一種大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風電技術領域，特別涉及一種大型風電機組葉片多重載荷在線識別方 法。
【背景技術】
[0002] 近年來，世界風電產業得到迅速發展，在2010年底，全世界風力發電機年發電量 已超過英國的電力需求，約占全球電量總需求的2. 5 %，這一數字在2011年底增加至3 %， 2013年為3. 5%。在一些國家和地區，風電已成為最大的電力來源之一，如丹麥、葡萄牙、西 班牙和德國等國家。截至2013年的統計數據，中國已迅速發展成為世界上風電裝機量最大 的國家，超過全世界27%。
[0003] 目前，大型水平軸式風電機組是風電場的主流機型，一般由葉片、輪轂、機艙、發電 機和塔架等部件組成。葉片是風電機組能量轉換的主要部件，由葉片和輪轂組成的風輪是 能量捕獲機構，將風能轉換成機械能；與此同時，葉片又是風電機組力源，主要的承載部件， 在風電機組運行過程中承受重力載荷、離心力載荷、慣性載荷以及復雜的氣動載荷，對整個 風電機組安全運行起著關鍵作用。
[0004] 隨著風電機組裝機容量的增加，風電機組的尺寸、單機容量也在逐漸增大，尤其是 風電機組葉片尺寸的增大，使得葉片制造、運輸和安裝的成本增加，葉片一旦遭受不可修復 的損壞，高昂的維護費用和停機損失將對企業的生存發展帶來巨大挑戰，也將影響我國風 電行業的健康發展。因此，為保障風電機組安全可靠運行，對于風電機組葉片運行狀態的實 時監測也越來越重要。
[0005] 為保障風電機組在服役周期內安全可靠運行，在工程界和學術界對葉片載荷測試 進行了大量研宄，主要有基于應變片的載荷測量、基于光纖的載荷測量等方式，通過這些測 量方式獲得了大量葉片載荷的實測數據。但由于葉根載荷是多重載荷共同作用的結果，如 何從實測數據中提取出重力、離心力、慣性力、氣動力等信息一直是工程技術難題。

【發明內容】

[0006] 為了解決現有技術存在的上述技術問題，本發明是提供一種能對多重載荷進行有 效的提取和在線識別的大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法。
[0007] 本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟：
[0008] (1)設定大型風電機組坐標系及坐標系之間的變換關系；
[0009] 建立的大型風電機組坐標系包括機艙固定坐標系xyz，輪轂旋轉坐標系XtiytlZ tl和 葉片旋轉坐標系X1Y1Z1;葉片旋轉坐標系X ^1Z1隨葉片一起運動，X 4自與葉片第一個翼型截 面弦線重合，Z1軸與葉片變槳軸線重合，y 1與X JP z i的位置關系符合右手定則；
[0010] (2)確定葉根周向與葉片軸向應變片布置方式；
[0011] 葉根周向與葉片軸向應變片布置方式是在坐標系X1Y1Z1與葉根圓輪廓線的四個交 點處，布置四個應變片；在坐標系XlylZl內的χοζ平面上，沿變槳軸線在葉片中心橫梁上從 葉根至葉尖布置四個應變片測量葉片沿y方向的變形；在坐標系X1Y1Z1內的yoz平面上，沿 變槳軸線在葉片前緣上從葉根至葉尖布置四個應變片測量葉片沿X方向的變形；
[0012] (3)采用數據處理算法對葉片多重載荷進行分解；
[0013] 將葉根上承受的載荷在坐標系XlylZl內沿三個坐標軸進行分解，獲得四個應變片 應變值與Z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量的對應關系；由葉片質量分布特征在坐標 系xyz內求得葉片重力信息，根據坐標變換矩陣進一步求得重力在坐標系XlylZl內沿z軸方 向力分量，X軸、y軸方向力矩分量；由葉片質量分布特征、風輪轉速在坐標系Xoy tlZci內求得 葉片離心力和慣性力信息，根據坐標變換矩陣進一步求得離心力和慣性力在坐標系 XlylZl 內沿Z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量；四個應變片測得的z軸方向力分量，X軸、y 軸方向力矩分量分別減去重力、離心力和慣性力在z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量 后，即得到氣動力在z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量；
[0014] (4)采用輪廓變形修正算法對載荷進行修正；
[0015] 輪廓變形修正算法是由葉片軸向布置應變片獲得葉片在坐標系X1Y1Z 1內沿X軸、y 軸方向輪廓變形，進一步求得葉片輪廓變形后每一個微元在坐標系Xc^Zo內的有效半徑，獲 得離心力、慣性力的修正值，并基于坐標變換矩陣轉換到坐標系X 1Y1Z1內，從而獲得修正后 的氣動力在Z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量。
