[发明专利]水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法

说明书

本发明提供的一种变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法，包括以下步骤：步骤1，在试验机组风轮顺桨空转、机械刹车系统处于关闭条件下，在t_n～t_n+m时间段内，以F的采样频率，采集与叶根连接的每根高强螺栓的轴力数据，得到每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果；步骤2，根据步骤1得到的每根高强螺栓的m组轴力数据时域结果，计算每根高强螺栓的螺栓预紧力；步骤3，在试验机组正常运行情况下，采集与叶根连接的每根高强螺栓的实测轴力数据；步骤4，利用步骤3得到的实测轴力数据和步骤2得到的螺栓预紧力计算得到叶根截面载荷分量；本发明提供的方法有效节约了试验成本，有效简化了试验设计环节的工作，减少了误差引入的途径。

技术领域

本发明涉及风力发电机组叶根连接高强螺栓，特别涉及变速变桨型水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法。

背景技术

随着变速变桨型水平轴风力发电机组单机容量大型化、轻量化的发展趋势不断推进，叶片设计制造技术进展显著，长度增加、功率增大、重量减轻、安全裕度降低，叶根连接高强螺栓需要承受的载荷也对应增高、安全风险加大。考虑到安全监测的实际需求，特别是对于偏远的陆上风电场或海上风电场，因为运维成本高、作业难度大，对实际螺栓安全性以及运行状态的监测就显得尤为重要。

在监测过程中，无论使用何种传感器，例如应变片、加速度传感器、声发射传感器等，都是通过测量高强螺栓轴力变化判断螺栓连接安全性。高强螺栓的轴力主要由两部分载荷分量构成，其一是螺栓预紧力，其二是截面载荷分量(由高强螺栓轴力传递的截面载荷，包括展向力和径向弯矩)。

现有的几种监测方法及其技术缺陷：

1)基于高强螺栓轴力监测比对，判断螺栓连接安全性。高强螺栓轴力是螺栓预紧力和截面载荷分量的叠加，其数据变化反映的是二者合成量的变化。该方法比较难有针对性地判断是螺栓本身还是连接结构出现了问题，需要人工逐一排查，增加了运行维护的时间和成本。

2)在方法1)基础上，通过截面径向弯矩载荷标定，确定典型角度高强螺栓轴力与截面径向弯矩载荷的线性关系(叶根最大受力螺栓位置主要由叶根截面径向弯矩方向决定，简化认为展向力分量相比径向弯矩分量可以忽略)。由典型角度高强螺栓轴力实时结果，线性外推得到截面径向弯矩载荷。根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面径向弯矩载荷分量，将轴力减去截面径向弯矩载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。该方法基于截面径向弯矩载荷与典型角度高强螺栓轴力、截面径向弯矩载荷分量间关系不变的假定，螺栓预紧力和截面径向弯矩载荷分量间并未实现真实解耦，也无法区分开螺栓预紧力和截面展向力载荷分量，相关的误差会全部转移到螺栓预紧力结果中，造成部分误判或漏判。

3)在方法2)基础上，增加传感器，例如应变片，布置于靠近连接截面但并未被螺栓预紧力影响的区域，通过截面径向弯矩载荷标定，同时确定多组典型角度应变片应力与截面径向弯矩载荷的线性关系。由典型角度应变片应力实时结果，线性外推得到截面展向力载荷和截面径向弯矩载荷。通过多组外推截面载荷比对，判断连接结构安全性，确定同时刻唯一截面展向力载荷和截面径向弯矩载荷。根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面载荷分量，将轴力减去截面载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。该方法实现了螺栓预紧力和截面载荷分量间的真实解耦，但传感器的增加使得监控数据量和运行维护难度增大，外推结果间的比对判断使得数据处理过程复杂、误差引入的途径增多。

4)试验机组顺桨停机，调整风轮旋转角度，将待测叶片竖直向下，锁定风轮。忽略叶片承受的气动力，主要考虑叶片重力作用，根据结构数值分析结果，确定高强螺栓上的截面载荷分量，将轴力减去截面载荷分量就得到螺栓预紧力。通过螺栓预紧力数据变化，判断螺栓安全性。螺栓预紧力在一段时间内相对稳定，故待机组正常运行时，将轴力减去螺栓预紧力就得到截面载荷分量。通过截面载荷分量数据变化，判断连接结构安全性。该方法也实现了螺栓预紧力和截面载荷分量间的真实解耦，但每次监控螺栓预紧力时需要调整并锁定风轮，试验耗时且存在安全性风险隐患。