CN113090473A - 风力发电机组及其疲劳损伤的计算方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种风力发电机组及其疲劳损伤的计算方法和设备，其中，所述方法包括：根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；根据轮毂中心载荷来计算平面应力；根据所述平面应力来计算疲劳损伤。根据本公开，可对传感器感测到的载荷进行转换，以满足平面应力的计算需要，并且基于转换的载荷计算平面应力以及基于计算的平面应力来计算疲劳损伤，从而可有效利用传感器感测的载荷来获得疲劳损伤。

Description

风力发电机组及其疲劳损伤的计算方法和设备
技术领域
本公开涉及风力发电技术，具体而言，涉及一种风力发电机组及其疲劳损伤的计算方法和设备。
背景技术
目前，风力发电机组(简称为风机)上网电价呈不断下降趋势，为了提高风机的市场竞争力、降低风机成本、挖掘风电场潜力和提高发电量，需要准确了解载荷对风机造成的疲劳损伤情况，以便在确保风机安全的情况下，合理确定超发量，制定有效的超发方案；智能风机和智能风电场是目前风电行业发展的趋势，有效的掌握风机运行情况、实时预警能够保证风机的安全、降低不必要的运维、最大限度的提升发电量。
目前，由于计算各个部件的疲劳损伤所需的载荷不同，因此，无法直接根据实测的叶根载荷来计算除叶片以外的各个大部件的疲劳损伤，并且由于传感器仅能测得各叶根的两个方向的弯矩以至于缺少第三个方向的弯矩，因此计算的叶片疲劳损伤的精度低。
发明内容
本公开可通过对叶根传感器感测到的载荷进行推导和计算来确定与轮毂中心有关的疲劳损伤。
根据本公开的示例性实施例，提供了一种风力发电机组的疲劳损伤的计算方法，其中，所述方法包括：根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；根据轮毂中心载荷来计算平面应力；根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
可选的，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述计算叶根载荷的步骤包括：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
可选的，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤包括：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
可选的，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
可选的，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
可选的，所述根据轮毂中心载荷来计算平面应力的步骤包括：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
可选的，所述根据平面应力来计算疲劳损伤的步骤包括：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的步骤，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种风力发电机组的疲劳损伤的计算设备，其中，所述设备包括：叶根载荷计算单元，用于根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；轮毂中心载荷计算单元，用于根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；平面应力计算单元，用于根据轮毂中心载荷来计算平面应力；疲劳损伤计算单元，用于根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
可选的，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，叶根载荷计算单元通过如下操作计算叶根载荷：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
可选的，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，通过如下操作计算轮毂中心载荷：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
可选的，轮毂中心载荷计算单元计算轮毂中心载荷的操作还包括：对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
可选的，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的操作还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
可选的，平面应力计算单元通过如下操作来计算平面应力：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
可选的，疲劳损伤计算单元通过如下操作来计算疲劳损伤：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的操作，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种风力发电机组，其中，所述风力发电机组包括：叶根传感器感测，用于感测风力发电机组的叶根的载荷；控制器，用于执行如下操作：根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷；根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；根据轮毂中心载荷来计算平面应力；根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
