CN109236561B - 低风速风电机组螺栓智能布局设计方法、装置及风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低风速风电机组螺栓智能布局设计方法、装置及风电机组，螺栓为用于连接变桨轴承与叶片根部的叶片连接螺栓，方法包括：获取输入的叶片根部参数，确定多个螺栓在叶片根部圆周上的位置分布；获取各螺栓承受的极限和疲劳载荷；根据安全裕度确定不同的位置的螺栓，完成叶片根部所有螺栓的布局，其中所有螺栓的极限载荷安全裕度设置相同、疲劳载荷安全裕度相同。本发明在叶片根部圆周上采用等安全裕度的螺栓设计，有效规避了强度风险，降低了螺栓成本，提高了机组的竞争力；另外，叶片根部的螺栓设计可推广到与变桨轴承连接的轮毂连接螺栓设计，与偏航轴承连接的塔筒顶端连接螺栓设计，与地基连接的塔筒底端连接螺栓设计，通用性好。

Description

低风速风电机组螺栓智能布局设计方法、装置及风电机组

技术领域

本发明涉及风电机组设计领域，特别是涉及一种低风速风电机组螺栓智能布局设计方法、装置及风电机组。

背景技术

随着能源消耗日益增长和环境保护的需求增加，可再生新能源开发越来越受重视，其中风力发电是发展最快的新能源之一，风电机组设计则成为风能行业至关重要的技术。

风电机组在整体结构上包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒等，其中，变桨轴承与叶片和轮毂均通过螺栓连接，偏航轴承与塔筒通过螺栓连接，塔筒和地基通过螺栓连接。风电机组各部件间的连接靠螺栓传递载荷，因此螺栓的设计也尤为重要。

目前风电机组的螺栓设计，一般是以最大的载荷设计计算所有的螺栓，使所有的螺栓设计均相同，增加了整机成本。

而目前风电机组，尤其是我国近几年重点发展的低风速发电机组，其与常规机型不同，低风速风电机组开发一般具备大风轮、高塔筒等特点，这必然导致风电成本的提高，再加上风电行业竞争日益激烈，低风速风电机组降成本将成为至关重要的改进目标。

由此可见，上述现有的风电机组螺栓布局在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可降低生产成本、提高竞争力且通用性强的风电机组螺栓智能布局设计方法及风电机组，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可降低生产成本、提高竞争力且通用性强的风电机组螺栓智能布局设计方法、装置及风电机组。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，所述螺栓为用于连接变桨轴承与叶片根部的叶片连接螺栓，所述螺栓智能布局包括：

S1获取输入的叶片根部参数，确定多个所述螺栓在叶片根部圆周上的位置分布；

S2获取所述叶片根部圆周上各螺栓承受的极限载荷和疲劳载荷；

S3根据安全裕度确定不同的位置的螺栓，完成叶片根部所有螺栓的布局，其中所有螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所述所有螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

作为本发明进一步地改进，所述叶片根部参数包括叶片根部节圆直径、叶片根部连接的螺栓个数，所有螺栓均匀分布在叶片根部圆周上。

进一步地，所述螺栓承受的极限载荷和疲劳载荷是根据有限元分析方法获得的。

作为本发明的一种优选替换方案，所述螺栓为用于连接变桨轴承与轮毂的轮毂连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与变桨轴承连接的轮毂连接端。

作为本发明的另一种优选替换方案，所述螺栓为用于连接偏航轴承与塔筒顶端的塔筒顶端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与偏航轴承连接的塔筒顶端。

作为本发明的再一种优选替换方案，所述螺栓为用于连接塔筒底端与地基的塔筒底端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与地基连接的塔筒底端。

另一方面，本发明还提供了一种风电机组螺栓智能布局设计装置，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的风电机组螺栓智能布局设计方法。

进一步地，所述风电机组为低风速风电机组。

再一方面，本发明还提供了一种风电机组，包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述叶片根部通过多个叶片连接螺栓与变桨轴承内圈连接；所述变桨轴承外圈通过多个轮毂连接螺栓与轮毂连接，所述偏航轴承通过多个塔筒顶端连接螺栓与塔筒连接，所述塔筒底端通过多个塔筒底端连接螺栓与地基连接，在叶片根部圆周上，所有叶片连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有叶片连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；和/或在轮毂的连接端圆周上，所有轮毂连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有轮毂连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；和/或在塔筒顶端圆周上，所有塔筒顶端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒顶端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；和/或在塔筒底端圆周上，所有塔筒底端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒底端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

进一步地，所述风电机组为低风速风电机组。

通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)叶片根部圆周上采用等安全裕度的螺栓设计，有效规避强度风险；

