叶片载荷测量方法及其系统及计算机可读存储介质与流程

1.本技术实施例涉及风力发电机领域，尤其涉及一种叶片载荷测量方法及其系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。伴随着风电技术的不断发展，风力发电机组在电力系统中的应用日益增加。风力发电机组是将风能转化为电能的大型设备，通常设置于风能资源丰富的地区。
3.叶片载荷的监测对风力发电机的安全运行至关重要，一些测量叶片载荷的方式，无论通过应变片或者光栅等传感器的方法，均需要将传感器布置到叶片上，测量载荷与实际的载荷的精度有一定的限制。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种叶片载荷测量方法及其系统及计算机可读存储介质，计算简便快速且拥有较高的准确性。
5.本技术实施例的一个方面提供一种叶片载荷测量方法，包括：
6.获取设于所述螺栓的传感器检测的所述螺栓受到的总轴力；
7.根据所述螺栓受到的所述总轴力，确定所述螺栓受到的螺栓载荷；及
8.根据所述螺栓载荷，确定与该螺栓连接的所述叶片受到的叶片载荷。
9.可选地，所述根据所述螺栓受到的所述总轴力，确定所述螺栓受到的螺栓载荷，包括：
10.确定所述总轴力减去该螺栓的预紧力的差值，为所述螺栓受到的实际轴力；
11.根据所述实际轴力，确定所述螺栓载荷。
12.可选地，所述根据所述实际轴力，确定所述螺栓载荷，包括：
13.利用修正系数对所述实际轴力进行修正，获得所述螺栓受到的修正轴力，其中，所述修正系数为所述叶片仅受到重力作用下，与该叶片连接的所述螺栓的所述实际轴力与该螺栓理论上受到的理论螺栓轴力之比；及
14.根据所述修正轴力，确定所述螺栓载荷。
15.可选地，所述根据所述实际轴力，确定所述螺栓载荷，包括：
16.利用修正系数对所述实际轴力进行修正，获得所述螺栓受到的修正轴力，其中，所述修正系数为所述叶片处于水平状态下，所述螺栓的所述实际轴力与所述理论螺栓轴力之比；及
17.根据所述修正轴力，确定所述螺栓载荷。
18.可选地，所述根据所述螺栓载荷，确定与该螺栓连接的所述叶片受到的叶片载荷，包括：
19.根据所述螺栓载荷以及所述叶片载荷关于所述螺栓载荷的传递函数，得到所述叶片载荷；其中，所述传递函数是通过如下方法得到的：
20.利用至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷，拟合得到所述传递函数。
21.可选地，所述利用至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷，拟合得到所述传递函数，包括：
22.分别将至少两个所述螺栓的所述螺栓载荷代入待拟合传递函数表达式中，根据至少两个所述螺栓的待拟合传递函数表达式中的叶片载荷的值相等，拟合得到所述传递函数。
23.可选地，至少两个所述螺栓在所述叶片的叶根的圆环面上分布，所述根据所述螺栓载荷，确定与该螺栓连接的所述叶片受到的叶片载荷，包括：
24.确定所述螺栓载荷的分量，其中，所述螺栓载荷的分量为所述螺栓载荷在x轴上的x轴载荷分量和/或在y轴上的y轴载荷分量，x轴和y轴在圆环面上，x轴和y轴相交的原点为圆环面的圆心；
25.根据所述螺栓载荷的分量以及所述叶片载荷的分量关于所述螺栓载荷的分量的传递函数，得到所述叶片载荷的分量；其中，所述螺栓载荷的分量的传递函数是通过如下方法得到的：
26.利用至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的分量，拟合得到所述叶片载荷的分量关于所述螺栓载荷的分量的传递函数；
27.根据所述叶片载荷的分量，得到所述叶片载荷。
28.可选地，所述确定所述螺栓载荷的分量，包括：
