频率特性的6 个载荷分量的值以确定组合的载荷工况”。不是所有载荷都是同等重要的，也不会在试验过程中施加所有的载荷(见第7 章)。应明确载荷分量所采用的坐标系，一般可以使用弦线坐标系(见图2)，也可以使用风轮坐标系(见图3)。在叶片试验中建议使用图3 所示的风轮坐标系。6 5 3
31、环境条件除载荷外，对影响材料特性的试验条件(如湿度、温度)以及设计运行条件的假设，均应给予说明。6 5 4 机械部件作用于叶尖制动器等关键部件上的载荷，其特性通常与叶片的一般载荷不同，应根据需要进行附加的技术说明和特定的试验(见8 7)。6 6 测试区域任何一个试验都不可能理想地给整个叶片施加全部载荷，但应对临界区域施加试验载荷。叶片上可能的临界区域有：叶片最大弦长位置附近区域，这部分的剖面特性是逐渐变化的；在叶片上屈曲、强度或疲劳寿命计算中储备系数最小的部位；与气动刹车装置相结合的部位，尤其是受此设备影响的结构区域。应具体说明需要试验的区域。6 7 叶片特殊处理可以根据试验需要对叶片进行特殊
32、处理。在疲劳试验过程中，为了在可接受的时间内完成试验，应将载荷放大，而放大后的疲劳载荷可能会导致非测试区域的损坏。这时就需要考虑对叶片进行特殊处理。有时也会因加固载荷作用剖面而对叶片进行特殊处理。对叶片进行的所有特殊处理都应具体说明。1)当6 个载荷分量按时间序硝给出时，其组合会自动完成。标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载图例：n，6，c 叶片微段方向矢量5F b 摆振方向剪力M a 摆振方向弯矩；F。叶片径向力；乱挥舞方向弯矩；1 扭转变形；M c 叶片扭矩；2 挥舞方向变形F-挥舞方向剪力；3 摆振方向变形图2 剖面(f l a t w i s e，e d g
33、 e w i s e)坐标系图例：z，y，：叶片微段方向矢量M。摆振方向弯矩；M，挥舞方向弯矩；t 叶片扭矩，F I 挥舞方向剪力；F，摆振方向剪力；F I 叶片径向力；l 挥舞方向变形；2 摆振方向变形。图3 风轮(订a p w i s e，l e a d _ J a g)坐标系(首选)G B T2 5 3 8 4 2 0 1 09G B T2 5 3 8 4 2 0106 8 叶根连接部位当需要对叶根部位进行试验时，应说明叶根部位的装配细节，包括螺栓规格及其拧紧步骤、夹紧长度和轮毂刚度等。6 9 机械装置当试验与机械装置相结合的结构区域时，应随叶片一起提供加载工装或夹具。应提供装配、定位和
34、配置机械装置或加载夹具所需的所有辅助数据。7 设计与试验载荷条件的差异7 1总则叶片设计载荷包括下列载荷分量：一一挥舞方向弯矩；摆振方向弯矩；一挥舞方向剪力；摆振方向剪力；叶片扭矩；叶片径向载荷。实验室的试验有其局限性，在试验中，无法同时对叶片施加所有载荷分量，也无法建立与设计条件相同的试验条件。另外，在疲劳试验中，为了使叶片在合理的试验周期内受到足够的疲劳损伤，应使试验载荷大于设计载荷来加速疲劳试验。在试验中还应考虑与理想加载的其他差异，如施加的集中载荷、增加的剪力载荷和扭转载荷等；另外，也无法对叶片的所有部分进行均等地试验。尽管加载被简化了，但至少应对所关心的区域进行试验。许多情况下，由于
35、试验条件与载荷或强度计算中假定的环境存在着差异(即实验室环境通常不同于设计和运行环境)，因此应对试验载荷进行修正。合适的修正系数关系到试验的判断和评估，选取方法详见第9 章和第1 0 章。下面将论述设计与试验载荷条件之间存在的具体差别。7 2 加载在试验过程中，加载通常是对叶片的某些剖面施加集中载荷(见1 2 3)。由于载荷集中，而且加载剖面有可能被加固，阻止了剖面的正常变形，从而导致叶片局部剖面应力的改变。因此，加载点应远离确定的测试区域(见6 6 和1 0 2)。7 3 弯矩和剪力在试验中，载荷通常施加在有限的几个剖面上，而理想的试验载荷是连续的。因此叶片上各剖面的弯矩(见图4)和剪力与其