可选的，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，控制器通过如下操作计算叶根载荷：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
可选的，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，通过如下操作计算轮毂中心载荷：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
可选的，控制器计算轮毂中心载荷的操作还包括：对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述对应的固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
可选的，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的操作还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
可选的，控制器通过如下操作来计算平面应力：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
可选的，控制器通过如下操作来计算疲劳损伤：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的操作，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种存储指令的计算机可读存储介质，其中，当所述指令被至少一个计算装置运行时，促使所述至少一个计算装置执行如上所述的方法。
根据本公开，可对传感器感测到的载荷进行转换，以满足平面应力的计算需要，并且基于转换的载荷计算平面应力以及基于计算的平面应力来计算疲劳损伤，从而可有效利用传感器感测的载荷来获得疲劳损伤。
将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本公开的示例性实施例的计算风力发电机组的疲劳损伤的原理图；
图2示出根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的疲劳损伤的计算方法；
图3示出根据本公开的示例性实施例的坐标系关系；
图4和图5示出根据本公开的示例性实施例的坐标系关系；
图6和图7示出根据本公开的示例性实施例的平面应力；
图8和图9示出根据本公开的示例性实施例的应力分量之间的线性关系。
具体实施方式
现将详细参照本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本公开。
风电行业发展至今，风机已遍布地球各个角落，新的装机量会逐年减少。已投入运营的风机数量巨大，且大部分风机已运行几年甚至十几年，挖掘这些已运行风机的潜力可能成为今后的研究焦点。如果能获得一段时间内的风况、风机在运行情况下的疲劳损伤(简称损伤)分布情况，便可据此做出调度，优化风机剩余寿命内的损伤分布，避免一些不必要的高损伤消耗，最大限度地延长风机寿命，给业主带来利益。
以上假设的实现前提包括计算各大铸件(例如，定轴、底座、轮毂、转轴)在各种风况下的疲劳损伤以及累积损伤。目前，风机在运行过程中，仅能通过叶根的光纤传感器测得叶根的弯矩(Mx和My)。在这种情况下，为了获得各大铸件的损伤，需要解决执行如下操作：1)通过光纤传感器测得的叶根的弯矩(Mx和My)，根据弯矩推演得到用于各铸件的疲劳计算的载荷；2)根据计算的载荷得到热点区域的应力；3)根据热点的应力时序来计算损伤。
根公开基于以上构思，提出了根据叶根弯矩载荷计算四大铸件的疲劳损伤的方案。基于叶根弯矩载荷，采用坐标变换的方式计算得到固定叶根载荷(用于计算轮毂损伤)、旋转轮毂中心载荷(用于计算转轴损伤)、固定轮毂中心载荷(用于计算底座、定轴损伤)；随后，通过铸件单位载荷计算以及线性放缩，从载荷得到热点区域应力；最后，采用临界平面法(该临界平面法可用于疲劳计算，目前已被主流的疲劳计算商业软件采用)以及雨流计数法，计算疲劳损伤。
本发明所陈述的提供了一种从光纤传感器测得的叶根载荷到风机四大铸件(定轴、底座、轮毂、转轴)疲劳损伤的计算方案，结合图1所示的根据本公开的示例性实施例的计算疲劳损伤的原理图，具体可包括如下三个步骤：
步骤一，由光纤传感器测得载荷推导用于铸件疲劳损伤计算的载荷。具体可包括如下7个步骤：
1)将叶根光纤传感器测得的弯矩Mx和My推导至固定叶根坐标系(原点位于叶根中心，z轴是沿着叶片长度方向，y轴沿着叶片旋转的切线方向，x轴朝向机舱尾部与上述两轴垂直)下，得到两个方向(x轴方向和y轴方向)的弯矩。
2)根据待测机型，结合历史数据(例如，Bladed计算过程中的载荷数据)，通过拟合来确定固定叶根坐标系下的作用力Fx与弯矩My之间的关系，作用力Fy与弯矩Mx之间的关系，其中，作用力Fx为x轴方向的作用力，作用力Fy为y轴方向的作用力。
3)根据上述关系以及Mx和My得到固定叶根坐标系下的作用力Fy和作用力Fx。
4)将固定叶根坐标系下的弯矩Mx、弯矩My和作用力Fx、Fy推导至固定轮毂中心坐标系，得到固定轮毂中心坐标系下的弯矩Mx、弯矩My、弯矩Mz和作用力Fx。
5)根据确定的待测机型的实际作用力(例如，通过Bladed计算获得的固定轮毂中心坐标系下的作用力My)与通过拟合的关系确定的作用力(例如，通过Python计算得到的固定轮毂中心坐标系下的作用力My之间的差异(也称为误差)，补偿通过坐标转换获得的作用力，以得到固定轮毂中心坐标系下的修正的My，其中，该差异服从正态分布的性质。