29.根据参考螺栓与圆心的连线和所述x轴或所述y轴的夹角以及所述至少两个螺栓与圆心的连线和所述参考螺栓与圆心的连线的夹角，利用三角函数，得到所述至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的x轴载荷分量；
30.根据参考螺栓与圆心的连线和所述x轴或所述y轴的夹角以及所述至少两个螺栓与圆心的连线和所述参考螺栓与圆心的连线的夹角，利用三角函数，得到所述至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的y轴载荷分量；
31.所述根据所述螺栓载荷的分量以及所述叶片载荷的分量关于所述螺栓载荷的分量的传递函数，得到所述叶片载荷的分量，包括：
32.根据所述螺栓载荷的x轴载荷分量以及所述叶片载荷的x轴分量关于所述螺栓载荷的x轴载荷分量的传递函数，得到所述叶片载荷的x轴分量；
33.根据所述螺栓载荷的y轴载荷分量以及所述叶片载荷的y轴分量关于所述螺栓载荷的y轴载荷分量的传递函数，得到所述叶片载荷的y轴分量；
34.所述利用至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的分量，拟合得到所述叶片载荷的分量关于所述螺栓载荷的分量的传递函数，包括：
35.利用所述至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的x轴载荷分量，拟合得到所述叶片载荷的x轴分量关于所述螺栓载荷的x轴载荷分量的传递函数；
36.利用所述至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的y轴载荷分量，所述叶片载荷的y轴分量关于所述螺栓载荷的y轴载荷分量的传递函数；
37.所述根据所述叶片载荷的分量，得到所述叶片载荷，包括：
38.根据所述叶片载荷的x轴分量和y轴分量，得到所述叶片载荷。
39.可选地，所述利用至少两个所述螺栓受到的所述螺栓载荷的分量，拟合得到所述叶片载荷的分量关于所述螺栓载荷的分量的传递函数，包括：
40.分别将至少两个所述螺栓的所述螺栓载荷的分量代入待拟合传递函数表达式中，根据至少两个所述螺栓的待拟合分量传递函数表达式中的叶片载荷的分量的值相等，拟合得到所述螺栓载荷的分量的传递函数。
41.本技术实施例的另一方面提供一种叶片载荷测量系统：包括一个或多个处理器，用于实现上述叶片载荷测量方法。
42.本技术实施例的又一个方面还提供一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如上所述的叶片载荷测量方法。
43.本技术的叶片载荷测量方法通过测量螺栓的总轴力，利用螺栓的总轴力与叶片载荷间接相关的原理，首先根据螺栓的总轴力得到螺栓载荷，再通过将螺栓载荷计算得到叶片载荷，计算得到的叶片载荷准确性高且计算简便。
附图说明
44.图1为一种风力发电机的示意图；
45.图2为本技术一个实施例的叶片载荷测量方法的流程图；
46.图3为一种螺栓分布的示意图；
47.图4为图1所示实施例的步骤s3的具体流程图；
48.图5为本技术一个实施例的叶片载荷测量系统的示意性框图。
具体实施方式
49.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本技术相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置的例子。
50.在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。除非另作定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
