CN110987273A - 变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，包括以下步骤：步骤1，在试验机组风轮顺桨空转、机械刹车系统处于关闭条件下，在t_n～t_n+m时间段内，以F的采样频率，采集与叶根连接的每根高强螺栓的轴力数据，得到每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果；步骤2，根据步骤1得到的每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力；步骤3，在试验机组正常运行情况下，采集与叶根连接的每根高强螺栓的实测轴力数据；步骤4，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力计算得到叶根截面载荷分量；本发明提供的方法有效节约了试验成本，有效简化了试验设计环节的工作，减少了误差引入的途径。

Description

变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷 解耦方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组叶根连接高强螺栓，特别涉及变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法。

背景技术

随着变速变桨型水平轴风力发电机组单机容量大型化、轻量化的发展趋势不断推进，叶片设计制造技术进展显著，长度增加、功率增大、重量减轻、安全裕度降低，叶根连接高强螺栓需要承受的载荷也对应增高、安全风险加大。考虑到安全监测的实际需求，特别是对于偏远的陆上风电场或海上风电场，因为运维成本高、作业难度大，对实际螺栓安全性以及运行状态的监测就显得尤为重要。

在监测过程中，无论使用何种传感器，例如应变片、加速度传感器、声发射传感器等，都是通过测量高强螺栓轴力变化判断螺栓连接安全性。高强螺栓的轴力主要由两部分载荷分量构成，其一是螺栓预紧力，其二是截面载荷分量(由高强螺栓轴力传递的截面载荷，包括展向力和径向弯矩)。

现有的几种监测方法及其技术缺陷：

1)基于高强螺栓轴力监测比对，判断螺栓连接安全性。高强螺栓轴力是螺栓预紧力和截面载荷分量的叠加，其数据变化反映的是二者合成量的变化。该方法比较难有针对性地判断是螺栓本身还是连接结构出现了问题，需要人工逐一排查，增加了运行维护的时间和成本。

2)在方法1)基础上，通过截面径向弯矩载荷标定，确定典型角度高强螺栓轴力与截面径向弯矩载荷的线性关系(叶根最大受力螺栓位置主要由叶根截面径向弯矩方向决定，简化认为展向力分量相比径向弯矩分量可以忽略)。由典型角度高强螺栓轴力实时结果，线性外推得到截面径向弯矩载荷。根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面径向弯矩载荷分量，将轴力减去截面径向弯矩载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。该方法基于截面径向弯矩载荷与典型角度高强螺栓轴力、截面径向弯矩载荷分量间关系不变的假定，螺栓预紧力和截面径向弯矩载荷分量间并未实现真实解耦，也无法区分开螺栓预紧力和截面展向力载荷分量，相关的误差会全部转移到螺栓预紧力结果中，造成部分误判或漏判。

3)在方法2)基础上，增加传感器，例如应变片，布置于靠近连接截面但并未被螺栓预紧力影响的区域，通过截面径向弯矩载荷标定，同时确定多组典型角度应变片应力与截面径向弯矩载荷的线性关系。由典型角度应变片应力实时结果，线性外推得到截面展向力载荷和截面径向弯矩载荷。通过多组外推截面载荷比对，判断连接结构安全性，确定同时刻唯一截面展向力载荷和截面径向弯矩载荷。根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面载荷分量，将轴力减去截面载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。该方法实现了螺栓预紧力和截面载荷分量间的真实解耦，但传感器的增加使得监控数据量和运行维护难度增大，外推结果间的比对判断使得数据处理过程复杂、误差引入的途径增多。

4)试验机组顺桨停机，调整风轮旋转角度，将待测叶片竖直向下，锁定风轮。忽略叶片承受的气动力，主要考虑叶片重力作用，根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面载荷分量，将轴力减去截面载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。螺栓预紧力在一段时间内相对稳定，故待机组正常运行时，将轴力减去螺栓预紧力就得到截面载荷分量。通过截面载荷分量数据变化，判断连接结构安全性。该方法也实现了螺栓预紧力和截面载荷分量间的真实解耦，但每次监控螺栓预紧力时需要调整并锁定风轮，试验耗时且存在安全性风险隐患。

上述各种方法优缺点明显，研究一种操作安全、分析简单、成本可控、精度较高，适用于变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法就尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，解决了现有的变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法存在的成本高、精度低、安全性低的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，包括以下步骤：

步骤1，在试验机组风轮顺桨空转、机械刹车系统处于关闭条件下，在t_n～t_n+m时间段内，以F的采样频率，采集与叶根连接的每根高强螺栓的轴力数据，得到每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果；

步骤2，根据步骤1得到的每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力；

步骤3，在试验机组正常运行情况下，采集与叶根连接的每根高强螺栓的实测轴力数据；

步骤4，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力计算得到叶根截面载荷分量。

优选地，步骤1中，t_n+m-t_n≥3T；F≥16f，f＝1/T；T为风轮旋转周期。

优选地，步骤2中，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力，具体方法是：

S1，对步骤1中取得的每根高强螺栓的第i组轴力数据时域结果分别进行时域积分，并取时间平均值，得到第i个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力(i＝1，2，…，m)；

S2，根据S1中得到的m个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力取代数平均值，得到每根高强螺栓的螺栓预紧力。

优选地，S1中，通过下式对步骤1中取得的每根高强螺栓的第i组轴力数据时域结果分别进行时域积分，并取时间平均值：

式中，F_a为轴力数据；P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；t_n为采样时刻，t_n＝t₀+nT，t₀表示采样初始时刻，T表示风轮旋转周期，n＝1，2，…；