6)固定轮毂中心的Fz为恒定值，可根据三个叶片和轮毂的总重量确定Fz的值。
7)根据通过上述步骤获得的固定轮毂中心坐标系下的Mx、My、Mz、Fx和Fz，计算旋转轮毂中心坐标系下的载荷分量Mx、My、Mz、Fx、Fy和Fz。
步骤二，基于载荷线性放缩方法，从载荷得到应力。具体可包括如下3个步骤：
1)通过商业软件，计算与以上载荷分量对应的单位载荷。
2)提取以上各载荷分量下的铸件表面节点的二维平面应力。
3)通过载荷线性缩放方法，合成出与各个时序点对应的铸件各表面节点的二维平面应力值。
步骤三，采用临界面法计算热点损伤。具体可包括如下4个步骤：
1)计算预先确定的热点的二维平面应力平面上的18个方向的正应力(二维平面应力)。
2)采用雨流计数法，获得各热点的18个二维平面应力时序的均值和幅值。
3)采用miner损伤累积准则，结合材料SN曲线，获得各热点的18个平面的损伤。
4)统计每个热点的所有平面损伤的最大值作为该热点的疲劳损伤值。
在本公开的示例性实施例中，可由光纤传感器测得载荷，并将测得的载荷转换到轮毂中坐标系下。由于光纤传感器所在坐标系与轮毂中坐标系二者是两个不同的空间坐标系，原点位置和各坐标轴方向均不相同，载荷推导(转换)过程中需要考虑叶根弯矩与力之间的转换关系(这个转换关系可以是线性关系)。另外，不同部件需要采用不同坐标系下的载荷进行计算，例如，轮毂疲劳计算采用固定叶根坐标系下的弯矩和力，底座定轴疲劳计算采用固定轮毂中心坐标系下的载荷，转轴疲劳计算采用旋转轮毂中心坐标系下的载荷，因此，为了使推演过程清晰并能获得四大铸件(定轴，底座，轮毂，转轴)疲劳计算所需的全部载荷，可采用本发明的载荷推导方式。在由各铸件疲劳计算所需载荷推导到损伤过程中，采用铸件疲劳计算中最常用的方式(也是主流商业软件采用的方式)，即：单位应力线性放缩法、临界平面法和miner线性累积准则。
图2示出根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的疲劳损伤的计算方法。
如图2中所示，根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的疲劳损伤的计算方法可包括步骤101至步骤104。
在步骤101，根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；在步骤102，根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；在步骤103根据轮毂中心载荷来计算平面应力；在步骤104，根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
作为示例，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述计算叶根载荷的步骤包括：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
作为示例，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤包括：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩(该z轴弯矩等于叶片锥角的正弦乘以固定叶根坐标系下的x轴弯矩)，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
作为示例，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：针对每个叶片，对于对应的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述对应的固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
作为示例，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得(例如，可以是固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力的合力，在旋转轮毂中心坐标系下的x轴的分量)，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得(例如，可以是固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力的合力，在旋转轮毂中心坐标系下的y轴的分量)，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
作为示例，所述根据轮毂中心载荷来计算平面应力的步骤包括：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
作为示例，所述根据平面应力来计算疲劳损伤的步骤包括：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的步骤，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
下面从载荷推演、单位应力线性放缩和临界平面法三大步骤来说明该发明方案。
步骤一，由光纤传感器测得载荷推导用于铸件疲劳损伤计算的载荷。