51.风力发电机的叶片载荷监测对风力发电机的安全性至关重要，图1为一种风力发电机的示意图，请参考图1，风机1包括轮毂2和叶片3，叶片3通过多个螺栓与轮毂2相连接。由于叶片3通过多个螺栓固定在轮毂2上，叶片载荷可间接反馈到螺栓受到的轴力之上，因此可通过测量多个螺栓的螺栓轴力，可以实现对叶片载荷的间接测量。本技术提供一种风机的叶片载荷测量方法，包括步骤s1-步骤s3，图2为本技术一个实施例的叶片载荷测量方法的流程图。
52.请参考图2，在步骤s1中，获取设于螺栓的传感器检测的螺栓受到的总轴力。在一些实施例中，可通过力传感器直接监测螺栓受到的总轴力，在另一些实施例中，也可通过应力应变传感器或距离传感器测量螺栓的伸长量、形变等因素，间接计算得到螺栓受到的总轴力的大小，本技术对此不做限制。在一些实施例中，被监测的螺栓可为轮毂上多个螺栓中的任意一个，本技术的叶片载荷测量方法使用简便。
53.在步骤s2中，根据螺栓受到的总轴力，确定螺栓受到的螺栓载荷。在一些实施例中，螺栓受到的总轴力不仅由叶片载荷传递得到，也包含其他因素，例如螺栓的紧固力等，同时，风力发电机结构本身存在一定误差，该误差反馈到螺栓上可能造成较大影响，为了消弭螺栓的紧固力带来影响，本技术确定总轴力减去该螺栓的预紧力的差值，为螺栓受到的实际轴力，再根据实际轴力确定螺栓载荷，其公式为fa＝(f
s-fv)/φ，式中fa为螺栓载荷，fs为螺栓的总轴力，fv为螺栓的紧固力，φ为相对刚度系数，如此可消除螺栓的紧固力对叶片载荷计算造成的影响，提高本技术叶片载荷测量方法的准确性。
54.在一些实施例中，为进一步地提高准确性，可利用修正系数对实际轴力进行修正，获得螺栓受到的修正轴力，再根据修正轴力，确定螺栓载荷，其中，修正系数为叶片仅受到重力作用下，与该叶片连接的螺栓的实际轴力与该螺栓理论上受到的理论螺栓轴力之比。在一些实施例中，实际轴力的公式为fa＝(f
s-fv)/φ，φ为相对刚度系数，此时可利用修正系数对理论相对刚度系数进行修正，获得螺栓的修正相对刚度系数，再利用螺栓的修正相对刚度系数对实际轴力进行修正得到螺栓受到的修正轴力，其中，修正系数为叶片仅受到重力作用下，与该叶片连接的螺栓实际的相对刚度系数与该螺栓理论的相对刚度系数之比，再根据修正的刚度系数与螺栓的实际轴力确定螺栓载荷。在另一些实施例中，为方便计算，上述叶片仅受到重力作用下可进一步为叶片处于水平状态下，此时叶片仅受到重力作用，且此时叶片对螺栓的力矩为叶片重心到螺栓的距离l与叶片重量mg的乘积。
55.请继续参考图1，当叶片处于水平状态下，叶片仅受到重力作用，可通过力矩平衡进行理论计算得到理论螺栓载荷，此时理论螺栓载荷的计算公式为m＝m
×g×
l。在一些实施例中，修正系数为叶片处于水平状态下，螺栓的实际轴力与理论螺栓轴力之比，在另一些实施例中，修正系数为此时的实际相对刚度系数与该螺栓理论相对刚度系数之比，此时可根据螺栓实际轴力和计算得到的理论螺栓轴力，来获得实际的相对刚度系数，其计算公式为φ＝(f
si-f
vi
)/f
ai’，式中f
si
为某个螺栓的实际轴力，f
vi
为某个螺栓的实际紧固力。由于修正系数为此时的实际相对刚度系数与该螺栓理论相对刚度系数之比，此时修正系数的公式为η＝φ/φ’。螺栓载荷的公式为fa＝(f
s-fv)/ηφ’。如此获得的螺栓载荷，仅为螺栓受到叶片重力的影响产生的载荷，消除其他误差对叶片载荷计算的影响，进一步提高准确性，尽可能地保证最后得出的叶片载荷接近真实的叶片载荷，本技术的叶片
载荷测量方法最终计算得到的叶片载荷准确性高。
56.在一些实施例中，对螺栓的紧固力的测量以及修正系数的计算，可在风力发电机组装过程中实现，也可通过风机处于停机状态且叶片处于不同姿态，如12点和6点钟方向的轴力监测数据换算确定，此时叶片不受风速风向的影响，能够满足计算修正系数所需要的叶片仅受重力影响的条件。