优选地，S2中，通过下式对m个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力取代数平均值，即得到每根高强螺栓的螺栓预紧力：

式中，P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；

为螺栓预紧力。

优选地，步骤4中，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力，计算得到叶根截面载荷分量，具体方法是：

利用步骤3中得到的实测的每根高强螺栓的轴力数据减去步骤2中得到的每根高强螺栓的螺栓预紧力，即得到每根高强螺栓的叶根截面载荷分量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，利用了变速变桨型水平轴风力发电机组结构及运行特点，采用周期时域积分平均的方法，有效分离出叶根连接螺栓预紧力，从而实现叶根连接高强螺栓轴力载荷的解耦，该方法可有效实现叶根连接高强螺栓轴力的真实解耦，合理区分预紧力和截面载荷分量，试验操作简便易行；无需增加其它附加传感器测量工作，有效节约了试验成本，降低了采集数据及后处理难度；无需通过结构数值分析确定截面载荷分量理论值，有效简化了试验设计环节的工作，减少了误差引入的途径；机组在试验时不用人为调整风轮旋转角度，也不用锁定风轮，有效缩短了试验时间，保证了周期性测量的可行性。顺桨空转是机组运行很常见的状态，通过控制系统即可完成，不用登塔，降低了机组、人员的安全风险。

具体实施方式

下面对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，包括以下步骤：

步骤1，在试验机组正常运行情况下，通过控制系统调整，使风轮顺桨空转，且机械刹车系统始终不参与工作，在t_n～t_n+m时间段内，以F的采样频率，采集与叶根连接的每根高强螺栓的轴力数据，得到每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果；

由于风轮失去动力来源，在空气阻力影响下旋转速度会缓慢下降；在风轮缓慢降速旋转过程中，选择近似匀速时段内进行数据采集；

所述t_n+m-t_n≥3T；F≥16f，f＝1/T；T为风轮旋转周期。

步骤2，通过下式对步骤1中取得的每根高强螺栓的第i组轴力数据时域结果分别进行时域积分，并取时间平均值，得到第i个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力(i＝1，2，…，m)：

式中，F_a为轴力数据；P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；t_n为采样时刻，t_n＝t₀+nT，t₀表示采样初始时刻，T表示风轮旋转周期，n＝1，2，…。

在风轮保持顺桨状态下，叶片承受的气动力相对自身重力作用可以忽略。螺栓预紧力近似恒定，风轮旋转周期内积分结果为定值；重力作用下，叶根截面载荷分量近似呈正/余弦函数分布，风轮旋转周期内积分结果近似为0。

根据得到的m个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力取代数平均值，得到每根高强螺栓的螺栓预紧力：

式中，P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；

为螺栓预紧力。

风轮连续旋转周期内结果平均，可以有效降低空气阻力使风轮旋转周期缓慢下降对于螺栓预紧力结果的影响。

步骤3，在试验机组正常运行情况下，采集与叶根连接的每根高强螺栓的实测轴力数据。

步骤4，利用步骤3中得到的实测的每根高强螺栓的轴力数据减去步骤2中得到的每根高强螺栓的螺栓预紧力，即得到每根高强螺栓的叶根截面载荷分量。

最后，将解耦得到的螺栓预紧力和截面载荷分量用于判断螺栓安全性和连接结构安全性，该方法有效实现了变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法叶根连接高强螺栓轴力载荷的解耦。

Claims (6)

1.一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在试验机组风轮顺桨空转、机械刹车系统处于关闭条件下，在t_n～t_n+m时间段内，以F的采样频率，采集与叶根连接的每根高强螺栓的轴力数据，得到每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果；

步骤2，根据步骤1得到的每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力；

步骤3，在试验机组正常运行情况下，采集与叶根连接的每根高强螺栓的实测轴力数据；

步骤4，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力计算得到叶根截面载荷分量。

2.根据权利要求1所述的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，步骤1中，t_n+m-t_n≥3T；F≥16f，f＝1/T；T为风轮旋转周期。

3.根据权利要求1所述的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，步骤2中，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力，具体方法是：

S1，对步骤1中取得的每根高强螺栓的第i组轴力数据时域结果分别进行时域积分，并取时间平均值，得到第i个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力(i＝1，2，…，m)；

S2，根据S1中得到的m个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力取代数平均值，得到每根高强螺栓的螺栓预紧力。

4.根据权利要求3所述的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，S1中，通过下式对步骤1中取得的每根高强螺栓的第i组轴力数据时域结果分别进行时域积分，并取时间平均值：

式中，F_a为轴力数据；P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；t_n为采样时刻，t_n＝t₀+nT，t₀表示采样初始时刻，T表示风轮旋转周期，n＝1，2，…。

5.根据权利要求3所述的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，S2中，通过下式对m个风轮旋转周期内的每根高强螺栓的螺栓预紧力取代数平均值，即得到每根高强螺栓的螺栓预紧力：

式中，P_re,i为第i个风轮旋转周期内的螺栓预紧力；

为螺栓预紧力。

6.根据权利要求1所述的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，其特征在于，步骤4中，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力，计算得到叶根截面载荷分量，具体方法是：

利用步骤3中得到的实测的每根高强螺栓的轴力数据减去步骤2中得到的每根高强螺栓的螺栓预紧力，即得到每根高强螺栓的叶根截面载荷分量。