考虑不变桨时的光纤传感器的方位与固定叶根坐标系之间的夹角，进行载荷推导。如示出根据本公开的示例性实施例的坐标系关系的图3所示，坐标系e为光纤传感器所在的坐标系(z轴沿着叶片长度方向，y轴沿着叶片旋转的切线方向，y轴绕z轴顺时针转过的角度为α0与桨距角之和，x轴朝向机舱尾部并且与x轴和y轴垂直(服从右手螺旋准则))，坐标系p为固定叶根变桨之后的坐标系(z轴沿着叶片长度方向，y轴沿着叶片旋转的切线方向，y轴绕z轴顺时针转过的角度为桨距角，x轴朝向机舱尾部与y轴和z轴垂直(服从右手螺旋准则))，采用坐标变换将载荷由坐标系e推导至坐标系p。针对两个方向的弯矩(Mx，My)，通过坐标变换，将e坐标系下的弯矩Mx、弯矩My转到p坐标系下的弯矩Mx、弯矩My。
如图3所示，叶片桨距角为anglepitch，采用坐标变换将各叶片载荷由变桨坐标系p载荷推导至固定叶根坐标系b(原点位于叶根中心，z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴沿着叶片旋转的切线方向延伸，x轴朝向机舱尾部与x轴和y轴垂直)，并根据固定叶根弯矩与对应力之间的线性关系得到载荷分量Fy和Fx(可以在机型设计认证时，对基于bladed计算获得的三个叶根的固定叶根时序载荷进行拟合得到所述线性关系；或者直接对一个机型在bladed中进行建模计算，以提取固定叶根时序载荷，然后，进行数据拟合得到所述线性关系)。
将坐标系p下的弯矩Mx、My转换到坐标系b下的弯矩Mx、My，并根据固定叶根力与弯矩之间的关系，得到固定叶根坐标系下的力Fx、Fy。
参照图4所示的坐标系关系，b为一个叶片的固定叶根坐标系，r为与该叶片对应的旋转轮毂中心坐标系(y轴沿着叶片旋转的切线方向延伸，z轴与固定叶根坐标系z轴之间的夹角为锥角α，x轴朝向机舱尾部并且与y轴和z轴垂直)，可采用坐标变换将载荷由坐标系b推到至坐标系r。具体而言，可将坐标系b下的四个载荷分量(Mx、My、Fx、Fy)转换为坐标系r下的载荷分量。
参照图5所示的坐标系关系，考虑方位角β，采用坐标变换将各叶片在旋转坐标系下的载荷推导至各自的固定轮毂中心坐标系(z轴垂直向上，x轴水平朝向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则)下。三个叶片分别对应自身的旋转坐标系。得到固定轮毂中心坐标系下的载荷分量Mx、My(如下文所述，可对My进行补偿)、Mz、Fx和Fz(Fz直接通过叶片和轮毂重量计算得到)。
固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系x轴重合，y轴之间的差异为方位角，z轴之间的差异也为方位角。考虑方位角，可将固定轮毂中心坐标系下的载荷分量(Mx、My、Mz、Fx、Fy和Fz)转化为旋转轮毂中心坐标系下的6个载荷分量(Mx、My、Mz、Fx、Fy和Fz)。
步骤二，通过单位载荷线性放缩由载荷得到应力。
可通过商业软件计算单位载荷。例如，转轴疲劳计算需要利用旋转轮毂中心的载荷分量Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，可在载荷分量为正值和负值两种情况下分别施加与时序载荷量级相当的载荷分量于转轴上，计算得到转轴的应力结果(如Fx时序载荷量级为100Kn，我们便分别施加+100Kn和-100Kn的载荷分量Fx到转轴上得到两个应力结果，Fy时序载荷的量级为1000Kn，我们便分别施加+1000Kn和-1000Kn的载荷分量Fy于转轴上，相应地得到了两个应力结果，以此类推，便可以得到所有分量单独施加情况下的应力结果)，将应力结果减去螺栓预紧力引起的应力便得到了每个载荷分量下的转轴应力分布情况(可用于后续提取各个有限元节点的应力张量)。
这里的二维平面应力是在表面的节点的局部坐标下提取的，该坐标系的z轴是该节点的切平面法线，x轴、y轴位于切平面内，且服从右手螺旋准则，最终得到的二维应力值是一个向量。如示出根据本公开的示例性实施例的平面应力的图6所示，二维应力值的向量表示为：[σx,σy,σxy]，σx为上述局部坐标系下x方向的正应力、σy为y方向的正应力，σxy为对应的切应力。
载荷线性缩放合成得到与各个时序点对应的铸件各表面节点的二维平面应力值。如，以转轴为例，某个时刻点的旋转轮毂中心的时序载荷各分量值为：Fx1、Fy1、Fz1、Mx1、My1和Mz1，施加的各载荷分量的单位载荷为：Fx0、Fy0、Fz0、Mx0、My0和Mz0，对应的一个节点的二维应力结果为：a_Fx、a_Fy、a_Fz、a_Mx、a_My和a_Mz，螺栓预紧下应力结果为a_0，这样最终得到的该时刻的应力结果便为：a_0+Fx1/Fx0×a_Fx+Fy1/Fy0×a_Fy+…，同理，对所有的应力时刻下的所有关注的热点(热点是关注的节点，可以首先对铸件进行全工况时序疲劳计算，将那些损伤值比较大的节点挑选出来作为热点，一般疲劳破坏也会发生在这些节点，所以为了提高计算效率，可以只计算这些热点的损伤)均进行上述操作，便得到了各个热点的应力时序。
步骤二，采用临界面法计算热点损伤。
计算热点的二维平面应力平面上18个方向的正应力。如示出根据本公开的示例性实施例的平面应力的图7所示，取初始的正应力为x轴方向的正应力，临界平面法一般计算18个平面的正应力，因此，角度间隔θ＝20，将x轴顺时针转过20度之后形成轴x1，通过材料力学中的应力坐标系转换方程可以计算出x1方向的正应力σx1，同理，将坐标轴x1顺时针转过20度，通过应力坐标转换方程得到σx2，以此类推，便可得到18个方向的正应力时序。
采用雨流计数法得到各热点18个平面应力时序的均值和幅值。在这里借鉴疲劳中最常用的计数准则(雨流计数法)对应力时序计数得到对应的均值和幅值。
采用miner损伤累积准则结合材料SN曲线得到各热点18个平面的损伤。SN曲线是材料的疲劳寿命曲线，表示一个应力幅值下材料能承受的最多的循环次数，结合海格图进行平均应力修正，便可以根据上一步雨流得到的幅值和均值，并且结合SN曲线进行插值计算损伤。例如，对于一个节点在一个临界平面上的幅值为Amp、均值为Mean的一组数据，通过插值得到允许发生的次数为N1，对应的损伤是D1＝n1/N1，其中，n1为该幅值的实际发生次数，对该临界面的所有幅值、均值均进行上述操作得到该热点在该平面下的总损伤
