CN104101500A - 一种监测风电机组疲劳状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的监测风电机组疲劳状态的方法，主要利用在机组关键部件增加应变片的方式建立信息采集系统并建立疲劳计算系统来计算机组当前疲劳状态，信息传递网络借用风场现有SCADA网络。本发明的有益效果是：将现代测量技术和疲劳理论结合，通过对风电机组部件增加应变片的方式建立信息采集系统和疲劳计算系统，通过分析可重出当前机组的疲劳状态。可较为直观地了解当前风场内所有机组的疲劳状态，从而进行更为有效和合理地对机组进行出力分配和维护，使风场获得更好的收益。

Description

一种监测风电机组疲劳状态的方法

技术领域

本发明涉及一种监测风电机组疲劳状态的方法。

背景技术

我国的疲劳研究工作起步比较晚，但近30年来发展较快。航空部门已经将疲劳设计作为飞机零部件设计的一个主要内容。而在一般的机械设计部门，很少考虑疲劳设计。主要原因有两方面：一方面是国内机械设计人员对疲劳问题的重要性认识不足，另一方面是国内缺乏详细全面的国产机械材料疲劳性能数据和疲劳设计数据。国内的疲劳分析工作基本都是借助国外的一些疲劳分析软件，例如MSC.Fatigue、ANSYS、FE.SAFE等。这在一定程度上限制了工程技术人员对于疲劳分析的应用。

风电机组主轴及螺栓的疲劳问题关系到整个风电机组性能的好坏，然而，国内针对这个问题还很少有人去研究。国内风电企业对于兆瓦级风电机组中涉及到的主轴、高强度螺栓等的设计校核还处于引进吸收阶段，还不能自主研发。这在一定程度上制约了中国的风电企业进军海外市场。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种监测风电机组疲劳状态的方法，能够了解机组的疲劳状态，从而进行更为有效和合理的机组出力分配和维护。

本发明是通过以下措施实现的：

本发明的一种监测风电机组疲劳状态的方法，包括以下步骤：

步骤1，在风电机组的关键部件贴上应变片，部件的形变使应变片产生相应大小的电阻变化量；以应变片作为采集终端，以风场的SCADA网络作为信息传递网络，建立信息采集系统；

步骤2，建立疲劳计算系统，将信息采集系统采集到的所有应变片反馈的电阻变化量进行处理，并分解为对应各个部件的载荷n，然后将各个部件的载荷n结合该部件材料的S-N曲线通过雨流计数法进行分析，得出该部件当前所受到的疲劳损伤值N；

步骤3，在疲劳计算系统中定义一个疲劳指数的数学指标，然后通过疲劳计算系统将机组各部件的疲劳指数进行综合计算得出该机组的疲劳指数，机组疲劳指数计算如下：

F_i＝Σ(f₁c₁+f₂c₂+…f_ic_i)   [1]

式[1]中F_i为机组疲劳指数；f₁为部件1的疲劳指数，对应各部件共i个；c₁为部件1在机组整个疲劳指数所占权重，对应各部件共i个；

以S-N曲线的计算公式为依据，得到部件疲劳指数计算的经验公式，如下：

f＝ψ(n，S，L)     [2]

式[2]中n代表部件载荷；S为部件形状因子；L为部件材料因子。

本发明的有益效果是：将现代测量技术和疲劳理论结合，通过对风电机组部件增加应变片的方式建立信息采集系统和疲劳计算系统，通过分析可重出当前机组的疲劳状态。可较为直观地了解当前风场内所有机组的疲劳状态，从而进行更为有效和合理地对机组进行出力分配和维护，使风场获得更好的收益。

附图说明

图1为本发明的工作流程框图。

具体实施方式

本发明的监测风电机组疲劳状态的方法，主要利用在机组关键部件增加应变片的方式建立信息采集系统并建立疲劳计算系统来计算机组当前疲劳状态，信息传递网络可借用风场现有SCADA网络。