[0016] 所述步驟（1)中大型風電機組坐標系及坐標系之間的變換關系，從坐標系xyz到 坐標系XciyciZci的變換矩陣為
[0017]
【主權項】
1. 一種大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 設定大型風電機組坐標系及坐標系之間的變換關系； 建立的大型風電機組坐標系包括機艙固定坐標系xyz，輪轂旋轉坐標系XtiytlZtl和葉片 旋轉坐標系X1Y1Z1;葉片旋轉坐標系X J1Z1隨葉片一起運動，X i軸與葉片第一個翼型截面弦 線重合，Z1軸與葉片變槳軸線重合，y 1與X JP z i的位置關系符合右手定則； (2) 確定葉根周向與葉片軸向應變片布置方式； 葉根周向與葉片軸向應變片布置方式是在坐標系XlylZl與葉根圓輪廓線的四個交點 處，布置四個應變片；在坐標系X1Y1Z1內的XOZ平面上，沿變槳軸線在葉片中心橫梁上從葉 根至葉尖布置四個應變片測量葉片沿y方向的變形；在坐標系X iyiZ1內的yoz平面上，沿變 槳軸線在葉片前緣上從葉根至葉尖布置四個應變片測量葉片沿X方向的變形； (3) 采用數據處理算法對葉片多重載荷進行分解； 將葉根上承受的載荷在坐標系XlylZl內沿三個坐標軸進行分解，獲得四個應變片應變 值與Z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量的對應關系；由葉片質量分布特征在坐標系 xyz內求得葉片重力信息，根據坐標變換矩陣進一步求得重力在坐標系X1Y1Z1內沿z軸方向 力分量，X軸、y軸方向力矩分量；由葉片質量分布特征、風輪轉速在坐標系Xoy tlZci內求得葉 片離心力和慣性力信息，根據坐標變換矩陣進一步求得離心力和慣性力在坐標系 XlylZl內 沿Z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量；四個應變片測得的z軸方向力分量，X軸、y軸 方向力矩分量分別減去重力、離心力和慣性力在z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量 后，即得到氣動力在z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量； (4) 采用輪廓變形修正算法對載荷進行修正； 輪廓變形修正算法是由葉片軸向布置應變片獲得葉片在坐標系XlylZl內沿X軸、y軸方 向輪廓變形，進一步求得葉片輪廓變形后每一個微元在坐標系Xc^Zo內的有效半徑，獲得離 心力、慣性力的修正值，并基于坐標變換矩陣轉換到坐標系X 1Y1Z1內，從而獲得修正后的氣 動力在z軸方向力分量，X軸、y軸方向力矩分量。
2. 如權利要求1所述的大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法，其特征在于，所述 步驟（1)中大型風電機組坐標系及坐標系之間的變換關系，從坐標系xyz到坐標系Xc^z q的 變換矩陣為
其中，ω為χοζ平面繞y(l軸旋轉的角速度，ω?為1(!與X軸以及z 與z軸的夾角； 從坐標系坐標系χ JizI的變換矩陣為
其中，β、τ、Θ分別為輪轂旋轉坐標系^而繞ζ ^軸旋轉的槳距角、繞X ^軸旋轉的風 輪仰角、繞軸旋轉的葉片安裝方位角。
3.如權利要求1所述的大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法，其特征在于，所述 步驟⑵中所述四個應變片各的應變值變化量分別為ε2、ε3、ε4，所述步驟⑶中葉 根上承受的載荷在旋轉坐標系 XlylZl內沿三個坐標軸進行分解，獲得四個應變片應變值與 ζ軸方向力分量Fzl以及擺振力矩Mxl、揮舞力矩Myl的對應關系，為
【專利摘要】本發明公開了一種大型風電機組葉片多重載荷在線識別方法，包括以下步驟：(1)設定大型風電機組坐標系及坐標系之間的變換關系；(2)確定葉根周向與葉片軸向應變片布置方式；(3)采用數據處理算法對葉片多重載荷進行分解；(4)采用輪廓變形修正算法對載荷進行修正。本發明具有能對重力載荷、離心力載荷、慣性載荷以及復雜的氣動載荷等多重載荷進行有效的提取和在線識別，從實測數據中提取出重力、離心力、慣性力、氣動力等信息，采用計算機對上述計算算法進行實時計算，進行迅速、準確的大葉片多重載荷在線識別，保障了大型風電機組在服役周期內安全可靠運行。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104732060
【申請號】CN201510025974
【發明人】戴巨川, 張帆, 劉德順, 沈意平, 龍辛, 楊書儀
【申請人】湖南科技大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年1月19日