Figure BDA0002330945140000171
对所有热点的所有平面均进行上述操作，可得到所有热点所有平面的损伤。
统计每个热点的所有平面的损伤的最大值作为该热点的疲劳损伤值。通过这种方式，可得到各铸件的热点疲劳损伤值。
另外，固定叶根坐标系下的My与Fx之间、Mx与Fy之间存在线性关系。该线性关系可根据实际数据My、Fx、Mx、Fy通过数据拟合来获得。
图8和图9示出根据本公开的示例性实施例的应力分量之间的线性关系。如图8和图9中所示，部分载荷分量满足如下的关系：
Fx＝0.03212·My+9614
Fy＝-0.05693·Mx+9764
另外，通过对数据进行分析，可以发现固定轮毂中心坐标系下的载荷分量Fz服从正态分布，该正态分布的均值近似等于三个叶片和轮毂的重力之和，因此，在载荷推演过程中，可将Fz表示为三个叶片和轮毂的总重力，然而，这并未用于限制本公开的保护范围，其他类似或接近所述总重力的数值也是可行的。
测量得到的是x轴方向和y轴方向的载荷分量，实际计算过程中还需要使用z轴方向的载荷分量。然而，在上述计算的过程中，x轴方向和y轴方向的载荷分量的计算过程未使用z轴方向的载荷分量。为了获得更接近于实际值的载荷分量，需要对上述载荷分量进行补偿。例如，对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种风力发电机组的疲劳损伤的计算设备，其中，所述设备包括：叶根载荷计算单元，用于根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；轮毂中心载荷计算单元，用于根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；屏幕应力计算单元，用于根据轮毂中心载荷来计算平面应力；疲劳损伤计算单元，用于根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
作为示例，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，叶根载荷计算单元通过如下操作计算叶根载荷：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
作为示例，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，通过如下操作计算轮毂中心载荷：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
作为示例，轮毂中心载荷计算单元计算轮毂中心载荷的操作还包括：对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述对应的固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
作为示例，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的操作还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
作为示例，平面应力计算单元通过如下操作来计算平面应力：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
作为示例，疲劳损伤计算单元通过如下操作来计算疲劳损伤：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的操作，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种风力发电机组，其中，所述风力发电机组包括：叶根传感器感测，用于感测风力发电机组的叶根的载荷；控制器，用于执行如下操作：根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷；根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；根据轮毂中心载荷来计算平面应力；根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
作为示例，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，控制器通过如下操作计算叶根载荷：针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，根据固定叶根坐标系下的弯矩与作用力之间的线性关系来确定固定叶根坐标系下x轴作用力力和y轴作用力，其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
作为示例，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，通过如下操作计算轮毂中心载荷：针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，二者的坐标系方向如下：固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
作为示例，控制器计算轮毂中心载荷的操作还包括：对固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，其中，所述的固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
