一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法和系统与流程

本发明属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法和系统。

背景技术

随着近年风电机组装机量的提高，风电机组风轮直径的逐渐加大，轮毂高度也逐渐升高，风电机组中基础的用量也在急剧增加，其在风电机组总投资中所占比重也日益增加。

对于基础环式风电机组基础，塔筒和主机设计载荷通过基础环传递给基础。基础环作为预埋在基础混凝土内部的钢制部分，是基础和钢塔连接的过渡构件，也是塔筒与基础连接的关键构建。在塔底部位，风电机组设计载荷弯矩较大，基础环需要具有传递巨大弯矩的能力，能够满足对抗拔等承载力的要求。基础环底部混凝土的厚度、基础环底法兰上部混凝土的厚度以及刚进的布置，对基础环式基础的安全性均有重要的影响。

现有技术中在对风电机组地基基础环的设计载荷进行计算时考虑所有工况的极限情况，也就是说所有变量均取最大值，然后将各个变量的最大值进行组合，这样所计算的结果考虑的因素不够全面与风电机组地基基础环实际的设计载荷承受能力之间存在较大的误差，在这种设计载荷条件下设计的基础用量过于保守，不能够实现机组经济效益的最优。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法和系统，用于解决现有技术中在对风电机组地基基础环的设计载荷进行计算时，由于考虑因素不全面而造成计算结果与实际结果之间存在较大误差的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法，包括如下步骤：

(1)建立风电机组的仿真模型，根据设计需求对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到极限工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷；

(2)计算风电机组地基基础环短暂性设计载荷的主导设计载荷和持续性设计载荷的主导设计载荷，将其中较大者所对应的设计载荷作为风电机组地基基础环的极限设计载荷。

本发明所提供的技术方案，首先计算出风电机组地基基础环的持续性设计载荷和短暂性设计载荷，并以二者中主导设计载荷较大的情况为基础初始极限设计载荷。本发明所提供的技术方案综合考虑影响风电机组地基基础环设计载荷的各种因素，能够有效避免非主导设计载荷对设计载荷的影响，使设计载荷更安全可靠。

作为对基础环持续性设计载荷的进一步改进，对极限工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷进行筛选计算，得到正常工况、运维工况和启停机工况下塔底的设计载荷，将其中的最大值作为基础环持续性设计载荷。

作为对基础环短暂性设计载荷的进一步改进，基础环短暂性设计载荷是指在故障工况和极限风速下风电机组塔底的最大设计载荷。

作为对基础环极限扭矩的进一步改进，还包括计算因地基沉降和塔筒偏心产生的附加弯矩；将附加弯矩加入到所述风电机组地基基础环的极限设计载荷中，得到最终的基础环极限扭矩。

作为对附加扭矩的进一步改进，设风电机组塔筒的高度每增加一米，其重心偏心位移增加δs，因塔筒的加工制造误差导致塔筒重心偏心位移增加为δm，第i节塔筒的重量为gi，长度为li，共n节塔筒，塔筒的总高度为l，风轮的机舱总成重量为gt，则因地基沉降和塔筒偏心产生的附加弯矩为：

addt＝(δs+δm)[(gll1+g2(l1+l2)+…+gn(l1+l2+…+ln)+gt*l]。

作为对基础环最终极限扭矩的计算方法的进一步改进，设基础环的极限设计载荷为mxs、mys、mxys、mzs，附加弯曲距为mx＝mxs+addt，则得到的基础环最终极限扭矩为：

mx＝mxs+addt

my＝mys+addt

mz＝mzs。

为了确定风电机组地基基础环的疲劳设计载荷，还包括如下步骤：

根据设计需求对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到疲劳工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷；

将疲劳工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷划分为设定数量的区间，根据各区间所对应的时间计算疲劳设计载荷的加权均值；

采用雨流计数法计算风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷；

将疲劳设计载荷的加权均值作为平均值，结合风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷，计算出最终的疲劳设计载荷。

作为对疲劳设计载荷加权平均值的进一步改进，所述设定数量为n，其中第i个区间为bini，对应的时间为ti，0＜i≤n；所述疲劳设计载荷的加权均值为：

作为对等效疲劳设计载荷的进一步改进，设第i个区间的设计载荷幅值为rangi，对应的雨流循环数为cyclesi，疲劳设计载荷的等效循环次数为n，则s-n曲线中斜率m对应的等效疲劳设计载荷为：

