短时风湍流结合长期风况的风电机组齿轮箱非零均值非高斯随机过程的频域疲劳寿命预测研究

This project studies short term wind turbulence and long term wind speed impacts to gearbox dynamic response of wind turbines with different control strategy. It aims at developing fatigue assessment method for non-zero non-Gaussian process. By building up fluid dynamic model for wind speed and constructing dynamic response model for wind turbine gearbox, impacts of parameters in non-Gaussian process of fatigue assessment to gearbox stress spectral density are analyzed. The external excitation by wind speed and internal excitation within wind turbine system effects to fatigue damage are studied. Influences of gearbox structural parameters, control strategies under different wind turbulences scales to gearbox fatigue life are quantified. A new method of frequency-domain fatigue assessment method is developed for non-zero non Gaussian process. SCADA data is also proposed as a new testing source to prove the fatigue assessment method, based on which on-line fatigue damage monitor system is further explored. The research is meaningful to improve wind turbine reliability and practically push the theory of wind turbine gearbox fatigue assessment. The result provides useful theory and tools for future prognostic maintenance.

本项目从短期风湍流和长期风速分布特性出发，全面考虑机组本身运行机理考察风电齿轮箱在湍流情况下的动力学响应特性，研究非零均值非高斯随机过程的频域疲劳寿命预测方法。通过建立风速的流体力学模型和齿轮箱的动力学响应模型，针对风速具有非高斯随机过程的分布特点，深入探索频域疲劳寿命预测模型中非高斯分布参数对齿轮箱应力频谱密度函数的影响，研究随机风速外部激励和系统内部激励变化情况下的疲劳损伤机制，发掘齿轮箱结构参数、风电机组控制策略在不同风湍流等级情况下对齿轮疲劳寿命的影响，发展非零均值非高斯随机过程频域疲劳寿命预测理论；针对当前寿命预测方法验证的难点，提出采用SCADA数据进行疲劳寿命方法的测试和论证，并在此基础上进行实时齿轮箱寿命预测的探索，一方面突破论证方法的难点，另一方面探索利用低频信号实现在线齿轮寿命预估的新方法，为未来大型风电机组低成本的远程监控并实现预防性维护提供必要的工具和理论基础。

本课题建立了风电机组齿轮箱动力学模型，通过对湍流风速和极端风况进行建模，量化了在不同风况下风电机组齿轮箱10分钟内各级齿轮的损伤变化情况，比较了基于线性和非线性累积疲劳损伤理论得到的齿轮寿命，获得利用非线性累积理论计算齿轮寿命更有利的结论，发现太阳轮是风电机组三级传动齿轮中最易损坏的部分，在齿轮箱设计阶段应当更加注重太阳轮的可靠性设计；极端风况对齿轮造成的损伤主要体现在机组运行于低于额定风速的区间；通过进一步分析紧急制动控制和变桨系统速率变化对齿轮疲劳寿命的影响，结果显示变桨系统的迟延响应会增加齿轮损伤，反之一个快速响应的变桨系统对风电机组的健康运行有重要的影响。在此基础上，结合长期均值风速的威布尔分布函数推导了完整的风电齿轮箱疲劳寿命损伤计算公式，并提出了基于SCADA数据进行齿轮箱在线疲劳损伤量化计算的方法，通过真实的案例论证了该方法的可行性。继而，为提高短期齿轮疲劳寿命计算的准确性，课题组探索了对齿轮齿根应力采用频域分析方法进行分析，并结合疲劳力学损伤理论对齿轮的损伤进行计算，发现齿轮寿命与其载荷的频率有相关性且混合态载荷比单一基态载荷具有更大的损伤。课题的结果为风电齿轮箱疲劳寿命的准确计算和在线监控提供了重要的理论基础和工具，并在一定程度上推动了疲劳力学理论的发展。