作为示例，每台风机存在一个旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的操作还包括：将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
作为示例，控制器通过如下操作来计算平面应力：将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，其中，热点是所述部件上的被关注节点。
作为示例，控制器通过如下操作来计算疲劳损伤：获得一系列热点应力；根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；重复执行获得均值和幅值以及统计比例的操作，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
根据本公开的另一示例性实施例，提供了一种存储指令的计算机可读存储介质，其中，当所述指令被至少一个计算装置运行时，促使所述至少一个计算装置执行如上所述的方法。
本公开提供了一种由叶根传感器测得的叶根载荷到风机四大铸件疲劳损伤的计算方案，根据计算出的疲劳损伤可实现风机关键部件在线实时寿命预测，为智能风机的实施部署提供了参考。根据计算出的疲劳损伤，可以优化风机剩余寿命的疲劳损伤消耗，最大限度地延长机组寿命，给业主带来利益。计算出的疲劳损伤与实际疲劳损伤之间的误差较小，因此计算的疲劳损伤的精度较高。
以上描述了根据本公开构思的实施例，在不脱离本公开的保护范围的情况下，各个实施例中的特征可进行组合，这些组合也将落入本公开的保护范围之内。
计算机可读存储介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
此外，应该理解，根据本公开示例性实施例的终端和基站的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个单元所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现各个单元。
此外，根据本公开示例性实施例的方法可以被实现为计算机可读存储介质中的计算机代码。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现所述计算机代码。当所述计算机代码在计算机中被执行时实现本公开的上述方法。
虽然已表示和描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种风力发电机组的疲劳损伤的计算方法，其特征在于，所述方法包括：
根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；
根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；
根据轮毂中心载荷来计算平面应力；
根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，每个叶片对应一个传感器坐标系、一个变桨坐标系和一个固定叶根坐标系，所述叶根传感器感测到的载荷包括传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述叶根载荷包括固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，所述计算叶根载荷的步骤包括：
针对每个叶片，将对应的传感器坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩；
针对每个叶片，将对应的变桨坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩变换为对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩和y轴弯矩，
其中，与任意一个叶片对应的传感器坐标系、变桨坐标系和固定叶根坐标系三者的原点重合且位于对应叶片的叶根中心，三者的z轴重合，三者的x轴之间的位置关系根据所述叶根传感器相对于变桨初始位置的初始角度以及变桨角度来确定。
3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，每个叶片对应一个临时轮毂中心坐标系，三个叶片对应一个固定轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷包括固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤包括：
针对每个叶片，将对应的固定叶根坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力变换为对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩，其中，在固定叶根坐标系下，x轴作用力根据y轴弯矩来获得，y轴作用力根据x轴弯矩来获得，临时轮毂中心坐标系下的z轴弯矩根据固定叶根坐标系下的x轴弯矩以及叶片锥角来获得；
针对每个叶片，通过对对应的临时轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力和y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩进行转化来分别获得所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩；
基于所有叶片的重量与轮毂的重量之和来计算所述固定轮毂中心坐标系下的z轴总作用力；
