[发明专利]一种风电机组塔筒寿命预测方法、系统、设备及存储介质

权利要求书

1.一种风电机组塔筒寿命预测方法，待测风电机组的塔筒筒体上安装有若干个连接件，连接件与塔筒筒体的连接处安装有位移传感器(10)，连接件为法兰，法兰与塔筒筒体的连接处设有焊缝，塔筒筒体上设有筒体环段，法兰上设有螺栓，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过位移传感器(10)测量法兰的位移数据，并将位移数据传输至上位机中进行处理；

S2：基于上位机处理后的数据计算每一层法兰上的工作载荷；

S2所述法兰工作载荷的计算过程包括以下步骤：

步骤21)对于第j层法兰，法兰上设有螺栓，螺栓一端设有垫片，设该法兰上各个螺栓预警初始的预紧力为F₀，对法兰上所有螺栓施加预紧力F₀且无工作载荷作用状态下位移传感器(10)上两个测量点的间距为L₁，垫片及连接件总厚度为L₂，螺栓刚度为C₁，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C₂；

然后在预紧力F₀作用下，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F₀/C₂，通过公式(1)～公式(3)分别计算螺栓应力S_{_bolt}、螺栓拉力F₁和螺栓连接处的外部载荷F₂：

S_{_bolt}＝F₁/A (1)

F₁＝F₀+ΔF₁ (2)

F₂＝ΔF₁+ΔF₂ (3)

式中，A表示螺栓最小直径处的截面积，ΔF₁表示螺栓拉力增加值，ΔF₂表连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值；

情况(a)，当位移传感器(10)的两个测量点所测的法兰轴向相对位移为向法兰外侧增加ΔL，该螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用，且ΔL≤(L₁/L₂)×F₀/C₂时，ΔF₁和ΔF₂分别通过公式(4)和公式(5)计算：

ΔF₁＝k₁×(L₂/L₁)×ΔL×C₁ (4)

ΔF₂＝k₁×(L₂/L₁)×ΔL×C₂ (5)

式中，k₁表示位移传感器(10)的两个测量点所测的法兰轴向相对位移增加△L时，螺栓长度变化量与(L₂/L₁)×ΔL之间的比例系数；

情况(b)，当位移传感器(10)的两个测量点所测法兰轴向相对位移为向法兰外侧增加ΔL，该螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用，且ΔL＞(L₁/L₂)×F₀/C₂时，ΔF₂＝F₀，螺栓拉力增加值ΔF₁通过以下公式计算：

ΔF₁＝k₂×(L₂/L₁)×ΔL×C₁ (6)

式中，k₂表示螺栓长度增加值与上垫片与下垫片外缘间距增加值的比例系数；

情况(c)，当位移传感器(10)的两测量点所测法兰轴向相对位移为向法兰内侧减少ΔL时，垫片与连接件整体受到压紧性外载荷作用，

ΔF₁＝k₃×(L₂/L₁)×(-ΔL)×C₁ (7)

ΔF₂＝k₃×(L₂/L₁)×(-ΔL)×C₂ (8)

式中，k₃表示位移传感器(10)的两测量点所测法兰轴向相对位移减小△L时，螺栓长度变化量与(L₂/L₁)×ΔL所成的比例系数；

步骤22)设位移传感器(10)的测量精度为ΔL_1，将位移传感器(10)的测量位移量ΔL转换为以测量精度为基准的表示形式：

在主风向可能出现的拉伸方向上，法兰轴向位移最大值为ΔL_+N_max；在主风向可能出现的压缩方向上，法兰轴向位移最大值为ΔL_-M_max，其中，-M_max≤i≤+N_max；

用F_{2_i_j_r}表示第j层法兰的第r个螺栓连接处在主风向测量位移量为ΔL_i时所受的外部载荷，将各个螺栓连接处的外部载荷对过法兰中心、且与螺栓中心距离螺栓所在圆半径的轴线上取力矩，将各力矩按照矢量相加，得到在测量位移量为ΔL_i时作用在第j层法兰上的外部弯矩载荷T_{_flange_i_j}，结合该法兰所受的重力载荷G_{_flange_j}，得到该法兰的工作载荷W_{_flange_i_j}；

步骤23)重复步骤21)至步骤22)，得到各层法兰在不同测量位移下的工作载荷；

S3：通过S2的法兰工作载荷计算得到各层法兰及相关焊缝、塔筒筒体环段部位的应力数据；

步骤S3所述各层法兰及相关焊缝、塔筒筒体环段部位的应力数据，具体包括以下应力数据：

1)第j层法兰在主风向测量位移量为ΔL_i时的应力S_{_flange_i_j}，此时该法兰工作载荷记为W_{_flange_i_j}；

2)与第j层法兰相连且位于该法兰下部的焊缝在主风向测量位移量为ΔL_i时的应力S_{_flange_meld_i_j}，此时该焊缝工作载荷记为W_{_flange_meld_i_j}；

3)位于第j层法兰下部的第p个塔筒筒体环段在主风向测量位移量为ΔL_i时的应力S_{_tower_i_j_p}，此时该塔筒筒体环段工作载荷记为W_{_tower_i_j_p}；

4)位于第j层法兰下部的第p个塔筒筒体环段下部环焊缝在主风向测量位移量为ΔL_i时的应力S_{_meld_环_i_j_p}，此时该塔筒筒体环段下部环焊缝工作载荷记为W_{_meld_环_i_j_p}；

5)位于第j层法兰下部的第p个塔筒筒体环段纵向焊缝在主风向测量位移量为ΔL_i时的应力S_{_meld_纵_i_j_p}，此时该塔筒筒体环段纵向焊缝工作载荷记为W_{_meld_纵_i_j_p}；

其中1≤j≤n₁，1≤p≤n_j，n₁表示法兰的总层数，n_j表示第j层与第j+1层法兰之间的塔筒筒体环段总数；

S4：利用S3的各层法兰及相关焊缝、塔筒筒体环段部位的应力数据对塔筒内各部件进行寿命计算，预测风电机组塔筒的寿命。