57.在步骤s3中，根据螺栓载荷，确定与该螺栓连接的叶片受到的叶片载荷。在获得较为准确的螺栓载荷之后，由于叶片载荷直接与该螺栓载荷关联，在一些实施例中，可根据螺栓载荷以及叶片载荷关于螺栓载荷的传递函数，得到叶片载荷。传递函数是通过如下方法得到的：利用至少两个螺栓受到的螺栓载荷，拟合得到传递函数。如此通过将螺栓载荷带入叶片载荷关于螺栓载荷的传递函数，可直接得到较为准确的叶片载荷的值。
58.传递函数表达叶片载荷与螺栓载荷以及其他已知参数之间的数学关系，在一些实施例中，其他已知载荷包括螺栓材料参数等。由于在受到同一叶片载荷的影响时，不同螺栓受到的螺栓载荷不同，可对至少两个螺栓设立叶片载荷与螺栓载荷之间待拟合传递函数，由于为同一叶片载荷，待拟合传递函数的等式右边相等，即可拟合得到传递函数。在一些实施例中，该方法的实施方式为：分别将至少两个螺栓的螺栓载荷代入待拟合传递函数表达式中，根据至少两个螺栓的待拟合传递函数表达式中的叶片载荷的值相等，拟合得到传递函数在一些实施例中，至少两个螺栓可为三个螺栓、四个螺栓至全部数量的螺栓，在进行传递函数的拟合时，随之待拟合传递函数表达式数量的增多，得出的传递函数越准确。本技术的传递函数经过严谨的数学计算得到，可信度高，由此得出的叶片载荷准确度高。
59.图3为一种螺栓分布的示意图，请参考图3，在一些实施例中，至少两个螺栓在叶片的叶根的圆环面上分布。此时螺栓载荷和叶片载荷可为任意方向，可建立与圆环圆心为原点的坐标系，对叶片载荷和螺栓载荷沿坐标轴分解计算，坐标轴的第一象限可依据叶片的迎风面建立。在该实施例中，此时步骤s3可包括步骤s31-步骤s33，图4为图1所示实施例的步骤s3的具体流程图。
60.在步骤s31中，确定螺栓载荷的分量，其中，螺栓载荷的分量为螺栓载荷在x轴上的x轴载荷分量和/或在y轴上的y轴载荷分量，x轴和y轴在圆环面上，x轴和y轴相交的原点为圆环面的圆心。如此将螺栓载荷分解为x轴上的x轴载荷分量和y轴上的y轴载荷分量，大大降低了计算量，且可以实现无论叶片载荷在何种方向，都能简单计算叶片载荷的值，对风力发电机的安全性进行监测。
61.在建立坐标系时，可将任一螺栓记为参考螺栓，测量该螺栓与圆心的连线和坐标轴的夹角大小以及均匀分布的任意两个螺栓之间的夹角大小，用以将螺栓载荷分解为x轴上的x轴载荷分量和y轴上的y轴载荷分量。在一些实施例中，根据参考螺栓与圆心的连线和x轴或y轴的夹角以及至少两个螺栓与圆心的连线和参考螺栓与圆心的连线的夹角，利用三角函数，得到至少两个螺栓受到的螺栓载荷的x轴载荷分量；根据参考螺栓与圆心的连线和x轴或y轴的夹角以及至少两个螺栓与圆心的连线和参考螺栓与圆心的连线的夹角，利用三角函数，得到至少两个螺栓受到的螺栓载荷的y轴载荷分量。如此计算简便，且无需获得每个螺栓与坐标轴之间的夹角。
62.在步骤s32中，根据螺栓载荷的分量以及叶片载荷的分量关于螺栓载荷的分量的
传递函数，得到叶片载荷的分量，该实施例的实施方式为：分别将至少两个螺栓的螺栓载荷的分量代入待拟合传递函数表达式中，根据至少两个螺栓的待拟合分量传递函数表达式中的叶片载荷的分量的值相等，拟合得到螺栓载荷的分量的传递函数。如此，无论叶片载荷方向指向坐标系中的任意方向，都可以通过分量的传递函数得到的叶片载荷的值，对风力发电机的安全性进行监测。
63.在一些实施例中，根据螺栓载荷的x轴载荷分量以及叶片载荷的x轴分量关于螺栓载荷的x轴载荷分量的传递函数，得到叶片载荷的x轴分量；根据螺栓载荷的y轴载荷分量叶片载荷的y轴分量关于螺栓载荷的y轴载荷分量的传递函数，得到叶片载荷的y轴分量。此时传递函数的公式为：