一种风电机组地基基础环设计载荷的确定系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时，实现如下步骤：

(1)建立风电机组的仿真模型，根据设计需求对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到极限工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷；

(2)计算风电机组地基基础环短暂性设计载荷的主导设计载荷和持续性设计载荷的主导设计载荷，将其中较大者所对应的设计载荷作为风电机组地基基础环的极限设计载荷。

本发明所提供的技术方案，首先计算出风电机组地基基础环的持续性设计载荷和短暂性设计载荷，并以二者中主导设计载荷较大的情况为基础初始极限设计载荷。本发明所提供的技术方案综合考虑影响风电机组地基基础环设计载荷的各种因素，能够有效避免非主导设计载荷对设计载荷的影响，使设计载荷更安全可靠。

作为对基础环持续性设计载荷的进一步改进，对极限工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷进行筛选计算，得到正常工况、运维工况和启停机工况下塔底的设计载荷，将其中的最大值作为基础环持续性设计载荷。

作为对基础环短暂性设计载荷的进一步改进，基础环短暂性设计载荷是指在故障工况和极限风速下风电机组塔底的最大设计载荷。

作为对基础环极限扭矩的进一步改进，还包括计算因地基沉降和塔筒偏心产生的附加弯矩；将附加弯矩加入到所述风电机组地基基础环的极限设计载荷中，得到最终的基础环极限扭矩。

作为对附加扭矩的进一步改进，设风电机组塔筒的高度每增加一米，其重心偏心位移增加δs，因塔筒的加工制造误差导致塔筒重心偏心位移增加为δm，第i节塔筒的重量为gi，长度为li，共n节塔筒，塔筒的总高度为l，风轮的机舱总成重量为gt，则因地基沉降和塔筒偏心产生的附加弯矩为：

作为对基础环最终极限扭矩的计算方法的进一步改进，设基础环的极限设计载荷为mxs、mys、mxys、mzs，附加弯曲距为mx＝mxs+addt，则得到的基础环最终极限扭矩为：

mx＝mxs+addt

my＝mys+addt

mz＝mzs。

为了确定风电机组地基基础环的疲劳设计载荷，还包括如下步骤：

根据设计需求对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到疲劳工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷；

将疲劳工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷划分为设定数量的区间，根据各区间所对应的时间计算疲劳设计载荷的加权均值；

采用雨流计数法计算风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷；

将疲劳设计载荷的加权均值作为平均值，结合风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷，计算出最终的疲劳设计载荷。

作为对疲劳设计载荷加权平均值的进一步改进，所述设定数量为n，其中第i个区间为bini，对应的时间为ti，0＜i≤n；所述疲劳设计载荷的加权均值为：

作为对等效疲劳设计载荷的进一步改进，设第i个区间的设计载荷幅值为rangi，对应的雨流循环数为cyclesi，疲劳设计载荷的等效循环次数为n，则s-n曲线中斜率m对应的等效疲劳设计载荷为：

附图说明

图1为方法实施例中风电机组地基基础环极限设计载荷确定方法的步骤；

图2为方法实施例中风电机组地基基础环设计载荷确定方法的具体实施流程图；

图3为方法实施例中风电机组施加载荷的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法和系统，用于解决现有技术中在对风电机组地基基础环的设计载荷进行计算时，由于考虑因素不全面而造成计算结果与实际结果之间存在较大误差的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法，包括如下步骤：

(1)建立风电机组的仿真模型，根据设计需求对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到极限工况下风电机组塔底的时间序列设计载荷；

(2)计算风电机组地基基础环短暂性设计载荷的主导设计载荷和持续性设计载荷的主导设计载荷，将其中较大者所对应的设计载荷作为风电机组地基基础环的极限设计载荷。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本实施例提供一种风电机组地基基础环设计载荷的确定方法，用于对风电机组地基基础环的设计载荷进行计算，为风电机组地基基础环的设计提供数据支持。

本实施例所提供的风电机组地基基础环设计载荷的确定方法，其主要流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)建立风电机组的仿真模型，计算风电机组塔底极限工况下的时间序列设计载荷；