(2)有效降低螺栓成本，对于安全裕度较大的适当降低，提高了低风速风电机组的竞争力；

(3)通用性好及可移植性好：叶片根部的螺栓设计可推广到与变桨轴承连接的轮毂连接端的螺栓设计，与偏航轴承连接的塔筒顶端的螺栓设计，与地基连接的塔筒底端的螺栓设计，通用性及可移植性好。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有风电机组的叶片根部螺栓分布示意图；

图2是本发明实施例1中的叶片载荷与方位角坐标系示意图；

图3是本发明实施例1中的叶片根部圆周上螺栓疲劳损伤分布示意图；

图4是本发明实施例1中的叶片根部圆周上的螺栓极限载荷分布示意图；

图5是本发明实施例1中的叶片连接螺栓智能布局设计方法流程图；

图6是本发明实施例2中的轮毂连接螺栓智能布局设计方法流程图；

图7是本发明实施例3中的塔筒顶端连接螺栓智能布局设计方法流程图；

图8是本发明实施例4中的塔筒底端连接螺栓智能布局设计方法流程图。

具体实施方式

目前的螺栓统一设计几乎已经成为行业的通用标准，统一设计方案是以最大的载荷设计计算所有的螺栓，使所有的螺栓设计均相同。而关于螺栓成本问题，不管是从何种角度考虑，一般均是以多个螺栓(如多个叶片连接螺栓或多个轮毂连接螺栓)作为一个整体统一考虑，如统一改变材料等等。而针对目前风电机组设计成本高的问题，本发明另辟蹊径从螺栓的多个个体的布局入手进行研究。

实施例1

本实施例以用于连接变桨轴承内圈与叶片根部的叶片连接螺栓为例进行说明。

如图1所示，为现有风电机组的叶片根部螺栓分布示意图，其中叶片根部螺栓是均匀分布在叶片根部圆周上的。

叶片以及叶片根部载荷坐标系根据GL2012规范制定，如图2所示。图2所示为叶片载荷与方位角坐标系示意图；其中：

ZB——沿叶片轴线方向。

XB——垂直于ZB，对于上风向风力机指向塔架，否则方向背离塔架(图中是上风向情况)。

YB——垂直于叶片轴线和主轴轴线，符合右手定则。与旋转方向及风轮上风向或下风向无关。

原点——位于叶片的每个截面。

通常依据风电机组专用仿真软件可以计算出叶片以及叶片根部的极限载荷和疲劳载荷情况，六个载荷分量，采用有限元分析方法分析叶片根部受力情况，可以得出如图3、图4所示的结论，其中，叶片根部圆周上的叶片连接螺栓受载程度不同，传统的叶片根部的叶片连接螺栓布置在整个圆周上所有的螺栓都相同，由于极限载荷和疲劳载荷受力不同，而且由图3、图4所示，其分布具有明显的区域规律性，各螺栓安全裕度参差不齐，其中大部分螺栓的安全裕度明显超过实际需求。为了降低成本，可采用合适安全裕度的螺栓，避免传统的螺栓安全裕度参差不齐的现象。

本实施例在上述基础上，提供了一种风电机组叶片连接螺栓智能布局设计方法，配合图5所示，包括：

S1获取输入的叶片根部参数；

其中叶片根部参数，主要用于确定多个所述螺栓在叶片根部圆周上的位置分布，叶片根部参数可以选择叶片根部节圆的直径D，以及螺栓的个数，根据叶片根部节圆的直径D及螺栓的个数，在螺栓沿圆周均匀分布的情况下，即可计算出多个螺栓在叶片根部圆周上的位置分布。

S2获取所述叶片根部圆周上各螺栓承受的极限载荷和疲劳载荷；

根据整体的传力情况为由叶片传至叶片根部，由叶片根部传至叶片连接螺栓的传力原理，依据风电机组专用仿真软件可以计算出叶片以及叶片根部的极限载荷和疲劳载荷情况，六个载荷分量，采用有限元分析方法分析叶片根部受力情况。

S3根据安全裕度确定不同的位置的螺栓，依次完成叶片根部所有螺栓(i＝1-N)的布局，其中所有螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所述所有螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

根据上述方法确定的叶片连接螺栓的布局，关注到了叶片连接螺栓的个体差异性，降低了风电机组的设计成本，不但适用于低风速风电机组，还适用于中、高风速风电机组，尤其是适用于低风速风电机组。

与上述方法对应地，本实施例还提供了一种风电机组螺栓智能布局设计装置，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述风电机组的叶片连接螺栓的智能布局设计方法。

基于上述智能设计方法，本发明可设计出一种低成本的风电机组，其包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述叶片根部通过多个叶片连接螺栓与变桨轴承内圈连接，在叶片根部圆周上，所有叶片连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有叶片连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

