CN113792368B - 一种塔架极限载荷的估算方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塔架极限载荷的估算方法、电子设备及存储介质,所述方法包括:获取风机塔架的最大载荷,所述风机塔架的最大载荷包括所述风机塔架前后方向的最大载荷和/或左右方向的最大载荷;根据风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系估算出所述风机塔架的极限载荷值。本发明可以快速评估出风机塔架的极限载荷,从而便于校核材料的安全系数,保证风机安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域,特别涉及一种塔架极限载荷的估算方法、电子设备及存储介质。
背景技术
在风力发电机组(简称风机)的设计以及风电场建设阶段,风力发电机组载荷计算是非常重要的一个环节。风力发电机组的载荷是指外部环境和内部环境作用在其部件上的力或力矩,包括空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷以及由于控制系统动作而引起的运行载荷。按结构设计要求分类,风力发电机组载荷还可以分为极限载荷和疲劳载荷。极限载荷是指风力发电机组可承受的最大载荷,疲劳载荷是指作用于风力发电机组的交变循环载荷。风力发电机组载荷分析计算的目的是为了计算在特定工况下结构的应力和应变,进而进行极限强度校核和疲劳强度校核。
极限载荷影响着风机的安全,风机在运行的各个工况中,所受载荷不断波动。风机结构能否承受此随机载荷波动的最大值决定了风机在运行中的安全。风机中的风机塔架在运行中自身受载,还受到转轮机舱等的作用,受力复杂,因此有必要确定风机塔架的极限载荷,由此校核材料的安全系数,保证风机安全运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种塔架极限载荷的估算方法、电子设备及存储介质,以实现快速评估出风机塔架的极限载荷,从而便于校核材料的安全系数,保证风机安全运行的目的。
为了实现以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种塔架极限载荷的估算方法,包括:获取风机塔架最大载荷;所述风机塔架的最大载荷包括所述风机塔架前后方向的最大载荷和/或左右方向的最大载荷;根据风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系估算出所述风机塔架的极限载荷值。
可选地,根据重力作用力矩、风机塔架所受的平均力矩及其波动分量、风切变对风机轮毂的作用力矩及其波动分量计算所述风机塔架的前后方向的最大载荷。
可选地,所述风机塔架的前后方向的最大载荷Mfro_max采用如下公式进行计算:
Mfro_max=MG+Mtotal+Mshear+Mvol_total+Mvol_shear
式中,MG表示重力作用力矩,Mtotal表示风机塔架所受平均力矩;Mshear表示风切变对风机轮毂的作用力矩;Mvol_total表示风机塔架所受平均力矩的波动分量;Mvol_shear表示风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量。
可选地,所述重力作用力矩MG采用如下公式计算:
MG=MG_nac+MG_hub+MG_b
式中,MG_nac表示风机轮毂对塔架的初始作用重力矩,MG_hub表示风机叶片对塔架的初始作用重力矩,MG_b表示风机机舱对塔架的初始作用重力矩。
可选地,所述风机塔架所受平均力矩Mtotal采用如下公式计算:
Mtotal=Mthr+Mnac+Mtow
式中,Mthr表示风机转轮的推力力矩,Mnac表示风机机舱的作用力矩,Mtow表示风机塔架力矩。
可选地,所述风切变对风机轮毂的作用力矩Mshear采用如下公式计算:
Mshear=f(u,α,D)
式中,u表示年平均风速,α表示风切变,D表示风机转轮直径,f表示Mshear与u,α和D的函数关系。
可选地,风机塔架所受平均力矩的波动分量Mvol_total采用如下公式计算:
Mvol_total=ltσt
式中,lt表示给定峰值系数;σt表示Mtotal平均力矩的标准差;lt根据额定风速进行经验公式取值;σt根据MRMS_total 2=Mtotal 2+σt 2求得,MRMS_total表示Mshear的均方根。
可选地,所述风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量Mvol_shear采用如下公式进行计算:
Mvol_shear=lsσs
