CN110390146A - 基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品 - Google Patents

基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品，根据风场内各机位风速扇区分布情况，划分多个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和风资源关键参数；获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱；在每个扇区载荷作用下，计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力；结合钢制塔筒焊缝应力‑疲劳寿命曲线，利用雨流计数法计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，计算得到塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。本公开能够提高风电机组运行的可靠性。

Description

基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品
技术领域
本公开属于风电机组疲劳损伤计算领域，具体涉及一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
塔架作为风电机组的支撑结构，具有生产周期短、可根据风场载荷定制化设计的特点，一直以来都是风电行业进行降本研究的重点。风电机组塔架结构型式主要有圆筒式、桁架式等，按照材料类型又可划分为纯钢式、混凝土式等，其中，钢制圆筒式塔架作为主流技术被国内外风电企业大量采用。根据发明人了解，当前针对风电机组钢制塔筒的设计方法主要依据GL2010、GB50017、Eurocode3、DIN、VDI2230等标准和规范，采用工程算法和有限元方法相结合的方式对塔筒焊缝、屈曲稳定性、连接法兰和螺栓、以及塔筒门段的极限和疲劳强度进行分析。其中，钢制塔筒焊缝的厚度是直接影响塔筒重量的关键设计因素之一，塔筒焊缝强度受风电机组疲劳载荷影响较大，因此，如何准确评估钢制塔筒焊缝疲劳强度是当前风电行业研究热点之一。
风场风资源分布具有在时间和空间上变化的特点，当风电机组在风场中运行时，一般采用主动偏航对风控制的方式以达到捕捉更多风能的目的。由于来流风方向的变化，导致机组绕塔筒中心线偏航角度不同。根据材料力学弯曲应力计算公式推导，由于距离中性轴的距离不同，风轮受载后传递到塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的载荷不同，钢制塔筒横截面受力如图1所示。如果采用相同的载荷对塔筒相同高度横截面上不同焊缝点进行疲劳强度分析，则会导致焊缝冗余设计，进而导致塔筒保守设计，塔筒重量增加。根据发明人的了解，目前尚没有考虑由于风电机组偏航对风导致的不同扇区载荷对塔筒焊缝疲劳损伤计算的影响。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品，本公开在风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算时考虑不同扇区载荷导致的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点受载不同的特点，一方面能够避免采用常规计算方法的保守设计导致的塔筒重量增加问题；另一方面可以寻找出钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，从而提高风电机组运行的可靠性。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：
根据风场内各机位风速扇区分布情况，划分多个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和风资源关键参数；
获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱；
在每个扇区载荷作用下，计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力；
结合钢制塔筒焊缝应力-疲劳寿命曲线，利用雨流计数法计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，计算得到塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。
作为具体的应用之一，根据计算出的塔筒各个焊缝点总的疲劳损伤值，确定钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，对此区域进行加强或者修护，以保证风电机组运行的可靠性。
作为可能的实施方案，风速扇区划分方式为，处于风场内某一机位的风电机组轮毂中心高度处沿偏航运行方向进行划分，根据划分的总数量，均分每个扇区角度范围。
作为进一步的限定，所述扇区数量根据钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算精度灵活进行调整，要求的计算精度越高，扇区数量越大。
作为可能的实施方案，所述扇区风速威布尔分布特征包括但不限于轮毂高度处的年均风速Vave、威布尔函数的尺度参数C、威布尔函数的形状参数k，以及机组在该扇区运行时累积的时间占全年的概率。
作为可能的实施方案，所述风资源关键参数包括但不限于湍流强度、入流角、风切变和空气密度。
作为可能的实施方案，采用载荷仿真或载荷测试设备获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱。
作为可能的实施方案，塔筒相同高度横截面上不同焊缝点根据划分的扇区数量确定，位于该扇区范围的中心处，当机组偏航对风运行至第i个扇区时，不同焊缝点弯曲正应力计算方法为对应扇区内塔筒焊缝所承受的疲劳载荷与所求焊缝应力点至中性轴z的距离的乘积，和抗弯截面系数的比值。
作为可能的实施方案，基于扇区载荷的疲劳损伤计算过程包括：
当机组偏航对风运行至第一扇区时，采用雨流计数法结合一定寿命期内不同平均风速发生的小时数，计算出的不同平均风速发生的小时数，对该扇区的疲劳载荷谱进行统计，获得对应焊缝点的所承受的载荷范围Fi和该载荷范围下的雨流数目，计算焊缝点的应力范围和该应力范围下的雨流数目；
