[发明专利]用于确定风力涡轮机的动力系中的疲劳损伤的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定至少一个旋转轴的扭矩变化以及所导致的不同动力系部件的疲劳损伤的方法。

本发明尤其用于具有动力系的风力涡轮机中的设计和/或维护操作，所述动力系包括高速轴和低速轴。在使用中，所述高速和低速轴以不同的速度转动，所述速度以一定的速度比率关联起来。

背景技术

风力涡轮机的动力系需要将一定速度的输入扭矩从低速轴(与转子和叶片相关联)传递到高速轴(与将所述给定速度的输入扭矩转换成电功率的发电机相关联)。

目前的风力涡轮机是对疲劳有严格要求的机器，因此为了评估疲劳损伤以便设计各个风力涡轮机内的动力系和/或维护操作，得知风力涡轮机动力系的低速轴上的所述输入扭矩的值是很重要的。这可以通过确定动力系中、尤其是低速轴上的扭矩振荡来实现。

本发明能够精确地评估风力涡轮机转子的低速轴中的扭矩振荡。将该低速轴扭矩值与待分析的部件材料的疲劳性能以及年度风速分布一起加以分析，就能够精确地获知疲劳损伤以及该风力涡轮机随后的使用寿命。

通常，操作控制和数据记录系统可提供与发电机中的电功率及发电机(即高速轴)中的角速度相关的精确数值。但是，很难精确地获得转子(低速轴)中的输入扭矩值以及所述低速轴中的角速度值。由于缺少低速轴上的输入扭矩值，目前还不能直接且容易地获得风力涡轮机动力系所承受的扭矩值。

典型地通过试验方法与经由应变仪装置进行的机械测量相结合来直接测量低速轴上的应力值，得到低速轴扭矩值。这样做的成本很高，尤其是在考虑必须对每个动力系进行测量时。

本发明提供了一种方法，通过该方法，能够根据风力涡轮机发电机的电扭矩和角速度精确地评估由于风力涡轮机动力系中扭矩振荡所导致的疲劳损伤。

通过得知每个风力涡轮机的疲劳损伤值，可以考虑风力涡轮机中的关键部件(轴、齿轮、轴承等)在这些部件损坏之前进行测量，否则会导致比在某个部件损坏之前更换该部件成本高得多的损失。本发明的方法提供了在任何时刻获知风力涡轮机动力系内的部件状态的可能性。

因此，本发明所述的方法能够确定在已经超出了设计疲劳极限时各个风力涡轮机是否需要更换某些部件，从而能够实现适当的维护操作。

另外，本发明所述的方法还允许参照通过软件仿真得到并已在部件设计中加以考虑的疲劳负荷来验证设计假定。这种验证通常借助于样机内的一系列测量来实现。根据本发明的方法允许根据导致疲劳的可用数值来执行这样的验证。

发明内容

本发明提供了一种用于确定至少一个旋转轴的扭矩变化以及所导致的对不同动力系部件的疲劳损伤的方法，用于风力涡轮机的设计和/或维护操作。本发明能够获知单个风力涡轮机或整个风力发电站内动力系的疲劳情况变化，其中所述动力系包括一个高速轴和一个低速轴。

本发明所述方法包括确定风力涡轮机的高速轴上的扭矩、惯性矩和角加速度的步骤。这些确定通过直接测量发电机上的所述值来实现。为了确定高速轴的角加速度，可使用高速轴上角速度的时间导数。

本发明所述方法还包括通过用各个轴上的速度的速度比率乘以高速轴的扭矩减去高速轴的角速度与惯性矩的乘积的结果来确定风力涡轮机的低速轴的扭矩的步骤。

为了确定风力涡轮机动力系的低速轴上的扭矩值变化，可采用雨流计数算法。所述对低速轴的扭矩值应用雨流计数算法的步骤至少可针对一个扭矩平均值执行。

这种雨流计数过程的结果是一个数据矩阵，包括各个扭矩均值处对于各个扭矩范围的周期数。这使得能够以适合于风力涡轮机中的部件分析的格式存储业务测量结果，例如疲劳寿命预测和仿真测试。

本发明还包括确定各个待分析部件的每个点处的扭矩和材料中的应力之间的关系的另一个步骤。这种关系由应用于扭矩值的一个因数或非线性等式给出，以对于每个平均应力值得到应力范围内的周期数。

当该等式为线性时，其可以被简化为一个因数。在任何情况下，扭矩和应力之间的关系需要通过解析计算或者有限元方法(FEM)来确定，同时考虑待分析部件的形状和材料。

作为替代，上述的另一个步骤可针对张力值而不是应力值来执行，从而可以确定该等式给出了各个待分析部件的每个点处的扭矩与材料中的张力之间的关系。当该等式为线性时，其被简化为一个因数。在任何情况下，扭矩和张力之间的关系需要通过解析计算或通过FEM来确定。

随后，通过将相应的等式应用于扭矩值，可以将扭矩变化值转换成应力或张力的变化，即对于每个部件分析点可得到一个应力范围-平均应力值矩阵，或者张力范围-平均张力值矩阵。