一种风电机组塔筒整体载荷测量系统及测量方法与流程

1.本发明涉及风电机组塔筒分析技术领域，具体涉及一种风电机组塔筒整体载荷测量系统及测量方法。


背景技术：

2.塔筒作为机组主要承力部件，承受着十分复杂的载荷。首先从塔筒的结构分析，塔筒对顶部风轮和机舱起着重要的支撑作用，而风轮和机舱为了保证机组输出功率稳定需要进行变桨调节和偏航控制，从而导致塔筒的间歇性摆动；其次从塔筒所处的空间位置分析，塔筒要承受自然界中风的作用，而风速、风向及风压却不是稳定不变的，会随着塔筒的高度而发生改变；最后从时间角度进行分析，风速的脉动性以及涡系引起的谐频效应，容易使塔筒产生共振现象。
3.处在自然环境中的风机塔筒会同时受到多种载荷的作用，主要包括风轮、机舱对塔筒的压力，塔筒自身的重力作用，以及在风速和工况时刻变化的情况下，风轮和传动系统不断动作所引起的疲劳载荷和极限载荷的作用。在应用塔筒坐标系对塔筒载荷进行计算时，根据不同需求会有不同的计算内容，通常塔筒载荷计算内容包括：轴向水平力、垂直力、剪切力、偏航力矩、倾覆力矩、旋转力矩的计算与叠加。
4.塔筒是机组的主要承力部件，需要承受多种载荷的作用，对于安装在陆地上的机组而言，塔筒和地面之间采用刚性连接，当风作用在风轮上产生推力，会使塔筒产生弯曲变形，如果对塔筒承受的载荷控制不当，甚至会使塔筒由于过大的载荷作用而倒塌，特别是对于现代大型机组来说，巨大的力矩作用会承受更大的载荷，当受到极端阵风经过时，如果不采取有效的控制措施很有可能使塔筒倒塌。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种风电机组塔筒整体载荷测量方法，包括如下步骤：s1、计算气流流经塔筒阻力载荷fa为：；式中，cd为阻力系数，a为有效截面积，re为气流流动参数；s2、计算塔筒的轴向载荷fz为：fz=g1+g2；其中，g1和g2分别表示风轮自重和机舱自重；s3、计算风轮对塔筒的推力载荷f
t
为：；式中，气流密度，气流流速v，r为风轮半径，c
t
为推力系数；s4、计算作用在塔筒上的风载荷fk为：；
式中，为风压高度变化系数，为风载荷系数，为z高度处的风振系数，为基本风压；s5、计算塔筒整体载荷。
6.进一步地，步骤s5中，将步骤s1-s4中生成的载荷数据形成载荷数据集合，对各载荷数据分别按照时间间隔t进行采样，分别计算出每一行数据序列的平均载荷塔筒整体载荷e为：；其中，和分别为平均载荷的权重。
7.进一步地，载荷数据矩阵f的每一行的n个元素为每一种载荷数据按照时间间隔t采样后形成的数据序列，角标1和i代表第1个、第i个数据，载荷数据矩阵的每一列为每到一个时间间隔形成的不同种类的载荷数据集合，载荷数据矩阵f表示如下：。
8.进一步地，步骤s1中，气流流动参数re为：；式中，为气流密度，v为气流流速，d为塔筒特征长度，为气流动力粘性系数。
9.进一步地，步骤s2中，作用在塔筒轴向的偏心力矩mg表示为:mg=g1x1+g2x2；其中，x1为风轮重心和塔筒重心之间的水平距离，x2为机舱重心和塔筒重心之间的水平距离。
10.进一步地，步骤s3中，风轮对塔筒产生的偏心力矩m
t
为：m
t
=f
t
h；式中，h为塔筒高度，f
t
为风轮对塔筒的推力载荷f
t
。
11.进一步地，步骤s4中，塔筒上的水平风载荷f
tk
表示为:f
tk
=fk（af/a）；式中，af为塔筒的迎风面积。
12.本发明还提出了一种风电机组塔筒整体载荷测量系统，用于实现风电机组塔筒整体载荷测量方法，包括：测量模块、载荷计算模块和处理模块；测量模块，测量用于计算各种载荷的参数数据，形成参数数据集合；载荷计算模块，根据参数数据集合，计算气流流经塔筒阻力载荷、塔筒的轴向载荷、风轮对塔筒的推力载荷和作用在塔筒上的风载荷；处理模块，用于根据载荷计算模块计算结果计算塔筒整体载荷。
13.相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：测量计算各种载荷的参数数据，形成参数数据集合；根据参数数据集合，计算气流流经塔筒阻力载荷、塔筒的轴向载荷、风轮对塔筒的推力载荷和作用在塔筒上的风载荷；根据载荷计算模块计算结果计算塔筒整体载荷，提高塔筒整体载荷测量的准确性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为发明的风电机组塔筒整体载荷测量方法的流程图；图2为发明的风电机组塔筒整体载荷测量系统结构示意图。