其中，固定轮毂中心坐标系和与任意一个叶片对应的固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，其中，固定叶根坐标系的z轴沿着叶片长度方向延伸，y轴与叶轮旋转轨迹相切，x轴垂直于z轴和y轴且满足右手螺旋准则，固定轮毂中心坐标系的z轴正方向垂直向上，x轴正方向指向机舱尾部，y轴垂直于x轴和z轴且满足右手螺旋准则；与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和固定叶根坐标系两者的原点之间的位置关系根据轮毂中心与叶根中心之间的位置关系来确定，所述与所述任意一个叶片对应的临时轮毂中心坐标系和所述固定叶根坐标系的z轴之间的角度为叶片锥角，两者的x轴之间的位置关系根据所述固定轮毂中心坐标系的x轴与平行于与所述任意一个叶片对应的固定叶根坐标系的x轴的机舱延伸方向之间的位置关系来确定，所述固定轮毂中心坐标系的y轴与通过叶片旋转形成的曲面相切并且位于与z轴垂直的平面内。
4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：
对所述固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩进行补偿，
其中，所述固定轮毂中心坐标系下的y轴的理论上的弯矩与通过对感测到的载荷的转换而得到的弯矩之间的差值服从正态分布，该正态分布的均值被用于进行所述补偿。
5.根据权利要求3或4所述的计算方法，其特征在于，存在与所述固定轮毂中心坐标系对应的旋转轮毂中心坐标系，所述轮毂中心载荷还包括旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力以及z轴弯矩以及z轴作用力，所述计算轮毂中心载荷的步骤还包括：
将所述固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力变换为对应的旋转轮毂中心坐标系下的x轴弯矩、x轴作用力、y轴弯矩、y轴作用力、z轴弯矩以及z轴作用力，
其中，固定轮毂中心坐标系和旋转轮毂中心坐标系两者的原点重合、x轴重合，两者的y轴之间相差方位角，所述旋转轮毂中心坐标系下的x轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，所述旋转轮毂中心坐标系下的y轴作用力通过所述固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力和y轴作用力来获得，
其中，固定轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的x轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的x轴作用力之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总弯矩为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴弯矩之和，固定轮毂中心坐标系下的y轴总作用力为所有叶片在各自的固定轮毂中心坐标系下的y轴作用力之和，
其中，旋转轮毂中心坐标系下的x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力通过固定轮毂中心坐标系与旋转轮毂中心坐标系之间的坐标变换来获得。
6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述根据轮毂中心载荷来计算平面应力的步骤包括：
将x轴总弯矩、x轴总作用力、y轴总弯矩、y轴总作用力以及z轴总作用力分别单独施加到风力发电机组的部件上，以产生应力；
通过预先确定的螺栓预紧应力来修正产生的应力，以获得热点应力，
其中，热点是所述部件上的被关注节点。
7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述根据平面应力来计算疲劳损伤的步骤包括：
获得一系列热点应力；
根据雨流计数法获得所述一系列热点应力的均值和幅值；
统计所述一系列热点应力在被施加后的幅值产生次数占所述部件能够承受该幅值的次数的比例；
重复执行获得均值和幅值以及统计比例的步骤，将统计的各个比例之和作为对于热点的疲劳损伤；
根据临界平面法计算多个平面中的每个平面的对于热点的疲劳损伤，并且将各个平面的各个疲劳损伤中的最大值作为热点的最终疲劳损伤。
8.一种风力发电机组的疲劳损伤的计算设备，其特征在于，所述设备包括：
叶根载荷计算单元，用于根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷，所述感测到的载荷包括x轴弯矩和y轴弯矩；
轮毂中心载荷计算单元，用于根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；
平面应力计算单元，用于根据轮毂中心载荷来计算平面应力；
疲劳损伤计算单元，用于根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
9.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括：
叶根传感器感测，用于感测风力发电机组的叶根载荷；
控制器，用于执行如下操作：
根据风力发电机组的叶根传感器感测到的载荷来计算叶根载荷；
根据叶根载荷来计算轮毂中心载荷；
根据轮毂中心载荷来计算平面应力；
根据所述平面应力来计算疲劳损伤。
10.一种存储指令的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述指令被至少一个计算装置运行时，促使所述至少一个计算装置执行如权利要求1到7中的任一权利要求所述的风力发电机组的疲劳损伤的计算方法。
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