实施例2

上述实施例1中涉及到的叶片连接螺栓的智能布局设计方法具有很好的通用性。可推广至用于连接变桨轴承与轮毂的轮毂连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与变桨轴承连接的轮毂连接端。

上述轮毂连接螺栓的智能布局设计方法如图6所示，整体设计思路同叶片连接螺栓，在此不在赘述。

基于上述智能设计方法，本发明可设计出一种低成本的风电机组，其包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述变桨轴承外圈通过多个轮毂连接螺栓与轮毂连接；在轮毂的连接端圆周上，所有轮毂连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有轮毂连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

实施例3

上述实施例1中涉及到的叶片连接螺栓的智能布局设计方法的通用性还体现在：可推广至用于连接偏航轴承与塔筒顶端的塔筒顶端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与偏航轴承连接的塔筒顶端。

上述塔筒顶端连接螺栓的智能布局设计方法如图7所示，整体设计思路同叶片连接螺栓，在此不在赘述。

基于上述智能设计方法，本发明可设计出一种低成本的风电机组，其包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述偏航轴承通过多个塔筒顶端连接螺栓与塔筒连接，在塔筒顶端圆周上，所有塔筒顶端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒顶端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

实施例4

上述实施例1中涉及到的叶片连接螺栓的智能布局设计方法的通用性还体现在：可推广至用于连接塔筒底端与地基的塔筒底端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与地基连接的塔筒底端。

上述塔筒底端连接螺栓的智能布局设计方法如图8所示，整体设计思路同叶片连接螺栓，在此不在赘述。

基于上述智能设计方法，本发明可设计出一种低成本的风电机组，其包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述塔筒底端通过多个塔筒底端连接螺栓与地基连接。在塔筒底端圆周上，所有塔筒底端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒底端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

综上所述，本发明的风电机组，其叶片根部圆周上、轮毂连接端圆周上、塔筒顶端圆周上，塔筒底端圆周上分别采用等安全裕度的螺栓设计，有效规避了强度风险；由于对安全裕度较大的适当降低，提高了低风速风电机组的竞争力，有效降低了螺栓成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，所述螺栓为用于连接变桨轴承与叶片根部的叶片连接螺栓，所述螺栓智能布局包括：

S1获取输入的叶片根部参数，确定多个所述螺栓在叶片根部圆周上的位置分布；

S2获取所述叶片根部圆周上各螺栓承受的极限载荷和疲劳载荷；

S3根据安全裕度确定不同的位置的螺栓，完成叶片根部所有螺栓的布局，其中所有螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所述所有螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。

2.根据权利要求1所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，所述叶片根部参数包括叶片根部节圆直径、叶片根部连接的螺栓个数，所有螺栓均匀分布在叶片根部圆周上。

3.根据权利要求1所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，所述螺栓承受的极限载荷和疲劳载荷是根据有限元分析方法获得的。

4.根据要求1-3任一项所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，作为替换地，所述螺栓为用于连接变桨轴承与轮毂的轮毂连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与变桨轴承连接的轮毂连接端。

5.根据权利要求1-3任一项所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，作为替换地，所述螺栓为用于连接偏航轴承与塔筒顶端的塔筒顶端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与偏航轴承连接的塔筒顶端。

6.根据权利要求1-3任一项所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法，其特征在于，作为替换地，所述螺栓为用于连接塔筒底端与地基的塔筒底端连接螺栓，对应地，所述叶片根部替换为：与地基连接的塔筒底端。

7.一种风电机组螺栓智能布局设计装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1至6任意一项所述的风电机组螺栓智能布局设计方法。

8.根据权利要求7所述的风电机组螺栓智能布局设计装置，其特征在于，所述风电机组为低风速风电机组。

9.一种基于权利要求1-6任一项所述的低风速风电机组螺栓智能布局设计方法的风电机组，包括叶片、变桨轴承、轮毂、机舱、偏航轴承、塔筒，所述叶片根部通过多个叶片连接螺栓与变桨轴承内圈连接；所述变桨轴承外圈通过多个轮毂连接螺栓与轮毂连接，所述偏航轴承通过多个塔筒顶端连接螺栓与塔筒连接，所述塔筒底端通过多个塔筒底端连接螺栓与地基连接，其特征在于：

在叶片根部圆周上，所有叶片连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有叶片连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；

和/或在轮毂的连接端圆周上，所有轮毂连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有轮毂连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；

和/或在塔筒顶端圆周上，所有塔筒顶端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒顶端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同；

和/或在塔筒底端圆周上，所有塔筒底端连接螺栓的极限载荷安全裕度设置相同，所有塔筒底端连接螺栓的疲劳载荷安全裕度相同。