本發(fā)明屬于風力機葉片吊裝領(lǐng)域，更具體地，涉及一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法、系統(tǒng)及風險提示方法。

背景技術(shù)：

1、隨著風力機的大型化以及吊裝風力機葉片多變的工作環(huán)境，采用仿真的方法求解各種參數(shù)變得越來越復(fù)雜，不僅會使得計算時間成倍增長，而且結(jié)果可能會不準確，而采用風洞實驗的方法則需要有較大的實驗場地，其耗費的成本也較高，對于海上風力機來說也不容易現(xiàn)實。

2、目前識別模態(tài)阻尼的常用方法主要有頻域識別法和時域識別法。采用頻域法由于需要有輸入輸出的實測數(shù)據(jù)，需要采用實驗的方法來獲取數(shù)據(jù)，采用實驗的方法雖然測得的數(shù)據(jù)較為準確，但是費時費力。采用時域法的優(yōu)點在于其可直接通過響應(yīng)數(shù)據(jù)進行阻尼識別，但該方法精度較低。

3、現(xiàn)有技術(shù)公開號為cn114626149a的發(fā)明專利提出了一種快速計算風力機葉片氣動阻尼的計算方法，該方案的步驟為：輸入葉片各界面的翼型氣動數(shù)據(jù)，計算出各界面的相對風速；計算葉片各截面在風輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)外方向的氣動阻尼；提取風力機葉片運行模態(tài)參數(shù),包括模態(tài)主質(zhì)量、模態(tài)振型及固有頻率；計算得到葉片的模態(tài)氣動阻尼比。使用該方法計算復(fù)雜度較高，風況依賴性強，需要準確獲取到各種輸入?yún)?shù)，才能計算得到精度較高的阻尼比。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中風力機葉片氣動阻尼計算復(fù)雜度較高以及風況依賴性強的問題，提供一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法、系統(tǒng)及風險提示方法。

2、本發(fā)明的首要目的是為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明第一方面提供了一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法，包括如下步驟：

4、基于預(yù)設(shè)的簡化條件利用三線彈簧葉片吊裝模型結(jié)合主吊繩與兩根水平輔助牽引繩的剛度參數(shù)輸出風力機葉片吊裝系統(tǒng)的自由振動方程，利用自由振動方程計算得到模型的固有頻率；

5、利用葉素動量理論及氣動參數(shù)對風力機葉片在吊裝過程中受到的氣動力進行泰勒展開，利用展開結(jié)果計算單位長度上的氣動阻尼力；

6、將所述單位長度氣動阻尼力在葉片展向進行積分，并將積分結(jié)果輸入自由振動方程，輸出風載荷作用下的受迫振動方程；

7、將模型的固有頻率與受迫振動方程進行結(jié)合，輸出氣動阻尼比。

8、進一步地，所述預(yù)設(shè)的簡化條件，包括：

9、起重機頂端位置在吊裝過程中視為保持不變；

10、在吊裝過程中葉片偏航角速度較小，對應(yīng)簡化模型中忽略偏航耦合影響；

11、各自由度之間互相獨立，分別為擺振、揮舞、轉(zhuǎn)動；

12、簡化模型的重心在不同自由度下的運動是獨立的。

13、進一步地，計算風力機葉片吊裝系統(tǒng)的自由振動方程的方法，包括以下步驟：

14、將吊裝葉片及其夾具整體視為一個集總質(zhì)量，分別將主吊索和兩根水平輔助牽引繩簡化為三個線彈簧，獲取各自的彈簧剛度參數(shù)，建立三線彈簧葉片吊裝簡化模型；