36、在理想试验载荷作用下的分布是不同的。增加加载点的数量可以改善这种情况，但同时也增加了叶片上不能被准确试验的区域(见7 1 和1 0 2)。尽管如此，试验时叶片展向上的弯矩和剪力分布要尽可能接近设计载荷分布状态。一般情况下，应优先保证弯矩分布接近设计载荷分布状态。7 4 挥舞方向和摆振方向载荷的合成在静力和疲劳试验中，当施加挥舞方向和摆振方向的合成载荷时，其结果最具有代表性。只单独施加挥舞方向或摆振方向弯矩时，在叶片某些区域上产生的应力、应变及损伤累积可能比设计值小。特别是当应力、应变与载荷呈非线性关系且在评估试验载荷中又未考虑这一点时，其评估结果的准确性一般会比同时施加挥舞方向和摆振方向载荷时
37、的准确性小。】0标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载G B T2 5 3 8 4 2 01 0圄4 理想试验弯矩分布与实际试验加载时弯矩分布的差异7 5 径向载荷运行中风轮叶片上的径向载荷是由重力和离心力引起的。在不明显地改变叶片结构的情况下，一般无法对试验件叶片施加一个均匀分布的离心载荷。由轴向载荷引起的应力相对较小。径向载荷与弯矩的组合作用可能会很显著(例如：对于叶根固定装置)，这时可通过适当地调整弯矩分量来补偿。7 6 扭转载荷多数情况下，作用在叶片上的扭矩很小，可以忽略不计。当需要考虑扭转载荷时，则应施加这一载荷。试验加载装置通常都会产生附加的扭转载荷(见1
38、 2 7 3)，对这一影响应予以评估。7 7 机械装置位于叶尖部位的机械装置的动态环境相当复杂。在这些区域，轴向载荷起主导作用，而且不能忽视。在试验台上无法施加轴向载荷的情况下，对机械装置的结构连接部位进行的试验会不准确。因此，应建立能够施加轴向载荷的特殊试验装置。当然，对这种机械装置的结构连接部位进行的试验通常仅局限于设计载荷的最重要分量，以免造成更复杂的影响。7 8 环境条件试验过程中的环境和时间条件不同于设计情况，这些条件包括：湿度；温度影响；一一紫外线辐射；一老化(疲劳和时间的相互作用)；一一灰尘I盐分；化学污染。在评估中要通过使用同时适合设计和试验的强度与疲劳公式来考虑这些因素的影响
39、。但在试验中无法检验各种条件下的不同设计公式的有效性。】G B T2 5 3 8 4 2 0 1 07 9 载荷谱和加载顺序设计载荷通常是根据实际随机载荷中的一组载荷工况确定的，每种载荷工况对应不同的载荷循环。为了使试验切实可行，要将设计载荷进一步简化为试验载荷。试验载荷可以是限制振幅变化的变幅载荷，也可以是恒幅载荷，而且试验载荷的循环次数也远小于设计载荷的循环次数。由于载荷循环次数的减少以及其他影响，试验载荷的幅值和平均值要高于设计载荷，因此，试验载荷谱与设计载荷有很大的差别。如果不考虑这些差别，试验载荷与设计载荷的作用强度是同等的，最终结论将取决于疲劳公式的精确性(见9 3 2 和附录B)
40、。另外，试验载荷与设计载荷相应的循环次数的施加顺序也不相同。载荷循环次数的施加顺序影响通常在疲劳公式中不予考虑，这是因为其影响程度总是不能充分确定，即使能确定，考虑起来也相当复杂。8 试验载荷8 1总则应详细说明设计载荷或设计强度以确定试验载荷。试验载荷可以是载荷基的也可以是强度基的。载荷基试验可使用完全设计载荷包络或选定的载荷工况。载荷包络试验通常作为认证程序的一部分，其目的是为了证明叶片能承受预定的载荷而不失效。载荷包络试验应包含对试验载荷的试验前评估，详见第1 0 章。选定载荷试验以某些选择的载荷分布为基础，强度基试验以计算所得的叶片强度数据为基础。在这两种试验类型中，通常由设计者或制造