式中,ls表示给定峰值系数;σs表示风机塔架所受平均力矩的标准偏差;其中,σs根据MRMS_shear 2=Mshear 2+σs 2进行计算,MRMS_shear=f(u,α,I,D),I表示湍流强度,f(u,α,I,D)表示MRMS_shear与风剪切α,湍流强度I,年平均风速u及转轮直径D的函数关系。
可选地,所述获取风机塔架的左右方向的最大载荷Mside_max采用如下公式进行计算:
Mside_max=f(P)
式中,f(P)表示Mside_max与P存在的函数关系,P表示风轮功率。
可选地,所述风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系如下所示:
Mn=kMmax
式中,Mn表示风机塔架在预设期限内的极限载荷值,n取正整数,表示预设期限,Mmax表示风机塔架所受最大载荷值;k表示外推系数。
可选地,所述风机塔架的极限载荷包括风机塔架顶部的极限载荷包括风机塔架顶部的极限载荷,风机塔架顶部的极限载荷值Mtow_top_max采用如下公式计算:
可选地,所述风机塔架的极限载荷包括风机塔架底部的极限载荷,风机塔架底部的极限载荷值Mtow_bot_max采用如下公式计算:
Mtow_bot_max=Mpro_max。
另一方面,本发明还提供一种电子设备,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现如上文所述的方法。
再一方面,本发明还提供一种可读存储介质,所述可读存储介质内存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如上文所述的方法。
本发明至少具有以下优点之一:
本发明提供一种快速估算塔架极限载荷的新方法,通过寻找极限载荷值与最大载荷值之间的关系进行外推得到极限载荷值,通过将极限载荷值分解为平均分量与波动分量之和。不同极值的波动分量采用不同的峰值因子显示极值差异性,通过基本参数表示计算过程中各关键参数的传递值,给出风机塔架不同高度的极限载荷的估算值。
本发明减少了载荷时序性计算耗时,便于校核材料的安全系数,保证风机安全运行由此有利于快速进行风机塔架的初期设计。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种塔架极限载荷的估算方法的流程示意图;
图2为本发明一实施例提供的塔架坐标系的示意图;
图3为本发明一实施例提供的风力发电机组中的各部件重心及风切变示意图;
图4为本发明一实施例提供的风机塔架的塔顶载荷对比情况示意图;
图5为本发明一实施例提供的风机塔架的塔底载荷对比情况示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种塔架极限载荷的估算方法、电子设备及存储介质作进一步详细说明。根据下面说明,本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是,附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂,请参阅附图。须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1所示,本实施例提供的一种塔架极限载荷的估算方法,包括:
步骤S100:获取风机塔架的最大载荷,所述风机塔架的最大载荷包括所述风机塔架前后方向的最大载荷和/或左右方向的最大载荷。
步骤S200:根据风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系估算出所述风机塔架的极限载荷值。
本实施例首先通过分析影响风机塔架的塔顶极限载荷及风机塔架的塔底极限载荷的因素;将风机塔架的最大载荷主要分为前后方向的最大载荷及左右方向的最大载荷,在本实施例中,风轮正对着风向为前后,左右为垂直风向方向。如图2所示,轮毂旋转坐标系、轮毂固定坐标系、塔顶坐标系、塔底坐标系的坐标分别为O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2、O3X3Y3Z3、O4X4Y4Z4坐标系,绕各自轴的等效疲劳弯矩和力由右手定则方式确定。
通过分析可知,塔顶的极限载荷主要受切出风速影响,塔底极限载荷主要受额定风速影响。
本实施例可以根据重力作用力矩、风机塔架所受的平均力矩及其波动分量、风切变对风机轮毂的作用力矩及其波动分量计算所述风机塔架的前后方向的最大载荷。
具体的,所述步骤S100具体包括:所述风机塔架的前后方向的最大载荷Mfro_max采用如下公式进行计算:
Mfro_max=MG+Mtotal+Mshear+Mvol_total+Mvol_shear (1)