(2)搭建风电机组地基基础环的设计载荷计算的数学计算模型，根据设计需求计算基础环的极限设计载荷；

(3)搭建风电机组地基基础环的设计载荷计算的数学计算模型，根据设计需求计算基础环的疲劳设计载荷。

上述步骤的具体实施方法如图2所示，具体为：

在上述步骤(1)中，所建立的风电机组仿真模型为风电机组的bladed仿真模型，将风电机组样机部件的相关参数导入仿真模型，建立与风电机组样机功能相当的风力发电机组仿真模型；按照设计需求，在极限工况下对风电机组仿真模型进行仿真计算，得到在极限工况下风电机组塔底设计载荷mx、my、mxy、mz、fx、fy、fxy、fz的时间序列设计载荷，如图3所示，其中mx、my、mz分别表示x、y、z轴方向上的力矩，fx、fy、fz分别表示x、y、z轴方向上的力，mxy表示x轴方向和y轴方向的合成力矩，fxy表示x轴方向和y轴方向的合成力矩。本实施例中，风电机组极限工况设置条件根据风电机组认证指南gl规定确定，设定的风电机组外部条件和运行状态，尽可能模拟风电机组实际承载情况。

在上述步骤(2)中，首先对塔底在极限工况下的时间序列设计载荷进行筛选，得到在正常工况下、运维工况下和启停工况下塔底的设计载荷，将其中最大的设计载荷作为基础环的持续性设计载荷；然后对故障工况下和极限风速下塔底的设计载荷进行计算，将其中较大的设计载荷作为基础环的短暂性设计载荷；最后对比基础环持续性设计载荷和短暂性设计载荷的主导设计载荷，将其中主导设计载荷较大的设计载荷作为基础环的始极限设计载荷。

为了消除由于制造安装误差和地基沉降导致塔筒的重心偏移，本实施例所提供的风电机组地基基础环极限设计载荷的确定方法还包括如下步骤：

假设风电机组塔筒的高度每增加一米时，其重心偏心位移增加δs，因塔筒的加工制造误差导致塔筒重心偏心位移增加为δm；设第i节塔筒的重量为gi，长度为li，共n节塔筒，塔筒的总高度为l，风轮的机舱总成重量为gt，则因地基沉降和塔筒偏心产生的附加弯矩为：

addt＝(δs+δm)[(g1l1+g2(l1+l2)+…+gn(l1+l2+…+ln)+gt*l]。

设上述计算出的基础初始极限设计载荷mxs、mys、mxys、mzs，则基础环的极限扭矩为：

mx＝mxs+addt

my＝mys+addt

mz＝mzs。

上述步骤(3)中，通过对疲劳工况下塔底的设计载荷情况进行统计，确定疲劳设计载荷时间分布情况，该设计载荷简称为ldd设计载荷；按照标准的瑞利分布或者依据所要建设风电场的风速频率分布给各个疲劳仿真工况赋予时间，将疲劳工况下塔底的设计载荷序列按照大小平均划分成n个区间，设其中第i个区间为bini，该区间对应的时间为ti，0＜i≤n，则塔底疲劳设计载荷的加权均值为：

采用雨流计数法计算风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷，在对疲劳工况的时间序列设计载荷进行雨流计数统计时，设第i个区间的设计载荷幅值为rangi，对应的雨流循环数为cyclesi，疲劳设计载荷的等效循环次数为n，则s-n曲线中斜率m对应的等效疲劳设计载荷为：

其中为rangi的m次方，s-n曲线是指以疲劳载荷强度为纵坐标，以疲劳寿命对数为横坐标的曲线。

加权均值和等效疲劳载荷均从疲劳时序载荷中计算得来，加权均值用来衡量基础环载荷的波动基准，也就是载荷在加权均值附近上下波动，而等效疲劳载荷更多的反映载荷波动的次数和波动的幅值，两者结合，能够确定基础环的疲劳设计载荷。因此，将疲劳设计载荷的加权均值作为平均值，结合风电机组地基基础环的等效疲劳设计载荷，计算出最终的疲劳设计载荷。

系统实施例：

本实施例提供一种风电机组地基基础环设计载荷的确定系统，包括存储器和处理器，存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；处理器执行存储器上存储的计算机程序时，实现如方法实施例中所提供的风电机组地基基础环设计载荷的确定的步骤。