电阻应变计主要是通过电阻应变计简称应变片将塔基材料的变形量转变为电信号，输入相关的仪器进行分析，再通过风电机组的受力分析得出当前机组的疲劳状况。应变片目前主要用金属制成，其工作原理是电阻应变效应，在金属受到应力作用时，其电阻值随着其发生的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。应变片在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起应变片电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知应变片的应变情况。

在风电机组的关键部件贴上应变片，部件的形变使应变片产生相应大小的电阻变化量；以应变片作为采集终端，以风场的SCADA网络作为信息传递网络，从而建立信息采集系统。

建立疲劳计算系统，将信息采集系统采集到的所有应变片反馈的电阻变化量进行处理，并分解为对应各个部件的载荷n，然后将各个部件的载荷n结合该部件材料的S-N曲线通过雨流计数法进行分析，得出该部件当前所受到的疲劳损伤值N；

在疲劳计算系统中定义一个疲劳指数的数学指标，然后通过疲劳计算系统将机组各部件的疲劳指数进行综合计算得出该机组的疲劳指数，机组疲劳指数计算如下：

F_i＝Σ(f₁c₁+f₂c₂+…f_ic_i)   [1]

式[1]中F_i为机组疲劳指数；f₁为部件1的疲劳指数，对应各部件共i个；c₁为部件1在机组整个疲劳指数所占权重，对应各部件共i个；

以S-N曲线的计算公式为依据，得到部件疲劳指数计算的经验公式，如下：

f＝ψ(n，S，L)      [2]

式[2]中n代表部件载荷；S为部件形状因子；L为部件材料因子。

机组疲劳判定时主要采取雨流计数法，是指在机组工作状态下，塔基会发生一定程度的形变，贴于塔基上的应变片随之产生相同的机械变形并引起应变片电阻的变化，通过检测应变片电阻值的变化即可推算出塔基的受力，结合机组的载荷分析及疲劳判定即可得出机组当前的疲劳指数。利用获取的应力结果，对风力发电机组进行疲劳寿命和损伤度计算。疲劳寿命采用S-N曲线进行计算，S为应力幅大小，N为对应的疲劳寿命，N代表材料所能承受该幅值载荷的次数。S-N曲线由统计分析得出，可信度因子选为2，对应97.7％的可信度。

S-N曲线的计算公式如下：

log N＝log C₀-d/σ-m log S_r         [式3]

其中：S_r——应幅变，

C₀——常量与材料及连接形式有关，

σ——log N的标准差，

d——可信度因子，

M——log S_r对log N的反斜率。

结合各应力幅的大小和出现频率，可以计算出对应的损伤度，采用线性累加方法，求其总和便可得到结构的总损伤度，以估计出其寿命。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种监测风电机组疲劳状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在风电机组的关键部件贴上应变片，部件的形变使应变片产生相应大小的电阻变化量；以应变片作为采集终端，以风场的SCADA网络作为信息传递网络，建立信息采集系统；

步骤2，建立疲劳计算系统，将信息采集系统采集到的所有应变片反馈的电阻变化量进行处理，并分解为对应各个部件的载荷n，然后将各个部件的载荷n结合该部件材料的S-N曲线通过雨流计数法进行分析，得出该部件当前所受到的疲劳损伤值N；

步骤3，在疲劳计算系统中定义一个疲劳指数的数学指标，然后通过疲劳计算系统将机组各部件的疲劳指数进行综合计算得出该机组的疲劳指数，机组疲劳指数计算如下：

F_i＝Σ(f₁c₁+f₂c₂+…f_ic_i)   [1]

式[1]中F_i为机组疲劳指数；f₁为部件1的疲劳指数，对应各部件共i个；c₁为部件1在机组整个疲劳指数所占权重，对应各部件共i个；

以S-N曲线的计算公式为依据，得到部件疲劳指数计算的经验公式，如下：

f＝ψ(n，S，L)     [2]

式[2]中n代表部件载荷；S为部件形状因子；L为部件材料因子。