风力机叶片疲劳寿命实时监测方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103063425A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103063425103063425A(43)申请公布日2013.04.24(21)申请号201310003340.5(22)申请日2013.01.06(71)申请人华北电力大学（保定）地址071003河北省保定市永华北大街619号(72)发明人安利强孙少华赵鹤翔葛永庆(74)专利代理机构石家庄冀科专利商标事务所有限公司13108代理人李羡民高锡明(51)Int.Cl.G01M13/00(2006.01)权权利要求书3页利要求书3页说明书8页说明书8页附图4页附图4页(54)发明名称风力机叶片疲劳寿命实时监测方法(57)摘要一种风力机叶片疲劳寿命实时监测方法，所述方法实时测量风轮的输出功率、转速和桨距角，并根据监测数据反推出叶片任意叶素上的相对风速，然后运用叶素—动量（BEM）理论计算出作用在每一叶素上的载荷，进而通过积分求出整个叶片上的载荷，并编制应力谱，最后应用雨流计数法统计应力循环次数，并据此进行寿命损耗计算，得出风力机叶片的疲劳寿命。本发明以风力机的功率作为监测量，通过理论计算得到风力机叶片疲劳寿命，不仅可保证测量数据的精度和监测结果的可靠性，而且整个监测过程以现有系统为依托，无需加装大量传感器，具有实施方便，监测成本低等优点，是分析、评价风力机运行安全性的理想方法。CN103063425ACN1036425ACN103063425A权利要求书1/3页1.一种风力机叶片疲劳寿命实时监测方法，其特征是，所述方法实时测量风轮的输出功率、转速和桨距角，并根据监测数据反推出叶片任意叶素上的相对风速，然后运用叶素—动量BEM理论计算出作用在每一叶素上的载荷，进而通过积分求出整个叶片上的载荷，并编制应力谱，最后应用雨流计数法统计应力循环次数，并据此进行寿命损耗计算，得出风力机叶片的疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片疲劳寿命实时监测方法，其特征是，所述方法具体按以下步骤进行：A、测量风力机的风轮输出功率、风轮角速度Ω和桨距角β；B、计算相对风速：首先计算风轮总转矩：，然后利用空气密度、风轮半径、风轮转动中心到叶片任意位置的半径计算风轮远前方气流速度：，其中：为轴向诱导因子；为周向诱导因子，任意叶素上的轴向诱导因子及周向诱导因子可由迭代求得：，其中：为入流角；为法向力系数，；为切向力系数，；为升力系数，根据具体翼型的气动特性查表确定；为阻力系数，根据具体翼型的气动特性查表确定；为实度，；N为叶片数；c为弦长；叶片任意叶素上的相对风速由下式求得：，其中：为叶素上的相对风速在垂直于风轮旋转平面上的分量；为叶素上的相对风速在平行于风轮旋转平面上的分量；C、计算风力机叶片上的载荷(风力机上的载荷包括气动载荷、重力载荷和惯性载荷)：1）气动载荷由下式求得：2CN103063425A权利要求书2/3页，其中：为轮毂半径；为轴向力；为切向力；为叶片根部摆振方向的力矩；为叶片根部挥舞方向的力矩；2）重力载荷由下式求得：，其中：g为重力加速度；为叶片旋转方位角；为风轮安装仰角；为叶片单位长度质量；为叶片重心到叶轮中心的距离；为叶片扭矩中心到叶轮中心的距离；为重力对叶片产生的拉力；为重力对叶片产生的剪力；为重力对叶片产生的弯矩；为重力对叶片产生的扭矩；3）惯性载荷：惯性载荷即离心力引起的载荷，离心力载荷作用在翼型剖面的重心上，离心力对叶片产生的挥舞弯矩为：，其中：为叶片上每段叶素的质量；为每段叶素偏离风轮旋转平面的距离；D、确定应力谱：采用复合材料力学中的解析公式及有限元计算结果修正系数的方式，根据叶根载荷计算出叶片关键部位的应力谱；E、应用雨流计数法统计应力循环次数：引入应力稳定准则作为判定是否进行雨流计数的原则，对叶根的实时应力—时间曲线进行雨流计数，经过雨流计数法处理后，得到一系列应力与循环次数的关系，依据风速分布和风力机设计寿命，计算出该载荷情况下风力机寿命期间内的总循环次数，据此确定叶根处寿命损耗；3CN103063425A权利要求书3/3页F、计算寿命损耗：使用线性损伤累积法则，计算风力机叶片的寿命损耗，得出风力机叶片的疲劳寿命。4CN103063425A说明书1/8页风力机叶片疲劳寿命实时监测方法技术领域[0001]本发明涉及一种通过测量功率、转速和桨距角对风力机叶片的疲劳寿命进行在线监测的方法，属于监测技术领域。背景技术[0002]在过去的十年间，风电产业得到了迅猛发展，总装机容量大幅攀升，风力机功率不断增大，如今1～2MW风力机成为市场主流机型，3MW及5MW风力机已投入运行。风力机叶轮尺寸从40米增加到100多米。风力机叶片是风力机的核心部件，其安全性和可靠性是保证风电机组正常稳定运行的决定性因