41、者给叶片加载至其破坏以确定其实际承载能力(详见参考文献 2 2)。8 2 载荷基试验8 2 1 设计载荷包络试验8 2 1 1 总则这项试验用以证明试验叶片在某一置信度下能够满足其运行或极限载荷条件的结构设计要求，主要目的是为了证明叶片能够承受给定的载荷而不发生破坏，所以不要求将叶片试验到破坏状态。不同的载荷条件，载荷方向也不相同，因此，用单次试验不可能代表对试验件叶片进行所有的载荷工况和作用位置的试验。试验载荷的基础是根据G B1 8 4 5 1 1 或其等效标准确定的叶片完全设计载荷包络，这类试验是设计验证的逻辑最小值。为了确定恰当的试验载荷，需要使用第9 章中的系数来修正载荷。对这些系数
42、在载荷包络试验中的评估应在试验之前完成。见第l o 章。8 2 1 2 静力试验在静力试验中，考虑到所制造叶片的总体差异以及试验室和设计环境条件的差异，叶片应按作用强度最大的设计载荷情况进行加载。由于不希望在设计载荷包络试验过程中损坏叶片，因此，可以用几次连续的试验来充分验证试验叶片。例如，如果需要用不同方向或载荷分布来代表不同的极端载荷情况时，则可以依次对每一种情况分别进行试验；这种情况下，可以改变加载装置的位置和载荷大小，以保证叶片的所有相关区域都能被测试。8 2 1 3 疲劳试验在确定的临界区域上，试验载荷应能够产生与设计载荷等效的疲劳损伤。为使疲劳试验切实可行，在试验中通常选择适当的疲
43、劳试验载荷以缩短试验时间。为了试验环绕整个叶片剖面的区域，可以使用挥舞方向和摆振方向载荷的各种组合。确定最终试验载荷的详细方法和载荷系数详见第9 章和第1 0 章。2)方括号中的数据为参考文献。标准分享网 w w w.b z f x w.c o m 免费下载G B T2 5 3 8 4 2 0 1 0由于不希望在设计载荷包络试验过程中损坏叶片，因此，在完成疲劳试验之后，可进行非破坏性的静力载荷验证试验或加载至失效的残余强度试验。这是设计载荷包络试验的优势之一。8 2 2 选定载荷试验叶片试验载荷可以根据选定的单个设计载荷情况获得。一般采用规则化分布的设计载荷把叶片试验到静力或疲劳破坏，这会得到
44、在这些载荷作用下叶片最薄弱位置的作用载荷与失效强度之间的安全裕度。在不能准确知道叶片的强度分布或在试验前不进行全面的试验载荷评估时，可以使用这种方法。在进行这种试验之前，可进行不产生破坏的其他试验。例如，在载荷包络试验后确定剩余强度或在极限载荷试验后确定疲劳强度。连续或分级增加试验载荷可保证叶片适时发生破坏。通过试验后评估可确定叶片是否满足各种使用标准与相对于这些标准的安全系数。当完成设计载荷评估后，就会发现施加的试验载荷与载荷评估中要求的试验载荷并不是在叶片的所有加载位置上都成比例的，如果失效时的最终安全裕度很小，试验结果就没有说服力。另外，由于叶片会在试验过程中破坏，因此这种方法只允许试验
45、一种载荷情况。如果试验的主要目的是为了证明叶片满足其设计要求，则应首先考虑载荷包络试验的方法。8 3 强度基试验8 3 1 总则强度基试验直接验证叶片强度，并用来改进设计计算评估及设计结果。这种方法可以确定叶片大区域内的最低强度位置(相对于预期强度)。在叶片选定区域，选用的载荷应与其强度成比例。强度分布测试区域的大小最终取决于强度分布的特性和试验设备的局限性。根据需要，在叶片大部分区域具备了相对于其预期强度的期望条件后，可施加到静力破坏或人们关注的疲劳载荷水平。如果要求的试验载荷类型不同于叶片设计所依据的载荷类型，例如，要对按疲劳运行载荷设计的叶片进行极限载荷试验(或者相反的情况)，此时强度基
