[发明专利]一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法

权利要求书

1.一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法，其特征在于：

(1)建立有限元模型，将塔筒简化为底部固定、顶端自由的薄壁锥筒形结构，风机与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块，其重心保证与实际结构的重心重合；

(2)对风电塔筒进行受力分析；将其受力情况分为以下几个部分进行计算：塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮受到的横向力P；塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮的集中重量G，沿高度方向作用的均布风力载荷Q；

具体公式为：

①根据叶素-动量理论公式得到横向力计算公式：

其中C_T是推力系数，不同的风机在标准空气密度下有不同的机组推力系数曲线，ρ是来流密度，kg/m³；v是来流速度，m/s；A是扫风面积，m³；

②重力G＝mg

其中m为塔筒顶端结构的整体质量；g＝9.8m/s²；

①沿塔筒高度方向上作用的均布载荷Q为：

Q＝β_zμ_sμ_zω₀

其中Q为作用在塔筒结构z高度处单位投影面积上的风载荷标准值(kN/m²)；ω₀为基本风压；μ_z为z高度处的风压高度变化系数；μ_s为风载荷体型系数；β_z为z高度处的风振系数，按照公式β_z＝1+ξε₁ε₂计算，其中ξ为脉动增大系数，ε₁为风压脉动和风压高度变化影响系数，ε₂为振型、结构外形影响系数；

④当风速值达到风机的极限风况时，此时风机处于停机状态，横向力以下公式计算：

其中v_s为风机的抗最大风速，选50年最大阵风风速；C_T为推力系数，取1.6；A_b为叶轮投影面积；B为叶轮叶片数目；

(3)分别针对只受风载影响情况与只受沉降影响情况进行模拟；

只受风载影响情况下，又分为运行工况与停机工况；运行工况中，该型风机的切入风速为3m/s，切出风速为25m/s/，故模拟的风速范围为[3,0.5,25](m/s)，其中0.5m/s为取值间隔；风速不同，加载在塔筒上的力不同，得到的塔筒顶部倾角与径向位移不同；最终得到在运行工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：

S＝587.19θ^0.9374

其中θ为塔筒顶部倾角，S为塔筒顶部径向位移(mm)；

同理，在停机工况下，风机的切出速度为25m/s，极大风速为59.5m/s，故模拟的风速范围为[25,0.5,59.5](m/s)，其中0.5m/s为取值间隔；得到在停机工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：

其中θ_XH为停机工况下的塔筒顶部倾角，S_XH为停机工况下的顶部径向位移(mm)；

只受地表沉降影响情况下，模拟地表倾斜范围为3-40mm/m，得到不同地表倾斜所对应的顶部倾斜角度与径向位移的关系式：

S_b＝1199.8θ_b+17.884

其中，θ_b为塔筒底部沉降倾角，S_b为底部沉降引起的塔筒顶部径向位移；

(4)在风机塔筒顶部安装低频振动传感器与双轴倾角传感器各一个，在塔筒底部安装双轴倾角传感器一个；分别采集塔筒顶部径向晃动与底部沉降坐标变化，将步骤三中公式相互耦合，综合考虑推导出整体风机塔筒顶部的径向位移，同时，结合振动信号模态分析，一旦发现塔筒倾斜位移超过预警值，立即发出信号，从而防止事故的发生或扩大，预警值的选取依据《高耸结构设计规范》选取，塔筒的最高点的径向位移不得大于该点离地高度的1/100。