[0064][0065][0066]
式中，f
ai
为多个螺栓的螺栓载荷，m
x
为叶片载荷的x轴分量，my为叶片载荷的y轴分量，θ为两个螺栓与圆心连线的夹角，ω为参考螺栓与y轴的夹角，r为螺栓组分度圆半径。
[0067]
在一些实施例中，螺栓载荷的分量的传递函数是通过如下方法得到的：利用至少两个螺栓受到的螺栓载荷的分量，拟合得到叶片载荷的分量关于螺栓载荷的分量的传递函数；
[0068]
在一些实施例中，利用至少两个螺栓受到的螺栓载荷的x轴载荷分量，拟合得到叶片载荷的x轴分量关于螺栓载荷的x轴载荷分量的传递函数；利用至少两个螺栓受到的螺栓载荷的y轴载荷分量，叶片载荷的y轴分量关于螺栓载荷的y轴载荷分量的传递函数。本技术的x轴分量传递函数和y轴分量传递函数经过严谨的数学计算得到，可信度高，由此得出的叶片载荷准确度高。
[0069]
由于将叶片载荷分成不同的叶片载荷分量，在步骤s33中，根据叶片载荷的分量，得到叶片载荷。在一些实施例中，根据叶片载荷的x轴分量和y轴分量，得到叶片载荷。此时叶片载荷的公式为m
′
x2
m
′
y2
＝m
′2。如此，本技术的叶片载荷测量方法的叶片载荷计算简便，且在任意方向都可通过传递函数得到较为准确的叶片载荷。
[0070]
本技术的叶片载荷测量方法通过测量螺栓的总轴力，利用螺栓的总轴力与叶片载荷间接相关的原理，首先根据螺栓的总轴力得到螺栓载荷，再通过将螺栓载荷计算得到叶片载荷，计算得到的叶片载荷准确性高且计算简便。
[0071]
本技术实施例还提供了一种叶片载荷测量系统200，其可应用于风力发电机。图5为本技术一个实施例的叶片载荷测量系统200的示意性框图。如图5所示，叶片载荷测量系统200可以包括一个或多个处理器201，用于实现上面任一实施例的叶片载荷测量方法。在一些实施例中，叶片载荷测量系统200可以包括计算机可读存储介质202，计算机可读存储介质202可以存储有可被处理器201调用的程序，可以包括非易失性存储介质。在一些实施例中，叶片载荷测量系统200可以包括内存203和接口204。在一些实施例中，本技术实施例的叶片载荷测量系统200还可以根据实际应用包括其他硬件。
[0072]
本技术实施例的叶片载荷测量系统200具有与上面的叶片载荷测量方法相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。
[0073]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有
程序，该程序被处理器执行时，实现上面任一实施例的叶片载荷测量方法。
[0074]
本技术实施例可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于：相变存储器/阻变存储器/磁存储器/铁电存储器(pram/rram/mram/feram)等新型存储器、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0075]
以上对本技术实施例所提供的叶片载荷测量方法及其系统及计算机可读存储介质进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本技术实施例的叶片载荷测量方法及其系统及计算机可读存储介质进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的核心思想，并不用以限制本技术。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术的精神和原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本技术所附权利要求书的保护范围内。