46、试验非常有用。这种情况下，叶片强度分布与不决定其设计的设计载荷工况有很大的差异。强度基试验的另一个目的是评定叶片中存在的大宗材料强度与已进行材料强度试验的小样件之间的强度减缩(即样本与母体之问的关系)。既然样件和成品叶片可在相似的受控实验室下进行试验，就可以获得一个受外部影响最小的评估；如果使用分配梁或其他多点加载方式，则可以通过选择载荷作用点使载荷曲线的形状与强度曲线的形状很好的吻合。如果使用单点加载，则选择合适的加载位置使所考虑区域内产生的载荷一预期强度比最大。应检查选定的测试区域以外区域的强度，以降低由于非测试区域的破坏而损坏试验样件的风险。如果有可能发生不期望的破坏模式，则应调整其载荷
47、分布。相反，如果在同一试验中的多个区域内施加测试破坏强度的载荷，就可以确定强度最小的区域。强度基试验加载必然会在叶片展向产生较长的、应力值高且相对恒定的区域，因此，应变测量值在大范围内可能显示为几乎恒定的值。如果载荷施加于叶片结构不连续的地方，如内部层板中断的地方，则可监测到叶片内的最大应变；在性能更均匀的地方，可以确定其典型的体积应变；在每种情况中，均可利用这种在大范围内产生相对恒定应变的性能来帮助研究叶片的重要特性。8 3 2 静力试验对强度基静力试验来说，应给出叶片抵抗选定方向作用载荷的展向强度分布。应保证加载方法不会导致局部失稳或产生不期望的附加剪力。如果试验目的是检验屈曲稳定性，采用
48、方向适当的强度基加载就会形成大范围的高应力区域，并达到叶片稳定性极限的最大概率。8 3 3 疲劳试验对疲劳试验来说，强度分布曲线应以作为展向位置函数的叶片计算疲劳性能为基础。结构中的层板中断、改变材料成分及其他结构细节对静力试验的影响可以忽略，但其对结构的疲劳影响应在试验中证明；这些细节会有不同的疲劳特性，因此，具有循环等级修正系数的单一强度曲线并不适合所有可能的试验。3G B T2 5 3 8 4 2 0 1 0如果不同材料类型或有不同疲劳响应的结构特性成为限制因素，则载荷方向的变化可改变失效模式及强度曲线。应注意保证强度曲线符合所进行试验项目的条件和定位。8 4 静力试验载荷谱8 4 1
49、载荷组台如果用叶片挥舞方向和摆振方向的载荷分量的组合来进行试验，则一个方向的最大载荷应与另一个方向的适当载荷(不一定是最大值)进行组合。在载荷包络试验中，每个方向上的最大载荷应与其他方向适当载荷进行组合，然后依次施加。应该注意的是，当某一合成载荷(数值不一定是最大的)正好施加在某一特殊方向上时，叶片最容易达到某种失效模式而损坏。在每一载荷组合作用下，叶片应在规定的载荷作用时间内承受住其最大载荷(见8 4 2)。8 4 2 静力试验周期由于多数普通叶片材料的强度会随载荷作用时间的延长而减小，因此，试验载荷的持续时间应至少与设计载荷最大值的时间一样长。如果设计载荷资料为叶片的最大载荷提供了一个明确
50、的持续时间，试验载荷和持续时间均应直接以此为依据。如果与设计载荷时问曲线相匹配的恒载持续时间难以确定，则建议其最小值为1 0s。不推荐使用比设计载荷持续时间更小的值，因为这需要引入和使用强度缩减系数，这会给试验结果的分析带来不良的不确定度。8 5 疲劳试验载荷谱8 5 1 试验周期的缩短为使试验切实可行，应该缩短试验时间。可按以下方法对设计载荷进行修正：增大试验频率；一略去无损载荷循环次数；增大试验载荷。实际试验频率(范围从o 5H z 到5H z)通常不会比设计载荷的实际频率高出多少。假设2 0m 长的叶片设计载荷循环次数约为5 亿次，以1H z 的频率进行试验大约要1 5 年，这显然是不现