15、根據(jù)簡化模型的運動形式，確定系統(tǒng)的總動能t、總勢能v的表達式，表達式如下所示：

16、

17、其中，(xc0,yc0),(xa0,ya0),(xb0,yb0)為平面系統(tǒng)a，b，c的初點，θ0為初始角度，(xc1,yc1),(xa1,ya1),(xb1,yb1)為平面系統(tǒng)經(jīng)過運動后a，b，c的終點，其中a，b，c在x軸和y軸的距離分別為xac,yac,xbc,ybc，m為葉片夾具的質(zhì)量，i為葉片和夾具在y軸的轉(zhuǎn)動慣量，θ為轉(zhuǎn)動角度，和分別為葉片前后擺振方向的速度和葉片上下?lián)]舞方向的速度，表示a和b的位置是相對于c點的旋轉(zhuǎn)，為轉(zhuǎn)動角速度，k,k1,k2分別為主吊索鋼絲繩，第一牽引繩鋼絲繩，第二牽引繩鋼絲繩的彈簧剛度；

18、對單擺系統(tǒng)，應(yīng)用拉格朗日方程，表達式如下所示：

19、

20、l＝t-v

21、其中，l為拉格朗日函數(shù)；t為系統(tǒng)的總動能；v為系統(tǒng)的總勢能；qi為第i個廣義坐標,取xc1、yc1甚至是二維空間的任意點，為第i個廣義坐標對時間的導(dǎo)數(shù)，即該廣義坐標的速度；

22、將總動能與總勢能的表達式代入拉格朗日方程，得到擺振方向的自由振動方程，表達式如下所示：

23、

24、其中，為速度對時間求導(dǎo)后得到加速度。

25、進一步地，利用自由振動方程計算得到模型的固有頻率，包括以下步驟：

26、在系統(tǒng)的平衡位置有，勢能的導(dǎo)數(shù)為0，即

27、k1(xac?cosθ0-yac?sinθ0)+k2(xbc?cosθ0-ybc?sinθ0)＝0

28、將其代入自由振動方程化簡得到：

29、

30、由上式可得風力機吊裝系統(tǒng)簡化模型簡化模型的xc1方向固有頻率為：

31、

32、同理可以得到y(tǒng)c1、θ方向的動力學(xué)方程及相關(guān)固有頻率。

33、進一步地，計算單位長度氣動阻尼力的方法，包括以下步驟：

34、根據(jù)葉素動量理論，將相對風速、攻角以及對應(yīng)升力系數(shù)和阻力系數(shù)輸入升阻力公式，得到每段葉素的升力和阻力；

35、將升力與阻力投影至葉片前后擺振方向，對氣動力做泰勒展開，得到單位長度氣動阻尼力表達式如下所示：

36、

37、其中，r為風輪的輪轂中心到葉素中心的徑向距離，氣動阻尼貢獻ηr的表達式如下所示：

38、

39、其中，c為葉素弦長，ρ為空氣密度，φ0為風力機葉片在靜止狀態(tài)時葉片截面的入流角,w0為相對流入速度，β為扭角，cd(α)為對應(yīng)葉素攻角α下的阻力系數(shù)，cl為升力系數(shù)、cd為阻力系數(shù)，cl′、c′d分別為升力系數(shù)梯度以及阻力系數(shù)梯度。

40、進一步地，利用單位長度氣動阻尼力輸出風載荷作用下的受迫振動方程的方法，包括以下步驟：

41、將單位長度氣動阻尼力關(guān)于葉片展向坐標進行積分，得到總氣動阻尼力，表達式如下所示：

42、

43、其中，r為風輪的輪轂中心到葉素中心的徑向距離，l為葉片的總長度，為重心在x方向的速度；

44、將所述總氣動阻尼力結(jié)合自由振動方程，得到包含氣動力項的受迫振動方程，表達式如下所示：

45、

46、進而得到表達式：

47、

48、其中，m為葉片夾具的質(zhì)量，xc1為a點的終點x坐標，為葉片前后擺振方向的速度，為速度對時間求導(dǎo)后得到加速度，k,k1,k2分別為主吊索鋼絲繩，第一牽引繩鋼絲繩，第二牽引繩鋼絲繩的彈簧剛度，氣動阻尼貢獻ηr的表達式如下所示：