具体实施方式
16.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
18.如图1所示，为发明的风电机组塔筒整体载荷测量方法的流程图，包括如下步骤：s1，计算气流流经塔筒阻力载荷。
19.塔筒为圆筒型，气流流经塔筒看作圆柱绕流，气流流动参数re为：；式中，为气流密度，v为气流流速，d为塔筒特征长度，为气流动力粘性系数。
20.流经塔筒的气流产生的阻力载荷fa为：；式中，cd为阻力系数，a为有效截面积。
21.s2，计算塔筒的轴向载荷。
22.风轮和机舱对塔筒的轴向载荷计算:fz=g1+g2；其中，g1和g2分别表示风轮自重和机舱自重。
23.作用在塔筒轴向的偏心力矩可表示为:mg=g1x1+g2x2；其中，x1为风轮重心和塔筒重心之间的水平距离，x2为机舱重心和塔筒重心之间的水平距离。
24.s3，计算风轮对塔筒的推力载荷。
25.风作用在风轮上引起风轮推力变化，使风轮重心和塔筒重心偏离，产生的偏心力矩m
t
为：m
t
=f
t
h；式中，h为塔筒高度，f
t
为风轮对塔筒的推力载荷f
t
，推力载荷f
t
的计算公式为：
；式中，r为风轮半径(m),c
t
为推力系数。
26.在优选实施例中，根据大量数据统计，对塔筒左右方向载荷ms进行归一化处理后，ms与风轮功率p存在线性关系，用f(p)表示，由此进行拟合，可估算出塔筒左右方载荷大小。
27.即统计大量机组的左右方向载荷ms与风轮功率p，对两个变量进行公式拟合可估算出塔筒左右方载荷大小。
28.获取风机塔筒的左右方向载荷ms，采用如下公式进行计算：ms＝f(p) ；式中，f(p)表示ms与p的函数关系，p表示风轮功率。
29.上述公式通过预先获取的大量风机实际设计运行时的计算数据作为样本数据，统计即可得到。
30.s4，计算作用在塔筒上的风载荷。
31.在对塔筒承受的风载荷进行计算时，将塔筒看成高耸的建筑物，在高度z处的风载荷fk表示为:；式中，为风压高度变化系数，为风载荷系数，为z高度处的风振系数，为基本风压。
32.塔筒上的水平风载荷f
tk
表示为:f
tk
=fk（af/a）；式中，af为塔筒的迎风面积。
33.s5、计算塔筒整体载荷。
34.将步骤s1-s4中生成的载荷数据形成载荷数据集合，对各载荷数据分别按照时间间隔t进行采样，形成载荷数据矩阵f，载荷数据矩阵f的每一行的n个元素为每一种载荷数据按照时间间隔t采样后形成的数据序列，角标1和i代表第1个、第i个数据，载荷数据矩阵的每一列为每到一个时间间隔形成的不同种类的载荷数据集合，载荷数据矩阵f表示如下：.对于载荷数据矩阵e，分别计算出每一行数据序列的平均载荷则塔筒整体载荷e为：。
35.其中，和分别为平均载荷的权重。
36.在优选实施例中，还包括建立风机运行状态参数与载荷间的映射关系，重构风电机组主传动系统历史载荷。
37.选择实时的scada数据，对scada数据进行预处理，进行scada数据中相关变量集的趋势分析，然后通过相关性分析探究各状态参数之间的关联关系；建立风电机组主传动系统运行状态参数与风电机组载荷之间的映射关系，选择风电机组主传动系统历史状态数据，通过建立的映射关系模型重构风电机组的历史载荷。
38.建立神经网络模型，根据选取的风电机组的主传动系统状态参数作为神经网络模型的输入，以实测载荷作为网络模型的输出，对神经网络模型进行训练，得到风电机组主传动系统状态参数与风电机组载荷之间的映射关系模型；选取风电机组的主传动系统历史运行状态参数，建立风电机组主传动系统状态参数与风机载荷之间的映射关系模型，重构出风电机组主传动系统的历史载荷。
39.本发明还提出了一种风电机组塔筒整体载荷测量系统，用于实现上述风电机组塔筒整体载荷测量方法，图2为发明的风电机组塔筒整体载荷测量系统结构示意图。
40.包括：测量模块、载荷计算模块和处理模块。
41.测量模块，测量用于计算各种载荷的参数数据，形成参数数据集合。
42.例如，计算气流流经塔筒阻力载荷时，需要测量的参数为：气流密度，气流流速v，塔筒特征长度d，气流动力粘性系数。