根据钢制塔筒焊缝应力-疲劳寿命曲线计算各应力范围下对应的许用循环次数；
采用Miner理论对焊缝点在所属扇区疲劳载荷作用下的疲劳损伤进行累积计算；
当机组偏航对风分别运行至其他扇区时，重复上述步骤，获得对应焊缝点分别在其他扇区的疲劳载荷作用下的疲劳损伤，将所有扇区的疲劳损伤进行叠加，获得该焊缝点在所有扇区载荷作用下的总的疲劳损伤；
重复上述步骤，获得其他焊缝点在所有扇区载荷下的总的疲劳损伤。
作为进一步的限定，每个焊缝点的距离中性轴的距离会随着扇区的变化而变化。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开可以适用于目前主流型风电机组，包括不同功率等级、不同风轮直径和不同塔筒高度的三叶片、上风向、水平轴风电机组，适用面较广；
2、本公开针对风场机位扇区载荷不同的特点，通过推导塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力，获得受扇区载荷影响后的塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，获得了更符合实际、更精确的塔筒焊缝疲劳损伤计算结果；
3、本公开避免了采用常规计算方法保守设计导致的塔筒重量增加问题，并寻找出钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，从而采取相应措施提高风电机组运行的可靠性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是钢制塔筒横截面受力示意图；
图2是风电机组钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算流程图；
图3是塔筒某高度处单个扇区方向上的疲劳时序载荷谱示意图；
图4是机组运行至扇区1时塔筒横截面上的不同焊缝点距离中性轴的距离示意图；
图5是钢制塔筒焊缝S-N曲线示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于扇区载荷的风电机组钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，所述实施例为我公司某2.5MW风电机组87.5m钢制塔筒。如图2所示，其步骤包括：
(a)根据风场内某一机位风速扇区分布不同的特点，事先划分n个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和其他风资源关键参数等。所述风速扇区划分方式为，处于风场内某一机位的风电机组轮毂中心高度处沿偏航运行方向进行划分，例如可划分为12个扇区，则每个扇区角度范围为360°/12＝30°，同时，根据钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算精度可对扇区数量进行调整，例如，增加扇区数量可提高计算精度，但同时会增加计算时间。
所述扇区风速威布尔分布特征包括：轮毂高度处的年均风速Vave、威布尔函数的尺度参数C、威布尔函数的形状参数k，以及机组在该扇区运行时累积的时间占全年的概率fi。所述其他风资源关键参数包括湍流强度、入流角、风切变、空气密度等。上述参数可以使用测风塔或激光雷达等测风设备在风场中实际测量，也可采用Windsim、WT等风资源仿真分析软件模拟获得。获得的12个扇区风速威布尔分布特征和其他风资源关键参数如表1所示。
表1扇区风速威布尔分布特征和其他风资源关键参数示例
根据风速威布尔分布公式，可以计算每个扇区i内每个平均风速Vave发生的概率：
其中，Vi，Ci，ki分别代表每个扇区内的年平均风速、尺度参数和形状参数。
获得每个扇区风速威布尔分布特征后，利用以下公式对每个扇区i在机组20年寿命期内不同平均风速发生的小时数Ti(Vave)进行计算：
Ti(Vave)＝20*8760*fi*(P{Vave+1}-P{Vave-1} (2)
其中，fi代表每个扇区内的概率。
(b)采用载荷仿真或载荷测试手段获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱。所述载荷仿真手段为采用国际通用风电机组仿真软件GHBladed，需按照相关标准或规范要求，获得风电机组从切入风速到切出风速范围内每个平均风速所对应的塔筒疲劳载荷时间序列，同时，为了保证在采用载荷仿真手段时获取每个扇区方向上疲劳时序载荷谱的准确性，可以根据表1所示的每个扇区方向上的风资源参数仿真不同的时序疲劳载荷谱；所述载荷测试手段为采用载荷测试设备，需按照相关标准和规范要求，在塔筒不同高度处的焊缝点表面粘贴应变片，当机组偏航运行至每个扇区内时，获得每个扇区对应的不同焊缝点处的实测时序疲劳载荷谱。图3为塔筒某高度处单个扇区方向上的疲劳时序载荷谱示意图。
(c)在每个扇区载荷作用下，采用弯曲正应力公式计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力。所述塔筒相同高度横截面上不同焊缝点可以根据划分的扇区数量确定，位于该扇区范围的中心处，本实施例采用12个扇区对应12个焊缝点，在塔筒相同横截面上按30°间隔均匀分布，如图4所示。当机组偏航对风运行至第i个扇区时，不同焊缝点弯曲正应力计算公式为：
其中Mi为在第i个扇区内塔筒焊缝所承受的疲劳载荷，yi为所求焊缝应力点至中性轴z的距离，Iz为抗弯截面系数，对于钢制塔筒截面，D为塔筒外径，d为塔筒内径。
从公式(3)中可以看出，当机组偏航运行至不同扇区时，假设每个扇区下的载荷相同，由于不同焊缝点距离中性轴的距离不同，不同焊缝点所受弯曲应力大小不同，因此，如果采用相同的弯曲应力对所有的焊缝点进行疲劳损伤计算，则很容易高估不同焊缝点处的疲劳损伤。以机组偏航运行至扇区1为例，焊缝点1和焊缝点7距离中性轴的距离最远，承受的弯曲应力最大。
(d)利用雨流计数法并结合钢制塔筒焊缝S-N曲线，计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，获得塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。如图4所示，以塔筒某一高度处位于扇区1内的焊缝点H1为例，基于扇区载荷的疲劳损伤计算方法如下：
