风沙侵蚀环境下风电塔筒结构疲劳寿命预测

Wind power installed capacity of Northwest region accounts for about 20% of the total capacity of China, but due to solid particles contained in the wind change the original wind characteristic and the solid particles have erosion effects on wind turbine structure, all of which cause structural resistance decreased, even collapse under extreme load. Therefore this project focuses on the fatigue life prediction of wind turbine tower in northwest region under the sandstorm erosion. Firstly, the characteristics of wind field and environmental parameters were monitored by monitoring technology, meanwhile the statistical distribution of particle and sandstorm shear model at different level were given, equivalent wind load theoretical models applied to the wind tower design were established which consider the solid particles contained in with wind, and the influence of environmental parameters on the structural response were found out. Secondly, sandstorm erosion evaluation indices and degradation model of structural performance were put forward with the combination of image processing technology. Through considering surface crack scoured by wind, multiscale simulation method of wind turbine tower and calculation formula of stress intensity factor were proposed, Finally, fatigue life evaluation method of wind turbine tower was formed, it will provide the basis for structural design and safety assessment, and guarantee the structure’s safety operations.

西北地区风力发电装机容量占全国总装机容量的20%左右，但由于该地区风中携带固体颗粒改变了原有风场特性，而且固体颗粒会对风电结构产生侵蚀作用，导致结构抗力降低，在极端荷载作用下发生倒塌事故。因此本项目针对西北地区风电塔筒结构在风沙侵蚀作用下的疲劳寿命预测这一科学问题展开研究。首先利用监测技术对风沙场特征以及环境参数进行监测，给出不同高度粒径的统计分布与不同高度的沙场切变模型，建立考虑风中携带固体颗粒的风电塔架结构设计用等效风荷载理论模型，并找出环境参数对结构响应的影响规律；其次结合图像处理技术提出风沙冲蚀评价指标，建立考虑风沙冲蚀作用的风电塔筒结构性能退化模型；发展考虑风沙表面冲蚀裂纹的塔筒结构疲劳多尺度模拟方法，给出考虑风沙侵蚀裂纹的应力强度因子计算公式，最终形成风电塔筒结构疲劳寿命评估方法，为风电塔筒结构的设计与安全评估提供依据，为结构安全运营提供保障。

西北地区由于空气中含有风沙会对风电结构产生影响，因此本项目主要针对风沙环境作用下的风电结构健康监测展开研究。本项目根据西部地区风力发电塔的特点，提出并设计了适合于西北风场的塔架结构健康监测系统，并在西北某风场的风塔中安装了长期结构健康监测系统。基于长期结构健康监测系统采集的数据，对西北地区风场特性及其尾流特性进行了分析，并对在尾流特性影响下的结构响应进行分析，为风电场微观布置提供依据。以西北地区风电场中常见的2WM三桨叶水平轴风力发电机为原型，利用大型通用有限元软件ANSYS建立不同精细程度的风力发电结构有限元模型，对比不同模型下风电结构在地震作用下的响应规律。在此基础上，分别考虑叶片旋转刚化及土-结构相互作用对风力发电结构动力特性的影响，研究风力发电结构整机在不同叶片旋转速度、不同场地类别以及综合考虑叶片旋转与不同场地类别下风力发电结构的动力特性变化，研究其频率变化规律。并利用坎贝尔图分析在上述工况下风力发电结构的共振特性。对比分析不同等级风荷载和风沙荷载作用下的风力发电结构动力响应，分析研究了风力发电结构在不考虑风机叶片、考虑风机叶片旋转作用以及考虑土-结构相互作用三种工况下，风力发电结构在不同等级风荷载和风沙荷载作用下的动力响应变化规律。基于机器视觉理论，采用搭载高清工业相机的机器视觉系统，结合LED平行光源，实时摄取风力发电机叶片表面缺陷图像。结合数字图像处理技术编制适用的图像处理算法，对采集到的叶片图像进行缺陷目标识别和参数计算的数字图像处理，最终对叶片表面有无缺陷给出定性和定量评定，提出基于机器视觉算法的叶片表面缺陷识别方法。通过本项目的研究，为西部地区风力发电结构的设计规范的修订、风沙环境下的风电结构运行维护及状态评估提供依据。