一种大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风电技术领域，特别涉及一种大型风电机组叶片多重载荷在线识别方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，世界风电产业得到迅速发展，在2010年底，全世界风力发电机年发电量 已超过英国的电力需求，约占全球电量总需求的2. 5 %，这一数字在2011年底增加至3 %， 2013年为3. 5%。在一些国家和地区，风电已成为最大的电力来源之一，如丹麦、葡萄牙、西 班牙和德国等国家。截至2013年的统计数据，中国已迅速发展成为世界上风电装机量最大 的国家，超过全世界27%。
[0003] 目前，大型水平轴式风电机组是风电场的主流机型，一般由叶片、轮毂、机舱、发电 机和塔架等部件组成。叶片是风电机组能量转换的主要部件，由叶片和轮毂组成的风轮是 能量捕获机构，将风能转换成机械能；与此同时，叶片又是风电机组力源，主要的承载部件， 在风电机组运行过程中承受重力载荷、离心力载荷、惯性载荷以及复杂的气动载荷，对整个 风电机组安全运行起着关键作用。
[0004] 随着风电机组装机容量的增加，风电机组的尺寸、单机容量也在逐渐增大，尤其是 风电机组叶片尺寸的增大，使得叶片制造、运输和安装的成本增加，叶片一旦遭受不可修复 的损坏，高昂的维护费用和停机损失将对企业的生存发展带来巨大挑战，也将影响我国风 电行业的健康发展。因此，为保障风电机组安全可靠运行，对于风电机组叶片运行状态的实 时监测也越来越重要。
[0005] 为保障风电机组在服役周期内安全可靠运行，在工程界和学术界对叶片载荷测试 进行了大量研宄，主要有基于应变片的载荷测量、基于光纤的载荷测量等方式，通过这些测 量方式获得了大量叶片载荷的实测数据。但由于叶根载荷是多重载荷共同作用的结果，如 何从实测数据中提取出重力、离心力、惯性力、气动力等信息一直是工程技术难题。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明是提供一种能对多重载荷进行有 效的提取和在线识别的大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
[0008] (1)设定大型风电机组坐标系及坐标系之间的变换关系；
[0009] 建立的大型风电机组坐标系包括机舱固定坐标系xyz，轮毂旋转坐标系XtiytlZ tl和 叶片旋转坐标系X1Y1Z1;叶片旋转坐标系X ^1Z1随叶片一起运动，X 4自与叶片第一个翼型截 面弦线重合，Z1轴与叶片变桨轴线重合，y 1与X JP z i的位置关系符合右手定则；
[0010] (2)确定叶根周向与叶片轴向应变片布置方式；
[0011] 叶根周向与叶片轴向应变片布置方式是在坐标系X1Y1Z1与叶根圆轮廓线的四个交 点处，布置四个应变片；在坐标系XlylZl内的χοζ平面上，沿变桨轴线在叶片中心横梁上从 叶根至叶尖布置四个应变片测量叶片沿y方向的变形；在坐标系X1Y1Z1内的yoz平面上，沿 变桨轴线在叶片前缘上从叶根至叶尖布置四个应变片测量叶片沿X方向的变形；
[0012] (3)采用数据处理算法对叶片多重载荷进行分解；
[0013] 将叶根上承受的载荷在坐标系XlylZl内沿三个坐标轴进行分解，获得四个应变片 应变值与Z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量的对应关系；由叶片质量分布特征在坐标 系xyz内求得叶片重力信息，根据坐标变换矩阵进一步求得重力在坐标系XlylZl内沿z轴方 向力分量，X轴、y轴方向力矩分量；由叶片质量分布特征、风轮转速在坐标系Xoy tlZci内求得 叶片离心力和惯性力信息，根据坐标变换矩阵进一步求得离心力和惯性力在坐标系 XlylZl 内沿Z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量；四个应变片测得的z轴方向力分量，X轴、y 轴方向力矩分量分别减去重力、离心力和惯性力在z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量 后，即得到气动力在z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量；
[0014] (4)采用轮廓变形修正算法对载荷进行修正；
[0015] 轮廓变形修正算法是由叶片轴向布置应变片获得叶片在坐标系X1Y1Z 1内沿X轴、y 轴方向轮廓变形，进一步求得叶片轮廓变形后每一个微元在坐标系Xc^Zo内的有效半径，获 得离心力、惯性力的修正值，并基于坐标变换矩阵转换到坐标系X 1Y1Z1内，从而获得修正后 的气动力在Z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量。