式中,MG表示重力作用力矩,Mtotal表示风机塔架所受平均力矩;Mshear表示风切变对风机轮毂的作用力矩;Mvol_total表示风机塔架所受平均力矩的波动分量;Mvol_shear表示风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量。
如图3所示,图3示出了为风力发电机组中各部件(叶片、轮毂、机舱)重心及离塔顶中心的距离,初始重力矩主要考虑风机的机舱,轮毂与叶片,叶片的重心选择为距离叶根的1/3处。计算中考虑风轮的仰角锥角的存在,根据力的作用大小及力臂计算出轮毂,叶片,机舱对塔架的初始作用重力矩,初始重力矩只影响载荷均值(平均分量),无波动分量影响;因此在对塔顶极限载荷的估算中,增加了初始重力矩对塔架载荷的影响。所述重力作用力矩MG采用如下公式计算:
MG=MG_nac+MG_hub+MG_b (2)
式中,MG_nac表示风机轮毂对塔架的初始作用重力矩,MG_hub表示风机叶片对塔架的初始作用重力矩,MG_b表示风机机舱对塔架的初始作用重力矩。
考虑风轮推力,机舱力矩及塔架力矩对塔架载荷的影响:根据塔架的不同高度,可对塔架的受力进行积分推算得到塔架所受平均力矩,此塔架所受平均力矩存在波动。
所述风机塔架所受平均力矩Mtotal采用如下公式计算:
Mtotal=Mthr+Mnac+Mtow (3)
式中,Mthr表示风机转轮的推力力矩,Mnac表示风机机舱的作用力矩,Mtow表示风机塔架力矩。
当风机风轮在工作时,前后方向的风机塔架所受力矩响应存在最大波动分量。主要是风对塔架受力的影响,即风轮推力,机舱力矩,塔架力矩带来的Mtotal(所述风机塔架所受平均力矩Mtotal),最大载荷考虑这力矩的波动分量Mvol_total的波动分量Mvol_total;由此本实施例对风机塔架的最大载荷需要考虑此力矩的波动分量。
此力矩的波动分量与阵风相关,根据上述推导同理可得:风机塔架所受平均力矩的波动分量Mvol_total采用如下公式计算:
Mvol_total=ltσt (4)
式中,lt表示风轮推力波动的峰值系数;σt表示风轮推力的偏差;lt根据额定风速进行经验公式取值,具体的是,根据轮毂处风速高于额定风速或者低于额定风速,进行经验公式的计算取值,确定风轮推力波动的峰值系数;σt根据MRMS_total 2=Mtotal 2+σt 2求得,MRMS_total表示均方根。
上述lt根据轮毂处风速可以参照经验公式进行取值,下面列出关于所述经验公式中包含的相关变量。
存在系数使得:
Mmax_total=A*Mtotal (5)
式中,Mmax_total表示风轮推力最大值,A表示一个参数。
通过样本数据(预先获取的大量风机实际设计运行时的计算数据)拟合求得该系数与A与切入风速;切出风速;轮毂处风速;额定风速的存在特定的函数关系,即:
A=f(vin,vout,vh,vr) (6)
式中,f(vin,vout,vh,vr)表示A与vin切入风速;vout切出风速;轮毂处风速;vr额定风速的函数关系;vin表示切入风速;vout表示切出风速;vh表示轮毂处风速;vr表示额定风速。
考虑风剪切对塔架最大载荷影响:分析塔架前后方向的力矩:当风吹向风轮,风对风轮产生作用,风切变的存在对转轮轮毂产生力矩,因此在对塔架极限载荷估算中,增加了风切变作用于轮毂的力矩,此作用力矩存在波动分量。
将转轮轮毂中的转子力矩极限载荷Mmax_shear定义为:
Mmax_shear=Mshear+Mvol_shear (7)
式中,Mshear表示风切变对风机轮毂的作用力矩(平均载荷分量);Mvol_shear表示风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量。
通过样本数据(预先获取的大量风机实际设计运行时的计算数据)拟合求得所述风切变对风机轮毂的作用力矩Mshear,函数关系表示采用如下:
Mshear=f(u,α,D) (8)
式中,u表示年平均风速,α表示风切变,D表示风机转轮直径,f(u,α,D)表示Mshear与u、α和D函数关系。
所述风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量Mvol_shear采用如下公式进行计算:
Mvol_shear=lsσs (9)
式中,ls表示给定峰值系数;σs表示风机塔架所受平均力矩的标准偏差;其中,σs根据MRMS_shear 2=Mshear 2+σs 2进行计算,其中,通过样本数据(预先获取的大量风机实际设计运行时的计算数据)拟合求得MRMS_shear=f(u,α,I,D),I表示湍流强度,f(u,α,I,D)表示MRMS_shear与风剪切α,湍流强度I,年平均风速u及转轮直径D的函数关系。
均匀考虑风轮推力与风切变推力带来的波动影响后,可将风机塔架的前后方向的最大载荷,即公式(1)变换成如下:
根据大量数据统计,对塔架左右方向最大载荷Mside_max进行归一化处理后,Mside_max与风轮功率P存在一定的函数关系式(塔架左右方向最大载荷Mside_max进行归一化处理后与风轮功率存在线性关系),用f(P)表示,由此进行拟合,可估算出塔架左右方载荷大小。
即统计大量机组的左右方的载荷与风轮功率(机组功率)P,对两个变量进行公式拟合可估算出塔架左右方载荷大小。
所述获取风机塔架的左右方向的最大载荷Mside_max采用如下公式进行计算:
Mside_max=f(P) (11)
式中,f(P)表示Mside_max与P的函数关系,P表示机组功率。上述公式(11)通过样本数据(预先获取的大量风机实际设计运行时的计算数据)统计即可得到。
寻找风机塔架所受最大载荷与风机塔架在预设期限内的极限载荷的关系系数,得到所述风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系如下所示:
Mn=kMmax (12)
式中,Mn表示风机塔架在预设期限内的极限载荷值,n取正整数,表示预设期限,Mmax表示风机塔架所受最大载荷值;k表示外推系数。由此根据上述关系式,为了得到极限载荷值仅需求出最大载荷值Mmax即可,将最大载荷值Mmax分解为平均分量与波动分量。
在本实施例中,n=50,即预设期限为50年。
Mmax=Mave+Mmax_vol=Mave+σ (14)
式中,Mave表示最大载荷值的平均分量,Mmax_vol表示最大载荷值的波动分量,σ表示偏差;
Mave=MG+Mtotal+Mshear (15)
式中,MG表示重力作用力矩,Mtotal表示风机塔架所受平均力矩(风对转轮,机舱,塔筒的作用力矩);Mshear表示风切变对风机轮毂的作用力矩。
σ=Mvol_shear+Mvol_total (19)
式中,Mvol_total表示风机塔架所受平均力矩的波动分量,Mvol_shear表示风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量。
综合左右与前后的塔架载荷对塔顶塔底载荷影响的差异性:对于塔底载荷,前后方向的左右力矩占主导;对于塔顶极限载荷,前后方向及左右方向的左右力矩影响均很大,此处将塔顶极限载荷估算合成。
由此本实施例还包括:所述风机塔架的极限载荷包括风机塔架顶部的极限载荷风机塔架顶部的极限载荷值Mtow_top_max采用如下公式计算:
所述风机塔架的极限载荷包括风机塔架底部的极限载荷风机塔架底部的极限载荷值Mtow_bot_max采用如下公式计算:
Mtow_bot_max=Mpro_max。
结合图4和图5所示,选取几款机组的塔架极限载荷进行估算,主要关注塔底及塔顶。以实际计算的极限载荷值为比照,将所有极限载荷值进行归一化处理。得到塔底极限载荷对照如图4所示,塔顶载荷对照如图5所示,计算结果值吻合良好,误差在初期设计载荷可接受范围内,此估算方法具有较准确的精度。
另一方面,本发明还提供一种电子设备,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现如上文所述的方法。
再一方面,本发明还提供一种可读存储介质,所述可读存储介质内存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如上文所述的方法。
本实施例提供一种快速估算塔架极限载荷的新方法,通过寻找极限载荷值与最大载荷值之间的关系进行外推得到极限载荷值,通过将极限载荷值分解为平均分量与波动分量之和。不同极值的波动分量采用不同的峰值因子显示极值差异性,通过基本参数表示计算过程中各关键参数的传递值,给出风机塔架不同高度的极限载荷的估算值。
本实施例减少了载荷时序性计算耗时,便于校核材料的安全系数,保证风机安全运行由此有利于快速进行风机塔架的初期设计
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当注意的是,在本文的实施方式中所揭露的装置和方法,也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的,例如,附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现方式中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外,在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分,也可以是各个模块单独存在,也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,包括:
获取风机塔架的最大载荷,所述风机塔架的最大载荷包括所述风机塔架前后方向的最大载荷和/或左右方向的最大载荷;根据重力作用力矩、风机塔架所受的平均力矩及其波动分量、风切变对风机轮毂的作用力矩及其波动分量计算所述风机塔架的前后方向的最大载荷;
根据风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系估算出所述风机塔架的极限载荷值。
2.如权利要求1所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述风机塔架的前后方向的最大载荷Mfro_max采用如下公式进行计算:
Mfro_max=MG+Mtotal+Mshear+Mvol_total+Mvol_shear
式中,MG表示重力作用力矩,Mtotal表示风机塔架所受平均力矩;Mshear表示风切变对风机轮毂的作用力矩;Mvol_total表示风机塔架所受平均力矩的波动分量;Mvol_shear表示风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量。
3.如权利要求2所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述重力作用力矩MG采用如下公式计算:
MG=MG_nac+MG_hub+MG_b
式中,MG_nac表示风机轮毂对塔架的初始作用重力矩,MG_hub表示风机叶片对塔架的初始作用重力矩,MG_b表示风机机舱对塔架的初始作用重力矩。
4.如权利要求3所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述风机塔架所受平均力矩Mtotal采用如下公式计算:
Mtotal=Mthr+Mnac+Mtow
式中,Mthr表示风机转轮的推力力矩,Mnac表示风机机舱的作用力矩,Mtow表示风机塔架力矩。
5.如权利要求4所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述风切变对风机轮毂的作用力矩Mshear采用如下公式计算:
Mshear=f(u,α,D)
式中,u表示年平均风速,α表示风切变,D表示风机转轮直径,f表示Mshear与u,α,D的函数关系。
6.如权利要求5所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,风机塔架所受平均力矩的波动分量Mvol_total采用如下公式计算:
Mvol_total=ltσt
式中,lt表示风机塔架所受的平均力矩;σt表示波动强度;lt根据额定风速进行经验公式取值;σt根据MRMS_total 2=Mtotal 2+σt 2求得,MRMS_total表示Mtotal的均方根。
7.如权利要求6所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,
所述风切变对风机轮毂的作用力矩的波动分量Mvol_shear采用如下公式进行计算:
Mvol_shear=lsσs
式中,ls表示给定峰值系数;σs表示风机塔架所受平均力矩的标准偏差;其中,σs根据MRMS_shear 2=Mshear 2+σs 2进行计算,MRMS_shear=f(u,α,I,D),I表示湍流强度,f(u,α,I,D)表示MRMS_shear与u,α,I,D的函数关系。
8.如权利要求7所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述获取风机塔架的左右方向的最大载荷Mside_max采用如下公式进行计算:
Mside_max=f(P)
式中,f(P)表示Mside_max与P存在的函数关系,P表示转轮功率。
9.如权利要求8所述的塔架极限载荷的估算方法,其特征在于,所述风机塔架所受最大载荷和风机塔架在预设期限内的极限载荷之间的关系如下所示:
Mn=kMmax
式中,Mn表示风机塔架在预设期限内的极限载荷值,n取正整数,表示预设期限,Mmax表示风机塔架所受最大载荷值;k表示外推系数。
10.一种电子设备,其特征在于,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,实现权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.一种可读存储介质,其特征在于,所述可读存储介质内存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现权利要求1至9中任一项所述的方法。
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