43.载荷计算模块，根据参数数据集合，计算气流流经塔筒阻力载荷、塔筒的轴向载荷、风轮对塔筒的推力载荷和作用在塔筒上的风载荷。
44.处理模块，用于根据载荷计算模块计算结果计算塔筒整体载荷。
45.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，ssd))等。
46.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、计算气流流经塔筒阻力载荷f
a
为：；式中，c
d
为阻力系数，a为塔筒有效截面积，re为气流流动参数；s2、计算塔筒的轴向载荷f
z
为：f
z
=g1+g2；其中，g1和g2分别表示风轮自重和机舱自重；s3、计算风轮对塔筒的推力载荷f
t
为：；式中，气流密度，气流流速v，r为风轮半径，c
t
为推力系数；s4、计算作用在塔筒上的风载荷f
k
为：；式中，为z高度处的风压高度变化系数，为风载荷系数，为z高度处的风振系数，为基本风压；s5、计算塔筒整体载荷。2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，步骤s5中，将步骤s1-s4中生成的载荷数据形成载荷数据集合，对各载荷数据分别按照时间间隔t进行采样，分别计算各载荷数据的平均载荷则塔筒整体载荷e为：；其中，和分别为平均载荷，的权重。3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，对各载荷数据分别按照时间间隔t进行采样，形成载荷数据矩阵f，载荷数据矩阵f的每一行的n个元素为每一种载荷数据按照时间间隔t采样后形成的数据序列，角标1和i代表每一行的第1个、第i个元素，载荷数据矩阵的每一列为每到一个时间间隔形成的不同种类的载荷数据集合，载荷数据矩阵f表示如下：。4.根据权利要求1所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，步骤s1中，气流流动参数re为：；式中，为气流密度，v为气流流速，d为塔筒特征长度，为气流动力粘性系数。5.根据权利要求1所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，步骤s2中，作用在塔筒轴向的偏心力矩m
g
表示为：m
g
=g1x1+g2x2；其中，x1为风轮重心和塔筒重心之间的水平距离，x2为机舱重心和塔筒重心之间的水平
距离。6.根据权利要求1所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，步骤s3中，风轮对塔筒产生的偏心力矩m
t
为：m
t
=f
t
h；式中，h为塔筒高度，f
t
为风轮对塔筒的推力载荷。7.根据权利要求1所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，步骤s4中，塔筒上的水平风载荷f
tk
表示为:f
tk
=f
k
（a
f
/a）；式中，a
f
为塔筒的迎风面积。8.一种风电机组塔筒整体载荷测量系统，用于实现如权利要求1-7任意一项所述的风电机组塔筒整体载荷测量方法，其特征在于，包括：测量模块、载荷计算模块和处理模块；测量模块，测量用于计算各种载荷的参数数据，形成参数数据集合；载荷计算模块，根据参数数据集合，计算气流流经塔筒阻力载荷、塔筒的轴向载荷、风轮对塔筒的推力载荷和作用在塔筒上的风载荷；处理模块，用于根据载荷计算模块计算结果计算塔筒整体载荷。

技术总结
本发明提出了一种风电机组塔筒整体载荷测量系统及测量方法，涉及风电机组塔筒分析技术领域，测量计算各种载荷的参数数据，形成参数数据集合；根据参数数据集合，计算气流流经塔筒阻力载荷、塔筒的轴向载荷、风轮对塔筒的推力载荷和作用在塔筒上的风载荷；根据载荷计算模块计算结果计算塔筒整体载荷，提高塔筒整体载荷测量的准确性。体载荷测量的准确性。体载荷测量的准确性。


技术研发人员：金海龙 柳成林 张泽霖 唐莎莎 郭东旭
受保护的技术使用者：华电重工机械有限公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/20