一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统
技术领域
本实用新型涉及风力发电领域，尤其涉及一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统。
背景技术
伴随着风力发电机组装机量的大幅增长，优质风资源区域被开发殆尽，为了更好的开发利用低风速区风力资源，风力发电开发商及整机制造商投入了大量的科研力量研发高塔架甚至超高塔架、柔性塔架、钢-混凝土混合塔架。
随着高塔、超高塔、柔塔、钢-混凝土混合塔架的不断投入运行，风电机组塔架结构健康状态逐渐的成为行业关注的焦点。风电机组塔架也渐渐发展到轮毂高度达到甚至超过160米，风载荷对其的影响越发明显。风载荷会迫使风电机组塔架产生疲劳损伤乃至倒塌。
为避免上述情况发生，现行的验证方法是在风电机组塔架上的特定位置粘贴应变片以获取风电机组在运行中受到的实际载荷，然后对所采集到的载荷利用雨流计数法和累积疲劳损伤法则得出风电机组塔架的实际疲劳损伤值。该方法的不足之处在于基于应变片的测试方法只能采集到风电机组实际运行载荷的短期数据，而且测试方案存在施工不便、成本高昂、维护困难等问题。
中国专利文献CN110895621A公开了一种“确定风电机组的塔架环焊缝的疲劳损伤的方法和装置”。采用了方法包括：计算塔架环焊缝的截面在不同方向的预定单位载荷作用下的应力；提取预定工况下的所述不同方向中的每个方向上的疲劳时序载荷；将每个方向上的疲劳时序载荷在塔架圆周方向上进行投影，以得到与每个方向上的疲劳时序载荷对应的投影序列载荷；对所述应力和投影序列载荷进行通道合并，以得到应力时间历程；基于应力时间历程和预定载荷工况频率表确定塔架环焊缝的截面在塔架圆周方向上的疲劳损伤。上述技术方案只能采集到风电机组实际运行载荷的短期数据，而且测试方案存在施工不便、成本高昂、维护困难等不足。
发明内容
本实用新型主要解决原有的技术方案无法实际反馈风电机组塔架所受载荷的技术问题，提供一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统，通过传感器采集加速度，塔架晃动角度等信息，实时在线评估风电机组塔架圆周方向各区域的累积疲劳损伤值，从而预估风电机组塔架的剩余寿命，长期在线测得风电机组塔架承受的载荷数据，并且具备施工方便，成本低廉且维护便捷的优点。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括依次相连的传感器、数据采集站、CPU和无线信号发射器，所述CPU分别与声光报警器、电源相连，所述无线信号发射器与终端远程无线连接。传感器采集加速度，塔架晃动角度等信息，采集的信息通过数据采集站汇总并传输到CPU，CPU中包括上位机分析软件，通过上位机分析软件分析并计算塔架累计疲劳损伤值并预知剩余寿命，将分析结果通过无线信号发射器发送到终端，由工作人员实时查看，由电源提供能量，若数据出现剧烈波动或缺失，声光报警器进行报警。
作为优选，所述的将塔架自上而下均匀设有若干截面，所述每个截面上设置有若干组传感器。多个截面的多组传感器共同作用确保对塔架受力及晃动全方位的实时监测。
作为优选，所述的传感器包括加速度传感器和双轴倾角传感器，加速度传感器设置在截面边缘，双轴倾角传感器设置在截面中心处。加速度传感器安装在界面边缘通过测量，双轴倾角传感器安装在截面中心处，通过对塔架中轴线的比较采集倾角数据。
作为优选，所述的双轴倾角传感器的安装位置为：双轴倾角传感器的x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°； y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为 270°。按规定安装双轴倾角传感器，根据格式采集方位数据，便于对数据的统计及计算。
作为优选，所述的数据采集站安装在塔架中部，所述声光报警器安装在塔架中部两侧，所述CPU、电源和无线信号发射器设在数据采集站上。数据采集站安装在塔架中部便于接收传感器采集的信号，声光报警器安装在塔架中部两侧便于工作人员接收声光信号，CPU、电源、无线信号发射器和数据采集站集成，便于安装。
作为优选，所述的终端为PC端或手持设备。工作人员能够在控制中心接收信号或在现场通过手持设备接收信号。
本实用新型的有益效果是：通过传感器采集加速度，塔架晃动角度等信息，实时在线评估风电机组塔架圆周方向各区域的累积疲劳损伤值，从而预估风电机组塔架的剩余寿命，长期在线测得风电机组塔架承受的载荷数据，并且具备施工方便，成本低廉且维护便捷的优点。