49、

50、其中，c為葉素弦長，ρ為空氣密度，φ0為風力機葉片在靜止狀態(tài)時葉片截面的入流角,w0為相對流入速度，β為扭角，cd(α)為對應(yīng)葉素攻角α下的阻力系數(shù)，cl為升力系數(shù)，cd為阻力系數(shù)，cl′、c′d分別為升力系數(shù)梯度以及阻力系數(shù)梯度。

51、進一步地，利用固有頻率與受迫振動方程計算風力機葉片吊裝氣動阻尼比ζ，包括以下步驟：

52、運動微分方程的一般形式，表達式如下所示：

53、

54、其中，m為質(zhì)量矩陣，c為阻尼系數(shù)矩陣，k為剛度系數(shù)矩陣，結(jié)合受迫振動方程公式(1)，可以得到阻尼系數(shù)矩陣c的表達式，如下所示：

55、

56、而氣動阻尼比的一般形式，表達式如下所示：

57、

58、其中，ωn為固有頻率，m為葉片與夾具的質(zhì)量和，c為阻尼系數(shù)矩陣，將阻尼系數(shù)矩陣表達式(2)以及固有頻率公式：

59、

60、代入表達式(3)可以得到氣動阻尼比ζ的表達式如下所示：

61、

62、其中，r為風輪的輪轂中心到葉素中心的徑向距離，k,k1,k2分別為主吊索鋼絲繩，第一牽引繩鋼絲繩，第二牽引繩鋼絲繩的彈簧剛度，m為葉片夾具的質(zhì)量，l為葉片的總長度，氣動阻尼貢獻ηr的表達式如下所示：

63、

64、其中，c為葉素弦長，ρ為空氣密度，φ0為風力機葉片在靜止狀態(tài)時葉片截面的入流角,w0為相對流入速度，β為扭角，cd(α)為對應(yīng)葉素攻角α下的阻力系數(shù)，cl為升力系數(shù)，cd為阻力系數(shù)，cl′、c′d分別為升力系數(shù)梯度以及阻力系數(shù)梯度。

65、進一步地，氣動阻尼比可用離散方式進行計算，表達式如下所示：

66、

67、其中，l為葉片的長度，δr為每一段葉片的展向長度，n為分段的總數(shù)，ηri為每一段葉片對應(yīng)的氣動阻尼貢獻。

68、進一步地，根據(jù)所述氣動阻尼比判斷吊裝過程的氣彈穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟：

69、根據(jù)計算得到的氣動阻尼比，識別在給定吊裝工況下氣動阻尼為正或為負；

70、當氣動阻尼為負且其絕對值大于結(jié)構(gòu)本身阻尼時，輸出提示葉片吊裝存在氣彈失穩(wěn)風險。

71、本發(fā)明第二方面提供了一種風力機葉片吊裝橫向擺動風險提示方法，利用一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法計算氣動阻尼比，根據(jù)所述氣動阻尼比判斷吊裝過程的氣彈穩(wěn)定性，輸出相應(yīng)的風險提示，包括以下步驟：

72、根據(jù)計算得到的氣動阻尼比，識別在給定吊裝工況下氣動阻尼為正或為負；

73、當氣動阻尼為負且其絕對值大于結(jié)構(gòu)本身阻尼時，輸出提示葉片吊裝存在氣彈失穩(wěn)風險。

74、本發(fā)明第三方面提供了一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識系統(tǒng)，包括存儲器和處理器，所述存儲器中包括風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法程序，所述風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法程序被所述處理器執(zhí)行時實現(xiàn)一種風力機葉片吊裝橫向擺動氣動阻尼辨識方法的步驟。

75、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

76、本發(fā)明的計算方法不依賴于極其復(fù)雜的實時風況數(shù)據(jù)，通過簡化條件和模型，避免了對每個葉片截面風速、攻角以及升阻力系數(shù)的繁瑣計算。與傳統(tǒng)的計算方法相比，極大地減少了計算資源的消耗，能夠在更短時間內(nèi)得到近似準確的計算結(jié)果，特別適合于風力機運行過程中頻繁的氣動阻尼計算需求。