(1)当机组偏航对风运行至扇区1时，采用雨流计数法并结合公式(2)计算出的不同平均风速发生的小时数T1(Vave)，对扇区1的疲劳载荷谱进行统计，获得焊缝点H1的所承受的载荷范围Fi和该载荷范围下的雨流数目ni，然后利用弯曲正应力计算公式(3)计算焊缝点H1的应力范围Si和该应力范围下的雨流数目ni；
(2)根据钢制塔筒焊缝S-N曲线计算各应力范围下对应的许用循环次数N1，N2...Ni，其中，钢制塔筒焊缝S-N曲线可根据GL2010规范获得，如图5所示；
(3)采用Miner理论对焊缝点H1在扇区1疲劳载荷作用下的疲劳损伤D1H1进行累积计算：
(4)当机组偏航对风分别运行至其他扇区2-扇区12时，重复步骤(1)-(3)，获得焊缝点H1分别在扇区2-扇区12的疲劳载荷作用下的疲劳损伤，需要注意的是，焊缝点H1距离中性轴的距离会随着扇区而变化。将12个扇区的疲劳损伤进行叠加，获得焊缝点H1在所有扇区载荷作用下的总的疲劳损伤：
DH1＝D1H1+D2H1+…D12H1 (5)
(5)重复步骤(1)-(4)，分别获得其他焊缝点在所有扇区载荷下的总的疲劳损伤。
根据上述方法，对钢制塔筒不同高度横截面上的所有焊缝点进行疲劳损伤计算，获得基于扇区载荷的风电机组钢制塔筒焊缝疲劳损伤结果，如表2所示。
表2基于扇区载荷的风电机组钢制塔筒焊缝疲劳损伤结果示例
表2中所示为钢制塔筒不同高度横截面上的所有焊缝点的疲劳损伤结果，疲劳损伤值均小于1，表明塔筒焊缝疲劳强度满足标准要求。
最后应说明的是：本发明所提供的实施例只是为了更好的理解本基于扇区载荷的风电机组钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方法的范围。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：包括以下步骤：
根据风场内各机位风速扇区分布情况，划分多个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和风资源关键参数；
获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱；
在每个扇区载荷作用下，计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力；
结合钢制塔筒焊缝应力-疲劳寿命曲线，利用雨流计数法计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，计算得到塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。
2.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：根据计算出的塔筒各个焊缝点总的疲劳损伤值，确定钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，对此区域进行加强或者修护，以保证风电机组运行的可靠性。
3.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：风速扇区划分方式为，处于风场内某一机位的风电机组轮毂中心高度处沿偏航运行方向进行划分，根据划分的总数量，均分每个扇区角度范围。
4.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：所述扇区数量根据钢制塔筒焊缝疲劳损伤计算精度灵活进行调整，要求的计算精度越高，扇区数量越大。
5.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：所述扇区风速威布尔分布特征包括但不限于轮毂高度处的年均风速Vave、威布尔函数的尺度参数C、威布尔函数的形状参数k，以及机组在该扇区运行时累积的时间占全年的概率；
或，所述风资源关键参数包括但不限于湍流强度、入流角、风切变和空气密度。
6.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：采用载荷仿真或载荷测试设备获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱。
7.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：塔筒相同高度横截面上不同焊缝点根据划分的扇区数量确定，位于该扇区范围的中心处，当机组偏航对风运行至第i个扇区时，不同焊缝点弯曲正应力计算方法为对应扇区内塔筒焊缝所承受的疲劳载荷与所求焊缝应力点至中性轴z的距离的乘积，和抗弯截面系数的比值。
8.如权利要求1所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，其特征是：基于扇区载荷的疲劳损伤计算过程包括：
当机组偏航对风运行至第一扇区时，采用雨流计数法结合一定寿命期内不同平均风速发生的小时数，计算出的不同平均风速发生的小时数，对该扇区的疲劳载荷谱进行统计，获得对应焊缝点的所承受的载荷范围Fi和该载荷范围下的雨流数目，计算焊缝点的应力范围和该应力范围下的雨流数目；
根据钢制塔筒焊缝应力-疲劳寿命曲线计算各应力范围下对应的许用循环次数；
采用Miner理论对焊缝点在所属扇区疲劳载荷作用下的疲劳损伤进行累积计算；
当机组偏航对风分别运行至其他扇区时，重复上述步骤，获得对应焊缝点分别在其他扇区的疲劳载荷作用下的疲劳损伤，将所有扇区的疲劳损伤进行叠加，获得该焊缝点在所有扇区载荷作用下的总的疲劳损伤；
重复上述步骤，获得其他焊缝点在所有扇区载荷下的总的疲劳损伤；
或进一步的，每个焊缝点的距离中性轴的距离会随着扇区的变化而变化。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-8中任一项所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法。
10.一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8中任一项所述的一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法。
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