附图说明
图1是本实用新型的一种电路原理连接结构图。
图2是本发明的一种风电机组塔架受力情况及传感器布局图。
图3是本发明的一种塔架累积疲劳损伤方位角的约定方法图。
图中1传感器，1.1加速度传感器，1.2双轴倾角传感器，2数据采集站，3 CPU，4电源,5声光报警器，6无线信号发射器，7终端。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种风电机组塔架累积疲劳损伤评估系统，如图所示，包括依次相连的传感器1、数据采集站2、CPU3和无线信号发射器6，CPU分别与声光报警器5、电源4相连，无线信号发射器与终端7远程无线连接。终端为 PC端或手持设备，工作人员能够在控制中心接收信号或在现场通过手持设备接收信号。数据采集站安装在塔架中部，便于接收传感器采集的信号。声光报警器安装在塔架中部两侧，便于工作人员接收声光信号。CPU、电源和无线信号发射器设在数据采集站上，CPU、电源、无线信号发射器和数据采集站集成，便于安装。
将塔架自上而下均匀设有若干截面，每个截面上设置有若干组传感器，多个截面的多组传感器共同作用确保对塔架受力及晃动全方位的实时监测。其中，传感器包括加速度传感器1.1和双轴倾角传感器1.2，加速度传感器1.1设置在截面边缘，双轴倾角传感器1.2设置在截面中心处，加速度传感器安装在界面边缘通过测量，双轴倾角传感器安装在截面中心处，通过对塔架中轴线的比较采集倾角数据。双轴倾角传感器的安装位置为：双轴倾角传感器的x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y 轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为 270°。按规定安装双轴倾角传感器，根据格式采集方位数据，便于对数据的统计及计算。
工作时，传感器采集加速度，塔架晃动角度等信息，采集的信息通过数据采集站汇总并传输到CPU，CPU中包括上位机分析软件，通过上位机分析软件分析并计算塔架累计疲劳损伤值并预知剩余寿命，将分析结果通过无线信号发射器发送到终端，由工作人员实时查看，由电源提供能量，若数据出现剧烈波动或缺失，声光报警器进行报警。
上述系统的评估方法包括以下步骤：
1将风电机组塔架沿圆周划分为p个区域p≥1。
2通过Tower S.H.M.系统在风电机组塔架的整个H高度上均布或特定截面位置布置ii≥1组传感器，实时在线测得塔架被测截面承受载荷时，不同被测截面位置产生的x轴和y轴晃动角度θx、θy和加速度a。
3进行角度合成计算,经角度合成可知多截面各个方位的倾斜最大角度的计算公式为
Sin2θ合＝Sin2θx+Sin2θy，
即
并由方位角换算公式
4计算塔架截面位移变化量；
将风电机组塔架被测的i个截面分别均匀划分为n个方位，各方位之间的夹角即为
经角度合成获得多截面各个方位的倾斜最大角度θ合和各截面中不同方位对应的倾斜角度θ，再由x＝Kθ弧度即可求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，其中K为塔顶位移与塔顶转角比例系数，θ弧度为各截面中多个方位倾斜角度的弧度值。
通过x＝Kθ弧度求得塔架被测截面中各个方位的位移变形量x，K为塔顶位移ωmax与塔顶转角α比例系数，
知
5计算塔架截面中各方位受力：
F＝Fk+Fc+Fm，
其中Fk＝kx，k为风电机组塔架的刚度系数，x为塔架被测截面中各个方位的位移变形量；
Fc＝cv，
c为塔架阻尼系数；
Fm＝ma，
m为塔架的模态质量；其中Fc因阻尼系数c约为2‰，故Fc值非常小可忽略，
即M＝F·L＝(kx+ma)·H-Hi。
6计算塔架圆周方向各区域的累积疲劳值，通过Tower S.H.M.系统实时监测得到风电机组塔架多个截面对应的不用方位的载荷Mi,n i为截面的数量i≥1、 n为各截面圆周方向均匀划分的方位数量n≥1，由
各截面疲劳损伤等效应力幅σrj经风电机组塔架材料S-N曲线可得对应的许用循环次数Nj，由公式
7以实时在线测得圆周方向以最大倾斜角为起点，均匀划分的n个方位的累积疲劳损伤值Di,n及其对应的方位角γi,n，根据对应的γi,n划分到的p个区域，得到风电机组塔架被测多截面对应多个方位的累积疲劳损伤值Di,n在圆周p个区域的累积疲劳损失值Dp，并得到Dp中的最大值Dr及其对应的方位角γ。根据在线测得的累积疲劳损伤Dr值完成风电机组塔架的累积疲劳损伤及对应方位γ的在线评估，并预估风电机组塔架的剩余寿命。