[0016] 所述步骤（1)中大型风电机组坐标系及坐标系之间的变换关系，从坐标系xyz到 坐标系XciyciZci的变换矩阵为
[0017]
【主权项】
1. 一种大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 设定大型风电机组坐标系及坐标系之间的变换关系； 建立的大型风电机组坐标系包括机舱固定坐标系xyz，轮毂旋转坐标系XtiytlZtl和叶片 旋转坐标系X1Y1Z1;叶片旋转坐标系X J1Z1随叶片一起运动，X i轴与叶片第一个翼型截面弦 线重合，Z1轴与叶片变桨轴线重合，y 1与X JP z i的位置关系符合右手定则； (2) 确定叶根周向与叶片轴向应变片布置方式； 叶根周向与叶片轴向应变片布置方式是在坐标系XlylZl与叶根圆轮廓线的四个交点 处，布置四个应变片；在坐标系X1Y1Z1内的XOZ平面上，沿变桨轴线在叶片中心横梁上从叶 根至叶尖布置四个应变片测量叶片沿y方向的变形；在坐标系X iyiZ1内的yoz平面上，沿变 桨轴线在叶片前缘上从叶根至叶尖布置四个应变片测量叶片沿X方向的变形； (3) 采用数据处理算法对叶片多重载荷进行分解； 将叶根上承受的载荷在坐标系XlylZl内沿三个坐标轴进行分解，获得四个应变片应变 值与Z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量的对应关系；由叶片质量分布特征在坐标系 xyz内求得叶片重力信息，根据坐标变换矩阵进一步求得重力在坐标系X1Y1Z1内沿z轴方向 力分量，X轴、y轴方向力矩分量；由叶片质量分布特征、风轮转速在坐标系Xoy tlZci内求得叶 片离心力和惯性力信息，根据坐标变换矩阵进一步求得离心力和惯性力在坐标系 XlylZl内 沿Z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量；四个应变片测得的z轴方向力分量，X轴、y轴 方向力矩分量分别减去重力、离心力和惯性力在z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量 后，即得到气动力在z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量； (4) 采用轮廓变形修正算法对载荷进行修正； 轮廓变形修正算法是由叶片轴向布置应变片获得叶片在坐标系XlylZl内沿X轴、y轴方 向轮廓变形，进一步求得叶片轮廓变形后每一个微元在坐标系Xc^Zo内的有效半径，获得离 心力、惯性力的修正值，并基于坐标变换矩阵转换到坐标系X 1Y1Z1内，从而获得修正后的气 动力在z轴方向力分量，X轴、y轴方向力矩分量。
2. 如权利要求1所述的大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法，其特征在于，所述 步骤（1)中大型风电机组坐标系及坐标系之间的变换关系，从坐标系xyz到坐标系Xc^z q的 变换矩阵为
其中，ω为χοζ平面绕y(l轴旋转的角速度，ω?为1(!与X轴以及z 与z轴的夹角； 从坐标系坐标系χ JizI的变换矩阵为
其中，β、τ、Θ分别为轮毂旋转坐标系^而绕ζ ^轴旋转的桨距角、绕X ^轴旋转的风 轮仰角、绕轴旋转的叶片安装方位角。
3.如权利要求1所述的大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法，其特征在于，所述 步骤⑵中所述四个应变片各的应变值变化量分别为ε2、ε3、ε4，所述步骤⑶中叶 根上承受的载荷在旋转坐标系 XlylZl内沿三个坐标轴进行分解，获得四个应变片应变值与 ζ轴方向力分量Fzl以及摆振力矩Mxl、挥舞力矩Myl的对应关系，为
【专利摘要】本发明公开了一种大型风电机组叶片多重载荷在线识别方法，包括以下步骤：(1)设定大型风电机组坐标系及坐标系之间的变换关系；(2)确定叶根周向与叶片轴向应变片布置方式；(3)采用数据处理算法对叶片多重载荷进行分解；(4)采用轮廓变形修正算法对载荷进行修正。本发明具有能对重力载荷、离心力载荷、惯性载荷以及复杂的气动载荷等多重载荷进行有效的提取和在线识别，从实测数据中提取出重力、离心力、惯性力、气动力等信息，采用计算机对上述计算算法进行实时计算，进行迅速、准确的大叶片多重载荷在线识别，保障了大型风电机组在服役周期内安全可靠运行。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104732060
【申请号】CN201510025974
【发明人】戴巨川, 张帆, 刘德顺, 沈意平, 龙辛, 杨书仪
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年1月19日